DE2925950A1

DE2925950A1 - Verfahren und vorrichtung zur unschmelzbarmachung von pechfasern

Info

Publication number: DE2925950A1
Application number: DE19792925950
Authority: DE
Inventors: Takashi Hamaguti; Hisatsugu Kaji; Iwawo Kameyama; Tamotsu Miyamori
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1978-06-30
Filing date: 1979-06-27
Publication date: 1980-01-03
Also published as: DE2925950C3; FR2429849B1; GB2025015A; FR2429849A1; JPS5853085B2; US4265869A; JPS556547A; CA1126918A; US4283369A; GB2025015B; DE2925950B2

Description

Die Erfindung betrifft den in den Patentansprüchen näher gekennzeichneten Gegenstand.

Bei der Herstellung von Kohlefasern durch Schmelzspinnen von Erdölteerpech oder Kohleteerpech wird bekanntlich die erhaltene Pechfaser vor deren Carbonisierung einer Reaktion, bei der sie unschmelzbar wird, unterworfen. Zur Unschmelzbarmachung wird die Pechfaser einem Aufnahmesystem unterworfen, in das sie eingespeist und in dem sie auf einer Rolle aufgenommen wird, oder das ein netzartiges Transportsystem aufweist, auf das die Pechfaser aufgebracht und in dem sie durch diese Netztransportvorrichtung weitergeleitet wird. In einem derartigen bekannten Aufnahmesystem ist jedoch eine hohe Produktivität nicht erzielbar, da die Pechfaser nicht mit hoher Geschwindigkeit aufgenommen werden kann aufgrund ihrer geringen physikalischen Festigkeit und Dehnbarkeit. Außerdem dauert es lange, eine derartige Pechfaser zu reparieren, wenn sie während der in einem derartigen System erfolgenden Reaktion gebrochen ist. Im bekannten Netztransportsystem wird die Pechfaser dem Netz entsprechend wellenförmig verformt und die Dichte der Faser wird an den durchhängenden Stellen durch Schwerkraft (aufgrund ihres eigenen Gewichts) erhöht. Dies führt zu einer Faser, die lokale Schäden aufweist und insgesamt nicht zufriedenstellend oxdiert wird.

Erfindungsgemäß werden die aufgezeigten Nachteile behoben und Pechfasern in besonders vorteilhafter Weise bei hohen Produktionsraten unschmelzbar gemacht, in^dem die Fließrate eines in einem Trog zirkulierendes Gases gleichförmig gesteuert wird durch Einstellung des Verhältnisses von Packungsdichte der in dem Trog aufgehängten Pechfaser zur Oberflächengeschwindigkeit des in dem Trog zirkulierenden Gases auf einen geeigneten Wert.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine Pechfaser bei erhöhter Produktivitätsrate in eine unschmelzbare Pechfaser mit ausgezeichneten Eigenschaften überführt.

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Die Erfindung wird durch die beigefügte Zeichnung veranschaulicht, in der darstellen

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß verwendeten Trogs,über dessen Oberteil Stäbe angeordnet sind, von denen die Pechfaser herabhängt, und

Figur 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ünschmelzbarmachung von Pechfasern.

Wie Figur 1 erkennen läßt, hat der erfindungsgemäß verwendete Trog 2 mit U-förmigem Querschnitt vier Seitenwände 2a, 2a, 2b, 2b und eine Bodenwand 2c, die aus einem Metallnetz bestehen, wobei der Oberteil offen ist. Mehrere Stäbe 3 sind über dem offenen Teil des Troges 2 angeordnet und eine seilartige Pechfaser 1 von 10 bis 30 mm Durchmesser, die durch Schmelzspinnen von Erdölteerpech oder Kohleteerpech gewonnen ist, hängt von den Stäben 3 herab. Der Trog 2 mit der von den Stäben 3 herabhängenden Pechfaser 1 wird in einen unschmelzbares Material produzierenden Ofen 4 eingeführt, wie sich aus Figur 2 ergibt, um die Pechfaser 1 in der weiter unten beschriebenen Weise zu behandeln. Das Metallnetz verhindert, daß die Pechfaser 1 mit anderen Teilen in Kontakt gerät, z. B. mit der Wand des Ofens, und sich dabei deformiert, wobei es gleichzeitig den ungehinderten Durchfluß des durch die angegebenen Zirkuliereinrichtungen in Zirkulation versetzten Gases sicherstellt.

