专利名称：高闪点沥青的间歇制备方法
技术领域：
本发明涉及沥青制造领域。更具体而言，本发明涉及一种制备软化点为约90℃而闪点超过270℃的沥青的方法。
背景技术：
碳和石墨体是多孔的，并且许多这类产品要求在石墨化以降低孔隙率并提高最终产品强度之前用沥青浸渍烘焙过的坯料。这类物体的实例为石墨电极，所述石墨电极用于钢铁工业中以熔融用于在电弧炉中形成钢铁的金属和其他组分。沥青，如本发明的沥青典型地是由煤衍生物如煤焦油制备的。沥青的制备方法在例如theEncyclopedia of Chemical Technology，Kirk-Othmer，23卷679-717页中有所描述，在此引入其内容作为参考。
煤焦油沥青是几百种化学物质的混合物。多数为直链烃，有些包含其它元素如硫或氮。该化合物是高度芳香性的(即环状的)。分子量在大约300至超过1000范围内变化。
碳化电极典型地在高温下用液体沥青浸渍以降低沥青粘度。传统上在高压下与沥青浸渍剂接触之前，还将电极预热到高温。浸渍后，冷却电极以使浸渍剂固化。在沥青浸渍到碳化的或石墨体内之后，坯料一般要进行再烘焙以使该浸渍剂碳化。
制备沥青的常规方法是在间歇釜中加热煤焦油进料直至软化点达到要求值——对于浸渍沥青为约90℃，对于各种粘合剂沥青的更高。沥青的最终闪点一般为245-265℃，是通过Cleveland开口杯试验(Cleveland Open Cup test)测定的。
授予Lewis的美国专利5,501,729公开了由下述方法制备的沥青型浸渍剂，所述方法包括形成基本不含固体的Q.I.小于1％的沥青的液体溶液。
授予Lewis的美国专利5,534,133公开了一种连续方法，用于处理含有Q.I.固体的液体焦油以提供具有提高了的Q.I.浓度的液体焦油产品并同时提供不含Q.I.的液体焦油产品。
授予Romine的美国专利4,931,162公开了一种制备纯净蒸馏沥青和/或中间相沥青的方法，所述沥青用于制备碳纤维。该专利的沥青是通过从芳族进料坯料中蒸馏出不合中间相成形树脂的蒸馏物而获得的。加热该蒸馏物以得到均热(heat soaked)的蒸馏物，并进一步通过惰性气体喷射加热将其转化为中间相沥青。
授予Orac等人的美国专利5,843,298公开了一种用于转化含有Q.I.颗粒的煤焦油的方法，该方法产生基本不含Q.I.煤焦油的沥青和分离的含Q.I.煤焦油的沥青。
授予Kalback的美国专利5,198,101公开了一种制备中间相沥青的方法，该方法包括加热进料的同时使非氧化喷射气体如氮气通过该进料。
授予Romine的美国专利5,730,949公开了一种制备含有金属的各向异性沥青产品的方法，该方法包括一个均热步骤，优选通过气体喷射进行。
授予Fu等人的美国专利4,999,099公开了一种制备中间相沥青的方法，该方法包括加热含碳进料同时使反应性喷射气体通过该进料。
授予Lewis等人的美国专利5,688,155公开了石墨电极，该电极包括用作粘合剂和/或浸渍剂的不良石墨化沥青基体材料。
附图简述
图1是显示在本发明实施例1所述的蒸馏过程期间沥青软化点与除去的馏出物的重量％的关系图。
图2是显示关于本发明实施例1所述的沥青样品的沥青闪点与沥青软化点的关系图。
发明概述本发明的一个目的是制备软化点为约90℃而闪点超过约270℃的沥青。
本发明的另一个目的是提供一种制备沥青的方法，该方法能使沥青的闪点以显著高于软化点上升速率的速率上升(两倍或更快的速率)。即闪点的上升速率是软化点上升速率的两倍。
在说明书中清楚地说明了这些及其他通过本发明实现的目的。
本发明的一个实施方案是一种制备沥青的方法，该方法包括加热一批料直至变为软化沥青；保持煤焦油批料的温度处于基本稳定的水平；并引入喷射气体同时保持批料的温度处于基本稳定的水平。本发明的该实施方案可有效制备粘合剂沥青、浸渍沥青或两者。
本发明的另一个实施方案是一种通过下列步骤制备沥青浸渍剂的方法，所述步骤为加热煤焦油批料至高温得到约为70-75℃的软化点；并保持所述温度处于稳定水平同时将蒸汽或喷射气体的气流引入到批料中直至批料的软化点达到约90℃并且闪点至少为约270℃。闪点是通过Cleveland开口杯试验测定的。
另外，本发明的另一个实施方案是一种用于碳或石墨体的沥青(粘合剂或浸渍沥青)，为煤焦油沥青形式，软化点为约90℃(+/-约6°，更优选+/-约2°)并且闪点高于约270℃。闪点是通过Cleveland开口杯试验测定的。最后，包括在本发明范围内的是根据本发明方法制备的浸渍和粘合剂沥青。
