Як роблять сажу?

Портал створений за підтримки Федерального агентства з друку та масових комунікацій.

Попелюшка вуглецевого світу

Кандидат технічних наук Лев Мачулін

Вільний вуглець у природі існує переважно у вигляді двох класичних кристалічних форм, що разюче відрізняються одна від одної, — алмазу та графіту.

"А що, бувають заводи, де спеціально роблять сажу?!" — здивовано запитали мене одного разу. Здивування співрозмовника було зрозумілим — сажа в масовій свідомості пов'язана, швидше, з відходами, ніж із товарною продукцією. Проте такі заводи справді існують. Більше того, технічний вуглець (у просторіччі іменований сажею) - одне з наймасовіших продуктів спеціальної хімії!

Виробництво сажі потребує цілого комплексу цехів та технологій. На фото: Сосногірський газопереробний завод. Фото з архіву СДПЗ.

Мікрофотографії сажі, одержаної різними методами. Найбільшою дисперсністю (середній розмір частинок 30 нм, питома поверхня 100 м 2 /г) та активністю у гумі відрізняється канальний техвуглець, отриманий у дифузійному полум'ї при осадженні продукту на холодній поверхні. Фото: Інститут геології Комі НЦ УРО РАН.

Частинки напівактивного пічного техвуглецю, одержуваного при неповному згорянні газу в турбулентному полум'ї, мають проміжну дисперсність (середній розмір частинок до 100 нм, питома поверхня 33-39 м 2 /г); Невелика кількість частинок в сажевих агрегатах на фото і відсутність просторової сітки говорять про відносно низьку структурність цієї марки. Фото: Інститут геології Комі НЦ УРО РАН.

Грубодисперсний (середній розмір частинок 250 нм, питома поверхня 12 м 2 /г) та низькоструктурний, але найчистіший техвуглець утворюється при термічному розкладанні газу без доступу повітря. Фото: Інститут геології Комі НЦ УРО РАН.

Викид сажоводневої суміші в цеху термічного техвуглецю. Фото з архіву Сосногірського газопереробного заводу.

П. А. Теснер (другий ліворуч) під час відвідин Сосногірського газопереробного заводу. 1996 рік. Фото Лева Мачуліна.

Лаборантка відбирає пробу газів, що відходять, з електрофільтра в спеціальному протигазі. Фото Лева Мачуліна.

Вільний вуглець у природі існує переважно у вигляді двох класичних кристалічних форм, що разюче відрізняються одна від одної, — алмазу та графіту 1 . Алмаз унікальний еталонною твердістю (не ударною міцністю — він досить тендітний, а саме здатністю витримувати величезний тиск і дряпати всі відомі на Землі матеріали), а також неймовірно високим показником заломлення, завдяки чому так гарно «грає» на світлі. Графіт, навпаки, м'який, чорний і непрозорий, зате найкраще з неметалів проводить електричний струм. Стан, до якого відносять сажу, прийнято вважати аморфним, хоча, по суті, він ближчий до ультрадисперсного графіту, рахунок чого сажа зберігає чорний колір і залишкову електропровідність. У природі сажа утворюється в ході неконтрольованих процесів горіння органічних матеріалів та швидко розпорошується в атмосфері. У земній корі вона не накопичується на відміну від метаморфізованої форми рослинної органіки — кам'яного вугілля, який, втім, не чистий вуглець.

Кожній алотропній формі кристалічного вуглецю людство знайшло оригінальне застосування: діаманти, абразиви, олівці, мастила, електроди… Але на що може згодитись аморфна «попелюшка» вуглецевого світу — сажа? Як не дивно, робота знайшлася і для неї.

Насамперед, це неперевершений чорний пігмент, що не вицвітає на сонці. Туш для письма на основі деревної сажі почали робити в Стародавньому Китаї понад три тисячі років тому. З того часу технологія виробництва туші практично не змінилася — приблизно так само її роблять і зараз, але сфера застосування злегка розширилася. Тепер тушшю користуються не стільки каліграфи та креслярі, скільки модниці, що підфарбовують вії. Ще недавно сажу широко застосовували у виробництві грамплатівок. Чіткий друкарський відбиток, шевська вакса, тіні на полотнах художників, радикально чорний глянець урядових лімузинів — це теж сажа. Тож низький уклін їй від поліграфічних комбінатів та лакофарбової промисловості. Але пігментні сажі, якими б гарними вони не були, аж ніяк не вимагають створення у всьому світі величезних виробництв технічного вуглецю сумарною потужністю понад 10 млн т на рік!

