專利名稱：新型聚丙烯腈原絲流態(tài)化預氧爐的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬碳纖維技術領域，特別適用于聚丙烯腈原絲的預氧化處理。
背景技術：
在聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)過程中，聚丙烯腈原絲經(jīng)過預氧化制得預氧絲，再經(jīng)過炭化制得碳纖維。其中預氧化是一個非常重要的過程，原絲在該過程中發(fā)生復雜的物理和化學變化，是一個傳熱和傳質(zhì)共同作用的過程，直接關系碳纖維的質(zhì)量，而且預氧化在全過程中，所占的時間最長、能耗最大，在碳纖維生產(chǎn)過程中，預氧化是制約碳纖維生產(chǎn)的一個重要因素?？s短預氧化時間，就可相應提高產(chǎn)量和降低能耗成本。預氧化過程是放熱反應過程，瞬時排走反應熱是縮短預氧化時間的關鍵所在，由于蓄熱、過熱會造成單纖之間融并，嚴重時發(fā)生斷絲，甚至引起火災，特別是生產(chǎn)大絲束碳纖維時，瞬時帶走反應熱顯得更為重要。
目前國內(nèi)外預氧化爐型主要有兩種，一種是直線式預氧化爐，第二種是熱風循環(huán)式預氧化爐。直線式預氧化爐采用熱風直接加熱聚丙烯腈原絲，爐內(nèi)單層走絲，該爐型簡單，熱效率較低；熱風循環(huán)式預氧化爐采用循環(huán)熱風加熱聚丙烯腈原絲，爐內(nèi)往復走絲，爐型復雜，熱效率較高。以上兩種爐型均采用氣-氣傳熱方式，傳熱傳質(zhì)效果雖能滿足工藝需求，但工藝時間長，溫度均勻性低。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明新型聚丙烯腈原絲流態(tài)化預氧爐，其目的在于解決傳統(tǒng)聚丙烯腈預氧化爐能耗大，溫度均勻性低，預氧化速度慢，生產(chǎn)效率低等不足。
流態(tài)化技術是一門研究和處理工業(yè)過程中固體顆粒與氣相、液相、氣液相之間的混合、傳質(zhì)、傳熱的多相流技術。本發(fā)明利用流態(tài)化操作過程中顆粒和流體之間的相互作用，傳熱、傳質(zhì)、床層內(nèi)溫度均勻等特點，以達到解決聚丙烯腈原絲預氧化工藝的苛刻要求。
本發(fā)明新型聚丙烯腈原絲流態(tài)化預氧爐，由爐體、預布分器、布風板、流態(tài)化介質(zhì)、旋風分離器、加壓氣封艙、傳動機構等組成，其特征為爐體由鋼制板材焊接而成，內(nèi)部填充保溫材料，爐腔內(nèi)部由布風板分成布風室和流化床兩部分，爐腔底部為布風室，布風室下部設置有預布風器、預布風器與布風板間設有加熱元件；布風板上部為流化床，內(nèi)部填充流態(tài)化介質(zhì)，爐腔頂部的流化氣收集口，通過管道連接到旋風分離器與排氣口，爐腔兩頭設置有走絲口，走絲口外側設置加壓氣封艙。
本發(fā)明新型聚丙烯腈原絲流態(tài)化預氧爐的流態(tài)化介質(zhì)是球狀固體顆粒，它們是Al2O3空心球，活性炭顆粒和硅膠顆粒。固體顆粒直徑的直徑為0.5mm-4.0mm，這三種顆粒既可以單獨使用，也可以任意混合使用。這些顆粒在高溫氣體的吹動下，形成流化床，完成聚丙烯腈原絲的預氧化處理。
本發(fā)明新型聚丙烯腈原絲流態(tài)化預氧爐，爐腔底部的預布風器采用雙層夾套結構，其結構特征是內(nèi)套為兩端封閉的耐熱鋼管，四周均布小孔，在中部連接進氣管，外套為長方體結構，頂部平面上均布出氣孔，進氣管由外套底部進入，結合部位焊接密封。流化氣進入流化床之前，先經(jīng)過預布風器均勻布風，使得布風室內(nèi)風壓均勻一致。
