CN202410273U - 中间相炭微球制备中的洗涤过滤一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种中间相炭微球制备中的洗涤过滤一体化装置，该装置包括筒体(1)、筒体(1)上设有的上端盖(2)和下端盖(12)、搅拌装置和过滤装置，其中，上端盖(2)位于筒体(1)的上部，并在上端盖(2)上设有加料口(3)、循环消烟装置(5)、压力表(6)；所述过滤装置位于筒体(1)内，包括设置在筒体(1)内底部的筛孔板(11)及筛孔板(11)上铺设的过滤介质(10)；下端盖(12)位于筒体(1)的下部，并与出液管口(18)连接；出液管口(18)上连接有出液阀(15)的出液支管、连接有抽气阀(13)的抽气支管(14)和连接有反向加液阀(17)的反向加液支管(16)，其特征在于，所述搅拌装置由搅拌轴(4)和搅拌桨(7)组成，其中，搅拌桨(7)平行设置2-3层。本实用新型的洗涤过滤一体化装置可以显著提高洗涤分离效果和中间相炭微球的制备收率，降低生产成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及中间相炭微球制备中的洗涤过滤一体化装置。
背景技术
中间相炭微球是一种具有石墨结构的新型储能材料，具有外部呈球形、内部呈石墨层状的独特结构，且具有优异的嵌锂一锂脱嵌性能、良好的结构稳定性、与电解液的良好兼容性、高倍率放电性能、高安全性等突出优点和优异性能，而成为锂离子电池负极材料尤其是锂离子动力电池材料的首选。
已有的中间相炭微球的制备方法包括热缩聚法、乳液法、悬浮法等。其中，乳化法对热稳定介质的要求较高，且存在工艺流程复杂、设备繁多，难以实现规模化生产等缺陷；悬浮法要求使用可溶性中间相沥青，其工艺条件控制较为苛刻且控制难度较大；热缩聚法需要加入合适的催化剂，与制备原料(如沥青等)在一定温度和压力下进行热缩聚反应后，再将制得的中间相微球进行洗涤、分离、炭化、石墨化等过程，制得中间相炭微球，该方法通过加入催化剂，以加快反应速度，提高反应收率，降低生产成本，而成为中间相炭微球的主要制备方法。
目前，中间相炭微球的制备原料包括沥青、重质油、渣油、煤焦油、二次石油重质油、蒽油、多环芳烃、稠环芳烃等高粘度液体，这些高粘度液体原料在催化剂作用下进行热缩聚反应制得中间相微球，未参与热缩聚反应的制备原料或热缩聚反应残液(又称“母液”)粘附在中间相微球表面，后续需要采用洗涤和分离两单元的循环往复操作以提纯和分离中间相微球，该过程不仅需要反复多次进行洗涤和分离操作，并采用洗涤溶剂(如吡啶、喹啉、苯及同系物、煤沥青中油、烷烃、轻油等)进行交替洗涤和分离，存在生产步骤繁多，溶剂用量和损耗均较大，生产时间延长等缺陷，且采用的有机萃取剂为易燃、易爆、高毒性的溶剂，对生产和环境均可造成较大危害。同时，多次洗涤不但增加了物料的损耗，也对中间相微球表面产生侵蚀，尤其是强溶剂(如喹啉等)会部分溶解中间相微球球体，形成表面沟槽或裂解，并在电池首次充放电过程中影响表面SEI膜的形成。
已有的中间相炭微球的洗涤和分离方法包括沉降分离法、高温离心法、溶剂萃取法(溶剂分离法)等，其中，沉降分离法存在分离速度慢，难以控制离心沉降时微球之间的融并现象；高温离心分离法需要的离心设备费用昂贵；溶剂萃取法一般需用强极性溶剂(如吡啶、喹啉等)反复抽提洗涤分离中间相炭微球，不仅有机溶剂的消耗量大，且由于溶剂的梯度效应，萃取溶剂(如吡啶等)会对微球产生较为严重的刻蚀，使其球形度变差，从而影响中间相炭微球的质量。
