Лако-красочные материалы — производство

12.3.1. Сажа. Единого технологического процесса получения раз­личных видов сажи не существует, так как для их производства при­меняется разное жидкое и газообразное сырье, а к каждому виду сажи предъявляются свои требования. Среди большого числа применяемых технологических процессов многие не совпадают друг с другом в су­щественных деталях. Поэтому ниже приводятся только технологиче­ские схемы производства наиболее употребительных видов сажи.

Ламповая и форсуночная сажи. Сырьем для производства лам­повой и форсуночной саж служат отходы пиролиза нефти и коксова­ния углей: зеленое масло, коксовый отгон, антраценовое масло, тех­нический антрацен и некоторые другие.

Зеленое масло — фракцию, кипящую от 175 до 360°С, — применя­ют для производства сажи чаще других видов жидкого сырья. Его получают разгонкой смолы, образующейся при пиролизе нефтепро­дуктов. Смола, полученная пиролизом керосиновой и соляровой фракций, дает наибольший выход зеленого масла (до 42%). Зеленое масло — зеленовато-бурая жидкость плотностью 930-960 кг/м3, со­держащая большое количество ароматических углеводородов.

Коксовый отгон образуется при ректификации жидких продуктов, выделяющихся при коксовании тяжелых нефтяных продуктов.

Антраценовое масло получается из коксовой смолы, образующей­ся при коксовании углей наряду с коксом и газом. Для получения ан­траценового масла из смолы отгоняют так называемую антраценовую фракцию, кипящую в пределах 270-360°С. При охлаждении этой фракции из нее выделяется кристаллический сырой антрацен. Его отфильтровывают; оставшаяся жидкая фаза представляет собой ан­траценовое масло — жидкость зеленовато-бурого цвета, известную на сажевых заводах под названием каменноугольного масла для произ­водства сажи. Антраценовое масло, широко применяемое для произ­водства сажи, состоит из антрацена, фенантрена, карбазола, пирена, фенолов и ряда других веществ.

Сырье, поступающее в цех в железнодорожных цистернах, слива­ется в приемный бак 1 (рис. 100), установленный для облегчения сли­ва и уменьшения опасности возникновения пожара в земле. Для уда­ления из сырья случайных механических примесей и воды его пере­качивают прршневым насосом 2 в железный резервуар-отстойник 3 для отстаивания. Сырье из отстойника отбирают на производство че­рез штуцер, вмонтированный на некотором расстоянии от дна, чтобы предупредить попадание отстоявшихся примесей в сырье, подаваемое в цех.

Из отстойника 3 сырье поршневым насосом 4 подают в питатель­ный бак 5, находящийся в цехе, а из питательного бака оно самотеком поступает в уравнительный бачок б, в котором автоматически под­держивается постоянный уровень. Из уравнительного бачка сырье поступает по трубе с патрубками к чашам или форсункам, смонтиро­ванным в круглой печи 7. Продукты сгорания сырья во всех чашах или форсунках поступают в боров 8. В борове дымососом 10 поддер­живается разрежение 5-15 мм вод. ст. Газы, поступающие в боров, имеют температуру 1000—1200°С; при правильном течении процесса они содержат (в %): ТО2 4-6; СО 3-4; СН4 0,75-1,5; Н2 12-15 и 02 1-2. Подачу воздуха к горящему сырью следует регулировать с таким расчетом, чтобы количество кислорода в продуктах сгорания не превышало 2%; при большем содержании кислорода возникает опасность сильных взрывов, так как в продуктах сгорания содержатся водород и углеводороды.

Из борова 8 саже-газовая смесь дымососом 10 направляется на установку для улавливания сажи 11-14. До дымососа продукты сго­рания проходят холодильник 9, в котором саже-газовая смесь охлаж­дается до 300°С. Охлаждение производится водяной рубашкой, окру­жающей холодильник, и форсунками, вбрызгивающими в сажевую скесь распыленную воду. Количество вбрызгиваемой воды должно обеспечить влажность саже-газовой смеси не ниже 40-45% и охла­дить ее до 300°С. Охлаждение и увлажнение саже-газовой смеси не­обходимо, чтобы снизить до минимума образование в ней водорода и окиси углерода, которые могут быть причиной сильных взрывов. Кроме того, при температуре более 300°С осложняется работа транс­портирующих сажу устройств.

