Введение к работе
Актуальность работы
Углеродные связующие материалы (пеки) используются для производства обожженных и графитированных электродов, коксобрикетов и конструкционной углеродной продукции различного назначения. В настоящее время в России в качестве связующего материала используется каменноугольный пек, отличающийся повышенной канцерогенностью. Поиски нефтяных заменителей каменноугольных пеков были начаты в конце 60-х годов в Уральском политехническом институте исследованиями Левина И.С. и др. В 1970-х годах фундаментальные исследования по нефтяным пекам начали проводиться в УГНТУ. В работах Долматова Л.В, Сюняева З.И. были разработаны научные основы технологии получения углеродных связующих материалов на основе остаточных фракций нефти. В 1980-х годах исследования нефтяных волокнообразующих пеков развивались работами Гимаева Р.Н., Кудашевой Ф.Х, Хайбуллина А.А., и др. В результате масштабных исследований, проведенных в ГУП «ИНХП РБ» Хайрудиновым И.Р., Гаскаровым Н.С., Варфоломеевым Д.Ф., Садыковым Р.Х. в 1985-1985 г.г. на базе АО «НУ НПЗ», был реализован промышленный процесс производства нефтяных пеков для алюминиевых заводов России путем вакуумной перегонки крекинг-остатка на установке термокрекинга ТК-3. Получение нефтяных углеродных связующих материалов с заданными свойствами и оптимизация их качественных параметров требует системного изучения закономерностей изменения их реологических и других свойств. Работы в этой области для нефтяных пеков проводились Долматовым Л.В., Доломатовым М.Ю., Ахметовым С.А. и др., для каменноугольных пеков- Мочаловым В.В., Лысовой Г.А. и др. Но несмотря на интенсивные исследования в данной области, серьезной проблемой, препятствующей направленному получению материалов с заданными свойствами, является недостаточная изученность взаимосвязи реологических характеристик с другими физико- химическими свойствами высокомолекулярных нефтяных дисперсных систем (НДС). С точки зрения теории дисперсных систем свойства этих веществ зависят, прежде всего от различного соотношения низкомолекулярных и высокомолекулярных подсистем. Причем высокомолекулярная подсистема НДС образована асфальто-смолистыми веществами в нефтяных остатках и битумах, а в пеках асфальтенами и карбено-карбоидами. Это означает, что необходим поиск общих закономерностей связи реологических характеристик со свойствами многокомпонентных высокомолекулярных углеводородных систем, выполняющиеся не только в каменноугольных и нефтяных пеках, но и в других высококипящих нефтяных фракциях и битумах.
Цель работы: разработка способов получения нефтяных связующих материалов с заданными качественными характеристиками на основе исследований реологических и физико-химических закономерностей процессов термополиконденсации и пластификации.
Задачи исследования:
-изучение закономерностей, связывающих реологические и физико- химические свойства высокомолекулярных НДС - нефтяных остатков, битумов и пеков;
-изучение компенсационного эффекта (КЭФ) динамической вязкости и возможности прогнозирования температурной зависимости вязкости пеков на этой основе;
-рассмотрение вариантов получения пеков с заданными реологическими и физико-химическими свойствами с использованием процесса пластификации пека;
-определение оптимальных параметров процесса термополиконденсации пеков из нефтяного сырья с применением метода математического планирования экспериментов;
-получение на пилотной установке опытных образцов пеков из смол пиролиза бензиновых и дизельных фракций и исследование возможности их применения в качестве пропитывающих и связующих материалов для производства электродов и анодных масс.
Научная новизна работы:
-для высокомолекулярных НДС битумов и гудронов установлено существование КЭФ динамической вязкости, который выражается в нелинейном характере связи между энергией активации вязкого течения и логарифмом предэкспоненты вязкости;
-для нефтяных и каменноугольных пеков, полученных в результате процессов термополиконденсации, обнаружен линейный КЭФ;
-установлено, что энергии активации вязкого течения среднетемпературных пеков находятся в диапазоне от 107,9 до 172,2 кДж/моль, а энтропии активации вязкого течения в диапазоне от 0,30 до 0,47 кДж/(мольК). Для битумов интервалы изменения данных величин соответственно равны 56,4-72,06 кДж/моль и 0,175-0,198 кДж/(мольК);
-для нефтяных пеков установлены зависимости между динамической вязкостью, температурой размягчения, групповым составом и количеством вводимого пластификатора.
Практическая значимость:
-предложены способы получения нефтяных пеков с заданными свойствами, которые состоят в определении оптимальных параметров процесса термополиконденсации и в регулировании реологических и физико-химических свойств с применением процессов пластификации и использования КЭФ динамической вязкости;
-на экспериментальных базах АО «Электродин» (Гос НИИ ЭП) и АО «Сиб ВАМИ» проведены испытания углеродных изделий, изготовленных на основе образцов пеков из смол пиролиза, полученных на пилотной установке ТК-9 ГУП «ИНХП РБ». В результате испытаний в АО «Электродин» пеки из смол пиролиза рекомендованы в качестве пропитывающего материала в производстве графитированных электродов. Испытания, проведенные в АО «СибВАМИ», свидетельствуют о возможности использования нефтяных пеков качестве связующих для брикетированных анодных масс, применяемых в алюминиевой промышленности.
Апробация работы.
Материалы работы докладывались и обсуждались: на 7-й Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (2009 г., г.Санкт-Петербург); на Международной научно-практической конференции «Нефтепереработка - 2010 г.» (г.Уфа); на XIII Международной научно-технической конференции «Строительство. Коммунальное хозяйство. Насосы. Трубопроводы - 2010 г.»
(г.Уфа). Отдельные результаты работы докладывались на региональных семинарах «Актуальные проблемы исследования сложных систем» в 20092010 г.г.(г.Уфа).
Публикации.
Получен один патент РФ, опубликованы 5 статей в журналах, рекомендуемых ВАК Минобразования и науки РФ. Всего по теме диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объем работы.
