Научные представления о формирования структуры и свойств кокса и технического углерода

17. Научные представления о формирования структуры и свойств кокса и технического углерода. Состав и физико-химические свойства технического углерода и других углеродных материалов.

Использование технических видов углерода в качестве наполнителей (нефтяные коксы) и усилителей резины (технический углерод, сажа) базируется на поверхностных явлениях, происходящих на разделе фаз. Эти явления зависят от состояния и энергии поверхности твердых веществ и от молекулярной структуры и устойчивости жидких фаз, а также сырья, условий их производства и адсорбции при применении.

Технический углерод. Представляет собой черный мелкодисперсный углеродный материал. Производят термодеструктивными и окислительным методами. Технический углерод содержит углерода - 94,8 – 99,7, водорода 0,2 – 0,9 и серы 0,00 – 0,15 %. Соотношение Н : С для технического углерода составляет 0,02 – 0,07.

Нефтяные коксы (углерод нефтяного происхождения) по внешнему виду представляет пористую твердую неплавкую и нерстворимую массу от темно-серого до черного цвета. Состоит из высококонденсированных вывсокоароматизированных полициклических углеводородов с небольшим содержанием водорода, а также других органических соединений.

Пространственное расположение углерода упорядочено во фрагментах графита, плоскостное расположение атомов углерода, причем расстояние между атомами углерода в плоскости в несколько раз меньше, чем между плоскостями. Степень упорядоченности зависит от сырья и технологии его подготовки. Так, прямогонные тяжелые нефтяные остатки дают малоупорядоченную структуру, а дистиллятные крекинг-остатки – высокоупорядоченную. Степень упорядочения влияет на способность графитации нефтяных коксов и свойства полученного графита.

По способу получения нефтяные коксы можно разделить на коксы, получаемые замедленным коксованием и коксованием в обогреваемых кубах.

Применяют коксы для производства углеродных конструкционных материалов, графитированной продукции, алюминия, абразивов и др. Полученный кокс сортируют на куски по размерам: > 25, 25 – 6 и 6 – 0 мм. Особо крупные куски (> 25 мм) подвергают дроблению.  Коксы характеризуются содержание влаги, летучих веществ, золы и серы.   Кокс содержит углерода - 91,7 – 97,5, водорода 0,3 – 3,9 и серы 0,6 –1,2 %. Соотношение Н : С для кокса составляет 0,2 – 0,6.

При производстве кокса и технического углерода под действием высокой температуры углеводородное сырье образует дисперсные частицы определенной структуры.

Рекомендуемые материалы

Исследования механизма и кинетика процессов термодеструкции углеводород­ного сырья, протекающих в жидкой фазе и сопровождающихся получением промежуточных термодинамически неустойчивых форм нефтяного углерода (нефтяные коксы, волокна и др.) по­зволили сделать следующие   выводы.   Парафиновые   углеводороды нормального строения весьма склонны к ассоциации, однако в ус­ловиях термодеструкции они не могут вступать в межмолекуляр­ные взаимодействия из-за высоких температур, которые приводят к повышенной скорости их распада. Продукты распада парафино­вых углеводородов играют весьма активную роль в кинетике аг­регирования высокомолекулярных конденсированных ароматиче­ских углеводородов, молекулярная масса которых в условиях тер­модеструкции, в отличие от парафиновых углеводородов, непре­рывно возрастает и которые в связи с этим все более склонны к межмолекулярным взаимодействиям. Прочность продукта межмо­лекулярного взаимодействия (ассоциата) определяется балансом; сил между процессами агрегирования и растворения.

Возникшие ассоциаты продолжают расти до размеров, опреде­ляемых физико-химическими свойствами дисперсионной среды и дисперсной фазы, и затем коагулируют. Важное значение имеет геометрия молекул, составляющих дисперсную фазу (ассоциаты), Наиболее упорядоченная укладка в ассоциате будет в том случае, если молекулы полициклических ароматических углеводородов упо­рядочены в двумерной плоскости. В случае пространственной конфигурации молекул ароматических углеводородов будут форми­роваться рыхлые бессистемные коагуляты. Образующиеся за счет сил межмолекулярного взаимодействия ассоциаты на более позд­них стадиях подвергаются химическим превращениям. Появление при этом сшивок между молекулами в кристаллите в дальнейшем сильно затрудняет их растворение, а на более глубоких стадиях делает его невозможным.

