CC BY
0УДК 332
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ
СМОЛЫ
ГЕЛЬМАНОВА ЗОЯ САЛИХОВНА
Профессор кафедры ЭиБ, Карагандинский индустриальный университет, Темиртау,
Казахстан
ОГОЛЬ ЕКАТЕРИНА АЛЕКСАНДРОВНА
Магистрант, Карагандинский индустриальный университет, Темиртау, Казахстан
Аннотация. Работа посвящена исследованию существующих технологий переработки каменноугольной смолы и их применению для получения электродного пека, нафталина технического, каменноугольных масел и композитных продуктов. В обзоре рассматриваются основные стадии переработки каменноугольной смолы, такие как дистилляция, фильтрация, очистка, гидрогенизация и экстракция. Особое внимание уделено анализу технологического оборудования и оптимизации процессов для повышения производительности и снижения себестоимости продукции. Приведены основные параметры качества продуктов переработки, а также нормы и стандарты, регулирующие требования к ним. Исследование включает анализ актуальной литературы и стандартов, таких как ГОСТ и ASTM, для оценки современных достижений и перспектив развития данной отрасли.
Ключевые слова: технология, каменноугольная смола, переработка, требования
Переработка каменноугольной смолы занимает важное место в коксохимическом производстве и является ключевым процессом для получения продуктов с высокой добавленной стоимостью, таких как электродный пек, технический нафталин и каменноугольные масла. В условиях растущих требований к качеству и безопасности продукции, а также стремления к снижению экологической нагрузки на предприятия и окружающую среду, актуальность совершенствования технологий переработки каменноугольной смолы приобретает особое значение. Вопросы повышения эффективности, оптимизации энергоемкости и безопасности этих процессов оказывают влияние на широкий спектр отраслей, включая металлургию, энергетику, химическую промышленность и экологию.
Существуют несколько основных методов переработки каменноугольной смолы, направленных на получение электродного пека, фракций, технического нафталина, каменноугольных масел и композиционных продуктов. Дистилляция: это процесс разделения компонентов каменноугольной смолы на фракции за счёт разницы в температуре кипения. Дистилляция осуществляется в несколько этапов при различных температурах, что позволяет выделить легкие, средние и тяжелые фракции. Полученные продукты включают технический нафталин (выделяется при температуре около 170-230°C), каменноугольные масла и сырье для дальнейшего производства электродного пека. Ректификация: более сложный процесс, чем дистилляция, который позволяет выделить компоненты с высокой точностью. Ректификация используется для дальнейшей очистки фракций после дистилляции и получения более чистых продуктов. Этот метод часто применяется для производства качественного электродного пека и очищенного нафталина. Гидрогенизация: в процессе гидрогенизации каменноугольная смола обрабатывается водородом при высоких температурах и давлениях в присутствии катализаторов. Это позволяет увеличить выход легких углеводородов и масел, снижая количество ароматических соединений.
Метод также помогает стабилизировать масла и фракции, что делает их пригодными для производства композиционных продуктов и улучшает качество электродного пека. Пекование: процесс преобразования остатков после дистилляции и ректификации смолы в
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
твердый продукт - электродный пек. При нагреве и постепенной потере летучих веществ каменноугольная смола превращается в вязкий или твердый материал, который используют для производства электродов и других углеродсодержащих продуктов. Экстракция растворителями: с помощью растворителей можно выбрать из каменноугольной смолы определенные углеводороды и смолистые компоненты. Этот метод помогает выделить такие продукты, как нафталин, фенолы и каменноугольные масла, которые служат сырьем для различных химических процессов и композиционных материалов. Пиролиз: пиролиз смолы используется для получения газообразных и жидких углеводородов, а также пека и углеродистых материалов. В ходе этого процесса сырье нагревается до высоких температур в безкислородной среде, что приводит к разложению на более простые продукты. Пиролиз также позволяет получить компоненты для производства композиционных материалов и углеродных адсорбентов.
Эти процессы позволяют использовать каменноугольную смолу для производства широкого спектра химических продуктов, необходимых в металлургической, химической и энергетической промышленности.
Процесс переработки каменноугольной смолы состоит из нескольких стадий и операций, которые направлены на получение различных целевых продуктов, таких как электродный пек, нафталин, каменноугольные масла и композиционные материалы. Основные этапы и операции включают: Подготовка сырья: сбор и транспортировка смолы. Смола поступает с коксовых батарей и затем перекачивается на установку переработки. Фильтрация и очистка. Сырье предварительно очищают от примесей, твердых частиц и воды, что позволяет избежать загрязнений в дальнейшем процессе переработки.
Дистилляция: первичная перегонка. Каменноугольная смола нагревается в специальных аппаратах, и происходит первичная дистилляция, при которой выделяются легкие фракции -газы, легкие масла и водяной пар. Фракционирование. На этом этапе выделяются средние и тяжелые фракции, такие как фенолы, нафталин и каменноугольные масла. Этот процесс осуществляется в колоннах при определенных температурах для получения фракций различного состава [3].
