CN109158057A - 一种流化床反应器及用其制备氟化碳材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流化床反应器及用其制备氟化碳材料的方法，所述的流化床反应器由下到上依次包括气室、反应段、物料沉降段；气室与反应段之间设置有气体分布板，气室底部设有氟化剂/稀释气混合气进口，反应段下部侧壁上设有卸料口和循环物料进口，反应段中部一侧设有加料口；物料沉降段顶部还设置有尾气接口以及抽真空系统接口；所述流化床反应器的尾气接口连接有气固分离器，气固分离器通过气力输送装置与循环物料进口连接，气固分离器还通过循环气体脱除高氟碳烷烃设备与氟化剂/稀释气混合气进口连接。与传统氟化反应器相比，能够提升氟化剂利用率，提高反应器的工作效率，实现氟化碳材料的大规模量产及有效的降低氟化碳材料的生产成本。

Description

一种流化床反应器及用其制备氟化碳材料的方法
技术领域
本发明属于氟化工技术领域，具体为一种流化床反应器及用其制备氟化碳材料的方法。
背景技术
氟化碳材料是当今世界一种不可或缺的功能性材料，氟化碳材料具有优良的润滑性能，其润滑性能优于通用的石墨和二硫化钼，在干燥或潮湿高温时摩擦系数更小，使用寿命更长；氟化碳材料同时具有极低的表面能，C-F键的存在使其具有较强的疏水疏油能力，其优异的性能已成为国内外学者研究的热点和重点。
现有氟化碳材料的合成方法较多，实验室内可以使用管式炉合成出氟含量较高的氟化碳材料，用于检测其性能和潜在的应用价值，但需要间歇放料和取料，存在着量产不高、氟化剂利用率低、能耗高等问题，适用于小规模生产制备，目前，氟化碳材料工业化生产制备存在一定的困难，量产时存在着氟含量不高，氟化不均匀，生产易于分解等诸多难点。
目前工业上的氟化碳材料生产装置一般采用卧式管式炉反应器，存在着间歇反应、人工进卸料、难以量产、氟化剂利用率低等缺点，氟化碳材料领域相关专利及文献目前没有能够量产公斤级别的反应器。
发明内容
本发明就是针对上述存在的缺陷而提供一种流化床反应器及用其制备氟化碳材料的方法。本发明流化床反应器投料量大，产量大，且改变了原来氟化剂拂过碳材料层表面进行氟化的反应方式，碳材料在流化悬浮状态下与氟化剂进行充分接触反应，极大地提升了产品的氟化均匀度。
本发明的一种流化床反应器及用其制备氟化碳材料的方法技术方案为，一种生产氟化碳材料的流化床反应器，所述的流化床反应器由下到上依次包括气室、反应段、物料沉降段；
气室与反应段之间设置有气体分布板，气室底部设有氟化剂/稀释气混合气进口；
反应段下部侧壁上设有卸料口和循环物料进口，反应段中部一侧设有加料口；
物料沉降段顶部还设置有尾气接口以及抽真空系统接口；
所述流化床反应器的尾气接口连接有气固分离器，气固分离器通过气力输送装置与循环物料进口连接，气固分离器还通过循环气体脱除高氟碳烷烃设备与氟化剂/稀释气混合气进口连接。
所述的反应段外侧设有外部加热装置。
所述的外部加热装置外侧设置有隔热保温层。
反应段下部的循环物料进口位于卸料口上方，循环物料进口与卸料口不在同一侧面。
物料沉降段顶部通过爆破片连接泄放系统。
气室设置有压力检测点，反应段内均匀分布3-4组的温度检测点，物料沉降段内设有压力检测点。
所述的气室、反应段、物料沉降段、气体分布板材质为碳钢、不锈钢、镍铜合金、紫铜合金中的至少一种。
一种使用所述的流化床反应器制备氟化碳材料的方法，包括以下步骤：