До речі, про різницю між термінами «сажа» та «технічний вуглець». Двома словами вона полягає в тому, що будь-який технічний вуглець — сажа, але не всяка сажа може бути використана в техніці. Термін «технічний вуглець» з'явився в СРСР у другій половині ХХ століття, тим самим провівши межу між кустарним збором кіптяви та промисловим виробництвом чистого аморфного вуглецю в контрольованих умовах та з контрольованими показниками якості.

Властивість сажі підвищувати міцність і знижувати стирання гуми виробники шин та гумотехнічних виробів розпізнали далеко не відразу. До Першої світової війни з цією метою застосовували дорогий окис цинку, а сажу, якщо і додавали в гуму, то помалу, лише для надання чорного кольору. Однак лабораторні дослідження, проведені на початку 1920-х років, показали, що зі збільшенням кількості сажі, що вводиться в гуму, пружність одержуваного матеріалу збільшувалася, так само як і опір стирання. З цього моменту промислове виробництво технічного вуглецю у світі почало стрімко зростати. І досі шинні та гумотехнічні заводи — головні споживачі технічного вуглецю.

Значна кількість технічного вуглецю споживає чорна металургія, що не дивно: адже сталь, як відомо, це сплав заліза та вуглецю. Ще один важливий споживач техвуглецю - електротехнічна промисловість. Наприкінці ХIХ — на початку ХХ століття контактні щітки динамо-машин та електродвигунів постійного струму виготовлялися із суміші графіту, технічного вуглецю та сполучної речовини (кам'яно-вугільного пеку). Щоб налагодити вітчизняне виробництво цих найважливіших виробів, у 1899 році неподалік підмосковного села Кудинове, на території селища Гірки (нинішнього міста Електровуглі), було збудовано перший у країні завод електричного вугілля. Сажу для нього спочатку завозили з Німеччини, але в 1914 поставки звідти, зі зрозумілих причин, припинилися. А буквально через рік туди ж, у Кудіново, було перевезено з Риги обладнання першого в Російській імперії сажі, реквізованого царською владою у німецького підприємця.До початку 1917 року він увійшов до ладу як цех заводу «Електровугілля», який відтепер був надійно забезпечений таким необхідним для нього інгредієнтом.

Проте потужність Кудинівського заводу навіть наприкінці 1920-х років ледь сягала 1 тис. т на рік, а показники продукту, що випускався там, не дозволяли задовольняти весь спектр запитів споживачів сажі. Тим часом почалися перші п'ятирічки, і попит на технічний вуглець різних марок країни стрімко зростав. З листа голови Комітету з хімізації Московської області Б. О. Норкіна:

«Потреба у сажі виявляється на 1929/1930 р. більше 6000 т, а у зв'язку з будівництвом потужного автомобільного заводу та організацією виробництва гумової підошовної пластини для взуттєвої промисловості, а також поліграфічної, лакофарбової та електротехнічної галузей промисловості, потреба в сажі різних марок (типу ГЭТа, Мікронекс 2, Карбон Блек, Піреко Блек) досягає до кінця п'ятиріччя понад 20 000 т, не враховуючи нових можливостей застосування її (для пластичних мас, активована сажа для елементної промисловості та ін.).

Виробнича ж можливість єдиного в Союзі Кудинівського заводу ГЕТ 3 в даний момент і до кінця п'ятиріччя визначається лише в 1000 т більш важких сортів сажі »4.

Але сажа — це просто чорний порошок із вуглецю, заперечить читач. Чому те, що годиться одному, не годиться іншому? Хіба сажа може бути різною? Саме. Причому настільки, що зразок однієї марки на тлі іншого виглядає часом не чорним, а сірим.

Причина цієї різниці криється не у складі, а в технології виробництва і, як наслідок, у розмірах та структурі сажевих мікрочастинок.Наприклад, чим менше частинки, тим чорніший технічний вуглець (що добре для поліграфії), тим активніше він підвищує розривну міцність і зносостійкість гуми (що важливо для виробництва шин). Чим більша структурність сажі (коли мікрочастинки утворюють розгалужені ланцюжки і навіть просторові «сіточки»), тим краще шприцюваність гумової суміші 5 а вулканізована гума має більш гладку поверхню (цінна властивість для гумотехніки).

