ES2221574B1 - PROCEDURE AND EQUIPMENT FOR THE CONTINUOUS DEVELOPMENT OF BREA DE MESOFASE. - Google Patents

PROCEDURE AND EQUIPMENT FOR THE CONTINUOUS DEVELOPMENT OF BREA DE MESOFASE.

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ES2221574B1 ES200301349A ES200301349A ES2221574B1 ES 2221574 B1 ES2221574 B1 ES 2221574B1 ES 200301349 A ES200301349 A ES 200301349A ES 200301349 A ES200301349 A ES 200301349A ES 2221574 B1 ES2221574 B1 ES 2221574B1
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Abstract

Procedimiento y equipo para la elaboración en continuo de brea de mesofase. Se presenta un método para la producción de forma continua de brea de mesofase a partir de diversos derivados del petróleo o del carbón, que pueden presentar contenidos variables de mesofase del 60 al 100%. El sistema de producción es sencillo y económico, constando de un reactor de un único cuerpo con dos zonas de temperatura diferenciadas. Una zona de alta temperatura donde se produce la pirólisis del precursor orgánico formándose la mesofase, y una segunda zona de baja temperatura donde la mesofase sedimenta y coalesce formado la brea de mesofase. La transferencia de la mesofase de la zona 1 a la zona 2 ocurre de forma espontánea. La zona 2 dispone de un dispositivo para la retirada de la brea de mesofase, mientras la zona 1 tiene un dispositivo para el aporte de materia prima necesario para mantener el balance de materia en el interior del reactor.Procedure and equipment for the continuous elaboration of mesophase pitch. A method is presented for the continuous production of mesophase pitch from various petroleum or coal derivatives, which may have varying mesophase contents of 60 to 100%. The production system is simple and economical, consisting of a single-body reactor with two differentiated temperature zones. A high temperature zone where the pyrolysis of the organic precursor takes place forming the mesophase, and a second low temperature zone where the mesophase sediments and coalesces formed the mesophase pitch. The transfer of the mesophase from zone 1 to zone 2 occurs spontaneously. Zone 2 has a device for the removal of the mesophase pitch, while zone 1 has a device for the contribution of raw material necessary to maintain the balance of matter inside the reactor.

Description

Procedimiento y equipo para la elaboración en continuo de brea de mesofase.Procedure and equipment for processing in brea of mesophase pitch.

Sector de la técnicaTechnical sector

La invención se enmarca dentro del área de química, más concretamente dentro de la ingeniería química, ya que se trata del diseño de un reactor de producción en continuo. Además, la invención puede tener repercusiones en otros sectores relacionados con las numerosas aplicaciones de las breas de mesofase, como fabricación de fibras de carbono de alto módulo, grafitos de alta densidad o precursores de electrodos para sistemas de almacenamiento de energía.The invention is framed within the area of chemistry, more specifically within chemical engineering, since It is about the design of a continuous production reactor. In addition, the invention may have repercussions in other sectors. related to the numerous applications of the areas of mesophase, as a manufacturing of high modulus carbon fibers, high density graphites or electrode precursors for systems of energy storage.

Estado de la técnicaState of the art

La necesidad de nuevos materiales es una constante en nuestra sociedad tecnológica, donde materiales con propiedades muy específicas son demandados por muchos sectores industriales o productivos. Los materiales de carbono han encontrado un hueco importante dentro del campo de los nuevos materiales debido a que reúnen una serie de propiedades (alta resistencia mecánica y módulo, baja densidad, alta conductividad térmica y eléctrica, etc.) que los hace insustituibles en algunas aplicaciones. Sin embargo, siempre han encontrado un freno importante para la generalización de su uso en su alto precio, ya que tanto el coste de los precursores como de los procesos de producción es elevado. En esta memoria se presenta un método para la producción de brea de mesofase que usa precursores económicos y un procedimiento de obtención muy sencillo. Esta brea de mesofase puede ser un precursor adecuado para la fabricación de fibras de carbono de alto módulo, de grafitos isótropos de alta densidad, de espumas termoconductoras, y también como material activo para electrodos en sistemas de almacenamiento de energía, tales como baterías y supercondensadores.The need for new materials is a constant in our technological society, where materials with very specific properties are demanded by many sectors Industrial or productive. Carbon materials have found an important gap in the field of new materials because they meet a series of properties (high mechanical resistance and modulus, low density, high conductivity thermal and electrical, etc.) that makes them irreplaceable in some Applications. However, they have always found a brake important for the generalization of its use at its high price, since that both the cost of precursors and the processes of Production is high. This method presents a method for the production of mesophase pitch that uses economic precursors and a very simple procedure to obtain. This mesophase pitch it can be a suitable precursor for the manufacture of fibers of high modulus carbon, high density isotropic graphites, thermoconducting foams, and also as active material for electrodes in energy storage systems, such as batteries and supercapacitors.

