CN111908461A - 一种可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置及方法，该装置结构科学合理，使用安全方便，在对氧化石墨高温热处理还原过程中，操作简单、生产可控、品质稳定、可连续性操作，且节约能源，适合工业化大批量生产，弥补了行业空白。

Description

一种可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置及方法
技术领域
本发明涉及氧化石墨高温热处理还原装置技术领域，具体涉及一种可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置及方法。
背景技术
随着近年来石墨烯行业发展的突飞猛进，石墨烯及其相关制品的产业化瓶颈日益凸显。研究表明，石墨烯可以由多种方法制得。其中，氧化还原法因其设备简单、质量相对稳定，较易实现规模化生产，得到了研究人员的大量关注。氧化还原法包含氧化石墨的制备和还原两部分。通过在石墨层间及边缘引入-OH、C＝O、C-O-C等含氧集团，制备得到氧化石墨，再通过还原去除含氧基团，得到石墨烯。常用的还原方法有还原剂还原、高温热处理还原、溶剂热还原、微波还原、电化学还原等等。
高温热处理还原是较早使用的还原氧化石墨制备石墨烯的方法。研究发现，氧化石墨在惰性气氛中快速加热，氧化石墨层间的含氧官能团分解为H2O、CO、CO2等气体，氧化石墨片层打开，可制得品质较高的石墨烯。在实验室中该过程通常通过管式炉实现。但该过程有如下缺点：
1.管式炉为间歇性操作设备，每次还原需要人工进行打开法兰、加料、关闭法兰、抽真空、置换惰性气氛、升温、降温、打开法兰、取料、关闭法兰等，操作繁琐，费时费力。
2.管式炉空间有限，限制了加料量，每次处理量较小。
3.管式炉每次加料前需由常温升至工作温度，取料前需由工作温度降至常温，该过程无法避免，较浪费能源。
由于以上问题的存在，现有管式炉还原氧化石墨不适合大批量生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置及方法，以解决上述背景技术中提出的不便于进行连续、大批量氧化石墨高温热处理还原的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置，包括气力输送器、入料法兰和立式管式炉，所述气力输送器的上方通过管道与立式管式炉的入料法兰相连通，所述气力输送器与立式管式炉之间连接管道安装有预热器，所述立式管式炉的下端出料法兰通过管道与旋风分离器相连通，所述立式管式炉与旋风分离器之间连接管道安装有换热器，所述旋风分离器的下端安装有排料阀，所述旋风分离器的上端与收集罐相连通，所述收集罐的内部上方固接有过滤器，所述收集罐的下端安装有出料阀。
优选的，所述立式管式炉由箱体外壳、保温层、加热元件和炉管组成，所述箱体外壳的内部内壁安装有保温层，所述保温层的内部固接有加热元件，所述加热元件的内部安装有炉管。所述立式管式炉工作温度400-1700℃。炉管材质为高纯度氧化铝陶瓷(刚玉管)。炉管两侧设法兰，以起固定、支撑的作用。法兰设夹套，通常冷水换热，以保证法兰及密封圈在正常温度范围内工作。
优选的，所述入料法兰和出料法兰均设有夹套，通常用于冷水换热。
优选的，所述换热器的外部设保温层，且换热器包覆出料管路弯头。
优选的，所述出料阀和排料阀的阀门种类均为蝶阀。
利用上述装置对氧化石墨高温热处理还原的方法，包括如下步骤：
1)首先将立式管式炉通过真空泵抽真空1-3次至压力为-100～-60Pa，补惰性气体至压力为0-20kPa，炉膛以不超过5℃/min的升温速度升至800-1300℃，以避免温度变化过快导致炉管损坏；
2)开启气力输送器，氧化石墨经气力输送器流化后，经预热器送至立式管式炉，在重力和气力输送器的作用下，由上而下通过立式管式炉高温区，氧化石墨快速受热剥离为石墨烯，并产生大量气体；
