Tehnički ugljen, njegova proizvodnja

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-17 18:43

Čađa (GOST 7885-86) je vrsta industrijskih ugljeničnih proizvoda koji se uglavnom koriste u proizvodnji gume kao punilo koje poboljšava njegove korisne karakteristike. Za razliku od koksa i smole, sastoji se od skoro jednog ugljenika, izgleda kao čađ.

Oblast primjene

Približno 70% proizvedene čađe koristi se za proizvodnju guma, 20% - za proizvodnju gumenih proizvoda. Također, tehnički ugljik se koristi u proizvodnji boja i lakova i u proizvodnji tiskarskih boja, gdje djeluje kao crni pigment.

Još jedno područje primjene je proizvodnja plastike i omotača kabela. Ovdje se proizvod dodaje kao punilo i daje proizvodima posebna svojstva. Čađa se također koristi u malim količinama u drugim industrijama.

Karakteristika

Cađa je proizvod procesa koji uključuje najnovije inženjerske i kontrolne tehnike. Zbog svoje čistoće i strogo definisanog setafizičkih i hemijskih svojstava, nema nikakve veze sa čađom koja nastaje kao zagađeni nusproizvod sagorevanjem uglja i loživog ulja, ili radom neregulisanih motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Prema općeprihvaćenoj međunarodnoj klasifikaciji, čađa je označena čađom (crni ugljik u prijevodu s engleskog), čađa na engleskom je čađa. To jest, ovi koncepti trenutno nisu ni na koji način pomiješani.

Efekat ojačanja usled punjenja gume čađom nije bio ništa manje važan za razvoj gumene industrije od otkrića fenomena vulkanizacije gume sumporom. U smjesama gume, ugljenik iz velikog broja sastojaka koji se koriste po težini zauzima drugo mjesto nakon gume. Uticaj indikatora kvaliteta čađe na svojstva gumenih proizvoda je mnogo veći od pokazatelja kvaliteta glavnog sastojka - gume.

Pojačavanje svojstava

Poboljšanje fizičkih svojstava materijala uvođenjem punila naziva se armiranje (pojačavanje), a takva punila se nazivaju pojačala (čađa, precipitirani silicijum oksid). Među svim pojačalima, tehnički ugljen ima zaista jedinstvene karakteristike. I prije vulkanizacije vezuje se za gumu, a ova smjesa se ne može u potpunosti razdvojiti na čađu i gumu otapalima.

Jačina gume na bazi najvažnijih elastomera:

Elastomer	Vlačna čvrstoća, MPa
	Neispunjeni vulkanizat	Vulkanizat punjen čađom
stiren butadien guma	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Poliakrilna guma	2, 1	17, 6
Polybutadien guma	5, 6	21, 1

Tabela pokazuje svojstva vulkanizata dobijenih od raznih vrsta gume bez punjenja i punjenih čađom. Iz navedenih podataka može se vidjeti kako karbonsko punjenje značajno utječe na vlačnu čvrstoću gume. Inače, drugi raspršeni prahovi koji se koriste u gumenim smjesama za davanje željene boje ili smanjenje cijene mješavine - kreda, kaolin, talk, željezni oksid i drugi nemaju ojačavajuća svojstva.

Struktura

Čisti prirodni ugljici su dijamanti i grafit. Imaju kristalnu strukturu koja se značajno razlikuje jedna od druge. Difrakcijom rendgenskih zraka utvrđena je sličnost u strukturi prirodnog grafita i umjetne čađe. Atomi ugljenika u grafitu formiraju velike slojeve kondenzovanih aromatičnih prstenastih sistema, sa međuatomskim rastojanjem od 0,142 nm. Ovi slojevi grafitakondenzovani aromatični sistemi se nazivaju bazalni ravni. Udaljenost između ravnina je strogo definisana i iznosi 0,335 nm. Svi slojevi su međusobno paralelni. Gustina grafita je 2.26g/cm3.

Za razliku od grafita, koji ima trodimenzionalni poredak, tehnički ugljenik karakteriše samo dvodimenzionalni poredak. Sastoji se od dobro razvijenih grafitnih ravni, smještenih približno paralelno jedna s drugom, ali pomaknute u odnosu na susjedne slojeve – to jest, ravnine su proizvoljno orijentirane u odnosu na normalu..

Grafitna struktura je figurativno upoređena sa uredno presavijenim špilom karata, a struktura čađe je upoređena sa špilom karata u kojem su karte pomaknute. U njemu je međuplanarna udaljenost veća od one kod grafita i iznosi 0,350-0,365 nm. Stoga je gustina čađe niža od gustine grafita i kreće se u rasponu od 1,76-1,9 g/cm³, u zavisnosti od marke (najčešće 1,8 g/cm ^3).