本發(fā)明新型聚丙烯腈原絲流態(tài)化預氧爐的布風板采用平板式結構形式，布風板采用耐熱鋼板，其上均勻分布等徑小孔，小孔孔徑為0.4mm-2.0mm，開孔率滿足均勻布風壓降要求。流化氣在布風板表面形成均勻風壓，保證流化床流態(tài)化均勻。


本發(fā)明的流態(tài)化預氧化爐如附圖1所示，由傳動機構1和8，加壓氣封艙2和7，爐體3，旋風分離器4，流化氣收集口5，排氣管6，預布風器進氣管9，加壓氣封艙進氣管19，流態(tài)化介質(zhì)10，布風板11，電熱元件12，預布風器13，原絲14組成。
預布風器的結構如圖2所示，由外套15，內(nèi)套17，進氣管9組成，外套頂部端面有開孔16，內(nèi)套四周有開孔18。內(nèi)套小孔總截面積總和大于外套小孔總截面積。
布風板結構如圖3所示，板體由耐熱鋼制成，其上均布等徑通孔。
本發(fā)明的流態(tài)化預氧化爐在工作時，壓縮空氣一部分由預布風器進氣管9通入，進入預布風器，一部分由加壓氣封艙進氣管19，進入加壓氣封艙。進入預布風器的壓縮空氣經(jīng)過內(nèi)套開孔18和外套開孔16后，壓縮空氣壓力變得均勻，經(jīng)過均勻化的壓縮空氣由電熱元件12加熱至預定溫度，然后再經(jīng)過布風板11均勻進入流化床充當流態(tài)化氣體，在流態(tài)化氣體的吹動下，顆粒狀流態(tài)化介質(zhì)10沸騰，處于流態(tài)化狀態(tài)，加熱原絲14，原絲14由傳動機構1和8驅(qū)動，流態(tài)化氣體在爐腔內(nèi)進行傳熱傳質(zhì)后，廢氣從爐體頂部的流化氣收集口5匯總到旋風分離器4進行氣固分離后，經(jīng)由排氣管6排出，塵?；蛏⑺榱Ｗ踊芈浠貭t內(nèi)，避免空氣污染。由加壓氣封艙進氣管19進入加壓氣封艙2和7的壓縮空氣形成氣體屏障，阻止流態(tài)化介質(zhì)外溢。
具體實施方式
實施例一以12K聚丙烯腈原絲進行預氧化為例，制造和應用本發(fā)明的具體實施例如下利用耐熱鋼管材和板材焊接鉆孔，加工預布風器。內(nèi)套尺寸φ100×1400，四周鉆孔φ3，共計300個；外套尺寸1490毫米×150毫米×150毫米，頂面鉆孔φ2，共計300個。
利用耐熱鋼板鉆孔加工布風板，孔徑0.8毫米，板厚10毫米，板長1498毫米，板寬198毫米，開孔率1％。
利用鋼板和保溫材料加工爐體外殼，爐體內(nèi)腔有效寸1500毫米×200毫米×700毫米，在爐體內(nèi)腔底部安裝預布風器，爐體與進氣管外壁密封，在預布風器上方安裝電熱元件，端部接出爐體并密封，在電熱元件上方安裝布風板，四周與爐體內(nèi)腔內(nèi)壁密封。在布風板上方填充活性炭顆粒，粒徑1.5-1.8毫米，高度與進絲口平齊，在爐腔上部安裝旋風分離器，在進絲口兩側安裝加壓氣封艙。
當對聚丙烯腈原絲進行流態(tài)化預氧化時，由高壓風機輸送過來的高壓空氣一部分經(jīng)過預布風器進氣口進入預布風器，經(jīng)預布風器布風后的空氣經(jīng)過電熱元件加熱再經(jīng)布風板進入流態(tài)化爐腔內(nèi)，吹動活性炭粒子處于流態(tài)化狀態(tài)。另一部分高壓空氣通入爐口兩端的加壓氣封艙，防止爐內(nèi)沸騰的粒子從走絲口涌出，流態(tài)化氣體經(jīng)過爐體頂部旋風離器后分離出小顆?；蚧钚蕴繅m埃，經(jīng)過排氣管排出，作為后續(xù)流態(tài)化爐的流化氣或預熱冷的高壓空氣。聚丙烯腈原絲在傳動機構帶動下，經(jīng)過流化床被快速加熱到預氧化溫度，同時預氧化裂解氣由流態(tài)化氣體帶走。