Охлажденная и увлажненная саже-газовая смесь дымососом 10 по­дается на систему электрофильтров 7/, 12 для выделения из нее сажи. Система электрофильтров состоит из двух последовательно включенных групп, а каждая группа — из нескольких работающих параллельно элек­трофильтров, Саже-газовая смесь подается в нижнюю часть первой группы электрофильтров 77, проходит ее снизу вверх, освобождается при этом от значительной части сажи, после чего из верхней части пер­вой группы электрофильтров по трубопроводу поступает в нижнюю часть второй группы. При движении саже-газовой смеси во второй груп­пе электрофильтров 12 она освобождается от остатков сажи, после чего газ выбрасывается в атмосферу. Давление, создаваемое дымососом 10, Поддерживается в первой группе электрофильтров в пределах 5-20 мм вод. ст. и во второй — 3-12 мм вод. ст.; температура в первой группе электрофильтров 170-300°С, во второй — 150-250°С. При повы­шении температуры в каком-нибудь из электрофильтров сверх 300°С его во избежание взрыва выключают для охлаждения.

При прохождении саже-газовой смеси между электродами элек­трофильтра частицы сажи приобретают отрицательный заряд и осаж­даются на положительных электродах, с которых сажа падает в бун­керы под действием собственного веса и в результате встряхивания положительных электродов специальным механизмом.

Осаждение сажи на изоляторах, где подвешены электроды, может. вызвать короткое замыкание. Для предупреждения накопления сажи tfia изоляторах во время работы электрофильтров их, обдувают не реже двух раз в смену. На это время электрофильтр выключают.

Сажу из бункеров электрофильтров с помощью пневматического транспортера направляют в циклон 14, в котором сажа выделяется из воздуха. Транспортировка осуществляется вентилятором 73, который воздухом засасывает сажу в циклон, а очищенный от сажи воздух из циклона возвращает в бункеры. Сажа из циклона 14 ссыпается в бун­керы 75, которые питают упаковочные машины 16.

Производства ламповой и форсуночной сажи различаются в ос­новном только конструкцией печи для сжигания жидкого сырья.

В производстве ламповой сажи наиболее распространены различно­го рода кольцевые печи, оборудованные чугунными чашами, на которых сжигается сырье. Чаша для сжигания жидкого сырья имеет диаметр 0,7-0,8 м и отливается вместе с трубкой, по которой в чашу поступает сырье. Число чаш печи зависит от ее размера и может доходить в боль­ших печах до 20. Разрез кольцевой печи показан на рис. 101.

Боровок;

В такой печи сырье поступает во все чаши 7 по одной трубе с патрубками, идущей от уравнительного бачка вокруг печи, вследст­вие чего сырье во всех чашах находится на одинаковом и постоянном уровне. Образующаяся саже-газовая смесь от всех чаш по боровкам 4 Поступает в коллектор б, а из него по борову 7 идет в холодильник. Воздух, необходимый для горения сырья, поступает по каналу 2 под чашу 7; при этом он несколько охлаждает чашу, а сам нагревается. Сгорание части сырья в чаше сопровождается выделением большого количества тепла, которое вызывает термический распад остального сырья, испаряющегося под влиянием высокой температуры. В резуль­тате термического распада часть углерода образует кокс, отлагаю­щийся на краях чаши. Этот кокс через отверстие 8 сбрасывают в на­ходящуюся за чашей камеру 3, в которой он медленно сгорает.

Процесс термического распада испарившегося из чаши сырья продолжается 5-6 с. Он начинается непосредственно над чашей, npoj должается в боровке и коллекторе и заканчивается в борове, темпера­тура в котором 1100-1200°С. Чтобы предупредить оседание образо­вавшейся сажи в боровке, скорость движения газов в нем поддержи­вают на уровне 15-16 м/с.

Выход сажи зависит от количества воздуха, подаваемого к месту го­рения сырья: чем воздуха меньше, тем выход сажи больше. Однако для такой зависимости существует предел: при снижении количества воздуха ниже определенного значения температура в зоне горения начинает па­дать, термический распад испарившегося сырья сокращается и оно ад­сорбируется сажевыми частицами. В этом случае видимый выход сажи не уменьшается, так как сажа пропитывается сконденсировавшимися погонами, но она получается маслянистой и низкого качества. Чаша с зеркалом горения 0,5 м2 дает в час около 60 кг сажи. Выход сажи зависит
мкже и от характера исходного сырья: при работе на наиболее часто применяемом зеленом масле выход сажи составляет 50-60%.

Наряду с кольцевыми печами для производства ламповой сажи применяют, хотя и значительно реже, печи с расположением чаш в один ряд. В этом случае образовавшаяся сажа осаждается в камере, примыкающей непосредственно к печи.

