CN219615512U - 石墨粉氯化提纯用流化床反应器及石墨粉提纯装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种石墨粉氯化提纯用流化床反应器及石墨粉提纯装置，其中石墨粉氯化提纯用流化床反应器，包括：反应器本体，所述反应器本体包括由上向下依次设置的流化床固体回收段、流化床反应段以及流化床下封头段，所述流化床固体回收段上设置有抽真空口；所述反应器本体的外部设置有耐烧蚀涂层、保温层、加热层以及保护壳体，所述加热层设置在所述流化床固体回收段与所述流化床反应段的部位；所述反应器本体的材质包括碳‑碳复合材料。能够减少工艺过程中对反应器本体的腐蚀，加热更加方便，同时增强减压的可操作性。

Description

石墨粉氯化提纯用流化床反应器及石墨粉提纯装置

技术领域

本申请涉及高纯石墨粉制备技术领域，具体而言，涉及一种石墨粉氯化提纯用流化床反应器及石墨粉提纯装置。

背景技术

高温气冷堆是一种先进第四代核电堆型技术，具有安全性好、效率高、经济性好和用途广泛等优势。高温气冷堆通过核能-热能-机械能-电能的转化实现发电，能够代替传统化石能源，实现经济和生态环境协调发展。

高温气冷堆用等静压石墨品质要求中，灰分≤0.005％,硼当量≤0.00009％，在现有可见的文献报道方法中，没有可用的规模化生产设备。

在现有的高纯石墨粉制备过程中，高温通氯气和氟利昂是一种普遍有效的方法。现有反应设备，有石墨坩埚配合高温炉、有内衬耐火砖的沸腾氯化炉、有内衬刚玉的沸腾氯化炉等。

高温氯化提纯的原理，是氯气与石墨中的杂质反应，生成氯化物，在高温尤其在高温减压条件下挥发，从而达到提纯石墨的目的。

现有设备存在的问题：(1)高温氯气腐蚀设备，使石墨粉产品纯度无法保障，(2)加热不便捷，(3)减压操作不方便。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种石墨粉氯化提纯用流化床反应器及石墨粉提纯装置，能够减少工艺过程中对反应器本体的腐蚀，加热更加方便，同时增强减压的可操作性。

为了实现上述目的，第一方面，本实用新型提供了一种石墨粉氯化提纯用流化床反应器，包括：反应器本体，所述反应器本体包括由上向下依次设置的流化床固体回收段、流化床反应段以及流化床下封头段，所述流化床固体回收段上设置有抽真空口；

所述反应器本体的外部设置有耐烧蚀涂层、保温层、加热层以及保护壳体，所述加热层设置在所述流化床固体回收段与所述流化床反应段的部位；

所述反应器本体的材质包括碳-碳复合材料。

在可选的实施方式中，所述耐烧蚀涂层包括碳化硅涂层，所述碳化硅涂层沉积在碳-碳复合材料的所述反应器本体上。

在可选的实施方式中，所述保温层包括氧化铝耐火纤维保温层，所述氧化铝耐火纤维保温层对所述反应器本体以及所述碳化硅涂层整体包覆。

在可选的实施方式中，所述抽真空口设置在所述流化床固体回收段的顶部中心。

在可选的实施方式中，所述流化床反应段包括流化床反应上段以及流化床反应下段，所述流化床反应上段设置有石墨粉入口以及检测反应器内部温度的测温口，所述石墨粉入口设置在所述流化床反应上段的顶部。

在可选的实施方式中，所述流化床反应下段设置有石墨粉出口，所述石墨粉出口设置在所述流化床反应下段的底部。

在可选的实施方式中，所述流化床下封头段的底部设置有气体入口，所述流化床反应段与所述流化床下封头段的相接部位设置有气体分布器。

在可选的实施方式中，所述流化床反应段的直径为500-600mm，所述流化床反应段的高度为其直径的3-4倍，所述流化床固体回收段的直径为所述流化床反应段的直径的1.6-2倍。

