本发明属于煤沥青基碳材料领域，具体涉及一种中温煤沥青制备中间相炭微球的装置及方法。
背景技术：
沥青类化合物热处理时，发生热缩聚反应生成具有各向异性的中间相小球体，把中间相小球从沥青母体中分离出来形成的微米级球形碳材料就称为中间相炭微球。中间相炭微球是一种新型功能材料，是在稠环芳烃化合物的炭化过程中形成的一种盘状向列液晶结构，具有良好的化学稳定性、高强度、高的比表面积、高吸附能力、易石墨化、热稳定性好以及优良的导电和导热性等，是制备高性能炭材料的优质前驱体，拥有着广阔的应用及发展前景。
由于中间相炭微球具有优良的性能，是一种理想的锂离子电池负极材料。目前，以煤焦油沥青为原料制备生产中间相炭微球的方法主要有直接法和间接法，直接法即为直接热缩聚法，这种方法的优点是工序简单、条件易于控制，易实现连续生产，缺点是小球易融并，且尺寸分布宽，形状和尺寸不均匀，收率低，若通过保留体系中一次喹啉不溶物或添加外加剂而提高收率，则这些物质会影响中间相炭微球的最终性能。间接法包括乳化法和悬浮法，通过间接法制备出来的中间相炭微球尺寸分布较窄，内部轻组分含量低，杂质较少，缺点是工艺复杂繁琐，中间相炭微球必须经不熔化处理，且制备过程中存在困难，工业化前景暗淡。
目前，工业上常用的制备中间相炭微球的方法是直接热缩聚法，但是在煤沥青基中间相炭微球的工业化生产过程中，普遍存在工序复杂、不易操作、效率低、收率低、生产成本高的现象，炭微球分离不干净导致产品表面粗糙，质量差。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种中温煤沥青制备中间相炭微球的装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种中温煤沥青制备中间相炭微球的装置，包括反应釜、洗涤釜、过滤釜和干燥釜，还包括氧化釜和蒸馏塔，反应釜上部设置有质量流量计和取样器，反应釜底部与洗涤釜顶部通过管线相连，洗涤釜下部与过滤釜下部通过管线相连，过滤釜中部通过管线与蒸馏塔相连，过滤釜底部与干燥釜顶部相连，干燥釜底部与氧化釜上部相连，氧化釜上部设置有空气进气管，中间相炭微球成品从氧化釜底部产出，洗涤溶剂从蒸馏塔顶部产出，一部分通过管线进入洗涤釜上部，一部分通过管线进入过滤釜下部，二次煤沥青从蒸馏塔底部产出与原料中温煤沥青混合制备原料煤沥青。
所述取样器包括取样管道、取样阀和取样勺，取样管道上设置有尾气阀和氮气阀，取样勺一端与取样勺手轮相连，取样勺手轮设置在取样管道外侧，取样阀与取样阀手轮相连。
过滤釜内设置有过滤盘，过滤盘上有滤网，过滤釜中部两侧设置有氮气进气管，过滤釜内设置有“l”型空心管，空心管一端穿过过滤盘和滤网与过滤釜顶部相连，空心管另一端与蒸馏塔相连。
一种中温煤沥青制备中间相炭微球的方法，包括以下步骤：（1）原料煤沥青的制备:将提取中间相炭微球后的二次煤沥青与中温煤沥青按1：（2～5）的质量比例混合，获得喹啉不溶物含量为1～6%的原料煤沥青；
（2）热缩聚反应：将原料煤沥青通过质量流量计计量后加入反应釜中进行热缩聚反应，温度加热到400℃以后，每隔0.5小时用取样器取样检测中间相炭微球颗粒度，颗粒度达到目标颗粒度后停止反应，所得产物为炭微球母液，反应参数如下：搅拌速率：70～100r/min，升温速率：50～60℃/h，反应温度：450～460℃，恒温时间：2～5h，压力为常压；
（（3）中间相炭微球的洗涤：将炭微球母液加入洗涤釜中，然后加入洗涤溶剂进行洗涤，所述洗涤溶剂的体积为炭微球母液的2～6倍，洗涤参数如下：搅拌速率：70～100r/min，洗涤温度：140～150℃，洗涤时间：2～4h；
（4）中间相炭微球的分离：将洗涤后的炭微球母液加入过滤釜中进行分离，滤网上获得中间相炭微球，滤液进入蒸馏塔中，当中间相炭微球在滤网上形成一定厚度后，停止过滤，加入洗涤溶剂循环洗涤中间相炭微球，一定时间后，停止洗涤，然后开启氮气阀门吹扫，将中间相炭微球吹离滤网，分离参数如下：过滤温度：140～150℃，滤网上中间相炭微球的厚度：20～30mm，洗涤时间：20～30min，氮气压力：0.7～1.0mpa；