Ректификация: очистка и разделение фракций. Ректификация проводится в колоннах с более точным разделением продуктов. Этот процесс используется для выделения чистого нафталина и каменноугольных масел высокой чистоты. Стабилизация компонентов. В процессе ректификации полученные фракции очищаются от примесей, что позволяет улучшить качество целевых продуктов.
Пекование (производство пека): концентрация тяжелых фракций. Оставшиеся тяжелые фракции и остатки после дистилляции подвергаются нагреву, в результате чего уменьшается содержание летучих компонентов, и увеличивается вязкость. Термическое обезвоживание. При дальнейшем нагреве и охлаждении смола превращается в вязкую массу или твердый материал - пек. Полученный пек используется в производстве электродов и других углеродных материалов.
Гидрогенизация (при необходимости): обработка водородом. Этот процесс проводится при высоких температурах и давлениях для улучшения стабильности и качества углеводородных компонентов. Каталитическая очистка. Гидрогенизация позволяет уменьшить содержание серы и ароматических соединений, улучшая свойства конечных продуктов.
Экстракция и очистка растворителями: Экстракция нафталина и фенолов. На этой стадии применяются органические растворители для выделения нафталина и других компонентов, таких как фенолы. Очистка экстрактов. Полученные фракции дополнительно очищаются и концентрируются, чтобы получить целевые продукты требуемой чистоты.
Постобработка и упаковка: Очистка продуктов. Дополнительные методы очистки, такие как фильтрация и ректификация, используются для получения конечных продуктов. Охлаждение и упаковка. Продукты, такие как электродный пек, нафталин, масла и
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
композиционные материалы, фасуются и упаковываются для транспортировки или дальнейшего использования.
Этот процесс включает физические и химические операции, направленные на эффективное разделение и переработку каменноугольной смолы, с целью получения качественных материалов для промышленного применения.
Смолоперерабатывающий цех коксового химического производства состоит из нескольких основных объектов и технологического оборудования, необходимых для переработки каменноугольной смолы. Ключевые объекты такого цеха включают:
Приемное отделение: Резервуары для хранения смолы. Эти емкости предназначены для приема и временного хранения поступающей каменноугольной смолы перед её переработкой. Система подогрева. Используется для подогрева смолы перед переработкой, что снижает её вязкость и облегчает транспортировку к следующей стадии.
Очистное отделение: Фильтры грубой очистки. Удаляют крупные примеси и твердые частицы, что предотвращает их попадание в основное технологическое оборудование. Сепараторы для удаления воды. Эти установки обеспечивают отделение воды от смолы, что уменьшает коррозию оборудования и снижает риски образования эмульсий.
Дистилляционное отделение: Дистилляционные колонны. Основное оборудование для перегонки каменноугольной смолы и разделения её на легкие, средние и тяжелые фракции. Испарители и ректификационные колонны. Используются для точного фракционирования и выделения целевых продуктов, таких как нафталин, каменноугольные масла и пек.
Пековое отделение: Аппараты для получения пека. Здесь происходит концентрация тяжелых фракций и превращение их в вязкий или твердый продукт — пек. Системы охлаждения и гранулирования пека. Позволяют охлаждать полученный пек и формировать его в гранулы или брикеты для дальнейшего использования.
Гидрогенизационное отделение (при необходимости): Реакторы для гидрогенизации. Оборудование для обработки смолы водородом под давлением в присутствии катализатора, что позволяет улучшить качество конечных продуктов. Система подачи водорода и регенерации катализатора. Служит для подачи водорода в реактор и восстановления катализатора, что позволяет поддерживать высокую производительность установки.
Отделение экстракции и очистки: Экстракционные колонны. Оборудование для выделения нафталина, фенолов и других ценных компонентов из смолы. Очистные установки. Обеспечивают дополнительную очистку и стабилизацию целевых продуктов, удаляя нежелательные примеси.
Системы отвода и утилизации отходов: Установки для очистки стоков. Обрабатывают сточные воды и загрязнения, которые образуются в процессе переработки смолы. Системы утилизации газов. Сжигают или утилизируют побочные газы, образующиеся при переработке, снижая выбросы в атмосферу.
Лаборатория контроля качества: Аналитическое оборудование. Лаборатория оснащена приборами для анализа состава и качества промежуточных и конечных продуктов, что позволяет оперативно контролировать технологический процесс.
Система управления процессом (АСУТП): Компьютеризированная система мониторинга и управления. Обеспечивает контроль всех технологических операций, что позволяет оптимизировать параметры переработки и предотвращать аварийные ситуации.
Эти объекты обеспечивают комплексную переработку каменноугольной смолы с высокой степенью автоматизации и контроля, что необходимо для стабильного качества продуктов и минимизации воздействия на окружающую среду.
Качество продуктов переработки каменноугольной смолы, определяется на основе ряда показателей и стандартов. Основные параметры и стандарты, используемые для оценки качества:
Физико-химические показатели: Температура кипения и плавления. Эти показатели позволяют определить состав фракций и их пригодность для дальнейшего использования.