Здавалося б, має сенс виробляти лише високодисперсні та високоструктурні сорти технічного вуглецю. Але не так однозначно. Наприклад, вироби на основі таких марок виходять більш жорсткими і жорсткими, що для гуми не завжди благо. Високодисперсний вуглець гірший і в менших кількостях вводиться в каучук, що здорожує виробництво гуми. Він і сам по собі дорожчий, оскільки вихід його з сировини менший, він гірше вловлюється на фільтрах. У нього менша насипна щільність, що збільшує витрати на перевезення. Адже технічний вуглець у гумі — це не тільки підсилюючий агент, а й наповнювач, покликаний здешевлювати виріб (оскільки його там від чверті майже до половини загальної маси). Тому малоактивні марки з низькою дисперсністю в цій якості набагато доречніші. Високоструктурний технічний вуглець дає гуми з високим модулем пружності: щоб розтягнути таку гуму, треба витратити більше зусилля. А якщо потрібно, щоб гума навпаки тягнулася легко? Тут на допомогу прийдуть сажі із низькою структурністю. Марки техвуглецю, найбільш затребувані в металургії, мають низьку дисперсність і структурність, зате містять менше сірки та інших домішок.Вони мають оптимальну для виробництва електродів питому електропровідність. Словом, перефразовуючи Сергія Михалкова: «Сажі різні потрібні, сажі різні важливі!»

Перша російська сажа вироблялася ламповим способом, при якому рідка сировина (переважно високоароматична, тобто багата на ароматичні вуглеводні, нафтова олія) горіла в спеціальних безфорсуночних пристроях — сажекоптильних чашах. Дисперсність лампової сажі Кудинівського заводу була порівняно низька, для отримання високоякісної протекторної гуми були потрібні інші сорти. У 1931 році в Майкопі за допомогою американських фахівців з'явився завод канальної сажі, що працює на природному та попутному нафтовому газі місцевих родовищ. Хоча канальний процес також складно було назвати «хайтеком» (регулювання подачі повітря здійснювалося вручну, сажа від тисяч спеціальних керамічних пальників збиралася на металевій поверхні швелерів у вогневих камерах з покрівельного заліза, звідки її зчищали на транспортні шнеки механічними скребками), продукція виходила зовсім іншою якістю - Високодисперсна, з чудовими підсилюючими властивостями. На жаль, за це довелося розплачуватися собівартістю та екологією (вихід по вуглецю ледь сягав 3—4%, а інше або згоряло, або, що ще гірше, викидалося в атмосферу, чому завод нещадно коптив), але головне було зроблено — країна отримала власний активний технічний вуглець, що дозволяло виробляти навіть покришки для винищувачів! Завод був невеликим — його 20 вогневих камер виробляли лише 600 т продукції на рік, але це стало важливою віхою у розвитку вітчизняного виробництва сажі.

Через десять років пролунала війна.Кудінівський завод був евакуйований з-під Москви до Києва, туди ж перевезли і завод з Ярославля, який працював за аналогічною технологією, пущений в 1933 році. Майкопський завод також евакуювали — на Північ, у Комі АРСР, де на сировинній базі відкритого 1935 року Седьольського газового родовища поблизу села Крута (90 км від Ухти) він отримав друге народження та розвиток. Першу продукцію Крутянський сажевий завод дав 7 листопада 1941 року, а вже на початку 1944-го кількість його ділянок досягла п'яти, вогневих камер — 250, а потужність підприємства перевищила 9000 т на рік. На той період це практично закрило потребу країни у високоактивних сажах для шинної промисловості та поліграфії 6 .