（5）中间相炭微球的干燥：将来自过滤釜中的中间相炭微球加入干燥釜中干燥，干燥参数如下：干燥温度：300～350℃，干燥时间：2～5小时；
（6）中间相炭微球的氧化：将中间相炭微球装入氧化釜中，通入空气进行氧化处理，获得中间相炭微球，氧化参数如下：氧化温度：300～350℃，空气流量：2～5m³/min，氧化时间：1～5h；
（7）洗涤溶剂和二次煤沥青的回收：将来自步骤（4）中的滤液加入蒸馏塔中，回收的洗涤溶剂循环用于中间相炭微球洗涤，回收的二次煤沥青用于与中温煤沥青混合制备中间相炭微球原料煤沥青，回收参数如下：回收温度：300～360℃，塔顶压力：0.6～1kpa，塔底压力：3～5kpa。
所述洗涤溶剂为优质洗油。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）采用二次沥青与外购中温煤沥青混合作为炭微球生产原料，提高了沥青的利用率，炭微球的收率在30～45%，较现有技术提高5～10%；
（2）反应釜中设置取样器装置，定期取样观察炭微球颗粒度情况，实现了对炭微球颗粒度的精准控制；
（3）本发明采用优质洗油为溶剂，优质洗油对煤沥青的溶解性较高，洗涤更干净，更有利于后续炭微球的分离，利于提高炭微球表面光滑度，大大提高产品性能等级；
（4）炭微球分离所用的过滤釜，集炭微球过滤与循环洗涤于一体，简单易操作，较现有技术分离更彻底干净，产品表面更加光滑，分离效率更高，较现有技术提高50～60%；
（5）本发明对炭微球进行氧化处理，使炭微球表面更加光滑，比表面积较现有技术产品降低5～10%，减少了其用作锂离子电池负极时副反应的发生，提高了材料性能。
附图说明
图1为本发明的生产装置结构示意图。
图2为本发明的反应釜取样器结构示意图。
图3为本发明的对比例制备中间相炭微球的扫描电镜照片。
图4为本发明的实施例1制备中间相炭微球的扫描电镜照片。
图5为本发明的实施例2制备中间相炭微球的扫描电镜照片。
图6为本发明的实施例3制备中间相炭微球的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
对比例
将原料煤沥青加入反应釜中进行热缩聚反应，反应结束后将反应后的煤沥青和炭微球的混合物即炭微球母液，注入到洗涤釜中，然后加入普通洗油进行洗涤。洗涤结束后，将洗涤后的炭微球母液加入过滤机中，通入氮气加压过滤进行分离，滤布上获得中间相炭微球，滤液进入蒸馏塔中回收普通洗油和二次沥青，普通洗油注入到洗涤釜中循环使用。当炭微球在滤网上形成一定厚度后，停止过滤，炭微球虑饼通过卸料阀进入干燥器中干燥，得到中间相炭微球成品，产品图见图3。
该例为对比例，使用普通洗油，未将洗油加入过滤釜中循环洗涤，且没有通过氧化釜对产物进行氧化处理，由此与之后的实施例进行对比，可直观的说明本发明的改进可以明显提高中间相炭微球的质量。
实施例1
如图1所示，本发明中温煤沥青制备中间相炭微球的装置，包括反应釜3、洗涤釜4、过滤釜5、干燥釜9、氧化釜11和蒸馏塔10，反应釜3上部设置有质量流量计1和取样器2，反应釜3底部与洗涤釜4顶部通过管线相连，洗涤釜4下部与过滤釜5下部通过管线相连，过滤釜5内设置有过滤盘8，过滤盘8上有滤网6，过滤釜5中部两侧设置有氮气进气管，通过氮气加压过滤进行分离，过滤釜5内还设置有“l”型空心管7，空心管7一端穿过过滤盘8和滤网6与过滤釜5顶部相连，空心管7另一端与蒸馏塔10相连，优质洗油自过滤釜5底部的优质洗油入口进入过滤釜5，穿过过滤盘8上的滤饼后通过空心管7进入蒸馏塔10进行回收优质洗油，过滤釜5底部与干燥釜9顶部相连，干燥釜9底部与氧化釜11上部相连，氧化釜11上部设置有空气进气管，中间相炭微球成品从氧化釜11底部产出，通过过滤釜5的空心管7进入蒸馏塔10中的过滤液经过蒸馏塔10蒸馏，蒸馏塔10顶部的优质洗油通过管线一部分进入洗涤釜4上部，一部分进入过滤釜5下部，从底部出来的二次煤沥青与外购中温煤沥青混合制备原料煤沥青。
