CN204958408U - 一种化学法石墨烯生产系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种化学法石墨烯生产系统，具有反应釜，所述反应釜顶部具有数个加料口，其特征在于，所述反应釜的下方设置有管式反应器，所述管式反应器的一端通过循环泵与反应釜下端连通，另一端与反应釜上端连通，所述管式反应器外侧设置有冷却夹套，反应釜内介质通过循环泵流入管式反应器内经冷却后又重新从顶部流入反应釜内。本实用新型具有的有益效果：反应釜内的介质通过循环泵经管式反应器冷却后返回反应釜，实现外循环冷却，弥补了釜因放大而传热强度降低的弊端；并且由于泵的输送，形成管道反应器内强烈湍动，强化了混合和传质过程，加速了化学反应。
Description
技术领域
本实用新型属于石墨烯化学合成技术领域，具体涉及一种化学法石墨烯生产系统。
背景技术
2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈和康士坦丁成功从实验室中分离出石墨烯，这种二维的石墨烯呈现六角型蜂巢状晶格，赋予其目前各种金属、非金属材料所不具备的特性，成为举世瞩目的一种优秀新材料。在电子行业触摸屏、液晶显示、有机光伏电池以及航天、生物医药、储能等诸多领域将获得越来越广泛的应用。
石墨烯合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。其中化学法包括化学还原法和化学解离法。从目前国内外情况看，能较易实现产业化生产的是化学解离法。
化学解离法是通过强酸和强氧化条件下将石墨烯六角环上部分碳原子被氧化成羟基（-OH)、醛基(-CHO)或羧基（-COOH），产生层间剥离，再在还原氛围中将氧化石墨烯还原成石墨烯。
目前国内许多高等学校、科研院所在从事石墨烯的制备和应用研究，制备方面集中在化学解离法。通常将石墨原料与23-26倍浓硫酸和3倍高锰酸钾置反应釜中，在0-5℃条件下低温氧化反应，然后用多倍水稀释、清洗、过滤、精制得到初级品氧化石墨。
现在氧化过程通常在搪瓷反应釜中进行，因为介质的强酸性和强氧化性很少有其它合适材料可以选择，而搪瓷反应釜的特点是传热过程仅能依靠外夹套实现，设备内无法设置加热或冷却的盘管，而外夹套的传热，随着设备的放大，其单位釜容积所具有的传热强度越来越小。例如：直径为500mm的搪瓷釜，其单位容积的传热面积为9.5m2/m3，而直径为2000mm的搪瓷釜，其单位容积的传热面积为2.1m2/m3，而石墨的强酸氧化反应要求在较低温度下进行（0-5℃），由于单位传热强度的降低，在生产能力提高，设备放大后，冷却能力降低，这样或减少投料量或延长氧化时间，都导致设备有效能力降低。
发明内容
本实用新型的目的是为了弥补现有技术的不足，提供了一种有利于实现大规模产业化生产的化学法石墨烯生产系统。
为了达到本实用新型的目的，技术方案如下：
一种化学法石墨烯生产系统，具有反应釜，所述反应釜顶部具有数个加料口，其特征在于，所述反应釜的下方设置有管式反应器，所述管式反应器的一端通过循环泵与反应釜下端连通，另一端与反应釜上端连通，所述管式反应器外侧设置有冷却夹套，反应釜内介质通过循环泵流入管式反应器内经冷却后又重新从顶部流入反应釜内。
优选地，所述反应釜的外侧设置有反应釜夹套。
优选地，所述反应釜的下方还设置有冷冻水箱，所述冷冻水箱通过冷冻水泵与所述反应釜夹套连通。
优选地，所述反应釜的下方还设置有热水箱，所述热水箱通过热水泵与所述反应釜夹套连通。
优选地，所述冷却夹套与所述冷冻水箱连通。
优选地，所述反应釜上方设置有存放纯水的高位水槽。
本实用新型具有的有益效果：
反应釜内的介质通过循环泵经管式反应器冷却后返回反应釜，实现外循环冷却，弥补了釜因放大而传热强度降低的弊端；并且由于泵的输送，形成管道反应器内强烈湍动，强化了混合和传质过程，加速了化学反应。
附图说明
图1是本实用新型化学法石墨烯生产系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步描述，但本实用新型的保护范围不仅仅局限于实施例。
结合图1所示，一种化学法石墨烯生产系统，具有反应釜2，反应釜2的外侧设置有反应釜夹套，所述反应釜2顶部具有数个加料口，原料投料（石墨、硫酸等）通过顶部的加料口加入，反应釜2内设置有搅拌器。反应釜2上方设置有存放纯水的高位水槽8，纯水通过水管加入到高位水槽8内，再从高位水槽8通过管道向下引入，非水介质此时通过辅助管路9加入到管道内，与纯水混合后，一起加入到反应釜2内。
反应釜2的下方设置有管式反应器1、冷冻水箱5和热水箱7。管式反应器1的一端通过循环泵10与反应釜2下端连通，另一端与反应釜2上端连通，在循环泵10的作用下，反应釜2内的介质通过循环泵10流入管式反应器1内、经冷却后又重新从顶部流入反应釜2内。
冷冻水箱5通过冷冻水泵4以及管路与所述反应釜夹套连通，冷冻水箱5内通入冷却盐水，冷却盐水通入到反应釜夹套内对反应釜具有冷却作用。热水箱7通过热水泵6以及管路与所述反应釜夹套连通，自来水通入到热水箱7内，经电加热后，通入到反应釜夹套内对反应釜具有加热保温作用。另外，通冷冻盐水的管路和筒热水的管路在连通到反应釜夹套之前就以及连通在一起，因此热水和冷却可以混合，通过调节热水或者冷水的量，可以改变混合水的温度，以适应不同的反应温度需求，对反应釜具有较好的保温作用。
