CN1676690A - 新型聚丙烯腈原丝流态化预氧炉 - Google Patents

Abstract

本发明的新型聚丙烯腈原丝流态化预氧炉，由布风室、流化床、电加热***、加压气封舱、旋风分离器、调速传动***等部件组成，主要利用球状颗粒活性炭、硅胶、Al₂O₃流态化介质进行传热传质反应，提高聚丙烯腈基碳纤维的预氧化处理效果。本发明具有升温速度快，温度稳定性好，预氧化速度快，预氧化时间短等优点。

Description

新型聚丙烯腈原丝流态化预氧炉

(一)技术领域

本发明属碳纤维技术领域，特别适用于聚丙烯腈原丝的预氧化处理。

(二)背景技术

在聚丙烯腈基碳纤维的生产过程中，聚丙烯腈原丝经过预氧化制得预氧丝，再经过炭化制得碳纤维。其中预氧化是一个非常重要的过程，原丝在该过程中发生复杂的物理和化学变化，是一个传热和传质共同作用的过程，直接关系碳纤维的质量，而且预氧化在全过程中，所占的时间最长、能耗最大，在碳纤维生产过程中，预氧化是制约碳纤维生产的一个重要因素。缩短预氧化时间，就可相应提高产量和降低能耗成本。预氧化过程是放热反应过程，瞬时排走反应热是缩短预氧化时间的关键所在，由于蓄热、过热会造成单纤之间融并，严重时发生断丝，甚至引起火灾，特别是生产大丝束碳纤维时，瞬时带走反应热显得更为重要。

目前国内外预氧化炉型主要有两种，一种是直线式预氧化炉，第二种是热风循环式预氧化炉。直线式预氧化炉采用热风直接加热聚丙烯腈原丝，炉内单层走丝，该炉型简单，热效率较低；热风循环式预氧化炉采用循环热风加热聚丙烯腈原丝，炉内往复走丝，炉型复杂，热效率较高。以上两种炉型均采用气-气传热方式，传热传质效果虽能满足工艺需求，但工艺时间长，温度均匀性低。

(三)发明内容

本发明新型聚丙烯腈原丝流态化预氧炉，其目的在于解决传统聚丙烯腈预氧化炉能耗大，温度均匀性低，预氧化速度慢，生产效率低等不足。

流态化技术是一门研究和处理工业过程中固体颗粒与气相、液相、气液相之间的混合、传质、传热的多相流技术。本发明利用流态化操作过程中颗粒和流体之间的相互作用，传热、传质、床层内温度均匀等特点，以达到解决聚丙烯腈原丝预氧化工艺的苛刻要求。

本发明新型聚丙烯腈原丝流态化预氧炉，由炉体、预布分器、布风板、流态化介质、旋风分离器、加压气封舱、传动机构等组成，其特征为：炉体由钢制板材焊接而成，内部填充保温材料，炉腔内部由布风板分成布风室和流化床两部分，炉腔底部为布风室，布风室下部设置有预布风器、预布风器与布风板间设有加热元件；布风板上部为流化床，内部填充流态化介质，炉腔顶部的流化气收集口，通过管道连接到旋风分离器与排气口，炉腔两头设置有走丝口，走丝口外侧设置加压气封舱。

本发明新型聚丙烯腈原丝流态化预氧炉的流态化介质是球状固体颗粒，它们是Al₂O₃空心球，活性炭颗粒和硅胶颗粒。固体颗粒直径的直径为0.5mm-4.0mm，这三种颗粒既可以单独使用，也可以任意混合使用。这些颗粒在高温气体的吹动下，形成流化床，完成聚丙烯腈原丝的预氧化处理。

本发明新型聚丙烯腈原丝流态化预氧炉，炉腔底部的预布风器采用双层夹套结构，其结构特征是内套为两端封闭的耐热钢管，四周均布小孔，在中部连接进气管，外套为长方体结构，顶部平面上均布出气孔，进气管由外套底部进入，结合部位焊接密封。流化气进入流化床之前，先经过预布风器均匀布风，使得布风室内风压均匀一致。

本发明新型聚丙烯腈原丝流态化预氧炉的布风板采用平板式结构形式，布风板采用耐热钢板，其上均匀分布等径小孔，小孔孔径为0.4mm-2.0mm，开孔率满足均匀布风压降要求。流化气在布风板表面形成均匀风压，保证流化床流态化均匀。

(四)附图说明

本发明的流态化预氧化炉如附图1所示，由传动机构1和8，加压气封舱2和7，炉体3，旋风分离器4，流化气收集口5，排气管6，预布风器进气管9，加压气封舱进气管19，流态化介质10，布风板11，电热元件12，预布风器13，原丝14组成。

预布风器的结构如图2所示，由外套15，内套17，进气管9组成，外套顶部端面有开孔16，内套四周有开孔18。内套小孔总截面积总和大于外套小孔总截面积。

布风板结构如图3所示，板体由耐热钢制成，其上均布等径通孔。

本发明的流态化预氧化炉在工作时，压缩空气一部分由预布风器进气管9通入，进入预布风器，一部分由加压气封舱进气管19，进入加压气封舱。进入预布风器的压缩空气经过内套开孔18和外套开孔16后，压缩空气压力变得均匀，经过均匀化的压缩空气由电热元件12加热至预定温度，然后再经过布风板11均匀进入流化床充当流态化气体，在流态化气体的吹动下，颗粒状流态化介质10沸腾，处于流态化状态，加热原丝14，原丝14由传动机构1和8驱动，流态化气体在炉腔内进行传热传质后，废气从炉体顶部的流化气收集口5汇总到旋风分离器4进行气固分离后，经由排气管6排出，尘埃或散碎粒子回落回炉内，避免空气污染。由加压气封舱进气管19进入加压气封舱2和7的压缩空气形成气体屏障，阻止流态化介质外溢。

