CN106430142A - 盐浴加热生产炭微球 - Google Patents

Abstract

一种炭微球的生产方法，涉及化学及碳材料的技术领域。该生产方法主要是：在氮气加压密封条件下，将液体沥青通过盐浴加热至380～450℃，使沥青发生热缩聚反应，形成中间相沥青小球，控制温度、压力、反应时间，使小球生长至要求的大小。然后，将中间相小球与沥青的混合物冷却，加溶剂搅拌稀释后过滤，烘干，分级得到性能优良的中间相炭微球。本方法在沥青生产炭微球传统缩聚法的基础上，取消电加热及高温聚合搅拌反应器装置，使缩聚反应在炭微球反应器中进行，采用盐浴加热方式供热。即：沥青采用泵强制循环，通过管道进入盐浴加热器，与熔盐换热后返回炭微球反应器内，为聚合反应提供所需要的热量，同时物料受热更均匀，避免了物料结焦。

Description

盐浴加热生产炭微球

技术领域

本发明属于化学及碳材料领域，涉及一种炭微球的生产方法。

背景技术

炭微球是由石墨片层在玻璃相的石墨结构间断分布而构成，由于其具有高比表面，优异的化学稳定性及热稳定性等，可以制备高强度高密度 C/C复合材料、高性能液相色谱柱填料、高比表面积活性炭材料、锂离子电池负极材料等一系列高性能碳材料。利用原料煤沥青为原料，通过热缩聚的方法生产炭微球，条件简单，操作容易，易于工业化连续生产，但也存在球径分布广，形状和尺寸不均匀，收得率低的问题。尽管如此，缩聚法仍是现代工业生产炭微球的主要方法。传统缩聚法，以中温沥青为原料，加温熔化后加碳粉混合均匀，在氮气密封条件下形成球晶核，之后晶核在380～450℃条件下，在搅拌反应器中发生聚合反应，搅拌反应器通过外部缠绕的电热丝加热，使晶核长大，再加溶剂搅拌稀释后过滤，烘干，分级得到炭微球，其中缩聚反应直接影响炭微球球径范围形状，进而直接决定着炭微球的质量。

1、传统电热丝加温，电耗高，生产成本高。因电能转换为热能效率较低，1kcal电能相当于4.18kWh，目前一般1kcal电能的成本为2.4元左右（1 kWh电按0.6元计算），而1kcal电能完全转化为热能即为3600kJ热量，若全部用焦炉焦炉煤气来提供，只需要0.2标立方米的焦炉煤气（1Nm³焦炉煤气按0.5元计算），成本只有0.1元，价格相差较大，另外电能为二次能源，热效率低，焦炉煤气为一次能源热效率高。

2、通过电热丝对搅拌反应器进行加温，加热介质量较小，规模小。目前国际国内最大的反应釜是12m³，一般是5t/h左右，因反应釜太大造成加热能力不足，传热效率低，生产规模受限。

3、反应釜内靠近釜壁的地方紧贴电热丝，局部温度过高，内壁易结焦，影响传热效果，同时每隔一段时间需要停产进行清理，不能实现连续生产，而且影响炭微球产品质量。

盐浴加热生产炭微球，直接使用焦炉煤气作为加热介质，加热效率高，生产成本低，另外原料与熔盐逆流换热，原料与熔盐各自单独强制循环，加热较均匀，温度控制稳定，可以实现炭微球的大规模长周期连续稳定生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种工业生产炭微球的方法，该方法在氮气加压密封条件下，将液体沥青通过盐浴加热至380～450℃，使沥青发生热缩聚反应，形成中间相沥青小球，控制温度、压力、反应时间，使小球生长至要求的大小。然后，将中间相小球与沥青的混合物冷却，加溶剂搅拌稀释后过滤，烘干，分级得到性能优良的中间相炭微球。通过盐浴加热法可获得尺寸形状规整、质量稳定、生产成本低的炭微球。

本发明的内容是通过以下技术方案来实现的：

盐浴加热生产炭微球，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）将原料沥青加温熔化，在氮气加压密封条件下，加热反应形成球晶核；