已有的中间相炭微球洗涤和分离操作过程分别采用功能单一的洗涤装置、过滤装置分两步完成。首先，需将粘附有母液的中间相微球导入洗涤装置(如化浆池)，加入洗涤剂(如吡啶、喹啉、苯及同系物、煤沥青中油、烷烃、轻油等)，搅拌，清洗后，再将洗涤搅拌液导入过滤装置(如压滤机)中进行过滤，根据洗涤需要，反复进行洗涤与分离操作多次，以实现中间相炭微球与母液的有效分离。可见，该方法不仅需独立的洗涤装置、过滤装置完成中间相微球的洗涤和分离，呈现操作步骤繁多，洗涤剂需周转而增加其挥发而致损耗，不仅延长生产时间，造成经济损失，而且污染环境，甚至可能发生爆炸、中毒等安全事故。
此外，已有的中间相炭微球制备中的搅拌装置设计多为单一搅拌桨叶，如ZL00260502.3公开的洗涤和分离一体的装置，该设计存在搅拌不均匀、搅拌混合效果不够理想等缺陷，进而影响中间相微球的洗涤、分离效果，进而影响中间相炭微球的制备效率和收率，以及中间相炭微球的球形度等。因此，需要设计一种安全、高效的中间相炭微球洗涤过滤装置尤为迫切。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供中间相炭微球制备中的洗涤过滤一体化装置，该装置包括筒体(1)、筒体(1)上设有的上端盖(2)和下端盖(12)、搅拌装置和过滤装置，其中，上端盖(2)位于筒体(1)的上部，并在上端盖(2)上设有加料口(3)、循环消烟装置(5)、压力表(6)，所述过滤装置位于筒体(1)内，包括设置在筒体(1)内底部的筛孔板(11)及筛孔板(11)上铺设的过滤介质(10)，下端盖(12)位于筒体(1)的下部，并与出液管口(18)连接，出液管口(18)上连接有出液阀(15)的出液支管、连接有抽气阀(13)的抽气支管(14)和连接有反向加液阀(17)的反向加液支管(16)，其特征在于，所述搅拌装置由搅拌轴(4)和搅拌桨(7)组成，其中，搅拌桨(7)平行设置2-3层。
本实用新型的优选技术方案中，搅拌桨(7)叶平面与搅拌轴(4)之间呈45°。
本实用新型的优选技术方案中，下端盖(12)上连接的出液管口(18)兼有出液、抽气、反向加液为一体的功能。
本实用新型的优选技术方案中，筒体(1)下部壁上设有与筒体(1)周向相切的进气孔(9)，优选进气孔(9)设置为2～6个，更优选进气孔(9)设置为3-4个。
本实用新型的优选技术方案中，按照下述方式实现中间相微球与洗涤液体(即母液与洗涤剂组成的溶解液)之间的有效分离，关闭出液阀(15)和抽气阀(13)，打开反向加液阀(17)，通过下端盖(12)上的反向加液支管(16)向筒体(1)内加入洗涤剂，进行搅拌和/或自切向进气口(9)吹入气体进行搅动洗涤，使洗涤剂与粘附在中间相微球表面的母液充分接触，促进母液与洗涤剂之间的充分溶解；关闭反向加液阀(17)，打开抽气阀(13)进行抽滤，同时打开出液阀(15)放出抽滤液，实现中间相微球与洗涤液体之间的有效分离。
本实用新型的优选技术方案中，需要再洗涤筒体(1)内的滤饼时，按照下述方式实现中间相微球与洗涤液体(即母液与洗涤剂组成的溶解液)之间的有效分离，关闭出液阀(15)和抽气阀(13)，再打开反向加液阀(17)，通过下端盖(12)上的反向加液支管(16)向筒体(1)内加入洗涤剂，将滤饼再进行搅拌和/或自切向进气口(9)吹入气体进行搅动化浆洗涤，再次使洗涤剂与粘附在中间相微球表面的母液充分接触，促进母液与洗涤剂之间的充分溶解；关闭反向加液阀(17)，打开抽气阀(13)进行抽滤，同时打开出液阀(15)放出抽滤液，实现中间相微球与洗涤液体之间的有效分离。