(五)具体实施方式

实施例一：

以12K聚丙烯腈原丝进行预氧化为例，制造和应用本发明的具体实施例如下：

利用耐热钢管材和板材焊接钻孔，加工预布风器。内套尺寸φ100×1400，四周钻孔φ3，共计300个；外套尺寸1490毫米×150毫米×150毫米，顶面钻孔φ2，共计300个。

利用耐热钢板钻孔加工布风板，孔径0.8毫米，板厚10毫米，板长1498毫米，板宽198毫米，开孔率1％。

利用钢板和保温材料加工炉体外壳，炉体内腔有效寸1500毫米×200毫米×700毫米，在炉体内腔底部安装预布风器，炉体与进气管外壁密封，在预布风器上方安装电热元件，端部接出炉体并密封，在电热元件上方安装布风板，四周与炉体内腔内壁密封。在布风板上方填充活性炭颗粒，粒径1.5-1.8毫米，高度与进丝口平齐，在炉腔上部安装旋风分离器，在进丝口两侧安装加压气封舱。

当对聚丙烯腈原丝进行流态化预氧化时，由高压风机输送过来的高压空气一部分经过预布风器进气口进入预布风器，经预布风器布风后的空气经过电热元件加热再经布风板进入流态化炉腔内，吹动活性炭粒子处于流态化状态。另一部分高压空气通入炉口两端的加压气封舱，防止炉内沸腾的粒子从走丝口涌出，流态化气体经过炉体顶部旋风离器后分离出小颗粒或活性炭尘埃，经过排气管排出，作为后续流态化炉的流化气或预热冷的高压空气。聚丙烯腈原丝在传动机构带动下，经过流化床被快速加热到预氧化温度，同时预氧化裂解气由流态化气体带走。

经过本发明的预氧化炉处理后，聚丙烯腈原丝在达到相同含氧量的前提下，预氧化时间比传统热风加热预氧化炉加热时间缩短一半以上，生产效率提高一倍以上。

实施例二：

以3K聚丙烯腈原丝进行预氧化为例，制造和应用本发明的具体实施例如下：

利用耐热钢管材和板材焊接钻孔，加工预布风器。内套尺寸φ100×1900，四周钻孔φ3，共计500个；外套尺寸1990毫米×150毫米×150毫米，顶面钻孔φ2，共计500个。

利用耐热钢板钻孔加工布风板，孔径1.5毫米，板厚10毫米，板长1998毫米，板宽198毫米，开孔率1.2％。

利用钢板和保温材料加工炉体外壳，炉体内腔有效尺寸2000毫米×200毫米×700毫米，在炉体内腔底部安装预布风器，炉体与进气管外壁密封，在预布风器上方安装电热元件，端部接出炉体并密封，在电热元件上方安装布风板，四周与炉体内腔内壁密封。在布风板上方填充Al₂O₃空心球，粒径3.5-3.8毫米，高度与进丝口平齐，在炉腔上部安装旋风分离器，在进丝口两侧安装加压气封舱。

按照实施例一的方法进行聚丙烯腈原丝预处理。

经过本发明的预氧化炉处理后，3K聚丙烯腈原丝在达到相同含氧量的前提下，预氧化时间比传统热风加热预氧化炉加热时间缩短五分之二以上。

Claims (4)

1、新型聚丙烯腈原丝流态化预氧炉，由炉体、预布分器、布风板、流态化介质、旋风分离器、加压气封舱、传动机构等组成，其特征为：炉体由钢制板材焊接而成，内部填充保温材料，炉腔内部由布风板分成布风室和流化床两部分。炉腔底部为布风室，布风室下部设置有预布风器、预布风器与布风板间设有加热元件。布风板上部为流化床，内部填充流态化介质，炉腔顶部的流化气收集口，通过管道连接到旋风分离器与排气口，炉腔两头设置有走丝口，走丝口外侧设置加压气封舱。

2、根据权利要求书1所述的新型聚丙烯腈原丝流态化预氧炉，其特征为流态化介质是球状固体颗粒，它们是Al₂O₃空心球，活性炭颗粒和硅胶颗粒。固体颗粒直径的直径为0.5mm-4.0mm，这三种颗粒既可以单独使用，也可以任意混合使用。

3、根据权利要求书1所述的新型聚丙烯腈原丝流态化预氧炉，其特征为预布风器采用双层夹套结构，其结构特征是内套为两端封闭的耐热钢管，四周均布小孔，在中部连接进气管，外套为长方体结构，顶部平面上均布出气孔，进气管穿出外套底部，结合部位焊接密封。

4、根据权利要求书1所述的新型聚丙烯腈原丝流态化预氧炉，其特征为布风板采用平板式结构形式，布风板采用耐热钢板，其上均匀分布等径小孔，小孔孔径为0.4mm-2.0mm，开孔率满足均匀布风压降要求。