ES3044909T3

ES3044909T3 - System and process for producing mesophase coke from isotropic pitch

Info

Publication number: ES3044909T3
Application number: ES20937460T
Authority: ES
Inventors: Chinnasamy Natarajan
Original assignee: Epsilon Advanced Mat Pvt Ltd
Current assignee: Epsilon Advanced Mat Pvt Ltd
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-07-18
Publication date: 2025-11-27
Anticipated expiration: 2040-07-18
Also published as: CA3179604A1; JP7617952B2; US12421454B2; US20230212462A1; JP2023527243A; EP4157966B1; CN115698228B; EP4157966C0; KR20230026356A; EP4157966A4; CN115698228A; WO2021240223A1; EP4157966A1

Abstract

La presente invención proporciona un sistema (1000) para la producción de coque mesofásico a partir de brea isotrópica. El sistema incluye un reactor con una primera zona de calentamiento (102) para el pretratamiento de la brea isotrópica operando a una temperatura de 250 °C a 350 °C a presión atmosférica. El reactor incluye además una segunda zona de calentamiento (103) para el calentamiento de la brea isotrópica pretratada manteniendo una temperatura de 350 °C a 500 °C a presión atmosférica para obtener brea mesofásica. El reactor incluye una tercera zona de calentamiento (104) para el calentamiento de dicha brea mesofásica manteniendo una temperatura de 500 °C a 800 °C a presión atmosférica para obtener coque mesofásico. El sistema incluye además una unidad de empuje (300) adaptada para desplazar físicamente el contenedor (50) desde la zona de entrada (101) hasta la zona de salida (106) para obtener el coque mesofásico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Sistema y proceso para la producción de coque de mesofase a partir de brea isotrópica

[0003] CAMPO DE LA INVENCIÓN

[0004] La presente invención se refiere a un sistema y un proceso para la producción de coque, y más concretamente, la presente invención divulga un sistema y un proceso continuo para la producción de brea de mesofase y coque de mesofase a partir de brea de carbón/alquitrán de petróleo para su uso como material de alimentación para fabricar electrodos de carbono/grafito para baterías secundarias.

[0005] ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0006] La necesidad de nuevos materiales es una búsqueda constante, donde materiales con propiedades muy específicas requieren equipos de fabricación específicos y un fácil control del proceso. Los materiales de carbono han encontrado un nicho importante en el campo de nuevos materiales ya que tienen una serie de propiedades (resistencia mecánica y alto módulo, baja densidad, alta conductividad térmica y eléctrica, propiedades de intercalación/absorción de iones, etc.), lo que los hace irremplazables en algunas aplicaciones. Una de esas aplicaciones es la batería de iones de litio, en la que la brea o el coque se utilizan como precursores de carbono para fabricar un ánodo de carbono/grafito.

[0007] Sin embargo, la brea y el coque deben ser de naturaleza anisotrópica y deben contener un alto contenido de mesofase. Por consiguiente, para superar este problema, han surgido los procesos para la producción de brea de mesofase. Un proceso de este tipo se divulga en la patente estadounidense n. ° 4904371.

[0008] Dicha patente divulga un proceso mejorado y un proceso simple para la producción de un producto de brea carbonosa que tiene un contenido de mesofase controlado que varía de aproximadamente 50 a 100%. Dicho proceso incluye calentar una materia prima carbonosa sustancialmente libre de brea de mesofase a una temperatura superior a 350 °C durante aproximadamente 6 horas a presión atmosférica.

[0009] Dicho proceso incluye además someter la materia prima carbonosa a un remojo térmico en ausencia de un gas de burbujeo durante un máximo de 10 horas adicionales en un rango de temperatura de 250 °C a 350 °C. Posteriormente, el proceso continúa calentando de nuevo la materia prima carbonosa pretratada en presencia de un gas de burbujeo no oxidativo durante un máximo de 10 horas en un rango de temperatura de 350 °C a 500 °C, formando así brea de mesofase.

[0010] Sin embargo, se ha observado que el tiempo de tratamiento térmico en el proceso anterior es de hasta 20 a 30 horas. Además, el gas inerte se utiliza en el proceso divulgado anteriormente para cobertura. Dado que el gas inerte se utiliza solo para la cobertura, dicho proceso consumiría menos cantidad de gas, alrededor de 0,25 pies cúbicos por hora (SCFH)/lb, lo que resulta en un bajo consumo de energía.

[0011] Además, se divulga un proceso similar en la patente estadounidense n. ° 4551225. Dicha patente divulga un proceso mejorado para la preparación de una brea ópticamente anisotrópica que incluye calentar un material de alimentación de brea a una temperatura dentro del rango de aproximadamente 350 °C a 450 °C mientras se pasa un gas inerte a través de este a una velocidad de al menos 2,5 pies cúbicos estándar por hora (SCFH)/lb de material de alimentación de brea, y luego agitar dicho material de alimentación de brea a una velocidad de agitación de aproximadamente 500 a 600 rpm para obtener un producto de brea de mesofase esencialmente 100% apto para la producción de carbono.

[0012] Sin embargo, se ha descubierto que el tiempo de tratamiento para la producción de brea anisotrópica y los caudales de gas inerte son altos en el proceso mencionado anteriormente. Además, este proceso requiere un agitador de RPM altas y solo produce brea de mesofase.

[0013] Además, otro proceso similar para la producción de brea de mesofase se divulga en la patente estadounidense n. ° 4631181. Dicho proceso incluye la producción de brea de mesofase mediante la adición de al menos uno de un alcohol y un fenol a betunes pesados. Además, el proceso implica pretratar la mezcla a una temperatura de al menos 250 °C y luego someter la mezcla pretratada a un tratamiento térmico.

[0014] Sin embargo, se observa que el proceso anterior requiere aditivos y presión alta para la producción de la brea de mesofase y además no resulta en una brea anisotrópica completa.

[0015] Otro proceso para la producción de brea de mesofase se divulga en la patente estadounidense n. ° 4704333. Dicho proceso incluye la conversión de una brea en brea de mesofase en presencia de cantidades catalíticamente efectivas de óxidos, dicetonas, carboxilatos y carbonilos de metales seleccionados entre vanadio, cromo, molibdeno, hierro, níquel y cobalto.

