Получение каменноугольного пека

Введение
В зависимости от расположения пекококсовых печей по отношению к смолоперегонному цеху находят те или иные схемы пекоподготовки. В промышленной практике пекококсовые цехи чаще всего располагают вблизи смолоперегонных цехов. В этом случае среднетемпературный пек самотеком или посредством насоса подают в пекоприемники отделения пекоподготовки пекококсового цеха. Имеются пекококсовые установки, сырьем для которых служит привозной высокоплавкий пек, который до загрузки в печи подвергают плавлению. Известны установки где пек загружают в камеры для коксования в твердом состоянии без предварительного расплавления или подогрева.
Все известные методы получения высокоплавкого пека классифицированы на основе применяемых процессов и агентов. Промышленное применение получили методы повышения температуры размягчения среднетемпературного пека обработкой его воздухом, водяным паром и инертным газами. Трудно осуществляемы в промышленности методы, основанные на применении хлористого алюминия, серы и кислот. Недостатком процесса термической обработки пека, обеспечивающего большой выход высокоплавкого пека, является его длительностью.
Процесс получения высокоплавкого пека обработкой воздуха известны в России сравнительно давно. Однако длительное время изучения процесса ограничивалось лишь постановкой поисковых работ в лабораторных условиях. Наиболее полные исследования проведены УХИНом, на их основе была завершена разработка технологии и промышленное внедрение процесса. Вследствие экономичности и эффективности метод обработки пека воздухом в настоящее время является единственным промышленным способом получения высокоплавкого пека в России, Польше, Чехии и Словакии.
Целью работы является изучение методов получения каменоугольного пека. Задачами данной работы являются изучение: состава каменноугольной смолы, способов производства пека из каменноугольной смолы, расчет материального (теплового) баланса.
1 Состав каменноугольной смолы
Каменноугольная смола — вязкая чёрно-бурая, со специфическим запахом жидкость, содержащая около 300 различных веществ. Наиболее ценными компонентами смолы являются ароматические и гетероциклические соединения: бензол, толуол, ксилолы, фенол, крезол, нафталин, антрацен и другие. Плотность смолы 1,17—1,20 г/см. Выход смолы составляет от 3 до 4% от массы коксуемого сухого угля (табл.1).
Состав каменноугольной смолы в основном зависит от метода коксования, конструкции печи и качества угля. Но тем не менее высокая температура коксования, так сказать, нивелирует характер смолы, которая преимущественно представлена ароматическими соединениями, чем отличается от первичной смолы полукоксования. Каменноугольная смола нагревается в трубчатых печах до 380 - 400 С. Образующиеся пары разделяются на мощной ректификационной колонне на отдельные фракции, при этом около 40% переходит в дистиллят, а остальная масса образует пек.
Состав каменноугольной смолы существенно зависит от природы угля, из которого она получена; было обнаружено, например, что уголь из центральной Франции (бассейн Сент-Этьен) дает каменноугольную смолу, бедную алифатическими соединениями и богатую ароматическими соединениями; каменноугольная смола получают из английского угля (из Ньюкасла), который содержит много нафталина и тяжелых масел. Однако эти различия зависят не только от природы угля, но также могут быть связаны с методом и температурой сухой перегонки. Кроме этого, состав каменноугольной смолы также зависит от возраста угля: более старые угли производят каменноугольную смолу, более богатую ароматическими углеводородами, и наоборот, каменноугольная смола, более богатая фенолами, получается из каменноугольной смолы с высоким содержанием оксигенатов. 
Таблица 1
Состав каменноугольной смолы по фракциям
Фракция Выход, % от массы смолы Пределы ки-
пения, °С Плотность при 20 °C, кг/м 3 Выделяемые вещества
Лёгкая 0,2-0,8 До 170 900-960 Бензол и его гомологи
Фенольная 1,7-2,0 170-210 1000-1010 Фенолы, пиридиновые основания
Нафталиновая 8,0-10,0 210-230 1010-1020 Нафталин, тионафтен
Тяжёлая (погло-
тительная) 8,0-10,0 230-270 1050-1070 Метилнафталины, аценафтен
Антраценовая 20,0—25,0 270-360
(и до 400) 1080-1130 Антрацен, фенантрен, карбазол и др.
Пек 50,0—65,0 Выше 360 1200-1300 Пирен и др. высококонденсированные ароматические соединения







2 Способы производства пека из каменноугольной смолы
2.1 Получение высокотемпературного пека, препарированных смол
Каменноугольным пеком называется остаток, получаемый фракционированием каменноугольной смолы. Это продукт черного цвета, однородный по внешнему виду. Пек застывает в определенном температурном интервале в твердую хрупкую массу, имеет раковистый излом. Определенной температуры плавления и застывания он не имеет: плавится в температурном интервале. Плавление и затвердевание пека не сопровождается тепловым эффектом — он не имеет скрытой теплоты плавления. По своей химической природе каменноугольный пек представляет многокомпонентную смесь многоядерных углеводородов и гетероциклов, образующихся не только в процессе получения каменноугольной смолы при коксовании углей, но и при ее переработке в результате термической поликонденсации.
Высокотемпературный пек получают термической обработкой низкотемпературного или среднетемпературного пека и окислением его кислородом воздуха. Сущность метода заключается в накоплении продуктов уплотнения и повышения температуры размягчения пека в результате дегидрирования и последующих процессов конденсации и полимеризации полиароматических (многоядерных ароматических) соединений, находящихся в пеке.
Среднетемпературный пек характеризуется содержанием веществ, нерастворимых в толуоле (16 - 20 %) и выходом летучих веществ (68 - 71 %). Среднетемпературный пек находит широкое применение в цветной металлургии, в черной металлургии, в производстве дорожного дегтя и в дорожном строительстве, в производстве лаков и т. д. Высокотемпературный пек получают по непрерывной схеме окисления сырья в специальных аппаратах реакторах, объединенных в технологическую цепь.
Исходным сырьем для получения высокотемпературного пека служат среднетемпературный пек и коксовая смола, образующаяся при коксовании высокотемпературного пека (и пековые дистилляты).
Выход высокотемпературного пека достигает 87 - 89 %. Качество продукта характеризуется следующими данными: температура размягчения 140 - 150°С, выход веществ, нерастворимых в толуоле 45 - 50 %, выход летучих веществ 49 - 52 %. Выход пековых дистиллятов 10 - 13 %. Высокотемпературный пек является исходным сырьем для получения пекового кокса.
Для получения высокотемпературного пека воздушным способом применяются кубы-реакторы диаметром 3000 мм и рабочей емкостью 27 м³. Обогрев куба ведется доменным или коксовым газом. Для улавливания капель фракций пека, уносимых из куба-реактора отработанным воздухом, используется отбойник диаметром 800 мм, изготовленный из стали.
Препарированная смола приготавливается путем смешивания жидкого каменноугольного пека и поглотительной фракции смолы в одной из мешалок пекового парка [4].
Одной изфункцией пекового парка является прием, хранение, усреднение, охлаждение до оптимальных температур (180 - 200°С) и отгрузка жидкого каменноугольного пека в термоцистерны (рисунок 1).

1 - теплоизоляционная крышка горловины, 2 - наружняя лестница с помостами, 3 - котел,4 - изоляция котла, 5 - кожух электронагревателей, 6 - крепление котла на раме, 7-каркас и кожух изоляции,8- электрооборудование, 9 -