一種化學法石墨烯生產系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于石墨烯化學合成技術領域，具體涉及一種化學法石墨烯生產系統。
【背景技術】
[0002]2004年英國曼徹斯特大學物理學家安德烈和康士坦丁成功從實驗室中分離出石墨烯，這種二維的石墨烯呈現六角型蜂巢狀晶格，賦予其目前各種金屬、非金屬材料所不具備的特性，成為舉世矚目的一種優秀新材料。在電子行業觸摸屏、液晶顯示、有機光伏電池以及航天、生物醫藥、儲能等諸多領域將獲得越來越廣泛的應用。
[0003]石墨烯合成方法主要有兩種:機械方法和化學方法。其中化學法包括化學還原法和化學解離法。從目前國內外情況看，能較易實現產業化生產的是化學解離法。
[0004]化學解離法是通過強酸和強氧化條件下將石墨烯六角環上部分碳原子被氧化成羥基(-0H)、醛基(-CH0)或羧基(-C00H)，產生層間剝離，再在還原氛圍中將氧化石墨烯還原成石墨稀。
[0005]目前國內許多高等學校、科研院所在從事石墨烯的制備和應用研究，制備方面集中在化學解離法。通常將石墨原料與23-26倍濃硫酸和3倍高錳酸鉀置反應釜中，在0-5°C條件下低溫氧化反應，然后用多倍水稀釋、清洗、過濾、精制得到初級品氧化石墨。
[0006]現在氧化過程通常在搪瓷反應釜中進行，因為介質的強酸性和強氧化性很少有其它合適材料可以選擇，而搪瓷反應釜的特點是傳熱過程僅能依靠外夾套實現，設備內無法設置加熱或冷卻的盤管，而外夾套的傳熱，隨著設備的放大，其單位釜容積所具有的傳熱強度越來越小。例如:直徑為500_的搪瓷釜，其單位容積的傳熱面積為9.5m2/m3，而直徑為2000mm的搪瓷爸，其單位容積的傳熱面積為2.lm2/m3，而石墨的強酸氧化反應要求在較低溫度下進行(0-5°C )，由于單位傳熱強度的降低，在生產能力提高，設備放大后，冷卻能力降低，這樣或減少投料量或延長氧化時間，都導致設備有效能力降低。
【發明內容】
[0007]本實用新型的目的是為了彌補現有技術的不足，提供了一種有利于實現大規模產業化生產的化學法石墨烯生產系統。
[0008]為了達到本實用新型的目的，技術方案如下:
[0009]—種化學法石墨烯生產系統，具有反應釜，所述反應釜頂部具有數個加料口，其特征在于，所述反應釜的下方設置有管式反應器，所述管式反應器的一端通過循環栗與反應釜下端連通，另一端與反應釜上端連通，所述管式反應器外側設置有冷卻夾套，反應釜內介質通過循環栗流入管式反應器內經冷卻后又重新從頂部流入反應釜內。
[0010]優選地，所述反應爸的外側設置有反應爸夾套。
[0011]優選地，所述反應釜的下方還設置有冷凍水箱，所述冷凍水箱通過冷凍水栗與所述反應爸夾套連通。
[0012]優選地，所述反應釜的下方還設置有熱水箱，所述熱水箱通過熱水栗與所述反應釜夾套連通。
[0013]優選地，所述冷卻夾套與所述冷凍水箱連通。
[0014]優選地，所述反應釜上方設置有存放純水的高位水槽。
[0015]本實用新型具有的有益效果:
[0016]反應釜內的介質通過循環栗經管式反應器冷卻后返回反應釜，實現外循環冷卻，彌補了釜因放大而傳熱強度降低的弊端；并且由于栗的輸送，形成管道反應器內強烈湍動，強化了混合和傳質過程，加速了化學反應。
【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型化學法石墨烯生產系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合實施例對本實用新型作進一步描述，但本實用新型的保護范圍不僅僅局限于實施例。