[0016] Otro proceso para la producción de brea de mesofase se divulga en la patente estadounidense n. ° 5182010. Dicho proceso incluye polimerizar un derivado de naftaleno que tiene al menos un grupo metilo durante aproximadamente 5-300 minutos a una temperatura de aproximadamente 180 °C - 400 °C bajo una presión de aproximadamente 5 100 atmósferas en presencia de aproximadamente 0,1-20 moles de fluoruro de hidrógeno (HF) y aproximadamente 0,05-1,0 moles de trifluoruro de boro (BF3) por mol del derivado de naftaleno.

[0017] Sin embargo, se observa que se utiliza un catalizador en los procesos anteriores, debido a que un cierto porcentaje de un catalizador de metal puede permanecer en la brea de mesofase producida, comprometiendo así la pureza. Además, el proceso requiere recipientes de presión alta, lo que aumentaría el gasto de capital y también el coste de procesamiento.

[0018] Otro método para la producción mesofase se divulga en la patente estadounidense n. ° 4512874. Dicho método incluye someter una brea de petróleo a un tratamiento térmico a una temperatura de 360 °C a 450 °C. A continuación, la brea tratada térmicamente se transfiere a un paso de crecimiento y coalescencia de mesofase. Dicho método incluye además calentar la brea tratada térmicamente transferida en el paso de crecimiento y coalescencia de mesofase para hacer que solo la mesofase crezca y se coaleszca mediante envejecimiento a una temperatura superior a 280 °C e inferior a 350 °C. Por último, dicho método implica eliminar una mesofase compuesta por el componente Q.I. y el componente Q.S. de la capa inferior en el paso de crecimiento y coalescencia.

[0019] Sin embargo, el método anterior requería dos recipientes: uno para formar la mesofase y otro para el crecimiento y la coalescencia de mesofase. Además, el material isótropo regresa al primer recipiente después de la separación. Por lo tanto, se vuelve difícil transportar material muy viscoso de un recipiente a otro.

[0020] La patente estadounidense n. ° 5491000 divulga un proceso para la producción de un material compuesto de carbono/carbono que utiliza polvo de mesofase, que incluye dispersar microesferas de mesofase infusibles en una solución que contiene un aglutinante y un solvente.

[0021] Además, la patente estadounidense n. ° 2775549 divulga un proceso para la producción de coque con forma de aguja. Dicho proceso incluye la eliminación de componentes de un residuo de petróleo de alto punto de ebullición mediante calentamiento a 350 °C - 550 °C y la posterior coquización del residuo restante en un tanque de reposo. La patente estadounidense n. ° 9777221 también divulga un método semicontinuo para la producción de coque de aguja para electrodos de grafito de bajo coeficiente de expansión térmica (CTE). Dicho método incluye calentar un precursor de coque de aguja bajo presión, convirtiendo así el 60 % - 90 % del destilado de alquitrán de hulla en coque bruto. El método es seguido por la calcinación del coque crudo para crear coque de aguja con un coeficiente de expansión térmica bajo.

[0022] Sin embargo, los procesos anteriores requieren una presión alta de aproximadamente 2 kg/cm2 a 7 kg/cm2. Debido a esto, un sistema requeriría costosos tambores de coquización. Además, los coques de aguja formados en los tambores se descoquizan mediante chorros de agua a alta presión y se requiere un procesamiento posterior para eliminar el agua del coque producido.

[0023] Otro proceso de este tipo se divulga en la patente estadounidense n. ° 4219405. Dicha patente divulga la producción continua de coque. Dicho proceso incluye el calentamiento del hidrocarburo y del condensado reciclado en un precalentador a una velocidad tal que aumenta el contenido de mesofase de la mezcla hasta un 30 % a 60 %. El proceso incluye además calentar la mezcla precalentada en una zona de coquización a una velocidad tal que forme un coque bruto que tenga un contenido de mesofase del 70 % al 100 %. Luego, el proceso consiste en retirar continuamente el coque crudo de la zona de coquización y calentar el coque extraído en un calcinador.

[0024] Sin embargo, se observa que una brea de alimentación debe tener un contenido de mesofase de 30-60 % antes de ingresar a la zona de coquización, lo que requiere una instalación adicional para fabricar la brea de alimentación. Por lo tanto, se requiere un sistema y un proceso simple para la producción de coque de mesofase controlado, que pueda eliminar las bombas de alta temperatura para transferir brea viscosa y eliminar el proceso de alta presión, con el fin de reducir el coste del equipo y facilitar su funcionamiento.

[0025] Además, se requiere el sistema y proceso para la producción de coque de mesofase, que puede eliminar el uso de solventes orgánicos, aditivos o catalizadores.

[0026] Además, se requieren el sistema y el proceso, que pueden reducir el tiempo de tratamiento para producir coque de mesofase.

[0027] En resumen, se requiere un sistema y un proceso para la producción de coque de mesofase que puedan superar los inconvenientes analizados anteriormente y proporcionar un método fácil de manejar y rentable.

[0028] SÍNTESIS DE LA INVENCIÓN

[0029] Por tanto, los aspectos de la invención se refieren a un sistema y proceso para la producción de coque de mesofase a partir de una brea isotrópica. El sistema y el proceso mencionados son rentables y superan los problemas existentes al proporcionar coque de mesofase de alta calidad.

[0030] En un aspecto de la presente invención, un sistema para la producción de coque de mesofase a partir de una brea isotrópica. El sistema incluye un reactor, dicho reactor incluye una zona de entrada que tiene un contenedor, en donde dicho contenedor está adaptado para recibir dicha brea isotrópica.

[0031] El reactor incluye además una primera zona de calentamiento adaptada para llevar a cabo el pretratamiento de dicha brea isotrópica mediante el funcionamiento de dicha primera zona de calentamiento a una temperatura de 250 °C - 350 °C bajo presión atmosférica. Además, el reactor incluye una segunda zona de calentamiento adaptada para llevar a cabo el calentamiento de dicha brea isotrópica pretratada manteniendo la temperatura de 350 °C -500 °C bajo la presión atmosférica para convertir dicha brea isotrópica para obtener brea de mesofase.

