СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИ РАСШИРЕННОГО ГРАФИТА Российский патент 1999 года по МПК C01B31/04 

Изобретение относится к технологии углеграфитовых материалов, в частности к производству термически расширенного графита (ТРГ), используемого для получения графитовой фольги, термостойких прокладок и уплотнителей, а также в качестве сорбента при очистке воды и грунта, загрязненных нефтью или нефтепродуктами.

Известные способы получения ТРГ основаны на воздействии термического удара (900 - 1400^oC) на порошок окисленного графита (ОГ). Одна из возможных схем организации процесса предусматривает дозирование окисленного графита и одновременно подачу азота, в результате чего формируется двухфазный поток "газ-частицы графита". Затем двухфазный поток направляют в зону термического удара, создаваемую у внутренних стенок полого трубчатого электронагревателя (патент SU 1657473, 1991 г.).

Однако при этом ни температура, ни время пребывания окисленного графита в зоне термического удара не оптимизируются. Это приводит либо к недостаточному расширению частиц окисленного графита при локальном или общем недогреве, либо к частичному окислению при перегреве. В обоих случаях это ухудшает характеристики ТРГ, особенно те, которые важны при дальнейшем его использовании для получения сорбента.

Известен способ получения ТРГ, включающий смешение окисленного графита с подогретым газом-носителем и подачу смеси сверху в вертикальную трубу, нагреваемую до 600 - 1000^oC. Термически расширенный графит дополнительно вспенивается при выходе из трубы в цилиндрическую камеру, а затем поступает в приемник-накопитель, где отделяется от газа-носителя и дымовых газов (авт. свид. SU 1480304, 1994 г.). Способ позволяет получать ТРГ с насыпной плотностью 2 - 10 кг/м³, однако термообработка длится от 7 до 20 мин, что заметно ограничивает производительность процесса.

Указанные недостатки устраняются, если для термического расширения окисленного графита использовать вертикальный трубчатый нагреватель, в котором может применяться СВЧ-нагрев, омический нагрев, непосредственное сжигание топлива или любой другой принцип нагрева.

Согласно изобретению в трубе нагревателя формируют восходящий двухфазный поток, в котором вся дисперсная фаза располагается по периферии потока вдоль нагретых стенок трубы, а в центральной части трубы движется только газовая фаза (воздух, азот или инертный газ). Такой кольцевой режим течения известен для газожидкостных потоков в трубах (Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Семенов Н. И. , Точигин А.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в трубах.- М.: Недра, 1969). Для смесей газов с сыпучими твердыми материалами в трубах также может быть организован кольцевой режим течения. Он зависит от вида газа и сыпучего материала, расхода газа и объемного содержания дискретной фазы, а также от внутреннего диаметра трубы, состояния ее поверхности и температуры нагрева. Однако для конкретных установок, работающих с определенным сыпучим материалом и газом при стабильной температуре нагрева, кольцевой режим течения достигается либо регулировкой расхода газа, либо изменением скорости дозирования порошка окисленного графита. Процесс можно оптимизировать по обеим указанным характеристикам, но чаще всего регулируют только расход газа, так как расход порошка обычно устанавливают максимально допустимым.

В восходящем двухфазном потоке дискретная фаза под действием гравитационных сил стремится к обратному движению со скоростью, называемой скоростью реверса. Но, если скорость восходящего потока достаточно высока, частицы можно удержать в равновесии. Такая скорость потока называется скоростью витания частиц. При дальнейшем увеличении скорости газового потока частицы будут двигаться вдоль стенки трубы в сторону движения газа.

Поскольку частицы окисленного графита могут отличаться по размерам, они будут располагаться на различной высоте вдоль поверхности вертикального трубчатого нагревателя и за короткое время порядка 0,1 - 0,4 с нагреваться до температуры 900^oC и выше, при которой происходит быстрое расширение окисленного графита. При этом частицы расширяются в 25 - 150 раз и за счет резкого увеличения своей парусности выносятся потоком газа за пределы зоны термического удара.