Газовая сажа. В качестве сырья для производства газовой сажи могут быть использованы различные виды органических газообраз­ных зеществ, но оснбвным, наиболее распространенным видом сырья является природный газ, добываемый или из нефтяных скважин, или из специальных скважин газовых месторождений.

В зависимости от метода производства различают три основных типа газовых саж: канальную, печную и термическую.

Процесс производства канальной сажи основан на охлаждении образовавшихся в пламени раскаленных сажевых частиц и быстром удалении их из зоны горения. С этой целью над светящимся пламе­нем помещают стальную движущуюся поверхность, ца которой и осаждаются сажевые частицы. В результате движения стальной по­верхности частицы сажи, осевшие на ней, выносятся из зоны высокой температуры, охлаждаются и механическими средствами снимаются с металлической поверхности.

При получении сажи по канальному методу газ сжигается под стальными швеллерами, совершающими возвратно-поступательное движение. Вследствие своей простоты этот способ сохранился до на­стоящего времени в почти первоначальном виде.

На современном сажевом заводе газовую сажу получают в так называемых горелочных камерах. Основой камеры является стальной каркас, опирающийся на бетонный фундамент. Сверху каркас обшит листами кровельного железа. Обшивка не доходит до фундамента. Через щель между обшивкой и фундаментом в камеру поступает воздух, необходимый для горения газа. Специ­альными шиберами ширину этой щели, а следовательно и подачу воздуха в камеру, можно регулировать. На крыше камеры уст­роены два прямоугольных отверстия для выхода продуктов горе­ния газа; на боковых стенках камеры имеются четыре двери. С торцевой стороны в камеру входят две трубы, по которым к го­релкам подается газ.

Выход и качество канальной сажи зависят от целого ряда усло­вий: конструкции и материала горелки, состава газа, его давления, количества воздуха, поступающего в камеру, расстояния от горелок до осадительной поверхности, скорости ее движения и ряда других.

В качестве материала для изготовления наконечников горелок обычно применяют вулканический туф, так как он легко поддается механической обработке и приобретает после обжига при 1100°С вы­сокую механическую прочность. На некоторых заводах наконечники готовят из местных каолинов. Чаще всего применяют наконечники с отверстием в виде плоской щели. Такие наконечники дают плоское пламя, в котором образуются сажи более дисперсные и, следователь­но, и более глубокого черного цвета.

Состав газа оказывает большое влияние на выход сажи; гомологи метана увеличивают, а азот и углекислый газ сильно снижают выход сажи. Продукты, содержащие серу, в результате термического распа­да выделяют элементарную серу, которая забивает щели наконечни­ков горелок и таким образом нарушает нормальные процессы горения газа и образования сажи.

Подача в огневую камеру излишнего количества воздуха, а также присутствие воздуха в газе снижают выход сажи, так как часть сажи в избытке воздуха сгорает; кроме того, увеличивается унос образовав­шейся сажи продуктами горения.

Большое влияние на качество сажи оказывает также скорость дви­жения осадительной поверхности. При слишком быстром движении осадительной поверхности образовавшаяся и осевшая на нее сажа слишком быстро выносится из зоны высокой температуры, и поэтому в саже остаются неразложившиеся углеводороды. Изменение расстояния между пламенем и осадительной поверхностью вызывает изменение выхода сажи. При сильном увеличении этого расстояния сажа не осаж­дается совсем. При приближении осадительной поверхности к пламени выход сажи начинает увеличиваться и достигает максимума при рас­стоянии осадительной поверхности от пламени 60-74 мм — в зависимо­сти от температуры газа и других условий. Дальнейшее уменьшение этого расстояния также снижает выход сажи.

Основные недостатки описанного метода производства канальной сажи заключаются в очень низком ее выходе — не более 3-3,5% от количества содержащегося в газе углерода — и в уносе большого ко­личества сажи с продуктами горения углеводородов. Унос может дос­тигать 30% образовавшейся сажи, вследствие чего в местности на несколько километров вокруг завода создаются очень тяжелые сани­тарные условия. Улавливание этой сажи электрофильтрами или дру — Гимн установками делает производство нерентабельным из-за боль­шого расхода электроэнергии, так как очистке приходится подвергать очень большое количество газа. Наконец, к недостаткам этого метода следует отнести присутствие в саже механических примесей.