Hasta la fecha se han descrito numerosos métodos para la producción de breas de mesofase, aunque muy pocos de ellos han sido llevados a escala industrial. Además, muchos de ellos son complejos y utilizan procesos discontinuos, que difícilmente pueden ser rentabilizados industrialmente.To date, numerous methods have been described. for the production of mesophase breas, although very few of them They have been taken on an industrial scale. In addition, many of them are complex and use discontinuous processes, which can hardly Be profitable industrially.

Existen varios métodos de producción de mesofase que conjugan tratamientos térmicos a temperaturas moderadas (alrededor de 400ºC) con burbujeo de gas para arrastrar las moléculas ligeras concentrando los mesógenos, tales como las patentes asignadas a E. I. Du Pont de Nemours and Company (US patent 4,551,225 de 1985), donde los principales inconvenientes del método son los largos tiempos de tratamiento y los altos caudales de gas inerte utilizados. Un método similar se presenta en la US patent 4,931,162 asignada a Conoco Inc. en 1990, donde los tiempos de tratamiento térmico oscilan entre 3 y 4 días a temperaturas próximas a 380ºC, con el consiguiente consumo de gas y energía. Con el objetivo de reducir el tiempo de tratamiento la misma compañía presenta en la US patent 4,904,371 de 1990 y también en la 5,198,101 de 1993, una variante en la que se usa un gas oxidante (aire empobrecido) en una primera fase de tratamiento, para acelerar la polimerización de los mesógenos, reduciendo así el tiempo de tratamiento a algo más de 2 días. También cambian de estrategia (US patent 4,892,642 también de 1990 y asignada a Conoco Inc.) sustituyendo el burbujeo de gas por una extracción con disolventes, que consigue el mismo objetivo de concentrar los mesógenos recortando significativamente el tiempo de tratamiento. Pero la utilización de disolventes orgánicos conlleva una serie de desventajas importantes en cuanto a las dificultades y riesgos de manipulación, problemas medioambientales y gasto energético elevado en los procesos de recuperación de disolventes. También los rendimientos globales de obtención de brea de mesofase son muy bajos, al concentrar sólo una fracción estrecha de mesógenos.There are several methods of mesophase production that combine heat treatments at moderate temperatures (around 400ºC) with gas bubbling to drag the light molecules concentrating mesogens, such as patents assigned to E. I. Du Pont de Nemours and Company (US patent 4,551,225 of 1985), where the main drawbacks of method are long treatment times and high flow rates of inert gas used. A similar method is presented in the US patent 4,931,162 assigned to Conoco Inc. in 1990, where times Heat treatment ranges from 3 to 4 days at temperatures close to 380ºC, with the consequent consumption of gas and energy. In order to reduce the treatment time it company presents in the US patent 4,904,371 of 1990 and also in the 5,198,101 of 1993, a variant in which an oxidizing gas is used (depleted air) in a first phase of treatment, to accelerate the polymerization of mesogens, thus reducing the Treatment time to just over 2 days. They also change strategy (US patent 4,892,642 also from 1990 and assigned to Conoco Inc.) replacing gas bubbling with an extraction with solvents, which achieves the same objective of concentrating mesogens significantly cutting treatment time. But the use of organic solvents involves a series of significant disadvantages regarding the difficulties and risks of handling, environmental problems and energy expenditure high in solvent recovery processes. Also they overall yields for obtaining mesophase pitch are very low, concentrating only a narrow fraction of mesogens.

Otras patentes en las que se utiliza la extracción con disolventes fueron presentadas con anterioridad, como la US patent 4,575,412 asignada a Kawasaki Steel Corporation en 1986. En ésta se realiza un primer tratamiento térmico en el que se genera mesofase y posteriormente se extrae con un disolvente. La fracción soluble, tras eliminar el disolvente se somete a un segundo tratamiento térmico para generar ahora una mesofase adecuada como precursor de fibras de carbono.Other patents in which the solvent extraction were presented previously, as US patent 4,575,412 assigned to Kawasaki Steel Corporation in 1986. This is a first heat treatment in which Mesophase is generated and subsequently extracted with a solvent. The soluble fraction, after removing the solvent is subjected to a second heat treatment to now generate a mesophase suitable as a precursor of carbon fibers.