根据需要，重复前述操作，直至实现中间相微球与洗涤液体(即母液与洗涤剂组成的溶解液)之间的完全分离，制得干净的中间相微球。
本发明的优选技术方案中，制备中间相炭微球的原料选重质油、沥青、渣油、煤焦油、二次石油重质油、蒽油、多环芳烃、石油渣油、溶剂精制煤、中温煤焦油的任一种或其组合，优选所述沥青选自中温煤沥青、二次煤沥青、石油沥青、煤焦油沥青、聚氯乙烯沥青的任一种或其组合，优选所述重质油选自煤焦油、石油工业重油、蒽油、萘或多环芳烃的任一种或其组合。
本发明的优选技术方案中，所述洗涤剂选自吡啶、喹啉、苯及同系物、煤沥青中油、烷烃、轻油、甲苯的任一种或其组合。
本实用新型的洗涤过滤一体化装置是在改进加压过滤装置或减压过滤装置基础上取得的技术成果，技术改进点包括：
1)将中间相炭微球的洗涤装置、过滤装置改进为洗涤过滤一体化装置，不仅优化了工艺，而且将中间相炭微球的洗涤、分离过程均置于密闭的洗涤过滤一体化装置中完成，不仅减少生产场地的占用，缩短操作工序，且减少洗涤剂周转所造成的溶剂挥发，降低溶剂挥发带来的损耗和经济损失，减少甚至避免环境污染，提高操作安全性；
2)将搅拌装置的搅拌桨改进为平行设置的多层搅拌桨(如2-3层)，优选将搅拌桨叶平面与搅拌轴设计呈45°，不仅降低流体的搅拌阻力，加大搅拌力度，加速传质速率，提高搅拌效率，并可实现立体式搅拌，促进洗涤剂与粘附在中间相微球表面的母液之间的均匀混合和充分溶解，提高洗涤效果，进而提高中间相炭微球的收率和制备效率；
3)筒体下部壁上设计气体切向进口(9)，使通入气体按搅拌方向吹入，由搅拌桨叶旋转产生的涡轮力将吹入气体带入洗涤液体中进行吹气搅动，以提高搅拌效率，并促进洗涤剂与与粘附在中间相微球表面的母液之间的均匀混合和充分溶解，提高洗涤效果；
4)采用视镜(8)实时观测筒体(1)内洗涤液体的搅拌、洗涤情况，并监测洗涤液体的浑浊度来判定洗涤效果，选择性地终止洗涤搅拌操作；
5)下端盖(12)上连接的出液管口(18)，出液管口(18)上连接有出液阀(15)的出液支管、连接有抽气阀(13)的抽气支管(14)和连接有反向加液阀(17)的反向加液支管(16)，使其具有集出液、抽气、反向加液为一体的功能，并可根据生产需要，开启不同功能的切换开关阀实现相应的功能。
本实用新型通过改进已有的加压过滤装置或减压过滤装置的结构，将其改进为洗涤过滤一体化装置，特别是改进其搅拌装置，将其搅拌桨(7)平行设置2-3层，优选将搅拌桨(7)叶平面与搅拌轴(4)之间呈45°，以实现立体式搅拌，并降低流体的搅拌阻力，加大搅拌力度，加速传质速率，提高搅拌效率，促进洗涤剂与粘附在中间相微球表面的母液之间的均匀混合和充分溶解，提高洗涤效果，进而提高中间相炭微球的收率和制备效率，且有效降低甚至避免洗涤溶剂的挥发，防止环境污染，显著提高中间相炭微球制备过程中的操作安全性。
为了清楚表述本实用新型的保护范围，对下述术语进行如下解释：
本实用新型所述的制备原料选自重质油、沥青、渣油、煤焦油、二次石油重质油、蒽油、多环芳烃、石油渣油、溶剂精制煤、中温煤焦油的任一种或其组合，优选所述沥青选自中温煤沥青、二次煤沥青、石油沥青、煤焦油沥青、聚氯乙烯沥青的任一种或其组合，优选所述重质油选自煤焦油、石油工业重油、蒽油、萘或多环芳烃的任一种或其组合。
