CN117983167A - 一种中间相沥青、通用级沥青制备系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种中间相沥青、通用级沥青制备系统及方法，属于沥青制备技术领域，系统包括：原料罐、环管反应器、产品罐及冷凝分离器，环管反应器与原料罐的原料罐出口连接；产品罐与环管反应器的反应器出料连接；冷凝分离器与产品罐的出口连接；原料罐的底部高度高于冷凝分离器顶部高度。该系统采用环管方式进行聚合反应，反应充分，受热均匀，解决了连续生产、分层的问题。

Description

一种中间相沥青、通用级沥青制备系统及方法

技术领域

本发明涉及沥青制备技术领域，具体涉及一种中间相沥青、通用级沥青制备系统及方法。

背景技术

中间相沥青是多环芳烃向焦炭转化过程中的中间产物，是由扁盘状稠环芳烃组成的混合物，相对分子质量在370~2000之间，具有光学各向异性，是制备高性能碳纤维、多孔炭、中间相炭微球等新型炭材料的优质原料。中间相沥青、通用级沥青自上世纪开展相关制备工艺研究，主要分为直接热缩聚法和催化改性法、共炭化方法等。而通用级沥青相较于中间相沥青，具有光学各向同性的特点。

中间相沥青的制备过程主要包括以下步骤：原料选择：中间相沥青的原料可以是煤焦油沥青、石油沥青、纯芳烃类物质以及它们的共混体。根据原料不同及下游产品要求的不同，制备工艺均有所不同。例如现有技术公开的一种方案：主要是以煤为原料制备中间相沥青，其首先对煤沥青进行360～400℃预热缩聚反应、精密热过滤和切割轻组分处理得到极低喹啉不溶物含量的精制煤沥青，然后将精制中温煤沥青在反应温度400℃-460℃、压力3-5MPa，搅拌速率50-500r/min下进行热缩聚反应1-10小时，制得中间相沥青。例如现有技术公开的另一种方案：主要以石油残渣为原料，采用共碳化方法对原料精制处理，制备得到中间相沥青，将环烷基常压渣油馏分与环烷基减压馏分油的催化裂化油浆首先进行一次共碳化处理，得到一次共碳化沥青，进一步在惰性气氛下将上述一次共碳化沥青与环烷基减压馏分油的催化裂化油浆进行二次共碳化处理，得到的中间相沥青软化点较低，仅为200～260℃。目前其工艺条件复杂，其收率较低。

现有的中间相沥青、通用级沥青反应主要采用釜式反应器，无法实现连续生产，同时在聚合反应过程中，因物料传热能力受限，导致物料反应不均匀，在搅拌的过程中，产生物料分层的问题，轻组分分布在上方，重组分因物理性质不同，在底部聚集，最终产生的中间相沥青、通用级沥青均一性差。

发明内容

为解决这些问题，本发明提供了一种中间相沥青、通用级沥青制备系统及方法，该系统采用环管方式进行聚合反应，反应充分，受热均匀，解决了连续生产、分层的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供一种中间相沥青、通用级沥青制备系统，包括：

原料罐；

环管反应器，所述环管反应器与原料罐的原料罐出口连接；环管反应器具有连续、细长的反应管道，所述反应管道盘绕在环管反应器13的壳体内，所述反应管道的长径比为（200-10000）:1；

及冷凝分离器，所述冷凝分离器与环管反应器的出口连接。

作为本发明进一步改进，还包括产品罐，所述产品罐与环管反应器的反应器出料连接。

作为本发明进一步改进，所述产品罐具有产品加热单元和产品液位控制单元；

所述原料罐的底部高度高于冷凝分离器顶部高度；所述冷凝分离器中具有冷却管，冷却管采用下进上出布置方式。

作为本发明进一步改进，所述原料罐具有第一回流线，所述环管反应器具有第二回流线；

所述原料罐通过泵与环管反应器连接；

所述第一回流线的一端与泵的出口连接，另一端与原料罐进料口连接；

所述第二回流线的一端与环管反应器的反应器出料连接，另一端与泵的入口连接。

作为本发明进一步改进，所述原料罐顶部设置有惰性气体线、放空线；原料罐壳体上设置有原料加热单元、原料液位控制单元。

作为本发明进一步改进，所述产品罐包括第一产品罐和第二产品罐；第一产品罐和第二产品罐并联设置；第一产品罐和第二产品罐的产品出口均与收集线连接；第一产品罐和第二产品罐的气相出口均与冷凝分离器的气相进口连接。

