Спосіб одержання термічно розширеного графіту

1 Спосіб одержання термічно розширеного графіту, що включає рідкофазне окислення графіту, промивання, висушування і термообробку, який відрізняється тим, що термообробку здійснюють прямим нагріванням окисленого графіту електричним струмом при переміщенні окисленого графіту та/або принаймні одного електрода 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що на поверхні принаймні одного електрода густина струму перевищує густину струму в будь-якому перерізі шару оброблюваного матеріалу 3 Спосіб за п 1 або за п 2, який відрізняється тим, що термообробку здійснюють під розрідженням 4 Спосіб за будь-яким з вищезазначених пунктів, який відрізняється тим, що після термообробки методом прямого нагрівання і відокремлення газової фази матеріал пропускають через розігріту до 400-1100°С піч в режимі падаючого шару протягом 0,1-10с 5 Спосіб за будь-яким з вищезазначених пунктів, який відрізняється тим, що після термообробки окисленого графіту методом прямого нагрівання і відокремлення газової фази матеріал додатково піддають термообробці прямим нагріванням, приводячи його для цього в контакт з ще одним електродом 6 Спосіб за будь-яким з вищезазначених пунктів, який відрізняється тим, що процес здійснюють з накладанням вібрації на шар окисленого графіту, крізь який пропускають електричний струм О (О Винахід стосується одержання графіту, призначеного переважно для виготовлення футерівок та ущільнень ХІМІЧНИХ агрегатів і труб перекачування агресивних рідин, плавильних тиглів, деталей та вузлів тертя, для застосування в якості загусника масел для одержання мастил та інших виробів, які працюють при високих температурах і в агресивних середовищах Відомий спосіб одержання розширеного графіту, що полягає в обробці графіту сумішшю сірчаної кислоти та окислювача, в якому окислений графіт засипають в мішок з графітової тканини і нагрівають при температурі 700-1000°С протягом 1-2хв в полум'ї пальника (див, наприклад, А с СРСР №767023, кл С01В31/04) Недоліком є велика неоднорідність отримуваного матеріалу, низький к к д процесу та великі витрати праці Під час нагрівання в мішку спочатку розігрівається ЗОВНІШНІЙ шар матеріалу, що сильно ускладнює передачу тепла до решти матеріалу Як наслідок, отриманий матеріал має низьку однорідність, а тепло витрачається в основному не на процес, а на нагрівання стінок печі (і навколишнього простору) і вже обробленого матеріалу, знижуючи к к д процесу Для того ж цей процес характеризується високою трудомісткістю і низькою продуктивністю, оскільки графіт засипається в мішок і висипається після обробки порціями Відомий спосіб одержання спученого графіту, що охоплює окислення графіту з наступним промиванням та висушуванням, спучування на повітрі або в атмосфері інертного газу шляхом раптового 61971 занурення в щільному шарі в піч з температурою до 1500°С (див , наприклад патент ПНР №128947, кл, С01В31/04) Недоліками цього способу є низька однорідність продукту, переривчастість та низький к к д процесу, що пов'язано з передачею тепла до окисленого графіту крізь шар продукту, який має низьку теплопровідність, і веде до втрат тепла Прототипом цього винаходу є спосіб виробництва розширеного графіту (див заявку Японії №57-179620, кл С01В31/04), у ВІДПОВІДНОСТІ ДО якого через сопло впорскується окислений графітовий порошок в полум'я вмонтованого в робочу камеру печі газового пальника Температура в печі підтримується не нижче 1200°С Недоліками прототипу є необхідність подачі газу і пов'язані з цим технологічні проблеми складність відокремлення твердого продукту від газового потоку та низький к к д процесу, пов'язаний з витрачанням значної КІЛЬКОСТІ тепла на