Otra opción que se ha barajado para producir breas de mesofase es la adición de diferentes tipos de sustancias a los precursores orgánicos (breas o compuestos puros) para la generación de breas de mesofase. Así, la US patent 4,631,181 asignada a Nippon Steel Corporation en 1986 añade importantes cantidades de alcoholes o fenoles a breas de alquitrán de hulla, trabajando con presión autógena muy elevada, además de no conseguir breas totalmente anisótropas. La adición de catalizadores, fundamentalmente ácidos de Lewis, ha sido la estrategia preferida para la producción de breas de mesofase. La US patent 4,443,324, de Exxon Research and Engineering Co de 1984, muestra la posibilidad de producir breas de mesofase a partir de compuestos puros como el criseno o el trifenileno a través de una reacción catalizada por AlCl_{3} seguida de extracción con disolventes. La US patent 4,704,333 (Phillips Petroleum Company, 1987) recoge los resultados con un gran número de catalizadores. El principal inconveniente de este tipo de procesos es que el catalizador metálico permanece en el material carbonoso, lo que a efectos prácticos limita seriamente su viabilidad.Another option that has been considered to produce Mesophase breas is the addition of different types of substances to organic precursors (breases or pure compounds) for mesophase breas generation. Thus, US Patent 4,631,181 assigned to Nippon Steel Corporation in 1986 adds important amounts of alcohols or phenols to coal tar breasts, working with very high autogenous pressure, besides not getting totally anisotropic breas. The addition of catalysts, essentially Lewis acids, it has been the preferred strategy for the production of mesophase breas. US patent 4,443,324, from Exxon Research and Engineering Co of 1984, shows the possibility of producing mesophasic breasts from compounds cigars such as chromene or triphenylene through a reaction Catalyzed by AlCl 3 followed by solvent extraction. US Patent 4,704,333 (Phillips Petroleum Company, 1987) collects the results with a large number of catalysts. The main disadvantage of this type of process is that the catalyst metallic remains in the carbonaceous material, which for the purpose Practical seriously limits its viability.

Un hito importante en la producción a escala industrial de brea de mesofase se produjo con una variante de este método, en el que se usaba como precursor naftaleno o metil-naftaleno, y como catalizador una mezcla de HF y BF3, que al ser gaseoso se eliminaba fácil y totalmente de la brea resultante, pudiendo reutilizarse. A pesar de la dificultad de manipulación del catalizador por su toxicidad y naturaleza corrosiva, y de la necesidad de trabajar a altas presiones, se consiguió una producción industrial del producto, aunque el coste final de la brea de mesofase es elevado. Las patentes japonesas 1-309482 y 2-27200, de 1989 y 1990, respectivamente, así como la US patent 5,182,010 de 1993, todas ellas asignadas a Mitshubishi Gas Chemical Inc., recogen los detalles de esta invención.An important milestone in scale production industrial mesophase pitch was produced with a variant of this method, in which naphthalene was used as a precursor or methyl naphthalene, and as a catalyst a mixture of HF and BF3, which, being gaseous, was easily and totally eliminated from the resulting pitch, and can be reused. Despite the difficulty of catalyst manipulation due to its toxicity and nature corrosive, and the need to work at high pressures, it got an industrial production of the product, although the cost end of the mesophase pitch is high. Japanese patents 1-309482 and 2-27200, from 1989 and 1990, respectively, as well as US Patent 5,182,010 of 1993, all they assigned to Mitshubishi Gas Chemical Inc., collect the Details of this invention.

Otra mesofase que ha llegado al nivel de producción industrial es la conocida como "mesofase solvatada" producida por Conoco Inc., y que se utiliza para la producción de fibras de carbono de alto módulo (US patents 5,437,780 de 1985; 5,540,903; 5,538,621 y 5,489,374; estas últimas de 1996). Para ello, una brea isótropa de alto peso molecular, obtenida de un residuo de petróleo modificado, se mezcla con un disolvente como el xileno y se somete a una extracción a alta temperatura y presión. Los insolubles en xileno son posteriormente secados y tratados a alta temperatura y presión en presencia de un compuesto como el fenantreno, que se incorpora a la estructura carbonosa, generando una mesofase con un alto contenido en fenantreno (de ahí la denominación de solvatada) y con un punto de reblandecimiento bajo. El proceso es complejo, costoso y ofrece muy bajo rendimiento en brea de mesofase.Another mesophase that has reached the level of industrial production is known as "solvated mesophase" Produced by Conoco Inc., and used for the production of high modulus carbon fibers (US patents 5,437,780 of 1985; 5,540,903; 5,538,621 and 5,489,374; the latter of 1996). For it, a high molecular weight isotropic pitch, obtained from a residue of modified oil, mixed with a solvent such as xylene and undergoes extraction at high temperature and pressure. The insoluble in xylene are subsequently dried and treated at high temperature and pressure in the presence of a compound such as Phenanthrene, which is incorporated into the carbon structure, generating a mesophase with a high phenanthrene content (hence the denomination of solvatada) and with a low softening point. The process is complex, expensive and offers very low performance in Mesophase pitch.