Определение оптимальных характеристик процесса, при которых возникает кольцевой режим течения двухфазного потока, может проводиться в ходе испытаний аппаратов для получения термически расширенного графита при варьировании расхода воздуха и/или скорости дозирования порошка окисленного графита. Если в нагревателе используются трубы из кварцевого стекла, процесс можно наблюдать непосредственно через прозрачные стенки труб. Более точные данные о достижении кольцевого режима течения можно получить с помощью сканирующей аппаратуры, например томографов.

Достижение оптимального режима течения при минимальном времени пребывания частиц в зоне термического удара можно более просто определять косвенным образом по качеству получаемого ТРГ. Так, о достижении оптимального кольцевого режима течения может свидетельствовать наблюдаемая в отраженном луче мощного (например, криптонового) источника света равномерно матовая поверхность, на которой отсутствуют блестящие вкрапления нерасширившихся частиц ОГ. При наличии блестящих вкраплений изменяют расход газа, а затем, если вкрапления в получаемом продукте не исчезают, снижают скорость дозирования исходного порошка ОГ.

Полученные результаты оформляются в виде таблиц или номограмм и могут включаться в состав сопроводительных документов аппарата. В дальнейшем при работе аппаратов в зависимости от изменения гранулометрического состава отдельных партий порошка окисленного графита будет периодически требоваться только незначительная корректировка расхода газа или скорости дозирования порошка.

При найденных оптимальных параметрах процесса ТРГ должен иметь стабильную насыпную плотность, которая на выходе установки непрерывно или периодически измеряется автоматическим плотномером. При изменении насыпной плотности (например, в результате падения температуры в зоне термоудара или изменения качества сырья) плотномер генерирует сигнал, служащий командой для дополнительного регулирования расхода газа и/или скорости дозирования порошка ОГ. Весь процесс регулировки может быть полностью автоматизирован с помощью компьютера.

Способ получения термически расширенного графита включает дозирование порошка окисленного графита, формирование двухфазного кольцевого потока частиц порошка в струе газа, подачу этого потока в зону термического удара вертикального трубчатого нагревателя с температурой 950 - 1400^oC, последующий вынос из нагревателя расширенного графита с одновременным его охлаждением. При этом двухфазный поток подают в трубчатый нагреватель снизу со скоростью не менее скорости витания частиц окисленного графита, а охлаждение расширенного графита осуществляют во время выноса его из нагревателя по наклонному или горизонтальному трубопроводу за счет разрушения кольцевого режима течения потока и формирования дисперсного режима течения, обеспечивающего перемешивание фаз.

Объемное соотношение порошка и газа при дозировании и формировании двухфазного потока поддерживают преимущественно в пределах от 1 : 750 до 1 : 1400. Минимальное время пребывания частиц в трубчатом нагревателе составляет от 0,1 до 0,4 с.

При движении внутри нагревателя основной поток газа (как правило, воздуха) не соприкасается с горячими стенками. Обладая низкой теплопроводностью и значительно превышая по объему дисперсную фазу, он практически не успевает нагреваться за время нахождения в нагревателе. Благодаря этому процесс расширения окисленного графита происходит при относительно низких энергетических затратах, так как позволяет избежать расхода тепла на бесполезный нагрев воздуха.

Более того, предлагаемый способ позволяет охлаждать образовавшийся ТРГ тем же ненагретым газом (воздухом) непосредственно в трубопроводе, соединяющем нагреватель с приемным бункером готового продукта. Для этого частицы ТРГ, движущиеся по периферии потока, перемешивают с газом, движущимся в центральной части трубы. Достигается это изменением направления потока с восходящего на наклонный, горизонтальный или нисходящий, за счет чего разрушается кольцевая структура двухфазного потока и горячие частицы остывают, перемешиваясь с более холодным газом.

На чертеже представлена схема процесса получения термически расширенного графита согласно предлагаемому изобретению.

