一种中间相可纺沥青的生产方法及系统与流程

本发明涉及中间相沥青的生产领域，特别涉及一种中间相可纺沥青的生产方法及系统。

背景技术：

中间相沥青是制备高性能沥青基炭纤维、针状焦、c/c复合等高级炭材料的前驱原料。为制取高性能炭材料，一般要求沥青具有杂原子少、灰分含量低、芳香度高、缩合度低以及整齐的分子排列、高的碳收率、较好的流动性等特点。较好的中间相结构的形成还需要有较好的平面度，这是中间相结构的基础；这需要芳烃化合物具有一定的分子量，以提供足够大的范德华力使分子定向排列形成中间相球晶；需要有较低的体系粘度，保证中间相球晶的长大、流动和相溶，并且为了保证反应过程中粘度不会过大，还需要体系缩合反应缓和进行。对于制备高性能炭纤维，对粘度的要求更加苛刻。

目前国内生产中间相可纺沥青原料，大部分采用技术有两种：间歇式聚合技术、薄膜蒸发技术。间歇式聚合技术优点是生产出的产品残碳量比较高，设备投资少；缺点是生产出的产品不稳定，软化点过高，杂原子和灰分杂质比较高，不易纺丝。薄膜蒸发器的工艺流程优点是出生的产品比较稳定，产量高，缺点是设备投资比较大，生产出的产品残碳量低，不易生产高端碳纤维，纺丝效果不理想。因此，生产残碳量高且相对软化点较低的中间相沥青成为主要技术难题。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，提供一种中间相可纺沥青的生产方法及系统，该方法和系统能够制备出残碳量高、软化点相对较低、易纺丝的中间相可纺沥青。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种中间相可纺沥青的生产方法，主要包括以下步骤：

步骤1：预热处理

将改性石油沥青置于预热釜中预热，预热温度为240℃-280℃，预热时间为3-5h；

步骤2：恒温静置

将步骤1预热后的改性石油沥青原料加入到恒温釜中静置，温度为240℃-280℃，静置时间1-4h；

步骤3：蒸馏分离

将步骤2静置好的改性石油沥青原料加入到蒸馏釜中，进行真空蒸馏，蒸馏釜温度逐步升高，由280℃升高到420℃，蒸馏时间为3-5h，即得。

本发明的有益效果是：采用高温真空蒸馏技术，解决中间相沥青可纺性的问题，得到残碳量高，软化点低，杂原子和灰份含量低，具备一定的流动性、易纺丝的中间相沥青。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤1的改性石油沥青是带有烷基侧链的3-8环稠环芳烃化合物和杂环化合物的混合物。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用改性石油沥青，残碳量达到30％以上，与使用残碳量5％的普通沥青相比，能够减少设备投资，减少环境污染。

本发明还提供一种中间相可纺沥青的生产系统，包括预热釜、恒温釜、蒸馏釜、抽取装置和多个加热装置,预热釜的出料口与恒温釜的入料口通过管路连接并连通,恒温釜的出料口与蒸馏釜的进料口通过管路连接并连通，抽取装置与蒸馏釜通过管路连接并连通；预热釜、恒温釜和蒸馏釜均安装有至少一个加热装置。

采用上述系统的有益效果是：工艺简单，设备投资少，不易产生二次污染，残碳量高，软化点相对较低，生产过程安全可靠，没有明火，易操作，加热设备采用电感加热器，无污染。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，预热釜为两个，分别为第一预热釜和第二预热釜，第一预热釜和第二预热釜各安装有至少一个加热装置，第一预热釜的出料口和第二预热釜的出料口分别与恒温釜的进料口通过管路连接并连通。