此外，管式反应器1外侧设置有冷却夹套3，冷却夹套3还通过管路与所述冷冻水箱5连通，冷冻水箱5内的冷冻盐水流入到冷却夹套3内，对流经管式反应器1的介质进行冷却。
冷却夹套3上还具有冷却水出口，冷却之后的冷却盐水从冷却水出口流出，再泵入到冷冻水箱5内，实现循环利用。
具体生产过程为：
先向釜内按石墨烯的投料量，按26倍（重量）投入浓硫酸和定量石墨，浸泡4-12小时；
开启反应釜夹套和管式反应器冷却水或冷却盐水，并开动搅拌器；
打开釜底阀并启动循环泵在反应釜和管式反应器同时冷却条件下建立良好循环；
冷却；
在达到额定温度（<5℃），往釜内投入氧化剂高锰酸钾，监控釜内温度，若温度超过5℃，暂停加高锰酸钾，直至加完。
在反应釜内和管式反应器内同时进行氧化反应。
以上反应器的组合、提高了单釜设备能力，强化了反应过程，有利于实现大规模产业化生产。
实施例1
对比组：50L搪瓷反应釜，采用搪瓷釜单独冷却的工艺，石墨投料量为960克，缓慢加入浓硫酸14升（约25500克）开动釜搅拌，并夹套通-10℃冷盐水，室温为32℃，经一小时，釜内温度降为10℃，停止通冷却水和搅拌，静置浸泡4小时，釜内温度升至15℃。此时缓慢投入高锰酸钾（共2880克），开启搅拌和冷盐水，控制釜温为3-5℃。投入速度很慢，投完约1.5小时，由于大量反应热温度仅保持在6-10℃。在此条件下反应2小时，然后进行滴水反应1.5小时，反应体系变稠，然后加水稀释，后续的酸洗—离心脱水—酸洗—脱水得到初级产品1040克，颜色深褐色。
实施组：与对照组同样，50L搪瓷反应釜，在釜底接搪瓷循环泵，循环泵出口接DN50长1米带夹套的搪瓷管两支，出搪瓷管接玻璃视盅一个，然后接回反应釜（见附图）。
试验过程：投料、浸泡同上对照组，在投高锰酸钾前，将搪瓷管夹套冷冻盐水打开，启动釜底循环泵，并打开釜底阀。此时釜内物料经循环泵和管道冷却器再回入反应釜形成循环流。在视盅中清晰可见物料均匀呈湍流状态。在形成循环流后，开始加入高锰酸钾，发生剧烈氧化反应，温度升高，由于外循环管道冷却器、釜温控制在3-5℃，投料时间缩短为1小时，后续程序同对照例，反应结果得初级产品1060克，产品色泽为金黄色，从颜色判断，氧化产品质量优于对照组。
对比表明：采用外循环管道冷却器，可以弥补反应釜传热面积不够的缺憾，在大生产放大后，这个矛盾更突出，而由于体外冷却，可以按需要增加传热面积，有利于控制反应体系在最佳温度状态进行，而且加大冷却强度后，氧化剂投料速度可加快，缩短反应时间，更重要的是从视盅观察到的流动状态比反应釜更均匀良好，强化了反应传质传热速度，优化反应过程，所以是得到优质产品的良好选择。
实施例2：在实施例1相同条件下，外循环冷却管采用一支1M长夹套搪瓷管，在完全相同条件下，高锰酸钾投料时间延长了10分钟，反应釜内温度5-7℃，最终产品颜色比实施例1略深。
实施例3：将石墨烯投料量增加了20%，即投入1152克，硫酸为30600克，高锰酸钾3456克，在同样浸泡4小时，开启外循环后，投入高锰酸钾后升温剧烈，为此延长高锰酸钾投料时间共1.5小时，釜内温度4-6℃，反应2小时后，按常规后处理流程，得到产品1210克，产品颜色金黄色。
以上实施例表明，增加了外循环冷却器，可有利于增加反应过程，传热强度及反应体系的湍流状态，是强化反应过程的可靠途径，特别对增加传热面积没有更好渠道情况下，是一种有效的手段。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案，因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。
Claims (6)
1.一种化学法石墨烯生产系统，具有反应釜（2），所述反应釜顶部具有数个加料口，其特征在于，所述反应釜（2）的下方设置有管式反应器（1），所述管式反应器的一端通过循环泵（10）与反应釜下端连通，另一端与反应釜上端连通，所述管式反应器外侧设置有冷却夹套（3），反应釜内介质通过循环泵流入管式反应器内经冷却后又重新从顶部流入反应釜内。
2.根据权利要求1所述的化学法石墨烯生产系统，其特征在于，所述反应釜的外侧设置有反应釜夹套。
3.根据权利要求2所述的化学法石墨烯生产系统，其特征在于，所述反应釜的下方还设置有冷冻水箱（5），所述冷冻水箱通过冷冻水泵（4）与所述反应釜夹套连通。
4.根据权利要求3所述的化学法石墨烯生产系统，其特征在于，所述反应釜的下方还设置有热水箱（7），所述热水箱通过热水泵（6）与所述反应釜夹套连通。
5.根据权利要求3所述的化学法石墨烯生产系统，其特征在于，所述冷却夹套（3）与所述冷冻水箱连通。
6.根据权利要求1所述的化学法石墨烯生产系统，其特征在于，所述反应釜上方设置有存放纯水的高位水槽（8）。
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|---|---|---|---|---|
| CN106882803A (zh) * | 2017-03-10 | 2017-06-23 | 江南石墨烯研究院 | 一种制备氧化石墨烯的方法及其装置 |
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