Existe también un grupo de patentes que producen brea de mesofase basándose en los mismos principios físicos que se utilizan en esta invención. Así, la US patent 4,529,498 asignada a Kashima Oil Company Limited en 1985 y la US patent asignada a Toa Nenryo Kogyo Kabushiki Kaisha en 1988 describen métodos similares, en los que tras tratar un residuo de petróleo térmicamente para producir mesofase, se deja un periodo de tiempo a una temperatura inferior a 400ºC, produciéndose la coalescencia de la mesofase y su sedimentación en el fondo del reactor, lo que permite su posterior separación. Esto se hace de una forma discontinua. La US patent 4,512,874 asignada a Kashima Oil Company Limited en 1985 da un paso más allá y transforma el proceso en continuo. El proceso consta de dos recipientes, uno en el que se produce la reacción de formación de mesofase, y otro en el que se produce la sedimentación y coalescencia de ésta. Es necesario por tanto el trasiego del material pirolizado al reactor de sedimentación, y la vuelta del material no anisótropo al primer reactor tras la separación. Este transporte de material muy viscoso de un recipiente a otro presenta serias dificultades. Además, la citada patente sólo utiliza como material de partida productos derivados del petróleo.There is also a group of patents that produce mesophase pitch based on the same physical principles as used in this invention. Thus, US patent 4,529,498 assigned to Kashima Oil Company Limited in 1985 and the US patent assigned to Toa Nenryo Kogyo Kabushiki Kaisha in 1988 describe similar methods, in which after treating a thermal oil residue for produce mesophase, a period of time is left at a temperature below 400 ° C, producing coalescence of the mesophase and its sedimentation at the bottom of the reactor, which allows its subsequent separation. This is done in a discontinuous way. The US patent 4,512,874 assigned to Kashima Oil Company Limited in 1985 da one step further and transform the process into continuous. The process It consists of two containers, one in which the reaction of mesophase formation, and another in which sedimentation occurs and coalescence of it. It is therefore necessary to transfer the pyrolized material to the sedimentation reactor, and the return of the non-anisotropic material to the first reactor after separation. This transport of very viscous material from one container to another presents  serious difficulties In addition, the cited patent only uses as starting material petroleum products.

La invención que se presenta en esta memoria presenta ventajas evidentes sobre las anteriores al tratarse de un proceso continuo que se realiza en un único reactor, evitando transvases de material de un sitio a otro.The invention presented herein It has obvious advantages over the previous ones as it is a continuous process that is carried out in a single reactor, avoiding material transfers from one site to another.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

Las breas de mesofase son precursores de materiales de carbono con numerosas aplicaciones industriales, tales como la fabricación de fibras de carbono de alto módulo, espumas de carbono termoconductoras o materiales de electrodo en sistemas de almacenamiento de energía. La producción de breas de mesofase es un problema técnicamente complejo, que requiere la adecuación de los precursores, así como numerosas etapas de producción. Además, la mayoría de los métodos desarrollados son de producción en discontinuo, lo que encarece aun más el producto. En esta invención se presenta un método para producir breas de mesofase en continuo utilizando un único reactor donde se genera y separa la mesofase, lo que supone una simplificación respecto a todos los procesos presentados hasta la fecha.Mesophase breasts are precursors of Carbon materials with numerous industrial applications, such as the manufacture of high modulus carbon fibers, thermoconductive carbon foams or electrode materials in energy storage systems Breas production of Mesophase is a technically complex problem, which requires the adequacy of precursors, as well as numerous stages of production. In addition, most of the methods developed are from discontinuous production, which makes the product even more expensive. In This invention presents a method for producing breasts of mesophase in continuous using a single reactor where it is generated and separates the mesophase, which is a simplification with respect to All processes presented to date.

