Технический углерод

Стандартом описаны (по состоянию  на 2006 год) 43 марки техуглерода, из которых индекс «S» имеют 2.

Основные физико-химические характеристики показатели типичных марок  техуглерода по ASTM приведены ниже:

Марка по  ASTM D1765	Удельная поверхность,  10³м²/кг	Йодное число,  г/кг	Абсорбция масла,  10-5м³/кг	Насыпная плотность,  кг/м³
N110	127	145	113	345
N220	114	121	114	355
S315	89	—	79	425
N330	78	82	102	380
N550	40	43	121	360
N683	36	35	133	355
N772	32	30	65	520
N990	8	—	43	640

Воздействие на человека

По текущим оценкам  Международного агентства по исследованиям  в области рака, технический углерод, возможно, является канцерогенным веществом для человека и по этой причине отнесён к группе 2B по классификации канцерогенных веществ. Кратковременное воздействие высоких концентраций пыли техуглерода может вызывать дискомфорт в верхних дыхательных путях за счёт механического раздражения.

Ведущие производители

• Доля лидирующих производителей техуглерода в мировом производстве составляет:

«Cabot» — 21 %;

«Degussa» — 13 %;

«Columbian» — 9 %;

• в том числе отечественных:

«Завод технического углерода (г.Омск)» — 3 %;

«Ярославский техуглерод» — 2 %;

«Нижнекамсктехуглерод» — менее 1 %.

Мировое производство технического углерода в 2011 году составило 10 739 000 тонн.

 

2. Физические и  химические свойства

Известны четыре кристаллические  модификации углерода: графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. Графит - серо-чёрная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском, обладает электропроводимостью. Атомы расположены параллельными слоями, образуя гексагональную решетку. Внутри слоя атомы связаны сильнее, чем один слой с другим, поэтому графит может расслаиваться.

Сгорает при 700єС в рисутствии кислорода. Встречается в природе; получается искусственно. При высокой температуре, давлении и рисутствии катализатора (марганец Mn, хром Cr, платиновые металлы) графит превращается в алмаз. Алмаз - минерал, имеющий желтоватый, белый, серый, зеленоватый, реже голубой и черный цвет. Не проводит электрический ток, плохо проводит тепло.

В кристалле атомы углерода образуют непрерывный трехмерный каркас, состоящий из сочлененных тетраэдров, что обеспечивает высокую прочность  связей. Алмаз - это самое твердое  вещество из всех известных. Температура  плавления выше 3500єС. Химически стоек. Сгорает при 870єС в присутствии кислорода. При 1800єС в отсутствие кислорода превращается в графит. Прозрачные кристаллы; после обработки - бриллианты.

Добывают из россыпей и  коренных месторождений. Синтетический  алмаз получают из графита при  высоких давлении и температуре. Он чаще полупрозрачный или непрозрачный; имеет кристаллическую структуру и свойства природного алмаза. Жидкий углерод может быть получен при давлениях выше 10,5 Мн/мІ (105 кгс/смІ) и температурах выше 3700єС. Кокс, сажа, древесный уголь (твердый углерод) имеют то же строение, что и графит.Для твёрдого углерода характерно также состояние с неупорядоченной структурой - так называемый "аморфный" углерод, который не представляет собой самостоятельной модификации; в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание некоторых разновидностей "аморфного" углерода выше 1500-1600єС без доступа воздуха вызывает их превращение в графит.

Физические свойства "аморфного" углерода очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоёмкость, теплопроводность и электропроводность "аморфного" углерода всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность = 2 г/смі). Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойства окончательно не установлены.

 

 

 

 

 

А        Б

Структура алмаза (а) и графита (б).

Конфигурация внешней  электронной оболочки атома углерода 2sІ2pІ. Для углерода характерно образование четырёх ковалентных связей, обусловленное возбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2spі. Химическая связь может осуществляться за счет sp3-, sp2- и sp- гибридных орбиталей, которым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2. Число валентных электронов углерода и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивости связи между атомами углерода.

 

Строение атома углерода.

Уникальная способность  атомов углерода соединяться между  собой с образованием прочных  и длинных цепей и циклов привела  к возникновению громадного числа  разнообразных соединений углерода (углеводородов), изучаемых органической химией.

В соединениях углерод  проявляет степени окисления -4; +2; +4. Атомный радиус 0,77Б, ковалентные радиусы 0,77Б,  0,67Б, 0,60Б соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионной радиус

С4- 2,60Б, С4+ 0,20Б. При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность убывает в ряду: "аморфный" углерод, графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственно при температурах выше 300-500єС, 600-700єС и 850-1000єС с образованием двуокиси углерода CO2 и окиси углерода CO.

CO2 растворяется в воде  с образованием угольной кислоты.  В 1906 О. Дильс получил недоокись углерода C3O2. Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь концентрированных HNO3 и KClO3 и др.).

"Аморфный" углеод реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредственное соединение углерода с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и иодом углерод не реагирует, поэтому многочисленные галогениды углерода синтезируют косвенным путём. Из оксигалогенидов общей формулы COX2 (где Х - галоген) наиболее известна хлорокись COCl2 (фосген).