經(jīng)過本發(fā)明的預氧化爐處理后，聚丙烯腈原絲在達到相同含氧量的前提下，預氧化時間比傳統(tǒng)熱風加熱預氧化爐加熱時間縮短一半以上，生產(chǎn)效率提高一倍以上。
實施例二以3K聚丙烯腈原絲進行預氧化為例，制造和應用本發(fā)明的具體實施例如下利用耐熱鋼管材和板材焊接鉆孔，加工預布風器。內(nèi)套尺寸φ100×1900，四周鉆孔φ3，共計500個；外套尺寸1990毫米×150毫米×150毫米，頂面鉆孔φ2，共計500個。
利用耐熱鋼板鉆孔加工布風板，孔徑1.5毫米，板厚10毫米，板長1998毫米，板寬198毫米，開孔率1.2％。
利用鋼板和保溫材料加工爐體外殼，爐體內(nèi)腔有效尺寸2000毫米×200毫米×700毫米，在爐體內(nèi)腔底部安裝預布風器，爐體與進氣管外壁密封，在預布風器上方安裝電熱元件，端部接出爐體并密封，在電熱元件上方安裝布風板，四周與爐體內(nèi)腔內(nèi)壁密封。在布風板上方填充Al2O3空心球，粒徑3.5-3.8毫米，高度與進絲口平齊，在爐腔上部安裝旋風分離器，在進絲口兩側安裝加壓氣封艙。
按照實施例一的方法進行聚丙烯腈原絲預處理。
經(jīng)過本發(fā)明的預氧化爐處理后，3K聚丙烯腈原絲在達到相同含氧量的前提下，預氧化時間比傳統(tǒng)熱風加熱預氧化爐加熱時間縮短五分之二以上。
權利要求
1.新型聚丙烯腈原絲流態(tài)化預氧爐，由爐體、預布分器、布風板、流態(tài)化介質(zhì)、旋風分離器、加壓氣封艙、傳動機構等組成，其特征為爐體由鋼制板材焊接而成，內(nèi)部填充保溫材料，爐腔內(nèi)部由布風板分成布風室和流化床兩部分。爐腔底部為布風室，布風室下部設置有預布風器、預布風器與布風板間設有加熱元件。布風板上部為流化床，內(nèi)部填充流態(tài)化介質(zhì)，爐腔頂部的流化氣收集口，通過管道連接到旋風分離器與排氣口，爐腔兩頭設置有走絲口，走絲口外側設置加壓氣封艙。
2.根據(jù)權利要求書1所述的新型聚丙烯腈原絲流態(tài)化預氧爐，其特征為流態(tài)化介質(zhì)是球狀固體顆粒，它們是Al2O3空心球，活性炭顆粒和硅膠顆粒。固體顆粒直徑的直徑為0.5mm-4.0mm，這三種顆粒既可以單獨使用，也可以任意混合使用。
3.根據(jù)權利要求書1所述的新型聚丙烯腈原絲流態(tài)化預氧爐，其特征為預布風器采用雙層夾套結構，其結構特征是內(nèi)套為兩端封閉的耐熱鋼管，四周均布小孔，在中部連接進氣管，外套為長方體結構，頂部平面上均布出氣孔，進氣管穿出外套底部，結合部位焊接密封。
4.根據(jù)權利要求書1所述的新型聚丙烯腈原絲流態(tài)化預氧爐，其特征為布風板采用平板式結構形式，布風板采用耐熱鋼板，其上均勻分布等徑小孔，小孔孔徑為0.4mm-2.0mm，開孔率滿足均勻布風壓降要求。
全文摘要
本發(fā)明的新型聚丙烯腈原絲流態(tài)化預氧爐，由布風室、流化床、電加熱系統(tǒng)、加壓氣封艙、旋風分離器、調(diào)速傳動系統(tǒng)等部件組成，主要利用球狀顆粒活性炭、硅膠、Al
文檔編號D01F9/14GK1676690SQ200510043259
公開日2005年10月5日 申請日期2005年4月21日 優(yōu)先權日2005年4月21日
發(fā)明者朱波, 王成國, 蔡華甦, 王延相, 劉建軍 申請人:山東大學