（1）使用真空泵将流化床反应器抽至负压状态，碳原料以真空进料的方式加入流化床反应器内；
（2）通入稀释气，流化床反应器缓慢升温至100-600℃，脱除碳原料中的水分及其它杂质；
（3）将氟化剂和稀释气混合均匀后，从流化床反应器的底部通入，顶部流出；
（4）使流化床反应器内处于流化状态的碳原料，与氟化剂充分接触反应，生成不同氟含量的氟化碳材料；
（5）物料进行提纯，烘干后得到氟含量为3%~70%不同氟含量的氟化碳材料产品。
步骤（1）中流化床反应器内负压为-10~-90Pa；碳原料为20目~15000目石墨、碳纤维、石墨烯、活性炭、沥青、竹炭、富勒烯、炭黑、碳纳米管、焦炭中的至少一种，投料量为0.1~100 kg；
（2）步骤（2）中稀释气为氮气、氩气、氦气、四氟化碳、含氟烷烃及全氟烷烃中的至少一种；
步骤（3）中氟化剂为氟气、氟化氢、二氟化氧、三氟化氮和五氟化锑中的至少一种；反应温度150~600℃；反应时间2~80 h；氟化剂在混合气中的体积浓度0.1~60%；混合气总流量0.1~1000 Nm3/h。
步骤（5）中的物料进行提纯所用的水为去离子水或蒸馏水。
循环气体脱除高氟碳烷烃设备采用冷媒换热冷却的方式将高氟碳烷烃冷凝分离方法或采用三氟化钴、三氟化铁催化分解转化的方法除去高氟碳烷烃。
本发明的有益效果为：本发明流化床反应器结构简单，反应器制作维修方便快捷；设备投料量为0.1~100 kg，最终产品为0.1~160kg，产量是管式反应器的近200倍；同时改变了原来氟化剂拂过碳材料层表面进行氟化的反应方式，碳材料在流化悬浮状态下与氟化剂进行充分接触反应，极大地提升了产品的氟化均匀度。与传统氟化反应器相比，能够提升氟化剂利用率，提高反应器的工作效率，实现氟化碳材料的大规模量产及有效的降低氟化碳材料的生产成本。
本发明中碳材料在反应器内呈均匀流化状态与氟化剂发生部分或完全氟化反应，产品均一性好，同时采用真空进料以及充压卸料的进卸料方式，提高了反应器的生产效率，循环物料的设置提高了氟化剂的利用率以及产品的收率,循环气体的设置提高了氟化剂的利用率以及装置运行的安全性，相比传统管式炉反应器制备氟化碳材料的方法，更加适于工业规模化生产。
附图说明：
图1所示为本发明流化床反应器的基本结构示意图；
图2所示为本发明实施例4制备产品的粒径分布图
图3所示为本发明实施例4制备产品的SEM图。
图中，1-氟化剂/稀释气混合气进口，2-气室，3-气体分布板，4-反应段，5-物料沉降段，6-爆破片，7-尾气接口，8-抽真空系统接口，9-卸料口，10-加料口，11-循环物料进口，12-外部加热装置，13-气固分离器，14-气力输送装置，15-循环气体脱除高氟碳烷烃设备。
具体实施方式：
为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。
实施例1
如说明书附图图1所示，一种生产氟化碳材料的流化床反应器，所述的流化床反应器由下到上依次包括气室2、反应段4、物料沉降段5；
气室2与反应段4之间设置有气体分布板3，气室2底部设有氟化剂/稀释气混合气进口1；
反应段4下部侧壁上设有卸料口9和循环物料进口11，反应段4中部一侧设有加料口10；
物料沉降段5顶部还设置有尾气接口7以及抽真空系统接口8；
所述流化床反应器的尾气接口7连接有气固分离器13，气固分离器13通过气力输送装置14与循环物料进口11连接，气固分离器13还通过循环气体脱除高氟碳烷烃设备15与氟化剂/稀释气混合气进口1连接。