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Плотность. Измеряется для оценки состава и концентрации продуктов, таких как нафталин и масла. Вязкость. Вязкость пека и масел важна для их применения в производстве электродов и других материалов. Температура воспламенения. Важный показатель для масел и нафталина, влияющий на безопасность их хранения и транспортировки.
Химический состав: Содержание серы. Контроль за уровнем серы важен для снижения загрязнений и повышения качества конечных продуктов. Например, высокое содержание серы в пеке снижает его качество для использования в электродах. Содержание углерода. Высокая концентрация углерода важна для пека, используемого в электродной промышленности. Содержание фенолов, азота, кислорода. Эти показатели важны для качества фенольных масел и продуктов, которые будут использоваться в химической промышленности.
Стандарты и нормативы: в странах СНГ для продуктов переработки каменноугольной смолы применяются государственные стандарты, такие как ГОСТ на пек, нафталин, масла и другие фракции. Например: ГОСТ 10200-83 для нафталина. ГОСТ 10212-2013 для каменноугольного пека. ISO. Международные стандарты, такие как ISO 9001 и ISO 14001, используются для контроля качества продукции и управления воздействием на окружающую среду. ASTM. В мировой практике для проверки качества пека и других продуктов часто используются стандарты ASTM (например, ASTM D2318 для нафталина и ASTM D3884 для пека)[4].
Токсичность и экологические показатели: содержание вредных примесей (например, полициклические ароматические углеводороды). Такие соединения могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека, поэтому их концентрация строго контролируется. Содержание летучих органических соединений (ЛОС). Важно для масел и растворителей, так как высокое содержание ЛОС может привести к загрязнению воздуха и представляет экологическую опасность. Коэффициент выделения сероводорода. Для некоторых фракций определяют содержание сероводорода, так как его высокая концентрация может быть опасной для производства и окружающей среды.
Функциональные свойства: коксовый остаток. Этот показатель определяет количество остаточного углерода после термического разложения и важен для оценки качества пека. Теплотворная способность. Используется для оценки топлива, полученного из каменноугольных масел и смолы.
Органолептические показатели: цвет и запах. Эти параметры оцениваются визуально и могут служить индикаторами загрязнений или примесей. Например, нафталин должен быть чистым и белым, а масла — темными. Эти показатели и стандарты необходимы для оценки пригодности продуктов переработки каменноугольной смолы для использования в различных промышленных процессах, таких как производство электродов, химических веществ и энергетических материалов.
Переработка каменноугольной смолы позволяет использовать побочные продукты угольной промышленности, что повышает общую эффективность использования природных ресурсов и снижает объем отходов. Каменноугольная смола служит сырьем для производства различных химических веществ и материалов, таких как нафталин, фенол, пек и битум. Это делает её важным компонентом для многих промышленных процессов, включая производство дорожного покрытия, антикоррозионных покрытий и строительных материалов. Углубленная переработка каменноугольной смолы позволяет создать дополнительные источники дохода за счет выпуска конкурентоспособной продукции, востребованной на рынке, и, как следствие, увеличивает прибыль компаний в секторе углехимии. Развитие технологий переработки способствует минимизации выбросов токсичных веществ, таких как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), что снижает негативное воздействие на окружающую среду и улучшает экологическую обстановку в районе перерабатывающих предприятий [5,6]. Современные подходы к переработке каменноугольной смолы предполагают использование высокоэффективных технологий, таких как каталитический крекинг, дистилляция и методы экстракции, что улучшает качество конечной продукции и расширяет возможности для ее
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
дальнейшего применения. В условиях стремительного развития строительного и химического сектора исследования в области оптимизации переработки каменноугольной смолы актуальны и позволяют решать как экономические, так и экологические задачи. Продукты переработки каменноугольной смолы широко применяются в металлургии, энергетике и строительстве, что делает отрасль переработки смолы важным звеном в цепочке промышленного производства и обеспечивает её высокий спрос. Эти выводы подтверждают значимость углехимии как части экономики и указывают на перспективные направления её развития для дальнейшего повышения эффективности перерабатывающих процессов и экологической безопасности.
1. Шевченко И. В. Переработка каменноугольной смолы: технология и оборудование. -Москва: Металлургия, 2019.
2. Попов А. В. Химия и технология каменноугольных продуктов. - СПб.: Наука, 2020.
3. Миронов К. С., Сидоров Е. М. Влияние условий дистилляции на выход и качество фракций каменноугольной смолы.//"Химическая промышленность".- 2021.- №3.- С.45-54.
4. ASTM D2318 - международные стандарты на продукцию из каменноугольной смолы. URL:https://www.astm.org/d2318-20.html
5. Smith R., Johnson T. Advances in Coal Tar Processing and Applications. Journal of Industrial
Chemistry, 2023, Vol. 12(4), 78-88. 6. Гельманова З.С. Тотальный менеджмент качества. Учебное пособие. Алматы. 2008. - 136с. ISBN978 -601-7103-06-4
ЛИТЕРАТУРА
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