[0032] Dicho reactor incluye además una tercera zona de calentamiento adaptada para llevar a cabo el calentamiento de dicha brea de mesofase manteniendo la temperatura de 500 °C - 800 °C bajo la presión atmosférica para obtener coque de mesofase. Además, dicho reactor incluye una zona de enfriamiento para enfriar el producto desde alta temperatura hasta baja temperatura. Además, dicho reactor incluye una zona de salida adaptada para descargar dicho coque de mesofase del reactor.

[0033] Dicho sistema incluye además una unidad de empuje de velocidad controlada adaptada para mover físicamente dicho contenedor a una velocidad controlada desde dicha zona de entrada hasta dicha primera zona de calentamiento, dicha segunda zona de calentamiento, dicha tercera zona de calentamiento a través de la zona de salida para obtener el coque de mesofase en dicha zona de salida. Esto evita la necesidad de instalar un sistema de bombeo costoso para bombear brea de alta viscosidad a alta temperatura de un reactor a otro.

[0034] En una realización de la presente invención, dicha brea isotrópica se selecciona entre al menos uno de alquitrán de hulla o alquitrán de petróleo. Dicha brea isotrópica tiene una temperatura de punto de ablandamiento (PS) en el rango de 80 °C a 120 °C, y tiene un contenido insoluble en quinolina (QI) inferior o igual al 2 %.

[0035] En otra realización de la presente invención, el sistema incluye además un depósito que está adaptado para contener dicha brea isotrópica y alimentar dicha brea isotrópica al contenedor.

[0036] En una realización de la presente invención, el reactor incluye además una zona de enfriamiento adaptada para enfriar dicho coque de mesofase obtenido de la tercera zona de calentamiento.

[0037] En otra realización de la presente invención, el sistema incluye además una unidad de trituración que está adaptada para triturar dicho coque de mesofase en gránulos de coque.

[0038] En una realización de la presente invención, el sistema incluye además una tolva que está adaptada para almacenar dichos gránulos de coque.

[0039] Además, el sistema incluye un sistema de transporte neumático para transportar dichos gránulos de coque desde dicha unidad de trituración hasta dicha tolva.

[0040] El sistema incluye además una unidad de condensación de vapor y una unidad de almacenamiento de aceite que está adaptada para condensar la brea evaporada del sistema para obtener aceite condensado.

[0041] En un aspecto de la presente invención, se divulga un proceso para la producción de coque de mesofase a partir de una brea isotrópica. El proceso incluye la alimentación de una brea isotrópica a un contenedor colocado en la zona de entrada de un reactor. Dicho proceso es seguido por el desplazamiento físico de dicho contenedor a una primera zona de calentamiento a través de una unidad de empuje, en donde dicho contenedor se mueve en un movimiento lineal dentro de dicho reactor.

[0042] Dicho proceso incluye además mover físicamente dicho contenedor desde dicha primera zona de calentamiento a través de la unidad de empuje hasta una segunda zona de calentamiento. Dicho proceso continúa con el calentamiento de brea isotrópica pretratada dentro de dicha segunda zona de calentamiento de dicho reactor manteniendo la temperatura de 350 °C - 500 °C bajo la presión atmosférica para obtener una brea de mesofase. Además, dicho proceso incluye mover físicamente dicho contenedor desde la segunda zona de calentamiento a través de dicha unidad de empuje hasta una tercera zona de calentamiento a través de la unidad de empuje. Dicho proceso es seguido por el calentamiento de dicha brea de mesofase dentro de dicha tercera zona de calentamiento de dicho reactor manteniendo la temperatura de 500 °C - 800 °C bajo la presión atmosférica para obtener coque de mesofase.

[0043] Además, dicho proceso incluye mover físicamente dicho contenedor desde dicha tercera zona de calentamiento a través de dicha unidad de empuje hasta una zona de enfriamiento, y descargar dicho coque de mesofase desde una zona de salida de dicho reactor.

[0044] En una realización de la presente invención, el proceso incluye además alimentar dicha brea isotrópica al contenedor desde un depósito.

[0045] En otra realización de la presente invención, el proceso incluye enfriar dicho coque de mesofase en dicha zona de enfriamiento.

[0046] En una realización de la presente invención, el proceso incluye además mover físicamente dicho contenedor desde dicha zona de enfriamiento a través de la unidad de empuje hasta una zona de salida.

[0047] En otra realización de la presente invención, el proceso incluye triturar dicho coque de mesofase para obtener gránulos de coque dentro de una unidad de trituración.

[0048] Además, en otra realización de la presente invención, el proceso incluye transportar dichos gránulos de coque desde dicha unidad de trituración a una tolva utilizando un sistema de transporte neumático.

[0049] En otra realización de la presente invención, el proceso incluye además recuperar y almacenar la brea no utilizada. Dicho paso de recuperación incluye evaporar la brea no utilizada de dicho reactor, condensar dicha brea evaporada en una unidad de condensación para obtener aceite condensado y almacenarlo en el tanque de almacenamiento. Esto, junto con los otros aspectos de la presente invención, junto con las diversas características de novedad que caracterizaron la presente divulgación se señala con particularidad en las reivindicaciones adjuntas y forma parte de la presente invención. Para una mejor comprensión de la presente divulgación, sus ventajas operativas y el objetivo específico alcanzado por sus usos, se debe hacer referencia al objeto descriptivo adjunto en la que se ilustran realizaciones ejemplares de la presente invención.

[0050] DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0051] Las ventajas y características de la presente invención se comprenderán mejor con referencia a la siguiente descripción detallada tomada en conjunto con los dibujos adjuntos, en los cuales:

[0052] La Figura 1 ilustra un diagrama de bloques ejemplar que representa un sistema para la producción de coque de mesofase a partir de una brea isotrópica, de acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención; La Figura 2 ilustra un diagrama de bloques ejemplar de la unidad de empuje, de acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención;

[0053] La Figura 3 ilustra un diagrama de flujo que representa un proceso ejemplar para la producción de coque de mesofase a partir de una brea isotrópica, de acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención; La Figura 4 ilustra una micrografía óptica de aspecto del coque de mesofase, de acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención;

[0054] La Figura 5 ilustra un gráfico que representa la capacidad de carga, la capacidad de descarga y la eficiencia del primer ciclo de un grafito mediante la ejecución de los parámetros del proceso de acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención;

[0055] La Figura 6 ilustra partículas de grafito con bordes redondeados, de acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención; y

[0056] La Figura 7 ilustra un gráfico que representa el tamaño de las partículas de grafito, de acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención.

