6.4 煤基化工产品（课件）-《化学工艺学(第2版) 》同步教学（高教版）

第六章 煤化工反应单元工艺 6.1 煤的干馏 6.2 煤的气化 6.3 煤制油技术 6.4 煤基化工产品 6.5 煤炭多联产技术 6.4 煤基化工产品 煤制碳素制品 碳素材料是指从无定形碳到石墨结晶的一系列过渡态碳。 主要碳素制品有：冶金用的电极和耐高温材料；电热和电化学用的电极；机电用的电刷，化工和机械工业用的不透性石墨和耐磨材料；原子能和宇航用的高纯石墨材料；用作高温结构材料和烧蚀材料的碳纤维及其复合材料，以及用于化工和环保的各种碳质吸附剂等。 返回 碳素材料的结构与性能 石墨是由六角形碳网平面以一定规律叠合而成的三维有序结构。层面内碳原子的键长为0.14211 nm，层面间作用力为范德华力，层间距为0.33538 nm。石墨晶体大部分呈六方体，少部分呈菱面体。石墨的最大特点是各向异性。实际应用的碳素材料，绝大部分是乱层石墨结构和石墨的微晶结构。 煤化工反应单元工艺 ——煤基化工产品 (1)耐热性和抗热震性 在非氧化介质中，碳是耐热性最好的材料，其升华温度为3350 ℃，12 MPa时3700 ℃熔化。与金属相反，机械强度随温度升高而增大，大于2800 ℃时才失去强度，这是其他材料难以比拟的。 (2)良好的导热和导电性 石墨的导热性是各种非金属中最好的，介于铝和软钢之间，比不锈钢、铅、硅铁好。石墨的导电性介于金属与半导体之间，层面方向的电阻率为5 ×10-5 Ω·cm。 煤化工反应单元工艺 ——煤基化工产品 (3)良好的化学稳定性 碳素材料在非氧化介质中具有极好的化学稳定性，几乎能抵抗沸点以下的各种酸和盐溶液的腐蚀。石墨是罕有的能在任何温度下耐氢氟酸和磷酸的几种材料之一。 (4)机械性能 碳素材料的强度特性是温度越高强度越好，是高温下的较好的机械零件的材料。碳纤维及其复合材料具有很高的比强度和比模量，如碳纤维树脂复合材料的比模量比钢和铝合金高五倍，比强度比钢和铝合金高三倍。 煤化工反应单元工艺 ——煤基化工产品 (5)核物理性能 碳原子核散射中子的截面为俘获中子截面的1270倍，石墨的减速比为201，仅次于重水，但成本却比重水低得多，所以高纯石墨是原子反应堆良好的减速材料。 (6)吸附性能 碳素材料在宏观上是由碳骨架和孔隙两部分构成的，为多孔性物质，经过适当处理，提高吸附能力，是耐热性好、化学稳定性好的碳质吸附材料。 煤化工反应单元工艺 ——煤基化工产品 生产原理和工艺过程 以有机物为原料制成各种碳素材料必须经过碳化过程。高温加热时，有机物的氢、氧、氮等元素被分解，碳原子不断环化、芳构化。随温度升高，碳进一步缩聚成稠环芳烃和碳网平面并相互叠合。最终经过石墨化过程生成石墨结晶。 煤化工反应单元工艺 ——煤基化工产品 (1)碳和石墨制品的工艺过程碳和石墨制品的工艺 煤化工反应单元工艺 ——煤基化工产品 ①原料及原料的燃烧 基本原料包括骨(架)料和黏结剂。骨料主要是石油焦、沥青焦、碳黑、天然石墨、无烟煤等。黏结剂主要有煤焦油、煤沥青及合成树脂等。 ②配料和捏和 根据不同产品的要求确定各种骨料的种类、粒度、数量，并选择合适的黏结剂。生产核石墨、火箭喷嘴、超高功率电极必须用灰分低、强度高、易石墨化的针状焦、石油焦、沥青焦等。 煤化工反应单元工艺 ——煤基化工产品 ③成型 为了制得不同形状、尺寸、密度和物理机械性能的制品，必须将混合料进行成型。成型方法有模压、挤压、振动成型、等静压成型等。 ④焙烧 焙烧是将生坯在隔绝空气和在焦粉和黄砂的保护下，加热到1300 ℃左右的热处理过程。 ⑤石墨化 焙烧后的制品中，碳原子主要为两维有序排列，属于乱层结构，只有通过2000～3000 ℃高温处理，才能成为三维有序的石墨晶体。 煤化工反应单元工艺 ——煤基化工产品 (2) 碳素纤维 碳素纤维按处理温度不同分为碳纤维(800～1800 ℃)和石墨纤维(2000～3000 ℃)。 不论何种碳纤维，基本的生产工艺相似，它包括原料的制备或调制、纺丝、原丝的预氧化或不熔化处理，预氧化丝的碳化和石墨化。 煤化工反应单元工艺 ——煤基化工产品 ① PAN碳纤维 PAN碳纤维的原料是丙烯睛和其他单体(1％～2％)的共聚体。由