Der in Figur 2 gezeigte Ofen 4 zur ünschmelzbarmachung von Materialien ist ein solcher üblichen bekannten Typs, der verbessert wurde, um die erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile zu erreichen. Der Ofen 4 ist zur Aufnahme einer Vielzahl von Trögen 2 befähigt und weist Gasaustauschkammern 5, 6 auf, die sich an dessen Einlaßteil und Auslaßteil befinden und verhindern, daß sich die Zusammensetzung und Temperatur des atmosphärischen Gases im Ofen ändert, wenn die Tröge 2 in diesen eingesetzt oder daraus entnommen werden.

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Der Ofen 4 ist so ausgestaltet, daß das darin befindliche atmosphärische Gas eine vom Einlaßteil des Ofens gegen dessen Auslaßteil hin allmählich zunehmende Temperatur aufweist. Der Ofen 4 ist ferner mit Gebläsen oder Ventilatoren 7 versehen, die in geeignetem Abstand voneinander angeordnet sind, sowie mit mindestens zwei (bei der dargestellten Ausführungsform mit vier) GasZirkuliereinrichtungen 9, die dazu dienen, das Atmosphärengas von einem niedriger gelegenen Teil des Ofens abzuziehen und es in einen höher gelegenem Teil wieder einzuspeisen, so daß vertikale Ströme des Atmosphärengases erzeugt werden. Jede der Gaszirkuliereinrichtungen 9 weist einen Wärmeaustauscher 8 auf, um die während der Reaktion zur ünschmelzbarmachung der Pechfaser erzeugte Hitze zu entfernen und dadurch die Temperatur des Atmosphärengases in jedem Teil des Ofens konstant zu halten.

Erfindungsgemäß wird ein Trog 2, von dessen Stäben 3 in der in Figur 1 dargestellten Weise eine Pechfaser 1 herabhängt, in einen unschmelzbares Material produzierenden Ofen 4 des in Figur 2 gezeigten Typs eingebracht und intermittierend in eine Luftatmosphäre von 100 bis 400 ⁰C mit einem Gehalt an 0,1 bis 10 Vol.-% NO- überführt, um die Pechfaser 1 innerhalb von 1 bis 4 h unschmelzbar zu machen.

Die Menge (Packungsdichte) der im Trog 2 aufgehängten Pechfaser 1 kann beliebig geändert werden durch Änderung der Aufhängungsabstände. Ist die Menge an Pechfaser 1 zu gering, so erniedrigt sich die Produktivitätrate. Ist andererseits die Menge an Pechfaser 1 zu groß, so wird ggf. die Reaktion zur Ünschmelzbarmachung der Pechfaser nicht gleichförmig durchgeführt, und das Atmosphärengas fließt gegebenenfalls ungleichförmig während der sich anschließenden Carbonisierreaktion. Dies führt dazu, daß die Temperatur im Innern des Troges 2 überall verschieden ist. Die Menge an Pechfaser 1 beträgt daher vorzugsweise 1 bis 30 kg/m³ und in besonders vorteilhafter Weise 2 bis 20 kg/m³.

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Die in dem Trog aufgehängte und in den zur Erzeugung von unschmelzbarem Material befähigten Ofen eingeführte Pechfaser, die auf diese Weise unschmelzbar gemacht werden soll, liegt in Form eines Stranges oder Taus vor. Wird die Pechfaser bei einer Packungsdichte von über 1 kg/m³ mit einem natürlichen Luftkonvektionsstrom behandelt, so fließt ein zur Hitzeabführung bestimmtes Gas nicht gleichförmig in den Strang. Die Hitze kann daher nicht in befriedigender Weise entfernt werden, so daß die Temperatur in jedem Teil des Stranginneren variiert. Dies führt dazu, daß die physikalischen Eigenschaften der fertigen Faser, die durch Carbonisierung der einer Reaktion zur Unschmelzbarmachung unterworfenen Faser gewonnen wird, variieren. Außerdem erfolgt ein sehr heftiger Reaktionsablauf.

Zur Ausschaltung der aufgezeigten Nachteile ist der die Erzeugung von unschmelzbarem Material bewirkende Ofen 4 mit Gaszirkuliereinrichtungen 9 versehen, von denen jede ein Gebläse

aufweist,
oder einen Ventilator 7 / wodurch die Reaktionswärme entfernt wird durch Druckkonvektion in die Reaktionszone, wie oben beschrieben. Der Ofen 4 ist ferner mit Gasaustauschkammern 5, 6 ausgestattet, die sich am Einlaßteil und Auslaßteil des Ofens befinden und verhindern, daß sich die Zusammensetzung und Temperatur des Atmosphärengases im Ofen ändert, wenn die Tröge in diesen eingesetzt oder aus diesem entnommen werden.