[0057] Los números iguales denotan elementos iguales en todas las figuras.

[0058] DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

[0059] Las realizaciones ejemplares que se describen en la presente en detalle con fines ilustrativos están sujetas a muchas variaciones. Sin embargo, debe destacarse que la presente invención está definida por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

[0060] A menos que se especifique lo contrario, los términos que se utilizan en la memoria descriptiva y las reivindicaciones tienen los significados habitualmente utilizados en el campo de los sistemas para la producción de coque y los procesos involucrados con ellos. En concreto, los siguientes términos tienen los significados que se indican a continuación.

[0061] Los términos "un" y "una" en la presente no denotan una limitación de cantidad, sino más bien denotan la presencia de al menos uno de los elementos referenciados.

[0062] Los términos "que tiene", "que comprende", "que incluye" y variaciones de estos significan la presencia de un componente.

[0063] El término "mesofase" en la presente se refiere a una estructura de cristal líquido nemático, que puede ser fácilmente grafitizable y puede utilizarse como una materia prima prometedora para preparar materiales de grafito anisotrópico con alto rendimiento y multifunción.

[0064] La Figura 1 ilustra un diagrama de bloques ejemplar de un sistema (1000) para la producción de un coque de mesofase a partir de una brea isotrópica. Dicho sistema (1000) incluye un depósito (200) que contiene dicha brea isotrópica. En una realización de la presente invención, dicha brea isotrópica se selecciona entre al menos uno de alquitrán de hulla o alquitrán de petróleo.

[0065] Además, los expertos en la materia apreciarán que dicha brea isotrópica normalmente tiene una gran cantidad de contenido aromático y un contenido insoluble en quinolina (QI) inferior o igual al 2 %. Además, la brea isotrópica seleccionada tiene un punto de ablandamiento (PS) en el rango de 80 °C a 120 °C. Dicha brea isotrópica utilizada puede estar en estado líquido o sólido.

[0066] En dicha realización de la presente invención, dicha brea isotrópica con los parámetros anteriores puede influir en el tipo de producto final, que es coque de mesofase obtenido, y las propiedades electroquímicas de este.

[0067] Además, como se muestra en la Figura 1, dicho sistema (1000) incluye un reactor (100) para llevar a cabo la producción de dicho coque de mesofase a partir de dicha brea isotrópica.

[0068] El reactor (100) incluye una pluralidad de zonas (101), (102), (103), (104), (105), (106). En una realización de la presente invención, dicha pluralidad de zonas incluye una zona de entrada (101) que tiene un contenedor (50). Dicho contenedor (50) está adaptado para recibir dicha brea isotrópica desde dicho depósito (200).

[0069] En dicha realización, dicha brea isotrópica se bombea a dicho contenedor (50) en una cantidad predeterminada. Como se muestra en la Figura 1, dicha pluralidad de zonas (101), (102), (103), (104), (105), (106) incluye además una primera zona de calentamiento (102) dentro de dicho reactor (100). Dicha primera zona de calentamiento (102) está adaptada para llevar a cabo un pretratamiento de dicha brea isotrópica.

[0070] Más específicamente, en dicha realización de la presente invención, se lleva a cabo un preacondicionamiento de dicha brea isotrópica a una temperatura de 250 °C a 350 °C bajo presión atmosférica para reducir o eliminar muchas de las emisiones volátiles de dicha brea isotrópica.

[0071] Además, dicha pluralidad de zonas (101), (102), (103), (104), (105), (106) incluye una segunda zona de calentamiento (103) dentro de dicho reactor (100). Dicha segunda zona de calentamiento (103) está adaptada para llevar a cabo el calentamiento de una brea isotrópica pretratada.

[0072] Más específicamente, una pirólisis de dicha brea isotrópica pretratada sucede dentro de dicha segunda zona de calentamiento (103) a una temperatura de 350 °C a 500 °C bajo presión atmosférica para convertir dicha brea isotrópica en una brea de mesofase.

[0073] En dicha realización de la presente invención, en dicho rango de temperatura, sucede el cambio en el aspecto físico y la composición química de dicha brea isotrópica. Más concretamente, la formación de la mesofase se produce en dicha brea isotrópica. Posteriormente, esto puede conducir a la conversión de dicha brea isotrópica en fase anisotrópica.

[0074] Además, en dicha realización, la brea de mesofase aparece como esferas, y la velocidad de formación de dicha mesofase depende de la composición química de un precursor, es decir, dicha brea isotrópica.

[0075] Más preferentemente, la formación de dicha mesofase depende del tiempo de residencia de la brea isotrópica en el reactor (100) y de la condición de temperatura para producir dicho coque de mesofase.

[0076] Además, más concretamente, las moléculas planas apiladas de dicha brea forman las esferas de mesofase. Por consiguiente, dichas esferas de mesofase se agrandan y se fusionan para formar una brea de mesofase a granel al final de la segunda zona de calentamiento (103).

[0077] Además, dicha pluralidad de zonas de calentamiento (101), (102), (103), (104), (105), (106) incluye además una tercera zona de calentamiento (104) dentro de dicho reactor (100). Dicha tercera zona de calentamiento (104) está adaptada para llevar a cabo el calentamiento de dicha brea de mesofase obtenida al final de dicha segunda zona de calentamiento (103).

[0078] Más específicamente, la pirólisis de dicha brea de mesofase se lleva a cabo dentro de dicha tercera zona de calentamiento (104) a una temperatura de 500 °C a 800 °C bajo la presión atmosférica durante un tiempo predeterminado. Más preferentemente, dicha brea de mesofase se convierte en un coque de mesofase en el rango de temperatura de 500 °C a 600 °C en la tercera zona de calentamiento (104).

