Лако-красочные материалы — производство

Производство сажи основано на процессах неполного сгорания или термического распада органических веществ. Горение и саже — образование изучались в большом числе работ, но до сих пор пол­ностью не исследованы, так как образование сажи — сложное яв­ление, состоящее из ряда параллельно идущих процессов: терми­ческого распада углеводородов, сгорания их частиц и т. п.

По современным воззрениям, при сгорании углеводородов в зоне горения под влиянием высокой температуры происходит последо­вательное отщепление водорода от частиц углеводородов, в резуль­тате чего выделяется углерод. Схему такого процесса для простей­шего углеводорода —- метана — можно представить в следующем виде:

СН4 —► СН3 + Н2 СН2 + СН4 —► С2Н6

С2Н6 —> С2Н4 + Н2 С2Н4 —* С2Н2+На С2Н2 —► С2 4- Н2

Первым этапом этого процесса является распадение молекулы метана на водород и радикал метилен. При столкновении мети­лена с молекулой метана образуется под влиянием высокой тем­пературы этан. Последовательное отщепление от этана молекул водорода приводит сначала к образованию этилена, а затем и аце­тилена. Ацетилен под воздействием высокой температуры распа­дается на молекулу водорода и радикал Са. В результате столкно­вений радикалов Са образуются элементарные шестигранники

плоской сажевой решетки; 3—5 параллельно расположенных пло­ских решеток образуют, как было указано выше, кристаллит, яв­ляющийся элементом, из которого построена сажевая частица.

По другим воззрениям, элементарные шести­гранники сажевой решетки образуются в результате дегидрирования многоядерных ароматических со­единений, образовавшихся в зоне горения в резуль­тате полимеризации ацетилена под влиянием высо­кой температуры.

Основным процессом производства сажи яв­ляется сжигание органических природных газов или таких жидких и-—реже — твердых органических ве­ществ, которые при нагревании испаряются или раз­лагаются с выделением газообразных продуктов. При сжигании этих веществ образуется пламя, ко­торое может быть несветящимся или светящимся. Несветящееся пламя образуется при сгорании ве­ществ, в молекуле которых содержится относитель­но большое количество кислорода и небольшое ко­личество углерода. В этом случае количество кис­лорода в зоне горения оказывается достаточным для окисления всего или почти всего углерода. Та­кие вещества для производства сажи непригодны. Светящееся пламя образуется при сгорании ве­ществ, в молекуле которых содержится относитель­но много углерода и мало кислорода или кислород отсутствует совсем.

На рис. 90 показана схема светящегося пламе­ни. В нем можно ясно различить три зоны. Во вну­тренней темной зоне 1 сжигаемое вещество испа­ряется или переходит в газообразное состояние. Температура в этой зоне невелика. В средней зоне 2 образовавшиеся пары под воздействием развиваю­щейся в результате горения высокой температуры, доходящей до 1350°, подвергаются термическому распаду с выделением свободного углерода. Выде­лившиеся частицы углерода раскаляются и делают пламя светящимся. При попадании в наружную зону 3 раскаленные частицы углерода встре­чаются с диффундирующими в эту зону молеку­лами кислорода и окисляются до СОг; в наружной зоне создается высокая температура. Вследствие сгорания в на­ружной зоне раскаленных частиц углерода она не светится. Вели раскаленные частицы углерода вывести из средней зоны и быстро охладить или если ограничить приток кислорода к пламени так, чтобы частицы углерода в наружной зоне не окислялись, то угле­род выделяется в виде сажи.

При свободном доступе воздуха к наружной зоне водород и углерод, образовавшиеся в средней зоне, окисляются. В первую очередь окисляется водород:

Н2 + О -—► Н20 -(- 68,5 шал

Для сгорания 1 кг водорода нужно 8 кг кислорода, а если при­нять, что в воздухе содержится 25% кислорода и что 1 ж3 воздуха весит 1,293 кг, то нужно 8 : 25 X 100 = 32 кг, или 25,5 ж3 воздуха (при 0° и 760 мм рт. ст.).

Сгорание углерода происходит при достаточном количестве кислорода по реакции

С + 02 —> С02 %■ 96,7 ккал а при недостатке кислорода по реакции:

С + 9,5 Оа —> СО + 29 ккал

Для полного сгорания 1 кг углерода нужно 32 : 12 = 2,75 кг кислорода, что составляет 11 кг, или 8,5 ж3, .воздуха (при 0° и 760 мм рт. ст.). Для сжигания углерода до СО нужно вдвое меньше воздуха, т. е. на 1 кг углерода — 4,25 ж3 воздуха. При еще мень­шем количестве воздуха сгорает только часть углерода, а часть выделяется в виде частиц сажи, уносимых из пламени продуктами горения.

Технологический процесс

Вследствие применения для производства сажи различных ви­дов жидкого и газообразного сырья, а также вследствие предъяв­ления к каждому виду сажи других требований — единого техно­логического процесса получения различных видов сажи не суще­ствует. Среди большого числа технологических процессов, приме­няемых для производства различных видов сажи, многие не совпа­дают друг с другом в существенных деталях. Поэтому ниже при­водятся только технологические схемы производства наиболее употребительных видов сажи.