Позицией 1 на схеме обозначен дозатор порошка окисленного графита; позицией 2 - ввод газа для формирования двухфазного потока; 3 - трубопровод подачи двухфазного потока в вертикальный трубчатый нагреватель 4; 5 - горизонтальный трубопровод-охладитель расширенного графита (трубопровод-охладитель также можно устанавливать с небольшим наклоном вверх или вниз); 6 - выход готового продукта.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления способа.

Пример 1.

В экспериментальной установке для осуществления заявленного способа был использован нагреватель с высотой трубы 80 см и внутренним диаметром 2,2 см. При расходе воздуха 50 л/мин расход порошка окисленного графита плотностью 400 кг/м³ поддерживали на уровне 0,045 л/мин. Температура внутренних стенок трубчатого нагревателя составляла 980^oC. Среднее время нахождения частиц в зоне термического удара равнялось 0,36 с при скорости двухфазного потока на выходе их нагревателя - 220 см/с. При длине горизонтального трубопровода-охладителя, равной 0,7 м, температура расширенного графита за счет перемешивания двухфазного потока понизилась на выходе до 78^oC. Готовый продукт представлял собой однородный хлопьевидный порошок серого цвета с насыпной плотностью 1,75 кг/м³.

Пример 2.

В условиях примера 1, но при пропускании двухфазного потока со скоростью, в три раза большей (то есть при среднем времени нахождения частиц в зоне термического удара 0,11 - 0,12 с), был получен однородный порошок расширенного графита с насыпной плотностью 1,9 кг/м³.

Промышленная применимость.

Изобретение может быть использовано для получения термически расширенного графита в различных областях техники.

Материалы на основе ТРГ используются в машиностроении, химической, атомной, аэрокосмической промышленности, теплотехнике и других отраслях промышленности в качестве сорбентов, наполнителей, защитных покрытий, прокладок и уплотнений, работающих при повышенных температурах и устойчивых к действию химических реагентов, теплозащитных и огнезащитных композитов и т.д.

Изобретение предназначено для машиностроения, химической, атомной и аэрокосмической отраслей промышленности и может быть использовано при получении графитовой фольги, термостойких прокладок и уплотнений, сорбентов, композитных материалов. Окисленный графит и воздух смешивают в объемном соотношении 1: (750-1400). Двухфазный поток подают в зону термического удара вертикального трубчатого нагревателя. Температура в зоне термического удара 950-1400^oC. Скорость подачи двухфазного потока в нагреватель обеспечивает кольцевой режим течения. Минимальное время пребывания частиц в нагревателе 0,1-0,4 с. Расширенный графит охлаждают во время выноса из нагревателя по наклонному или горизонтальному трубопроводу за счет разрушения кольцевого и формирования дисперсного режима течения потока, обеспечивающего перемешивание. Степень расширения графита 25-150, насыпная плотность 1,7-1,9 кг/м³. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения термически расширенного графита, включающий дозирование порошка окисленного графита, формирование двухфазного потока частиц порошка в газе, подачу этого потока в зону термического удара вертикального трубчатого нагревателя, последующий вынос из нагревателя расширенного графита и его охлаждение, отличающийся тем, что двухфазный поток подают в трубчатый нагреватель снизу со скоростью, обеспечивающей кольцевой режим течения двухфазного потока при температуре в зоне термического удара 950 - 1400^oС, а охлаждение расширенного графита осуществляют во время выноса его из нагревателя по наклонному или горизонтальному трубопроводу за счет разрушения кольцевого режима течения потока и формирования дисперсного режима течения, обеспечивающего перемешивание фаз. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что объемное соотношение порошка и газа при дозировании и формировании двухфазного потока поддерживают в пределах 1 : 750 - 1 : 1400. 3. Способ по пп.1 - 2, отличающийся тем, что минимальное время пребывания частиц в трубчатом нагревателе составляет 0,1 - 0,4 с.