Carbón técnico, su producción

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2024-01-17 18:47

El negro de humo (GOST 7885-86) es un tipo de productos industriales de carbono que se utilizan principalmente en la producción de caucho como relleno que mejora sus útiles propiedades de rendimiento. A diferencia del coque y la brea, se compone de casi un carbón, parece hollín.

Ámbito de aplicación

Aproximadamente el 70% del negro de carbón producido se utiliza para la fabricación de neumáticos, el 20% para la producción de productos de caucho. Además, el carbón técnico se utiliza en la producción de pinturas y barnices y en la producción de tintas de impresión, donde actúa como pigmento negro.

Otra área de aplicación es la producción de plásticos y cubiertas de cables. Aquí el producto se agrega como relleno y para dar propiedades especiales a los productos. El negro de carbón también se usa en pequeños volúmenes en otras industrias.

Característica

El negro de carbón es el producto de un proceso que incorpora las últimas técnicas de ingeniería y control. Por su pureza y conjunto estrictamente definidopropiedades físicas y químicas, no tiene nada que ver con el hollín producido como subproducto contaminado de la quema de carbón y fuel oil, o de la operación de motores de combustión interna no regulados. De acuerdo con la clasificación internacional generalmente aceptada, el negro de carbón se denomina Carbon Black (carbon negro traducido del inglés), el hollín en inglés es hollín. Es decir, actualmente estos conceptos no se mezclan de ninguna manera.

El efecto del refuerzo debido al relleno de cauchos con negro de carbón no fue menos importante para el desarrollo de la industria del caucho que el descubrimiento del fenómeno de la vulcanización del caucho con azufre. En los compuestos de caucho, el carbono de una gran cantidad de ingredientes utilizados por peso ocupa el segundo lugar después del caucho. La influencia de los indicadores de calidad del negro de carbón en las propiedades de los productos de caucho es mucho mayor que los indicadores de calidad del ingrediente principal: el caucho.

Propiedades de refuerzo

La mejora de las propiedades físicas de un material mediante la introducción de un relleno se denomina refuerzo (refuerzo), y dichos rellenos se denominan amplificadores (negro de carbón, óxido de silicio precipitado). Entre todos los amplificadores, el carbono técnico tiene características verdaderamente únicas. Incluso antes de la vulcanización, se une al caucho y esta mezcla no se puede separar completamente en negro de carbón y caucho con solventes.

La resistencia de los cauchos basada en los elastómeros más importantes:

Elastómero	Resistencia a la tracción, MPa
	Vulcanizado sin relleno	Vulcanizado relleno con negro de humo
Caucho de estireno butadieno	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Goma poliacrilato	2, 1	17, 6
Caucho de polibutadieno	5, 6	21, 1

La tabla muestra las propiedades de los vulcanizados obtenidos a partir de varios tipos de caucho sin relleno y rellenos con negro de humo. A partir de los datos anteriores, se puede ver cómo el relleno de carbono afecta significativamente la resistencia a la tracción del caucho. Por cierto, otros polvos dispersos utilizados en compuestos de caucho para dar el color deseado o reducir el costo de la mezcla: tiza, caolín, talco, óxido de hierro y otros no tienen propiedades de refuerzo.

Estructura

Los carbones naturales puros son los diamantes y el grafito. Tienen una estructura cristalina que difiere significativamente entre sí. La similitud en la estructura del grafito natural y el negro de humo del material artificial se estableció mediante difracción de rayos X. Los átomos de carbono en el grafito forman grandes capas de sistemas de anillos aromáticos condensados, con una distancia interatómica de 0,142 nm. Estas capas de grafitoLos sistemas aromáticos condensados se denominan planos basales. La distancia entre los planos está estrictamente definida y es de 0,335 nm. Todas las capas son paralelas entre sí. La densidad del grafito es 2,26 g/cm3.

A diferencia del grafito, que tiene un orden tridimensional, el carbono técnico se caracteriza únicamente por un orden bidimensional. Consiste en planos de grafito bien desarrollados, ubicados aproximadamente paralelos entre sí, pero desplazados con respecto a las capas adyacentes, es decir, los planos están orientados arbitrariamente con respecto a la normal.

La estructura de grafito se compara en sentido figurado con una baraja de cartas cuidadosamente doblada, y la estructura de negro de carbón se compara con una baraja de cartas en la que las cartas se desplazan. En él, la distancia interplanar es mayor que la del grafito y es de 0,350-0,365 nm. Por lo tanto, la densidad del negro de carbón es más baja que la densidad del grafito y está en el rango de 1,76-1,9 g/cm³, dependiendo de la marca (la mayoría de las veces 1,8 g/cm ^3).