Таким образом, подбором сырья термодеструкции, состава сре­ды, в которой будут проходить процессы агрегирования и роста ассоциатов, условий ведения процесса можно управлять кинети­кой термодеструкции нефтяных остатков, размерами и структурой ассоцнатов и соответственно физико-химическими свойствами ко­нечных продуктов.

Останавливая процесс на любой стадии, можно получить продукты различной стадии ассоциации и агрегативной устойчиво­сти. На ранних стадиях термодеструкции образуются в основном, продукты внутримолекулярного взаимодействия (ассоциаты), ко­торые способны при низких температурах к физическому агрегированию, тем в большей степени, чем меньше растворяющая сила дисперсионной среды. Эти ассоциаты растворимы во многих растворителях. Повышая долю процессов уплотнения, можно ин­тенсифицировать рост единичных размеров молекул и создать бо­лее эффективные условия для межмолекулярного взаимодействия и начала химического агрегирования, завершающегося получением продукта, сильно склонного к явлениям ассоциации, особенно при низких температурах. При глубоких стадиях, когда в условиях высоких температур про­исходит преимущественно межмолекулярное взаимодействие с образованием химических связей в ассоциатах,  формируется    нефтяной углерод, нерастворимый ни в чем.  

Исследования показали, что в результате термообработки нефтяных пеков при температурах выше некоторой кри­тической в однофазной массе появляются анизотропные мик­росферы мезофазы размером 0,1—20 мкм. Сферическая форма вызвана действием сил поверхностного натяжения. Эти микросфе­ры обладают способностью к изменению своих размеров.

Нефтяные продукты при коксовании и производстве сажи могут находиться в изотропной и анизотропной фазах, которые характеризуются разными физико-химическими свойства­ми. Обычно плотность анизотропной фазы (мезофазы) — 1350 — 1400 кг/м³— всегда выше плотности изотропной фазы—1250— 1320 кг/м³. Различие в свойствах анизотропной и изотропной фаз обусловливает их неодинаковую способность к расслоению и в дальнейшем к формированию из анизотропной фазы нефтяного уг­лерода. Чем легче проходят процессы зарождения, роста, сращи­вания и видоизменения микросфер, тем выше волокнистость и графитируемость получаемых углеродов.

Коксы. В за­висимости от изменения молекулярной массы выделенных из сырья асфальтенов, смол и масел различают три этапа коксования. На первом этапе протекают преимущественно реакции распада угле­водородов коксуемого сырья с образованием главным образом жидких дистиллятных фракций, Газообразование при этом незначи­тельно. В газе постепенно возрастает количество водорода, метана и непредельных углеводородов. К концу этого этапа содержание непредельных углеводородов в газе достигает максимума; молеку­лярная  масса   масел,  смол  и  асфальтенов  постепенно  снижается.

При нагревании нефтяных остатков скорости реакции распада и конденса­ции изменяются  неодинаково. Для  образования коротко-  и долгоживущих радикалов энергия разрыва связей должна быть в большинстве случаев намного больше или равна энергии активации. Энергия активации при деструк­ции меньше, чем энергия разрыва связей, вследствие образования промежуточ­ных продуктов (газы, бензин, промежуточные фракции). В этих продуктах но­вые связи начинают образовываться одновременно с разрывом старых. Энергия активации крекинга равна разности между энергией разрыва связей молекул исходного сырья и энергией, затрачиваемой на образование новых связей в промежуточных продуктах. Таким образом, энергия активации крекинга есть функция глубины крекинга; при его протекании лучше осуществляется первый этап (распад), требующий меньшей энергии активации, чем полный крекинг молекул исходного вещества.