Але сажі, як зазначалося, потрібні були різні. Деякі процеси їх виробництва відкрили майже випадково. Так, у ті ж воєнні роки проводилися експерименти щодо термічної дегідрогізації метану в реакторах без доступу повітря з метою отримання толуолу — сировини для вибухівки. Однак обірвати процес на потрібній стадії ніяк не вдавалося, і замість толуолу вперто виходила сажа 7 . Причому з виходами, що майже на порядок перевищують ккд канального процесу. Тоді вирішили побудувати на основі цієї технології завод термічної сажі 8 і знову біля Ухти, за кілька кілометрів від великої залізничної станції Іжма (нині — Сосногорськ). Вибір майданчика нового Сажбуду був очевидним — місцева сировина, велика кількість дешевої та кваліфікованої робочої сили з таборів Ухткомбінату, нещодавно збудована залізниця. До кінця війни завод збудувати не встигли, але в 1948 році він зробив свою першу продукцію.Вибудуване неподалік упорядковане робоче селище Соснівка (нині — промислова частина Сосногорська) почало набувати характерного похмурого колориту, яке таке вразило через сорок років Михайла Жванецького: «Все місто чорне. Сніг чорний. Чорне небо. Люди чорні» 9 .

А чому так, власне, вийшло? Термічний спосіб докорінно відрізняється від лампового і канального, оскільки набагато продуктивніше і базується на інших принципах. Здійснюється він у вертикальних двошахтних реакторах-генераторах, згрупованих по п'ять штук, через що технологічна одиниця (блок) розмірами та контурами нагадує багатотрубний крейсер. Зсередини стінки генератора футеруються вогнетривкою шамотною цеглою, внутрішні порожнини заповнені укладеною в особливому порядку насадкою з ще більш вогнетривкого матеріалу - динаса. Сам процес поділяється на два етапи. У режимі «топки» потужний пальниковий пристрій за чверть години розжарював нутрощі генератора до 1550-1600 ° С. У режимі "піролізу" димовий клапан генератора перекривався, подача повітря припинялася, а подача газу, навпаки, збільшувалася, і так, без доступу повітря, в генераторі кілька хвилин йшов процес розкладання газу на вуглець і водень. На виході з генератора сажегазовая суміш «гасилася» водою в шахтах-холодильниках (пізніше — трубах Вентурі), після чого цільовий продукт послідовно осаджувався в сажевідбійниках і циклонах, просівався на механічних ситах і прямував на упаковку, а забруднений парами води та сажевими частинками водень на опалення заводу в єдину свого роду водневу котельню. На жаль, не весь — більша його частина ефектно згоряла у подібних до величезних труб шамотних печах допалу.Втім, особливої ​​шкоди довкіллю вони не завдавали.

Жах еколога наступав у момент, коли генератор «остигав» до 1100—1200°С, сажеобразование всередині нього припинялося і настав час повертатися до стадії топки. Відразу після відкриття димового клапана залишок розпеченої сажоводневої суміші з ревом виривався з труби генератора, спалахуючи в десятиметровий чорно-червоний смолоскип, після чого на житлове селище починала пливти похмура хмара сажі, оскільки з трояндою вітрів проектувальники заводу.

Генераторів було багато, і чорні хмари йшли майже безперервним потоком. Неодноразово порушувалося питання про встановлення на труби хоч якихось фільтрів, але всі вони, навіть металеві, миттєво прогорали. Вихід був знайдений лише в середині 1990-х років, коли попит на термічний техвуглець знизився і підприємство дозволило собі розкіш перейти на тристадійний цикл «топка-піроліз-здувка», при якому димові клапани відкривалися після продування вмісту генераторів в резервну систему уловл. Екологічна ситуація у Сосногорську різко покращилася.

Термічна сажа специфічна за своїми властивостями - з усіх сортів у неї найнижчі дисперсність (розмір часток досягає 250-300 нм) та структурність. Для шинників такий техвуглець цінності не представляє, зате у виробників гумотехнічних виробів він дуже популярний, оскільки дає м'які гумові суміші, що легко обробляються і взагалі ідеальний як наповнювач гум. Крім того, термічний техвуглець характеризується найвищим ступенем чистоти (до 99,7% вуглецю), завдяки чому незамінний у виробництві вугільних електродів та металургії.

