CN112090372A - 一种基于闪爆裂解的爆炸装置及其应用 - Google Patents

一种基于闪爆裂解的爆炸装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于高温高压裂解技术领域，尤其公开了一种基于闪爆裂解的爆炸装置。该爆炸装置包括闪爆发生筒、法兰组件、点火电极棒、抽真空气泵以及原料气罐。本发明通过法兰盘和法兰盖相搭配的方式，使闪爆发生筒形成一密闭空间，而开设在法兰盘和法兰盖上的多个孔分别用于插设点火电极棒或连通抽真空气泵或原料气罐等，满足了该闪爆发生筒内的爆炸反应需求。该爆炸装置结构简单，易于操作，且满足了爆炸反应的安全性要求。基于该爆炸装置，本发明提供的一种全新的炭黑的制备方法，仅乙炔气体参与闪爆裂解反应，乙炔炭黑产物纯度高，无需再提纯，降低了制备成本且无污染。制备方法利用瞬时的闪爆来裂解乙炔，耗能低且转化率高，可以投入工业化生产。

Description

一种基于闪爆裂解的爆炸装置及其应用
技术领域
本发明属于高温高压裂解技术领域，具体来讲，涉及一种基于闪爆裂解的爆炸装置、以及其在乙炔炭黑制备中的应用。
背景技术
高温高压裂解过程一般被用作制备某些特定产品，具有反应迅速、快速制备、操作简单等优势，但采用高温高压裂解法制备产品时，由于其爆炸过程瞬时能量释放巨大，操作危险性大幅提高，因此，一般需要采用特殊的爆炸装置来进行。但基于前述高温高压裂解过程的特性，爆炸装置一般都对结构、及材料等具有较高的要求。
与此同时，乙炔炭黑是一种空间结晶体系、二次结构发达、比表面积非常大的蓬松状的极细黑色粉末。乙炔炭黑几乎被整个电池行业所应用，这主要是因为乙炔炭黑导电性能强、吸液性能很好，再加上无金属及其他杂质，所以使用其做电池材料能够更好地储能，放电损耗少。
目前乙炔炭黑之制备方法，主要是通过将乙炔在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而产生乙炔炭黑。先将分解反应装置预先加热到800℃，然后再将乙炔气体和一定量的空气通入反应装置内进行分解反应，期间，需要控温系统自行调节温度来控制分解程度。为保证乙炔炭黑的品质，则需要控温系统将反应装置温度维持在1800℃，达到如此高的分解温度需要很长的加热时间。得到乙炔炭黑后，如果想进一步提高其品质，还需要进行去除杂质、提纯处理工作。
综上所述，目前乙炔炭黑制备工艺存在如下问题：工艺复杂、对控温系统精确度要求高、耗能高、生产周期长、生产效率低、生产成本高、产品品质低、污染大，这就导致市面上乙炔炭黑价格居高不下。
因此，很有必要基于高温高压裂解技术发明一种爆炸装置，且通过研究改进目前乙炔炭黑的制备工艺，利用该爆炸装置提供制备乙炔炭黑的新方法，用以抑制乙炔炭黑价格的上升。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于闪爆裂解的爆炸装置，该爆炸装置结构简单、操作方便，能够简单安全地进行爆炸反应。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于闪爆裂解的爆炸装置，其包括下述组件：
闪爆发生筒，所述闪爆发生筒为一端具有开口的中空筒体；
法兰组件，所述法兰组件包括法兰盘、法兰盖和密封垫圈；其中，所述法兰盘卡设在所述闪爆发生筒的开口处，所述法兰盖对扣于所述法兰盘上，所述密封垫圈夹设于所述法兰盘和所述法兰盖之间；所述法兰盖上开设有电极螺纹孔和进出气孔；
点火电极棒，所述点火电极棒插设在所述电极螺纹孔内、且所述点火电极棒的底端位于所述闪爆发生筒的内部；
抽真空气泵，所述抽真空气泵经由所述进出气孔与所述闪爆发生筒连通；
及原料气罐，所述原料气罐经由所述进出气孔与所述闪爆发生筒连通，且所述原料气罐与所述抽真空气泵至多择一连通。
进一步地，所述法兰盖上还开设有测压螺纹孔，所述爆炸装置还包括压力计；其中，所述压力计经由所述测压螺纹孔与所述闪爆发生筒连通。
进一步地，所述电极螺纹孔开设在所述法兰盖的中心位置。
优选地，所述进出气孔和所述测压螺纹孔布设在所述电极螺纹孔的两侧。