Средняя энергия актива­ции термического разложения нефтяных остатков составляет 231 кДж/моль. При увеличении молекулярной массы индивидуаль­ных ароматических углеводородов энергия активации их распада уменьшается до определенного предела.

Энергия активации коксования в ряду: масла → смолы → асфальтены снижается в следующем порядке: 210 000 →135 240 → 108 360 кДж/моль. Снижение энергии активации распада с повышением молекулярной массы, низкое ее значение в начальной стадии и высокое к концу процесса показывает, что в первую очередь при этом отщеп­ляются атомные группировки со слабыми связями.

С повышением температуры крекинга скорость образования короткоживущих радикалов растет быстрее, чем скорость образова­ния долгоживущих радикалов, для образования которых требуется меньше энергии активации. В результате с повышением темпера­туры скорость реакции распада сырья крекинга должна быть выше скорости реакции конденсации. Экспериментально подтверж­дено, что энергия активации распада (231 кДж/моль) выше, чем энергия активации реакции конденсации  (197 кДж/моль).

Между реакциями распада компонентов сырья и уплотнения проходит некоторое время; поэтому, регулируя процесс, можно по­лучить значительное количество жидких и газообразных продуктов без существенного образования карбоидов.

На втором этапе термодеструкции интенсивно протекают процессы конденсации высокомолекулярных углеводородов, вызывающие увеличение молекулярной массы со­ставляющих нефтяного остатка. В газе количество водорода и метана увеличивается, но концентрация непредельных углеводородов снижается, что также указывает на возрастание роли реакций кон­денсации.

Доля мезофазы в остатке зависит от температуры и длительности термодеструкции. С повышением двумерной упорядоченности сырья (дистиллятный крекинг-остаток),  температуры   (до определенного предела)   и длительности термодеструкции доля мезофазы растет и стремится к единице.

В случае пространственной конфигурации молекул (гудрон) доля мезофазы при тех же условиях меньше; она несколько по­вышается с увеличением давления (до 0,5 МПа) в системе. Значе­ния пороговой концентрации асфальтенов, после достижения кото­рой начинается интенсивное образование карбоидов, для остатков различного происхождения неодинаковы. При более высоких тем­пературах пороговая концентрация асфальтенов достигается в слу­чае меньшей длительности нагрева остатков в системе.

Подвижность ассоциатов в процессе термодеструкции в значи­тельной мере зависит от свойств дисперсионной среды. Для форми­рования из микросфер крупных сфер мезофазы необходимо сокра­тить влияние диффузионных факторов, обеспечить подвод к микро­сферам полициклических ароматических структур и создать одно­временно возможность слияния этих микросфер в более крупные. При этом дистиллятные крекинг - остатки остаются пластичными более длительное время, чем кре­кинг - остатки остаточного происхождения.

Таким образом, второй этап термодеструкции  яв­ляется ответственным с точки зрения формирования мезофазы.

На третьем этапе происходят дальнейшие процессы уплотнения и конденсации, заканчивающиеся образованием продуктов глубокого уплотнения всего остатка коксового пирога. Об интенсив­ном протекании на этом этапе процессов уплотнения свидетельству­ют  снижение  выделения  дистиллята  и  бурное  образование газа.

При разработке кинетической модели термодеструкции остатков приняты представления об образовании надмолекулярных структур в жидких про­дуктах деструкции и об изменении по мере непрерывного превращения группо­вых компонентов устойчивости и механической прочности системы.

В процессе коксования происходят фазовые переходы в реакторе. В первый период коксования до пороговой концентрации асфальтены накапливаются в остатке, затем они выпадают во вто­рую фазу. Момент выпадения асфальтенов и начало образования коксового массива четко прослеживаются на кривых изменения выходов и качества дистиллята. Чем меньше агрегативная устой­чивость системы (чем больше асфальтенов и парафинов), тем ско­рее достигается пороговая концентрация асфальтенов и выпаде­ние их во вторую фазу. Затем наступает при постоянной подаче сырья в реактор период непрерывного выделения асфальтенов, кон­центрация которых превышает порог осаждения. Результаты ана­лиза кокса по высоте реактора показали его неодинаковое качест­во. Большее время, затрачиваемое на удаление кокса из средней части камеры, согласуется с высокой механической его прочностью в этой зоне. При удалении кокса из нижней и верхней зоны фор­мируется мелочь (фракции ниже 25 мм), что снижает качестве электродного кокса.

