From Chemistry Towards Technology Step-By-Step From Chemistry Towards Technology Step-By-Step От химии к технологии шаг за шагом 2782-1900 91998 10.52957/2782-1900-2024-5-4-35-42 Научные статьи Scientific articles Научные статьи Issledovanie vliyaniya termoobrabotki srednetemperaturnogo elektrodnogo peka na vyhod karbonizata Исследование влияния термообработки среднетемпературного электродного пека на выход карбонизата Ковалев Родион Юрьевич Kovalev Rodion Yuryevich kovaleviuhm@yandex.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН Россия The Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences Russian Federation 23 12 2024 23 12 2024 5 4 35 42 05 09 2024 23 09 2024 https://chemintech.ru/en/nauka/article/91998/view

Каменноугольный пек – остаток разгонки каменноугольной смолы, который имеет широкое применение в качестве связующего в производстве электродов и анодной массы. Научный и прикладной интерес представляет получение пековых карбонизатов и разработка методик для повышения значения его выхода. В данной работе проведены эксперименты по термообработке в окислительной среде среднетемпературного электродного пека категории БcTр = 71,5 °C (АО «Алтай-Кокс»). Процесс термообработки пека происходил в реакторе объемом 5,6 л, который нагревался с помощью встроенной электронагревательной системы. Для усиления роста Tр во время термообработки продукты из газовой фазы откачивались насосом из реактора в сборник, где конденсировались. Термообработка происходила при T > 400 °С с термоокислением пека, так и откачкой дистиллятов. Окислительная среда создавалась путем подачи воздуха компрессором к расплавленному пеку. Процесс подачи воздуха происходил при достижении температуры выдержки, которая задавалась терморегулятором. Определен выход продуктов термоокисления. Также определены температуры размягчения Tр и выходы летучих X для полученных продуктов. Получены пеки с Tр = 140 °C и 158 °С. Также данная термообработка существенно снижала выход летучих веществ в конечных продуктах. Термообработанные пеки карбонизировались при T = 650 °С и T = 850 °C, определены выходы карбонизата. Также карбонизация проходила при дополнительных выдержках при 450 °С и 650 °С. Установлено, что термообработка увеличивала выход карбонизата на 10%. Выдержки при 450 °С и 650 °С также количественно увеличивали выход карбонизата.

Каменноугольный пек – остаток разгонки каменноугольной смолы, который имеет широкое применение в качестве связующего в производстве электродов и анодной массы. Научный и прикладной интерес представляет получение пековых карбонизатов и разработка методик для повышения значения его выхода. В данной работе проведены эксперименты по термообработке в окислительной среде среднетемпературного электродного пека категории БcTр = 71,5 °C (АО «Алтай-Кокс»). Процесс термообработки пека происходил в реакторе объемом 5,6 л, который нагревался с помощью встроенной электронагревательной системы. Для усиления роста Tр во время термообработки продукты из газовой фазы откачивались насосом из реактора в сборник, где конденсировались. Термообработка происходила при T > 400 °С с термоокислением пека, так и откачкой дистиллятов. Окислительная среда создавалась путем подачи воздуха компрессором к расплавленному пеку. Процесс подачи воздуха происходил при достижении температуры выдержки, которая задавалась терморегулятором. Определен выход продуктов термоокисления. Также определены температуры размягчения Tр и выходы летучих X для полученных продуктов. Получены пеки с Tр = 140 °C и 158 °С. Также данная термообработка существенно снижала выход летучих веществ в конечных продуктах. Термообработанные пеки карбонизировались при T = 650 °С и T = 850 °C, определены выходы карбонизата. Также карбонизация проходила при дополнительных выдержках при 450 °С и 650 °С. Установлено, что термообработка увеличивала выход карбонизата на 10%. Выдержки при 450 °С и 650 °С также количественно увеличивали выход карбонизата.

