СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА
METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING THERMALLY EXPANDED GRAPHITE

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано для получения терморасширенных графитов, используемых при производстве гибких изделий, композитов, прокладок, уплотнений, покрытий, антифрикционных и теплозащитных материалов, сорбентов.
Предшествующий уровень техники.
Известны СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА (патент РФ №2294894 МПК С01В 31/04).
Способ получения терморасширенного графита, включающий формирование двухфазного потока частиц порошка окисленного графита и газа-носителя, смешивание двухфазного потока с восходящим потоком рабочего газа на входе в зону нагрева и подачу его в зону разрежения при одновременном охлаждении потоком газа-разбавителя с последующим выносом полученного расширенного графита в накопитель с отводом сопутствующих газов, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют топливный газ, а в качестве рабочего газа - кислородсодержащий газ, поддерживают их объемное соотношение равным стехиометрическому и в смеси с порошком окисленного графита пропускают сквозь псевдоожиженный слой катализатора окисления, поддерживая температуру псевдоожиженного слоя в диапазоне 600-800°С.
Установка для получения терморасширенного графита, содержащая питатель, патрубок для подачи окисленного графита с газом-носителем в нагревательную камеру, патрубок для подачи рабочего газа и турбулизатор, расположенные в нижней части нагревательной камеры, рекуператор тепла, сопло для газа-разбавителя на выходе из нагревательной камеры, камеру разрежения, накопитель расширенного графита и патрубок для удаления сопутствующих газов, отличающаяся тем, что в качестве турбулизатора использован псевдоожиженный слой катализатора окисления, а дно камеры нагрева имеет форму перевернутого конуса, к вершине которого подсоединен патрубок рабочего газа.
Недостаток данных способа и установки заключается в относительно низких температурах 600-800°С для расширения окисленного графита. В результате - неполное удаление внедренных соединений с поверхности расширившихся частиц окисленного графита, повышенная неоднородность и достаточно высокая насыпная плотность 1,8-2,8 г/л получаемого терморасширенного графита.
Известен СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОГРАФИТА В УСТРОЙСТВЕ ИНЖЕКТОРНОГО ТИПА (патент РФ №2240282 МПК С01В 31/04), в соответствии с которым осуществляют следующие стадии: а) смешивание топлива с воздухом с образованием топливовоздушной смеси; б) зажигание полученной топливовоздушной смеси в выполненном в виде сопла горелочном насадке и формирование активного потока топочных газов в виде газопламенной струи; в) инжектирование за счет скорости газопламенной струи пассивного потока атмосферного воздуха, добавление в пассивный поток окисленного графита и их совместную подачу в приемную камеру в область за срезом сопла; г) смешение активного и пассивного потоков в камере смешения, быстрый нагрев окисленного графита с получением пенографита и последующее перемещение газов и пенографита через диффузор в устройство для их разделения; д) отделение пенографита от газов.
Согласно данному решению, УСТРОЙСТВО ИНЖЕКТОРНОГО ТИПА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОГРАФИТА содержит цилиндрическую приемную камеру, состыкованную с насадком горелки в виде сопла и связанную с камерой смешения окисленного графита и продуктов сгорания топливовоздушной смеси, последовательно расположенные за камерой смешения диффузор и узел разделения пенографита и газа и расположенный над приемной камерой патрубок для подачи окисленного графита.
К недостаткам данного решения относятся невысокая температура 1015°С обработки окисленного графита, что отрицательно сказывается на скорости расширения и удалении примесей, при этом полученный пенографит перемещается вместе с выделившимися внедренными соединениями, которые повторно осаждаются на его поверхности. Эти недостатки заметно снижают качество пенографита по таким параметрам, как химическая чистота, удельная поверхность и, в частности, насыпная плотность, составляющая 2,6-3,7 г/л.
