生產高純石墨的反應罐的製作方法
2023-05-08 21:12:11
專利名稱：生產高純石墨的反應罐的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種石墨生產設備，特別是涉及一種生產高純石墨的反應罐。
背景技術：
上世紀九十年代中期，隨著全球經濟的飛速發展，汽車、飛機及軍工用品的生產量急劇增加，隨著科學技術不斷的發展，石墨作為軍用和航天、汽車用的優質密封材料具有容量大、壽命長的特點。鋰電負極材料用量越來越大，對石墨的純度提出了更高的要求，高純度鱗片石墨和高純度球形石墨的研發工作有了很大地進展。傳統方法及生產過程如下提純反應的溫度為80 150°C，整個反應分兩次進行， 第一次反應所用的酸性水溶液為氫氟酸(HF)水溶液與鹽酸(HCl)水溶液按1 2 2 1 的重量比混合的酸性水溶液；第二次反應所用的酸性水溶液為硫酸水溶液，硫酸與物料的比例為0.5 1 2 4，所用的硫酸為98%的濃硫酸。反應操作步驟是第一次反應將物料、鹽酸和氫氟酸按一定比例投入反應釜內，接通電源開始加熱並開啟機械攪拌器攪拌將物料充分混合均勻，第一次反應時間為12 14小時，反應結束後斷電並關閉攪拌器加入純水100 150kg，再邊攪拌邊放料，物料放入離心機中先高速脫酸再通入純水洗滌，將物料洗滌至中性，測定PH值為6 8即可，再高速脫水10分鐘，脫水後用自動刮刀將物料卸下， 此時測其碳含量為99% 99. 8% ；將此時的物料再次投入反應罐中進行第二次反應，按物料純水為2 1的比例加入純水，攪拌均勻並調至稀湯狀再加入濃硫酸，攪拌並接通電源加熱，反應3. 5小時後即可放料洗滌，洗滌方法同上，洗滌結束後再卸料。以上傳統的生產方法，其存在的最大的問題是反應需兩次進行，投料放料和洗料分別是兩次，使人員工作量加大，生產一釜料時間加長，單位時間內產量小；放兩次料需衝洗兩次，每洗滌一次收率只有93%，兩次總收率為93% *93%= 86.4%,收率降低總成本大巾畐提尚°反應兩遍這樣存在的弊端是1)兩次用離心機洗滌物料回收率大大降低，只能達到86%左右。2)兩次反應兩次放料洗滌，既耗時又費人工，每次放料洗滌時間需2小時，兩次超過4小時，憑空增加了勞動量，造成生產成本大大提高，產量反而降低。如何減少反應次數，或者如何將兩次洗滌減少至一次，並且使產品質量達到或超過同行業的標準是同行業者不斷研究、試驗的一個難題。傳統的提純反應採用外襯防腐塑料的碳鋼攪拌器，用電機傳動的單方向的機械攪拌，使物料混合均勻，現有技術中的提純過程存在如下缺陷第一，需兩次反應，每生產一釜料需投放洗出各二次才能生產合格產品，回收率低，人工費用和成本大大提高；第二，耗電能多，電機功率最小是7. 5KW的，每小時需耗電7. 5度；第三，攪拌器磨損後，如果防腐層破裂，碳鋼與液態物料中的酸液反應，使物料中的鐵含量大大增加，給產品質量造成很大的影響，使產品不合格率大大提高；第四，攪拌器一旦防腐層破裂，只能更換新攪拌器，既增加了維修費用，更換又費時費工，據統計，每更換一次需2 4人，耗時6 10小時；第五，外襯四氟塑料價格昂貴，直接使生產成本增加。另外，採用HC1、H2SO4, HF三種酸配合生產經常出現Al和Ca超標，其含碳量達99. 96以上時AL和Ca仍能達到120ppm以上。由此可見，上述現有的高純石墨的生產方法，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。因此希望找到一種成本更低廉、維修方便、便於操作的生產技術，在保持質量不變的前提下總體成本下降，具有更強的市場競爭力。