本实用新型所述的“母液”为中间相炭微球前躯体(又称“中间相微球”)制备过程中未参与热缩聚反应的制备原料液体或热缩聚反应残液。
本实用新型所述的“洗涤剂”是指用于清洗中间相微球表面母液的有机溶剂，通常选自吡啶、喹啉、苯及同系物、煤沥青中油、烷烃、轻油、甲苯等高粘度液体。
本实用新型所述的“洗涤液体”是指洗涤剂洗涤溶解中间相微球表面的母液后，所得的洗涤剂与母液组成的溶解液。
本实用新型所述的“气体切向进口”又称“进气孔”，是指筒体下部壁上设有与筒体周向相切的进气孔(9)，使通入气体按搅拌方向吹入，由搅拌桨叶旋转产生的涡轮力将吹入气体带入洗涤液体中进行吹气搅动，以提高搅拌效率，并促进洗涤剂与中间相微球、母液之间的均匀混合，促进洗涤剂与粘附在中间相微球表面的母液之间的充分接触和充分溶解，从而提高洗涤分离效果。
本实用新型的循环消烟装置(5)可以及时排出烟气，利于保持洗涤过滤一体化装置内外压力平衡。
附图说明
图1本实用新型中间相炭微球制备中的洗涤过滤一体化装置的结构示意图；
其中，1为筒体，2为上端盖，3为加料口(又称“进料口”)，4为搅拌轴，5为循环消烟装置，6为压力表，7为搅拌桨，8为视镜，9为气体切向进口，10为过滤介质，11为筛孔板，12为下端盖，13为抽气阀，14为抽气支管，15为出液阀，16为反向加液支管，17为反向加液阀，18为出液管口。
图2由对比例1制备得到中间相微球的扫描电镜图；
图3由对比例2制备得到中间相微球的扫描电镜图；
图4由实施例1制备得到中间相微球的扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合附图，说明本实用新型的洗涤过滤一体化装置的工作过程：
1、从加料口(3)向筒体(1)内注入热缩聚反应后的中间相微球反应液体，开启搅拌装置和循环消烟装置(5)，关闭出液阀(15)和抽气阀(13)，打开反向加液阀(17)，通过下端盖(12)上的反向加液支管(16)向筒体(1)内加入洗涤剂煤沥青中油，进行搅拌洗涤，使洗涤剂与粘附在中间相微球表面的母液充分接触，促进母液与洗涤剂之间的充分溶解，从而实现中间相微球与母液的有效分离；关闭反向加液阀(17)，打开抽气阀(13)进行抽滤，同时打开出液阀(15)放出抽滤液，实现中间相微球与母液、洗涤液之间的有效分离；或者
2、从加料口(3)向筒体(1)内注入热缩聚反应后的中间相微球反应液体，开启搅拌装置和循环消烟装置(5)，关闭出液阀(15)和抽气阀(13)，打开反向加液阀(17)，通过下端盖(12)上的反向加液支管(16)向筒体(1)内加入洗涤剂煤沥青中油，进行搅拌，并自切向进气口(9)吹入气体进行搅动洗涤，监测压力表(6)的压力在合适范围内，使洗涤剂与粘附在中间相微球表面的母液充分接触，促进母液与洗涤剂之间的充分溶解，从而实现中间相微球与母液的有效分离；关闭反向加液阀(17)，打开抽气阀(13)进行抽滤，同时打开出液阀(15)放出抽滤液，实现中间相微球与母液、洗涤液之间的有效分离；或者