На основании полученных результатов механизм замедленного коксования в необогреваемых ка­мерах при непрерывной подаче сырья в реактор можно представить в следующем виде.

В начальный момент при загрузке реактора горячим сырьем стенки камеры разогреваются. Происходит усиленное выделение паров и на дне реактора накапливается жидкая масса — тяжелая часть загрузки. При незначительном уровне жидкости в реакторе дистиллят, проходящий через верх реактора, представляет собой в основном малоизмененные фракции исходного сырья. В этом случае процесс испарения преобладает над процессом разложения, что и приводит к  высоким  значениям  плотности  и  вязкости дистиллята, его коксуемости и содержания в нем серы. Выход продук­тов разложения в этот период относительно мал.

В дальнейшем, по мере накопления в реакторе жидкой части загружаемого продукта, подаваемый свежий продукт проходит че­рез слой жидкости и в жидкой фазе начинают интенсифицировать­ся деструктивные процессы. В результате плотность и вязкость дистиллята уменьшаются. Одновременно возрастают плотность и вязкость остатка в жидкой фазе вследствие увеличения доли про­дуктов, склонных к структурированию, прежде всего асфальто-смолистых веществ.

В начальный момент деструкции в реакторе образуются две фазы: паровая и жидкая, разделенные прочным поверхностным слоем, который обладает специфическими свойствами. Эти свойства определяются структурой и концентрацией поверхностно-активных веществ и тем­пературой системы. Регулируя указанные параметры, удается из­менять структурно-механическую прочность поверхностного слоя и влиять на технологию процесса коксования. Обычно газы и пары (продукты деструкции), прорывающиеся через этот слой, вызыва­ют ценообразование. Если в жидкой части загрузки реактора обра­зуется пена достаточно прочная, то при бурном испарении или вы­делении газов в случае резкого изменения рабочих условий коксо­вания (например, давления) может произойти выброс большого количества жидкой части загрузки из реактора в колонну.

По мере достижения пороговой концентрации асфальтенов про­исходит их расслоение и они выделяются в отдельную фазу в виде ассоциатов. Структура ассоциатов, формируемая за счет сил меж­молекулярного взаимодействия, в дальнейшем определяет структу­ру твердого вещества. На этой стадии система переходит в пла­стическое состояние.

 На образование и степень упорядоченности ассоциатов влияют природа сырья и гидродинамические условия в реак­торе. После выделения асфальто-смолистых веществ в отдельную фазу ассоциаты начинают быстро взаимодействовать друг с дру­гом, что сопровождается образованием твердой фазы и сильным выделением газов. Ассоциаты сращиваются друг с другом по ме­сту свободных валентностей в сложных радикалах; в дальнейшем разрозненные ассоциаты химически сшиваются таким образом в прочную сплошную массу. Выделяющиеся газы встречают при вы­ходе тем большее сопротивление, чем выше вязкость пластической массы. В соответствии с этим в слое развивается давление; оно и является той силой, которая вызывает вспенивание, а иногда и выбросы продукта.

Учитывая сказанное, следует ожидать максимально возможно­го вспенивания или выброса в момент образования коксового пи­рога (массива) и залпового; выделения газов. Действительно, на­пример, при коксовании крекинг - остатка наибольшее число выбро­сов наблюдается через 2,5 ч после начала процесса, а при работе на полугудроне — через 8—9 ч  (при 490 °С), т. е. в моменты образования первоначального коксового массива и значительного вы­деления газов. Подача в этот момент поверхностно-активных ве­ществ в реактор (например, силиконов) позволяет сильно ослабить поверхностную прочность слоя и снизить давление, развиваемое под слоем, а также устранить возможность выброса продукта из реактора в колонну.

После образования на начальной стадии коксового массива ос­новные показатели процесса стабилизируются.