采用上述进一步方案的有益效果是：保证了第一预热釜和第二预热釜可以同时预热，节省反应时间，从而保证了整个生产过程的连续性。

进一步，抽取装置包括真空计量罐和真空泵,真空计量罐与真空泵通过管路连接并连通,真空计量罐与蒸馏釜通过管路连接并连通。

采用上述进一步的有益效果是：真空泵对真空计量罐和蒸馏釜抽真空，将蒸馏釜中杂质抽至真空计量罐。

进一步，还包括第一控制阀和第二控制阀，第一控制阀安装于第一预热釜和恒温釜之间的管路上，第二控制阀安装于第二预热釜和恒温釜之间的管路上。

采用上述进一步方案的有益效果是：第一控制阀安装于第一预热釜和恒温釜之间的管路上，能够方便控制原料从第一预热釜进入恒温釜；第二控制阀安装于第二预热釜和恒温釜之间的管路上，控制原料由第二预热釜进入恒温釜。

进一步，还包括第三控制阀，第三控制阀安装于恒温釜和蒸馏釜之间的管路上。

采用上述进一步方案的有益效果是：第三控制阀安装于恒温釜与蒸馏釜之间的管路上，能够方便控制原料从恒温釜进入蒸馏釜。

进一步，还包括第四控制阀，第四控制阀安装于蒸馏釜的出料口处。

采用上述进一步方案的有益效果是：第四控制阀安装于蒸馏釜的出料管路上，与蒸馏釜的出料口连接并连通，在工艺过程结束后，控制出料。

进一步，还包括第五控制阀，第五控制阀安装于蒸馏釜与抽取装置之间的管路上。

采用上述进一步方案的有益效果是：第五控制阀连接蒸馏釜的排气孔和真空计量罐之间的管路上，控制抽真空过程。

附图说明

图1为本发明一种中间相可纺沥青的生产系统图。

附图中，各标号所代表的部件如下：

1、第一预热釜，11、第一电感加热器，12、第一温度测试仪，13、第一控制阀，2、第二预热釜，21、第二电感加热器，22、第二温度测试仪，23、第二控制阀，3、恒温釜，31、第三电感加热器，32、第三温度测试仪，33、第三控制阀，4、蒸馏釜，41、第四电感加热器，42、第四温度测试仪，43、第四控制阀，44、排气孔，5、抽取装置，51、第五控制阀，52、真空计量罐，53、真空泵。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

请参阅图1，本发明提供一种中间相可纺沥青的生产系统，包括预热釜、恒温釜3、蒸馏釜4、抽取装置5和多个加热装置,预热釜的出料口与恒温釜3的入料口通过管路连接并连通,恒温釜3的出料口与蒸馏釜4的进料口通过管路连接并连通，抽取装置5与蒸馏釜3通过管路连接并连通；预热釜、恒温釜3和蒸馏釜4均安装有至少一个加热装置。

具体的，如图1所示，加热装置包括电感加热器和温度测试仪。电感加热器用于给装置加热，温度测试仪用于测试反应过程中的温度。电感加热器包括第一电感加热器11、第二电感加热器21、第三电感加热器31和第四电感加热器41。温度测试仪包括第一温度测试仪12、第二温度测试仪22、第三温度测试仪32、和第四温度测试仪42。

第三电感加热器31和第三温度测试仪32分别安装在恒温釜3上；第四电感加热器41和第四温度测试仪42分别安装在蒸馏釜4上。

进一步的，预热釜为两个，分为第一预热釜1和第二预热釜2，第一预热釜1和第二预热釜2各安装有至少一个加热装置，第一预热釜1的出料口和第二预热釜2的出料口分别与恒温釜3的进料口通过管路连接并连通。

具体的，如图1所示，第一电感加热器11和第一温度测试仪12分别安装在第一预热釜1上；第二电感加热器21和第二温度测试仪22分别安装在第二预热釜2上。

第一预热釜1与第二预热釜2同时加料，对原料进行预热。首先，将第一预热釜1中预热好的的原料转入恒温釜3，进行恒温处理；然后，将恒温釜3中处理好的原料转入蒸馏釜4，并将第二预热釜2的原料转入恒温釜3进行恒温静置，保证整个过程的连续性。