所述的反应段4外侧设有外部加热装置12。
所述的气室2、反应段4、物料沉降段5、气体分布板3材质为碳钢、不锈钢、镍铜合金、紫铜合金中的至少一种。
实施例2
如说明书附图图1所示，一种生产氟化碳材料的流化床反应器，所述的流化床反应器由下到上依次包括气室2、反应段4、物料沉降段5；
气室2与反应段4之间设置有气体分布板3，气室2底部设有氟化剂/稀释气混合气进口1；
反应段4下部侧壁上设有卸料口9和循环物料进口11，反应段4中部一侧设有加料口10；
物料沉降段5顶部还设置有尾气接口7以及抽真空系统接口8；
所述流化床反应器的尾气接口7连接有气固分离器13，气固分离器13通过气力输送装置14与循环物料进口11连接，气固分离器13还通过循环气体脱除高氟碳烷烃设备15与氟化剂/稀释气混合气进口1连接。
所述的反应段4外侧设有外部加热装置12。
所述的外部加热装置12外侧设置有隔热保温层。
反应段4下部的循环物料进口11位于卸料口9上方，循环物料进口11与卸料口9不在同一侧面。
物料沉降段5顶部通过爆破片6连接泄放系统。
气室2设置有压力检测点，反应段4内均匀分布3-4组的温度检测点，物料沉降段5内设有压力检测点。
所述的气室2、反应段4、物料沉降段5、气体分布板3材质为碳钢、不锈钢、镍铜合金、紫铜合金中的至少一种。
实施例3
一种使用所述的流化床反应器制备氟化碳材料的方法，包括以下步骤：
（1）使用真空泵将流化床反应器抽至负压状态，碳原料以真空进料的方式加入流化床反应器内；
（2）通入稀释气，流化床反应器缓慢升温至100-600℃，脱除碳原料中的水分及其它杂质；
（3）将氟化剂和稀释气混合均匀后，从流化床反应器的底部通入，顶部流出；
（4）使流化床反应器内处于流化状态的碳原料，与氟化剂充分接触反应，生成不同氟含量的氟化碳材料；
（5）物料进行提纯，烘干后得到氟含量为3%~70%不同氟含量的氟化碳材料产品。
步骤（1）中流化床反应器内负压为-10~-90Pa；碳原料为20目~15000目石墨、碳纤维、石墨烯、活性炭、沥青、竹炭、富勒烯、炭黑、碳纳米管、焦炭中的至少一种，投料量为0.1~100 kg；
（2）步骤（2）中稀释气为氮气、氩气、氦气、四氟化碳、含氟烷烃及全氟烷烃中的至少一种；
步骤（3）中氟化剂为氟气、氟化氢、二氟化氧、三氟化氮和五氟化锑中的至少一种；反应温度150~600℃；反应时间2~80 h；氟化剂在混合气中的体积浓度0.1~60%；混合气总流量0.1~1000 Nm3/h。
步骤（5）中的物料进行提纯所用的水为去离子水或蒸馏水。
循环气体脱除高氟碳烷烃设备采用冷媒换热冷却的方式将高氟碳烷烃冷凝分离方法或采用三氟化钴、三氟化铁催化分解转化的方法除去高氟碳烷烃。
实施例4
采用实施例2所述的流化床反应器，取石墨原料5 kg投入含气体分布板2的流化床反应器中，对整个系统进行密封并加压试漏，通入稀释气去除挥发性杂质，并对流化床反应器加热升温；3 h后达到250 ℃，此时氟化剂/稀释气混合气进口1通入氟化剂/稀释气混合气，流速为3 Nm3/h；流化床反应器内压力为常压，反应温度为400~450 ℃，氟化剂浓度为4%，反应时间为20 h，停止加热，稀释气置换，自然降温；待流化床反应器内部温度将至室温后取料，得到7 kg灰黑色的床体物料，经多次去离子水洗提纯后，得到5 kg灰黑色的氟化碳材料产品。
通过测试表征氟含量为51%，提纯率为71%,氟化剂质量流量计累计流量为1.72Nm³，氟化石墨中氟元素含量为2.55kg，氟化剂利用率为95.6%。氟化石墨产品指标检测如下：