[0079] El coque de mesofase obtenido después de la tercera zona de calentamiento (104) es de naturaleza anisotrópica y tiene un contenido de mesofase del 80% al 100 %.

[0080] En otra realización de la presente invención, dicha primera zona de calentamiento (102), dicha segunda zona de calentamiento (103) y dicha tercera zona de calentamiento (104) incluyen además múltiples zonas de calentamiento en su interior para tener un control preciso de la temperatura dentro de las zonas de calentamiento (102), (103), (104). Más preferentemente, dichas múltiples zonas de calentamiento funcionan a una temperatura en la que dicho coque de mesofase sería de alta calidad.

[0081] En una realización de la presente invención, la pluralidad de zonas (101), (102), (103), (104), (105), (106) incluye además una zona de enfriamiento (105). Dicha zona de enfriamiento (105) está adaptada para enfriar dicho coque de mesofase obtenido al final de dicha tercera zona de calentamiento (104) (véase la Figura 1).

[0082] Además, dicha pluralidad de zonas (101), (102), (103), (104), (105), (106) incluye una zona de salida (106) dentro de dicho reactor (100). Dicha zona de salida (106) está adaptada para almacenar dicho coque de mesofase que se obtiene de dicha zona de enfriamiento (106) (véase la Figura 1).

[0083] En una realización de la presente invención, el sistema (1000) incluye una unidad de empuje (300) (véanse las Figuras 1 y 2). Dicha unidad de empuje (300) está adaptada para mover físicamente dicho contenedor desde dicha zona de entrada (101) hasta dicha primera zona de calentamiento (102), dicha segunda zona de calentamiento (103), y dicha tercera zona de calentamiento (104) a través de la zona de salida (106) para obtener el coque de mesofase en dicha zona de salida (106).

[0084] Dicha unidad de empuje (300) incluye un sistema de empuje hidráulico. Dicho sistema de empuje hidráulico incluye una bomba hidráulica (302) para permitir el flujo de dicho fluido hidráulico desde una base (301) a través de dicho sistema de empuje hidráulico de fluido para generar energía hidráulica. Además, dicho sistema de empuje hidráulico incluye una válvula hidráulica (303) para regular el flujo de dicho fluido hidráulico para lograr una velocidad de empuje variable. Esto proporciona flexibilidad operativa para cambiar el tiempo de residencia en dicha pluralidad de zonas (101), (102), (103), (104), (105), (106) para producir el material de mesofase controlado (véase la Figura 2). Dicho sistema de empuje hidráulico incluye además un cilindro hidráulico (304) para convertir dicha energía hidráulica en energía mecánica para empujar dicho contenedor (50) a través de dicha pluralidad de zonas (101), (102) , (103), (104), (105), (106) (véase la Figura 2).

[0085] En otra realización de la presente invención, el sistema (1000) incluye además una unidad trituradora (600). Dicha unidad trituradora (600) está adaptada para triturar dicho coque de mesofase descargado desde dicha zona de salida (106) en gránulos de coque (véase la Figura 1). Es necesario seleccionar tamaños muy pequeños del coque triturado, dejando un tamaño aceptable de aproximadamente menos de 20 mm.

[0086] En otra realización de la presente invención, el sistema (1000) incluye además un sistema de transporte neumático (700). Dicho sistema de transporte neumático (700) está adaptado para transportar dichos gránulos de coque extraídos de dicho coque de mesofase (véase la Figura 1) a una tolva (800), donde se almacenan dichos gránulos. Más preferentemente, dichos gránulos de coque se transfieren a través de una tubería cerrada mediante el uso de presión de fuerza colectiva y aire hacia dicha tolva (800).

[0087] En dicha realización, se requiere la presión y el flujo del aire para transportar dichos gránulos de coque desde dicha unidad trituradora (600) hasta dicha tolva (800).

[0088] En otra realización de la presente invención, dicho reactor (100) está adaptado además para evaporar una parte de dicha brea.

[0089] En esta realización de la presente invención, el sistema (1000) incluye una unidad de condensación (400). Dicha unidad de condensación (400) está adaptada para condensar dicha brea no utilizada evaporada en aceite condensado.

[0090] En otra realización de la presente invención, dicho sistema (1000) puede incluir además un tanque de aceite (500). Dicho tanque de aceite (500) está adaptado para almacenar el aceite condensado con dichos productos de craqueo ligero.

[0091] El proceso subyacente para la preparación de coque de mesofase como se explicó en relación con el sistema (1000) se explicará ahora con referencia a un diagrama de flujo (véase la Figura 3).

[0092] En el paso (10), dicho proceso (900) implica la alimentación de una brea isotrópica a un contenedor (50) desde un depósito (200). Este contenedor (50) se carga luego en un reactor (100).

[0093] En una realización, dicho contenedor (50) se coloca en una zona de entrada (101) del reactor (100) en una cantidad predeterminada.

[0094] En el paso (12), dicho proceso (900) incluye mover físicamente dicho contenedor (50) lleno con dicha brea isotrópica a una primera zona de calentamiento (102). En donde, dicho contenedor (50) se mueve con una velocidad fija en un movimiento lineal.

[0095] En la realización de la presente invención, el movimiento físico del contenedor (50) desde la zona de entrada hasta la primera zona de calentamiento (101) se realiza a través de una unidad de empuje (300).

[0096] En el paso (14), dicho proceso (900) implica el pretratamiento de dicha brea isotrópica dentro de dicha primera zona de calentamiento (102) de dicho reactor (100). En donde, dicha zona de calentamiento funciona a una temperatura de 250 °C a 350 °C bajo presión atmosférica durante un tiempo predeterminado (véase la Figura 3).

[0097] En la realización de la presente invención, como se explicó anteriormente, dicho pretratamiento o preacondicionamiento de dicha brea isotrópica es necesario para reducir o eliminar muchas de las emisiones volátiles de dicha brea isotrópica.

[0098] Además, en el paso (16), dicho proceso implica mover físicamente dicho contenedor (50) desde dicha primera zona de calentamiento (102) a través de dicha unidad de empuje (300) hasta una segunda zona de calentamiento (103). Nuevamente, debe tenerse en cuenta que no es el material el que se mueve sino el contenedor (50) dentro del reactor (100).