进一步地，所述法兰盘和所述法兰盖通过密封螺栓固定密封。
进一步地，所述爆炸装置还包括与所述点火电极棒电连接的起爆器，所述起爆器用以对所述点火电极棒通电以实现点火。
进一步地，所述法兰盖和所述闪爆发生筒的材料均为碳钢。
本发明的另一目的还在于提供了一种基于如上任一所述的爆炸装置的乙炔炭黑的制备方法，其包括下述步骤：
S1、将点火电极棒经由电极螺纹孔，插设于闪爆发生筒的内部；
S2、将密封垫圈至于法兰盘和法兰盖之间，并将法兰盘和法兰盖密封，使闪爆发生筒的内部形成密闭空间；
S3、采用抽真空气泵将所述闪爆发生筒内部抽至真空状态，再由原料气罐向所述闪爆发生筒内注入乙炔；
S4、对所述点火电极棒通电以进行点火，点火后产生的能量释放引爆所述闪爆发生筒内的乙炔，产生乙炔炭黑。
进一步地，在所述步骤S4中，点火方式选自熔断丝、化学点火头、电阻丝、电火花中的任意一种。
进一步地，所述制备方法还包括步骤S5：打开进出气孔，以使所述闪爆发生筒内的副产废气排出。
本发明通过法兰盘和法兰盖相搭配的方式，使闪爆发生筒形成一密闭空间，而开设在法兰盘和法兰盖上的多个孔分别用于插设点火电极棒或连通抽真空气泵或原料气罐等，满足了该闪爆发生筒内的爆炸反应需求。该爆炸装置结构简单，易于操作，且满足了爆炸反应的安全性要求。基于该爆炸装置，本发明所提供的一种全新的炭黑的制备方法，其一，其仅作为原料的乙炔气体参与闪爆裂解反应，无其他杂质，生成的乙炔炭黑无其他杂质，纯度高，相比现有技术中的一般制备方法，无需制备后再进行提纯处理，不仅降低了制备成本而且不会造成污染；其二，该制备方法利用瞬时的闪爆来裂解乙炔，不仅耗能低，也保证了近乎100％的转化率；其三，基于前述爆炸装置来制备乙炔炭黑，工艺简单、易于操作、生产周期短、效率高，可以投入工业化生产。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的爆炸装置的结构示意图；
图2是根据本发明的爆炸装置中套设有法兰盘的闪爆发生筒的结构示意图；
图3是根据本发明的爆炸装置中法兰盖的结构示意图；
图4是根据本发明的实施例1所得产物的XRD图片；
图5和图6是根据本发明的实施例1所得产物在不同倍率下的SEM图片；
图7是根据本发明的实施例2所得产物的XRD图片；
图8和图9是根据本发明的实施例2所得产物在不同倍率下的SEM图片。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。
需要说明的是，在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
基于现有技术中采用高温高压裂解技术时对爆炸装置的特殊要求，本发明提供了一种基于闪爆裂解的爆炸装置，该爆炸装置具有结构简单、易于操作的效果。
具体参照图1，该爆炸装置包括下述各组件：闪爆发生筒1、法兰组件2、点火电极棒3、抽真空气泵4以及原料气罐5。
具体来讲，参照图2所示，闪爆发生筒1为一端具有开口11的中空筒体。而法兰组件2包括法兰盘21、法兰盖22和密封垫圈23；其中，法兰盘21卡设在闪爆发生筒1的开口11处，法兰盖22对扣于法兰盘21上，且密封垫圈23夹设于二者之间，以对闪爆发生筒1实现密封作用，使闪爆发生筒1形成一密闭的空间。
具体参照图3，法兰盖22上开设有电极螺纹孔221和进出气孔222。其中点火电极棒3插设在电极螺纹孔221内、且该点火电极棒3的底端位于闪爆发生筒1的内部；而该进出气孔222上则连通有抽真空气泵4和原料气罐5两部分，二者均通过进出气孔222与闪爆发生筒1实现连通。
抽真空气泵4用于对闪爆发生筒1内进行抽真空，而原料气罐5则用于存储充至闪爆发生筒1内的反应气体。
一般来讲，在使用该爆炸装置时，抽真空气泵4和原料气罐5至多择一连通至闪爆发生筒1内，即或者二者中的一个与闪爆发生筒1之间处于连通状态，或者二者均处于关闭未与闪爆发生筒1发生连通的状态。
进一步地，法兰盖22上还开设有测压螺纹孔223，且该爆炸装置还包括压力计6。该压力计6经由测压螺纹孔223与闪爆发生筒1连通。
