Другим термическим процессом является получение технического углерода, или, другими словами, сажи, наиболее понятного для обывателя продукта всей нефтеперерабатывающей промышленности. Сажа – аллотропная модификация углерода, представляющая собой мелкодисперсную пыль. Рассмотрим, что такое аллотропная модификация.

Смысл процесса выглядит гораздо проще, чем его название. Графитовый стержень, сажа и алмаз – все это разные формы чистого углерода, главное отличие в том, что атомы углерода по-разному расположены относительно друг друга. Карбин – прямая цепь углерода. Графит – несколько полотен из шестиугольников, которые, как соты в улье, соединены друг с другом. Алмаз – сформированная пирамида из шестиугольников. Фуллерен – большая сфера из пятиугольников. Сажа – хаотично расположенный углерод.

Сажа, полученная при переработке нефти, и сажа, полученная от сгорания дров, фактически одно и то же вещество, только в нефтяной могут присутствовать примеси галогенов и остатки металлов. Однако на производстве стараются избегать открытого огня, поэтому остатки нефти подвергаются термическому разложению – пиролизу. Иногда происходит реакция термоокислительного разложения.

Расцвет производства канального техуглерода пришелся на послевоенное время. Завершение Великой Отечественной войны означало для Ухты новый этап ее развития и наращивание объемов добычи нефти и газа. Стали возвращаться люди, выделялись значительные по тем временам капвложения, и, самое главное, были видны серьезные перспективы.

Получить технический углерод можно двумя вариантами:

– расположение углеводорода на сажу (чистый углерод) и водород:

– неполное сжигание углеводородов, например метана:

Существуют три основных типа производства сажи:

– печной – когда жидкое сырье подают в поток газов полного сгорания, процесс непрерывный и происходит в цилиндрических реакторах;

– термический – газ в смеси с воздухом сгорает в реакционных камерах, которые обыкновенно работают поочередно;

– канальный – периодический процесс, пламя сгорающего сырья на выходе из горелок сталкивается с охлаждаемым водой металлическим желобом, процесс окисления прекращается с выделением технического углерода, который собирается внутри камеры.

Итак, цель процесса – получение технического углерода путем высокотемпературного крекинга тяжелого остатка нефтепереработки, содержащего большое количество разного рода ароматических соединений, при пониженном давлении.

Один из вариантов установки для получения сажи представлен на рисунке 6. Сырье, предварительно нагретое до 120 °C, поступает в змеевик печи, где его температура повышается до 320 °C. Даже при этих относительно низких для основного процесса температурах начинается неизбежное коксообразование. Чтобы удалить образовавшийся в змеевике кокс, перед реактором установлен фильтр. Очищенное сырье затем подается в циклонный реактор. Стоит отметить, что непосредственно на производстве реакторов несколько, причем большая часть из них находится в резерве.

Рисунок 6. Принципиальная схема получения технического углерода (сажи)

Воздух низкого давления совместно с топливом поддерживает температуру в реакторе, в то время как воздух высокого давления, подаваемый предварительно нагретым, обеспечивает необходимое технологическое давление. Режим работы реактора: температура – 1300–1600 °C, давление – 0,6–0,8 МПа, время пребывания сырья в реакторе – 0,02–0,04 секунды.

Для прекращения реакции происходит впрыск химически очищенной воды. При этом температура снижается в два раза. Далее вся реакционная масса проходит через специальный ороситель для большего охлаждения.

Для улавливания сажи используется многоступенчатая система, состоящая из циклонов и рукавных фильт-ров. В циклонах частицы сажи отделяются от газа под действием центробежной силы: поток, двигаясь по спирали, создает условия, при которых более тяжелые частицы оседают на стенках. Такой же принцип, как и у бытового пылесоса. Рукавные фильтры улавливают мельчайшие частицы сажи в порах специальной ткани. Обычно фильтры работают в паре, чтобы обеспечить непрерывность процесса. Для предотвращения забивания пор и восстановления фильтрующей способности их периодически продувают газом, который выдувает накопившуюся сажу.

Пройдя все стадии производства, технический углерод попадает на упаковочную ленту, где расфасовывается в биг-бэги, бумажные и полиэтиленовые кули, которые формируются в готовые партии и отгружаются конечным потребителям по морскому пути, автомобильным и железным дорогам. Технический углерод – востребованный продукт как в России, так и за рубежом.

До недавнего времени поставки технического углерода осуществлялись по всему миру, включая США и страны Европы. Теперь же, с введением в действие санкций, технический углерод отгружается в основном в страны Азии: Китай, Индию, Турцию, Корею, Казахстан.

Материальный баланс процесса описывается следующей пропорцией: на каждые 100 килограммов перерабатываемого сырья приходится 70 килограммов произведенной сажи. Остальные 30 % являются оксидами и диоксидами углерода, а также метаном.

Применение сажа нашла в различных областях: металлургии, атомной энергетике, строительстве, полиграфии, производстве кабелей, пластмасс, но чаще всего ее используют при производстве шин.