3、根据视镜(8)观测到的化浆、搅拌洗涤情况，结合洗涤液体的浑浊度判定需要再洗涤筒体(1)内的滤饼时，关闭出液阀(15)和抽气阀(13)，再打开反向加液阀(17)，通过下端盖(12)上的反向加液支管(16)向筒体(1)内加入洗涤剂，将滤饼再进行搅拌和/或自切向进气口(9)吹入气体进行搅动化浆洗涤，再次使洗涤剂与粘附在中间相微球表面的母液充分接触，促进母液与洗涤剂之间的充分溶解，从而实现中间相微球与母液的有效分离；关闭反向加液阀(17)，打开抽气阀(13)进行抽滤，同时打开出液阀(15)放出抽滤液，实现中间相微球与洗涤液体(即母液与洗涤剂组成的溶解液)之间的有效分离；或者
4、根据需要，重复前述操作，直至实现中间相微球与洗涤液体(即母液与洗涤剂组成的溶解液)之间的完全分离，制得干净的中间相微球。
以下将结合实施例和对比例对本实用新型作进一步的详细说明。
对比例1采用洗涤装置、过滤装置制备中间相炭微球
取沥青400克，加入到反应釜中，加入催化剂三氯化铝4克，在450℃和1Mpa条件下，反应2h，将热缩聚后的反应液体导入化浆池，加入洗涤剂煤沥青中油搅拌洗涤后导入过滤机，进行过滤，实现中间相炭微球与洗涤液体之间的分离。
检测滤液的混浊程度，重复前述操作3-4次，直至实现中间相微球与洗涤液体(即母液与洗涤剂组成的溶解液)之间的完全分离，制得干净的中间相微球，将所得中间相微球经干燥、炭化、石墨化等过程，制得中间相炭微球。
可见，该方法的步骤繁多，洗涤剂易在洗涤、过滤过程中挥发而致损耗，且造成环境污染，并增加制造成本。
对比例2采用洗涤和分离一体的装置制备中间相炭微球
取沥青400克，加入到反应釜中，加入催化剂三氯化铝4克，在450℃和1Mpa条件下，反应2h，将热缩聚后的反应液体导入洗涤过滤一体化装置(其结构和连接参见ZL00260502.3)，加入洗涤剂搅拌洗涤后、过滤，实现中间相炭微球与洗涤液体之间的分离。
由于该装置中的搅拌装置设计为单一搅拌桨叶，存在搅拌不均匀、搅拌混合效果不够理想等缺陷，进而影响中间相微球的洗涤、分离效果，以及中间相炭微球的制备效率和收率，并影响中间相炭微球的球形度等。
实施例1采用洗涤过滤一体化装置制备中间相炭微球
取沥青400克，加入到反应釜中，加入催化剂三氯化铝4克，在450℃和1Mpa条件下，反应2h，将热缩聚后的反应液体导入洗涤过滤一体化装置，在密闭的洗涤过滤一体化装置(其工作过程同前述结合附图的说明)中完成中间相微球的洗涤、过滤，使洗涤剂煤沥青中油与粘附在中间相微球表面的母液充分接触，促进母液与洗涤剂之间的充分溶解，从而实现中间相微球与母液的有效、完全分离，将所得中间相微球经干燥、炭化、石墨化等过程，制得中间相炭微球。
对比研究对比例1、对比例2和实施例1三种设备在中间相炭微球的形貌、制备收率、制造成本等方面，结果见图2、图3、图4和表1。
表1中间相炭微球的制备效果
由表1可见，与对比例1(即洗涤、过滤分别采用独立的洗涤装置、过滤装置的操作)相比，本实用新型的洗涤过滤一体化装置(即实施例1)，可在密闭的洗涤过滤一体化装置中完成中间相炭微球的洗涤、分离，并且，结构改进后的洗涤过滤一体化装置可以显著提高搅拌效率，促进洗涤剂与中间相炭微球、母液之间的均匀混合和充分接触，实现洗涤剂与与粘附在中间相炭微球表面的母液之间的充分溶解，提高洗涤效果，不仅减少洗涤分离操作占用的场地和人工，而且显著提高洗涤分离效果，有效简化洗涤分离操作工序，显著缩短操作时间，显著提高了中间相炭微球的洗涤、分离效果，进而提高中间相炭微球的制备收率(提高约10％)，还能有效避免洗涤溶剂的挥发和损耗，减少环境的污染，提高生产操作的安全性，显著降低生产成本(成本下降约30％)。并且，对比研究图2、图4可见，采用本实用新型的洗涤过滤一体化装置制得的中间相炭微球球形度和一致性好，利于提高其电化学性能。