Der unschmelzbares Material produzierende Ofen weist eine Luftatmosphäre von 100 bis 400 ⁰C auf, die 0,1 bis 10 Vol.-% NO₃ enthaltend die Pechfaser wird in dem Ofen 1 bis 4 h lang belassen, um zu bewirken, daß sie unschmelbar wird. Die angegebenen Bedingungen sind die gleichen wie die zur unschmelzbarmachung von Pechfasern üblicher Weise angewandten Bedinungen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Trog 2, in dem eine Pechfaser 1 aufgehängt ist, zunächst in

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eine Gasaustauschkammer 5 eingebracht, in der das Atmosphärengas vollständig ausgetauscht wird, so daß es identisch ist mit dem Atmosphärengas im unschmelzbares Material produzierenden Ofen, worauf der Trog in den Ofen selbst eingebracht wird. Die Temperatur im Innern des Ofens wird daher nicht erniedrigt und die Zusammensetzung des Atmosphärengases wird nicht verändert. Demzufolge kann die Pechfaser 1 gleichförmig unschmelzbar .gemacht werden unter bevorzugten Bedingungen.

Bei fortschreitender Reaktion zur ünschmelzbarmachung der· Pechfaser wird die Temperatur aufgrund der Reaktonswärme erhöht, was zu Temperaturschwankungen in jedem Teil des Troginneren führen könnte. Die Änderung der Temperatur kann jedoch erfindungsgemäß beliebig gesteuert werden durch Erzeugung eines nach abwärts" fließenden Stroms des Atmosphärengases im Trog 2 durch die Gebläse oder Ventilatoren 7 zur Entfernung der Hitze mit den Wärmeaustauschern 8. Da der Hitzeentfernungseffekt verbessert werden kann durch Steuerung der Fließrate des zirkulierenden Gases, ist es möglich, den Unterschied zwischen dem Erweichungspunkt der Pechfaser und der Temperatur des Amtosphärengases zu vermindern. Dies erlaubt die Unschmelzbarmaehung der Pechfaser innerhalb einer kurzen Zeitspanne. Es wird bevorzugt, das zur Entfernung dar Hitze verwendet ZirJculationsgas in einer abwärts gerichteten Richtung fließen zu lassen. Fließt das Gas in einer ungewünschten Richtung, so kann die aufgehängte Pechfaser aufgerollt oder verschlungen werden aufgrund ihres leichten Gewichts, was wiederum verhindern würde, daß die Reaktionswärme in einer zufriedenstellenden Weise entfernt wird. Das Zirkulationsgas nach abwärts fließen zu lassen, ist daher das Beste, was zur Verhinderung störender Bewegungen der Pechfaser getan werden kann.

Ist die Oberflächengeschwindigkeit des Zirkulationsgase in dem Ofen zu hoch, so wird die Belastung des Motors erhöht und die Reaktion kann nicht wirtschaftlich durchgeführt werden. Das

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Verhältnis der Pachungsdichte (kg/m³) der in Strangform vorliegenden Pechfaser zur Oberflächengeschwindigkeit (Nm/s) des Zirkulationsgases im Ofen wird daher so eingestellt, daß es der folgenden Gleichung entspricht:

Packungsdichte der Pechfaser

50 > >

Oberflächengeschwindigkeit des Zirkulationsgases im Ofen

Es ist erforderlich, die Oberflächengeschwindigkeit der Zirkulationsgases im Ofen zu erhöhen, wenn die Packungsdichte der Pechfaser hoch ist. Eine übermäßig hohe Oberflächengeschwindigkeit des im Ofen zirkulierenden Gases im Vergleich zur Packungsdichte der Pechfaser führt jedoch dazu, daß die Reaktion nicht wirtschaftlich durchgeführt werden kann und daß die Pechfaser in einigen Fällen gebrochen wird, was Schwierigkeiten bei der Bearbeitung bereitet.

Ist andererseits die Oberflächengeschwindigkeit des Zirkulationsgases im Ofen niedrig im Vergleich zur Packungsdichte der Pechfaser, so fließt das zur Wärmeabführung bestimmte Gas nicht gleichförmig, so daß die Temperatur der Pechfaser überall variiert. Dies führt nicht nur zu einer Änderung der physikalischen Eigenschaften in jedem Teil der carbonisierten Faser, sondern auch zu einem überaus heftigen Reaktionsablauf. Vorzugsweise beträgt die Oberflächengeschwindigkeit des Zirkulationsgases 0,05 bis 2,0 Nm/s. D.h. also, daß es sich als besonders vorteilhaft erweist, den Ofen bei einer Oberflächengeschwindigkeit des Zirkulationsgases im angegebenen Bereich zu betreiben und dafür zu sorgen, daß der angegebenen Formel genüge getan wird.