實用新型內容本實用新型所解決的技術問題是提供一種生產高純石墨的反應罐，只須使用一次投料洗滌就能夠得到高純度石墨。本實用新型所要解決的技術問題是通過以下技術方案來實現的。一種生產高純石墨的反應罐，包括反應罐、括氣泵、壓縮空氣閥門、抽濾裝置、真空泵、貯水罐、尾氣閥、蒸汽生成裝置、蒸汽閥門和加料口 ；其中，所述氣泵通過混合管路連接到所述反應罐下部，所述壓縮空氣閥門設置在所述混合管路上；所述抽濾裝置通過洗濾管路連接到所述貯水罐上，在所述洗濾管路上設置有所述真空泵；所述蒸汽生成裝置通過加熱管路連接到所述貯水罐，所述蒸汽閥門設置在所述加熱管路上；所述尾氣閥和反應罐蓋口設置在所述反應罐的上部。進一步所述加熱管路延伸到靠近貯水罐底部的位置。進一步所述蒸汽生成裝置選用蒸汽鍋爐。進一步所述抽濾裝置放置在所述反應罐內部。進一步所述抽濾裝置的形狀為正方形盒子，並在側壁上開有通孔，所述抽濾裝置包裹有濾布，在所述抽濾裝置的側壁中埋設有加強筋，所述抽濾裝置的出口通過所述洗濾管路連接到所述真空泵的抽濾口上。進一步所述真空泵選用羅茨真空泵。本實用新型所帶來的技術效果如下1、本實用新型的提純過程每生產一釜合格產品其投料、放料、洗料、出料均只需一次，並且石墨最後的碳量可以達到99. 95% -99. 995%之間；而行業內普遍採用的生產方法則是第一次反應要經過投、放、洗、出幾個過程，第二次反應也要重複投、放、洗、出幾個過程；本實用新型和現有技術相比，產量高、成本低、節省時間、操作簡單，具有不可比的優勢， 也是同行業研發上一個重大突破。2、本實用新型中，採用氣泵攪拌的方法來使物料混合均勻，與傳統的機械攪拌器相比具有較大的優點。第一，成本大幅降低，用電量只是原來的三分之一；第二，維修費用也大幅降低，氣泵只需放在空氣清潔的室內，極少損壞維修；第三，本實用新型用氣泵混合物料代替現有技術中的機械攪拌，將反應罐中的物料吹至如沸騰一樣的狀態，使物料在反應罐中不停的上下翻滾或在內部沿容器內壁轉動，從而使反應罐中物料的上下部、中部與邊緣充分的混合，達到酸液中各處的濃度相同，溫度保持一致，使物料中的雜質與酸液充分反應；第四，本實用新型用蒸汽加熱的方法使物料溫度升高到80-100°C，在此條件下，物料中的雜質和酸液充分反應生成易溶於水的物質，最後通過離心洗滌將物料中的雜質除去，從而使石墨的碳量升高到99. 96%以上，得到所需要的高純度的石墨產品。3、本實用新型可以提高石墨的碳量到99. 95%以上，每生產1噸高純度石墨(純度大於99. 95% )需要水蒸汽約8噸，相當於用煤1. 5噸，按1噸煤500元就是750元，其成本
4大大低於用電的成本。4、在本實用新型的提純過程中，提純反應所用的反應設備為聚乙烯反應罐，而傳統方法則採用碳鋼內襯四氟乙烯反應釜，二者相比，本實用新型具有明顯的優勢①碳鋼反應釜最大容積為1500升，一次最多加料量為800公斤；而聚乙烯反應罐容積最大可達6立方米，一次加料量最多可以達到1. 8噸以上，其單位時間內產量提高了一倍多。②碳鋼反應釜用電加熱棒將反應釜夾層內的導熱油加熱，導熱油將熱量傳導給內部物料，使內部物料溫度升高，其傳導熱效率較低，一般只有50% ；而本實用新型生產方法中採用蒸汽直接通入聚乙烯反應罐物料中加熱物料，其熱效率可以達到90%以上。③傳統的碳鋼反應釜中，物料混合均勻的方法是用碳鋼機械攪拌，外襯四氟乙烯層用7. 5KW電機帶動轉動；而本發明生產方法是將壓縮機的高壓氣體直接通入物料中將物料混合均勻，通入方式是將高壓氣體從反應罐的上部和下部同時通入，上部高壓氣體從側部吹入使物料沿罐壁轉動，下部氣體從反應罐下料口處直接吹入使物料在反應過程中始終處於沸騰狀態，物料在此種狀態下可混合均勻，且與傳統的生產方式相比，此種方法維修費用低，不用電，其成本低廉，操作簡單。5、本實用新型中，提純反應採用酸性水溶液與物料進行兩次反應，但投料和放料及洗料分別都是一次，按一釜投料1噸算，一次約需時間1小時，放料一次約需40分鐘，洗料一次需耗時40分鐘，出料一次約需1小時，總計是3. 