Изменение физико-химических характеристик нефтекаменноугольного пека в процессе термостабилизации

 

Графическая интерпретация убыли массы пека в процессе изотермической выдержки при температуре 210°С представлена на нижеследующих рисунках.

 

Рисунок 3.8 - Изменение массы гибридного пека в процессе изотермической выдержки

 

 

Рисунок 3.9 - Изменение массы компаундного пека в процессе изотермической выдержки

 

 

Рисунок 3.10 - Изменение массы каменноугольного пека в процессе изотермической выдержки

 

Как показывает анализ экспериментальных данных, наблюдается постепенная убыль массы пека. Скорость  и полнота удаления легколетучих компонентов из пека определяется площадью его удельной поверхности и типом пека. За сутки изотермической выдержки при 210 ⁰С вес каменноугольного пека изменился почти на 10%.  Изменение массы гибридного пека за то же время не превысило 3%.

 

Результаты определения убыли массы пека при длительной изотермической  выдержке в зависимости от удельной площади поверхности

Рисунок 3.11 - Изменение массы пека в процессе изотермической выдержки при удельной площади поверхности 0,395 м2/кг

 

 

Рисунок 3.12 - Изменение массы каменноугольного пека в процессе изотермической выдержки при удельной площади поверхности 0,099 м2/кг

Рисунок 3.13 - Изменение массы каменноугольного пека в процессе изотермической выдержки при удельной площади поверхности 0,034 м2/кг

 

Как и следовало ожидать, с ростом площади контакта пек-воздух количество удаленных легколетучих фракций увеличивается для всех типов пеков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.2 Корреляция между убылью массы пеков и  их свойствами

 

 

 

 

 

 

Наблюдается четкая корреляционная взаимосвязь между убылью массы пеков и  свойствами (рис. 3.14- ….). Для пеков любого происхождения удаление легко летучих компонентов приводит к возрастанию вязкости.  Так на рис.    представлены результаты изменения вязкости пеков при последовательном удалении летучих компонентов из них. Как видно их этих данных, для пеков любого происхождения при удалении 1% легких фракций происходит увеличение вязкости в 1,6 – 1,7 раза.

 

Рисунок 3.14 - Корреляция между убылью массы пеков и  их вязкостью

 

 

 

 

 

 

 

 их связующий способности, убыль массы на 1% приводит к снижению коэффициента инфильтрации. У гибридного пека снижение коэффициента инфильтрации составило 0,092 единицы, у каменноугольного 0,08 единиц, у компаундного 0,058 единиц.

 

 

 

 

Как показано нами ранее (рис.     ) все изученные нами характеристики пеков ………   связаны с количеством легколетучих фракций в них, а следовательно должна наблюдаться корреляция и между различными физико-химическими свойствами самих пеков. Как показали расчеты, представленые в таблицах …..  действительно наблюдается тесная взаимосвязь между ….убылью ….. Коэффициены корреляции для изученных нмами пеков превышают 0,8, что подтверждает взаимосвязь  вязкости, температуры каплепадения и инфильтрационной способности пеков как между собой, так и с количеством легколетучих компонентов в них.

 

4 Технико-экономическое обоснование исследования

 

Настоящая дипломная работа проводилась с целью исследования физико-химических свойств пека.

При изготовлении анодной массы в качестве связующего вещества обычно применяют каменноугольный пек. Однако из-за роста алюминиевой промышленности на рынке его становится все меньше, пек дорожает, а потребности в нем растут, возникает дефицит, поэтому каменноугольному пеку активно ищется  альтернатива. Такой альтернативой служит нефтяной пек. Он менее эффективен с точки зрения своего связывающего эффекта, но в то же время, основное его достоинство - меньше содержание полиароматических углеводородов, чем в каменноугольных. Это более экологично и позволяет сократить  выбросы вредных веществ, что влечет за собой уменьшение платы предприятия за негативное воздействие на окружающую среду.

Рыночная стоимость нефтяного пека примерно в 1.5 раза меньше, чем каменноугольного, что несомненно способствует снижению цены готовой продукции.  Как уже сказано выше, немаловажным фактором при расчете экономической эффективности от замены части  каменноугольного пека   на нефтяной    является снижение выброса полиароматических углеводородов.  