Wenn die Temperatur der zur Unschmelzbarkeit des Materials führenden Reaktion dichter am Erweichungspunkt der Pechfaser ist, kann die Reaktion in kürzerer Zeit durchgeführt werden. Ist jedoch die Reaktionstemperatur zu nahe am Erweichungspunkt, so

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wird es schwierig, die Umsetzung lokal zu unterdrücken und ein überaus heftiger Reaktionsablauf kann die Folge sein.

Ist andererseits der Unterschied zwischen der Reaktionstemperatur und dem Erweichungspunkt der Pechfaser zu groß, so wird die Reaktionszeit zu lang. Dies macht es erforderlich, die Dimensionen des Reaktors beträchtlich zu erhöhen. Vorzugsweise ist die Reaktionstemperatur um 5 bis 50 ⁰C niedriger als der Erweichungspunkt der Pechfaser.

Wird eine Pechfaser mit einem Erweichungspunkt von etwa 165 ⁰C, die durch Hitzebehandlung eines polymerisierten Pechs, z. B. von Naphthateer, gewonnen ist, der Einwirkung des unschmelzbares Material produzierenden Ofens ausgesetzt, so beträgt die Reaktionstemperatur am Einlaß des Ofens vorzugsweise 160 bis 115 ⁰C. In diesem Falle empfiehlt es sich, die Reaktionstemperatur in solcher Weise zu erhöhen, daß der Unterschied zwischen der Reaktionstemperatur und dem Erweichungspunkt der Pechfaser, der beim Fortschreitender Reaktion allmählich ansteigt, praktisch konstant wird, bis die Erweichungstemperatur etwa 300 ⁰C erreicht hat. Es wird jedoch bevorzugt, die Reaktionstemperatur so zu steuern, daß sich nicht über 350 ⁰C, vorzugsweise nicht über 3Ou ⁰C liegt. Ist die Reaktionstemperatur extrem hoch, so kann zusätzlich zur die Unschmelzbarmachung der Pechfaser bewirkenden Reaktion eine Polyrnerisationsreaktion der Pechfaser auftreten. Dies führt zur Bildung von Kohle— fasern als Endprodukt, die eine geringe physikalische Festigkeit und Dehnbarkeit haben.

Erfindungsgemäß werden die Tröge mit den darin hängenden Pechfasern nacheinander in den unschmelzbares Material produzierenden Ofen über die Gasaustauschkammer 5 eingebracht und die Tröge im Vorderteil des Ofen werden dadurch intermittierend, also diskontinuierlich und periodisch, weiterbefördert, während sie der zur Unschmelzbarkeit des Materials führenden Reaktion

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unterworfen sind. Die Tröge werden am Auslaßende des Ofens in eine Gasaustauschkammer gedrückt, wenn die Reaktion beendet ist. Dann werden die Tröge aus der Gasaustauschkammer entnommen, während die Kammer gegen den Ofenteil hin abgeschlossen ist, so daß keine Außenluft in den Ofenkörper eindringen kann. Die Pechfaser wird so^-dann carbonisiert in einem Carbonisierofen zur Umwandlung in Kohlefaserprodukte.

Beispiel 1

In mehrere Tröge von 1,5 m Höhe und 1,44 m² Querschnitt des in Figur 1 dargestellten Typs wurden jeweils 7,0 kg Pechfaser, die aus Naphthateer gewonnen war, eingehängt, Die erhaltenen Tröge wurden in einen unschmelzbares Material produzierenden Ofen des in Figur 2 gezeigten Typs,der zur Aufnahme von 14 Trögen befähigt war, eingeführt. Die Tröge wurde nacheinander im Abstand von 17 min in eine im Ofen befindliche Luftatmosphäre von 100 bis 250 ⁰C, die 1,0 Vol.-% NO₃ enthielt, eingebracht, und jeder Trog wurde aus dem Ofen 4 h nach dessen Einbringung in den Ofen abgezogen. Auf diese Weise wurden ausgezeichnete unschmelzbare Pechfasern erhalten. Während der angegebenen Reaktion betfug die Oberflächengeschwindigkeit des Zirkulationsgases im Ofen 0,25 Nm/s.