Хорошее качество пенографита достигается при помощи УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОГРАФИТА (патент РФ №2102315 МПК С01В 31/04), содержащей последовательно установленные и соединенные средства для подачи окисленного графита, смеситель окисленного графита с газом-носителем, цилиндрическую нагревательную камеру с нагревательными элементами, промежуточную камеру разрежения и накопитель пенографита, при этом камера разрежения выполнена в виде трубы, изогнутой по окружности в верхней части, при отношении ее высоты к диаметру закругления 3-5 и диаметра вертикальной трубы к диаметру нагревательной камеры 1,2-1,4, в нижнем торце трубы установлено сопло для газа-разбавителя, а в накопителе пористая перегородка, смещенная относительно закругленного торца трубы, и патрубок для удаления отходящих газов. Насыпная плотность пенографита 1,0-2,2 г/л, содержание серы 0,05-0,1%.
При низкой насыпной плотности и малом содержании серы в производимом пенографите недостатком данной установки является длительное время 4-5 с и невысокая температура 900°С вспенивания окисленного графита. Низкая скорость вспенивания окисленного графита не обеспечивает получение пенографита с высокой удельной поверхностью.
Известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОГРАФИТА (патент РФ №1630213 МПК С01В 31/04), содержащее последовательно установленные средство для подачи окисленного графита, емкость для смешения окисленного графита с подогретым газом с патрубком для подачи подогретого газа, цилиндрическую обогреваемую камеру и накопитель пенографита, отличающееся тем, что, с целью снижения насыпной плотности пенографита, оно дополнительно снабжено камерой разрежения, установленной после цилиндрической теплоизолированной камеры и соединенной с расположенным внутри нее трубчатым нагревателем из карбида кремния, снабженным концентричной изоляционной трубкой, при отношении внутренних диаметров нагревателя и камеры разрежения, равным 1:10-20, цилиндрическая камера снабжена патрубками для подачи холодного и отвода подогретого газов, расположенных соответственно на нижней и верхней торцовых поверхностях цилиндрической камеры между ее стенкой и нагревателем, а емкость для смешения снабжена защитным кожухом, установлена на верхней торцовой поверхности нагревателя и соединена с его внутренней полостью посредством отверстия, выполненного в днище емкости для смешения, причем патрубок для подачи подогретого газа в емкость для смешения установлен тангенциально.
3
Относительно высокая температура 1350-1500°С обеспечивает получение пенографита с насыпной плотностью 0,3-1 кг/м, однако скорость вспенивания окисленного графита не высокая, кроме того, при остывании возможна адсорбция серосодержащих газов на пенографите в камере разрежения и накопителе, соответственно повышенное содержание серы в конечном продукте.
Ближайшим аналогом заявляемого способа производства терморасширенного графита является СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСШИРЕННОГО ГРАФИТА (патент РФ №2075438 МПК С01В 31/04, Н05В 6/64), включающий обработку порошка природного или искусственного графита окислительным раствором и последующую термическую обработку, при этом термическую обработку осуществляют облучением сверхвысокими частотами.
11
Согласно данному способу 1 кг природного или искусственного графита загружают в кислотостойкий реактор и обрабатывают окислительным раствором при постоянном перемешивании. Окисленный графит отфильтровывают, промывают горячей водой, сушат, помещают в микроволновую печь и обрабатывают при частоте 1·10-1,5·10 Гц и мощности 50-5000 Вт.
Данный способ эффективен с точки зрения применения сверхвысоких частот для расширения окисленного графита, так как не имеет индукционного периода разогрева, позволяет регулировать процесс расширения графита и получать расширенный графит с низкой насыпной плотностью 0,13 г/л.
Недостатками данного способа являются сложность в организации непрерывного автоматизированного производства расширенного графита и наличие в конечном продукте примесей из-за отсутствия устройства удаления газа.
Одним из аналогов заявляемой установки является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА (патент РФ №2118290 МПК С01В 31/04), содержащее вертикальную цилиндрическую камеру вспучивания, оснащенную двумя газовыми горелками, и последовательно расположенную за ней камеру прокаливания, патрубок для подачи графитового полупродукта, при этом горелки установлены под углом от 15 до 100° друг к другу, а патрубок размещен в створе горелок.