作为本发明进一步改进，所述冷凝分离器包括：罐体、进气管线、导流组件，所述进气管线伸入罐体中并将气相送至罐体底部；导流组件包括在罐体内由上至下依次布置的上位孔板、上位导流环、下位导流环及下位孔板。

作为本发明进一步改进，所述环管反应器为盘管式反应器、水平管式反应器、立管式反应器、列管式反应器或中心插入管式反应器。

第二方面，本发明提供一种中间相沥青、通用级沥青制备方法，包括：

将原料预热到200-300℃；

原料预热后进入环管反应器中，对环管反应器进行加热，在惰性气体中，200-500℃下进行循环回流反应；

对循环回流反应得到的产物进行初步分离，得到气相；

所述气相通过惰性气体带出，再通过冷凝分离器回收油相。

作为本发明进一步改进，所述环管反应器中，

制备中间相沥青的条件为：在惰性气体氛围下，300-500℃下反应1-8h，再循环反应1-12h；

制备通用级沥青的条件为：在惰性气体氛围下，200-400℃下反应1-8h，再通过空气氧化1-12h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明反应过程采用环管反应器，增大加热面积，使受热更加均匀，反应更加均匀；通过循环回流反应，能够有效解决反应器中产品分层问题，同时可以实现连续循环反应；通过提高环管反应器长度，延长物料在反应器中的停留时间，使反应更加充分。现在常用的制备中间相沥青、通用级沥青的工艺采用釜式反应器，而本发明采用上位进料的方式进行进料，用于解决高粘度物料，高温物料进料的问题；采用集液罐的方式进行收集产物，解决了产品的气液分离的问题；采用环管反应器进行加热，通过增加反应面积，解决釜式反应器传质传热的问题，使受热均匀，解决了连续生产、分层的问题。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：

图1为本发明的一种中间相沥青、通用级沥青制备系统示意图；

图2为本发明提供的盘管式环管反应器结构示意图；

图3为本发明提供的立管式反应器结构示意图；

图4为本发明提供的水平管式反应器结构示意图；

图5为本发明提供的列管式反应器结构示意图；

图6为本发明提供的中心插入管式反应器结构示意图；

图中，1、惰性气体线；2、放空线；3、压力表；4、原料罐；5、原料加热单元；6、原料液位控制单元；7、第一回流线；8、原料罐出口；9、泵；10、第二回流线；11、反应器进料；12、反应器出料；13、环管反应器；14、第一进口；15、第一产品罐；16、第一电伴热；17、第一出口；18、第一液位控制单元；19、气相出口；20、气相进口；21、冷却水进口；22、冷凝分离器；23、液相出口；24、第二进口；25、第二产品罐；26、第二出口；27、第二液位控制单元；28、第二电伴热；29、收集线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明第一个目的是提供一种中间相沥青、通用级沥青制备系统，整个装置包括原料罐4、泵9、环管反应器13、回流线、产品罐、冷凝分离器22等部位。

本发明的环管反应器13具有连续、细长的反应管道，所述反应管道的长径比为（200-10000）:1。主要研究环管反应器的管径对中间相沥青、通用级沥青的制备工艺。

其中，原料罐4具有第一回流线7；环管反应器13与原料罐4的原料罐出口8连接，环管反应器13具有第二回流线10；产品罐与环管反应器13的反应器出料12连接；冷凝分离器22与产品罐的出口连接。

其中，产品罐可能会改进为造粒机、分离器可能替换成燃烧法。

本发明的系统主要是利用环管反应器13进行反应。环管反应器13具有连续、细长的反应管道，所述反应管道盘绕在环管反应器13的壳体内，所述反应管道的长径比为（200-10000）:1。环管反应器13反应具有强烈的混合和反应均匀性：环管反应器13通过其特殊的设计，能够实现强烈的混合效果，确保原料在反应器内均匀分布。环管反应器13在运行过程中，能够有效地抑制发泡现象，减少浮力对反应过程的影响，并防止重质组分的分离。尤其是针对中间相沥青、通用级沥青这种粘度大、反应特殊的物质。

与传统的生物反应器相比，现有的中间相沥青、通用级沥青反应因反应不均匀、不稳定，导致中间相沥青、通用级沥青均一性差，容易产生分层的问题。本发明利用环管反应器13进行反应，无需添加化学添加剂或使用机械搅拌器来维持混合效果，这有助于减少生产成本，提高产品质量，并降低环境污染。制得的中间相沥青、通用级沥青均一性好，且不产生分层。