为了保证该爆炸装置在使用时，其内部能发生稳定的燃爆反应，优选将电极螺纹孔221开设在法兰盖22的中心位置处，如此即保证了点火电极棒3在使用时位于闪爆发生筒1的中轴线上而能够均匀引发爆炸。
进一步优选地，进出气孔222和测压螺纹孔223对称布设在电极螺纹孔221的两侧。
优选地，法兰盘21和法兰盖22之间通过密封螺栓(图中未示出)固定密封；即在法兰盘21的外围一周布设有若干下密封螺栓孔211，而在法兰盖21的外围一周布设有若干上密封螺栓孔214，每一个上密封螺栓孔214与每一个下密封螺栓孔121相对且用密封螺栓固定即可。
作为进一步的说明，该爆炸装置还包括与点火电极棒3电连接的起爆器(图中未示出)。该起爆器用以对点火电极棒3通电以实现点火。
进一步地，在使用该爆炸装置时，可采用熔断丝、化学点火头、电阻丝、电火花中的任意一种，如采用熔断丝的方式点火，则将熔断丝固定于点火电极棒3的底端，当起爆器启动对点火电极棒3通电后，熔断丝受热熔断即可引发闪爆。
作为一种用作内部发生爆炸反应的装置，优选以碳钢作为法兰盖22和闪爆发生筒1的材料。
本发明提供的上述爆炸装置可用于基于爆炸法制备某些物质，如本发明提供了下述乙炔炭黑的制备方法。
具体来讲，该制备方法包括下述步骤：
在步骤S1中，将点火电极棒3经由电极螺纹孔221插设于闪爆发生筒1的内部。
根据点火方式的不同，如可在点火电极棒3的底端拉设熔断丝、电阻丝、化学点火头等，也可不设置其他点火材质，仅采用电火花方式，此处不再赘述。
在步骤S2中，将密封垫圈23至于法兰盘21和法兰盖22之间，并将法兰盘21和法兰盖22密封，使闪爆发生筒1的内部形成密闭空间。
在步骤S3中，采用抽真空气泵4将闪爆发生筒1内部抽至真空状态，再由原料气罐5向闪爆发生筒1内注入乙炔。
值得说明的是，本步骤中向闪爆发生筒1内进乙炔气体至P0 MPa，其中P0为制备炭黑前注入的乙炔气体的初始压力，其具体数值根据实际工艺需求选择不同厚度及形状的爆炸装置，不受限制。一般而言，初始压力越大，选择的爆炸装置中闪爆发生筒1的厚度就越大。
在步骤S4中，对点火电极棒3通电以进行点火，点火后产生的能量释放引爆闪爆发生筒1内的乙炔，产生乙炔炭黑。
在步骤S5中，打开进出气孔222，以使闪爆发生筒1内的副产废气排出，收集乙炔炭黑产物。
以下，将通过具体的实施例来体现本发明的上述全新的乙炔炭黑的制备方法，值得说明的是，本发明的上述制备方法并不限于以下实施例中的反应条件所述，下述实施例仅是以上制备方法的具体示例。
在下述实施例中，具体控制该爆炸装置中各部件的尺寸如下：闪爆发生筒1的尺寸为φ273mm*424mm*12mm；法兰盖22的直径为425mm、厚度为40mm；测压螺纹孔223的尺寸为M20*1.5(即直径为20mm，螺纹牙距为1.5mm，下同)；电极螺纹孔221的尺寸为M40*2；进出气孔222的尺寸为M20*1.5。
实施例1
首先，将熔断丝固定在点火电极棒上，并控制两根点火电极棒之间的距离为2mm，置于闪爆发生筒内的上端中央部位。
然后，将聚四氟乙烯材质的密封垫圈(φ340/φ273*3，其中3表示厚度为3mm)放置在法兰盖和法兰盘之间，使用密封双头螺栓(M27*120)通过上密封螺栓孔和下密封螺栓孔将法兰盖和法兰盘固定密封在一起。
再次，使用抽真空气泵将闪爆发生筒内抽至完全真空，静置10min，若压力计没有发生任何变化，说明闪爆发生筒的气密性很好，则向闪爆发生筒内进乙炔气体至0.2MPa。再静置10min，若压力计没有发生任何变化，则使用隔离变压起爆器对熔断丝进行点火，熔断丝熔断过程中释放能量瞬间引爆，闪爆乙炔气体使其裂解。
最后，打开进出气孔将裂解过程产生的废气排出，收集闪爆发生筒中的黑色产物。
为了表征该闪爆裂解反应生成的黑色产物，使用D8ADVANCEX射线衍射仪检测该黑色产物，获得的XRD图片如图4所示。从图4中可以看出，该黑色产物为石墨化的乙炔炭黑。
采用JEOLJSM-6380LV型场发射扫描电镜测试该乙炔炭黑，在不同放大倍率下获得的SEM图片如图5和图6所示。从图5和图6中可以看出，获得的乙炔炭黑为纳米级球形颗粒。