在可选的实施方式中，所述流化床固体回收段的高度为1500-2000mm，所述流化床下封头段的高度为200-300mm。

第二方面，本实用新型还提供了一种石墨粉提纯装置，包括前述实施方式中任一项所述的石墨粉氯化提纯用流化床反应器。

通过反应器本体由上向下依次设置的流化床固体回收段、流化床反应段以及流化床下封头段，能够使石墨粉中的杂质在流化床反应段内与氯气进行反应，从而转换为氯化物，利于在高温减压条件下从流化床固体回收段挥发排出，有效提高石墨粉的纯度，流化床下封头段便于气体的底部通入，利于杂质与氯气的逆向接触，保证反应的充分进行。

在流化床固体回收段上设置的抽真空口，利于减压操作的进行，促使流化床反应器内部处于负压状态，保证氯化物可靠地挥发排出。

本实用新型中石墨粉的杂质在1400℃的温度条件下与氯气进行反应，基于流化床反应器内的高温反应条件，通过在反应器本体的外部设置保温层及加热层，能够可靠地对反应器本体进行加热以及保温，防止在反应过程中热量的流失，同时能够通过耐烧蚀涂层防止高温操作对反应器本体的结构造成烧蚀破坏。

加热层能够便捷地对流化床固体回收段与流化床反应段进行加热，以实现反应过程中不同工序的升温及降温调节。

反应器本体的材质包括碳-碳复合材料，能够有效增强反应器本体的抗腐蚀性能，从而更加适用于将氯气作为反应气的操作环境。

本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请中石墨粉氯化提纯用流化床反应器的结构示意图；

图2为本申请中流化床固体回收段的结构示意图；

图3为本申请中流化床反应上段的结构示意图；

图4为本申请中流化床反应下段的结构示意图；

图5为本申请中流化床下封头段的结构示意图。

图标：

1-流化床固体回收段；2-流化床反应上段；3-流化床反应下段；4-流化床下封头段；5-气体分布器；6-气体入口；7-石墨粉出口；8-石墨粉入口；9-抽真空口；10-反应器本体；11-耐烧蚀涂层；12-保温层；13-加热层；14-保护壳体；15-测温口。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请中的石墨粉氯化提纯用流化床反应器，主要应用在高温气冷堆用等静压石墨的提纯中，通过向流化床反应器中通入氯气，在高温条件下使石墨粉中的杂质与氯气进行反应转化为氯化物，并在减压条件下使氯化物从流化床反应器中挥发排出，从而实现石墨粉的提纯目的。

针对反应过程中所包含的氯气，为了降低反应物料对设备造成的腐蚀，通过改变流化床反应器的材质，降低高温氯气对设备的腐蚀，延长反应器的使用寿命。

参见图1，并结合图2-图5，具体地，本实用新型中的石墨粉氯化提纯用流化床反应器，包括：反应器本体10，反应器本体10为圆筒结构，为了方便加工制造，反应器本体10包括由上向下依次设置的流化床固体回收段1、流化床反应段以及流化床下封头段4。

石墨粉中的杂质具体在流化床反应段内与氯气发生反应转化为可在高温减压挥发排出的氯化物，氯化物具体通过流化床固体回收段1挥发排出，流化床下封头段4主要用于反应气体的底部补入，并且在进入流化床反应器后进行气体分散。

反应气体在流化床反应器底部进入并分散后，由下向上通过流化床反应段，并与流化床反应段顶部通入的由上向下的石墨粉进行混合反应，通过逆向接触的形式，使石墨粉中的杂质与氯气进行充分反应，使石墨粉中绝大部分的杂质转化为可挥发的氯化物，保证石墨粉的提纯效果。

通过设置在流化床固体回收段1上的抽真空口9，用于减压抽真空的操作，抽真空口9一方面便于减压操作的进行，另一方面利于挥发后氯化物的排出。

石墨粉的杂质在1400℃的温度条件下与氯气进行反应，同时转化后的氯化物在高温减压的条件下挥发排出，基于此，反应器本体10的外部依次设置有耐烧蚀涂层11、保温层12、加热层13以及保护壳体14，耐烧蚀涂层11能够防止高温热量对反应器本体10的结构造成烧蚀破坏，保温层12以及加热层13能够可靠地对反应器本体10进行保温加热，减少热量的流失。