发明详述制备石墨体时，在某些情况下要求用沥青浸渍石墨体以提高强度和密度。对于所制备的用于钢铁工业的石墨电极确实如此。在钢铁工业上使用沥青以在电弧炉中熔融用于形成钢铁的金属和其他组分。熔融金属所需的热是通过使电流通过至少一个电极，通常为三个，并在电极与金属之间形成电弧而产生的。
此处公开的制备沥青的方法可用于制备粘合剂沥青以及浸渍沥青。粘合剂沥青典型地用于由焦炭颗粒形成电极或其他石墨。浸渍沥青典型地用于填充成形及碳化体中的孔隙。
有些浸渍方法要求浸渍沥青的软化点为约90℃并且闪点高于约270℃。软化点是通过Mettler方法，ASTM D 3104-99测定的。闪点是通过Cleveland开口杯试验，ASTM D 92-98a测定的。高闪点是有利的，因为它可改进安全操作。
如上所述，本发明的一个实施方案是制备可用作浸渍沥青的沥青的方法。该实施方案包括在间歇釜中加热煤焦油批料直至达到“软化沥青”具有约70-75℃软化点的一致性，然后保持煤焦油的温度处于一个稳定水平。至少在保持煤焦油的温度处于一个稳定水平时引入喷射蒸汽或喷射气体。
煤焦油在室温一般为液体。随着通常在间歇釜(通常为立式圆筒形容器，配有加热线圈)中进行的加热，较低沸点的馏分逐渐被蒸走。随着这一过程的进行，软化点和闪点逐渐升高。煤焦油批料变成“软沥青”，并最终变为“硬沥青”。软沥青一般是软化点为约40℃-约80℃的沥青。软沥青有市售。
适于本发明的煤焦油可由不同的制造商供应并且在市场上是作为制造冶金焦炭的副产物供应的。
喷射是通常用于沥青制备的一种技术，并且一般涉及这样一种技术，即其中沥青在密闭容器内部被加热，同时蒸汽或其他气体通过该沥青。
在本方法的一个实施方案中，在第一加热步骤中，首先将煤焦油批料加热直至变为软沥青，继续加热直至软沥青获得约60℃-约85℃，优选约70℃-约75℃的软化点。任选在此第一加热步骤期间将喷射气体引入到该批料中。在此第一加热步骤的一个优选实施方案中，如果使用喷射气体，则喷射气体为蒸汽。或者，喷射气体可以是惰性气体如氮气。
在另一个优选的实施方案中，批料在诸如罐或釜等容器中被加热到约260℃-约270℃的温度。一旦该批料达到了要求温度，则保持该温度(即温度基本保持恒定)。可能需要向反应容器中输入热以弥补热损失和蒸发热。但是，在容器中对批料施加的热应该控制为保持批料温度基本恒定。优选将温度保持在约255℃-约275℃，更优选为约260℃-约270℃。最优选温度变化小于约10℃。
一般而言，保持温度直至沥青软化点达到要求值，优选为约90℃加或减2℃。但是，本领域普通技术人员可以获得不同的软化点以适应所需应用。因此，本发明的方法不必是时间控制的，但可认为是更多性能控制的。
在将温度保持在一个恒定水平期间，将喷射气体吹入煤焦油液体中。该喷射气体可以是蒸汽或惰性气体。当喷射气体为惰性气体时，可以使用任何已知的用于喷射煤焦油的气体。例如喷射气体可以是氮、氦、氖、氩、蒸汽或其混合物。
在本发明方法的一个实施方案中，在保持步骤中，保持温度在，优选为约260℃-约270℃的稳定水平直至容器中沥青的软化点达到约90℃。在一个优选的实施方案中，通过Cleveland开口杯试验测定的煤焦油批料的闪点高于约270℃，此时釜中产物的软化点仍然达到90℃。更优选闪点高于约280℃。
在本发明的条件下，容器中材料闪点的上升速率大于软化点的上升速率。更优选当使用本发明方法时，闪点的上升速率大约两倍于软化点的上升速率。典型地，本发明方法将产生闪点为约280℃-约300℃的沥青。
本发明的另一个实施方案是一种制备用于碳或石墨体的沥青浸渍剂的方法，该方法包括加热煤焦油批料至一定温度以得到约70℃-75℃的软化点；然后保持该温度在一个稳定水平，同时将喷射气体引入到批料中。在该实施方案中，煤焦油的软化点达到约90℃，并且煤焦油的闪点达到至少270℃，优选至少280℃。如上所述，本发明包括所得到的用于碳或石墨体的沥青浸渍剂，其软化点为约90℃，并且通过Cleveland开口杯试验测定的闪点高于约270℃，优选至少280℃。
本发明的其他特征在下列实施例中是显而易见的，给出实施例是为了举例说明本发明而非旨在对其进行限制。