Таким чином, попит радянської промисловості на високо- та малоактивні сажі був задоволений.Залишалося заповнити проміжну, наймасовішу нішу. До справи підключився один із найавторитетніших фахівців ВНІІГАЗу, теоретик процесів утворення дисперсного вуглецю Павло Олександрович Теснер (1910—2009). Взявши за основу американську технологію 1926 року, він вніс до неї суттєві корективи, адаптував процес під місцеву сировину, воду та вогнетриви, внаслідок чого біля Іжемського заводу термічної сажі виріс ще один завод — пічної сажі. Загальна потужність Іжемських сажевих заводів в 1951 досягла 50 тис. т, а разом з Крутянським - майже 60 тис. т на рік. У тому ж році Павло Олександрович став лауреатом Сталінської премії та блискуче захистив докторську дисертацію. Йому опонував майбутній Нобелівський лауреат академік М. М. Семенов.

Плюсом нової технології була можливість виробляти відносно дисперсну (не більше 100 нм) та структурну сажу, що частково застосовується в шинній промисловості. Не було жахливих викидів сажоводневої суміші, що горіла, винесення сажі через електрофільтри добре маскувався водяною парою, так що дим з численних труб йшов переважно білий. Утім проблем все одно вистачало. Процес супроводжувався утворенням отруйного монооксиду вуглецю (чадного газу) - по 4-5 т на тонну продукції.

Не дивно, що протигази лаборанток, що контролюють склад газів, що відходять на внутрішніх точках відбору, оснащувалися спеціальним фільтром, що окислює чадний газ у порівняно нешкідливий вуглекислий.Утворення чадного газу було не тільки проблемою для працівників заводу, а й серйозним екологічним навантаженням для розташованого поруч міста (нині воно знизилося практично вдвічі — ось уже понад двадцять років на Сосногірському, до 1981 року Ухтинському, газопереробному заводі функціонує встановлення нейтралізації відпрацьованих газів виробництва). Крім того, пічна сажа могла містити смолисті поліароматичні домішки, що робило її потенційним канцерогеном. Таким чином, новий процес теж виявився досить малоприємним виробництвом, яке проходило за союзними санітарними нормативами за категорією особливо шкідливих.

Взагалі, тема екологічних та санітарних проблем, пов'язаних із техвуглецем, була актуальна у всі часи. Знайти сажевий завод на знімку, виконаному з космосу, не важко, він завжди видає себе темним ореолом. Найбільш «брудним» по праву вважається канальний процес: всі спроби організувати в ньому доловлювання вилітаючої з труб вогневих камер сажі наштовхувалися на проблему порушення режиму горіння і лише розоряли підприємства, а умови праці на самих заводах були такі, що документальні кадри звідти були використані у відомому фільм-антиутопія Георгія Данелії «Кін-дза-дза».

Це, разом із вкрай низькими виходами, зрештою вирішило долю канального процесу: нині у світі функціонує лише один такий завод, у туркменському місті Хазар (колишній Челекен), та й там у робочому стані залишаються лише дві ділянки з восьми. Втім, дим від них і досі видно на десятки кілометрів.

Але в середині минулого століття про екологію ще тільки починали замислюватися, а техвуглецю потрібно все більше і більше.Газова сажа з її скромними виходами вже не влаштовувала економістів та технологів. У світі техвуглецю наступала нова епоха. У СРСР вона прийшла на початку 1960-х років, коли в Омську, Ярославлі та Волгограді були пущені потужні сажові заводи, що виробляють пічний техвуглець із високоароматичної рідкої сировини. Близька за складом сировина використовувалася на старих заводах лампової сажі, але тут конструкції пальникових пристроїв, реакторів та систем уловлювання були принципово іншими. У результаті виходи по вуглецю перевалили за 50%, а підсилюючі властивості нової пічної сажі були такі, що нею здебільшого з легкістю вдалося замістити набагато дорожчу канальну. Ще одна перевага нового процесу полягала в тому, що сировиною для нього служили фактично непридатні продукти нафто- і коксохімії, які практичніше було перетворювати на сажу, ніж утилізувати або закочувати в асфальт, тоді як природний газ стрімко ставав цінною сировиною для більш глибокої переробки. . З того часу потужності з виробництва техвуглецю будувалися лише за вказаним принципом, а Ухтинський газопереробний завод так і залишився унікальним підприємством, яке увібрало в себе всі три основні сажеві процеси — канальний (до 2008 року), термічний та пічний. За спільну розробку способу одержання активного техвуглецю з рідкої сировини П. А. Теснер та В. Ф. Суровікін (майбутній директор ВНДІ технічного вуглецю) у 1963 році удостоєні Ленінської премії. Це справді був прорив.