[0019]結合圖1所示，一種化學法石墨烯生產系統，具有反應釜2，反應釜2的外側設置有反應釜夾套，所述反應釜2頂部具有數個加料口，原料投料(石墨、硫酸等)通過頂部的加料口加入，反應釜2內設置有攪拌器。反應釜2上方設置有存放純水的高位水槽8，純水通過水管加入到高位水槽8內，再從高位水槽8通過管道向下引入，非水介質此時通過輔助管路9加入到管道內，與純水混合后，一起加入到反應爸2內。
[0020]反應釜2的下方設置有管式反應器1、冷凍水箱5和熱水箱7。管式反應器1的一端通過循環栗10與反應釜2下端連通，另一端與反應釜2上端連通，在循環栗10的作用下，反應釜2內的介質通過循環栗10流入管式反應器1內、經冷卻后又重新從頂部流入反應釜2內。
[0021]冷凍水箱5通過冷凍水栗4以及管路與所述反應釜夾套連通，冷凍水箱5內通入冷卻鹽水，冷卻鹽水通入到反應釜夾套內對反應釜具有冷卻作用。熱水箱7通過熱水栗6以及管路與所述反應釜夾套連通，自來水通入到熱水箱7內，經電加熱后，通入到反應釜夾套內對反應釜具有加熱保溫作用。另外，通冷凍鹽水的管路和筒熱水的管路在連通到反應爸夾套之前就以及連通在一起，因此熱水和冷卻可以混合，通過調節熱水或者冷水的量，可以改變混合水的溫度，以適應不同的反應溫度需求，對反應釜具有較好的保溫作用。
[0022]此外，管式反應器1外側設置有冷卻夾套3，冷卻夾套3還通過管路與所述冷凍水箱5連通，冷凍水箱5內的冷凍鹽水流入到冷卻夾套3內，對流經管式反應器1的介質進行冷卻。
[0023]冷卻夾套3上還具有冷卻水出口，冷卻之后的冷卻鹽水從冷卻水出口流出，再栗入到冷凍水箱5內，實現循環利用。
[0024]具體生產過程為:
[0025]先向釜內按石墨烯的投料量，按26倍(重量)投入濃硫酸和定量石墨，浸泡4-12小時；
[0026]開啟反應釜夾套和管式反應器冷卻水或冷卻鹽水，并開動攪拌器；
[0027]打開釜底閥并啟動循環栗在反應釜和管式反應器同時冷卻條件下建立良好循環；
[0028]冷卻；
[0029]在達到額定溫度(〈5 °C )，往釜內投入氧化劑高錳酸鉀，監控釜內溫度，若溫度超過5°C，暫停加高錳酸鉀，直至加完。
[0030]在反應釜內和管式反應器內同時進行氧化反應。
[0031]以上反應器的組合、提高了單釜設備能力，強化了反應過程，有利于實現大規模產業化生產。
[0032]實施例1
[0033]對比組:50L搪瓷反應釜，采用搪瓷釜單獨冷卻的工藝，石墨投料量為960克，緩慢加入濃硫酸14升(約25500克)開動釜攪拌，并夾套通-10°C冷鹽水，室溫為32°C，經一小時，釜內溫度降為10°C，停止通冷卻水和攪拌，靜置浸泡4小時，釜內溫度升至15°C。此時緩慢投入高錳酸鉀(共2880克)，開啟攪拌和冷鹽水，控制釜溫為3-5°C。投入速度很慢，投完約1.5小時，由于大量反應熱溫度僅保持在6-10°C。在此條件下反應2小時，然后進行滴水反應1.5小時，反應體系變稠，然后加水稀釋，后續的酸洗一離心脫水一酸洗一脫水得到初級產品1040克，顏色深褐色。
[0034]實施組:與對照組同樣，50L搪瓷反應釜，在釜底接搪瓷循環栗，循環栗出口接DN50長1米帶夾套的搪瓷管兩支，出搪瓷管接玻璃視盅一個，然后接回反應釜(見附圖)。
[0035]試驗過程:投料、浸泡同上對照組，在投高錳酸鉀前，將搪瓷管夾套冷凍鹽水打開，啟動釜底循環栗，并打開釜底閥。此時釜內物料經循環栗和管道冷卻器再回入反應釜形成循環流。在視盅中清晰可見物料均勻呈湍流狀態。在形成循環流后，開始加入高錳酸鉀，發生劇烈氧化反應，溫度升高，由于外循環管道冷卻器、釜溫控制在3-5°C，投料時間縮短為1小時，后續程序同對照例，反應結果得初級產品1060克，產品色澤為金黃色，從顏色判斷，氧化產品質量優于對照組。