Очевидно, стабилизация основных физико-химических свойств дистиллята через определенное время после начала коксования свидетельствует о переходе процесса из первой стадии во вторую, представляющую собой непрерывное коксование. Вторая стадия отличается от предыдущей тем, что в ней одновременно, с относительно большими скоростя­ми, протекают процессы распада, конденсации и уплотнения угле­водородов коксуемого сырья. Эти процессы сопровождаются непре­рывным наращиванием коксового слоя (выше которого располо­жен слой вспученной массы коксующегося остатка) и равномерным выделением из реактора паров коксового дистиллята и газа. К на­чалу второй стадии устанавливается равновесие в тепловом режи­ме процесса и в соотношении отдельных составляющих коксую­щейся массы. После отключения камеры от потока сырья (третья стадия) непрерывность процесса нарушается. В это время тепло в реактор не поступает, коксование затормаживается.

На практике на разных стадиях образуются разные слои кокса: нижний — на начальной стадии коксования (периодический про­цесс); средний — на второй стадии (непрерывный процесс) и верх­ний —  после отключения камеры от потока сырья (также периоди­ческий процесс). Разнородность в свойствах кокса по высоте реак­ционной камеры можно значительно устранить, вводя в камеру дополнительное количество тепла извне (например, введением го­рячих газов, перегретого пара, горячего потока  нефтепродуктов).

На неоднородность качества кокса влияет и переменный тепло­вой эффект процесса в течение цикла коксования. Специальные исследования показали, что суммарный тепловой эффект реакции испарения, коксования и тепловых потерь по высоте не постоянен. Так, при работе на крекинг-остатке ромашкинской нефти он колеб­лется от 294 до 210 кДж/кг сырья. Большие значения тепло­вого эффекта наблюдаются в начале коксования (момент, когда происходит интенсивное испарение фракций сырья и повышенное образование газа и бензина). Затем, по мере установления посто­янства выхода этих продуктов и увеличения доли процесса кон­денсации составляющих остатка, тепловые затраты снижаются до минимального значения.

В процессе коксования при 450 и 475 °С гудрона ромашкинской нефти   общий  расход тепла  на процесс испарения и деструкции составил 300—320 кДж/кг сырья. Из них около 1/3 тепла было израсходовано на испарение, а осталь­ное количество (189—210 кДж/кг) — на реакцию.

Вполне понятно, что тепловой эффект существенно зависит от качества сырья, от его состава. Чем больше ароматизировано сырье, тем больше в нем элементов образующих кокс и чем благо­приятнее условия для получения выхода кокса, тем выше доля экзотермических реакций.

При коксовании высокопарафинистого мангышлакского гудро­на перепад температур между низом и верхом камеры равен 60°С, т. е. он в два раза больше, чем при коксовании крекинг- остатка парафинистых битковских нефтей. При низкой температуре верха реактора (420— 425 ^оС) получается кокс пониженного качества (высокий выход ле­тучих и низкая механическая прочность). При работе на сырье первичного и вторичного происхождения (крекинг-остаток) тепло­вые эффекты сильно различаются, так же, как и перепад темпера­тур в реакторе. В некоторых пределах это позволяет регулировать качество кокса, получаемого в реакторе.

Неравномерность процесса коксообразования сказывается на послойном отложении кокса, качестве дистиллятов и газов, покидающих камеру, а также на качестве керосино-газойлевой фракции (КГФ), выводимой с установки.

На характер изменения свойств КГФ на первом и третьем эта­пе коксования оказывает влияние также подключение на поток и отключение с потока соседних камер. Это обстоятельство надо учитывать при подаче депрессора на поток при полу­чении профилактических средств специального назначения.

Описанные этапы формирования коксового массива, их длительность, физико-химические свойства кокса, степень его неоднородности сильно зависят от параметров процесса коксования, прежде всего от температуры.

При низкой температуре коксования из-за повышенной прочности пластической массы и меньшей скорости выделения газов и паров в коксующейся массе образуются крупные пузыри.