3)石墨烯、少量未充分反应的氧化石墨和反应产生的废气沿出口管路经换热器冷却后，通过旋风分离器，未充分反应的氧化石墨收集于旋风分离器底部，石墨烯和废气送至收集罐；
4)废气经收集罐上方过滤器(8)过滤后排出，石墨烯收集于收集罐底部。
所述氧化石墨颗粒尺寸为30-700目，以保证氧化石墨可经气力输送器充分流化输送。
所述惰性气体是指氮气(N2)、氩气(Ar)、氦气(He)等，优选为N2。
所述气力输送器为实现连续入料和使氧化石墨粉体流化的关键装置。其原理是，压缩气体经进气口流入环形高压腔后，高速流过喷嘴，高速气流在入口处产生低压区，入口处的物料吸入后被高速气流流化，并随着气流输送至指定位置。
所述气力输送器的材质为不锈钢、铝合金等，优选为不锈钢。气力输送器使用的压缩气体同所述惰性气体，优选为N2。惰性气体压力范围为0.1-0.7MPa。
所述物料由气力输送器送至管式炉前，可设置预热器初步预热物料，以节省立式管式炉热量。预热器可选材质为SUS304、SUS316L等，优选为SUS304。预热器可选形式为套管式、翅片管式、螺旋板式等，优选为套管式。预热器可以立式炉入料法兰、出料法兰或换热器换热后温水为换热介质，以充分利用能源。换热介质与常温物料逆流换热，以获得较大的换热效率。预热器设保温层隔热，以减少能量损失。
所述换热器作用为为管式炉出口端物料降温。换热器需耐300℃以下高温，可选的换热器材质为SUS304、SUS316L等，优选为SUS316L。换热器可选形式为套管式、翅片管式、螺旋板式等，优选为套管式。换热器以5-20℃水为换热介质，与高温流体逆流换热，以获得较大的换热效率。换热器设保温层隔热，以减少能量损失。
所述管式炉出口管路设有弯头，以改变流体方向，方便与后端装置连接。该弯头包覆在换热器中，防止弯头处温度过高。弯头为长半径弯头(R＝1.5D，D为弯头直径，R为曲率半径)或弯管(R≥1.5D)，以防止弯头处物料沉积。弯头与换热器同材质。
所述旋风分离器可选材质为SUS304、SUS316L等，优选为SUS304。
所述收集罐上部设过滤器，下部设出料阀。收集罐可选材质为SUS304、SUS316L等，优选为SUS304。过滤器过滤精度为5-30μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置，结构科学合理，使用安全方便；
该装置避免了现有技术不便于连续进行氧化石墨高温热处理还原导致无法大批量生产的问题。
本发明的方法能够实现氧化石墨高温热处理还原的连续化生产，操作简单、生产可控、品质稳定、可连续性操作，且节约能源，适合工业化大批量生产，弥补了行业空白。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明结构示意图；
图2为图1中立式管式炉的结构示意图；
图3为图1中收集罐的结构示意图。
图中：1、气力输送器，2、预热器，3、入料法兰，4、立式管式炉，401、箱体外壳，402、加热元件，403、保温层，404、炉管，5、出料法兰，6、换热器，7、旋风分离器，8、过滤器，9、收集罐，10、出料阀，11、排料阀。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1一种可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置
请参阅图1-3，一种可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置，包括气力输送器1、入料法兰3和立式管式炉4。气力输送器1材质为铝合金，供给压缩气体，压力为0.2-0.4MPa。气力输送器1通过入管道与立式管式炉4的入料法兰3相连通。入料法兰3、出料法兰5材质均为SUS304。