 Водород с алмазом не взаимодействует; с графитом и "аморфным" углеродом реагирует при высоких температурах в присутствии катализаторов (никель Ni, платина Pt): при 600-1000єС образуется в основном метан CH4, при 1500-2000єС - ацетилен C2H2, в продуктах могут присутствовать также другие углеводороды, например этан C2H6, бензол C6H6. Взаимодействие серы с "аморфным" углеродом и графитом начинается при 700-800єС, с алмазом при 900-1000єС; во всех случаях образуется сероуглерод CS2. Другие соединения углерода, содержащие серу (тиоокись CS, тионедоокись C3S2, сероокись COS и тиофосген CSCl2), получают косвенным путём. При взаимодействии CS2 с сульфидами металлов образуются тиокарбонаты - соли слабой тиоугольной кислоты.

Взаимодействие углерода с азотом с получением циана (CN)2 происходит при пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота. Среди азотсодержащих соединений углерода важное практическое значение имеют цианистый водород HCN и его многочисленные производные: цианиды, гало-генцианы, нитрилы и др.

При температурах выше 1000єС углерод взаимодействует со многими металлами, давая карбиды. Все формы углерода при нагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободных металлов (Zn, Cd, Cu, Pb и др.) или карбидов (CaC2, Mo2C, WC, TaC и др.).  Углерод реагирует при температурах выше 600-800°С с водяным паром и углекислым газом.

 Отличительной особенностью  графита является способность  при умеренном нагревании до 300-400єС взаимодействовать со щелочными металлами и галогенидами с образованием соединений включения типа C8Me, C24Me, C8X (где Х - галоген, Me - металл). Известны соединения включения графита с HNO3, H2SO4, FeCl3 и другие (например, бисульфат графита C24SO4H2). Все формы углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, железо Fe, никель Ni, кобальт Co).

 

3.Производственный  процесс

Наиболее рациональным способом получения водорода из природного газа (метана) является его полный пиролиз  до углерода и водорода, поскольку  в этом случае возможно достижение наиболее полного использования  потенциала этого не возобновляемого  сырья.

Комплекс состоит из четырех  отделений:

• отделение подготовки технических газов и сырья;
• отделение пиролиза;
• отделение концентрирования, выделения, грануляции и упаковки технического углерода;
• отделение выделения, компремирования и очистки водорода.

Полученный товарный водород  особой чистоты - 99,999 об. % транспортируется по трубопроводу к существующей установке ожижения.

Готовый гранулированный  технический углерод расфасовывается  в специальную упаковку (биг-бэги) весом по 0,8т.

Хранится либо в расфасовочном  бункере, либо на складе для хранения готовой продукции.

Отделение подготовки технологических  газов и сырья

Для нагрева сырья (природного газа) с целью пиролиза используется воздух (окислитель) и природный  газ. Перед сжиганием в реакторе воздух предварительно нагревается до температуры 600-650 град. С, а природный газ до 400 град. С. Природный газ, используемый в качестве сырья для пиролиза, также предварительно подогревается до 400 град. С. Для этого воздух под давлением 0,16 МПа подается в теплообменник-рекуператор тепла отходящих газов, где нагревается до 600-650 град. С, а затем поступает на вход реактора.

Природный газ из сети с  давлением 0,3-0,5 МПа поступает под давлением 0,16 МПа в теплообменник, нагреваемый водяным паром (с температурой около 160 град. С) до 120 град. С, а затем поступает в теплообменник-рекуператор тепла отходящих газов, где догревается до 400 град. С. После этого поток разделяется на две части. Одна часть предназначена для нагрева потока теплоносителя путем сжигания в воздухе, а вторая - в качестве сырья на пиролиз.

Отделение пиролиза

Пиролиз природного газа (сырья) производится в реакторе после впрыска  сырья в высокотемпературный  поток продуктов сжигания топлива  в воздухе. После завершения пиролиза, в поток газо-сажевой смеси вводится вода с температурой 50-60 град. С для закалки продуктов. Для закалки потока в реакторе используется вода, циркулирующая через рубашку газоохладителя. Продукты после закалки и дополнительного охлаждения в рекуперативных теплообменниках и в теплообменнике - охладителе поступают в отделение концентрирования, выделения и очистки продуктов.

Отделение выделения, концентрирования, грануляции и упаковки технического углерода (сажи).

Смесь газообразных продуктов  и сажи после охладителя поступает  в циклон, а затем в рукавный фильтр, где происходит выделение  технического углерода. После фильтра  пиролизные газы, не содержащие сажи (остаточная концентрация не превышает 50мг/куб. м.) поступают в отделение очистки и концентрирования водорода. Выделившаяся в циклоне и рукавном фильтре сажа после микромельчителя подхватывается потоком газов, циркулирующих между рукавным фильтром и циклоном с помощью вентилятора. В циклоне происходит ее уплотнение и окончательное выделение уплотненных частиц из потока. Из циклона циркулирующий газ с ультрадисперсными частицами сажи возвращается снова в рукавный фильтр для дальнейшего ее выделения.

После выхода из циклона  сажа попадает в гранулятор, увлажняется водой, поступающей из конденсатора, гранулируется в гранулы диаметром 3-5мм. и поступает в сушильный барабан.

После осушки гранулированный  углерод ковшовым элеватором, после  охлаждения в охладителе, подается в бункер для расфасовки.

Расфасовка производится автоматизированной системой в специальные  мешки (биг-бэги). После этого готовый продукт - техуглерод может быть отправлен непосредственно потребителю. Емкость бункеров достаточна для хранения продукта, наработанного примерно за 10 суток.

Отделение выделения, компремирования и очистки водорода.

Поток очищенных от сажи газов, содержащих водород, азот, окись  углерода, углекислый газ и пары воды после рукавного фильтра  при температуре около 350 град. С поступает в теплообменник-конденсатор, где происходит конденсация воды.