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют об улучшении экологического аспекта, а так же о снижении себестоимости анодной массы.

Наряду с этим при расчете экономического эффекта необходимо учесть возможное снижение качества как самого анода, так и готового алюминия, например за счет повышенного перехода примесей в алюминий из нефтяного пека.

В целом с учетом недостаточных данных о качестве и стоимости как анодов так и готового алюминия , оценить экономическую эффективность не представляется возможным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Охрана труда и окружающей среды, канцерогенная активность пеков

 

При выполнении исследовательской дипломной работы приходится сталкиваться с рядом опасных и вредных факторов, которые требуют соблюдения техники безопасности и охраны труда. К опасным и вредным факторам относятся движущиеся механизмы, отлетающие частицы обрабатываемого материала и инструмента, электрический ток и повышенная температура поверхностей оборудования и обрабатываемых материалов и т.д. Все это может привести к травме человека и лишить его трудоспособности на долгое время.

Одной из целей исследования является предотвратить возможные неблагоприятные последствия его работы.

Невозможно разработать абсолютно безопасный процесс или технику, но нужно стараться свести все вредные и опасные факторы к нулю.

 

5.1 Анализ условий проведения эксперимента в отношении возможных опасных и вредных факторов

 

Данная исследовательская работа проводилась в лаборатории кафедры ”Композиционные материалы”. Целью настоящей научно-исследовательской работы является исследование инфильтрационной способности кокса связующим материалом пеком. Основными материалами, которые использовались для проведения эксперимента, являлись подовая масса, кокс, пек. Подовую массу, кокс и пек использовали уже готовые, в виде средне и мелкодисперсного порошка. При проведении экспериментов образцы находятся в печи сопротивления при температурах t=20-350 0С.

Перечень опасных и вредных факторов приведен в таблице 5.1

 

Таблица 5.1 - Опасные и вредные факторы при проведении исследования

Операция технологического процесса	Наименование оборудования	Опасные факторы		Вредные факторы
		Эл.ток	Нагретые тела	Тепловое излучение	Пыль порошков	Шум
Измельчение пека	Ступа	-	-	-	+	-
Взвешивание порошков (кокс, пек), подовой массы	Технические весы	-	-	-	+	-
Нагрев навесок (пека, кокса)	Печь конвекции	+	+	+	-	-
Фотографирование хода эксперимента	Фотоаппарат	+	-	-	-	-
Работа оборудования, находящегося в лаборатории	Вентиляция	+	-	-	-	+

 

5.2 Физико-химическая и токсикологическая характеристика применяемых и образующихся веществ и материалов

 

Все вещества применялись в готовом виде, поэтому с токсикологической точки зрения опасности они не представляют.

При работе с порошками выделяется пыль. Для предотвращения загрязнения воздуха пылью порошков в лаборатории имеется искусственная  вытяжная вентиляция. Кроме того, обязательно использование халатов и резиновых перчаток.

Применяемое в процессе производства сырье и материалы в ряде случаев могут оказать негативное влияние на человека и окружающую природу. Целесообразно рассмотреть токсикологическую оценку основных видов сырья и отходов, выделяющихся при электролизе.

По данным Всемирной организации здравоохранения, заболеваемость населения раком на 70-80 % зависит от действия факторов внешней среды, химических канцерогенных веществ, в том числе - полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).

Главными источниками загрязнения окружающей среды канцерогенными веществами являются дымы различных отопительных систем, тепло- электростанций, выбросы пеко-коксовых заводов, графитовых, асбестовых, сажевых производств; нефтеперерабатывающих, коксохимических, металлургически, алюминиевых заводов; автомобильных  и авиационных двигателей. Факторы повышенного выделения вредных выбросов связаны с переработкой или получением в технологических процессах высокомолекулярных продуктов пиролиза топлива (угля, нефти).