Техническим признаком аналога, совпадающим с заявляемым решением, является наличие камеры прокаливания, последовательно расположенной за камерой вспучивания.
3
Недостатком данного устройства является то, что после удаления из расширенного графита остатков серной кислоты, он вместе с отходящими газами направляется по газоходу, в котором происходит адсорбция серосодержащих газов на расширенном графите. В результате - повышенное содержание серы в конечном продукте. Помимо этого в данном устройстве реализуется относительно низкая скорость вспенивания окисленного графита, что исключает возможность получения расширенного графита с высокой удельной поверхностью, а также приводит к повышенной насыпной плотности продукта 2-4 кг/м.
Другим аналогом заявляемой установки по техническому решению является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАСШИРЕННОГО ГРАФИТА (патент РФ №2076844 МПК С01В 31/04), включающее бункер-питатель, соединенный через регулировочную заслонку с рабочей камерой, связанной с выходным бункером-накопителем, при этом устройство дополнительно снабжено СВЧ-генератором, рабочая камера выполнена в виде волновода с короткозамкнутой стенкой, вход которого соединен с СВЧ-генератором и имеющего два отверстия, размеры которых запредельны для рабочей длины волны СВЧ-генератора, причем первое отверстие выполнено в верхней стенке волновода и соединяет его посредством фланца через трубу с регулировочной заслонкой бункера-питателя, а второе у входа волновода и соединяет волновод через штуцер и патрубок с устройством подачи воздуха, а бункер-накопитель соединен с волноводом через волноводный фильтр.
Техническим признаком аналога, совпадающим с заявляемым решением, является наличие СВЧ-генератора, волновода, бункера-питателя, устройства подачи воздуха и бункера-накопителя.
3
Данное устройство позволяет получать расширенный графит с насыпной плотностью 0,25-0,8 кг/м.
Однако вследствие невысокой выделяемой мощности микроволнового излучения на единицу массы графита значительно снижается скорость расширения и температура обработки окисленного графита. В результате в расширенном графите формируется низкая удельная поверхность и осуществляется лишь частичное удаление внедренных соединений с поверхности расширившихся частиц окисленного графита. Помимо этого, расширенный графит вместе с образовавшимися при расширении окисленного графита газами транспортируется в бункер-накопитель, где происходит адсорбция серосодержащих газов на конечном продукте.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАСШИРЕННОГО ГРАФИТА (патент РФ №2125015 МПК С01В 31/04, Н05В 6/64), включающее бункер-питатель, соединенный с рабочей камерой, связанной с бункером накопителя, при этом рабочая камера выполнена в виде вращающейся диэлектрической трубы, проходящей через волновод, вход которого соединен с СВЧ-генератором, а выход - с поглотителем энергии СВЧ, при этом вне волновода диэлектрическая труба размещается в металлическом корпусе, состыкованном с волноводом, при этом вход диэлектрической трубы сочленен желобом с питателем и через штуцер - с устройством подачи воздуха, а выход - с бункером накопителя.
Техническим признаком аналога, совпадающим с заявляемым решением, является наличие СВЧ-генератора, диэлектрической трубы проходящей через волновод, бункера-питателя, бункера накопителя, устройства подачи воздуха и устройства удаления газа. Технологическим признаком аналога, совпадающим с заявляемым решением установки, является выполнение устройства с возможностью облучения всего подаваемого окисленного графита в зоне максимальной напряженности высокочастотного поля и продувка воздухом выделяющихся газов в процессе расширения графита.
3
Недостатком данного устройства является перемешивание окисленного графита до его облучения с уже расширенным графитом, на котором происходит адсорбция газов, выделяющихся при расширении окисленного графита. В результате - повышенное содержание примесей в конечном продукте. Кроме того, низкая скорость расширения окисленного графита исключает возможность получения расширенного графита с высокой удельной поверхностью и приводит к высокой насыпной плотности продукта 3-5 кг/м.