нагрівання газу-носія, кладки і стінок печі Задачами цього винаходу є зменшення витрат енергії, інтенсифікація процесу, спрощення технологи, підвищення якості продукту, зменшення габаритів установки Вирішення поставлених задач досягається тим, що в способі, який охоплює рідкофазне окислення графіту, промивання, висушування і термообробку, останню операцію виконують методом прямого нагрівання окисленого графіту (ОГ) електричним струмом за рахунок енергії, яка виділяється в зоні одного або декількох електродів або шарів ОГ між електродами при переміщенні ОГ відносно електродів, або електродів відносно ОГ, або взаємного переміщення ОГта електродів Крім того, принаймні, на поверхні одного струмопідводу густина струму є вищою, ніж в будьякому перетині шару оброблюваного матеріалу Крім того, для зменшення корозійної активності продукту термообробку здійснюють під розрідженням Крім того, після термообробки методом прямого нагрівання окисленого графіту електричним струмом отриманий термічно розширений графіт (ТРГ) пропускають крізь розігріту до 400-1000°С піч в режимі гравітаційно-падаючого шару протягом 0,1-1 Осек Крім того, на шар ОГ, крізь який проходить електричний струм, накладається вібрація Крім того, гази із реакційної зони відводяться у протитечії твердому матеріалу з такого місця в дозаторі або живильнику, де знаходиться щільний шар нетермообробленого ОГ При пропусканні електричного струму крізь шар ОГ здійснюється розігрів матеріалу за законом Ома Q=Ult (1) де Q - тепловиділення в матеріалі при проходженні крізь нього електричного струму, Дж, U - спад напруги в ДІЛЯНЦІ електричного кола, В, t - час проходження струму, с Підвищення температури при цьому для різних ділянок електричного кола є різним і залежить від електричного опору і способу з'єднання провідників між собою I=U/R (2) Q=U2t/R (3) Q=l2Rt (4) При послідовному з'єднанні провідників спад напруги в електричному колі дорівнює сумі спадів напруги на різних ділянках кола, а сила струму є постійною для всього кола При паралельному з'єднанні провідників спад напруги на них є однаковим, а сила струму, що проходить крізь кожний провідник, визначається рівнянням (2) Крізь усі паралельно з'єднані провідники проходить струм, який дорівнює сумі струмів, що проходять крізь паралельні ділянки електричного кола Виходячи з вище наведеного, можна дійти висновку, що при проходженні струму крізь послідовно увімкнуті ділянки електричного кола, яке складають електроди і ОГ, сила струму в них буде одна і та ж Але, оскільки об'ємний електроопір порошку ОГ значно (у 3-20 разів) вище, ніж у монолітних електродів, то, згідно з рівнянням (4) тепловиділення в ОГ в стільки же разів більше, ніж тепловиділення в електродах і, як наслідок, розігрів ОГ буде проходити набагато швидше, ніж розігрів електрода З іншого боку, електроопір однорідного провідника є обернено пропорційним площі його перетину в кожній ДІЛЯНЦІ кола Як наслідок, при ЗМІНІ перетину шару ОГ, крізь який проходить електричний струм, змінюється також тепловиділення в різних його ділянках Максимальне тепловиділення повинно спостерігатися в місцях з мінімальним перетином шару, перпендикулярним напрямку проходження електроструму, тобто там, де буде проходити максимальний струм крізь одиницю площі перетину провідника Тобто, тепловиділення в ОГ є пропорційним густині струму, який проходить крізь матеріал Якщо площа співдотику одного електрода (або кількох електродів, які мають різні потенціали) з ОГ є меншою, ніж будь-який з перетинів шару ОГ, крізь який проходить струм, то густина струму буде мати найбільше значення на межі цього електрода (або електродів) з ОГ, а отже, і тепловиділення на межі ОГ і електрода (електродів) буде набагато (на порядок і більше) більше, ніж в шарі ОГ або в середині електрода При накладенні вібрації на шар ОГ, який знаходиться в зоні проходження електричного струму, між частинками з'являються розриви, що веде в свою чергу до іскроутворення і локальному нагріванню частинок Внаслідок цього ОГ і ТРГ більш рівномірно прогріваються, що веде до більш якісної термообробки їх і підвищенню якості продукту Вібрація шару виникає самочинно в ході спучування ОГ за рахунок газоподібних продуктів процесу спучування, що виділяються при цьому В МІСЦІ найбільшого тепловиділення починається розширення графіту вздовж кристалографічної осі С Продукт розширення має об'ємний опір на порядок вищий, ніж ОГ Як наслідок, при одночасному (паралельному) ПІДВОДІ напруги до ОГ і ТРГ електрострум крізь ТРГ буде на порядок меншим, ніж крізь ОГ Тобто, розширений графіт практично не буде грітися і майже все тепловиділення 61971 буде відбуватися в ОГ, викликаючи його нагрівання і розширення - енергія практично повністю витрачається на основний процес Таким чином, електроенергія в цьому процесі витрачається на основний процес розширення ОГ і майже не витрачається на нагрівання розширеного графіту внаслідок підвищення його електроопору і зниження струму крізь нього при розширенні ОГ При пропусканні струму крізь ОГ порошок розширюється, і його нагрівання зменшується внаслідок збільшення електроопору в ДІЛЯНЦІ, зайнятій ТРГ При цьому слабкий струм крізь нього продовжує проходити, не виконуючи корисної роботи Для продовження процесу терморозширення графіту і зниження енергетичних втрат, пов'язаних з проходженням струму крізь ТРГ, продукт терморозширення необхідно видаляти, а електрод приводити в зіткнення з новою порцією ОГ, пересуваючи ОГ до електрода або електрод до ОГ Це дозволяє зробити процес безперервним і зменшити непродуктивні витрати електроенергії Отримуваний із бісульфату графіту (ОГ) без спеціальної обробки ТРГ за рахунок адсорбції на ньому газоподібних сірковмісних газів, які виділяються в ході його нагрівання, має корозійну активність по відношенню до металів, з якими можуть вступати у взаємодію вироби з нього під час їх експлуатації Здійснення термообробки під розрідженням дозволяє зменшити адсорбцію сірковмісних газів і, таким чином, знизити корозійну активність ТРГ (по відношенню до металів) Крім того, при утворенні розрідження в зоні виникнення електричної дуги остання запалюється з меншими витратами енергії, а за рахунок зменшення енерговитрат на нагрівання газу також дозволяє підвищити температуру оброблюваного матеріалу і за рахунок цього підвищити його якість При термообробці методом прямого нагрівання утворюваний ТРГ може адсорбувати певну КІЛЬКІСТЬ відпрацьованих газів на своїй поверхні Для того, щоб видалити ці гази, необхідно прогріти матеріал в печі при температурі не нижче 400°С Це можна зробити, наприклад, в режимі падаючого шару, тобто коли кожна частинка летить окремо від інших Мінімальна температура обумовлена тим, що при менших температурах для цього вимагається значно більший час обробки Максимальна температура (1100°С) обумовлена тим, що и підвищення веде до непродуктивного збільшення енерговитрат Мінімальний час обробки в падаючому шарі (0,1с) обумовлений тим, що протягом меншого часу при 1100°С частинки не встигають нагрітися до необхідної температури і ефект нагрівання знижується Максимальний час обробки (10с) обумовлений тим, що для збільшення часу обробки необхідно значно збільшити висоту реактора, що в свою чергу, призводить до непродуктивних втрат енергії без поліпшення якості продукту, оскільки цього часу достатньо для десорбції газів з поверхні ТРГ при найнижчій з температур, що заявляються