气力输送器1与立式管式炉4之间连接管道安装有预热器2，预热器2为套管式换热器，材质为SUS304，换热介质为立式炉入料法兰3、出料法兰5或换热器6换热后温水，预热器外部设保温层，立式管式炉4的下端出料法兰5通过管道与旋风分离器7相连通，立式管式炉4与旋风分离器7之间连接管道安装有换热器6，换热器6为翅片管式换热器，换热介质为5℃低温水，旋风分离器7的下端安装有排料阀11，旋风分离器7材质为SUS304，通过排料阀11定期放出不合格品，旋风分离器7的上端与收集罐9相连通，收集罐9的材质SUS304，筒身下部为锥形，收集罐9的内部上方固接有过滤器8，过滤器8为钛金属滤芯，外抛光，过滤精度为20μm，收集罐9的下端安装有出料阀10，出料阀10材质为SUS304，立式管式炉4由箱体外壳401、加热元件402、保温层403和炉管404组成，箱体外壳401的内部内壁安装有保温层403，保温层403为高纯度氧化铝纤维制成，炉管404的材质为高纯度氧化铝陶瓷，保温层403的内部固接有炉管404，炉管404的内部安装有加热元件402，加热元件402由六个中心对称的硅钼棒组成，入料法兰3和出料法兰5的内部均设有夹套，通常用冷水换热，换热器6的外部设保温层，且换热器6包覆出料管路弯头，出料阀10和排料阀11的阀门均为蝶阀。
当需要此可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置使用时，首先使用者可将立式管式炉4通过真空泵抽真空至指定压力1-3次，补惰性气氛至常压或微正压，炉管404按设定的升温程序升温至指定温度，随后开启气力输送器1，使氧化石墨可经气力输送器1流化后，再经预热器2送至立式管式炉4，在重力和气力输送器1的作用下，由上而下通过立式管式炉1的高温区，氧化石墨快速受热，剥离为石墨烯，期间产生大量气体，石墨烯、少量未充分反应的氧化石墨和反应产生的废气继续沿出口管路经换热器6冷却后，通过旋风分离器7，未充分反应的氧化石墨堆积收集在旋风分离器7的底部，石墨烯和废气则送至收集罐9处，石墨烯收集于收集罐9的底部，废气则经收集罐9内部上方的过滤器8过滤后排出，送至废气处理系统处理，在加料、收料完毕后，即可关闭气力输送器1，立式管式炉4按设定程序降温至常压，而后关机即可。
实施例2一种氧化石墨高温热处理还原的方法，利用实施例1所述的装置，具体包括如下步骤：
1)首先将立式管式炉4通过真空泵抽真空3次至压力为-100kPa，补惰性气体He至压力为20kPa，炉膛升温速率以不超过5℃/min的升温速度升至1300℃；
2)开启气力输送器1，尺寸为700目左右的氧化石墨经气力输送器2流化后，经预热器2送至立式管式炉4，在重力和气力输送器1的作用下，由上而下通过立式管式炉4高温区，氧化石墨快速受热剥离为石墨烯，并产生大量气体；
3)石墨烯、少量未充分反应的氧化石墨和反应产生的废气沿出口管路经换热器6冷却后，通过旋风分离器7，未充分反应的氧化石墨收集于旋风分离器7底部，石墨烯和废气送至收集罐9；
4)废气经收集罐9上方过滤器8过滤，石墨烯收集于收集罐9底部，废气排出，送至废气处理系统处理；
5)加料、收料完毕后，即可关闭气力输送器1，立式管式炉4按设定程序降温至常压，而后关机即可。
实施例3一种氧化石墨高温热处理还原的方法，利用实施例1所述的装置，具体包括如下步骤：
1)首先将立式管式炉4通过真空泵抽真空1次至压力为-60kPa，补惰性气体Ar至压力为0kPa，炉膛以不超过5℃/min的升温速度升至800℃；
2)开启气力输送器1，尺寸为30目左右的氧化石墨经气力输送器1流化后，经预热器2送至立式管式炉4，在重力和气力输送器1的作用下，由上而下通过立式管式炉4高温区，氧化石墨快速受热剥离为石墨烯，并产生大量气体；
3)石墨烯、少量未充分反应的氧化石墨和反应产生的废气沿出口管路经换热器6冷却后，通过旋风分离器7，未充分反应的氧化石墨收集于旋风分离器7底部，石墨烯和废气送至收集罐9；
4)废气经收集罐9上方过滤器8过滤，石墨烯收集于收集罐9底部，即得；废气排出，送至废气处理系统处理；
5)加料、收料完毕后，即可关闭气力输送器1，立式管式炉4按设定程序降温至常压，而后关机即可。
实施例4一种氧化石墨高温热处理还原的方法，利用实施例1所述的装置，具体包括如下步骤：
1)首先将立式管式炉4通过真空泵抽真空2次至压力为-80kPa，补惰性气体N2至压力为10kPa，炉膛以不超过5℃/min的升温速度升至1000℃；
