Химизм и механизм получения технического углерода

Процесс получения технического углерода (термическое разложение углеводородов с образованием углерода, находящегося в виде твердой фазы) описывается следующим уравнением:

С_nH_m = _nC + (10.3)

Для разложения углеводородов в газовой фазе необходимо тепло в количестве 1,2-4,8 Мдж/кг сырья. В промышленности это осуществляется за счет сжигания части газа или другого топлива.

Процесс термического разложения углеводородов можно упрощенно рассматривать следующим образом. Молекулы углеводородов при высокой температуре распадаются на свободные углеводородные радикалы и атомы водорода. Эти радикалы взаимодействуют друг с другом с образованием новых радикалов и молекул термостойких соединений, которые являются основой будущих частиц техуглерода. В зоне реакции образующиеся новые углеводородные радикалы присоединяются к уже существующим радикалам и идет процесс формирования атомов углерода в кристаллические образования, а кристаллов техуглерода - в частицы техуглерода. Повышение температуры процесса и уменьшение времени пребывания частиц техуглерода в зоне реакции приводит к получению более высокодисперсного техуглерода. Использование только природного газа в качестве сырья приводит к получению мелкодисперсного технического углерода удельной поверхностью 12-16 м²/ч. Если сырье состоит из 50% об. природного газа и 50% об. отходящих газов производства, состоящие из 90% об. водорода, то удельная поверхность технического углерода увеличивается до 20 м²/ч.

Скорость образования частиц технического углерода увеличивается, если в газе содержится 1% кислорода или оксида этилена.

Для процесса горения необходим кислород воздуха. Теоретически необходимое количество воздуха для полного сжигания горючего, применяемого в производстве технического углерода (при 0⁰С и 0,1 МПа) составляет: для зеленого масла - 10,5-10,7 м³/кг; для термогазойля - 10,6 м³/кг; экстракта газойля каталитического крекинга - 10,5 м³/кг; нефтяного газа - 9,5 - 10,0 м³/м³; природного газа - 9,0-9,5 м³/м³; газов нефтепереработки - 14,5-16,0 м³/м³. При сжигании жидких горючих веществ для их полного сгорания необходимо подавать на 20-25% воздуха больше, а при сжигании газообразных веществ - на 5-10% больше.

При сгорании углеводородов образуется пламя, которое характеризуется тонким (до 0,1 мм) фронтом горения. Кислород внутри пламени отсутствует в случае раздельной подачи углеводородов и воздуха и внутри пламени происходит термическое разложение углеводородов.

Наряду с техническим углеродом при неполном сгорании образуются двуоксид углерода, оксид углерода, водород, азот, вода и в незначительных количествах метан, сероводород и сероуглерод. При температуре выше 1000⁰С протекают реакции:

СО₂ + Н₂ = СО + Н₂О

С + СО₂ ® 2СО (10.4)

С + Н₂О ® СО + Н₂

При осаждении технического углерода из пламени на охлажденную поверхность происходит реакция окисления углерода:

2С + О₂ ® 2СО

С + О₂ ® СО₂ (10.5)

Чтобы исключить побочные реакции, смесь газа и техуглерода на выходе из зоны горения охлаждают водой или вводом охлажденной поверхности.