Colorear

Los grados pigmentados (colorantes) de negro de humo se utilizan en la producción de tintas de impresión, revestimientos, plásticos, fibras, papel y materiales de construcción. Se clasifican en:

• negro de carbón de alto color (HC);
• medio (MS);
• coloración normal (RC);
• color bajo (LC).

La tercera letra indica el método de obtención - horno (F) o canal (C). Ejemplo de designación: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

El poder colorante de un producto está relacionado con el tamaño de sus partículas. Según su tamaño, el carbono técnico se divide en grupos:

Tamaño promedio de partícula, nm	Grado negro horno
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Clasificación

El carbono técnico para caucho según el grado de efecto de refuerzo se divide en:

• Altamente reforzado (banda de rodadura, dura). Se separa con la solidez subida y la resistividad a la trituración. El tamaño de partícula es pequeño (18-30 nm). Utilizado en cintas transportadoras, huellas de neumáticos.
• Semirreforzado (armazón, blando). El tamaño de partícula es medio (40-60 nm). Se utilizan en diversos productos de caucho, carcasas de llantas.
• Baja ganancia. El tamaño de partícula es grande (más de 60 nm). Uso limitado en la industria de neumáticos. Aporta la resistencia necesaria manteniendo una alta elasticidad en los productos de caucho.

La clasificación completa del negro de humo se proporciona en la norma ASTM D1765-03, aceptada por todos los fabricantes y usuarios de productos a nivel mundial. En él, la clasificación, en particular, se realiza según el rango de la superficie específica de las partículas:

Grupo	Área específica promediosuperficie por adsorción de nitrógeno, m2/g
0	>150
1	121-150
2	100-120
3	70-99
4	50-69
5	40-49
6	33-39
7	21-32
8	11-20
9	0-10

Producción de negro de humo

Existen tres tecnologías para producir negro de humo industrial que utilizan un ciclo de combustión incompleto de hidrocarburos:

• horno;
• canal;
• tubo;
• plasma.

También existe un método térmico que descompone el acetileno o el gas natural a altas temperaturas.

Varios grados producidos por diferentes tecnologías tienen diferentes características.

Tecnología de producción

Teóricamente, es posible obtener negro de carbón por todos los métodos anteriores, sin embargo, más del 96% del producto producido se obtiene por el método del horno a partir de materias primas líquidas. El método permite obtener varios grados de negro de humo con un determinado conjunto de propiedades. Por ejemplo, la planta de negro de humo de Omsk produce más de 20 grados de negro de humo usando esta tecnología.

La tecnología general es esta. El reactor, revestido con materiales altamente refractarios, se alimenta con gas natural y aire calentado a 800°C. Debido a la combustión del gas natural, se forman productos de combustión completa con una temperatura de 1820-1900 ° C, que contienen una cierta cantidad de oxígeno libre. Las materias primas de hidrocarburos líquidos se inyectan en los productos de combustión completa a alta temperatura, se mezclan completamente de antemano y se calientan a 200-300 °C. La pirólisis de las materias primas se lleva a cabo a una temperatura estrictamente controlada que, dependiendo de la marca de negro de carbón producido, tiene diferentes valores de 1400 a 1750 ° С.

A cierta distancia del lugar de suministro de las materias primas, la reacción termooxidativa se detiene mediante la inyección de agua. El negro de carbón y los gases de reacción formados como resultado de la pirólisis ingresan al calentador de aire, donde ceden parte de su calor al aire utilizado en el proceso, mientras que la temperatura de la mezcla de carbón y gas disminuye de 950-1000 °С a 500-600 °С.

Después de enfriar a 260-280 °C debido a la inyección adicional de agua, la mezcla de negro de humo y gases se envía al filtro de mangas, donde el negro de humo se separa de los gases y entra en la tolva del filtro. El negro de carbón separado del recipiente del filtro se alimenta a través de la tubería de gas mediante un ventilador (turboventilador) a la sección de granulación.

Productores de negro de humo

La producción mundial de negro de humo supera los 10 millones de toneladas. Esta gran demanda del producto se explica, en primer lugar, por sus propiedades de refuerzo únicas. Las locomotoras de la industria son:

• Aditya Birla Group (India): alrededor del 15 % del mercado.
• Cabot Corporation (EE. UU.): 14 % del mercado.
• Carbonos diseñados por Orion (Luxemburgo): 9 %.

Los mayores productores de carbono de Rusia:

• Omsktehuglerod LLC – 40% del mercado ruso. Fábricas en Omsk, Volgogrado, Mogilev.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.