2)开启气力输送器1，尺寸为200目左右的氧化石墨经气力输送器1流化后，经预热器2送至立式管式炉4，在重力和气力输送器1的作用下，由上而下通过立式管式炉4高温区，氧化石墨快速受热剥离为石墨烯，并产生大量气体；
3)石墨烯、少量未充分反应的氧化石墨和反应产生的废气沿出口管路经换热器6冷却后，通过旋风分离器7，未充分反应的氧化石墨收集于旋风分离器7底部，石墨烯和废气送至收集罐9；
4)废气经收集罐9上方过滤器8过滤，石墨烯收集于收集罐9底部，即得；废气排出，送至废气处理系统处理；
5)加料、收料完毕后，即可关闭气力输送器1，立式管式炉4按设定程序降温至常压，而后关机即可。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置，其特征在于：包括气力输送器(1)、入料法兰(3)和立式管式炉(4)，所述气力输送器(1)的上方通过管道与立式管式炉(4)的入料法兰(3)相连通，所述气力输送器(1)与立式管式炉(4)之间连接管道安装有预热器(2)，所述立式管式炉(4)的下端出料法兰(5)通过管道与旋风分离器(7)相连通，所述立式管式炉(4)与旋风分离器(7)之间连接管道安装有换热器(6)，所述旋风分离器(7)的下端安装有排料阀(11)，所述旋风分离器(7)的上端与收集罐(9)相连通，所述收集罐(9)的内部上方固接有过滤器(8)，所述收集罐(9)的下端安装有出料阀(10)。
2.根据权利要求1所述的一种可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置，其特征在于：所述入料法兰(3)和出料法兰(5)的内部均设有夹套，用于冷水换热。
3.根据权利要求1所述的可连续生产的氧化石墨高温热处理还原装置，其特征在于：所述换热器(6)的外部设保温层，且换热器(6)包覆出料管路弯头。
4.利用权利要求1-3任一项权利要求所述的装置对氧化石墨高温热处理还原的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)首先将立式管式炉(4)通过真空泵抽真空至指定压力，补惰性气体至常压或微正压，炉膛按设定的升温程序升温至指定温度；
2)开启气力输送器(1)，氧化石墨经气力输送器(1)流化后，经预热器(2)送至立式管式炉(4)，在重力和气力输送器(1)的作用下，由上而下通过立式管式炉(4)高温区，氧化石墨快速受热剥离为石墨烯，并产生大量气体；
3)石墨烯、未充分反应的氧化石墨和反应产生的废气沿出口管路经换热器(6)冷却后，通过旋风分离器(7)，未充分反应的氧化石墨收集于旋风分离器(7)底部，石墨烯和废气送至收集罐(9)；
4)废气经收集罐(9)上方过滤器(8)过滤后排出，石墨烯收集于收集罐(9)底部。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，真空泵抽真空次数为1-3次，指定压力为-60～-100kPa，补惰性气体至压力为0-20kPa，炉膛升温速率以不超过5℃/min的升温速度升至800-1300℃。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氧化石墨颗粒尺寸为30-700目。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气、氩气或氦气。
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CN104894366A (zh) * 2015-05-13 2015-09-09 中国科学院过程工程研究所 一种低品位二氧化锰矿流态化还原的系统及方法
CN209890254U (zh) * 2019-04-10 2020-01-03 广东墨睿科技有限公司 一种热还原氧化石墨烯装置

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