 п-толуидин малеиновый ангидрид (2z)-4-(метиланилино)-4-оксобут-2-еновая кислота ИК- и ЯМР1Н-спектроскопия потенциометрическое титрование метрологические характеристики

Привалов В.Е., Степаненко М.А. Каменноугольный пек. Москва: Металлургия, 1981. 208 c. Privalov V.E., Stepanenko M.A. Kamennougol'nyy pek. Moskva: Metallurgiya, 1981. 208 c. Мочалов В.В., Пистрова П.Д., Зайдис Е.Г. Особенности низкотемпературной карбонизации пеков различной степени конденсированности // Кокс и химия. 1985. № 1. С. 31-35. Mochalov V.V., Pistrova P.D., Zaydis E.G. Osobennosti nizkotemperaturnoy karbonizacii pekov razlichnoy stepeni kondensirovannosti // Koks i himiya. 1985. № 1. S. 31-35. Montes-Moránab M.A., Crespoa J.L., Youngb R.J., Garcı́aa R., Moinelo S.R. Mesophase from a coal tar pitch: a Raman spectroscopy study // Fuel Processing Technology. 2002. V. 77–78. P. 207-212. URL: https://doi.org/10.1016/S0378-3820(02)00079-6 (дата обращения 06.08.2024). Montes-Moránab M.A., Crespoa J.L., Youngb R.J., Garcı́aa R., Moinelo S.R. Mesophase from a coal tar pitch: a Raman spectroscopy study // Fuel Processing Technology. 2002. V. 77–78. P. 207-212. URL: https://doi.org/10.1016/S0378-3820(02)00079-6 (data obrascheniya 06.08.2024). Lia L., Lina X., Zhanga Y., Daib J., Xua D., Wanga Y. Characteristics of the mesophase and needle coke derived from the blended coal tar and bio-mass tar pitch // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2020. V. 150. P. 104889. URL: https://doi.org/10.1016/j.jaap.2020.104889 (дата обращения 06.08.2024). Lia L., Lina X., Zhanga Y., Daib J., Xua D., Wanga Y. Characteristics of the mesophase and needle coke derived from the blended coal tar and bio-mass tar pitch // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2020. V. 150. P. 104889. URL: https://doi.org/10.1016/j.jaap.2020.104889 (data obrascheniya 06.08.2024). Cheng X., Zha Q., Li X., Yang X. Modified characteristics of mesophase pitch prepared from coal tar pitch by adding waste polystyrene // Fuel Processing Technology. 2008. V. 89, I. 12. P. 1436-1441. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2008.07.003 (дата обращения 16.08.2024). Cheng X., Zha Q., Li X., Yang X. Modified characteristics of mesophase pitch prepared from coal tar pitch by adding waste polystyrene // Fuel Processing Technology. 2008. V. 89, I. 12. P. 1436-1441. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2008.07.003 (data obrascheniya 16.08.2024). Cheng X.L., Zha Q.F., Zhong J.T., Yang X.J. Needle coke formation derived from co-carbonization of ethylene tar pitch and polystyrene. // Fuel. 2009. V. 88. P. 2188-2192. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2009.05.006 (дата обращения 16.08.2024). Cheng X.L., Zha Q.F., Zhong J.T., Yang X.J. Needle coke formation derived from co-carbonization of ethylene tar pitch and polystyrene. // Fuel. 2009. V. 88. P. 2188-2192. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2009.05.006 (data obrascheniya 16.08.2024). Svitilova J., Machovic V., Kolar F. 9,10-bis(chlormethyl)anthracene - Curing agent of coal tar pitch // Acta Geodyn. Geomater. 2006. Vol. 3, No. 2 (142). P. 57-62. Svitilova J., Machovic V., Kolar F. 9,10-bis(chlormethyl)anthracene - Curing agent of coal tar pitch // Acta Geodyn. Geomater. 2006. Vol. 3, No. 2 (142). P. 57-62. Xu H-t., Guo J-g., Li W-l, Li X-k. The effect of the molecular structure of naphthalene-based mesophase pitch on the properties of carbon fibers derived from it. New Carbon Mater. 2023. V. 38, №2. P. 369-377. URL: https://doi.org/10.1016/S1872-5805(23)60709-7 (дата обращения 26.08.2024). Xu H-t., Guo J-g., Li W-l, Li X-k. The effect of the molecular structure of naphthalene-based mesophase pitch on the properties of carbon fibers derived from it. New Carbon Mater. 2023. V. 38, №2. P. 369-377. URL: https://doi.org/10.1016/S1872-5805(23)60709-7 (data obrascheniya 26.08.2024). Cao Y., Zang C., Zhang J., Gao F., Liu Y. High thermal-conductivity mesophase pitch-based graphite fiber with circular cross-section through a spinneret with a Y-shaped spinning hole // Carbon Trends. 