ГОСТом 12.1.005-88 к первому классу опасности отнесены смолистые возгоны каменноугольных смол и пеков. Предельно допустимые концентрации для при содержании в них бензапирена (БП) менее 0,075, принята 0,2 мг/м3, при содержании бензапирена в интервалах 0,075-0,15 и 0,15-0,3 % соответственно 0,1 и 0,05 мг/м3. Для БП - общепринятого индикатора канцерогенности  ПДК- 0,0015 мкг/м3.

В условиях производства электродной продукции происходит контакт работающих с различными ПАУ, содержащими бензапирена, и углеродистой пылью поэтому его канцерогенное действие может быть неоднократно усилено. Канцерогенная активность каменноугольной смолы соответствует действию трехкратной дозы, определяемого в смоле, бензапирена.

В воздухе производственных помещений, производящих и перерабатывающих каменноугольную смолу и пек, содержание вредных веществ значительно превышает ПДК. В продуктах электродного производства бензапирен обнаружен в количестве: пек - 14,1 г/кг; заготовки: холодного прессования - 1,3 г/кг, горячего прессования - 1,6 г/кг; после обжига - 0,003 г/кг, после графитации - 0,002 г/кг [68].

Технологический процесс производства электродной продукции предусматривает переработку среднетемпературного каменноугольного пека при температурах: подготовка и хранение пека - до 180°С, смешивание электродных масс - 125 - 140°С, прессование остывшей до 85-105 °С массы - при температуре калибра мундштука 140-165 °С. При обжиге изделий температура в теле заготовки достигает 850-900 °С.

Несовершенство и изношенность оборудования цехов электродных заводов способствуют увеличению содержания вредных выбросов. Одним путей снижения вредных выбросов может быть усовершенствование и полная герметизация оборудования. Другой путь - устранение самого источника загрязнения - каменноугольного пека.

В России при изготовлении углеграфитовых изделий применяется только среднетемпературный каменноугольный пек (марки А и Б) ГОСТ 10200-83 и до настоящего времени он в большей мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к связующему. Использование некоторых технологических приемов на стадии получения каменноугольного пека может изменить его канцерогенность.

Не смотря на то, что технологические приемы снижения канцерогенности каменноугольного пека известны, промышленного использования они не нашли. Канцерогенность каменноугольных пеков остается высокой, следовательно, высока и онкоопасность, использующих его производств. Поэтому остается актуальной задача поиска заменителей каменноугольного пека, характеризующихся меньшей канцерогенностью или полным ее отсутствием. Оптимальным вариантом снижения онкоопасности электродного производства, по мнению многих исследователей, может быть замена каменноугольного пека - связующего на пек нефтяной природы.

Нефтяной пек является продуктом высокотемпературной переработки углеводородов, и также как и каменноугольный, содержит в своем составе ПАУ, однако концентрации вредных веществ в воздухе нефтеперерабатывающих предприятиях не превышают предельно допустимые.

Сравнительная оценка канцерогенных свойств каменноугольных и нефтяных пеков, показывает значительно меньшую канцерогенную активность нефтяных пеков. Установлено, что нефтяной пиролизный пек на 99,4 % состоит из смолистых веществ, это приблизительно на 11 и 23 % больше, чем для среднетемпературного (СТП) и повышенной температуры размягчения (ППТР) каменноугольных пеков соответственно. Эксперименты на белых мышах показали, что злокачественные новообразования кожи составили при использовании: каменноугольного пека 87-96 %; нефтяного пека -63 %.

В пользу замены каменноугольного пека - связующего на пек нефтяной природы свидетельствуют данные по выделению из него смолистых веществ в процессе термообработки. В отходящих газах при разгонке пеков до температуры 180°С выделение смолистых веществ и бензапиренов составило соответственно: из нефтяного пека — 173,0 мг/м3 и 0,95 мкг/м3; из пеков каменноугольных: СТП - 1649,0 мг/м3 и 28,3 мкг/м3; ППТР- 5538,0 мг/м3 и 250 мкг/м3[57].

Анодная масса, приготовленная на нефтяных пеках, при обжиге выделяет бензопирен в десятки раз меньше, чем рядовая. Доказано, что применение нефтяного связующего позволило снизить содержание бензапирена в цехах электролиза более чем в 60 раз.