如图2所示，取样器包括取样管道15、取样阀16和取样勺18，取样管道15上设置有尾气阀12和氮气阀13，取样勺18一端与取样勺手轮14相连，取样勺手轮14设置在取样管道15外侧，取样阀16与取样阀手轮17相连。
取样器在使用时，打开尾气阀12和氮气阀13，往取样管道15中充入氮气，然后旋转取样阀手轮17打开取样阀16，然后旋转取样勺手轮14，使取样勺18下降伸入到反应釜内取样，完毕后，旋转取样勺手轮14，使其上升离开反应釜，当其到达取样阀16上方时，旋转取样阀手轮17关闭取样阀16，然后关闭氮气阀13，5分钟后待取样勺18内样品冷却后关闭尾气阀12，继续旋转取样勺手轮14，将取样勺18抽出取样管道15。
中温煤沥青制备中间相炭微球的方法按以下步骤完成：
a、原料煤沥青的制备：将提取中间相炭微球后的二次煤沥青与外购中温煤沥青按1：2的质量比例混合，获得喹啉不溶物含量为2%的原料煤沥青；
b、热缩聚反应：将原料煤沥青通过质量流量计1计量后加入反应釜3中进行热缩聚反应，加热到400℃以后，每隔0.5小时通过取样器2取样检测中间相炭微球的颗粒度，颗粒度达到目标颗粒度后停止反应，获得炭微球母液，反应参数如下：搅拌速率：75r/min，升温速率：50℃/h，反应温度：450℃，恒温时间：2h，压力为常压；
c、中间相炭微球的洗涤：将炭微球母液加入洗涤釜4中，然后加入溶剂优质洗油进行洗涤，优质洗油的体积为炭微球母液的2倍，洗涤参数如下：搅拌速率：70r/min，洗涤温度：140℃，洗涤时间：2h；
d、中间相炭微球的分离：将洗涤后的炭微球母液加入过滤釜5中进行分离，分离温度控制在140℃，滤网6上获得中间相炭微球，滤液自空心管7进入蒸馏塔10中回收优质洗油和二次煤沥青，当中间相炭微球在滤网6上厚度为20mm时，停止过滤，加入优质洗油循环洗涤中间相炭微球，洗涤20min后，停止洗涤，然后打开氮气阀门进行吹扫，将炭微球吹离滤网6，氮气压力为0.7mpa；
e、中间相炭微球的干燥：将来自过滤釜5中的中间相炭微球放入干燥釜9中进行干燥，干燥温度为300℃，干燥时间为2小时；
f、中间相炭微球的氧化：将中间相炭微球装入氧化釜中，通入空气进行氧化处理，氧化温度300℃，空气流量2m³/min，氧化时间1h；
g、优质洗油和二次煤沥青的回收：将来自步骤（d）中的滤液加入蒸馏塔10中，回收的优质洗油循环用于中间相炭微球洗涤，回收的二次煤沥青用于与外购中温煤沥青混合制备中间相炭微球原料煤沥青。回收参数如下：回收温度300℃，塔顶压力0.6kpa，塔底压力3kpa。
所得产品指标如下：
（1）粒度：d50=32.33μm，球径较其他工艺更加均匀（详见图4）；
（2）振实密度：0.89g/cm3，振实密度较其他工艺大0.2—0.5g/cm3；
（3）比表面积：0.88m2/g，炭微球表面更加光滑，比表面积较其他工艺小0.5—1.0m2/g；
（4）挥发分：7.6%，挥发分含量较低，使炭微球后续深加工收率较高，可达90%以上。
实施例2
中温煤沥青制备中间相炭微球的方法按以下步骤完成：
a、原料煤沥青的制备：将提取中间相炭微球后的二次煤沥青与外购中温煤沥青按1：3质量比例混合，获得喹啉不溶物含量为4.6%的原料煤沥青；
b、热缩聚反应：将原料煤沥青通过质量流量计1计量后加入反应釜3中进行热缩聚反应，加热到400℃以后，每隔0.5小时通过取样器2取样检测中间相炭微球的颗粒度，颗粒度达到目标颗粒度后停止反应，获得炭微球母液，反应参数如下：搅拌速率：85r/min，升温速率：55℃/h，反应温度：455℃，恒温时间：3.5h，压力为常压；
c、中间相炭微球的洗涤：将炭微球母液加入洗涤釜4中，然后加入溶剂优质洗油进行洗涤，优质洗油的体积为炭微球母液的3.5倍，洗涤参数如下：搅拌速率：85r/min，洗涤温度：145℃，洗涤时间：3h；