У 1990 році вітчизняна (тоді ще радянська) промисловість техвуглецю досягла свого піку - 1,2 млн т, з яких заводи на території РРФСР виробляли майже 1,0 млн т.Зараз російські сажевики, втративши через банкрутства в 1990—2000-ті роки три досить великі заводи (у Сизрані, Ставрополі та Електровугіллях), але освоївши зовнішні ринки, наблизилися до рівня 0,8 млн т на рік. Не так погано, якщо врахувати, що 1994 року річне виробництво просіло до 0,26 млн т.

Світовий випуск технічного вуглецю нині становить понад 13 млн. т на рік 10 і чітко корелює з потребами автомобільної промисловості. На виробництво покришок та іншої автогуми витрачається понад три чверті цього продукту. Ще 12% споживають заводи, що випускають побутову та промислову гумотехніку. Металургія, електротехніка, виробництва пластмас та лакофарбова промисловість забирають інше. За кордоном з нетрадиційних нині технологій є один завод термічної сажі в канадській провінції Альберта (Cancarb) потужністю 45 тис. т на рік та згаданий вище завод канальної сажі в Туркменії; весь інший техвуглець одержують пічним способом з рідкої сировини. Серед світових фірм-виробників, як і 20—30 років тому, домінують дві компанії — Cabot (США) та Evonik (колишня Degussa, Німеччина), яких сумарно припадає близько 40% світового випуску. Проте дислокація виробничих потужностей за цей час радикально змінилася — ті ж 40% розміщено в Китаї.

Словом, робити технічний вуглець клопітно та дорого. Тому, сідаючи за кермо, витираючи ноги об гумовий килимок або заїжджаючи на шиномонтаж, згадуйте іноді добрим словом скромних трудівників сажевих заводів, які займаються такою складною і необхідною для людства справою.

Коментарі до статті

1 Порівняно нещодавно відкриті і більш екзотичні форми кристалічного вуглецю, в яких його атоми з'єднані в подобу футбольного м'яча (фулерени), у протяжні циліндричні структури (вуглецеві нанотрубки) і розгорнуті одношарові поверхні (графени), — їх одержують в основному штучно, вкрай невеликих кількостях.

2 Сорт імпортної високодисперсної сажі.

3 ГЕТ - Державний електротехнічний трест ВРНГ СРСР.

4 РДАЕ. Ф. 3429. Оп. 7. Д. 3651. Л. 15.

5 Шприцюваність - показник гумової суміші, що характеризує її здатність продавлюватися через головку екструзійної шприц-машини (наприклад, у процесі виготовлення шлангів) без розривів поверхні.

6 Після війни кілька камер Крутянського заводу переобладнали під дуже дорогу і унікальну продукцію — техвуглець глибокочорний окислений марок К-163 і К-173-О. Розміри його частинок були настільно малі (менше 20 нм), а вміст летючої органіки настільки велике (для пігментних саж це вітається), що ці марки ніколи не використовували в гумі, тільки для виробництва чорної фарби найкращої якості.

7 Зі спогадів колишнього начальника Центральної лабораторії Іжемських сажевих заводів Е. н. Долбіліна.

8 Строго кажучи, термічний процес був винайдений у США ще 1922 року; в СРСР його по суті відкрили заново.

9 Жванецький М. М. Містечко Сосногорськ, 1989.

10 Гюльмісарян Т. Р., Капустін Ст. М., Левенберг І. П. Технічний вуглець: морфологія, властивості, виробництво. - М.: ТОВ «Видавництво Каучук і гума». - 2017. - С. 9.

Розроблено схему автоматизації екологічного виробництва сажі

Сажу, тобто технічний вуглець використовують у виготовленні гуми та шин, а також як колірний пігмент у друкованих фарбах та лакофарбових виробах. Її світове виробництво перевищує 11 мільйонів тонн на рік. При цьому в процесі її отримання виділяється велика кількість шкідливих сполук оксидів вуглецю та азоту, які утворюють «парниковий ефект» і, як наслідок, підвищення температури Землі. Важливе питання виробництва сажі — не лише її екологічність, а й автоматизація: цій вимогі повною мірою не відповідає жодне з десяти російських хімічних підприємств, які виготовляють технічний вуглець. Вчені Пермського Політеху розробили схему автоматизації ефективного та безпечного для природи виробництва сажі.