3小時。按傳統的老式生產方法生產一釜合格料，其投、放、洗、出料各需要二次才能完成整個反應過程，生產出合格達標的產品其投、放、洗、出料各需要二次，共耗時約6. 6小時，再加上反應時間第一次12小時，第二次6小時，這樣生產一釜合格產品共需耗時24. 6小時；而採用本實用新型中所述的方法只需21. 3小時即可生產出一釜合格的產品，單位時間內產量由40公斤提高到46公斤。6、採用本實用新型，可以降低勞動量，減少人工的使用量，工人的體力勞動量可以減少一半，車間用人總數也可以減少一半，從這一方面提高了管理效率，降低了生產成本。7、本實用新型將兩次反應合二為一，在一次操作中完成，投放、洗出料只進行一次，使產品回收率從原來的84%提高到了 93. 5%以上，大幅度降低了成本，給企業創造了更好的經濟效益，使企業在市場競爭中立於不敗之地，提高了企業的市場競爭力。
圖1是本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式
下面參考附圖和優選實施例對本實用新型技術方案作詳細描述。如圖1所示，是本實用新型的結構示意圖。生產高純石墨的反應罐的結構包括反應罐101、氣泵102、壓縮空氣閥門103、抽濾裝置104、真空泵105、貯水罐106、尾氣閥107、 蒸汽生成裝置108、蒸汽閥門109、加料口 110 ；其中，氣泵102通過混合管路連接到反應罐 101下部，壓縮空氣閥門103設置在該混合管路上；抽濾裝置104放置在反應罐101內部，抽濾裝置104通過洗濾管路連接到貯水罐106上，在該洗濾管路上設置有真空泵105 ；蒸汽生成裝置108通過加熱管路連接到貯水罐106，加熱管路延伸到靠近貯水罐106底部的位置，蒸汽閥門109設置在該加熱管路上；尾氣閥107和反應罐蓋口 110設置在反應罐101的上部。蒸汽生成裝置108選用蒸汽鍋爐。利用本實用新型只需一次投料洗滌，即第一次投放物料後，反應到時間後不放料， 而是將用真空泵105連接的一個抽濾裝置104放入反應罐101，通過真空泵105將反應罐 101內的廢酸水抽出來，而將物料留在反應罐101內，然後反覆加入純水攪拌再抽濾3-5次， 將抽濾裝置104取出，再投入二遍反應用的兩種比例的酸進行第二次反應，再反應8小時後再放料洗滌，前後投料和放料只需一次即可達到最終所需的高純度石墨。本優選實施例中，真空泵105選用羅茨真空泵，參數是極限壓力是5X10_2帕，抽氣速率為600升/秒，轉速為四00轉/分，電機功率為5. 5KW。抽濾裝置104是一個用聚四氟乙烯做成的正方形盒子，其長、寬、高各約為50cm， 抽濾裝置104壁厚約2cm，在聚四氟乙烯板中鑲嵌有特種鋼筋，可以增加抽濾裝置104承受外在壓力的強度。鋼筋被包裹在聚四氟乙烯層內，避免在反應過程中被酸腐蝕，抽濾裝置 104有出口，出口通過聚四氟管道(洗濾管路)連接在真空泵105的抽濾口上，抽濾裝置104 上面鑽滿小孔，抽濾裝置104外周用防酸的1000目的濾布包裹。真空泵105工作後，在抽濾裝置104內形成很大壓力的真空，使外界的酸液分子通過1000目網孔進入抽濾裝置104 內部，酸液隨著洗濾管路進入真空泵105的貯水罐106中，而反應罐101內的石墨顆粒則留在反應罐101內，經過幾次這樣的洗滌，將溶解在酸水中的金屬離子和雜質洗去，再投入第二次酸進行第二次反應，反應結束後將物料放入離心機中進行離心脫酸洗滌，物料高速脫水後取樣檢測其碳含量可達99. 96%以上。本實用新型使用過程如下一、去除投料的雜質。步驟1 將過磅稱重完畢的物料(天然鱗片石墨或球形石墨)通過反應罐蓋口 110 投入反應罐101中，加入一定量的水，並按一定的質量配比依次加入反應所需的強酸。