Breve descripción de la invenciónBrief Description of the Invention

En esta invención se presenta un proceso sencillo, que usa precursores económicos y disponibles en el mercado, en el que en un único reactor que tiene dos zonas de temperatura diferente se genera una brea de mesofase con un alto contenido en mesofase. La zona superior (zona 1) del reactor se encuentra a una temperatura tal que permite las reacciones pirolíticas que conducen a la formación de mesofase, que de forma espontánea se deposita en la zona inferior del reactor (zona 2), que se encuentra a menor temperatura, donde sedimenta y coalesce antes de ser extraída del reactor como producto final. No se usan ni disolventes, ni catalizadores, ni ningún otro aditivo, teniendo como único producto de la reacción la brea de mesofase.In this invention a process is presented simple, that uses economic precursors and available in the market, in which in a single reactor that has two zones of different temperature generates a mesophase pitch with a high Mesophase content. The upper zone (zone 1) of the reactor is is at a temperature that allows reactions pyrolytics that lead to the formation of mesophase, which in a way spontaneously deposited in the lower zone of the reactor (zone 2), which It is at a lower temperature, where it settles and coalesces before if removed from the reactor as the final product. They are not used or solvents, or catalysts, or any other additive, having as the only product of the reaction the mesophase pitch.

Breve descripción del contenido de las figurasBrief description of the content of the figures

La Figura 1 presenta un esquema del reactor en continuo para la producción de brea de mesofase.Figure 1 presents a diagram of the reactor in continuous for the production of mesophase pitch.

La Figura 2 muestra imágenes tomadas al microscopio óptico de la mesofase en diferentes zonas del reactor al tratar una brea de petróleo.Figure 2 shows images taken at Mesophase optical microscope in different reactor zones when treating an oil pitch.

La Figura 3 muestra imágenes tomadas al microscopio óptico de la mesofase en diferentes zonas del reactor al tratar una brea de alquitrán de hulla.Figure 3 shows images taken at Mesophase optical microscope in different reactor zones when treating a coal tar pitch.

Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention

La presente invención usa como materias primas productos derivados del petróleo o del carbón, preferentemente breas de ambos orígenes u otros residuos pesados con un alto contenido en el elemento carbono. El tipo de precursor tiene profunda incidencia tanto en el tipo de mesofase obtenida como en las condiciones experimentales requeridas. El uso de precursores de alto peso molecular permite trabajar a presión atmosférica, lo que simplifica las exigencias del equipo utilizado, manteniendo rendimientos de producto obtenido muy altos, superior al 60-70% en peso. Para conseguir estos mismos rendimientos con precursores de peso molecular más bajo, como puede ser un aceite decantado o un alquitrán de pirólisis, es necesaria la utilización de presión en el reactor. Todos los precursores utilizados, breas o residuos, están disponibles en el mercado a bajo precio y son de naturaleza isótropa.The present invention uses as raw materials petroleum or coal products, preferably Breas of both origins or other heavy waste with a high content in the carbon element. The type of precursor has profound incidence both in the type of mesophase obtained and in the experimental conditions required. The use of precursors High molecular weight allows working at atmospheric pressure, which which simplifies the demands of the equipment used, maintaining product yields obtained very high, higher than 60-70% by weight. To get these same yields with lower molecular weight precursors, such as it can be a decanted oil or a pyrolysis tar, it is the use of pressure in the reactor is necessary. All the Precursors used, breasts or waste, are available in the Market at a low price and are of an isotropic nature.

El proceso de transformación de estos precursores en una brea de mesofase se realiza en un reactor como el que se esquematiza en la Figura 1, y cuyo desarrollo representa la principal reivindicación de esta patente. La materia prima se encuentra en un depósito a partir del cual se puede alimentar al reactor principal. Esta materia prima se encuentra en estado líquido y a una temperatura que permita ser transvasada con facilidad, que normalmente es inferior a los 200ºC. En estas condiciones los precursores usados permiten su transporte con facilidad al ser térmicamente estables y presentar una baja viscosidad. Desde este depósito se alimenta el reactor principal para mantener estable el nivel de líquido en éste. Una parte del líquido alimentado se evapora y se recoge junto con otros productos ligeros de craking en un depósito de condensados, de donde pueden ser eliminados. El reactor propiamente dicho cuenta con una serie de sistemas de calefacción que permiten mantener dos zonas diferenciadas de temperatura. La zona superior (zona 1) opera a temperaturas comprendidas entre 400 y 480ºC, temperaturas a las que ocurre la pirólisis del precursor carbonoso y todas las reacciones implicadas en la formación de una fase ópticamente anisótropa denominada mesofase. Esta mesofase aparece en forma de esferas y la velocidad de formación depende tanto de la naturaleza química del precursor como de las condiciones experimentales empleadas, sobre todo de la presión y de la temperatura.The process of transformation of these precursors in a mesophase pitch it is performed in a reactor like the one schematized in Figure 1, and whose development represents the main claim of this patent. The raw material is found in a warehouse from which you can feed the main reactor This raw material is in state liquid and at a temperature that allows it to be transferred with ease, which is normally less than 200 ° C. In these conditions used precursors allow transport with ease of being thermally stable and presenting a low viscosity. The main reactor is fed from this tank to keep the liquid level stable in it. A part of fed liquid evaporates and is collected together with others lightweight craking products in a condensate tank, of Where they can be eliminated. The reactor itself has a series of heating systems that allow to maintain two temperature differentiated zones. The upper zone (zone 1) operates at temperatures between 400 and 480 ° C, temperatures at which occurs the pyrolysis of the carbonaceous precursor and all reactions involved in the formation of an optically phase Anisotropic called mesophase. This mesophase appears in the form of spheres and the speed of formation depends so much on nature precursor chemistry as of the experimental conditions used, especially pressure and temperature.