Beispiel 2

Die gleichen zur Unschmelzbarkeit des Materials führenden Reaktionen wie in Beispiel 1 wurden durchgeführt, jedoch unter Variierung der Packungsdichte ( ρ) . der Pechfaser, des Unterschieds (Λ t) zwischen dem Erweichungspunkt der Pechfaser und der Reaktxonstemperatur, und der Oberflächengeschwindigkeit (Ug) des Zirkulationsgases im Ofen, wobei in einer Luftatmosphäre von 100 bis 250 ⁰C mit einem Gehalt an 1,0 Vol.-% NO₂ gearbeitet wurde. Die Ergebnisse dieser Umsetzun-

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gen sind in der unten angegebenen Tabelle mit Versuch Nr. A bis D bezeichnet. Die zur Durchführung dieser Versuche A bis D erforderliche Reaktionszeit ist in der Tabelle ebenfalls angegeben.

Beispiel 3

Die gleiche zur Unschmelzbarkeit des Materials führende Reaktion wie in Beispiel 1 wurde durchgeführt in einer Luftatmosphäre von 100 bis 250 ⁰C, die 5,0 Vol.-% NO₃ enthielt. Das Ergebnis dieser Umsetzung ist in der folgenden Tabelle als Versuch Nr. E bezeichnet.

Die gleichen Reaktionen wurden in Form von Vergleichsversuchen F und G unter den gleichen Bedinungen durchgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß ρ, Δ t und Ug noch weiter geändert wurden. Die für diese Umsetzungen erforderlichen Reaktionszeiten sind ebenfalls aufgeführt.

TABELLE

Versuch -Nr.	P (kg/m )	•	Ug(Nm/s)	At(⁰C)	•	•Reaktions zeit (h)
A	4.0	0.13	40	4.0 .
B	4.0	0.20	25	3.0
C	4.0	0.33	15	1.8
D	10.0	0.50	25	3.0;
E	18.0	0.50	25	2.0
P	2.0	0.03	40	7.0
" (Vergle ichs- versüch)'
G	10.0	0.20	50	8.2
(Vergleichs- vers'uch)

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Dem Fachmann sind selbstverständlich zahlreiche im Rahmen der Erfindung liegenden Modifikationen der angegebenen Ausführungsformen an die Hand gegeben.

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Claims

· Γ»ΕΤΙ>ΈΙ. · SCHÖN · HERTEL PATENTANWILTE 2 7. Juni 1979 DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWALTVON 1927-1975) DR. PAUL DEUFEL. D1PL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN, DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS. K 1350 Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Tokyo, Japan Verfahren und Vorrichtung zur unschmelzbarmachung von Pechfasern Patentansprüche

1. Verfahren zur Unschmelzbarmachung von Pechfasern in einer N0„ enthaltenden Luftatmosphäre bei erhöhter Temperatur zur Erzeugung von Kohlefasern durch Unschmelzbarmachung und Carbonisierung einer durch Schmelzverspinnen von Erdölteerpech oder Kohleteerpech erhaltenen Pechfaser, dadurch gekennzeichnet, daß man

- Stäbe über dem Oberteil eines Troges mit U-förmigem Querschnitt anbringt,

- von diesen Stäben die Pechfaser herabhängen läßt,

- den erhaltenen Trog in einen unschmelzbares Material produzierenden Ofen einführt, der Gasaustauschkammern in seinem Einlaß- und Auslaßteil sowie mindestens zwei Gas-

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Zirkuliereinrichtungen aufweist, von denen jede eine Kombination aus einem Gebläse oder Ventilator und einen Wärmeaustauscher aufweist, und
- den Trog zur Bewirkung der Reaktion im Ofen beläßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Packdichte der im Trog aufgehängten Pechfaser und die Oberflächengeschwindigkeit des durch die Wirkung der Zirkuliereinrichtungen im Ofen zirkulierenden Gases so steuert, daß sie der folgenden Formel entsprechen

Packungsdichte der Pechfaser 50 > >

Oberflächengeschwindigkeit des Zirkulationsgases im Ofen

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächengeschwindigkeit des im Ofen zirkuliernden Gases 0,05 bis 2,0 Nm/s beträgt.

4. Vorrichtung zur Unschmelzbarmachung von Pechfasern, gekennzeichnet durch einen unschmelzbares Material produzierenden Ofen, der zur Aufnahme mehrerer einen ü-förmigen Querschnitt aufweisenden Tröge befähigt ist, von denen jeder über seinen Oberteil Stäbe angeordnet enthält, von denen die Pechfaser herabhängt, wobei der Ofen mindestens zwei Gaszirkuliereinrichtungen, von denen jede ein Gebläse oder einen Ventilator und einen Wärmeaustauscher umfaßt und zur Zirkulation eines Atomosphärengases unter Kühlung der Reaktionszone bestimmt ist, sowie Gasaustauschkammern an seinem Einlaß- und Auslaßteil aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände und der Boden des Trogs aus Metallnetzen bestehen.

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