第一次反應是採用HF水溶液和HCl水溶液按1 2 2 1的重量比混合的水溶液來除去石墨投料中的雜質，其中的主要雜質為二氧化矽，從而使含碳量達到99. 9 %以上；第二次反應採用HCl水溶液與HN03水溶液按1 6 3 18或6 18 2 6的重量比混合的水溶液，除去雜質的主要成分為有害金屬元素和非金屬元素，使雜質的含量降低到預先設定的目標範圍內。二、對去除雜質後的物料進行提純。步驟2 開啟氣泵102、壓縮空氣閥門103和尾氣閥107，將壓縮空氣通入反應罐 101中，使物料混合均勻。反應過程中所通入的壓縮空氣和蒸汽由反應罐101上所設置的尾氣閥107排除， 整個反應過程在常壓下進行。所用的氣泵102的型號為ET-65，功率3千瓦，排氣量0. 4m3/ min，氣桶容積110升，使用壓力meg。步驟3 開啟蒸汽閥門109，將蒸汽通入反應罐101中對物料進行加熱，關閉反應罐蓋口 110。所用的蒸汽鍋爐可以是經過環保處理改造的燃煤鍋爐，也可以是天然氣鍋爐，還可以是燃油鍋爐。其鍋爐供應蒸汽的優選方式是0. 2-2噸的鍋爐同時給4 16個反應罐供應蒸汽，根據其生產的產量和加入的物料的數量不同決定用不同的工藝條件，其高純石墨的產量和鍋爐大小的匹配比例為0.2 4。對物料進行均勻混合的優選方式是1臺氣泵同時為4臺以上的反應罐供應高壓氣流，其中氣泵的大小為0. 1 2立方米，對應的反應罐的數量為2 16臺，其對應比例為0. 1 2。使物料混合均勻的壓縮空氣從反應罐101的下部通入，對物料進行加熱的蒸汽由蒸汽鍋爐通過加熱管路從反應罐101的上部插入，蒸汽輸送管插入到反應罐101的物料中， 距反應罐底部大概3公分左右。輸送蒸汽的加熱管路是由普通的蒸汽管道和聚四氟乙烯所製成的耐腐蝕塑料管連接而成，其中，通入到反應罐101中的那部分蒸汽管道是聚四氟乙烯所製成的耐腐蝕塑料管。氣泵102可以是活塞式空壓機或者是其它能達到氣體壓力的機械。步驟4 使反應物料在一定溫度下反應一段時間後放料，關閉蒸汽閥門109和壓縮空氣閥門103，通過真空泵105和水將反應過的物料洗滌抽濾至中性。提純反應的溫度為80 150°C，第一次反應所用的酸性水溶液為HF水溶液與HCl 水溶液按1 2 2 1的重量比混合的酸性水溶液，第一次反應時間優選控制在10 15 小時。步驟5 將洗滌抽濾至中性的第一次反應過的物料再次投入反應罐101中，加入少量混合酸液，再通入壓縮空氣和蒸汽，反應一段時間後放料，關閉蒸汽閥門109和壓縮空氣閥門103，通過真空泵105和水將反應過的物料再次洗滌抽濾至中性，即可得到高純石墨。第二次反應所用的酸性水溶液為HCl水溶液與HNO3水溶液按1 6 3 18或6 18 2 6的重量比混合的酸性水溶液，本實用新型中，第二次反應時間優選控制在3 9 小時。上述反應中所需要的水和洗滌物料所需要的水可為自來水，優選純水，該純水為經過離子交換和反滲透之後的去離子水，其電導率為1_15μ S/cm，PH值為6_8。本實用新型中的提純反應所用的酸與目前常用的生產方法根本區別在於在第二次提純反應中不使用H2504。這是因為Ca離子與硫酸根離子可生成微溶於水的CaSO4，而微溶於水的CaSO4在第二次提純中不能在離心洗滌過程中完全除去；此外，Al3+在酸性溶液中以鋁酸(H3MO3)的形式存在，鋁酸不溶於水，而Al3+在鹼性溶液中以氫氧化鋁(Al(OH)3)的形式存在，也不溶於水，因此這兩種物質也不能通過離心洗滌完全除去，這也是用H2504來提純而Al和Ca經常超標的主要原因。而在本實用新型中第二次提純所用的HNO3與雜質生成的硝酸鹽均溶於水，均可通過離心洗滌將其除去，而各種元素含量也均可達到指標要求。