Производство печной сажи, как и канальной, основано на сжига­нии природного газа. Различие между этими способами — в принци­пиально разных условиях сжигания газа и улавливания образовав­шейся сажи. В производстве канальной сажи газ сжигается при дос­тупе достаточного количества воздуха, сажа получается вследствие быстрого охлаждения и выноса из зоны горения частиц углерода, об­разовавшихся в пламени в результате термического распада углево­дородов. В производстве же печной сажи газ сжигается при недоста­точном количестве воздуха и сажа из саже-газовой смеси выделяется электрофильтрами. Внешнее различие в оформлении этих двух мето­дов заключается в применении различных систем горелок для сжига­ния газа. При получении канальной сажи газ сжигают в десятках ты­сяч мелких горелок, снабженных специальными наконечниками; в производстве печной сажи газ сжигают в небольшом числе больших горелок.

Описанные выше методы производства газовой сажи — канальной и печной — дают очень низкие выходы сажи по газу. Отличие метода получения термической сажи в том, что термический распад углево­дородов происходит не в пламени горящего газа, как в производстве канальной и печной сажи, а при соприкосновении углеводородов с предварительно нагретой поверхностью.

Для получения термической сажи применяют печи или генерато­ры с внутренней огнеупорной насадкой.

К недостаткам метода нужно отнести неравномерный выход са­жи, так как во время сажеобразования температура в печи снижается от 1500 до 1100°С, а с понижением температуры выход сажи, как бы­ло указано выше, падает. Второй недостаток — высокое содержание метана и высокая температура в печи во время сажеобразования, в результате чего сажа получается грубодисперсной.

12.3.2. Черни. Наряду с сажей в качестве пигментов применяют различного рода черни. Чернями называют продукты, полученные в результате прокаливания без доступа воздуха различных твердых ор­ганических веществ животного и растительного происхождения.

Свойства полученных таким образом продуктов зависят как от исходного материала, так и от температуры прокаливания.

Если органическое вещество нагревать до высокой температу­ры без доступа воздуха, то происходит его разложение. Это разло­жение всегда протекает по одной схеме: сложное органическое вещество распадается и выделяет более простые летучие вещества, содержащие меньше углерода, чем исходное органическое вещест­во; остаток же постепенно обогащается углеродом. При достаточ­ной продолжительности процесса остаток содержит только угле­род и минеральные вещества (золу), а все другие элементы, вхо­дившие в состав исходного вещества, улетучиваются в виде более простых соединений. Это, например, процессы, протекающие при нагревании древесины без доступа воздуха (сухая перегонка). В результате в осадке остается углерод со всеми минеральными веществами, прочие же составные части древесины выделяются в виде летучих веществ (водяных паров). В действительности реак­ции, протекающие при сухой перегонке, значительно сложнее. Те­чение их определяется условиями сухой перегонки.

В качестве сырья для получения черней применяют кости живот­ных, виноградные косточки, гребни виноградных кистей, косточки персиков и т. д. Из костей готовят жженую кость, из растительного сырья — виноградную чернь, персиковую чернь и др.

Лучший пигмент получается из костей молодых животных. Обра­ботка костей для изготовления черней начинается с извлечения из них жира. Обезжиренные кости тщательно промывают горячей водой, сушат и размалывают.

При размоле наиболее рыхлые части костей превращаются в тон­кий порошок; его отсеивают от более плотных частей, которые тонко измельчают на мельницах и подвергают обжигу. Обжиг размолотой кости производят либо в ретортах, либо в тиглях без доступа воздуха. Полученный продукт состоит из 8-10% аморфного углерода, 75% Са3(Р04)2, 2% Mg3(P04)2 и 15% СаСОэ. Его подвергают тщательному мокрому измельчению в шаровых мельницах, после чего отмывают, отделяют фильтрованием от воды и сушат.

Полученная по такому способу жженая кость — хороший, укрыви — стый, интенсивно черный пигмент, пригодный для высококачествен­ных малярных и художественных работ. Этот пигмент обладает от­личной светопрочностью.

Лучшие сорта жженой кости носят товарное название слоновая кость. Как показывает название, этот пигмент изготовлялся первона­чально из отходов обработки слоновой кости. В настоящее время слоновую кость готовят из обыкновенной жженой кости, обрабатывая последнюю соляной кислотой.

После обработки соляной кислотой жженую кость тщательно промывают водой до исчезновения в промывной воде следов кислоты и растворимых солей. После многократной промывки пигмент отде­ляют от остатков воды и затем сушат. Полученная по такому способу слоновая кость содержит незначительное количество минеральных веществ (золы), нерастворимых в кислотах, и состоит почти исключи­тельно из аморфного углерода.

Благодаря отсутствию в этом пигменте неорганических веществ он не только совершенно светостоек, но и стоек к действию кислот и щелочей. *