进一步的，抽取装置5包括真空计量罐52和真空泵53,真空计量罐52与真空泵53通过管路连接并连通,真空计量罐52与蒸馏釜3通过管路连接并连通。

具体的，原料进入蒸馏釜4后，打开真空泵53对真空计量罐52抽真空，由于蒸馏釜4中蒸馏出的杂质较轻，在压力的作用下，杂质被抽至真空计量罐52中临时储存。

进一步的，还包括第一控制阀13和第二控制阀23，第一控制阀13安装于第一预热釜1和恒温釜3之间的管路上，第二控制阀23安装于第二预热釜2和恒温釜3之间的管路上。

具体的，第一预热釜1中的原料预热处理结束后，通过打开第一控制阀13进入恒温釜3，再经恒温处理进入蒸馏釜4后，打开第二控制阀23，将第二预热釜2中的原料加入恒温釜3，进行恒温静置处理。

进一步的，还包括第三控制阀33，第三控制阀33安装于恒温釜3和蒸馏釜4之间的管路上。

具体的，恒温静置处理结束后，通过打开第三控制阀33进入蒸馏釜4。

进一步的，还包括第四控制阀43，第四控制阀43安装于蒸馏釜4的出料口处。

具体的，蒸馏过程结束后，将第四控制阀43打开，得到产品。

进一步的，还包括第五控制阀51，第五控制阀51安装于蒸馏釜4与抽取装置5之间的管路上。

具体的，打开第五控制阀51，将真空计量罐52和蒸馏釜4连通，通过真空泵53将蒸馏釜4中蒸馏出的杂质抽至真空计量罐52。

以下实施例中使用的改性石油沥青原料均购自富添石油化工发展有限公司。

实施例1：

步骤1：将固态的改性石油沥青原料分别加入第一预热釜1和第二预热釜2各1.5吨，在240℃条件下加热5小时。

步骤2：将第一控制阀13打开，让第一预热釜1中预热好的沥青进入恒温釜3，在恒温釜3恒温静置3小时，温度240℃，在此温度的作用下沥青会分成很多层，较轻的物质浮在上面。

步骤3：打开第三控制阀33，将分层的沥青转入蒸馏釜4，同时打开第五控制阀51和真空泵，对蒸馏釜4中的沥青进行真空蒸馏，蒸馏温度由240℃升到260℃，由于杂质较轻，在蒸馏过程中被抽至真空计量罐52。

第一预热釜1的原料经预热处理恒温处理进入蒸馏釜之后，打开第二控制阀23，将第二预热釜2中预热好的沥青原料转入恒温釜3，然后再次打开第三控制阀33，将第二批恒温静置的沥青原料按体积平均分4次加入蒸馏釜4，在260℃的条件下恒温1小时，然后以每分钟2℃速率继续加热至380℃，再次恒温180分钟，最后打开第四控制阀43，出料，得到1.2吨中间相可纺沥青。

实施例2：

步骤1：将固态的改性石油沥青原料分别加入第一预热釜1和第二预热釜2各1.5吨，在260℃条件下加热4小时。

步骤2：将第一控制阀13打开，让第一预热釜1中预热好的沥青进入恒温釜3，在恒温釜3中恒温静置3小时，温度260℃，在此温度的作用下沥青会分成很多层，较轻的物质浮在上面。

步骤3：打开第三控制阀33，将分层的沥青转入蒸馏釜4，同时打开第五控制阀51和真空泵，对蒸馏釜4中的沥青进行真空蒸馏，蒸馏温度由250℃升到270℃，由于杂质较轻，在蒸馏过程中被抽至真空计量罐52。

第一预热釜1的原料经预热处理恒温处理进入蒸馏釜之后，打开第二控制阀23，将第二预热釜2中预热好的沥青原料转入恒温釜3，然后再次打开第三控制阀33，将第二批恒温静置的沥青原料按体积平均分3次加入蒸馏釜4，在260℃的条件下恒温1小时，然后以每分钟2℃速率继续加热至400℃，再次恒温250分钟，最后打开第四控制阀43，出料，得到1吨中间相可纺沥青。

