СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИ РАСШИРЕННОГО ГРАФИТА Российский патент 1995 года по МПК C01B31/04 

Изобретение относится к химическим производствам, в частности к способам получения термически расширенного графита. Полученный по предлагаемому способу материал может быть использован для производства различных графитовых изделий (труб для перекачки агрессивных жидкостей, деталей и узлов трения и т. д. ) методом холодного прессования без применения связующего, в качестве адсорбента, загустителя нефтяных масел, компонента смазок и т.д.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения расширенного графита, включающий обработку графита смесью серной кислоты и окислителя, промывку водой, термообработку при 700-1000^оС и охлаждение в газовой среде (авт.св. СССР N 767023, кл. С 01 В 31/04, 1978).

Недостатками этого способа являются наличие на продукте адсорбированных соединений серы и влаги, ухудшающих адсорбционную способность и прессуемость графита, а также периодичность и высокая длительность процесса.

Целью изобретения является снижение насыпного веса получаемого продукта и упрощение процесса.

Для этого в способе, включающем окисление графита смесью кислоты и окислителя, отмывку, сушку, термообработку и охлаждение, образующиеся в ходе термообработки окисленного графита (ОГ) газы отбирают из реактора после расширения графита до начала его охлаждения, а охлаждение проводят в противотоке газа в режиме падающего слоя.

Охлаждение целесообразно проводить в атмосфере инертного или восстановительного газа.

Охлаждение целесообразно проводить в атмосфере осушенного газа.

При термообработке окисленного графита (ОГ) происходит его расширение в результате выделения в виде газообразных соединений остатков серной кислоты и воды, содержащихся в ОГ. При охлаждении термически расширенного графита (ТРГ) вместе с образующейся газовой атмосферой содержащиеся в газовой среде SO₃, SO₂ и H₂O адсорбируются на поверхности ТРГ, снижая качество продукта. Снижение качества ТРГ выражается в том, что при прессовании такого материала указанные адсорбированные вещества в результате нагрева при сжатии ухудшают качество прессовок, вызывая их растрескивание.

Кроме того, эти адсорбированные вещества способствуют коррозии металлов, контактирующих с изделиями из такого ТРГ. При этом снижается адсорбционная способность продукта.

Для предотвращения адсорбции соединений серы и воды на ТРГ образующиеся при расширении графита отходящие газы из реактора отбирают после полного расширения графита до начала его охлаждения. А охлаждение ТРГ целесообразно проводить в режиме падающего слоя.

Для упрощения аппаратурного оформления способа весь процесс термообработки ОГ ведут в режиме падающего слоя, отбирая отходящие газы из изотермической высокотемпературной зоны реактора, чтобы они не могли адсорбироваться на продукте.

При термообработке ОГ на воздухе часть углерода, окисляясь, газифицируется, снижая тем самым выход годного продукта. Поэтому целесообразно процесс расширения и последующее охлаждение графита вести в инертной или восстановительной среде, причем можно эти среды на различных участках комбинировать, например, расширение графита проводить в восстановительной, а обработку после удаления отходящих газов вести в восстановительной или инертной среде. Адсорбция газов окислителей (О₂ и т.д.) может быть необратимой за счет частичного окисления углеродных атомов в графите, что ухудшает качество продукта (за счет ухудшения его прессуемости), а адсорбция газов-восстановителей и инертных газов на графите обратима и не ухудшает качество продукта.

Кроме того, восстановители и инертные газы гораздо слабее адсорбируются на поверхности, чем окислители.

Влага хорошо адсорбируется на поверхности графита и ухудшает его прессуемость, поэтому целесообразно предотвратить этот процесс, охлаждая ТРГ в осушенном газе.

Процесс получения ТРГ осуществляют следующим образом.

Графит окисляют в смеси серной кислоты и окислителя, отмывают от кислоты до нейтральной реакции, сушат и помещают в бункер-дозатор установки для термообработки ОГ.

Материал термообрабатывают до прекращения газовыделения из ОГ и полного расширения последнего и отбирают в этой точке или ниже ее отходящие газы, после чего материал продолжает движение под действием силы тяжести, охлаждается и собирается в приемное устройство. При этом термообработка ОГ может производиться без подачи газов извне или с подачей газов в прямотоке с исходным материалом. Должна быть также осуществлена подача газа в противотоке продукту расширения во время охлаждения последнего. В любом из этих вариантов отбор газов производится после расширения графита до начала его охлаждения.

Определение точки, где расширение графита закончено, осуществляют по предварительной серии экспериментов, в которых изменяют длину изотермической зоны реактора и время пребывания в ней твердого материала по прекращению уменьшения насыпной плотности ТРГ с ростом времени изотермической выдержки.

П р и м е р 1. 1 кг графита окислили смесью 0,13 кг бихромата калия и 3,0 л серной кислоты (ρ 1,84 г/см³) в течение 20 мин, отмыли на фильтре до рН 7 и высушили в течение 4 ч, разложив слоем 5 мм на противне в сушильном шкафу при 120^оС.

Сухой ОГ нагревали в режиме пневмотранспорта дымовыми газами до 1000^оС в течение 2 с. При этом материал двигался вверх по трубе (реактор) внутри печи, нагретой до 1000^оС. Затем газопылевой поток попал в расширяющуюся часть реактора, где сечение его увеличилось в 5 раз, в результате чего скорость потока упала, и твердый материал стал под действием силы тяжести свободно падать в другой трубчатый реактор, находящийся внутри печи, нагретой до 1000^оС, через который снизу подавался воздух с таким расходом, чтобы его скорость не превышала 0,03 м/с (т.е. скорость потока воздуха была примерно на порядок ниже скорости витания продукта расширения и потому противоток воздуха не препятствовал движению ТРГ).