[0099] En la realización de la presente invención, después del pretratamiento de dicha brea isotrópica, dicho contenedor (50) lleno con una brea pretratada se mueve a la siguiente sección, es decir, la segunda zona de calentamiento (103) .

[0100] En el paso (18), dicho proceso (900) implica calentar el brea isotrópica pretratada dentro de dicha segunda zona de calentamiento (103) de dicho reactor (100) manteniendo la temperatura de 350 °C - 500 °C bajo la presión atmosférica.

[0101] En la realización, en dicho rango de temperatura se produce el cambio en el aspecto físico y la composición química. Más concretamente, en dicha realización la formación de la mesofase se produce en dicha brea isotrópica pretratada. Posteriormente, esto puede conducir a la conversión de dicha brea isotrópica en fase anisotrópica. Además, en dicha realización, la brea de mesofase aparece como esferas, y la velocidad de formación de dicha mesofase depende de la composición química de un precursor, es decir, dicha brea isotrópica.

[0102] Además, en el paso (20), dicho proceso (900) implica mover físicamente dicho contenedor (50) desde la segunda zona de calentamiento (103) hasta una tercera zona de calentamiento (104) a través de dicha unidad de empuje (300).

[0103] En el paso (22), el proceso (900) continúa con el calentamiento de dicha brea de mesofase dentro de dicha tercera zona de calentamiento (104) de dicho reactor (100) manteniendo la temperatura de 450 °C - 800 °C. Más preferentemente, a la temperatura de 480 °C - 600 °C bajo la presión atmosférica para obtener coque de mesofase (véase la Figura 3). Nuevamente, debe tenerse en cuenta que no es el material el que se mueve sino el contenedor (50) dentro del reactor (100).

[0104] En el paso (24), el proceso (900) incluye mover físicamente dicho contenedor (50) desde dicha tercera zona de calentamiento (104) a través de dicha unidad de empuje (300) hasta una zona de enfriamiento (105).

[0105] En el paso (26), el proceso (900) incluye además el enfriamiento de dicho coque de mesofase.

[0106] Además, en el paso (28), el proceso (900) incluye mover físicamente dicho contenedor (50) desde dicha zona de enfriamiento (105) a través de la unidad de empuje (300) hasta una zona de salida (106).

[0107] Además, en el paso (30), el proceso (900) incluye descargar dicho coque de mesofase desde dicha zona de salida (106) (véase la Figura 3).

[0108] En el paso (32), el proceso (900) es seguido por la trituración de dicho coque de mesofase dentro de una unidad de trituración (600). En donde, dicha trituración es necesaria para convertir dicho coque de mesofase en gránulos de coque.

[0109] Además, en el paso (34), dicho proceso (900) incluye transportar dichos gránulos de coque desde dicha unidad de trituración (600) a una tolva (800) a través de un sistema de transporte neumático (700).

[0110] En otra realización de la presente invención, se produce la recuperación de brea no utilizada. Más preferentemente, una parte del brea isotrópica se evapora durante la producción del coque de mesofase dentro de dicho reactor (100) (véase la Figura 3).

[0111] En dicha realización de la presente invención, en el paso (36), dicho proceso (900) incluye evaporar dicha brea no utilizada desde dicho reactor (100) a una unidad de condensación (400) (véase la Figura 3).

[0112] En el paso (38), dicho proceso (900) implica además la condensación de dicha brea evaporada en una unidad de condensación (400) para obtener aceite condensado (véase la Figura 3).

[0113] Además, en el paso (40), dicho proceso (900) incluye bombear dicho aceite condensado a un tanque de aceite (500) (véase la Figura 3).

[0114] El sistema y proceso divulgados en la presente son factibles, sostenibles, eficaces y eficientes en comparación con los sistemas y procesos existentes. Además, la presente invención asegura la homogeneidad del coque de mesofase preparado.

[0115] Además, convencionalmente el coque de mesofase por lo general se fabrica a partir de brea de mesofase con un contenido de mesofase de más del 50 % con un punto de ablandamiento de más de 200 °C. Sin embargo, muy pocos de ellos se han llevado a escala industrial, debido al alto coste de la brea de mesofase.

[0116] Por lo tanto, la presente invención proporciona un sistema y un proceso para la producción de coque de mesofase a partir de brea que tiene un punto de ablandamiento de menos de 200 °C.

[0117] En el existente proceso por lotes, el precursor se piroliza a alta presión hasta que se prepara una cierta cantidad de mesofase. Posteriormente, la brea de mesofase se somete a un proceso de separación mediante un proceso mecánico o químico, que necesita equipos y solventes complicados.

[0118] Además, el proceso de producción de coque de mesofase se lleva a cabo en una zona de calentamiento múltiple de un solo reactor, por lo que la presente invención no requiere bombas de alta temperatura ni alta presión para transferir la brea. Al igual que en el sistema y proceso existentes, se requieren bombas de alta temperatura y alta presión para transferir la brea de mesofase desde un reactor a otro para completar la producción de coque de mesofase. Hasta ahora, la fabricación de brea de mesofase se ha llevado a cabo en un reactor/planta separado, y de coque de mesofase en otro reactor/planta. En el sistema declarado se trata de una cúpula en un solo reactor. Además, el tiempo de residencia en la presente invención está muy bien controlado por la velocidad de la unidad de empuje. Por consiguiente, controla la formación de esferas de mesofase durante el proceso pirolítico para preparar coque de mesofase de calidad reproducible. Además, la propiedad de dicho coque de mesofase preparado tiene un interés particular en aplicaciones tales como la producción de ánodo de grafito para baterías de iones de litio.

[0119] Además, para una mejor comprensión de la presente invención y para mostrar cómo dicho sistema y proceso pueden llevarse a cabo, a continuación se harán varias referencias. Con el uso de dicho sistema y proceso se realizaron cuatro experimentos utilizando diferentes parámetros.