Las esferas de mesofase son, por su propia constitución de moléculas planas apiladas, más densas que la fase isótropa de la cual proceden, lo que provoca que estas esferas, alcanzado cierto tamaño, tiendan de forma espontánea a depositarse en el fondo del reactor. La suave agitación mecánica que existe en esta zona del reactor permite la transferencia del calor sin evitar la sedimentación de las esferas de mesofase. Esta mesofase recién formada presenta unas propiedades muy interesantes, ya que al tratarse de un cristal líquido conjuga una orientación molecular preferente (estructura pregrafítica) con una plasticidad que condiciona sus aplicaciones posteriores. Esta plasticidad se pierde con el tiempo de permanencia a alta temperatura, debido a la progresiva transformación de la mesofase en coque. Como se mencionó con anterioridad, la mesofase recién formada inicia un camino descendente en el reactor hasta que de forma espontánea llega a la zona 2, que se encuentra a menor temperatura (entre 350 y 400ºC) y donde las reacciones pirolíticas se ralentizan enormemente, lo que detiene el endurecimiento de la mesofase. La temperatura debe de ser lo suficientemente alta para que las esferas de mesofase tenga la posibilidad de seguir descendiendo a la vez que coalescen entre ellas, formando un único cuerpo de mesofase másica, que finalmente se encuentra depositado en el fondo del reactor como fase mayoritaria, de donde puede ser extraído a través de un dispositivo tal como un tornillo sin fin o una válvula debidamente calefactada (dependiendo el uso de un sistema u otro de las condiciones de operación, concretamente del uso o no de presión).The mesophase spheres are, by their own constitution of stacked flat molecules, denser than the phase isotropic from which they come, which causes these spheres, reached a certain size, they tend to spontaneously deposit at the bottom of the reactor. The gentle mechanical agitation that exists in This reactor zone allows heat transfer without avoid sedimentation of mesophase spheres. This mesophase newly formed presents some very interesting properties, since at  it is a liquid crystal conjugates a molecular orientation preferred (pregraphitic structure) with a plasticity that It conditions your subsequent applications. This plasticity is loses over time at high temperature, due to the  progressive transformation of the mesophase into coke. As mentioned previously, the newly formed mesophase starts a path descending into the reactor until it spontaneously reaches the zone 2, which is at a lower temperature (between 350 and 400ºC) and where pyrolytic reactions slow down greatly, which stops the hardening of the mesophase. The temperature must be high enough for the mesophase spheres to have the possibility of continuing to descend while coalescing between them, forming a single mass mesophase body, which finally It is deposited at the bottom of the reactor as a phase majority, where it can be extracted through a device such as a worm or a properly heated valve (depending on the use of one system or another of the conditions of operation, specifically the use or not of pressure).