Установка загерметизирована как со стороны подачи материала, так и со стороны, где ТРГ отбирается. Выведение газа осуществляется из расширенной части реактора, где материал меняет направление движения за счет разницы давлений в реакторе и в атмосфере. Продукт имеет насыпной вес 3,5 кг/м³. При прокаливании 10 мин в инертной атмосфере (в аргоне) при 1000^оС потери (ППП) составили 0,2%
П р и м е р 2. ОГ из примера 1 нагревали в течение 3 с при 1000^оС (без подачи газов извне) в режиме падающего слоя. Далее материал попадал в область реактора, где сечение его увеличилось до 2,5 раз. В этом месте осуществляли отбор газов (за счет того, что места, откуда подавали в реактор ОГ и куда далее попадал ТРГ, были загерметизированы). Снизу в реактор (в широкую его часть) подавали воздух с таким расходом, чтобы скорость его движения навстречу ТРГ не превышала 0,03 м/с.

Время пребывания ТРГ в зоне охлаждения 3 с.

ТРГ имеет насыпной вес 3,5 кг/м³; ППП 0,31
П р и м е р 3. ОГ из примера 1 обработали как в примере 2, но в месте отбора газов создали разрежение 3-7 м вод.ст. воздух снизу не нагнетали, а подавали за счет этого разрежения в месте отбора, при этом приемный бункер разгерметизировали для свободного поступления воздуха в реактор.

Свойства продукта такие же, как в примере 2.

П р и м е р 4. ОГ из примера 1 обработали как в примере 2, заменив воздух, подаваемый в противотоке продукту, на балонный азот (инерт, имеющий влажность на несколько порядков ниже, чем воздух).

ТРГ имеет насыпной вес 3,5 кг/м³; ППП 0%
П р и м е р 5. ОГ из примера 1 обработали в прямотоке природного газа (влажностью 60% при 20^оС) при 1000^оС в режиме падающего слоя в течение 3 с, отобрали отходящие газы из соответствующей области реактора, как в примере 2, а охлаждение проводили в противотоке того же природного газа, создавая скорость потока природного газа в нижней зоне не более 0,03 м/с.

ТРГ имеет насыпной вес 3,6 кг/м³; ППП 0,01
П р и м е р 6. ОГ из примера 1 обработали как в примере 4, увлажнив азот, подаваемый в реактор до 60% при 20^оС.

Продукт имеет насыпной вес 3,5 кг/м³; ППП 0,01%
П р и м е р 7. ОГ из примера 1 обработали при 1000^оС в прямотоке природного газа в режиме падающего слоя в течение 3 с, а охлаждение проводили в противотоке водорода, пропущенного через силикагель, подаваемого в реактор с расходом, при котором скорость его потока в нижней части реактора не превышала 0,03 м/с.

Полученный ТРГ имеет насыпной вес 3,5 кг/м³; ППП 0,00%
П р и м е р 8 (прототип). 400 г ОГ из примера 1 помещают в мешок из углеродной ткани и прогревают в течение 2 мин в пламени газовой горелки. При этом термопара, помещенная вблизи стенки мешка, показывает 1000^оС, а в центре мешка температура не поднималась выше 700^оС. После прогрева в течение 1 мин продукт охладили в среде аргона.

Полученный материал имеет в среднем насыпной вес 16 г/см³; ППП 0,5%
Таким образом, предложенный способ позволяет получить термически расширенный графит с низким содержанием адсорбированных на поверхности продукта газообразных и газифицирующихся в ходе нагрева соединений, с более низким насыпным весом, с высокой адсорбционной способностью и хорошо прессующийся без связующего.

Качество прессования определяли, прессуя кольца диаметрами 10х20 мм из продуктов, полученных по примерам 4 и 5 и по прототипу под давлением 150 кг/см³, загружая в пресс-форму по 3 г материала.

Образцы, полученные прессованием ТРГ из примеров 4 и 5, после прессования не расслаивались, а кольца из ТРГ, полученного по прототипу, имеют на боковой поверхности колец трещины и по этим трещинам расслаиваются при наложении нагрузки.

Кроме того, преимуществом изобретения по сравнению с прототипом является упрощение технологии, выражаемое в сокращении на порядок времени термообработки, проведение процесса непрерывно, а также снижение его трудоемкости.

Использование: материал, полученный предлагаемым способом, испольузется для производства графитовых изделий прессованием без связующего в качестве сорбента, компонента смазок, загустителя нефтяных масел. Сущность изобретения: графит окисляют смесью кислоты и окислителя, отмывают, сушат и термообрабатывают в инертной, окислительной или восстановительной среде. Отбирают образующиеся при расширении графита газы после окончания его расширения до начала охлаждения термически расширенного графита (ТРГ). Охлаждение проводят в противотоке газа. Для охлаждения ТРГ подают инертный или восстановительный газ. Охлаждают ТРГ в осушенном газе. Полученный материал после прессования без связующего не расслаивается при нагреве. 2 з.п. ф-лы.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИ РАСШИРЕННОГО ГРАФИТА, включающий окисление исходного графита, его промывку, сушку, последующую термообработку и охлаждение в газовой среде, отличающийся тем, что, с целью снижения насыпного веса получаемого продукта и упрощения процесса, образующиеся в процессе термообработки отходящие газы отбирают из высокотемпературной зоны реактора после полного расширения графита перед подачей его на охлаждение, а охлаждение графита ведут в режиме падающего слоя в противотоке охлаждающего газа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение ведут в атмосфере инертного или восстановительного газа. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение ведут в атмосфере осушенного газа.