Задача и технический результат заявляемого решения заключается в повышении химической чистоты, повышении удельной поверхности и снижении насыпной плотности производимого терморасширенного графита.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе производства терморасширенного графита, включающем: термическую обработку окисленного графита, которую осуществляют облучением сверхвысокими частотами, согласно заявляемому решению, на первом этапе слой окисленного графита заданной толщины подвергают микроволновой обработке в течение 0,1-0,5 с, причем мощность микроволнового излучения подбирают таким образом, чтобы она обеспечивала температуру расширения окисленного графита 1500-1800°C; на последующем этапе обработки мощность микроволнового излучения снижают так, чтобы температура терморасширенного графита поддерживалась в пределах 500-1000°C в течение 3-10 с; на протяжении всей микроволновой обработки осуществляют продувку терморасширенного графита воздухом или углекислым газом.
Таким образом, кратковременное мощное микроволновое воздействие обеспечивает высокую удельную поверхность и низкую насыпную плотность получаемого терморасширенного графита, а дополнительное прокаливание и продувка непосредственно во время микроволновой обработки - химическую чистоту конечного продукта.
Поставленная задача также достигается тем, что в установке для производства терморасширенного графита, содержащей загрузочное устройство, волновод, бункер-накопитель, устройство подачи продувочного газа, СВЧ-генераторы, согласно заявляемому решению, в качестве волновода выбран круглый волновод, который снабжен газовыми клапанами, при этом волновод разделен на секции, содержащие по одному рупорному излучателю, имеет продольные щели и окна связи с изолирующими кварцевыми вставками и соединен с бункером-накопителем; в качестве СВЧ-генераторов выбраны магнетронные генераторы, которые расположены со стороны нижней части круглого волновода и соединены с ним через рупорные излучатели и окна связи; установка выполнена в виде ленточного конвейера, имеющего нижнюю и верхнюю ленты из кварцевой ткани, содержит формирователи лент, обеспечивающие формирование транспортировочного рукава круглого сечения, а также, по крайней мере, два рупорных излучателя, со стороны верхней части круглого волновода расположено вытяжное устройство, соединенное с ним через вентиляционный канал и продольные щели, внутри круглого волновода расположены изолирующие кварцевые кольца.
При этом вдоль внутренней поверхности круглого волновода по окружности расположены продольные кварцевые пластины.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен схематический разрез устройства, где позициями обозначены:
1 - загрузочное устройство
2 и 3 - ленты, движущиеся из кварцевой ткани
4 и 5 - формирователи входные лент 2 и 3 на входе волновода 6
6 - волновод круглый
7 - кольцо изолирующее кварцевое входное
8 - пластины кварцевые продольные
9 и 10 - излучатели рупорные
11 - окна связи
12 - вставки изолирующие кварцевые в окнах связи 11
13 - канал вентиляционный
14 - щели продольные волновода 6
15 - клапаны газовые
16 - кольцо изолирующее кварцевое выходное
17 и 18 - формирователи выходные лент 2 и 3 на выходе волновода 6
19 - бункер-накопитель
20 - люк разгрузочный
21 - барабан натяжной
22 - барабан приводной.
Установка для производства терморасширенного графита (ТРГ) выполнена по принципу конвейера и содержит: магнетронные генераторы (на чертеже не показаны), загрузочное устройство 1 для подачи окисленного графита (ОГ), расположенное в начале ленточного конвейера; круглый волновод 6, выполненный с продольными щелями 14; движущиеся ленты 2 и 3, выполненные из кварцевой ткани; формирователи 4 и 5 лент 2 и 3 соответственно, расположенные на входе круглого волновода 6; изолирующие кварцевые кольца входное 7 и выходное 16; продольные кварцевые пластины 8; рупорные излучатели 9 и 10; окна связи 11 с изолирующими кварцевыми вставками 12; вытяжное устройство (на чертеже не показано); вентиляционный канал 13; газовые клапаны 15; бункер-накопитель 19; разгрузочный люк 20. На выходе волновода 6 расположены формирователи 17 и 18 движущихся лент 2 и 3, аналогичные формирователям 4 и 5. Движение лент 2 и 3 осуществляется с помощью натяжных и приводных барабанов 21 и 22.