Режим падаючого шару вибрано за простоту і надійність Після термообробки окисленого графіту мето дом прямого нагрівання і відокремлення газової фази матеріал додатково термооброблюють прямим нагріванням, приводячи його для цього у контакт з ще одним електродом, що має потенціал, який відрізняється від потенціалу найближчого до нього іншого електрода Це дозволяє додатково нагріти отриманий в просторі між першим та другим електродами ТРГ (після видалення основної частини газів, що виникли в ході процесу) для видалення адсорбованих на його поверхні газів (які вміщують сірку, пари води, тощо), шкідливих при наступному пресуванні виробів із ТРГ ВІДВІД відпрацьованих газів крізь шар ОГ вибрано для запобігання виносу ТРГ найпростішим способом Процес одержання ТРГ здійснюється таким чином Отримують будь-яким з відомих способів окислений графіт, відмивають його від кислоти і висушують Підключають шар ОГ до джерела струму (змінного однофазного або трифазного, або постійного) таким чином, щоб один або декілька з струмопідводів мали площу співдотику з ОГ значно меншу, ніж перетин шару окисленого графіту, розташованого між електродами, або накладають на шар ОГ, що знаходиться в зоні проходження стуму, вібрацію і здійснюють переміщення ОГ відносно ТОКОПІДВОДІВ або навпаки з одночасним видаленням продукту терморозширення Приклад 1 1кг графіту з розміром частинок 50-5000мкм, що містить 5% золи, поміщають у суміш 0,2кг біхромату калію і 4,8кг сірчаної кислоти (96%), при постійному перемішуванні здійснюють окислення протягом Юхв Потім твердий продукт відокремлюють від розчину , відмивають на фільтрі і висушують протягом 36 годин при температурі 130°С до вологості менше 1 % Певну КІЛЬКІСТЬ отриманого ОГ поміщають в металевий стакан діаметром 100мм і висотою 50мм Висота шару ОГ в стакані дорівнює 45мм До стакана підключають нульовий провід однофазної мережі, роблячи його таким чином струмопідводом Другим токопідводом служить молібденовий електрод діаметром Змм На токопідводи подають різницю потенціалів 220В і після появи електричної дуги поблизу стрижневого електрода (через 0,5-Зс) починають його пересувати відносно окисленого графіту, що міститься у стакані Через 10 секунд подачу струму припиняють і отриманий ТРГ видаляють з поверхні ОГ за допомогою слабкого повітряного потоку В ході досліду лічильником вимірюють КІЛЬКІСТЬ витраченої електроенергії Визначають насипну вагу отриманого матеріалу і загальну масу продукту, розраховують витрати енергії на терморозширення одиниці маси продукТ У з Насипна вага отриманого матеріалу 2,5кг/м , Питомі витрати енергії 0,65кВт год/кг, Продуктивність пристрою 0,25г/с Приклад 2 Окислений графіт, отриманий за прикладом 1, поміщають в залізний стакан діаметром 100мм і висотою 50мм Висота шару ОГ в стакані дорівнює 45мм В шар ОГ на глибину 20мм занурюють два 61971 елеісгроди діаметром Змм, виготовлених з нержавіючої сталі, і підключають до джерела змінного струму напругою 220В Віддаль між електродами 40мм Починається інтенсивне тепловиділення в зоні обох електродів, внаслідок чого в цих місцях утворюється ТРГ Електроди пересуваються по шару ОГ, що супроводжується бурхливим утворенням ТРГ в зоні підводу струму Час досліду 10с При цьому під час проходження процесу біля обох струмопідводів виникають електродугові розряди Отриманий в цьому ДОСЛІДІ продукт відокремлюють від ОГ за допомогою повітряного потоку Насипна вага отриманого матеріалу 2,5кг/м , Питомі витрати енергії 0,65кВт год/кг, Продуктивність пристрою 0,5г/с Приклад З Окислений графіт з прикладу 1 поміщають в бункер тарілчастого живильника Бункер зміщено відносно осі обертання тарілки Скребок і верх тарілки виготовлені з діелектрика (кераміка) Бункер з'єднаний з нульовим проводом, а попереду скребка встановлені три електрода, на які подають напругу 380В трифазної мережі Електроди опущені до тарілки Віддаль між сусідніми електродами - 50мм Крайні електроди розташовані по краях шару ОГ, що виноситься з бункера - 100мм Живильник поміщено в кожух і герметично зв'язано з приймальним бункером, розташованим під скребком Вмикають електродвигун, що обертає тарілку зі швидкістю 2об/хв, і одночасно подають на електроди напругу 380В Матеріал, що розширюється, пересувається вздовж скребка і падає в приймальний бункер Насипна вага отриманого матеріалу 2,5кг/м3, Питомі витрати енергії 0,65кВт год/кг, Продуктивність пристрою 0,6г/с Приклад 4 ОГ оброблюють як в прикладі 3, але при цьому в реакційній зоні за допомогою вакуумного насоса створюють тиск 150мм рт ст Продукт має насипну густину 2,3кг/м3, Питомі витрати енергії 0,75кВт год/кг, Продуктивність пристрою 0,65г/с Приклад 5 ОГ з прикладу 1 поміщають в бункер тарілчастого дозатора (бункер зміщений відносно осі тарілки) Біля бункера, з того боку, куди повинен рухатися матеріал під час обертання тарілки, встановлюють три електрода (підключені до трифазної мережі) таким чином, щоб крайні електроди виступали за межі шару ОГ, що виноситься з бункера В іншому пристрій не відрізняється від того, що описаний в прикладі 3 Вмикають двигун дозатора і одночасно підводять до електродів напругу 380В бід трифазної мережі Утворюваний ТРГ рухається до скребка, вздовж скребка і звалюється в приймальний бункер Продукт має насипну густину 2,5кг/м3, Питомі витрати енергії 0,65кВт год/кг, Продуктивність пристрою 0,6г/с Приклад 6 ОГ з прикладу 1 поміщають в бункер шнекового живильника, вихід з котрого виконаний у вигляді керамічної трубки Бункер підключають до нульового проводу двофазної електричної мережі на 220В, а до виходу з шнекового живильника підво 8 дять молібденовий електрод діаметром Змм, який підключений до фазового проводу Уся система загерметизована Зверху є трубка для видалення при роботі установки газів, що утворюються, а знизу - трубка, яка проходить через електропіч опору, яка розігріта до 1000°С, і на КІНЦІ має приймальний бункер При включенні живильника та одночасному підключенні напруги до електродів в шарі ОГ заявляється електрична дуга Утворений при цьому ТРГ падає під дією сили ваги донизу, проходить крізь розігріту трубку за три секунди (в режимі гравітаційно-падаючого шару) та збирається в приймальному бункері Продукт має насипну густину 2,5кг/м3, Питомі витрати енергії 5,2кВт год/кг, Продуктивність пристрою 0,25г/с Приклад 7 Окислений графіт з прикладу 1 поміщають в бункер тарілчастого живильника, який зміщено відносно осі обертання тарілки На виході з живильника розташована кварцова трубка довжиною 100мм, в якій на вході і виході розташовані два відрізки мідних трубок довжиною 40мм і 10мм з таким же внутрішнім діаметром, як у кварцової трубки МІДНІ трубки підключені до електричної мережі на 220В Кварцова і мідна трубки з'єднані між собою жорстко, а до дозатора під'єднані гнучким діелектричним шлангом Вихідний отвір трубки розташований нижче вхідного Кут нахилу трубки до горизонту складає 20 градусів Трубка з'єднана з вібратором, що дозволяє здійснювати віброзріджування і вібротранспортування ОГ Після ввімкнення дозатора з одночасним ввімкненням вібратора і подачі напруги на МІДНІ трубчасті струмопідводи ОГ починає поступати у кварцову трубку і замикає електричне коло між мідними електродами В результаті останнього, а також внаслідок вібрації шару ОГ, виникає електричний струм крізь порошок, іскроутворення і розігрів ОГ та перетворення його в ТРГ ТРГ зсипається у приймальний бункер, а відпрацьовані гази