（2）启动盐浴加热系统，熔盐加热炉点火，将盐浴稳定在一定的温度范围；

（3）将沥青等混合物料加温后，返回炭微球反应器，启动沥青、炭微球混合物循环泵，使混合物料开始循环；

（4）调节熔盐加热炉火的大小，控制盐浴的温度在380～450℃，沥青在反应器内发生热缩聚反应，形成中间相炭微球；

（5）将含有炭微球的沥青降温到一定温度，之后加溶剂进行稀释，萃取，控制好萃取的温度和时间，然后获得萃取后物料，其中含有未反应物料被溶剂萃取至萃取剂中；所述的萃取剂为洗油和甲苯；

（6）将萃取后的物料通过过滤分离，之后分离出固相和母液，将固相烘干得到炭微球粗产品；

（7）炭微球粗产品再进一步分级，获得粒径均匀的炭微球产品。

本发明中，熔盐加热炉可以提前启动，升至相应的温度，能保证缩聚所需要的温度，同时在生产工况下，通过增大循环量保证热量均匀供给，温度调节较为灵活，且稳定；盐浴加热器的熔盐选择必须要熔盐介质稳定，能够重复利用；另外熔盐加热炉直接使用焦炉煤气燃烧加热，热效率高，经济效益显著。熔盐加热炉，即为圆筒式管式炉，炉管内的熔盐作为热传导介质，通过焦炉煤气燃烧加温后，熔盐进入盐浴加热器，对循环的沥青、炭微球混合进行加热，完成反应全过程。

所述的沥青混合物料即为原料，混合物料与熔盐通过热传导，混合物料走盐浴加热器的管内，上进下出；盐浴加热器中的熔盐走管外，低进高出，逆流换热，提高热效率，盐浴温度波动小，混合物料在反应器内温度非常稳定，确保了炭微球的质量稳定。

本发明的优点：操作简单，节能环保，生产成本低，工况稳定，便于实现大规模和长周期连续稳定的工业化生产，所获得的炭微球尺寸形状规整、质量稳定且优于传统法生产的炭微球，可广泛用于纳米技术、光电转换和催化等领域提高稳定中间相炭微球。

附图说明：

图1是本发明盐浴加热的主要生产工艺流程图。

图2是本发明传统缩聚法生产炭微球电加热和搅拌反应器的主要装置示意图。

图3是本发明盐浴加热生产炭微球盐浴加热系统和缩聚反应系统的主要装置示意图。

图中标记：1-熔盐收集槽，2-熔盐循环泵，3-熔盐加热炉，4-碳微球熔盐加热器，5-混合物循环泵，6-碳微球反应塔，7-搅拌反应器，8-搅拌器，9-电加热丝，10-保温装置。

具体实施方式：

本发明实施例中采用盐浴加热装置和缩聚反应装置。

本发明实现例中应用的盐浴加热装置和缩聚反应装置结构示意图如图3所示，包括熔盐收集槽1、熔盐循环泵2、熔盐加热炉3、碳微球熔盐加热器4、混合物循环泵5、碳微球反应器6。

熔盐收集槽1主要用于储存和收集熔盐，熔盐循环泵2用于熔盐的循环，从熔盐收集槽1中抽取熔盐，通过熔盐循环泵2将熔盐输送到熔盐加热炉3，加热到一定温度后，进入碳微球熔盐器4内，与混合物料换热，再回到熔盐收集槽1。

混合物料在碳微球熔盐加热器4内走管内，熔盐走管外，熔盐温度降低，混合物料温度升高，温度降低后的熔盐循环回到熔盐收集槽1，保证熔盐收集槽1内液位的稳定；温度升高后的混合物料被加温后循环回到碳微球反应器6。

沥青混合物料从盐浴加热器4上部进，加温后从下部出，进入碳微球反应器6；熔盐从盐浴加热器4下部进，上部出，熔盐和混合物料在碳微球熔盐加热器4内逆流接触，充分利用热量。碳微球熔盐加热器4为换热器。

加温后的混合物料在碳微球反应器6内，发生热缩聚反应，反应温度为380～450℃，压力为0.5～0.6MPa，通过氮气加压实现，在碳微球反应器6的底部出炭微球及沥青混合物。