本发明采用环管反应器13制备中间相沥青和通用级沥青，环管反应器13具有长径比大的特点，使得流体在反应器内有足够的空间和时间进行充分的混合和反应。这有助于增加反应物之间的接触面积，提高反应速率和转化率，从而制备出高质量的中间相沥青和通用级沥青。

环管反应器13通过精确控制反应温度、压力、流速等参数，可以实现对反应过程的精确控制。这有助于获得所需的沥青性质和结构，满足不同的应用需求。环管反应器13的特殊结构使得流体在反应器内的流动路径较长，增加了流体与反应器壁之间的热交换面积，有利于传热和传质过程的进行。这有助于提高沥青制备的效率和质量。环管反应器13采用连续化生产方式，可以实现原料的高效利用和废弃物的减量化。同时，通过精确控制反应条件和优化工艺流程，还可以降低能源消耗和环境污染，实现绿色生产。

采用上位进料的方式进行进料，用于解决中间相沥青、通用级沥青作为高粘度物料进料困难的问题；采用集液罐的方式进行收集产物，用于解决产品的气液分离问题。

在图1中，原料罐4通过泵9与环管反应器13连接；第一回流线7的一端与泵9的出口连接，另一端与原料罐4进料口连接；第二回流线10的一端与环管反应器13的反应器出料12连接，另一端与泵9的入口连接。

其中，原料罐4顶部设置有惰性气体线1、放空线2；原料罐4壳体上设置有原料加热单元5、原料液位控制单元6。

原料罐4包括罐体、泵、惰性气体线、原料进口、回流线、泵循环线、系统进口线等部分。其中罐体为高温高压罐，设置有液位显示、压力表、加热器及温度控制、循环控制，用于实现原料预热和惰性气体保护。其中泵为高温变频泵，设置有泵循环线、回流线、系统进口线，用于实现系统进料和物料回流。整段装置的所有管线均设置有原料加热单元5，例如可以采用电伴热。

为了保证反应的流畅性，原料罐4的底部高度高于冷凝分离器22顶部高度。

通过原料罐加热，利用高温齿轮泵高位上料，从而降低物料运动粘度，增加流动性能，减少运动阻力，高效实现高粘物料进料问题；增加回流工艺，有效解决物料分层问题。通过增加惰性气体置换，降低进料过程中的安全风险。

本发明的实施方式如下：

1）进料步骤；

第一步，打开加热器，预热原料；第二步，惰性气体通过惰性气体线进入罐体，起到氮封作用；同时增加罐体内压力，降低泵负担，第三步，原料从原料进口进入罐体内；第四步，通过泵将原料从底部出口线打入系统进口线；第五步，原料通过液位差，进入系统内；

2）回流步骤；原料通过回流线，在罐体和泵之间循环，充分均匀加热，防止原料出现分层现象。泵前后增加一条泵循环线，可以调控流量且起到保护泵电机的作用。

3）全自动补料步骤；

第一步，当罐体内液位低于设定值时，自动打开原料进口补充进入罐体内；第二步补充原料随原有物料开展循环。

可选地，产品罐包括第一产品罐15和第二产品罐25；第一产品罐15和第二产品罐25并联设置；第一产品罐15和第二产品罐25的产品出口均与收集线29连接；第一产品罐15和第二产品罐25的气相出口均与冷凝分离器22的气相进口20连接。

作为可选方案，每个产品罐均具有一个产品加热单元和一个产品液位控制单元。

可选地，产品罐与环管反应器13布置在同一水平面上。冷凝分离器22的布置高度高于产品罐的高度，低于原料罐4的高度。

作为可选实施例，产品罐还设置有液位计、压力控制、温度控制等。第一产品罐15顶端与气相出线、进料线相连，底端与产品线相连。第二产品罐25顶端与气相出线、进料线相连，底端与产品线相连。

回收方式通过产品罐（可以设置2个，采用一开一备或两开方式），缓冲存储及轻组分分离，初步达到分离效果，提升成品料纯度，增加成品的收率及综合指数，高温气相在进入放空线后进入冷凝分离器内，二次分离不凝气，进一步提升轻组分分离效果，降低整体工艺安全风险，提高成品工艺采收过程的稳定性；可以按照要求，获得不同馏程的产品，实现工艺的多样化。

可选地，作为另一种实施例，采用造粒器的形式完成产品收集。在惰性气体氛围下，对产品降温至合适温度，再进行给料、挤压、切割、出料的过程，最终将产品转化为颗粒状的产品，从而提高物料的密度和比表面积，并增加了物料的便携性。