为了优化反应器本体10的材质，本实用新型中的反应器本体10由碳-碳复合材料制成，能够有效增强反应器本体10的抗腐蚀性能，从而更加适用于将氯气作为反应气的操作环境。

碳-碳复合材料是以碳纤维编织的预制体经气相沉积(例如甲烷裂解产生碳)后，经高温石墨化后获得的复合材料，广泛应用于半导体产业，具有高纯的特点，同时具有结构金属的强度，同时兼有石墨的耐高温氯的特性、可以电感加热的特性。

为了满足杂质反应以及氯化物排出所要求的高温条件，同时兼并考虑提纯操作完成后，对反应器本体10的迅速撤热，加热层13包括设置在流化床固体回收段1部位与流化床反应段部位的水冷电缆电感加热层13，水冷电缆电感加热层13兼具了电感加热以及水冷电缆的性能，具体包括水冷电缆，通过在水冷电缆中施加交变电流产生交变电磁场，并在碳-碳复合材料以及石墨材料内部形成涡流，涡流在感应区的微观结构内流动，驱使感应区材料内部的电子做剧烈的无规则运动，导致感应区温度急剧上升，实现电感加热。

以电感加热的方式，不但能加热碳-碳复合材料反应器本体10，同时也能直接加热流化床中的石墨粉，能到达快速升温的效果。在完成石墨粉的提纯后，停止向水冷电缆施加电流即可解除加热操作。通过向水冷电缆中通水，能够降低温度，对水冷电缆进行有效保护。

在加热过程中，水冷电缆本身并不产生热量，电感加热的形式更加适用于碳-碳复合材料以及石墨材料的高温加热，水冷电缆电感加热层13能够便捷地对流化床固体回收段1与流化床反应段进行加热及撤热，以实现反应过程中不同工序的温度调节。

在其中一个具体的实施例中，耐烧蚀涂层11包括碳化硅涂层，碳化硅涂层沉积在碳-碳复合材料的反应器本体10上。

碳-碳复合材料的特性近似于石墨，在大气中350℃开始氧化，而碳化硅，在1300-1500℃具有完美的抗氧化性能，能够在碳-碳复合材料表面有效沉积，以避免反应过程中出现高温击穿破坏保温层12的情况发生。

保温层12包括氧化铝耐火纤维保温层12，氧化铝耐火纤维保温层12对反应器本体10以及碳化硅耐烧蚀涂层11整体包覆。

氧化铝耐火纤维保温材料的热导率为0.221w/m.k，具有优越的耐高温性能，可在1400℃以上的许多高温窑炉和热工设备上使用，最高使用温度为1600℃，长期使用温度可达1500℃，可满足1400℃的反应工况。

结合图2，抽真空口9设置在流化床固体回收段1的顶部中心，方便减压操作抽真空操作的同时，利于使反应挥发后的氯化物通过抽真空口9排出流化床反应器。

结合图3-图4，流化床反应段包括流化床反应上段2以及流化床反应下段3，具体地，流化床固体回收段1、流化床反应上段2、流化床反应下段3以及流化床下封头段4分段设置，相互之间通过法兰连接。

流化床反应上段2设置有石墨粉入口8以及检测反应器内部温度的测温口15，石墨粉入口8设置在所述流化床反应上段2的顶部。

流化床反应下段3设置有石墨粉出口7，石墨粉出口7设置在流化床反应下段3的底部。

通过将石墨粉入口8设置在流化床反应上段2的顶部，以及将石墨粉出口7设置在流化床反应下段3的底部，能够使进入反应器内部的石墨粉由上向下通过整个流化床反应段，促使其充分地与自下而上流动的反应气体进行接触，使石墨粉中的杂质更加彻底地进行转化。

流化床反应上段2设置的测温口15，能够对流化床反应段内的反应温度进行实时监控，利于对加热过程进行控制。

基于上文已述的自下而上流动的反应气体，本实施例中流化床下封头段4的底部设置有气体入口6，结合减压真空操作，能够使反应气体向上流经整体流化床反应段。

结合图5，为了更好地提高反应的均匀性，流化床反应段与流化床下封头段4的相接部位设置有气体分布器5。从气体入口6进入的反应气体，通过气体分布器5进行均匀分配，提高反应均匀性的同时使杂质转化地更加充分。本实施例中气体分布器5优选浮帽式结构，能够保证气体分布的均匀性。