[0120] Ejemplo 1:

[0121] El primer ejemplo ilustra el funcionamiento de la presente invención con una brea de alquitrán de hulla con un punto de ablandamiento (SP) de 100 y un QI del 2 %. La temperatura de la primera zona de calentamiento (102) fue de 250 °C-350 °C y el experimento se realizó a presión atmosférica. La temperatura de la segunda zona de calentamiento (103) y la tercera zona de calentamiento (104) se establecieron en 350 °C-500 °C y 500 °C-800 °C, respectivamente, con un tiempo de residencia de 10 horas. El coque de mesofase a granel obtenido del reactor (100) contiene más del 75 % de anisotropía. Micrografía óptica del aspecto de dicho coque (véase la Figura 4). El ánodo de grafito preparado a partir de dicho coque proporciona 335 mAh/g con una eficiencia de primer ciclo del 92 %. El ánodo de grafito mencionado se carga a 2 C hasta el 48 % de su capacidad y se descarga al 99 % a una velocidad de 3 C.

[0122] Ejemplo 2:

[0123] Este ejemplo n. ° 2 ilustra el funcionamiento de la presente invención con una brea de alquitrán de hulla con SP de 100 con Ql de < 0,2 %. La temperatura de la primera zona de calentamiento (102) fue de 250 °C-350 °C y el experimento se realizó a presión atmosférica. La temperatura de la segunda zona de calentamiento (103) y la tercera zona de calentamiento (104) se establecieron en 350 °C-450 °C y 450 °C-800 °C, respectivamente, con un tiempo de residencia de 10 horas. El coque de mesofase a granel obtenido del reactor (100) contiene más del 90% de anisotropía.

[0124] El ánodo de grafito preparado a partir de dicho coque proporciona 355 mAh/g con una eficiencia de primer ciclo del 93 %. El ánodo de grafito mencionado se carga a 2 C hasta el 30% de su capacidad y se descarga al 92% a una velocidad de 3 C. Las curvas de carga y descarga de este grafito se muestran en la Figura 5.

[0125] Ejemplo 3:

[0126] Este ejemplo ilustra el funcionamiento de la presente invención con una brea de alquitrán de hulla con SP de 100 con QI de < 0,2 %. La temperatura de la zona 1 fue de 250 °C - 350 °C y el experimento se realizó a presión atmosférica. La temperatura de la segunda zona de calentamiento (103) y la tercera zona de calentamiento (104) se establecieron en 350 °C - 430°C y 450°C - 800 °C, respectivamente, con un tiempo de residencia de 20 horas. El coque de mesofase a granel obtenido del reactor (100) contiene más del 90% de anisotropía.

[0127] El ánodo de grafito preparado a partir de dicho coque proporciona 362 mAh/g con una eficiencia de primer ciclo del 93 %. El ánodo de grafito mencionado se carga a 2 C hasta el 30% de su capacidad y se descarga al 91% a una velocidad de 3 C.

[0128] Ejemplo 4:

[0129] Este ejemplo ilustra el funcionamiento de la presente invención con una brea de alquitrán de hulla con SP de 100 con Ql de < 0,2 %. La temperatura de la primera zona de calentamiento (102) fue de 250 °C - 350°C y el experimento se realizó a presión atmosférica. La temperatura de la segunda zona de calentamiento (103) y la tercera zona de calentamiento (104) se establecieron en 350°C - 450°C y 450°C - 550°C, respectivamente, con un tiempo de residencia de 10 horas. El coque de mesofase a granel obtenido del reactor (100) contiene más del 90% de anisotropía.

[0130] El ánodo de grafito preparado a partir de este coque proporciona 356 mAh/g con una eficiencia de primer ciclo del 94 %. Se carga a 2C hasta el 32 % de su capacidad. Se descarga el 93 % a una velocidad de 3C. Este electrodo puede alcanzar una densidad de hasta 1,8 g/cc.

[0131] Además, las partículas de grafito que se producen mediante dicho proceso tienen bordes redondeados (véase la Figura 6). Las partículas de grafito con bordes redondeados garantizan un proceso de recubrimiento de electrodos fácil. Por consiguiente, el electrodo de alta densidad resultante puede tener buena porosidad y orientación de partículas.

[0132] Además, el electrodo producido mediante dicho proceso puede tener mejor humectabilidad y alta velocidad de carga y descarga.

[0133] Como se muestra en el gráfico de la Figura 7, el tamaño de las partículas de grafito se puede controlar según el requisito. Además, el gráfico se traza entre el percentil y el tamaño de las partículas de grafito.

[0134] Además, el tamaño de las partículas de grafito se muestra en la tabla 1 a continuación:

[0135] Tabla 1

[0136]

[0138] La materia prima y los parámetros del proceso de los ejemplos anteriores se muestran en la tabla 2 a continuación: Tabla 2

[0140]

[0141] Las propiedades de la batería, en la que el ánodo de grafito está hecho de coque de mesofase con respecto a los ejemplos anteriores se muestran en la tabla 3 a continuación:

[0142] Tabla 3

[0145]

[0148] Los datos de comparación del rendimiento del electrodo formado utilizando la composición de coque de mesofase preparada mediante dicho proceso frente al estado de la técnica se muestran en la tabla 4 a continuación.

[0149] Tabla 4

[0152]

[0155] Por lo tanto, la presente invención describe el proceso mediante el cual se puede lograr un electrodo de alta densidad. Por consiguiente, esto ayudaría a fabricar baterías de alta densidad energética. Además, el electrodo producido tiene una mejor velocidad de carga y descarga, lo que permite fabricar baterías de alta potencia.

[0156] Por lo tanto, la presente invención es un sistema y un proceso para producir coque, que es factible, sostenible, eficaz y eficiente en comparación con los procesos existentes.

[0157] Las descripciones anteriores de realizaciones específicas de la presente invención se han presentado con fines descriptivos. No pretenden ser exhaustivas ni limitar la presente invención a las formas precisas divulgadas, y obviamente son posibles muchas modificaciones y variaciones a la luz de la enseñanza anterior.