Una de las grandes ventajas del procedimiento aquí presentado consiste en la homogeneidad de la mesofase preparada. En cualquier procedimiento en discontinuo, donde el precursor se piroliza durante un tiempo determinado hasta obtener una cantidad definida de mesofase, que luego se somete a un proceso de separación, la mesofase formada en los primeros estadios de la pirólisis no es igual a la formada al final, con lo que se tiene un material con cierta heterogeneidad. Sin embargo, con el procedimiento aquí descrito, el tiempo de permanencia de las esferas de mesofase en la zona de pirólisis es autorregulado por el propio sistema (las esferas alcanzan un tamaño a partir del cual sedimentan), por lo que el producto es más homogéneo, propiedad de especial interés en aplicaciones tales como la producción de fibras de carbono, una de las potenciales aplicaciones de estas breas de mesofase.One of the great advantages of the procedure presented here consists of the homogeneity of the mesophase ready In any discontinuous procedure, where the precursor is pyrolyzed for a certain time until obtaining a defined amount of mesophase, which is then subjected to a process of separation, the mesophase formed in the first stages of the Pyrolysis is not equal to that formed at the end, so you have a material with some heterogeneity. However, with the procedure described here, the residence time of the spheres of mesophase in the pyrolysis zone is self-regulated by itself system (the spheres reach a size from which sediment), so that the product is more homogeneous, owned by special interest in applications such as fiber production carbon, one of the potential applications of these areas of mesophase

Es importante mencionar las diferentes características de la mesofase según su origen sea petróleo o carbón. Es bien conocido que las breas de carbón suelen estar acompañadas de un contenido variable de partículas sólidas denominadas insolubles en quinolina primarios (pQI), que tienen una especial incidencia en la formación y desarrollo de la mesofase. Estas partículas se colocan alrededor de las esferas de mesofase dificultando enormemente su coalescencia, lo que claramente incide en los rendimientos y propiedades de la mesofase obtenida. Las breas de carbón libres de pQI (por filtración previa de la brea) se comportan de forma similar en esta invención a las breas de petróleo, lo cual indica que es la presencia de estas partículas, más que la naturaleza química del precursor, lo que determina su comportamiento en esta invención. Los ejemplos que se citan a continuación permiten obtener mayor comprensión de las propiedades de la invención aquí descritas.It is important to mention the different characteristics of the mesophase according to its origin be oil or Coal. It is well known that coal breasts are usually accompanied by a variable content of solid particles called primary quinoline insoluble (pQI), which have a special impact on the formation and development of the mesophase These particles are placed around the spheres of mesophase greatly hindering its coalescence, which clearly It affects the yields and properties of the obtained mesophase. PQI-free coal breasts (by prior filtration of the brea) behave similarly in this invention to breas of oil, which indicates that it is the presence of these particles, more than the chemical nature of the precursor, which determines its behavior in this invention. The examples cited to continuation allow to obtain greater understanding of the properties of the invention described herein.

Ejemplos de la realización de la invenciónExamples of the embodiment of the invention Ejemplo 1Example 1

Este ejemplo ilustra el funcionamiento de la invención con una brea de petróleo. La brea de petróleo Ashland 240 se alimenta al reactor hasta alcanzar un nivel predeterminado. La temperatura de trabajo de la zona 1 fue de 430ºC y el experimento se realiza a presión atmosférica. La temperatura de la zona 2 se fijó a 380ºC. La mesofase que se extrae del reactor tuvo un punto de reblandecimiento de 320ºC, un contenido en anisotropía superior al 97% y unos insolubles en tolueno inferiores al 80%. La Figura 2 ilustra el aspecto que presentó la brea en el interior del reactor en diferentes zonas al final de la experiencia. Así, se ve como en la parte superior el contenido en mesofase es muy bajo, y presenta sólo esferas de pequeño tamaño. Conforme se desciende en el reactor, la mesofase es cada vez más abundante, a la vez que las esferas son mayores y hace acto de presencia la mesofase coalescida. Por último, en la parte inferior del reactor se observa mesofase coalescida, que es la que se extrae a través del tornillo sinfín.This example illustrates the operation of the invention with an oil pitch. The Ashland Oil Pitch 240 is fed to the reactor until a predetermined level is reached. The working temperature of zone 1 was 430 ° C and the experiment It is done at atmospheric pressure. The temperature of zone 2 is set at 380 ° C. The mesophase that is removed from the reactor had a point of softening of 320ºC, a higher anisotropy content 97% and insoluble toluene less than 80%. Figure 2 illustrates the appearance of the pitch inside the reactor in different areas at the end of the experience. So, it looks like in the upper part of the mesophase content is very low, and presents Only small spheres. As you descend on the reactor, the mesophase is increasingly abundant, while the spheres are larger and mesophase appears coalesced Finally, at the bottom of the reactor you observes coalesced mesophase, which is what is extracted through the endless screw.

