粘结剂沥青制备装置及方法 |
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| 申请号 | CN202311728652.2 | 申请日 | 2023-12-15 | 公开(公告)号 | CN117625228A | 公开(公告)日 | 2024-03-01 |
| 申请人 | 河南首成科技新材料有限公司; | 发明人 | 王占峰; 卢笛; 王志军; 韩传功; 张沛鑫; 姜斐; 张晓明; 赵志伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种粘结剂 沥青 制备装置及方法，属于粘结剂沥青制备领域；多种原始焦油混合进行均质形成焦油原料；经过沉降、 有机 溶剂 混合、高速离心机离心、加热器加热、加入助剂催化、采用过滤机分离获得完全脱除喹啉不溶物的 煤 焦油，接着煤焦油蒸馏得到中温沥青；最后聚合反应器进行热聚反应得到 聚合物 组分。有益效果：本方法中，采用重 力 预沉降可以帮助降低次生喹啉不溶物QI的含量，在聚合反应期间加入高分子聚合物聚二甲基 硅 氧 烷，可以降低原生喹啉不溶物QI的含量；所得浸渍剂沥青喹啉不溶物含量不大于1％，结焦值不小于57％；所得针状焦原料沥青喹啉不溶物含量不大于0.2％。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种粘结剂沥青制备方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤1多种原始焦油混合进行均质形成焦油原料； 步骤2沉降处理：在重力沉降室中对焦油原料重力预沉降处理； 步骤3在预沉降处理后的焦油原料中添加有机溶剂，并测定焦油原料的粘度和密度； 步骤4高速离心分离：采用高速离心机将经步骤3处理后的煤焦油进行分离； |
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| 说明书全文 | 粘结剂沥青制备装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及粘结剂沥青制备装置及方法，属于粘结剂沥青制备领域。 背景技术[0003] 同时煤焦油中由于含有喹啉不溶物（QI），它们在沥青热转化生成中间相小球体时，会阻碍小球体的生长，不能形成石墨化结构。因此，在用煤焦油制备优质针状焦原料时，必须对煤焦油进行净化处理，分离出煤焦油中的喹啉不溶物。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供粘结剂沥青制备装置及方法，能够有效解决上述的问题。 [0005] 为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：包括以下步骤： 步骤1多种原始焦油混合进行均质形成焦油原料； 步骤2沉降处理：在重力沉降室中对焦油原料重力预沉降处理； 步骤3在预沉降处理后的焦油原料中添加有机溶剂，并测定焦油原料的粘度和密 度； 步骤4高速离心分离：采用高速离心机将经步骤3处理后的煤焦油进行分离； 步骤5再加热处理：采用加热器将经步骤4处理后的焦油加热到100～180℃； 步骤6加剂混合：在经步骤5处理后的焦油混合罐中加入助剂； 步骤7过滤分离：采用过滤机进行分离，获得完全脱除喹啉不溶物的煤焦油; 步骤8焦油蒸馏：采用蒸馏塔将所述加工煤焦油蒸馏得到中温沥青； 步骤9沥青聚合：采用聚合反应器将所述中温沥青进行热聚反应得到聚合物组分； 步骤10将所述聚合物组分中的低分子组分蒸出得到粘结剂沥青。 [0007] 进一步的：在步骤6中，进行搅拌混合30～90分钟，使原生喹啉不溶物相互碰撞聚结；所述助剂加入量占混合罐煤焦油进料质量的5～10％。 [0008] 进一步的：所述的助剂包括金属氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO；进一步的：所述搅拌混合时，使煤焦油形成规则混流和无规则混流的交替，所述混流的流速为20～50米/秒。 [0009] 进一步的：所述有机溶剂包括轻油、洗油及轻油、洗油组成的混合溶剂。 [0010] 进一步的：步骤8中热聚反应将原料装入聚合反应器中进行聚合反应，得到聚合沥青产品，作为浸渍剂沥青、粘结剂沥青或针状焦生产原料沥青使用；聚合反应参数如下： 聚合压力：2～4.0MPa； 聚合温度：400～480℃； 升温速率：8～10℃/min； 恒温时间：2～15小时； 搅拌速率：150～200转/min； 其中在聚合反应期间加入高分子聚合物聚二甲基硅氧烷； 成品质量参数：所得浸渍剂沥青喹啉不溶物含量不大于1％，结焦值不小于57％； 所得针状焦原料沥青喹啉不溶物含量不大于0.2％。 [0011] 本装置中还包括上述方法所采用的重力沉降室、高速离心机、加热器、焦油混合罐、过滤机、蒸馏塔、聚合反应器；其中，焦油混合罐由搅拌罐1和设置在所述搅拌罐1中的搅拌器2构成； 所述搅拌器2包括搅拌轴3，所述搅拌轴3上设置有安装架4和安装盘5，所述安装架 4和所述安装盘5之间设置有安装杆6，所述安装杆6一端固定在所述安装架4的端部、另一端固定在所述安装盘5的外围； 所述安装杆6上安装有若干搅拌叶7； 所述搅拌罐1罐体上设置有溢流环槽9，所述搅拌罐1罐体底部还设置有加料管10。 [0013] 进一步的：所述安装架4的数量为四个，所述安装架4包括水平杆41、设置在水平杆41上端的加强梁42、设置在所述加强梁42上端的加强杆43构成；所述加强杆43一端固定在所述搅拌轴3上。 [0014] 进一步的：所述水平杆41上还设置有两个直径不同的环形管8，所述环形管下端设置有喷头。 [0015] 有益效果为：本方法中，采用重力预沉降可以帮助降低次生喹啉不溶物QI的含量，在聚合反应 期间加入高分子聚合物聚二甲基硅氧烷，可以降低原生喹啉不溶物QI的含量，并且根据粘结剂沥青的制备过程，结合蒸馏、加热、混合搅拌等方式进一步推进制备过程，并降低总的喹啉不溶物QI的含量； 所得浸渍剂沥青喹啉不溶物含量不大于1％，结焦值不小于57％；所得针状焦原料沥青喹啉不溶物含量不大于0.2％； 同时本装置中的聚二甲基硅氧烷在聚合的时候可以消除芳香族的喹啉不溶物分 子内张力，加快反应速率，节约能源消耗； 本装置改进焦油混合罐结构，可以非常方便的将剩余的喹啉不溶物从焦油中分离 出来，同时本装置。 附图说明 [0016] 为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。 [0017] 图1为本发明的沉降示意图；图2为本发明的有机溶剂示意图； 图3为本发明的焦油混合罐结构示意图； 图4为本发明的搅拌器零件图； 图5为图4中局部放大图； 图6为本发明的搅拌罐罐壁剖面图。 [0018] 附图标记说明：1、搅拌罐；2、搅拌器；3、搅拌轴；4、安装架；41、水平杆；42、加强梁；43、加强杆；5、安装盘；6、安装杆；7、搅拌叶；71、安装块；72、倾斜叶片；8、环形管；9、溢流环槽；10、加料管。 具体实施方式[0019] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 [0020] 参阅图1‑2为本发明粘结剂沥青制备装置及方法的一种实施例，包括以下步骤： 步骤1多种原始焦油混合进行均质形成焦油原料； 首先进行煤焦油机械杂质去除；机械杂质来源于煤炼焦时碳化室的耐火材料、煤 粉、焦粒等。这部分机械杂质在焦油蒸馏时全部残留的沥青里，这部分固体物质在沥青的组成中以QI形式存在，并称为携带QI，对煤沥青的应用是不利的；由于焦油厂的原因，需要多座焦炉协同生产焦油，不同焦炉来源的焦油在组成、比重、QI、水和灰分等方面均有波动差别，对其应用和改质沥青生产会带来不利影响；所以需要对喹啉不溶物QI进行处理； 按喹啉不溶物的形成过程，可将其分成原生QI和次生QI； 原生QI是在焦化过程中形成的，其含量主要与炼焦煤种、装炉煤散密度、炼焦温度和结焦时间等因素有关，同时还与装炉状态(冷装或热装)、炭化室炉顶空间QI的大小和温度、炉门的密封程度、集气管的温度以及焦炉煤气净化程度等因素有关。