Загрузочное устройство 1 расположено в начале ленточного конвейера и представляет собой дозатор непрерывного действия для сыпучих мелкодисперсных продуктов.
Круглый волновод 6 разделен на секции, содержащие по одному рупорному излучателю и состыкованные друг с другом при помощи фланцев (на чертеже не показаны). Таким образом, за счет наращивания секций возможно увеличение времени обработки (прокаливания) терморасширенного графита. Так же данный подход облегчает изготовление, монтаж и транспортировку установки.
Движущиеся ленты 2 и 3 изготовлены из кварцевой ткани, которая является радиопрозрачным материалом с температурой эксплуатации - до 2000°С, имеет необходимую пористость для эффективной продувки выделяющихся газов, обладает высокой химической стойкостью и эластичностью.
Формирователи лент 4 и 5 расположены на входе в круглый волновод 6 и имеют форму полукруглых желобов со скошенными входными торцами, которые при изменении формы ленты с плоской на форму желоба в результате перегиба компенсируют разницу ее длины от краев до середины.
Движущиеся ленты 2 и 3 с помощью формирователей 4 и 5 лент принимают на входе в волновод желобчатую форму и, смыкаясь, образуют в круглом волноводе транспортировочный рукав круглого сечения, в котором происходит расширение окисленного графита и последующее прокаливание.
На выходе круглого волновода 6 расположены формирователи лент 17 и 18 аналогичные формирователям 4 и 5, после прохождения которых движущиеся ленты 2 и 3 изменяют желобчатую форму на плоскую, поступают на приводные барабаны 22, а затем на натяжные барабаны 21 в начало конвейера.
Для создания равномерного зазора между транспортировочным рукавом и внутренней поверхностью волновода, вдоль него по окружности расположены продольные кварцевые пластины 8.
Со стороны нижней части круглого волновода 6 расположены магнетронные генераторы (на чертеже не показаны), каждый из которых соединен с волноводом через рупорные излучатели 9 и 10, и окна связи 11, содержащие изолирующие кварцевые вставки 12, для предотвращения случайного попадания частичек терморасширенного графита (ТРГ) в рупорные излучатели. Геометрия рупорных излучателей выбрана так, чтобы мощность микроволнового излучения на коротком участке, создаваемая первым магнетронным генератором и рупорным излучателем 9, обеспечивала температуру расширения окисленного графита 1500-1800°C при малом времени обработки 0,1-0,5 с, а мощность, создаваемая последующими рупорными излучателями 10, равномерно распределялась или плавно снижалась по всей длине движения транспортировочного рукава для поддержания температуры терморасширенного графита 500-1000°C.
После каждого рупорного излучателя (на чертеже - справа от рупорных излучателей) со стороны нижней части круглого волновода располагаются газовые клапаны 15 для подачи воздуха или углекислого газа.
Внутри круглого волновода 6 находятся изолирующие кварцевые кольца 7 и 16, которые предотвращают попадание воздуха с входа и выхода круглого волновода в зазор между транспортировочным рукавом и внутренней поверхностью круглого волновода, а также сохраняют необходимую температуру и давление в зазоре.
Со стороны верхней части круглого волновода 6 расположено вытяжное устройство (на чертеже не показано), соединенное с ним через вентиляционный канал 13 и продольные щели 14 для удаления газообразных продуктов разложения внедренных кислот и примесей.
Бункер-накопитель 19 расположен в конце ленточного конвейера и соединен с выходным концом волновода 6. В бункере-накопителе происходит остывание терморасширенного графита с последующей разгрузкой при помощи разгрузочного люка 20.
Установка для осуществления заявляемого способа работает следующим образом.