采用BT-9300H激光粒度分布仪测试该乙炔炭黑的粒径，其中位径d50为101.23nm。
实施例2
首先，将电阻丝固定在点火电极棒上，并控制两根点火电极棒之间的距离为2mm，置于闪爆发生筒内的上端中央部位。
然后，将聚四氟乙烯材质的密封垫圈(φ340/φ273*3)放置在法兰盖和法兰盘之间，使用密封双头螺栓(M27*120)通过上密封螺栓孔和下密封螺栓孔将法兰盖和法兰盘固定密封在一起。
再次，使用抽真空气泵将闪爆发生筒抽至完全真空，静置10min，若压力计没有发生任何变化，说明闪爆发生筒的气密性很好，则向闪爆发生筒内进乙炔气体至0.4MPa。再静置10min，若压力计没有发生任何变化，则使用隔离变压起爆器对电阻丝进行点火，电阻丝释放能量瞬间引爆，闪爆乙炔气体使其裂解。
最后，打开进出气孔将裂解过程产生的废气排出，收集闪爆发生筒中的黑色产物。
为了表征该闪爆裂解反应生成的黑色产物，使用D8ADVANCEX射线衍射仪检测该黑色产物，获得的XRD图片如图7所示。从图7中可以看出，该黑色产物为石墨化的乙炔炭黑。
采用JEOLJSM-6380LV型场发射扫描电镜测试该乙炔炭黑，在不同放大倍率下获得的SEM图片如图8和图9所示。从图8和图9中可以看出，获得的乙炔炭黑为纳米级球形颗粒。
采用BT-9300H激光粒度分布仪测试该乙炔炭黑的粒径，其中位径d50为56.18nm。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (9)

1.一种基于闪爆裂解的爆炸装置，其特征在于，包括下述组件：
闪爆发生筒，所述闪爆发生筒为一端具有开口的中空筒体；
法兰组件，所述法兰组件包括法兰盘、法兰盖和密封垫圈；其中，所述法兰盘卡设在所述闪爆发生筒的开口处，所述法兰盖对扣于所述法兰盘上，所述密封垫圈夹设于所述法兰盘和所述法兰盖之间；所述法兰盖上开设有电极螺纹孔和进出气孔；
点火电极棒，所述点火电极棒插设在所述电极螺纹孔内、且所述点火电极棒的底端位于所述闪爆发生筒的内部；
抽真空气泵，所述抽真空气泵经由所述进出气孔与所述闪爆发生筒连通；
及原料气罐，所述原料气罐经由所述进出气孔与所述闪爆发生筒连通，且所述原料气罐与所述抽真空气泵至多择一连通。
2.根据权利要求1所述的爆炸装置，其特征在于，所述法兰盖上还开设有测压螺纹孔，所述爆炸装置还包括压力计；其中，所述压力计经由所述测压螺纹孔与所述闪爆发生筒连通。
3.根据权利要求1或2所述的爆炸装置，其特征在于，所述电极螺纹孔开设在所述法兰盖的中心位置。
4.根据权利要求3所述的爆炸装置，其特征在于，所述法兰盘和所述法兰盖通过密封螺栓固定密封。
5.根据权利要求1所述的爆炸装置，其特征在于，所述爆炸装置还包括与所述点火电极棒电连接的起爆器，所述起爆器用以对所述点火电极棒通电以实现点火。
6.根据权利要求1所述的爆炸装置，其特征在于，所述法兰盖和所述闪爆发生筒的材料均为碳钢。
7.一种基于权利要求1-6任一所述的爆炸装置的乙炔炭黑的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、将点火电极棒经由电极螺纹孔，插设于闪爆发生筒的内部；
S2、将密封垫圈至于法兰盘和法兰盖之间，并将法兰盘和法兰盖密封，使闪爆发生筒的内部形成密闭空间；
S3、采用抽真空气泵将所述闪爆发生筒内部抽至真空状态，再由原料气罐向所述闪爆发生筒内注入乙炔；
S4、对所述点火电极棒通电以进行点火，点火后产生的能量释放引爆所述闪爆发生筒内的乙炔，产生乙炔炭黑。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，点火方式选自熔断丝、化学点火头、电阻丝、电火花中的任意一种。
9.根据权利要求7或8任一所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤S5：打开进出气孔，以使所述闪爆发生筒内的副产废气排出。
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