Сажеобразование при горении углеводородов.

Процессы образования сажи сводятся к разложению углеводородов под воздействием высокой температуры и выделению из полученных продуктов углерода в виде сажи. Углеводороды пригодны для получения сажи, так как они очень богаты углеродом. Так в простейшем углеводороде – метане – содержится 75% углерода и 25% водорода; в многоядерных ароматических углеводородах - антрацене, фенантрене

– содержание углерода составляет 94, 4%.

Сажу можно поучать из газообразных, жидких и твердых веществ. Естественный газ служит сырьем для производства газовой канальной, газовой печной и термической саж; из ацетилена получают различные виды ацетиленовой сажи; форсунчатая и ламповая сажи образуются при сгорании смеси различных жидких углеводородов; активную антраценовую сажу получают путем сжигания смеси паров твердых или жидких углеводородов с коксовым газом.

Для разложения углеводородов на элементарные углерод и водород требуется высокая температура. Так, например, разложение метана протекает при 1100º С; более сложные углеводороды разлагаются при еще более высокой температуре. Циклические и особенно ароматические углеводороды более стойки к воздействию тепла, чем углеводороды с открытой цепью.

Большинство углеводородов разлагается с поглощением тепла; ацетилен и некоторые ароматические углеводороды при разложении выделяют тепло.

Атомы углерода, получившиеся в результате разложения углеводородов под действием высокой температуры, группируются в кристаллические образования. В результате этого процесса должен был бы образоваться графит. Однако для образования кристаллической решетки графита требуется значительное время (несколько часов) и температура, превышающая 3000º С. Так как при получении сажи температура в зоне реакции обычно не превышает 1500º С (при получении ацетиленовой сажи температура в печи достигает 2400º С), а время пребывания сажи в реакционной зоне измеряется секундами и даже долями секунды, процесс кристаллизации не успевает закончится. Образующиеся при разложении углеводородов частицы сажи состоят из неупорядоченного набора отдельных кристаллитов и не имеют кристаллического строения.

Возникающие в результате расщепления углеводородов атомы углерода и радикалы С · являются активными центрами конденсации. Соударение этих активных центров с атомами углерода приводит к образованию графитовых сеток сажевых кристаллитов, которые при высокой температуре стремятся сгруппироваться в кристаллическую решетку. Росту сажевых частиц препятствует наличие водорода в зоне их формирования.

На формирование сажевых частиц влияет так же температура охладительной поверхности. Введение в пламя металлической поверхности, имеющей температуру значительно более низкую, чем температура пламени, приводит к прекращению дальнейшего роста сажевых частиц.

Дисперсность сажи зависит в основном от метода ее получения. Выбрав соответствующий метод производства сажи, можно из одного и того же сырья получать сажу с различной дисперсностью.

В процессах сажеобразования происходит не только термическое разложение молекул углеводородов, но и соединение их с образованием высокомолекулярных циклических многоядерных углеводородов и смол. В процессах получения сажи это приводит к образованию кокса и нагара.