作为一种可选实施例，冷凝分离器22包括：罐体、进气管线、导流组件，进气管线伸入罐体中并将气相送至罐体底部；导流组件包括在罐体内由上至下依次布置的上位孔板、上位导流环、下位导流环及下位孔板。

可选地，作为另一种实施例，冷凝分离器22中具有冷却管，冷却管采用下进上出布置方式。冷凝分离器22顶端与气相进线、进料线、放空线相连，底端与液相出线相连。

冷凝分离器22，用于中间相沥青、通用级沥青装置的出口气相的水封安全处理，并根据物理特性排除大部分气相，同时将高温气体冷却至凝点状态。

本发明还提供一种中间相沥青、通用级沥青制备方法，包括：

S1，将原料在原料罐4中预热到200-300℃；

S2，进入环管反应器13中，对环管反应器13进行均匀加热，在惰性气氛围下，在200-500℃下进行循环回流反应；

S3，反应产物进入产品罐进行初步分离，得到气相；

S4，产品罐中的气相通过惰性气体带出，进入冷凝分离器22进行回收油相。

其中，环管反应器13中，

制备中间相沥青的条件为：在惰性气体氛围下，300-500℃下反应1-8h，再循环反应1-12h；

制备通用级沥青的条件为：在惰性气体氛围下，200-400℃下反应1-8h，再通过空气氧化1-12h。

以下结合实施例对本发明的方法进行详细说明：

（1）第一步，采用高位进料的方式，在进料罐中预热到200-300℃，使用泵或者其他方式进行进料，进入环管反应器13中。进料原料可以为煤焦油、催化油浆、乙烯裂解焦油预处理后馏分油等。可以通过进气线加热惰性气体进行置换或者空气进行氧化。

（2）第二步，使用熔盐加热、远红外加热、空气加热、电加热套或者其他加热方式，对环管反应器13进行均匀加热。在惰性气体氛围下，加热器循环进行反应，在200-500℃的温度下进行。

（3）第三步，使用泵或者其他方式，将物料通过回流线进行回流；

（4）第四步，惰性气体带出气相，通过气液分离器冷凝回收利用，其余不凝气进入放空线；

（5）第五步，最终产品循环反应1-12h后，进入集液罐中存储并收集。

其中，如图2至图3所示，环管式反应器形式，包括但不限于包括盘管式、立管式、水平管式、连续U型管列管式、中心插入管式，优选盘管式。

以长度不同的环管式反应器（盘管）为例

以不同形式的环管式反应器（包括盘管式、立管式、水平管式、列管式、中心插入管式，具体见图2至图6所示）为例进行说明：

以不同的加热形式为例：

采用熔盐加热，可以实现温度均匀分布，避免了传统加热方式中出现的局部过热或过冷现象，最大温差可以做到±0.2%；同时，其传热效率高，能够快速将热量传递到被加热物体上，从而提高加热效率，降低能源消耗。

申请人经过研究发现环管反应器13是一种特殊的化学反应器，尤其是针对中间相沥青、通用级沥青的制备，为了确保其连续化高效生产、反应充分、受热均匀的问题，其设计特点在于：长度与直径之比为（200-10000）:1。

这种高长径比的设计主要有以下几个作用：

在环管反应器13中，流体沿着长轴方向流动，由于长径比非常大，流体在反应器内有足够的空间和时间进行充分的混合和反应。这有助于增加反应物之间的接触面积，提高反应速率和转化率。

高长径比的设计使得环管反应器13在传热和传质方面具有优势。流体在反应器内流动时，由于长度较长，流体与反应器壁之间的热交换更加充分，有利于控制反应温度。同时，长径比大也意味着流体在反应器内的停留时间更长，有利于反应物之间的传质过程。

申请人经过对比和试验，发现针对中间相沥青、通用级沥青的连续化生产，环管反应器13的高长径比为（200-10000）:1的设计有助于提高流体混合效果、优化传热和传质过程、适应不同规模的生产需求。

以乙烯裂解焦油预处理后馏分油为例，具体包括：

1）通过环管反应器13制备中间相沥青：

在惰性气体氛围下，温度在300-500℃下进行，反应1-8h，再循环反应1-12h，得到中间相含量为90%以上的中间相沥青，软化点在270-300℃，收率大于20%；