[0158] Además, las realizaciones se eligieron y describieron para explicar mejor los principios de la presente invención y su aplicación práctica, y de ese modo permitir que otros expertos en la materia utilicen mejor la presente invención y varias realizaciones con varias modificaciones que se adapten al uso particular contemplado. Se entiende que se contemplan varias omisiones y sustituciones de equivalentes según lo sugieran las circunstancias o lo hagan conveniente, pero dichas omisiones y sustituciones tienen por objeto abarcar la aplicación o implementación sin apartarse del alcance de la presente invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

[0161]

[0162]

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Un sistema (1000) para la producción de coque de mesofase a partir de una brea isotrópica, comprendiendo el sistema:

un reactor (100) que comprende:

una zona de entrada (101) que tiene un contenedor (50), en donde dicho contenedor (50) está adaptado para recibir dicha brea isotrópica,

una primera zona de calentamiento (102) adaptada para llevar a cabo el pretratamiento de dicha brea isotrópica mediante el funcionamiento de dicha primera zona de calentamiento (102) a una temperatura de 250 °C - 350 °C bajo presión atmosférica,

una segunda zona de calentamiento (103) adaptada para llevar a cabo el calentamiento de dicha brea isotrópica pretratada manteniendo la temperatura de 350 °C - 500 °C bajo presión atmosférica para convertir dicha brea isotrópica para obtener brea de mesofase,

una tercera zona de calentamiento (104) adaptada para llevar a cabo el calentamiento de dicha brea de mesofase manteniendo la temperatura de 500°C - 800°C bajo la presión atmosférica para obtener coque de mesofase, y

una zona de salida (106) adaptada para descargar dicho coque de mesofase del reactor (100); y

una unidad de empuje (300) adaptada para:

mover físicamente dicho contenedor (50) desde dicha zona de entrada (101) hasta dicha primera zona de calentamiento (102), dicha segunda zona de calentamiento (103), dicha tercera zona de calentamiento (104) a través de la zona de salida (106) para obtener el coque de mesofase en dicha zona de salida (106); en donde: dicha unidad de empuje (300) comprende un sistema de empuje hidráulico que tiene una válvula hidráulica (303) para regular el flujo de dicho fluido hidráulico para lograr una velocidad de empuje variable.

2. El sistema (1000) de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende además un depósito (200) que está adaptado para:

almacenar dicha brea isotrópica, y

introducir dicha brea isotrópica en el contenedor (50).

3. El sistema (1000) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho reactor (100) comprende además una zona de enfriamiento (105) adaptada para enfriar dicho coque de mesofase obtenido de la tercera zona de calentamiento (104).

4. El sistema (1000) de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende además:

una unidad de trituración (600) que está adaptada para triturar dicho coque de mesofase en gránulos de coque; y

una tolva (800) que está adaptada para recibir y almacenar dichos gránulos de coque.

5. El sistema (1000) de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende además un sistema de transporte neumático para transportar dichos gránulos de coque desde dicha unidad de trituración hasta dicha tolva (800).

6. El sistema (1000) de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende además:

una unidad de condensación (400) que está adaptada para condensar la brea evaporada del sistema para obtener aceite condensado; y

un tanque de aceite (500) que está adaptado para almacenar dicho aceite condensado.

7. Un proceso (900) para la producción de coque de mesofase a partir de una brea isotrópica, comprendiendo el proceso:

alimentar una brea isotrópica a un contenedor (50) colocado en una zona de entrada (101) de un reactor (100);

desplazar físicamente dicho contenedor (50) a una primera zona de calentamiento (102) a través de una unidad de empuje (300), en donde dicho contenedor (50) se mueve en un movimiento lineal dentro de dicho reactor (100);

pretratar dicha brea isotrópica dentro de dicha primera zona de calentamiento (102) de dicho reactor (100), en donde dicha primera zona de calentamiento (102) funciona a una temperatura de 250 °C - 350 °C bajo presión atmosférica;

mover físicamente dicho contenedor (50) desde dicha primera zona de calentamiento (102) a través de la unidad de empuje (300) hasta una segunda zona de calentamiento (103);

calentar una brea isotrópica pretratada dentro de dicha segunda zona de calentamiento (103) de dicho reactor (100) manteniendo la temperatura de 350 °C - 500 °C por debajo de la presión atmosférica para obtener una brea de mesofase;

mover físicamente dicho contenedor (50) desde la segunda zona de calentamiento (103) a través de dicha unidad de empuje (300) hasta una tercera zona de calentamiento (103) a través de la unidad de empuje (300);

calentar dicha brea de mesofase dentro de dicha tercera zona de calentamiento (104) de dicho reactor (100) manteniendo la temperatura de 500°C - 800°C bajo la presión atmosférica para obtener coque de mesofase; y

mover físicamente dicho contenedor (50) desde dicha tercera zona de calentamiento (104) a través de dicha unidad de empuje (300) hasta una zona de enfriamiento (105); y descargar dicho coque de mesofase desde una zona de salida (106) de dicho reactor (100).

8. El proceso (900) de acuerdo con la reivindicación 7, en donde dicha brea isotrópica se selecciona entre al menos uno de alquitrán de hulla o alquitrán de petróleo, en donde dicha brea isotrópica tiene una temperatura de punto de ablandamiento (SP) menor o igual a 100 °C, y un contenido insoluble de quinolina (QI) menor o igual al 2 %.

9. El proceso (900) de acuerdo con la reivindicación 7 que comprende alimentar dicha brea isotrópica desde un depósito (200).

10. El proceso (900) de acuerdo con la reivindicación 7 que comprende:

enfriar dicho coque de mesofase en dicha zona de enfriamiento (105); y

mover físicamente dicho contenedor (50) desde dicha zona de enfriamiento (105) a través de la unidad de empuje (300) hasta una zona de salida (106).

11. El proceso (900) de acuerdo con la reivindicación 7 que comprende:

triturar dicho coque de mesofase para obtener gránulos de coque dentro de una unidad de trituración (600); y transportar dichos gránulos de coque desde dicha unidad de trituración (600) hasta una tolva (800) a través de un sistema de transporte neumático (700).

12. El proceso (900) de acuerdo con la reivindicación 7 que comprende:

recuperar la brea no utilizada, comprendiendo dicho paso de recuperación:

evaporar la brea no utilizada de dicho reactor (100), y

condensar dicha brea evaporada en una unidad de condensación (400) para obtener aceite condensado; y

bombear dicho aceite condensado a un tanque de aceite (500).