一种制备高品质中间相沥青联产可纺各向同性沥青的反应系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种制备高品质中间相沥青联产可纺各向同性沥青的反应系统和方法。以催化或热裂解焦油、FCC油浆澄清油、减四线馏分、环烷基减压渣油的脱沥青油、脱QI的精制煤焦油、蒽油为原料，利用离心式反应分离装置，通过反应套管竖直和倾斜旋转操作交替2～3次，实现反应套管中原料均匀受热进行缩聚反应以及中间相产物在反应套管下部的富集，并通过配合套管底部和装置腔体底部阀门的启关，以及闪蒸罐对产物分子量的调变，可分别得到收率30～50％、软化点220～300℃、可连续纺丝万米以上的高品质中间相沥青，以及收率40～50％、软化点200～280℃可纺各向同性沥青。本发明专利技术有效解决物料受热不均匀、反应分离流程长的问题，并可联产高品质纺丝用中间相沥青和各向同性沥青。高品质纺丝用中间相沥青和各向同性沥青。高品质纺丝用中间相沥青和各向同性沥青。

【技术实现步骤摘要】
一种制备高品质中间相沥青联产可纺各向同性沥青的反应系统和方法


[0001]本专利技术涉及一种制备高品质中间相沥青联产可纺各向同性沥青的反应系统和方法，属于高级碳材料优质碳纤维的制备


技术介绍

[0002]重质油中的富芳组分在中温(450℃左右)液相热解(炭化)过程中主要特征之一是生成稠环芳烃大分子，进而提高了沥青的软化点和炭化收率。如果反应体系中主要生成层状稠环芳烃大分子，并且相邻稠环芳烃片会以π
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π共轭键相连的方式形成多层稠环芳片堆砌结构，同时进行规则排列取向，此时的反应体系既具有晶体中分子的整齐排列，呈现出晶体特有的各向异性，又保持了液相的流动性，这种介于固相和液相之间的一种特殊相—碳质中间相，此时获得的可熔融的沥青产品就是中间相沥青。此外，如果反应体系中形成的稠环芳烃分子还保留较多的烷基侧链或是芳环体系平面度较差，得到的则为各向同性沥青。以中间相沥青或各向同性沥青作为纺丝前驱体，可以分别获得高性能沥青基碳纤维(MPCF)和通用级沥青基碳纤维(GPCF)这两种。MPCF得益于其超高模量、高强度、高导热/导电等性能优势，在航空航天等高端领域具有不可替代性。通用级沥青基碳纤维成本较低，且具有低密度、高强度、耐高温、高化学稳定性、抗疲劳、耐磨擦等优异的基本物理及化学性能，在交通、机械、体育娱乐、休闲用品、医疗卫生和土木建筑等民用和工业领域有着更广泛应用。一般情况下，纺丝用中间相沥青和各向同性沥青都是以富芳烃重油作为原料，也都是以热转化或催化转化增加分子尺寸的原理进行制备生产。因此，有望采用同一套生产设备或流程有望同时实现两种纺丝前驱体的联产，从而实现根据市场需求，灵活调节生产。
[0003]众所周知，富芳烃重油通过液相炭化制备中间相沥青的反应初期，生成的中间相结构密度要显著高于各向同性基质。随着炭化反应的进行，由于各向同性基质的平均分子质量与中间相分子之间差距越来越小，因而两者密度之差就会越来越小，也就也不容易做到完全分离开来。此时，各向同性基质分子尽管分子量(即，分子尺寸)达到了形成中间相结构的必要条件，但主要可能是由于分子中仍含有较多的烷基侧链或芳环体系平面度较差，导致分子无法进行平行堆积，从而没有参与到中间相结构的形成。通过进一步增加反应苛刻度极易引起各向同性基质过度炭化，且仍难将以其转化为平面芳烃大分子。考虑到此时的各向同性基质软化点也相对较高，因而可以通过减压蒸馏等简单操作，进一步调控软化点从而得到纺丝用各向同性沥青，这也在一定程度上提高了原料的利用率。中国专利技术专利CN107488876B公开了一种利用低中间相含量沥青原料连续制备高品质中间相沥青的操作，主要借助了熔融静置，从而在高压釜底部富集中间相沥青并通过计量泵进入纺丝机进行纺丝。而对反应过程控制和两种沥青联产并没有涉及。中国专利技术专利CN110272757B中公开了一种通过对一次缩聚产物进行静置沉降，去除下层生成的具有较高灰分的中间相沥青，从而取上层低灰分各向同性沥青进行二次缩聚制备高纯中间相沥青的方法。该专利尽管存在着中间相沥青和各向同性沥青分离的操作，但并没有涉及联产可纺中间相沥青和各向同性
沥青的工艺。因而，利用中间相沥青和各向同性沥青在原料、生产装置和反应工艺的相似性，进而开发出集制备和分离于一体的方法和反应系统，目前还未见到此类相关专利和公开报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开了一种以催化裂解焦油、FCC油浆澄清油、减四线馏分、环烷基减压渣油的脱沥青油、脱QI的精制煤焦油、蒽油中的一种或多种为原料油，利用离心式反应分离装置耦合蒸馏调控制备高品质中间相沥青，联产可纺各向同性沥青的方法和反应系统。本专利技术的方法和反应系统有效解决物料受热不均匀、反应分离流程长的问题，并可联产高品质纺丝用中间相沥青和各向同性沥青。
[0005]本专利技术第一方面提供了一种制备高品质中间相沥青联产可纺各向同性沥青的反应系统，该反应系统包括反应套管、旋转伸缩装置、反应腔室、闪蒸罐和产品储罐；所述反应套管、旋转伸缩装置和反应腔室组成离心式反应分离装置；所述反应套管竖向置于反应腔室内，反应腔室的锥形底部通过三通阀与两个闪蒸罐相连通，闪蒸罐底部分别与产品储罐相连通；所述反应套管安装在旋转伸缩装置上，反应套管底部连接电磁阀门；所述反应腔室为密封状态，顶部设有电机、压力表、抽真空接口和惰性气体置换接口。