熔盐加热炉3为圆筒式管式加热炉，使用焦炉煤气为加热燃料，将熔盐介质加热到相应的温度。

本发明实施例中用于生产炭微球的盐浴加热器装置的使用方法为：

1、将熔盐灌入到熔盐收集槽1，使熔盐收集槽1达到一定的液位；

2、检查确认熔盐管道，启动熔盐循环泵2，开始熔盐系统的循环；

3、 按照正常点火程序，熔盐加热炉3开始点火，点火成功后，缓慢升温到相应的温度，并调节相关参数使系统稳定。

本发明实施例中用于生产炭微球的缩聚反应装置的使用方法为：

1、加热熔化好的沥青从炭微球反应器6上部送入；

2、 碳微球反应器6液位达到一定时，启动混合物循环泵5，使混合物料通过混合物循环泵5，经盐浴加热器4加热后返回到碳微球反应器6中，开始混合物系统的循环。

本发明实施例中盐浴加热生产炭微球的步骤为：

（1）将沥青加温熔化，在氮气惰性气体气氛的条件下，与碳粉搅拌混合均匀，形成球晶核；

（2）启动盐浴加热器系统，熔盐加热炉3点火，将盐浴稳定在一定的温度范围；

（3）将混合物料加温后，送入碳微球反应器6，启动混合物循环泵5，使混合物料开始循环；

（4）调节盐浴加热炉3火的大小，控制盐浴的温度在380～450℃，碳微球反应器6内发生聚合反应；

（5）将含有炭微球的聚合沥青降温到一定温度，之后加溶剂进行稀释，萃取，控制好萃取的温度和时间，然后获得萃取后物料，其中含有未反应物料被溶剂萃取至萃取剂中；所述的萃取剂为洗油和甲苯；

（6）将萃取后的物料通过过滤分离，之后分离出固相和母液，将固相烘干得到炭微球粗产品；

（7）炭微球粗产品再进一步分级，获得炭微球产品。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.盐浴加热生产炭微球，主要包括以下方面：

(1)沥青、炭微球混合物料通过盐浴加热器，与熔盐换热，沥青、炭微球混合物料聚合反应的热量依靠吸收熔盐显热来提供，温度调节灵活，可以实现稳定生产；

(2)盐浴加热器系统采用封闭的独立循环系统，通过熔盐加热炉，以成本较低的焦炉煤气等一级能源物质为燃料，为后续炭微球反应器供热；

(3)盐浴加热器系统的热循环介质采用熔盐，该熔盐介质较稳定，能重复利用，生产成本低，且能在较高温度条件下(400℃以上)炭微球生产中使用。

(4)在炭微球盐浴加热器内，粘度较大的介质沥青、炭微球混合物和熔盐充分换热，可以通过加大循环量和提高熔盐温度来提高生产能力，有利于炭微球生产规模的大型化。

2.根据权利要求1所述的盐浴加热生产炭微球，其特征在于(1)，沥青、炭微球混合物料与熔盐换热，在盐浴加热器内，逆流换热，通过热传导，熔盐温度降低，沥青、炭微球混合物温度升高，为炭微球生产的热缩聚反应提供热量，热量的多少可以根据控制熔盐温度和改变熔盐循环量来调节。

3.根据权利要求1所述的盐浴加热生产炭微球，其特征在于(2)，盐浴加热器系统采用封闭的独立循环系统，可以提前开启该系统，通过熔盐循环泵实现系统内熔盐的循环，采用圆筒式管式熔盐加热炉，炉管内的熔盐作为热传导介质，以成本较低的焦炉煤气等一级能源物质为燃料，为后续炭微球反应器供热。

4.根据权利要求1所述的盐浴加热生产炭微球，其特征在于(3)，盐浴加热系统的热循环介质采用熔盐，熔盐能在较高温度条件下(400℃以上)性质稳定，能实现重复利用，传热效果好，热效率高，生产成本低，可以在炭微球工业化生产中使用。

5.根据权利要求1所述的盐浴加热生产炭微球，其特征在于(4)，盐浴加热器内，粘度较大的介质沥青、炭微球混合物和熔盐充分换热，可以通过加大熔盐循环量和提高熔盐温度来提高生产能力，有利于炭微球生产规模的大型化。