其中，提純反應採用酸性水溶液與物料進行兩次反應，酸性水溶液選自鹽酸、氫氟酸、硝酸或硫酸中的一種或多種混合的水溶液；酸性水溶液的總量物料水的重量比為 1 6 2 8 1 6。本實用新型中用到的酸的水溶液均為市售工業級酸性水溶液，通常，稀鹽酸水溶液的濃度為按重量計10%，氫氟酸水溶液的濃度為按重量計47%，稀硝酸水溶液的濃度為按重量計30%，稀硫酸水溶液的濃度為按重量計65%，濃硫酸水溶濃度為按重量計 92-98%。下面結合實施例和具體數據對本實用新型做進一步詳細描述。實施例1 將規格為100目含碳量為95 %的鱗片石墨1. 6噸物料和800公斤水加入反應罐101內，依次加入濃度為按重量計47 %的氫氟酸水溶液200公斤，濃度為按重量計30 %的鹽酸水溶液400公斤，先通入壓縮空氣，使物料混合均勻，再通入蒸汽反應10小時後加入大量的純水，用氣泵102將其攪拌10分鐘至均勻，放入抽濾裝置104，開啟真空泵105進行抽濾，抽至反應罐內僅餘下約1/4的水和物料時再次往反應罐101內加入純水並攪拌，抽濾； 如此反覆3-5次至反應罐101內純水用PH試紙測為中性為止。加入濃度為按重量計30% 的鹽酸水溶液300公斤和濃度為按重量計30%的HNO3水溶液100公斤，反應6小時後，加入濃硝酸水溶液(濃度為按重量計65% ) 15公斤作為氧化劑，以除去上述兩個反應中不能除去的金屬雜質，在80-150°C的溫度下共反應18小時，再離心洗滌，烘乾，得到高純度的高純石墨。按GB/T3521-95方法測得其含碳量為99. 985%，用WDX-200波長色散X螢光多元素分析儀測試其微量元素指標如表1所示表 權利要求1.一種生產高純石墨的反應罐，包括反應罐，其特徵在於還包括氣泵、壓縮空氣閥門、抽濾裝置、真空泵、貯水罐、尾氣閥、蒸汽生成裝置、蒸汽閥門和加料口 ；其中，所述氣泵通過混合管路連接到所述反應罐下部，所述壓縮空氣閥門設置在所述混合管路上；所述抽濾裝置通過洗濾管路連接到所述貯水罐上，在所述洗濾管路上設置有所述真空泵；所述蒸汽生成裝置通過加熱管路連接到所述貯水罐，所述蒸汽閥門設置在所述加熱管路上；所述尾氣閥和反應罐蓋口設置在所述反應罐的上部。
2.如權利要求1所述的生產高純石墨的反應罐，其特徵在於所述加熱管路延伸到靠近貯水罐底部的位置。
3.如權利要求1所述的生產高純石墨的反應罐，其特徵在於所述蒸汽生成裝置選用蒸汽鍋爐。
4.如權利要求1所述的生產高純石墨的反應罐，其特徵在於所述抽濾裝置放置在所述反應罐內部。
5.如權利要求1所述的生產高純石墨的反應罐，其特徵在於所述抽濾裝置的形狀為正方形盒子，並在側壁上開有通孔，所述抽濾裝置包裹有濾布，在所述抽濾裝置的側壁中埋設有加強筋，所述抽濾裝置的出口通過所述洗濾管路連接到所述真空泵的抽濾口上。
6.如權利要求1所述的生產高純石墨的反應罐，其特徵在於所述真空泵選用羅茨真空泵。
專利摘要本實用新型公開了一種生產高純石墨的反應罐，包括反應罐、括氣泵、壓縮空氣閥門、抽濾裝置、真空泵、貯水罐、尾氣閥、蒸汽生成裝置、蒸汽閥門和加料口；其中，所述氣泵通過混合管路連接到所述反應罐下部，所述壓縮空氣閥門設置在所述混合管路上；所述抽濾裝置通過洗濾管路連接到所述貯水罐上，在所述洗濾管路上設置有所述真空泵；所述蒸汽生成裝置通過加熱管路連接到所述貯水罐，所述蒸汽閥門設置在所述加熱管路上；所述尾氣閥和反應罐蓋口設置在所述反應罐的上部。本實用新型只須使用一次投料洗滌就能夠得到高純度石墨。
文檔編號C01B31/04GK202214223SQ201120357088
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月22日 優先權日2011年9月22日
發明者趙振宇, 韓玉鳳 申請人:黑龍江省牡丹江農墾奧宇石墨深加工有限公司