Bojenje

Pigmentirani (bojni) slojevi čađe se koriste u proizvodnji štamparskih boja, premaza, plastike, vlakana, papira i građevinskih materijala. Oni su klasifikovani u:

• čađa visoke boje (HC);
• srednji (MS);
• normalno bojanje (RC);
• niska boja (LC).

Treće slovo označava način dobijanja - peć (F) ili kanal (C). Primjer oznake: HCF - Peć visoke boje crna (Hiqh Color Furnace).

Snaga bojenja proizvoda povezana je s njegovom veličinom čestica. Ovisno o njihovoj veličini, tehnički ugljik je podijeljen u grupe:

Prosječna veličina čestica, nm	Crna klasa peći
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Klasifikacija

Tehnički ugljik za gumu prema stepenu ojačanja dijeli se na:

• Visoko ojačanje (gazište, tvrdo). Odlikuje ga povećana izdržljivost i otpornost na habanje. Veličina čestica je mala (18-30 nm). Koristi se u transportnim trakama, gazištima guma.
• Poluojačavajuća (okvirna, mekana). Veličina čestica je prosječna (40-60 nm). Koriste se u raznim gumenim proizvodima, trupovima guma.
• Nizak dobitak. Veličina čestica je velika (preko 60 nm). Ograničena upotreba u industriji guma. Pruža potrebnu čvrstoću uz održavanje visoke elastičnosti gumenih proizvoda.

Kompletna klasifikacija čađe je data u ASTM D1765-03, prihvaćena od strane svih svjetskih proizvođača i korisnika proizvoda. U njemu se klasifikacija, posebno, vrši prema rasponu specifične površine čestica:

Grupa	Prosječno specifično područjepovršina adsorpcijom azota, m2/g
0	>150
1	121-150
2	100-120
3	70-99
4	50-69
5	40-49
6	33-39
7	21-32
8	11-20
9	0-10

Proizvodnja čađe

Postoje tri tehnologije za proizvodnju industrijske čađe koje koriste nepotpun ciklus sagorevanja ugljovodonika:

• peć;
• kanal;
• tube;
• plasma.

Postoji i termička metoda koja razlaže acetilen ili prirodni plin na visokim temperaturama.

Više vrsta proizvedenih različitim tehnologijama imaju različite karakteristike.

Tehnologija proizvodnje

Teoretski je moguće dobiti čađu svim gore navedenim metodama, međutim, više od 96% proizvedenog proizvoda dobija se metodom peći iz tečnih sirovina. Metoda omogućava dobijanje različitih vrsta čađe sa određenim skupom svojstava. Na primjer, fabrika čađe u Omsku proizvodi više od 20 vrsta čađe koristeći ovu tehnologiju.

Opća tehnologija je ovo. Reaktor, obložen visoko vatrostalnim materijalima, napaja se prirodnim plinom i zrakom zagrijanim na 800°C. Sagorevanjem prirodnog gasa nastaju produkti potpunog sagorevanja sa temperaturom od 1820-1900°C, koji sadrže određenu količinu slobodnog kiseonika. Tečne ugljovodonične sirovine se ubrizgavaju u visokotemperaturne produkte potpunog sagorevanja, prethodno dobro izmešane i zagrejane na 200-300 °C. Piroliza sirovina se odvija na strogo kontrolisanoj temperaturi, koja u zavisnosti od marke proizvedene čađe ima različite vrednosti od 1400 do 1750°C.

Na određenoj udaljenosti od mjesta snabdijevanja sirovinama, termooksidativna reakcija se zaustavlja ubrizgavanjem vode. Čađa i reakcioni gasovi koji nastaju kao rezultat pirolize ulaze u grejač vazduha, gde odaju deo svoje toplote vazduhu koji se koristi u procesu, dok se temperatura mešavine ugljenika i gasa smanjuje sa 950-1000 °S na 500-600 °S.

Nakon hlađenja na 260-280 °C zbog dodatnog ubrizgavanja vode, mješavina čađe i plinova se šalje u vrećasti filter, gdje se čađa odvaja od plinova i ulazi u spremnik filtera. Odvojena čađa iz filterske kante se dovodi kroz gasovod pomoću ventilatora (turbo puhala) do sekcije za granulaciju.

Proizvođači čađe

Globalna proizvodnja čađe premašuje 10 miliona tona. Ovako velika potražnja za proizvodom objašnjava se, prije svega, njegovim jedinstvenim svojstvima ojačanja. Lokomotive industrije su:

• Aditya Birla Group (Indija) - oko 15% tržišta.
• Cabot Corporation (SAD) - 14% tržišta.
• Orion Engineered Carbons (Luxembourg) - 9%.

Najveći ruski proizvođači ugljika:

• Omsktehuglerod LLC – 40% ruskog tržišta. Fabrike u Omsku, Volgogradu, Mogilevu.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.