2023. V. 10. P. 100244. URL: https://doi.org/10.1016/j.cartre.2022.100244 (дата обращения 06.08.2024). Cao Y., Zang C., Zhang J., Gao F., Liu Y. High thermal-conductivity mesophase pitch-based graphite fiber with circular cross-section through a spinneret with a Y-shaped spinning hole // Carbon Trends. 2023. V. 10. P. 100244. URL: https://doi.org/10.1016/j.cartre.2022.100244 (data obrascheniya 06.08.2024). Yuan G., Xue Z., Cui Z., Westwood A., Dong Z., Cong Y., Zhang J., Zhu H., Li X. Constructing the Bridge from Isotropic to Anisotropic Pitches for Preparing Pitch-Based Carbon Fibers with Tunable Structures and Properties // ACS Omega. 2020. V.5, I. 34. P. 21948-21960. URL: https://doi.org/10.1021/acsomega.0c03226 (дата обращения 04.08.2024). Yuan G., Xue Z., Cui Z., Westwood A., Dong Z., Cong Y., Zhang J., Zhu H., Li X. Constructing the Bridge from Isotropic to Anisotropic Pitches for Preparing Pitch-Based Carbon Fibers with Tunable Structures and Properties // ACS Omega. 2020. V.5, I. 34. P. 21948-21960. URL: https://doi.org/10.1021/acsomega.0c03226 (data obrascheniya 04.08.2024). Пат. 2709446 P.Ф. Способ получения мезофазного пека / Кондрашева Н К., Бойцова А.А., Строкин С.В. опубл. 17.12.2019. Pat. 2709446 P.F. Sposob polucheniya mezofaznogo peka / Kondrasheva N K., Boycova A.A., Strokin S.V. opubl. 17.12.2019. Wang Y., Li M., Zhao Z., Xu G. Preliminary exploration of the mechanism governing the cell structure variation of mesophase coal pitch/carbon black composite carbon foam // Diamond and Related Materials. 2023. V. 136. P. 110077. URL: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110077 (дата обращения 03.08.2024). Wang Y., Li M., Zhao Z., Xu G. Preliminary exploration of the mechanism governing the cell structure variation of mesophase coal pitch/carbon black composite carbon foam // Diamond and Related Materials. 2023. V. 136. P. 110077. URL: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110077 (data obrascheniya 03.08.2024). Hlabathe T., Shiba N., Liu X. Mesophase pitch derived carbon foams with high compressive strengths and thermal conductivities as cobalt support // Materials Today Communications. 2023. V. 35. P. 105537. URL: https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.105537 (дата обращения 06.08.2024). Hlabathe T., Shiba N., Liu X. Mesophase pitch derived carbon foams with high compressive strengths and thermal conductivities as cobalt support // Materials Today Communications. 2023. V. 35. P. 105537. URL: https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.105537 (data obrascheniya 06.08.2024). Gong X., Lou B., Yu R., Zhang Z., Guo S., Li G., Wu B., Liu D. Carbonization of mesocarbon microbeads prepared from mesophase pitch with different anisotropic contents and their application in lithium-ion batteries // Fuel Processing Technology. 2021. V. 217. P. 106832. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2021.106832 (дата обращения 26.08.2024). Gong X., Lou B., Yu R., Zhang Z., Guo S., Li G., Wu B., Liu D. Carbonization of mesocarbon microbeads prepared from mesophase pitch with different anisotropic contents and their application in lithium-ion batteries // Fuel Processing Technology. 2021. V. 217. P. 106832. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2021.106832 (data obrascheniya 26.08.2024). Alvarez P., Granda M., Sutil J., Santamaría R.l., Ricardo Santamaría, Blanco C., Menéndez R. A unified process for preparing mesophase and isotropic material from anthracene oil-based pitch // Fuel Processing Technology. 2011. V. 92, I. 3. P. 421-427. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2010.10.004 (дата обращения 06.08.2024). Alvarez P., Granda M., Sutil J., Santamaría R.l., Ricardo Santamaría, Blanco C., Menéndez R. A unified process for preparing mesophase and isotropic material from anthracene oil-based pitch // Fuel Processing Technology. 