表1 氟化石墨产品检测结果

Claims (10)

1.一种流化床反应器，其特征在于，所述的流化床反应器由下到上依次包括气室（2）、反应段（4）、物料沉降段（5）；
气室(2)与反应段（4）之间设置有气体分布板（3），气室(2)底部设有氟化剂/稀释气混合气进口（1）；
反应段(4)下部侧壁上设有卸料口（9）和循环物料进口(11)，反应段(4)中部一侧设有加料口（10）；
物料沉降段（5）顶部还设置有尾气接口（7）以及抽真空系统接口（8）；
所述流化床反应器的尾气接口（7）连接有气固分离器（13），气固分离器（13）通过气力输送装置（14）与循环物料进口(11)连接，气固分离器（13）还通过循环气体脱除高氟碳烷烃设备（15）与氟化剂/稀释气混合气进口（1）连接。
2.根据权利要求1所述的一种流化床反应器，其特征在于，所述的反应段(4)外侧设有外部加热装置(12)。
3.根据权利要求2所述的一种流化床反应器，其特征在于，所述的外部加热装置(12)外侧设置有隔热保温层。
4.根据权利要求1所述的一种流化床反应器，其特征在于，反应段（4）下部的循环物料进口(11)位于卸料口（9）上方，循环物料进口(11)与卸料口（9）不在同一侧面。
5.根据权利要求1所述的一种流化床反应器，其特征在于，物料沉降段（5）顶部通过爆破片（6）连接泄放系统。
6.根据权利要求1所述的一种流化床反应器，其特征在于，气室(2)设置有压力检测点，反应段(4)内均匀分布3-4组的温度检测点，物料沉降段（5）内设有压力检测点。
7.根据权利要求1所述的一种流化床反应器，其特征在于，所述的气室（2）、反应段（4）、物料沉降段（5）、气体分布板（3）材质为碳钢、不锈钢、镍铜合金、紫铜合金中的至少一种。
8.一种使用权利要求1至7任一权利要求所述的流化床反应器制备氟化碳材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）使用真空泵将流化床反应器抽至负压状态，碳原料以真空进料的方式加入流化床反应器内；
（2）通入稀释气，流化床反应器缓慢升温至100-600℃，脱除碳原料中的水分及其它杂质；
（3）将氟化剂和稀释气混合均匀后，从流化床反应器的底部通入，顶部流出；
（4）使流化床反应器内处于流化状态的碳原料，与氟化剂充分接触反应，生成不同氟含量的氟化碳材料；
（5）物料进行提纯，烘干后得到氟含量为3%~70%不同氟含量的氟化碳材料产品。
9. 根据权利要求8所述的一种制备氟化碳材料的方法，其特征在于，步骤（1）中流化床反应器内负压为-10~-90Pa；碳原料为20目~15000目石墨、碳纤维、石墨烯、活性炭、沥青、竹炭、富勒烯、炭黑、碳纳米管、焦炭中的至少一种，投料量为0.1~100 kg；
（2）步骤（2）中稀释气为氮气、氩气、氦气、四氟化碳、含氟烷烃、全氟烷烃中的至少一种；
步骤（3）中氟化剂为氟气、氟化氢、二氟化氧、三氟化氮和五氟化锑中的至少一种；反应温度150~600℃；反应时间2~80 h；氟化剂在混合气中的体积浓度0.1~60%；混合气总流量0.1~1000 Nm3/h。
10.根据权利要求8所述的一种制备氟化碳材料的方法，其特征在于，步骤（5）中的物料进行提纯所用的水为去离子水或蒸馏水。
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