Вчені Пермського Політеху розробили схему автоматизації ефективного та безпечного для природи виробництва сажі / © freepik, freepik

Статтю опубліковано в журналі «Інженерний вісник Дону». Дослідження виконано у рамках програми стратегічного академічного лідерства «Пріоритет 2030».

Технічний вуглець виробляється з допомогою спеціальної установки – пічного реактора. У ньому вихідна сировина (парафін) розпадається на складові хімічні сполуки під впливом високих температур (від 1400 до 1700 про З), джерелом яких є природний газ із високим вмістом метану.

Пічний спосіб отримання сажі втрачає у своїй ефективності, якщо технологія недостатньо автоматизована. В даний час процес виробництва камери перемішування контролюється спеціальним температурним датчиком. Також камеру горіння реактора подається азот, який, змішуючись з киснем, утворює шкідливі сполуки окису азоту і вуглецю.Всі ці речовини, потрапляючи в атмосферу, знижують її прозорість, збільшують «парниковий ефект» та руйнують озоновий шар Землі.

Вчені Пермського Політеху розробили схему автоматизації пічного реактора. Окрім збільшення ефективності та швидкості виробництва, вона дозволить скоротити ймовірність помилок через людський фактор, який знижує якість продукції та безпеку технологічного процесу. Налаштування обладнання за запропонованою схемою автоматизує основні етапи виробництва сажі – подачу палива, повітря для проведення реакції окиснення та нейтралізацію шкідливих сполук.

Періодично перед вченими постає завдання знайти наукового керівника, колегу для спільного проекту чи опонента для захисту дисертації. Однак це непросто через відсутність відповідних інструментів.

«В умовах реального виробництва неможливо заздалегідь точно визначити значення всіх змінних, задіяних у майбутніх хімічних реакціях: температуру, швидкість переміщення та концентрацію сировини, конкретний вміст метану в природному газі, вологи в повітрі, домішок у сировині тощо, хоча це дозволило б краще регулювати та контролювати отримання сажі.

Наша схема враховує ці умови невизначеності. Управління подачею палива, окислювача та інших речовин виконуватимуть спеціальні датчики – ПІ-регулятори нечіткої логіки. Вони здатні працювати зі змінними коефіцієнтами, які не задані заздалегідь, і набувають значення на основі вхідних даних, які отримують тут і зараз», – розповідає Юрій Хижняков, професор кафедри автоматики та телемеханіки ПНДПУ, доктор технічних наук.

У нечітких ПІ-регуляторів є кілька завдань. По-перше, вони керують витратою палива на основі вимірювань вмісту природного газу метану.По-друге, контролюють подачу повітря. Для цього регулятор порівнює задану температуру з тією, що в камері горіння, щоб визначити, наскільки добре перемішується природний газ із киснем. Якщо процес порушено, то регулятор додає повітря. Ще одна функція – автоматична подача, наприклад, аміаку, який нейтралізує шкідливі сполуки (окисли азоту), що утворюються у процесі виробництва.

«На фінальних етапах слід зупинити хімічну реакцію відновлення. Вона відбувається за високої температури. Для її зниження впорскують воду в камеру загартування пічного реактора. Наша схема припускає, що в цій зоні можна, як варіант, розташувати лазерний вимірювач дрібних часток аерозолю вуглецю. Коли промінь проходить через нього, дрібні компоненти розсіюють світло, вимірник фіксує це та визначає концентрацію частинок. Інформація подається на пристрій, який упорскує воду під тиском 2 МПа. Температура камери гарту знижується і активність хімічної реакції відновлення припиняється. У результаті в процесі гранулювання виходить твердий вуглець із необхідними фізико-хімічними властивостями», – доповнює Павло Єфімов, помічник кафедри автоматики та телемеханіки ПНДПУ.

Вчені Пермського Політеху розробили схему автоматизації екологічно чистого виробництва сажі із застосуванням ПІ-регуляторів нечіткої логіки. Вона універсальна і залежить від структури реактора. Розробка підтримує екологічність виробництва та ефективну охорону навколишнього середовища, що вкрай важливо для запобігання глобальному потеплінню.