[0006]根据本专利技术的反应系统，所述旋转伸缩装置在电机的驱动下实现反应套管的高速旋转，同时可调节反应套管和旋转中轴呈现出不同的倾斜度。优选的转速为1000～5000r/min，物料旋转有效避免了缩聚过程套管管壁温度过高而引起的物料受热不均匀、易在壁上发生过度缩聚的问题。优选的，通过旋转伸缩装置调节反应套管由竖直状态转变为与中轴呈现14～40
°
的倾斜状态，实现初生中间相产物在套管下部的分离。
[0007]本专利技术第二方面提供了一种制备高品质中间相沥青联产可纺各向同性沥青的方法，该方法在本专利技术所述的制备高品质中间相沥青联产可纺各向同性沥青的反应系统中进行，包括以下具体步骤：
[0008](1)将等量的原料油加入到反应套管中，调节反应套管呈现竖直状态，密封反应腔室，并通过抽真空和鼓入惰性气体置换反应腔室里的空气；
[0009](2)开启旋转，并保持反应套管内温度在380～500℃、反应压力为0.1KPa～6MPa、反应4～18h后，反应套管中产物的中间相质量含量达到10～30％；
[0010](3)调节反应套管和旋转中轴呈现出14～40
°
的倾斜度，保持高速旋转5min～30min时间，生成的中间相组分通过离心作用富集到反应套管下部，开启反应套管底部的电磁阀，中间相组分喷出反应套管进入反应腔室内；
[0011](4)反应腔室内温度设定为300～350℃，中间相组分自发流动汇集到反应腔室锥形底部并且不会进一步大规模引发缩聚反应，随后通过控制反应腔室底部的三通阀，将中间相组分分流到温度300～350℃、压力为1～100mmHg的第一闪蒸罐中，第一闪蒸罐底部产物进入到第一储罐中，得到中间相沥青产品；
[0012](5)交替进行上述步骤(2)和(3)操作2～3次，获得收率30～50％、软化点220～300℃、可连续纺丝万米以上的高品质中间相沥青；
[0013](6)步骤(5)之后反应套管中残留的为各向同性沥青，通过开启反应套管底部电磁阀门和调节反应腔室底部三通阀，将熔融的各向同性沥青产物导流到温度300～350℃、压
力为1～100mmHg的第二闪蒸罐中，进而在第二闪蒸罐下部得到软化点200～280℃可纺各向同性沥青，并进入到第二储罐中，得到各向同性沥青产品。
[0014]本专利技术中，反应套管、旋转伸缩装置、反应腔室组成一体化离心式反应分离装置，兼具高速旋转和倾斜伸缩功能，实现旋转缩聚和倾斜分离的自如交替操作，同时解决了中间相制备过程中物料受热不均匀、过度缩聚的问题和初生中间相产物难以及时分离的难题。
[0015]本专利技术步骤(2)中通过控制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备高品质中间相沥青联产可纺各向同性沥青的反应系统，其特征在于，所述反应系统包括反应套管、旋转伸缩装置、反应腔室、闪蒸罐和产品储罐；所述反应套管、旋转伸缩装置和反应腔室组成离心式反应分离装置；所述反应套管竖向置于反应腔室内，反应腔室的锥形底部通过三通阀与两个闪蒸罐相连通，闪蒸罐底部分别与产品储罐相连通；所述反应套管安装在旋转伸缩装置上，反应套管底部连接电磁阀门；所述反应腔室为密封状态，顶部设有电机、压力表、抽真空接口和惰性气体置换接口；所述旋转伸缩装置在电机的驱动下实现反应套管的高速旋转，同时可调节反应套管和旋转中轴呈现出不同的倾斜度。2.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述旋转伸缩装置位于反应腔室中上部的中心；所述旋转伸缩装置中，包括与电机相连的转轴杆和水平固定在转轴杆上的伸缩杆，所述反应套管固定连接在伸缩杆的端部，伸缩杆调节反应套管和旋转中轴呈现出不同的倾斜度，同时电机驱动转轴杆带动反应套管实现高速旋转。3.根据权利要求2所述的反应系统，其特征在于，所述伸缩杆的中部固定在转轴杆上，伸缩杆沿水平方向双向伸缩；所述反应套管成对对称固定连接在伸缩杆的两端。4.根据权利要求3所述的反应系统，其特征在于，所述反应套管具有2n个，n＝1～4，等高平均分布在转轴杆周围；所述伸缩杆并列设置有1
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3个，同时与反应套管连接，增加稳固性；优选为至少2个，连接在反应套管的上、中、下部中的至少两处。5.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，反应套管底部电磁阀门上方安装有电阻传感器，当监测到电阻突升时，自动关闭电磁阀门并恢复反应套管竖直状态。6.一种制备高品质中间相沥青联产可纺各向同性沥青的方法，该方法在权利要求1
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5任一所述的制备高品质中间相沥青联产可纺各向同性沥青的反应系统中进行，其特征在于，包括以下具体步骤：(1)将原料油加入到反应套管中，调节反应套管呈现竖直状态，密封反应腔室，并通过抽真空和鼓入惰性气体置换反应腔室里的空气；(2)开启电机，转速为1000～5000...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄斌，刘东，师楠，温福山，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：