После затвердевания такой системы по­лучается кокс крупнопористой структуры. При  этом   некоторое количество летучих (не прококсовавшаяся часть загрузки) остается в пластической массе в процессе ее затвердевания, в результате чего в готовом коксе возрастает содержание летучих. При повыше­нии температуры коксования основные процессы распада молекул протекают, очевидно, до наступления пластического состояния, когда образующиеся пары и газы легко разрывают поверхностный слой. Поэтому количество пузырьков в момент затвердевания меньше, чем при низкой температуре, в результате чего кокс полу­чается менее пористым и с меньшим выходом летучих.

Когда концентрация ассоциатов и расстояние между ними до­стигают определенной величины, они под действием сил межмоле­кулярного взаимодействия сращиваются. Чем ниже температура процесса, тем толще сольватный слой между ассоциатами, тем труднее они сращиваются и тем больше времени требуется для процесса коксования. От числа и природы связей, возникающих между ассоциатами и внутри них, зависят свойства получаемого кокса. По мере повышения температуры коксования возрастает доля химических связей вследствие уменьшения числа нежестких ван-дер-ваальсовых и водородных связей. Поскольку энергия взаимодействия последних на один — два порядка ниже, чем у химических связей, структура кокса упрочняется.

Умеренные температуры коксования (500—505°С) в «толстом слое» (по всей пластической массе) способствуют слипанию ассо­циатов в сплошную прочную массу. При температурах выше 505 °С толщина адсорбционного слоя мала, вследствие чего связывающего материала недостаточно для сшивания ассоциатов в сплошную массу, и коксование может завершиться на поверхности разрознен­ных частиц   (автономное  коксование).  По  мере подачи сырья на этих частицах нарастает коксовый слой, в результате чего куски кокса получаются различной, преимущественно округлой формы. Например, в случае замедленного коксования крекинг-остатка (ρ = 1,020) при температуре около 505 °С в реакторе получается смесь разрозненных коксовых шаров различных размеров.

При температурах, намного превышающих 505 °С, процессы распада и конденсации составляющих жидких остатков значитель­но ускоряются, коксование происходит на поверхности коксовых частиц без их слипания в течение относительно малого времени. Это обстоятельство является наиболее важным фактором, позво­ляющим сравнительно просто оформлять технологические схемы непрерывного коксования на гранулированном и порошкообраз­ном теплоносителях.

При непрерывном коксовании нефтяных остатков (в тонком слое) вследствие расхода тепла не только на проведение реакции и компенсацию тепловых потерь, но и на нагрев сырья с 380—410 до 510—520 °С удельный расход тепла значительно больше, чем при замедленном коксовании в необогреваемых камерах, и составляет 672—838 кДж/кг сырьевой загрузки реактора. В связи с этим в систему необходимо подавать значительное количество тепла из­вне. Установлено, что устойчивый ход процесса обеспечивается при массовом соотношении теплоносителя и сырья 7—8 : 1 в случае по­рошкообразного теплоносителя и 12—14: 1 в случае гранулирован­ного. При одних и тех же температурах время, требуемое для за­вершения коксования в тонком слое, значительно меньше, чем при коксовании в необогреваемых камерах.

Рассмотренный механизм коксования показывает, что на про­цесс влияют различные факторы: химический состав сырья; склон­ность к межмолекулярным взаимодействиям, температура входа вторичного сырья в реактор; длительность пребывания продуктов в реакторе, давление в зоне реакции; коэффициент рециркуляции и др.

Технический углерод – сажа – является особой высокодисперсной формой углерода, получаемого при более высокотемпературном, по сравнению с коксованием и пиролизом, термолизе углеводородного сырья (1200 – 2000^оС). Она имеет черный цвет. Размеры сажевых частиц лежат в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч Å, то есть в пределах размеров коллоидных частиц.