实施例1在配有加热套和惰性气体喷射装置的实验室蒸馏烧瓶中由煤焦油样品制备一系列具有连续升高的软化点和升高的闪点的沥青样品。
最初通过用惰性气体喷射将焦油汽提为低软化点(～80℃)沥青。然后喷射该沥青同时保持恒定在300℃以制备一系列软化点最高升至103℃的沥青。
五种沥青的主要性能归纳在表I中。对软化点为91℃的沥青的表征更广泛，因为它接近于理想的浸渍沥青；其试验数据归纳于表II中。图1是软化点值与除去的馏出物wt.％的关系图。图2是闪点与软化点的关系图。
每除去1％馏出物，沥青的软化点(“S.P”)线性升高2℃。软化点每升高1℃，闪点升高2.25℃。
表I 由煤焦油制备的沥青的性能
表II“浸渍沥青”(样品C)的表征数据
实施例2将50吨低固含量煤焦油加入到配有加热线圈和蒸汽喷射套的立式圆筒沥青釜中。首先在不进行蒸汽喷射情况下加热该釜，然后在喷射情况下加热，直至Mettler软化点[ASTM D 3104-99]达到约70℃-75℃。在此点减少输入的热量以保持稳定的温度，但仍以相同的速率继续蒸汽喷射。每小时取样测试Mettler软化点和Cleveland开口杯闪点[ASTM D 92-98a]。当软化点达到90℃时，闪点为275℃。在此点终止试验并将沥青排入槽中。最终产物的软化点为94.7℃，闪点为282℃。后继试验获得了280℃-300℃的闪点。
事先在相同的釜中由相同的煤焦油并使用同时加热和蒸汽喷射的常规方法制备的沥青的软化点为约90℃，闪点为约260℃。
在此提到的所有专利和出版物均特别引入其全部内容作为参考。
上述说明旨在使本领域技术人员能够实现本发明。其不意欲详述技术人员在阅读了本说明书后显而易见的所有可能的修改和变化。但是它旨在将所有这些修改和变化包含在由以上说明书可见的及另外在下面权利要求中限定的本发明的范围内。权利要求意欲覆盖所述的所有成分和以任意排列或顺序进行的步骤，所述成分和步骤可有效满足本发明的目的，除非上下文中具体指出了相反的情况。
权利要求
1.一种高闪点沥青的间歇制备方法，其包括将软沥青的批料的温度保持在基本稳定的水平，在保持该批料的温度在基本稳定水平的同时引入一种喷射气体。
2.权利要求1的方法，其中该软沥青通过下述步骤制备(1)提供煤焦油的批料；和(2)加热该煤焦油的批料直至该煤焦油的批料变为一种软沥青。
3.权利要求2的方法，其中在步骤(2)中，加热该煤焦油的批料直至其获得约40℃-约80℃的软化点。
4.权利要求2的方法，其中在步骤(2)中，加热该煤焦油的批料直至其获得约260℃-约270℃的温度。
5.权利要求1、2、3或4的方法，其中将该批料的温度保持在约255℃-约275℃。
6.前述权利要求任意一项的方法，其中将该温度保持在基本稳定的水平，温度变化不超过约10℃。
7.前述权利要求任意一项的方法，其中该喷射气体为蒸汽、氮、氩、氦、氖或其混合物。
8.前述权利要求任意一项的方法，其中将该温度保持在基本稳定的水平直至该批料的软化点达到约90℃。
9.前述权利要求任意一项的方法，其中该批料闪点的上升速率比软化点的上升速率快。
10.一种用于碳或石墨体的沥青的制备方法，其包括(1)提供煤焦油的批料并提供一个蒸馏釜；(2)将该批料加入到该釜中；(3)将该批料加热到一个温度以获得约70℃-75℃的软化点；和(4)保持该温度在稳定水平，同时将一种喷射气体引入到该批料中直至Mettler软化点达到约90℃，并且通过Cleveland开口杯试验测定的该批料的闪点为至少约270℃。
11.一种用于碳或石墨体的浸渍或粘合剂沥青，其软化点为约84℃-约96℃，通过Cleveland开口杯试验测定的闪点高于约270℃。
12.权利要求11的沥青，其中该软化点为约9 0℃。
13.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9或10的方法制备的沥青。
全文摘要
一种制备高闪点浸渍沥青的方法，包括将煤焦油加入到间歇釜中；加热煤焦油至软沥青的中间液体状态；保持软沥青的中间温度在稳定水平；并引入喷射气体，同时保持煤焦油的温度基本在稳定水平。本发明方法提供了软化点为约 90℃，闪点超过约270℃的沥青。
文档编号C10C1/16GK1617916SQ02827978
公开日2005年5月18日 申请日期2002年12月3日 优先权日2001年12月10日
发明者T·H·奥拉克 申请人:尤卡碳工业有限公司