Устройство для получения расширенного графита

 

Изобретение относится к деструктивной перегонке углесодержащих материалов для получения расширенного графита из его окисленных форм, который может быть использован в черной и цветной металлургии, атомной, авиационной, автомобильной, судостроительной и химической промышленности, строительстве и в решении задач экологической защиты природной среды. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для получения графита, содержащее бункер-питатель, соединенный через регулировочную заслонку с рабочей камерой, связанной с выходным бункером-накопителем, введен СВЧ-генератор, а рабочая камера выполнена в виде волновода с короткозамкнутой стенкой, вход которого соединен с СВЧ-генератором. В верхней стенке волновода выполнено отверстие, запредельное или рабочей длины волны, заканчивающееся фланцем, а которому пристыкована труба, связанная с регулировочной заслонкой бункера-питателя, а бункер-накопитель через волноводный фильтр соединен с рабочей камерой. У входа рабочей камеры выполнено отверстие, запредельное для рабочей длины волны, заканчивающееся штуцером для связи через патрубок с устройством подачи воздуха. Предложенное устройство позволяет снизить энергозатраты в 40-200 раз, температуру процесса в 17 раз, что снижает требования к электроизоляции, приводит к упрощению устройства и позволяет использовать менее термостойкие и более дешевые материалы, повысить производительность устройства. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к деструктивной перегонке углеродсодержащих материалов для получения расширенного графита и его окисленных форм, который может быть использован в черной и цветной металлургии, атомной, авиационной, автомобильной, судостроительной и химической промышленности, строительстве и в решении задач экологической защиты природной среды.

Расширенный графит, получаемый с помощью предлагаемого устройства, может быть применен в качестве очистных фильтров различных жидкостей и воздуха, изолирующего материала саркофагов с радиоактивными отходами, при производстве электронагревательных приборов, электрических токосъемников и щеток, герметизирующих колец, подшипников скольжения, сальниковых набивок, муфт и уплотнителей, прессованных прокладок к узлам и агрегатам различной техники, строительных тепло- и звукоизолирующих пенографитных блоков домов и сооружений, а также для очистки поверхностей воды от нефтепродуктов и других гидрофобных жидкостей.

Известны устройства для получения расширенного графита, состоящие из теплоизолированного корпуса и трубчатых нагревателей, тепло которых передается частицам окисленного графита, поступающим в эти нагреватели, в результате чего регулярная кристаллическая структура природного графита разрушается с образованием вспененного графита малой насыпной плотности [1] Недостатком известных устройств является высокая энергоемкость и температура процесса, обуславливающие применение дорогостоящих конструкционных материалов, а также низкий выход готового продукта (до 50 мас.) по отношению к исходному.

Наиболее близким к предлагаемому по назначению и техническому решению является устройство для получения расширенного графита, содержащее последовательно бункер-питатель окисленного графита, емкость для его смешения с подогретым газом-носителем, рабочую камеру в виде теплоизолированной цилиндрической камеры с трубчатым нагревателем, трубку для подачи смеси окисленного графита с подогретым газом-носителем и выходной бункер-накопитель [2] Данное устройство позволяет получать расширенный графит с насыпной плотностью 0,3-6,0 г/л в количестве 1,5-5,0 кг/ч, при этом удельная затрата электроэнергии составляет более 1 кВт·ч на 1 кг пенографита (прототип).

Недостатком известного устройства является невозможность одновременного прогрева всей массы окисленного графита до температуры расширения и, как следствие этого, низкое качество получаемого продукта, характеризующееся большим разбросом значений насыпной плотности до 40% Кроме того, необходимость нагрева рабочей поверхности камеры до температуры свыше 1000^oС обуславливает высокую энергоемкость процесса и большой процент потерь из-за частичного сгорания исходного графита (до 50%), а также применение дорогостоящих жаропрочных конструкционных материалов.

Цель изобретения снижение энергозатрат и потерь при получении расширенного графита, повышение производительности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что для получения расширенного графита предлагается устройство, изображенное на фиг. 1, где 1 СВЧ генератор, 2 - труба, 3 регулировочная заслонка, 4 бункер-питатель, 5 фланец, 6 - волновод с короткозамкнутой стенкой, 7 отверстие запредельное для рабочей длины волны, 8 устройство нейтрализации газов, 9 волноводный фильтр, 10 - бункер-накопитель, 11 решетка, 12 отверстие со штуцером, 13 штуцер, 14 - патрубок, 16 устройство подачи воздуха.

Устройство содержит рабочую камеру, выполненную в виде волновода с короткозамкнутой стенкой 6, на входе которого подсоединен соосно с помощью фланцевого соединения СВЧ-генератор непрерывных излучений 1. В верхней стенке волновода 6 выполнено круглое отверстие 7, размеры которого запредельны для рабочей длины волны СВЧ-генератора. К стенке рабочей камеры соосно с отверстием 7 приварен фланец 5 с внутренним диаметром, равным диаметру отверстия, к которому через отрезок трубы 2 с фланцами на концах подсоединена регулировочная заслонка 3 бункера-питателя 4, а непосредственно около короткозамкнутой стенки 6 через волноводный фильтр 9 квадратного сечения, установленный перпендикулярно продольной оси волновода таким образом, что одна из стенок фильтра является продолжением короткозамкнутой стенки волновода, установлен бункер-накопитель 10, в верхней крышке которого выполнен фланец 11 для связи с устройством нейтрализации газов 8. На входе волновода в его верхней стенке выполнено отверстие 12, размеры которого являются запредельными для рабочей длины волны СВЧ-генератора, в которое вставлен и заварен под углом 25-30 к оси волновода штуцер 13, подсоединенный через патрубок 14 к нагнетательной линии средства подачи воздуха 15.

