CC BY
65
УДК 661.666.4
И.В. Мозговой, Я.Я. Пундяк, Г.М. Давидан
Омский государственный технический университет, г. Омск
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА ПЕЧНЫМ СПОСОБОМ
Вопрос об энерго- и ресурсосбережении актуален всегда.
Известно, что основные затраты при производстве технического углерода приходятся на сырье, природный газ и энергию. От того, насколько рационально используются эти ресурсы, во многом зависит себестоимость техуглерода и, в конечном счете, конкурентоспособность продукции.
При рекуперативном нагреве технологических агентов значительно снижается влагосо-держание отходящих газов, повышается их теплота сгорания и максимальная температура горения, что позволяет осуществлять сжигание отходящих газов в топках котлов без применения вспомогательного топлива. Снижение влагосодержания углеродогазовой смеси положительно сказывается и на работе рукавных фильтров, так как при этом уменьшается объем очищаемых газов и значительно снижается вероятность конденсации влаги в аппарате и газоходах, по которым транспортируются газы в котельные.
В промышленности технического углерода продукты процесса (техуглерод и газы) выходят из реактора с температурой 1200-1300 °С.
В рукавный фильтр углеродогазовая смесь поступает с температурой 260-280°С. Физическое тепло углеродогазовой смеси, выделяющееся при охлаждении компонентов реакционной смеси от 1200-1300°С до 260-280°С, может быть утилизировано [1]. Зарубежный опыт показывает, что при этом утилизируется не более 50 % этой энергии. На большинстве отечественных заводов этот показатель намного меньше: примерно 20 %.
Из сказанного ясно, какие большие резервы имеются для повышения эффективности производства техуглерода при рациональном использовании физического и химического тепла продуктов реакции процессов получения технического углерода.
Целью данной работы является повышение технико-экономических показателей процесса получения техуглерода.
Поставленная цель достигается путем совершенствования способа нагрева сырья процесса, включающего установку нового теплообменника, где сырье дополнительно нагревают от 140-170 до 240-300 оС за счет тепла углеродогазовой смеси, выходящей из реактора.
Внедрение данного предложения позволит уменьшить вязкость сырья, обеспечить улучшенное распыление его в реакторе и существенно сократить время образования техуг-лерода.
Температура сырья оказывает существенное влияние на степень распыливания его механическими форсунками [2]. При повышении температуры сырья уменьшается его вязкость и улучшается степень диспергирования сырья (образуются более мелкие капли). Вязкость сырья существенно снижается при увеличении его температуры до 200°С, дальнейшее повышение температуры практически не сказывается на уменьшении его вязкости. Повышение температуры сырья всегда полезно, так как при его нагреве до 350-400°С испарение сырья начинается сразу же при впрыске его в реактор. В литературе [3] описан способ получения окрашивающих марок техуглерода при подогреве сырья выше его температуры испарения. При введении в реактор сырье сразу же испаряется. Таким путем получают окрашивающий техуглерод с очень мелким размером частиц (9нм). При этом в трубопроводе подачи сырья должно поддерживаться высокое давление во избежание вскипания сырья в самом трубопро-
209
воде и образования паровых пробок. При подогреве сырья до обычных температур (220 -300°С) давление сырья перед форсунками необходимо поддерживать не ниже 1,0 МПа. При давлении ниже этого предела распыливание сырья происходит с образованием крупных и неоднородных по размерам капель, что приводит к замедлению процесса испарения его в ре-
акторе и способствует образованию неоднородных по размерам частиц и агрегатов. Наличие крупных капель сырья в зоне смешения реактора, при плохом распыливании сырья или пропускании сырьевой форсунки, может также привести к образованию кокса (грита) в объеме крупной капли и загрязнению готовой продукции.
По данным при распыливании сырья механическими форсунками на некоторых производствах давление сырья поддерживают перед форсунками до 4МПа для обеспечения более мелкого распыливания сырья. Как известно, время испарения сырья пропорционально квадрату диаметра капли (закон В.И. Срезневского) и при увеличении диаметра капли, например, в два раза, время ее испарения увеличивается в четыре раза.