2）通过环管反应器13制备通用级沥青：在惰性气体氛围下，温度在200-400℃下进行，反应1-8h，再通过空气氧化1-12h，得到软化点在200℃以上的通用级沥青；

3）以盘管1-20为例与已公开的釜式反应器相比：

通过对比可以得出，在釜式反应器聚合反应过程中，中间相与非中间相组分因物理性质不同会发生明显不同，同时釜式反应过程中因传质传热不理想，导致整体物料受热不均匀，尤其是釜底和釜顶差异明显，其釜底因重物料集中且热量聚集，极易发生过度聚合，而导致其软化点、中间相含量远大于顶部，而环管式反应器通过增大加热面积，使受热更加均匀，反应更加均匀以及通过循环回流反应，能够有效解决反应器中产品分层问题，同时可以实现连续循环反应。

4）以不同长径比，环管式反应器作对比：

通过对比可以得出，在不同长径比的环管式反应器内，因长径比越长，环管式反应器内传质传热效果越好，物料在环管式反应器中停留的时间越长，物料得到更加充分的混合、反应，最终得到的中间相沥青中间相含量更高。

通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (8)

1.一种中间相沥青、通用级沥青制备系统，其特征在于，包括：

原料罐（4）；

环管反应器（13），所述环管反应器（13）与原料罐（4）的原料罐出口（8）连接；环管反应器（13）具有连续、细长的反应管道，所述反应管道盘绕在环管反应器（13）的壳体内，所述反应管道的长径比为（200-10000）:1；

冷凝分离器（22），所述冷凝分离器（22）与环管反应器（13）的出口连接；

及产品罐，所述产品罐与环管反应器（13）的反应器出料（12）连接；

所述原料罐（4）具有第一回流线（7），所述环管反应器（13）具有第二回流线（10）；

所述原料罐（4）通过泵（9）与环管反应器（13）连接；

所述第一回流线（7）的一端与泵（9）的出口连接，另一端与原料罐（4）进料口连接；

所述第二回流线（10）的一端与环管反应器（13）的反应器出料（12）连接，另一端与泵（9）的入口连接。

2.根据权利要求1所述的中间相沥青、通用级沥青制备系统，其特征在于，所述产品罐具有产品加热单元和产品液位控制单元；

所述原料罐（4）的底部高度高于冷凝分离器（22）顶部高度；所述冷凝分离器（22）中具有冷却管，冷却管采用下进上出布置方式。

3.根据权利要求1所述的中间相沥青、通用级沥青制备系统，其特征在于，所述原料罐（4）顶部设置有惰性气体线（1）、放空线（2）；原料罐（4）壳体上设置有原料加热单元（5）、原料液位控制单元（6）。

4.根据权利要求1所述的中间相沥青、通用级沥青制备系统，其特征在于，所述产品罐包括第一产品罐（15）和第二产品罐（25）；第一产品罐（15）和第二产品罐（25）并联设置；第一产品罐（15）和第二产品罐（25）的产品出口均与收集线（29）连接；第一产品罐（15）和第二产品罐（25）的气相出口均与冷凝分离器（22）的气相进口（20）连接。

5.根据权利要求1所述的中间相沥青、通用级沥青制备系统，其特征在于，所述冷凝分离器（22）包括：罐体、进气管线、导流组件，所述进气管线伸入罐体中并将气相送至罐体底部；导流组件包括在罐体内由上至下依次布置的上位孔板、上位导流环、下位导流环及下位孔板。

6.根据权利要求1所述的中间相沥青、通用级沥青制备系统，其特征在于，所述环管反应器（13）为盘管式反应器、水平管式反应器、立管式反应器、列管式反应器或中心插入管式反应器。

7.一种中间相沥青、通用级沥青制备方法，采用权利要求1至6任一项所述的中间相沥青、通用级沥青制备系统，其特征在于，包括：

将原料预热到200-300℃；

原料预热后进入环管反应器（13）中，对环管反应器（13）进行加热，在惰性气体中，200-500℃下进行循环回流反应；

对循环回流反应得到的产物进行初步分离，得到气相；

所述气相通过惰性气体带出，再通过冷凝分离器（22）回收油相。

8.根据权利要求7所述的中间相沥青、通用级沥青制备方法，其特征在于，包括：所述环管反应器（13）中，

制备中间相沥青的条件为：在惰性气体氛围下，300-500℃下反应1-8h，再循环反应1-12h；

制备通用级沥青的条件为：在惰性气体氛围下，200-400℃下反应1-8h，再通过空气氧化1-12h。