原生QI中包含无机QI和有机QI两部分。无机QI是煤中的灰分颗粒和炼焦过程中落入煤焦油中的其他无机物。 这些无机物的粒度小至10μm左右时，在煤焦油贮存过程中就不能沉降除去，而以胶体或悬浮物形式存在于煤焦油中，便形成了原生QI的无机QI。 [0021] 原生有机QI是在炼焦时炭热解生成的和热解产物热聚合形成的大分子芳烃，其颗粒大小约0.5μm原生有机QI还包含少量大于25μm的煤和焦炭粉末；次生QI是在煤焦加工过程中由原生QI或其他组分热聚合形成的，其大小为8μm以 上。次生QI的颗粒形状在初始阶段为圆球形。通称为中间相小球体。有机QI平均分子量范围为1800 2600,碳氢比较高(可达3. 5 )。不同来源的QI,具有不同的组成和结钩，沥青作为~ 粘结剂使用时，不同来源的QI起的作用亦不尽相同。无机QI中的灰分在炭素制品石墨化过程中，因部分挥发而留下孔隙。增加产品的孔隙率；同时灰分中的某些成分对碳的氧化有催化作用，加速了炭素材料在使用过程中的消耗。因此，这部分无机QI含量越低越好。而有机QI可以提高炭素制品的机械强度。 [0022] 具体处理的第一个步骤，沉降处理：在重力沉降室中对焦油原料重力预沉降处理；一种使悬浮在流体中的固体颗粒下沉而与流体分离的过程，它是依靠地球引力场的作用，利用喹啉不溶物QI颗粒与流体的密度差异，使之发生相对运动而沉降，即重力沉降。 [0023] 步骤3在预沉降处理后的焦油原料中添加有机溶剂，并测定焦油原料的粘度和密度；本有机溶剂采用的是轻油、洗油及轻油、洗油组成的混合溶剂；轻油主要为烷烃的C5～C7；可以让喹啉不溶物C9H7N溶在轻油中，方便将原生喹啉不溶物从焦油原料中析出。 [0024] 步骤4高速离心分离：采用高速离心机将经步骤3处理后的煤焦油进行分离；高速离心机脱除煤焦油中大部分的喹啉不溶物；离心分离的焦油温度为 80℃，分离时间为 1min，离心转速分别为 3000r/min、4000r/min，依次递增至8 000r/min；如此设置，可以均匀的将喹啉不溶物和焦油分离开来； 步骤5再加热处理：采用加热器将经步骤4处理后的焦油加热到100～180℃；在步 骤6中，进行搅拌混合30～90分钟，使原生喹啉不溶物相互碰撞聚结；搅拌混合时，使煤焦油形成规则混流和无规则混流的交替，混流的流速为20～50米/秒； 参阅图3‑6；其中，焦油混合罐由搅拌罐1和设置在搅拌罐1中的搅拌器2构成； 搅拌器2包括搅拌轴3，搅拌轴3上设置有安装架4和安装盘5，安装架4和安装盘5之间设置有安装杆6，安装杆6一端固定在安装架4的端部、另一端固定在安装盘5的外围；安装杆6上安装有若干搅拌叶7；搅拌罐1罐体上设置有溢流环槽9，搅拌罐1罐体底部还设置有加料管10。 [0025] 焦油的密度在1.17‑1.23之间，喹啉不溶物的密度略小于焦油的密度，同时喹啉不溶物容易乙醇、乙醚等有机溶剂；本装置中的搅拌罐1底部为弧形，搅拌叶7贴在搅拌罐1的底部；如此设置，可以提高搅拌效率；同时在搅拌的时候喹啉不溶物相互碰撞聚结，从焦油中上升至焦油的上表面； 本装置中的焦油在添加的时候，油平面低于溢流环槽9，当搅拌器2开始工作的时 候，液体会受到离心力，形成漩涡，位于旋涡外边缘的液体会上升，随着搅拌速度的增大，离心力越大，液体旋涡的外边缘会逐渐上升至溢流环槽9；此时焦油的搅拌已经进行了一段时间，一些喹啉不溶物相互碰撞聚结，之后由于密度较小的原因，会浮在焦油的表面，然后被甩至旋涡的外边缘，从溢流环槽9中输出； 同时本装置为了加速喹啉不溶物相互碰撞聚结，可以利用加料管10加入乙醇这种 有机溶剂，该有机溶剂可以和喹啉不溶物相融，接着带着喹啉不溶物更加迅速的浮在焦油的上表面。 [0026] 搅拌叶7贴在搅拌罐1的底部可以更好的对喹啉不溶物进行搅拌混合聚结；搅拌叶7包括安装块71和设置在安装块71两端的倾斜叶片72，且其中一个向安装 块71的前端面倾斜，另一个向安装块71的后端面倾斜。 [0027] 本装置还对搅拌叶7的形状进行改进，使得喹啉不溶物接触多个倾斜叶片72，形成弧形混合区域，加速喹啉不溶物相互碰撞聚结；安装架4的数量为四个，安装架4包括水平杆41、设置在水平杆41上端的加强梁42、设置在加强梁42上端的加强杆43构成；加强杆43一端固定在搅拌轴3上。 [0028] 本装置中由于需要搅拌焦油这种密度、质量较大的物质，所以需要提高安装架4的结构强度，本装置中在水平杆41的基础上增设加强梁42和加强杆43可以保证安装杆6的稳定，使得搅拌叶7对喹啉不溶物进行稳定搅拌；同时本装置中的安装杆6可以采用钢索，钢索具备强度的同时还具备一定的柔韧性，可以提高设备的使用寿命，同时本装置是无规则搅拌，在搅拌方向调转的时候，钢索制备的安装杆6搅拌效率更高。 [0029] 水平杆41上还设置有两个直径不同的环形管8，环形管下端设置有喷头。 [0030] 本装置中的环形管8是用于添加液体溶剂，液体溶剂由非金属氧化物构成，可以帮助喹啉不溶物沉淀。 [0031] 步骤6加剂混合：在经步骤5处理后的焦油混合罐中加入助剂；助剂加入量占混合罐煤焦油进料质量的5～10％；此时在高温的焦油加入的助剂包括金属氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO； 这些金属氧化物可以很好的帮助分离喹啉不溶物。 [0032] 步骤7过滤分离：采用过滤机进行分离，获得完全脱除喹啉不溶物的煤焦油;步骤8焦油蒸馏：采用蒸馏塔将所述加工煤焦油蒸馏得到中温沥青；焦油蒸馏前的脱水、脱盐；水分和盐分对焦油蒸馏过程及产品的质量是有害的；当焦油的水分达4%时，灰分波动于0.08～0.09之间，当含大量的水量，灰分可增加到0.12～0.14%，这使焦油不适合用于制取电极用粘结剂沥青；焦油中的盐类不出去，会腐蚀蒸馏设备，焦油脱盐是在焦油最终脱水之前加入8～12%的碳酸钠溶液。加入的钠在焦油蒸馏时完全残留在沥青中变成灰分，若除去0.1克/公斤焦油中的固定铵盐，沥青灰分约增加0.08%。沥青中的钠离子对炭素制品生产是不利的。 [0033] 步骤9沥青聚合：采用聚合反应器将所述中温沥青进行热聚反应得到聚合物组分；步骤9中热聚反应将原料装入聚合反应器中进行聚合反应，得到聚合沥青产品，作为浸渍剂沥青、粘结剂沥青或针状焦生产原料沥青使用；聚合反应参数如下： 聚合压力：2～4.0MPa； 聚合温度：400～480℃； 升温速率：8～10℃/min； 恒温时间：2～15小时； 搅拌速率：150～200转/min； 其中在聚合反应期间加入高分子聚合物聚二甲基硅氧烷； 成品质量参数：所得浸渍剂沥青喹啉不溶物含量不大于1％，结焦值不小于57％； 所得针状焦原料沥青喹啉不溶物含量不大于0.2％。 [0034] 通过引入苯基作为刚性分子间隔来重建具有可调侧基迁移率的PDMS构象，以消除大尺寸芳香分子的空间位阻，而喹啉不溶物就是多种芳香化和物的集合体；同时，聚合物段松散堆叠，以提供额外的自由度，增加渗透尺寸。 [0035] 空间位阻效应又称立体效应。主要是指分子中某些原子或基团彼此接近而引起的空间阻碍和偏离正常键角而引起的分子内的张力。当向一个配体引入某些较大基团后，由于产生空间位阻，影响它与中心原子形成配位化合物。 [0036] 聚二甲基硅氧烷在聚合的时候可以消除芳香族的喹啉不溶物分子内张力，将多种芳香族的化合物集成形成碳原子和氮原子一起形成一个取代的C9－H7－NX元环结构；有利于消除喹啉不溶物的影响。 [0037] 本装置中还包括上述方法所采用的重力沉降室、高速离心机、加热器、焦油混合罐、过滤机、蒸馏塔、聚合反应器。 |
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