与对比例2(即ZL00260502.3公开的洗涤和分离一体的装置)相比，本实用新型的洗涤过滤一体化装置(即实施例1)，由于改进了桨叶设计，显著提高了搅拌效率，并有效改善了洗涤剂与与中间相炭微球、母液之间的均匀混合和充分接触，实现洗涤剂与与粘附在中间相炭微球表面的母液之间的充分溶解，提高洗涤效果，进而提高中间相炭微球的制备收率(提高约5％)，还能有效避免洗涤溶剂的挥发和损耗，减少环境的污染，提高生产操作的安全性，显著降低生产成本(成本下降约15％)。并且，对比研究图3、图4可见，采用本实用新型的洗涤过滤一体化装置制得的中间相炭微球球形度和一致性好，利于提高其电化学性能。
Claims (1)
1.中间相炭微球制备中的洗涤过滤一体化装置，该装置包括筒体（1）、筒体（1）上设有的上端盖（2）和下端盖（12）、搅拌装置和过滤装置，其中，上端盖（2）位于筒体（1）的上部，并在上端盖（2）上设有加料口（3）、循环消烟装置（5）、压力表（6）；所述过滤装置位于筒体（1）内，包括设置在筒体（1）内底部的筛孔板（11）及筛孔板（11）上铺设的过滤介质（10）；下端盖（12）位于筒体（1）的下部，并与出液管口（18）连接；出液管口（18）上连接有出液阀（15）的出液支管、连接有抽气阀（13）的抽气支管（14）和连接有反向加液阀（17）的反向加液支管（16），其特征在于，所述搅拌装置由搅拌轴（4）和搅拌桨（7）组成，其中，搅拌桨（7）平行设置2-3层。
2、根据权利要求1所述的洗涤过滤一体化装置，搅拌桨（7）叶平面与搅拌轴（4）之间呈45o。
3、根据权利要求1所述的洗涤过滤一体化装置，筒体（1）下部壁上设有与筒体（1）周向相切的进气孔（9）。
4、根据权利要求3所述的洗涤过滤一体化装置，所述进气孔（9）设置为2~6个。
5、根据权利要求4所述的洗涤过滤一体化装置，所述进气孔（9）设置为3-4个。
6、根据权利要求1-5任一项所述的洗涤过滤一体化装置，按照下述方式实现中间相微球与洗涤液体之间的有效分离，关闭出液阀（15）和抽气阀（13），打开反向加液阀（17），通过下端盖（12）上的反向加液支管（16）向筒体（1）内加入洗涤剂，进行搅拌和/或自切向进气口（9）吹入气体进行搅动洗涤，使洗涤剂与粘附在中间相微球表面的母液充分接触，促进母液与洗涤剂之间的充分溶解；关闭反向加液阀（17），打开抽气阀（13）进行抽滤，同时打开出液阀（15）放出抽滤液，实现中间相微球与洗涤液体之间的有效分离。
7、根据权利要求1-5任一项所述的洗涤过滤一体化装置，需要再洗涤筒体（1）内的滤饼时，按照下述方式实现中间相微球与洗涤液体之间的有效分离，关闭出液阀（15）和抽气阀（13），打开反向加液阀（17），通过下端盖（12）上的反向加液支管（16）向筒体（1）内加入洗涤剂，将滤饼进行搅拌和/或自切向进气口（9）吹入气体进行搅动化浆洗涤，使洗涤剂与粘附在中间相微球表面的母液充分接触，促进母液与洗涤剂之间的充分溶解；关闭反向加液阀（17），打开抽气阀（13）进行抽滤，同时打开出液阀（15）放出抽滤液，实现中间相微球与洗涤液体之间的有效分离。
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