Вязкость, также как и плотность и средняя объемная температура кипения косвенно характеризует качество сырья [4]. Эти косвенные характеристики основываются на различиях в свойствах разных классов углеводородов. Повышенной вязкостью отличаются тяжелые парафиновые углеводороды и смолы. Высокая вязкость сырья указывает на значительное содержание в нем этих классов углеводородов.
Вязкость жидких углеводородов понижается с повышением температуры.
Определив вязкость сырья при двух температурах, можно по специальным формулам или графически (рис. 1) определить вязкость при других температурах. Для каждого вида сырья зависимость вязкости от температуры различна. Эта зависимость характеризуется специальными вязкостно-температурными кривыми, но уже при 200 °С вязкости различных видов сырья сопоставимы по абсолютной величине и при дальнейшем нагревании сырья меняются незначительно.
В табл. 1 приведены значения вязкости отдельных видов сырья для производства те-хуглерода при различных температурах.
Таблица 1
Наименование сырья Вязкость, мм /с
50°С 100 °С 200°С 300°С
Антраценовая фракция 10 2,5 0,35 0,3
Каталитический газойль 15 2,7 0,8 0,7
Смола пиролизная 15 4,4 0,7 0,65
Пековые дистилляты 10 2,0 0,4 0,3
Как видно из таблицы при 200°С вязкости различных видов сырья близки по значению и составляют небольшую абсолютную величину. При такой вязкости обеспечивается хорошее распыливание сырья, (для сравнения вязкость воды при 20°С составляет 1,0 мм2/с).
В производстве активных марок технического углерода используется композиция сырья (средний состав), включающая следующие компоненты, % масс.:
1. Коксохимическое сырье - 60.
2. Пиролизная смола - 14.
3. Тяжелый каталитический газойль - 26.
Показатели качества сырьевой смеси, соответствующей данному составу, приведены в табл. 2.
210
Физико-химические показатели сырья
Таблица 2
№ Показатель Размерность Величина
1 Плотность при 20 0С кг/м3 1092
2 Объемная доля воды % отсутствие
3 Коксуемость по Конрадсону % 3,56
4 Массовая доля золы % 0,02
5 Индекс корреляции 140,89
6 Массовая доля ионов натрия % 0,0017
7 Массовая доля ионов калия % 0,00019
8 Содержание механических примесей % 0,0036
9 Фракционный состав, начало кипения; 50 % отгона оС 187
345
12
10
8
6
4
2
0
50°С 100 °С 200°С 300°С
Вязкость, мм2/с
Рис.1. Зависимоть вязкости композиции сырья от температуры нагрева
Из рис. 1 следует что вязкость сырья существенно снижается при увеличении его температуры до 200°С, дальнейшее повышение температуры практически не сказывается на уменьшении его вязкости. Поэтому первым требованием к температуре подогрева сырья должно быть выдерживание ее перед форсунками в размере не ниже 200°С.
Заключение
1. Направление совершенствования производства технического углерода в рамках программы энерго- и ресурсосбережения является актуальным.
2. В производстве печных марок техуглерода наибольшие резервы энергосбережения содержатся в физическом и химическом тепле углеродогазовой смеси, выходящей из реактора.
3. Предложено частичное использование этого тепла путем рекуперации его в теплообменнике для нагрева углеводородного сырья, направляемого в реактор.
4. Реализация данного предложения позволит достичь следующих результатов:
- получить техуглерод, более однородный по размеру частиц;
- сократить расход топлива (природного газа) на нагрев сырья;
- сократить нагрузку на рукавный фильтр;
- сократить расход воды на холодильник-испаритель.
211
Библиографический список
1. Ивановский, В. И. Технический углерод. Процессы и аппараты / В. И. Ивановский. -Омск, 2004. - 228 с.
2. Борозняк, И. Г. Производство технического углерода / И. Г. Борозняк. - М. : Химия, 1981. - 191 с.
3. Гюльмисарян, Т. Г. Сырье для производства углеродных печных саж / Т. Г. Гюльмиса-
рян, Л. П. Гилязетдинов. - М. : Химия, 1975. - 160 с.
4. Зуев, В. П. Производство сажи / В. П. Зуев, В. В. Михайлов. - М. : Химия, 1975. -
331 с.