Ejemplo 2Example 2

Este ejemplo ilustra el funcionamiento de la invención con una brea de alquitrán de hulla con un contenido en pQI próximo al 3%. Todas las condiciones experimentales se mantuvieron constantes con respecto a las mostradas en el ejemplo 1, con el fin de comparar ambas materias primas. En este caso la brea que se extrae del reactor tuvo un contenido en mesofase inferior al 80%, y un punto de reblandecimiento superior a 350ºC. La Figura 3 ilustra el aspecto de la brea dentro del reactor a la finalización del experimento. Comparando lo comentado con la Figura 2 se observa la dificultad de las esferas de mesofase para coalescer, debido a la presencia de las partículas sólidas presentes en la brea. Aunque esta brea de mesofase no es un precursor adecuado para la obtención de fibras de carbono, sí lo es para la obtención de otro tipo de materiales, como pueden ser grafitos isótropos de alta densidad o materiales para electrodos en sistemas de almacenamiento de energía. Se ha de tener en cuenta que debido a la sencillez del proceso de obtención, el precio de estos materiales ha de ser bajo comparado con otros similares obtenidos por otras vías.This example illustrates the operation of the invention with a coal tar pitch with a content in pQI close to 3%. All experimental conditions are kept constant with respect to those shown in example 1, in order to compare both raw materials. In this case the pitch which is extracted from the reactor had a lower mesophase content at 80%, and a softening point greater than 350 ° C. The figure 3 illustrates the appearance of the pitch inside the reactor at the End of the experiment. Comparing the comments with the Figure 2 the difficulty of the mesophase spheres for coalescer, due to the presence of solid particles present in the pitch. Although this mesophase pitch is not a suitable precursor for obtaining carbon fibers, yes what It is for obtaining other types of materials, such as high density isotropic graphites or electrode materials in  energy storage systems It must be taken into account that Due to the simplicity of the procurement process, the price of these materials must be low compared to similar ones obtained by other means

Claims (7)

1. Dispositivo para la elaboración de brea de mesofase de forma continua caracterizado porque el reactor con agitación de un solo cuerpo tiene dos zonas de temperatura diferenciadas, donde la mesofase formada en la zona de alta temperatura se transvasa de forma espontánea a la zona de baja temperatura donde se concentra y se extrae mediante un tornillo sinfín.1. Device for the elaboration of mesophase pitch continuously characterized in that the reactor with agitation of a single body has two differentiated temperature zones, where the mesophase formed in the high temperature zone is spontaneously transferred to the low zone temperature where it is concentrated and extracted using an auger. 2. Dispositivo para la elaboración de brea de mesofase de forma continua de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura en la zona superior es de 400-480ºC y la del inferior de 350-400ºC.2. Device for the elaboration of mesophase pitch in accordance with claim 1, characterized in that the temperature in the upper zone is 400-480 ° C and that in the lower one is 350-400 ° C. 3. Dispositivo para la elaboración de brea de mesofase de forma continua de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura en la zona superior es preferentemente de 430ºC y la del inferior de 380ºC.3. Device for the elaboration of mesophase pitch in accordance with claim 1, characterized in that the temperature in the upper area is preferably 430 ° C and that in the lower one of 380 ° C. 4. Procedimiento para la elaboración de brea de mesofase de forma continua caracterizado por el uso de un precursor comercial derivado de petróleo, de acuerdo con las condiciones establecidas en las reivindicaciones 2 y 3.4. Process for the elaboration of mesophase pitch continuously characterized by the use of a commercial petroleum-derived precursor, in accordance with the conditions set forth in claims 2 and 3. 5. Procedimiento para la elaboración de brea de mesofase de forma continua caracterizado por el uso de un precursor comercial derivado de carbón con contenidos en pQI inferior al 3%, de acuerdo con las condiciones establecidas en las reivindicaciones 2 y 3.5. Process for the elaboration of mesophase pitch continuously characterized by the use of a commercial precursor derived from coal with pQI contents of less than 3%, in accordance with the conditions set forth in claims 2 and 3. 6. Procedimiento para la elaboración de brea de mesofase de forma continua caracterizado porque al coalescer lentamente las esferas de mesofase, según la reivindicación 1 y depositarse en el fondo, se consigue una homogeneidad a lo largo del proceso.6. Process for the elaboration of mesophase pitch continuously characterized in that by slowly coalescing the mesophase spheres, according to claim 1 and deposited at the bottom, a homogeneity is achieved throughout the process. 7. Uso de la brea de mesofase con pQI inferior al 3% obtenida con el equipo y procedimiento de reivindicaciones anteriores para materiales como grafitos isótropos, materiales para electrodos, etc.7. Use of mesophase pitch with pQI lower than 3% obtained with the equipment and procedure of claims above for materials such as isotropic graphites, materials for electrodes, etc.
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