Окисленный графит (ОГ) из загрузочного устройства 1 поступает на движущуюся ленту из кварцевой ткани 2, которая после прохождения натяжного барабана 21 при помощи формирователя ленты 4 изменяет плоскую форму на желобчатую. Движущаяся лента 3, проходя через формирователь ленты 5, так же принимает желобчатую форму и смыкается с лентой 2, образуя с ней транспортировочный рукав круглого сечения. Сформированный транспортировочный рукав с окисленным графитом коаксиально проходит через круглый волновод 6, не касаясь его внутренней поверхности.
Исходя из эффективности термообработки в предлагаемой установке на первом этапе реализуется направленное воздействие микроволнового излучения на слой окисленного графита. После прохождения изолирующего кварцевого кольца 7, ОГ попадает в зону над окном связи 11 рупорного излучателя 9, где концентрация микроволнового поля максимальна и сосредоточена в слое ОГ определенной толщины. Толщина слоя выбирается исходя из того, каким способом было осуществлено предварительное окисление графита. За счет омических потерь СВЧ в графеновых слоях и электрического пробоя между кристаллитными слоями графита электромагнитная энергия переходит в тепловую. Слой окисленного графита заданной толщины подвергают микроволновой обработке в течение 0,1-0,5 с, причем мощность микроволнового излучения подбирают таким образом, чтобы она обеспечивала температуру расширения окисленного графита 1500-1800°С. Слой окисленного графита, проходящий над рупором 9, подвергнутый кратковременной мощной микроволновой обработке, за счет резкого вскипания внедренных кислот максимально расширяется с формированием чрезвычайно развитой внутренней поверхности, равномерно заполняя транспортировочный рукав. Удельная поверхность ТРГ регулируется мощностью микроволнового излучения и временем нахождения под микроволновым излучением, которое определяется скоростью движения транспортировочного рукава. Насыпная плотность получаемого ТРГ регулируется исходной толщиной слоя ОГ.
Благодаря очень высокой скорости нагрева происходит резкое выделение из кристаллической решетки графита газообразных продуктов разложения внедренных кислот и примесей, содержащихся в исходном природном графите. На данном этапе осуществляется основное удаление примесей из ТРГ.
На последующем этапе обработки мощность микроволнового излучения снижают так, чтобы температура терморасширенного графита поддерживалась в пределах 500-1000°С в течение 3-10 с. После прохождения рупорного излучателя 9 ТРГ попадает в зону снижения до необходимой величины СВЧ мощности над рупорными излучателями 10, где концентрация микроволнового поля равномерно распределена в образовавшемся ТРГ. Температура ТРГ в этой зоне поддерживается на определенном уровне или плавно снижается с целью окончательного удаления примесей. Для предотвращения вторичного осаждения (адсорбции) примесей на всем протяжении микроволновой обработки применяют продувку воздухом или углекислым газом при помощи газовых клапанов 15 и вытяжного устройства. Для предотвращения взаимодействия ТРГ с кислородом воздуха с целью сохранения выхода ТРГ для продувки наиболее оптимальным вариантом является использование углекислого газа. На этом этапе осуществляется полное удаление примесей из ТРГ, которые выводятся с помощью вытяжного устройства по вентиляционному каналу 13 через поры кварцевой ленты и продольные щели 14 в верхней части круглого волновода.
Готовый ТРГ из круглого волновода поступает в присоединенный к его выходному концу бункер-накопитель 19, откуда при помощи разгрузочного люка 20 осуществляют периодический забор остывшего ТРГ.
Таким образом, если на первом этапе из образовавшегося ТРГ удаляют основную массу примесей, то на следующем этапе осуществляют их полное удаление, за счет дополнительного прокаливания ТРГ.
2
3
Заявляемая установка позволяет получать химически чистый терморасширенный графит с содержанием углерода 99,99%, удельной поверхностью более 350 м/г и регулируемой насыпной плотностью 0,2-2 кг/м.