Основными элементами технического углерода являются углерод (90 – 99%), водород (0,3 – 0,5 %) и кислород (0,1 – 7,0 %), содержание, элементов колеблется в зависимости от состава сырья и технологии производства. В саже может содержаться до 1,5 % серы и до 0,5 % золы. Из частиц сажи формируются агрегаты (плотные образования множества частиц) и агломераты (рыхлые цепные образования разветвленной структуры). Линейные размеры агломератов сажи могут достигать нескольких микрон (обычно 0,2 0 0,8 мкм). По строению агломератов и плотности упаковки в них частиц судят о структурности сажи. В производственных условиях ее оценивают по маслоемкости – масляному числу (чем оно больше, тем выше структурность, больше размеры и рыхлость агломератов сажи). Содержание кристалли­ческой фазы в саже составляет 50—70%.

"Композиция Евгения Онегина" - тут тоже много полезного для Вас.

Получают сажу печным, канальным (или диффузионным) и термическим методами. Наиболее распространен печной способ (более 90%), осуществляемый в реакторах за 0,01-0,07 с. Сажа образуется в результате процессов испарения и горения, газифи­кации и термического разложения нефтяного сырья с последую­щим взаимодействием частиц сажи с газообразными продуктами реакций. Канальный способ заключается в осаждении сажи из диффузионного пламени на холодную поверхность. Термическим разложением сырья без доступа воздуха получают термическую и ацетиленовую сажи.

Формирование сажевых частиц состоит из этапа возникновения заро­дышей и их роста. Предполагают, что первичные зародыши сажевых частиц формируются в результате сложных процессов возник­новения из молекул свободных радикалов и взаимодействия их по цепной разветвленной реакции.

Процесс сажеобразования происходит на надмолекулярном уровне. Основные эта­пы процесса сажеобразования:  формирование сложных структурных единиц в жидкой фазе;  предварительный  нагрев и распыливание жидкого сырья в реакторе; взаимодействие ССЕ с горячими газами; переход ССЕ в кристаллиты и их рост, гетерогенное взаи­модействие  кристаллитов  с  реакционноспособными  газами,  внут­ренняя перестройка  структуры  кристаллитов при высоких темпе­ратурах  и  формирование  при  соударении  сажевых  кристаллитов пространственных структур.  На  каждый из этих этапов большое влияние оказывает молекулярная структура сырья, состав и соот­ношение компонентов газовой среды и технологические условия процесса,  регулируя которые можно управлять процессом  сажеобразования.

На возникновение и рост зародышей сажи значительное влия­ние оказывает температура и среда, в которой формируются жид­кие частицы. При высоких температурах возникает большое ко­личество зародышей, рост которых контролируется подачей углево­дородного сырья. Одновременно интенсифицируются процессы взаимодействия сажевых частиц с реакционноспособными газами, приводящие к образованию более дисперсных сажевых частиц. До­бавление в зону реакции ингибиторов (пропилена, оксида азота) или инициаторов (оксида этилена) влияет на кинетику образова­ния сажи, что подтверждает радикально-цепной механизм про­цесса.

Сырьем для производства сажи являются в основном жидкие нефтепродукты, а также природные и попутные газы. Жидкое нефтяное сырье должно быть высокоароматизированным и выки­пать в довольно узких пределах (термические и каталитические газойли, экстракты, зеленое и антраценовое масла, пековый ди­стиллят и др.). Введением в сырье небольших количеств приса­док (щелочных и щелочноземельных металлов, их солей и оксидов, элементоорганических соединений и др.) можно существенно интенсифицировать процесс и модифицировать свойства сажи. Са­жа имеет высокую реакционную способность и сразу же по выхо­де из реактора окисляется.

Основные показатели качества сажи — размер частиц (дисперс­ность, размеры и форма сажевых агрегатов), структурность, удельная поверхность, адсорбционная способность, содержание летучих, серы, посторонних включений, зольность и рН водной суспензии. Для некоторых марок оценивают показатели тепло- и электрофизических свойств, содержание частиц кокса. Свойства сажи определяются прежде всего составом сырья и способом про­изводства. Так, при возрастании числа ароматических колец и содержания углерода в циклических структурах сырья увеличивается выход и улучшается качество сажи. Ее дисперсность зависит от температуры процесса, с ее повышением выход сажи уменьшает­ся. Значительное влияние на технические свойства наполненных систем оказывает содержание серы.