[0036]對比表明:采用外循環管道冷卻器，可以彌補反應釜傳熱面積不夠的缺憾，在大生產放大后，這個矛盾更突出，而由于體外冷卻，可以按需要增加傳熱面積，有利于控制反應體系在最佳溫度狀態進行，而且加大冷卻強度后，氧化劑投料速度可加快，縮短反應時間，更重要的是從視盅觀察到的流動狀態比反應釜更均勻良好，強化了反應傳質傳熱速度，優化反應過程，所以是得到優質產品的良好選擇。
[0037]實施例2:在實施例1相同條件下，外循環冷卻管采用一支1M長夾套搪瓷管，在完全相同條件下，高錳酸鉀投料時間延長了 10分鐘，反應釜內溫度5_7°C，最終產品顏色比實施例1略深。
[0038]實施例3:將石墨烯投料量增加了 20%，即投入1152克，硫酸為30600克，高錳酸鉀3456克，在同樣浸泡4小時，開啟外循環后，投入高錳酸鉀后升溫劇烈，為此延長高錳酸鉀投料時間共1.5小時，釜內溫度4-6°C，反應2小時后，按常規后處理流程，得到產品1210
克，產品顏色金黃色。
[0039]以上實施例表明，增加了外循環冷卻器，可有利于增加反應過程，傳熱強度及反應體系的湍流狀態，是強化反應過程的可靠途徑，特別對增加傳熱面積沒有更好渠道情況下，是一種有效的手段。
[0040]最后應說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型而并非限制本實用新型所描述的技術方案，因此，盡管本說明書參照上述的各個實施例對本實用新型已進行了詳細的說明，但是，本領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本實用新型進行修改或等同替換，而一切不脫離本實用新型的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍中。
【主權項】
1.一種化學法石墨烯生產系統，具有反應釜(2)，所述反應釜頂部具有數個加料口，其特征在于，所述反應釜(2)的下方設置有管式反應器(1 )，所述管式反應器的一端通過循環栗(10)與反應釜下端連通，另一端與反應釜上端連通，所述管式反應器外側設置有冷卻夾套(3 )，反應釜內介質通過循環栗流入管式反應器內經冷卻后又重新從頂部流入反應釜內。2.根據權利要求1所述的化學法石墨烯生產系統，其特征在于，所述反應釜的外側設置有反應爸夾套。3.根據權利要求2所述的化學法石墨烯生產系統，其特征在于，所述反應釜的下方還設置有冷凍水箱(5)，所述冷凍水箱通過冷凍水栗(4)與所述反應釜夾套連通。4.根據權利要求3所述的化學法石墨烯生產系統，其特征在于，所述反應釜的下方還設置有熱水箱(7)，所述熱水箱通過熱水栗(6)與所述反應釜夾套連通。5.根據權利要求3所述的化學法石墨烯生產系統，其特征在于，所述冷卻夾套(3)與所述冷凍水箱連通。6.根據權利要求1所述的化學法石墨烯生產系統，其特征在于，所述反應釜上方設置有存放純水的高位水槽(8 )。
【專利摘要】本實用新型公開了一種化學法石墨烯生產系統，具有反應釜，所述反應釜頂部具有數個加料口，其特征在于，所述反應釜的下方設置有管式反應器，所述管式反應器的一端通過循環泵與反應釜下端連通，另一端與反應釜上端連通，所述管式反應器外側設置有冷卻夾套，反應釜內介質通過循環泵流入管式反應器內經冷卻后又重新從頂部流入反應釜內。本實用新型具有的有益效果：反應釜內的介質通過循環泵經管式反應器冷卻后返回反應釜，實現外循環冷卻，彌補了釜因放大而傳熱強度降低的弊端；并且由于泵的輸送，形成管道反應器內強烈湍動，強化了混合和傳質過程，加速了化學反應。
【IPC分類】C01B31/04
【公開號】CN204958408
【申請號】CN201520720048
【發明人】黨渭銘, 顧晨海
【申請人】無錫信達膠脂材料股份有限公司
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年9月17日