2011. V. 92, I. 3. P. 421-427. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2010.10.004 (data obrascheniya 06.08.2024). Lou B., Liu D., Qiu Y., Y. Fu, Guo S., Yu R., Gong X., Zhang Z., He X. Modified effect on properties of mesophase pitch prepared from various two-stage thermo-treatments of FCC decant oil // Fuel. 2021. V. 284. P. 119034. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.119034 (дата обращения 06.08.2024). Lou B., Liu D., Qiu Y., Y. Fu, Guo S., Yu R., Gong X., Zhang Z., He X. Modified effect on properties of mesophase pitch prepared from various two-stage thermo-treatments of FCC decant oil // Fuel. 2021. V. 284. P. 119034. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.119034 (data obrascheniya 06.08.2024). Santamaría R., Blanco C., Granda Ferreira M. Mesophase development in petroleum and coal-tar pitches and their blends // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2003. V. 68-69: P. 409-424. URL: https://doi.org/10.1016/S0165-2370(03)00034-2 (дата обращения 16.08.2024). Santamaría R., Blanco C., Granda Ferreira M. Mesophase development in petroleum and coal-tar pitches and their blends // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2003. V. 68-69: P. 409-424. URL: https://doi.org/10.1016/S0165-2370(03)00034-2 (data obrascheniya 16.08.2024). Тарахно Е.В., Шустиков В.И., Пинтюлин И.Н., Берман Д.Д., Гамазина Г.А., Пырин А.И. Исследование мезофазных превращений в каменноугольных мягких пеках // Кокс и химия. 1992. № 11. С. 25-29. Tarahno E.V., Shustikov V.I., Pintyulin I.N., Berman D.D., Gamazina G.A., Pyrin A.I. Issledovanie mezofaznyh prevrascheniy v kamennougol'nyh myagkih pekah // Koks i himiya. 1992. № 11. S. 25-29. Lü X.-J., Xu J., Li J., Lai Y.-Q., Liu Y.-X. Thermal-Treated Pitches as Binders for TiB2/C Composite Cathodes // Metallurgical and Materials Transactions. 2012.V. 43. P. 219–227. URL: https://doi.org/10.1007/s11661-011-0821-x (дата обращения 06.08.2024). Lü X.-J., Xu J., Li J., Lai Y.-Q., Liu Y.-X. Thermal-Treated Pitches as Binders for TiB2/C Composite Cathodes // Metallurgical and Materials Transactions. 2012.V. 43. P. 219–227. URL: https://doi.org/10.1007/s11661-011-0821-x (data obrascheniya 06.08.2024). Xie X.-l., Zhao C.-x., Zhang H.-p., Cao Q. The effect of coal-tar pitch modification with polyethylene glycol on its properties and the semi-coke structure derived from it // Carbon. 2014. V. 76. P. 473. URL: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.04.046 (дата обращения 06.08.2024). Xie X.-l., Zhao C.-x., Zhang H.-p., Cao Q. The effect of coal-tar pitch modification with polyethylene glycol on its properties and the semi-coke structure derived from it // Carbon. 2014. V. 76. P. 473. URL: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.04.046 (data obrascheniya 06.08.2024). Kumar R., Jain H., Chaudhary A., Kumari S., Mondal D.P., Srivastava A.K. Thermal conductivity and fire-retardant response in graphite foam made from coal tar pitch derived semi coke. // Composites Part B: Engineering. 2019. 172. P. 121–130. URL: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.05.036 (дата обращения 06.08.2024). Kumar R., Jain H., Chaudhary A., Kumari S., Mondal D.P., Srivastava A.K. Thermal conductivity and fire-retardant response in graphite foam made from coal tar pitch derived semi coke. // Composites Part B: Engineering. 2019. 172. P. 121–130. URL: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.05.036 (data obrascheniya 06.08.2024). Хохлова Г. П., Барнаков Ч. Н., Малышева В. Ю., Попова А.Н. Влияние режима термообработки на каталитическую графитацию каменноугольного пека // Химия твердого топлива. 2015 № 2 С. 10-16. URL: https://doi.org/10.7868/S002311771502005X (дата обращения 06.08.2024). Hohlova G. P., Barnakov Ch. N., Malysheva V. Yu., Popova A.N. Vliyanie rezhima termoobrabotki na kataliticheskuyu grafitaciyu kamennougol'nogo peka // Himiya tverdogo topliva. 