уходять вгору і через систему очищення викидаються в атмосферу Продукт має насипну густину 2,3кг/м3, Питомі витрати енергії 0,65кВт год/кг, Продуктивність пристрою 0,65г/с Приклад 8 Дослід виконували, як в прикладі 6, але ВІДВІД відпрацьованих газів здійснювали із шнекового живильника, створюючи в ньому розрідження порядку 5-20мм вод ст За рахунок цього відпрацьовані гази фільтруються крізь шар порошку і на виході винесений ТРГ є відсутнім Продукт має насипну густину 2,4кг/м3, Питомі витрати енергії 5,2кВт год/кг, Продуктивність пристрою 0,25г/с Приклад 9 (прототип) ОГ, отриманий, як в прикладі 1, рівномірно подавався в сопло газового пальника Розігріваючись у факелі матеріал розширювався і потрапляв у керамічну теплоізольовану трубу довжиною 1м і діаметром 48мм На виході із труби продукт відокремлювався від газового потоку за допомогою рукавного фільтру Температура в трубі складає 1200°С 61971 Продую" має насипну густину 4,5кг/м , Питомі витрати енергії 10кВт год/кг, Продуїсгивність пристрою 0,2г/с Для визначення корозійної активності ТРГ 10г 10 матеріалу промивали ЮОмл дистильованої води і визначали рН отриманого розчину Дані наведені в таблиці 1 Таблиця 1 № прикладу 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (прототип) рН водної витяжки 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 6,9 4,7 4,7 3,5 Були проведені експерименти за прикладом 6, але при цьому варіювали висоту частини реактора, що обігрівалася (труби, вміщеної у піч) і температуру Дані наведені в таблиці 2 Таблиця 2 Температура реактора, °С 300 400 600 1100 Час обробки, с 10 10 10 3 3 0,1 0,03 Насипна вага про- Питомі витрати енергії, дукту, м3 кВт год/кг 2,5-4,0 4,7 2,5-4,0 4,9 2,5-4,0 5,2 2,5-4,0 5,0 2,0-2,8 6,6 2,4-4,0 5,8 2,4-4,0 5,0 Здійснювати нагрівання вище 1100°С є недоцільним через різке зростання витрат енергії без підвищення якості продукту Скорочення часу обробки ТРГ в гравітаційно-падаючому шарі менше 0,1с є недоцільним через відсутність підвищення якості продукту в цьому випадку Зниження температури обробки в падаючому шарі нижче 400°С не дозволяє за час польоту частинок здійснити десорбцію газів з поверхні продукту, а збільшення часу обробки призводить до різкого збільшення висоти установки Нагрівання ТРГ між другим і третім (додатковим) електродами призводить до отримання результату, аналогічному нагріванню в падаючому шарі при температурі 1100°С, але потребує набагато менших енерговитрат і є простішим у виконанні Об'єм реакційної зони разом з теплоізоляцією установки прототипу є значно (в десятки разів) більшим, ніж у будь-якої з установок, що реалізують технічне рішення, що пропонується Крім того, у прототипі ускладнюється виділення твердого Комп'ютерна верстка О Гапоненко рН водної витяжки продукту 4,5 4,6 5,9 5,8 6,9 5,9 4,5 продукту через те, що виникає необхідність відокремлювати його від потужного газового потоку, який до того ж подрібнює продукт, що веде до зниження якості останнього З наведених даних видно, що для отримання однакових характеристик продукту терморозширення, запропонований спосіб потребує значно менше витрат енергії для свого здійснення і дозволяє спростити процес за рахунок спрощення системи енергопостачання установки, відокремлення і вловлювання продукту Накладання вібрації на шар ОГ, крізь який пропускають електричний струм дозволяє підвищити якість продукту і знизити теплове навантаження на електроди Здійснення додаткового нагрівання ТРГ в режимі гравітаційно-падаючого шару, або в додатковому міжелектродному проміжку дозволяє при незначному ускладненні процесу та невеликому збільшенні витрат енергії різко підвищити якість продукту Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119