d、中间相炭微球的分离：将洗涤后的炭微球母液加入过滤釜5中进行分离，分离温度控制在145℃，滤网6上获得中间相炭微球，滤液自空心管7进入蒸馏塔10中回收优质洗油和二次煤沥青，当中间相炭微球在滤网6上厚度为25mm时，停止过滤，加入优质洗油循环洗涤中间相炭微球，洗涤25min后，停止洗涤，然后打开氮气阀门进行吹扫，将炭微球吹离滤网6，氮气压力为0.8mpa；
e、中间相炭微球的干燥：将来自过滤釜5中的中间相炭微球放入干燥釜9中进行干燥，干燥温度为330℃，干燥时间为3.5小时；
f、中间相炭微球的氧化：将中间相炭微球装入氧化釜中，通入空气进行氧化处理，氧化温度330℃，空气流量3.5m³/min，氧化时间3h；
g、优质洗油和二次煤沥青的回收：将来自步骤（d）中的滤液加入蒸馏塔10中，回收的优质洗油循环用于中间相炭微球洗涤，回收的二次煤沥青用于与外购中温煤沥青混合制备中间相炭微球原料煤沥青。回收参数如下：回收温度335℃，塔顶压力0.8kpa，塔底压力4.0kpa。
所得产品指标如下：
（1）粒度：d50=30.33μm，球径较其他工艺更加均匀（详见图5）；
（2）振实密度：0.84g/cm3，振实密度较其他工艺大0.2—0.5g/cm3；
（3）比表面积：0.91m2/g，炭微球表面更加光滑，比表面积较其他工艺小0.5—1.0m2/g；
（4）挥发分：7.8%，挥发分含量较低，使炭微球后续深加工收率较高，可达90%以上。
实施例3
中温煤沥青制备中间相炭微球的方法按以下步骤完成：
a、原料煤沥青的制备：将提取中间相炭微球后的二次煤沥青与外购中温煤沥青按1：5的质量比例混合，获得喹啉不溶物含量为6%的原料煤沥青；
b、热缩聚反应：将原料煤沥青通过质量流量计1计量后加入反应釜3中进行热缩聚反应，加热到400℃以后，每隔0.5小时通过取样器2取样检测中间相炭微球的颗粒度，颗粒度达到目标颗粒度后停止反应，获得炭微球母液，反应参数如下：搅拌速率：100r/min，升温速率：60℃/h，反应温度：460℃，恒温时间：5h，压力为常压；
c、中间相炭微球的洗涤：将炭微球母液加入洗涤釜4中，然后加入溶剂优质洗油进行洗涤，优质洗油的体积为炭微球母液的6倍，洗涤参数如下：搅拌速率：100r/min，洗涤温度：150℃，洗涤时间：4h；
d、中间相炭微球的分离：将洗涤后的炭微球母液加入过滤釜5中进行分离，分离温度控制在150℃，滤网6上获得中间相炭微球，滤液自空心管7进入蒸馏塔10中回收优质洗油和二次煤沥青，当中间相炭微球在滤网6上厚度为30mm时，停止过滤，加入优质洗油循环洗涤中间相炭微球，洗涤30min后，停止洗涤，然后打开氮气阀门进行吹扫，将炭微球吹离滤网6，氮气压力为1.0mpa；
e、中间相炭微球的干燥：将来自过滤釜5中的中间相炭微球放入干燥釜9中进行干燥，干燥温度为350℃，干燥时间为5小时；
f、中间相炭微球的氧化：将中间相炭微球装入氧化釜中，通入空气进行氧化处理，氧化温度350℃，空气流量5m³/min，氧化时间5h；
g、优质洗油和二次煤沥青的回收：将来自步骤（d）中的滤液加入蒸馏塔10中，回收的优质洗油循环用于中间相炭微球洗涤，回收的二次煤沥青用于与外购中温煤沥青混合制备中间相炭微球原料煤沥青。回收参数如下：回收温度360℃，塔顶压力1.0kpa，塔底压力5.0kpa。
所得产品指标如下：
（1）粒度：d50=27.62μm，球径较其他工艺更加均匀（详见图6）；
（2）振实密度：0.79g/cm3，振实密度较其他工艺大0.2—0.5g/cm3；
（3）比表面积：0.94m2/g，炭微球表面更加光滑，比表面积较其他工艺小0.5—1.0m2/g；
（4）挥发分：7.5%，挥发分含量较低，使炭微球后续深加工收率较高，可达90%以上。
以上所述为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明整体构思的前提下，本发明还可以做出若干变化和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。