2015 № 2 S. 10-16. URL: https://doi.org/10.7868/S002311771502005X (data obrascheniya 06.08.2024). Хохлова Г. П., Малышева В. Ю., Барнаков Ч. Н., Попова А.Н., Исмагилов З.Р. Влияние природы и количества катализатора на фазовую структуру углеродного полученного низкотемпературной каталитической графитизации каменноугольного пека // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2013. № 5, 99. С. 21-24. Hohlova G. P., Malysheva V. Yu., Barnakov Ch. N., Popova A.N., Ismagilov Z.R. Vliyanie prirody i kolichestva katalizatora na fazovuyu strukturu uglerodnogo poluchennogo nizkotemperaturnoy kataliticheskoy grafitizacii kamennougol'nogo peka // Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2013. № 5, 99. S. 21-24. Хохлова Г. П., Барнаков Ч. Н., Хицова Л. М., Малышева В.Ю., Исмагилов З.Р. Особенности термопревращения каменноугольного пека в условиях низкотемпературной каталитической графитации при разных режимах термообработки // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2014 № 1, 101. С. 89-94. Hohlova G. P., Barnakov Ch. N., Hicova L. M., Malysheva V.Yu., Ismagilov Z.R. Osobennosti termoprevrascheniya kamennougol'nogo peka v usloviyah nizkotemperaturnoy kataliticheskoy grafitacii pri raznyh rezhimah termoobrabotki // Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2014 № 1, 101. S. 89-94. Twigg A.N. Relationship between chemical structure and secondary quinoline insoluble formation in electrode binder pitches // Fuel. 1987. V. 66, Issue 11. P. 1540-1543. URL: https://doi.org/10.1016/0016-2361(87)90015-9 (дата обращения 06.08.2024). Twigg A.N. Relationship between chemical structure and secondary quinoline insoluble formation in electrode binder pitches // Fuel. 1987. V. 66, Issue 11. P. 1540-1543. URL: https://doi.org/10.1016/0016-2361(87)90015-9 (data obrascheniya 06.08.2024). Гайсаров М.Г., Мальцев Л.Д., Мочалов В.В. О природе α1-фракции пека и ее влиянии на качество углеродистых изделий // Кокс и химия. 1981. № 10. С. 37-39. Gaysarov M.G., Mal'cev L.D., Mochalov V.V. O prirode α1-frakcii peka i ee vliyanii na kachestvo uglerodistyh izdeliy // Koks i himiya. 1981. № 10. S. 37-39. Marsh H., Heintz E.A., Rodriguez-Reinoso F. Introduction to Carbon Technologies. Alicante: Universidad de Alicante, 1997. P. 669. Marsh H., Heintz E.A., Rodriguez-Reinoso F. Introduction to Carbon Technologies. Alicante: Universidad de Alicante, 1997. P. 669. Zander. M. Die Chemie der Pyrolyse von aromatischen Kohlenwasserstoffen in der Gas- und Flüssigphase // Erdöl-Erdgas-Kohle. 1989. V. 105. P. 373. Zander. M. Die Chemie der Pyrolyse von aromatischen Kohlenwasserstoffen in der Gas- und Flüssigphase // Erdöl-Erdgas-Kohle. 1989. V. 105. P. 373. Lewis I. Chemistry of carbonization // Carbon. 1982. V. 20. P. 519-529. URL: https://doi.org/10.1016/0008-6223(82)90089-6 (дата обращения 06.08.2024). Lewis I. Chemistry of carbonization // Carbon. 1982. V. 20. P. 519-529. URL: https://doi.org/10.1016/0008-6223(82)90089-6 (data obrascheniya 06.08.2024). Сидоров О.Ф., Селезнев А.Н. Перспективы производства и совершенствования потребительских свойств каменноугольных электродных пеков // Российский химический журнал. 2006. V. L, l. 1. P. 16-24. Sidorov O.F., Seleznev A.N. Perspektivy proizvodstva i sovershenstvovaniya potrebitel'skih svoystv kamennougol'nyh elektrodnyh pekov // Rossiyskiy himicheskiy zhurnal. 2006. V. L, l. 1. P. 16-24. Ковалев Р. Ю., Гаврилюк О. М., Никитин А. П., Исмагилов З. Р. Исследование термоокислительной обработки электродного каменноугольного пека // Кокс и химия. 2023. № 7. С. 14-18. URL: https://doi.org/14-18. 10.52351/00232815_2023_07_14 (дата обращения 06.08.2024). Kovalev R. Yu., Gavrilyuk O. M., Nikitin A. P., Ismagilov Z. R. Issledovanie termookislitel'noy obrabotki elektrodnogo kamennougol'nogo peka // Koks i himiya. 2023. № 7. S. 14-18. URL: https://doi.org/14-18. 10.52351/00232815_2023_07_14 (data obrascheniya 06.08.2024).