为确保电感加热的正常进行，流化床反应段的直径为500-600mm，流化床反应段的高度为流化床反应段直径的3-4倍。

同时为了降低气体进入流化床固体回收段1的流速，避免气体夹带石墨粉颗粒从抽真空口9中排出，需要增大流化床固体回收段1的空间，流化床固体回收段1的直径为流化床反应段的1.6-2倍，流化床固体回收段1的高度为1500-2000mm，能够通过放大直径以及增加高度的形式减少石墨粉的排出。

进一步地，为了使反应气体在进入反应器后进行初步分散，流化床下封头段4的高度为200-300mm，能够增强反应气体分布的均匀性，保证其与石墨粉中的杂质更加均匀彻底地进行反应。

本实用新型中的流化床反应器为间歇操作，在进行提纯时，封闭石墨粉出口7，将未经提纯的、平均粒径0.02mm的等静压石墨粉经石墨粉入口8加入流化床反应器，封闭石墨粉入口8，通氩气置换并悬浮石墨粉，开启电感加热，待测温口15检测到的温度达到1400℃，通入氯气及氩气混合气体10分钟，之后减压至-0.09MPa通气10分钟，再恢复常压通气10分钟，再减压通气10分钟，恢复常压，停止加热，通氩气降温至300℃完成反应出料。

本实用新型还提供了一种包括上述石墨粉氯化提纯用流化床反应器的石墨粉提纯装置，能够保证石墨粉提纯后的产品品质，产品中灰分≤0.0008％，硼当量≤0.00002％，可靠满足高温气冷堆的使用要求。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨粉氯化提纯用流化床反应器，其特征在于，包括：反应器本体，所述反应器本体包括由上向下依次设置的流化床固体回收段、流化床反应段以及流化床下封头段，所述流化床固体回收段上设置有抽真空口；

所述反应器本体的外部设置有耐烧蚀涂层、保温层、加热层以及保护壳体，所述加热层设置在所述流化床固体回收段与所述流化床反应段的部位；

所述反应器本体的材质包括碳-碳复合材料。

2.根据权利要求1所述的石墨粉氯化提纯用流化床反应器，其特征在于，所述耐烧蚀涂层包括碳化硅涂层，所述碳化硅涂层沉积在碳-碳复合材料的所述反应器本体上。

3.根据权利要求2所述的石墨粉氯化提纯用流化床反应器，其特征在于，所述保温层包括氧化铝耐火纤维保温层，所述氧化铝耐火纤维保温层对所述反应器本体以及所述碳化硅涂层整体包覆。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的石墨粉氯化提纯用流化床反应器，其特征在于，所述抽真空口设置在所述流化床固体回收段的顶部中心。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的石墨粉氯化提纯用流化床反应器，其特征在于，所述流化床反应段包括流化床反应上段以及流化床反应下段，所述流化床反应上段设置有石墨粉入口以及检测反应器内部温度的测温口，所述石墨粉入口设置在所述流化床反应上段的顶部。

6.根据权利要求5所述的石墨粉氯化提纯用流化床反应器，其特征在于，所述流化床反应下段设置有石墨粉出口，所述石墨粉出口设置在所述流化床反应下段的底部。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的石墨粉氯化提纯用流化床反应器，其特征在于，所述流化床下封头段的底部设置有气体入口，所述流化床反应段与所述流化床下封头段的相接部位设置有气体分布器。

8.根据权利要求1所述的石墨粉氯化提纯用流化床反应器，其特征在于，所述流化床反应段的直径为500-600mm，所述流化床反应段的高度为其直径的3-4倍，所述流化床固体回收段的直径为所述流化床反应段的直径的1.6-2倍。

9.根据权利要求1所述的石墨粉氯化提纯用流化床反应器，其特征在于，所述流化床固体回收段的高度为1500-2000mm，所述流化床下封头段的高度为200-300mm。

10.一种石墨粉提纯装置，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的石墨粉氯化提纯用流化床反应器。