实施例3：

步骤1：将固态的改性石油沥青原料分别加入第一预热釜1和第二预热釜2各1.5吨，在280℃条件下加热3小时。

步骤2：将第一控制阀13打开，让第一预热釜1中预热好的沥青进入恒温釜3，在恒温釜3中恒温静置1小时，温度280℃，在此温度的作用下沥青会分成很多层，较轻的物质浮在上面。

步骤3：打开第三控制阀33，将分层的沥青转入蒸馏釜4，同时打开第五控制阀51和真空泵，对蒸馏釜4中的沥青进行真空蒸馏，蒸馏温度由240℃升到280℃，由于杂质较轻，在蒸馏过程中被抽至真空计量罐52。

第一预热釜1的原料经预热处理恒温处理进入蒸馏釜之后，打开第二控制阀23，将第二预热釜2中预热好的沥青原料转入恒温釜3，然后再次打开第三控制阀33，将第二批恒温静置的沥青原料按体积平均分3次加入蒸馏釜4，在280℃的条件下恒温0.5小时，然后以每分钟2℃速率继续加热至420℃，再次恒温200分钟，最后打开第四控制阀43，出料，得到1.1吨中间相可纺沥青。

对比例1

步骤1：将上述煤直接液化残渣与煤直接液化过程中产生的ibp-110℃的液化油品进行以1:3体积比一级萃取50min；将一级萃取得到的混合物固液分离，所得到的固体部分与煤直接液化过程中产生的220-260℃液化油品以1:3体积进行二级萃取60min，两级萃取所得的可溶部分经回收溶剂后得到萃取沥青。

步骤2：取200g煤直接液化残渣萃取沥青195ml与600ml正已烷进行混合，置于混合釜中，于40℃用正己烷溶解30min，然后经过滤分离，回收不溶物160g。然后将该不溶物与550ml四氢呋喃进行混合，于混合釜中充分溶解30min，过滤，去除不溶物，得到的可溶物，蒸馏回收四氢呋喃，得到精制沥青156g，其软化点为99℃，灰分0.06％，硫含量为0.23％，碳氢摩尔比为1.15：1。

步骤3：将上述精制沥青置于高温高压反应釜中，在流动的氮气保护下，30分钟内升温至300℃，恒温保持30min。然后，以3℃/min的速率升温至420℃，压力维持在0.3mpa，恒温反应6.5hr。

步骤4：以5℃/min的速率降温至380℃，抽真空至40mbar，维持120min。自然降温至室温，得到中间相沥青110g，收率55％，，分析数据如表1所示。

对比例2

取按对比例1中的步骤1和步骤2得到的精制沥青156g。将上述精制沥青置于高温高压反应釜中，于25分钟内快速升温至250℃，常压下恒温保持30min。然后，以5℃/min的速率升温至415℃，压力维持在3mpa，恒温反应10hr。然后，以5℃/min的速率降温至370℃，抽真空至80mbar，维持150min。自然降温至室温，得到中间相沥青115g，收率57.5％，分析数据如表1所示。

在本发明中，各性能指标测试标准如下：沥青软化点按astmd3104方法测定；中间相含量由偏光显微镜测定；喹啉不溶物按gb/t2293-1997方法测定；残炭值按gb82727-88方法测定；灰分按gb2295-80方法测定。

将原料沥青与实施例中得到的中间相可纺沥青进行对比，得到的结果见表1。

表1沥青参数对照表

由表1的试验数据可以知，本发明由改性石油沥青制备的中间相可纺沥青的残碳量均大于80wt％，且软化点均介于230-240℃之间，灰分和喹啉不溶物的含量均低于0.5％，中间相的含量均在90wt％以上。本发明由改性石油沥青制备的中间相可纺沥青与对比例中从煤直接液化残渣制备的中间相沥青相比，残碳量更高且软化点更低，更有利于纺丝。因此，本发明由改性石油沥青制备的中间相可纺沥青的各项技术指标更符合纺丝、稳定化、炭化的条件要求，可以作为制备高性能碳纤维的前驱体。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。