Устройство работает следующим образом. Исходный материал предварительно окисленный графит, представляющий собой твердые чешуйки, из бункера-питателя 4 через регулировочную заслонку 3 и трубу 2 поступает через отверстие 7 в рабочую камеру 6. Рабочая камера 6 представляет собой волновод с короткозамкнутой стенкой, вход которого соединен с СВЧ-генератором 1, с помощью которого в волноводе создается электромагнитное поле требуемой напряженности для расширения окисленного графита. В связи с тем, что окисленный графит по величине электрической проводимости представляет собой сильно анизотропный материал (степень анизотропии в плоскости слоев "с" и в перпендикулярном направлении составляет 10) при воздействии на него СВЧ-излучения напряженность поля в направлении, перпендикулярном плоскости кристаллитных слоев, резко возрастает до величины пробоя между ними и перехода в итоге электромагнитной энергии в тепловую. При этом происходит разрушение упорядоченной кристаллической структуры графита на отделочные кристаллитные слои, в результате чего графит расширяется в несколько сот раз. На макроуровне данный процесс аналогичен пробою обкладок конденсатора, когда напряженность поля на них превышает номинальную величину. В отличие от известных устройств, использующих для расширения графита термоудар, когда большая часть тепловой энергии расходуется на нагрев конструктивных элементов и окружающего пространства в силу изотропных свойств тепловой энергии, в предлагаемом устройстве почти вся подведенная энергия идет на вспучивание.При этом удельные затраты электроэнергии предлагаемым устройством снижаются в десятки и сотни раз.

В конкретном примере использовался генератор СВЧ-излучения на магнетроне М-155 мощностью от 600 до 800 Вт с частотой 2450 МГц и волновод сечением 90х90 мм и длиной 1200 мм. В верхней стенке волновода выполнено отверстие 7 диаметром менее 1/8 длины волны магнетрона, являющееся запредельным. Поступивший в волновод с короткозамкнутой стенкой 6 окисленный графит подвергается воздействию СВЧ-поля, расширяется и потоком сжатого холодного воздуха, поступающего от компрессора 15 через патрубок 14 и штуцер 13 с отверстием 12, транспортируется через волноводный фильтр 9 в бункер-накопитель 10, а образующиеся при расширении окисленного графита газы удаляются через фланец 11 в устройство нейтрализации газов 8.

Пример 1. К 10 кг графита марки ГСМ (ГОСТ 18191- 78) с насыпной плотностью 1,8 г/см и средним размером частиц 200 мкм, находящихся в реакторе добавили 10 л концентрированной серной кислоты и 750 г бихромата калия порциями в течение 30 мин при постоянном перемешивании. Затем добавили 50 л холодной воды и окисленный графит отфильтровали и высушили.

Высушенный окисленный графит загружают в бункер-питатель и включают предлагаемое устройство. Мощность излучения 680 Вт, частота излучения 2450 МГц. В результате воздействия излучения на окисленный графит произошло его расширение в 460 раз. Насыпная плотность расширенного графита составила 0,4 г/л. Температура в объемном резонаторе СВЧ-излучения 82^oС. Производительность установки 30 кг/ч, выход готового продукта 99% Удельная затрата электроэнергии 22,6 Вт ч на 1 кг графита, то есть в 200 раз меньше, чем в известном устройстве. Отклонение воспроизводимости процесса по величине насыпной плотности при десятикратном повторении не превышает 2% Известное устройство дает отклонение 30-40 Пример 2. То же, что и в примере 1, но мощность излучения составляет 800 Вт. Время работы устройства 10 мин. Насыпная плотность расширенного графита 0,25 г/л. Производительность 40 кг/ч. Выход готового продукта 96% Удельная затрата электроэнергии 20 Вт ч на 1 кг графита. Разброс параметров по воспроизводимости 8% Пример 3. То же, что и в примере 1, но мощность излучения составляет 600 Вт. Насыпная плотность расширенного графита составила 0,8 г/л. Температура в зоне облучения 76^oС. Производительность установки 17,5 кг/ч, выход готового продукта 98% Удельная затрата электроэнергии порядка 34 Вт ч на 1 кг графита. Разброс параметров по воспроизводимости 3% Пример 4. То же, что и в примере 1, но использован графит марки ГТ-1 (ГОСТ 17022-81). Насыпная плотность расширенного графита 0,6 г/л. Температура в зоне облучения 80^oС.

Производительность установки 20 кг/ч, выход готового продукта 97% Удельная затрата электроэнергии 34 Вт·ч на 1 кг графита, то есть в 147 раз меньше, чем известным устройством. Разброс параметров по воспроизводимости - 6% В таблице представлены данные, полученные с помощью предлагаемого устройства и на известной установке.

Как следует из табличных данных, использование предложенного устройства позволяет снизить температуру процесса в среднем в 17 раз, что снижает требования по теплоизоляции, приводит к упрощению устройства и позволяет использовать менее термостойкие и более дешевые материалы. Производительность предложенного устройства в 20-30 раз выше, чем у прототипа, а затраты электроэнергии на единицу массы расширенного графита 40-200 раз ниже, чем у прототипа.

Формула изобретения

Устройство для получения расширенного графита, включающее бункер-питатель, соединенный через регулировочную заслонку с рабочей камерой, связанной с выходным бункером-накопителем, отличающееся тем, что оно 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2