一种三相鼓泡床水热碳包覆的系统与方法

技术领域

本发明涉及一种三相鼓泡床水热碳包覆的系统与方法。

背景技术

在新能源材料领域，碳包覆是常见的一种材料改性方法，对材料进行碳包覆，可以改善材料的电导率，也可以提供稳定的化学和电化学反应界面，因此有效的碳包覆显得特别重要。常用的碳包覆方法主要包括机械混合、化学气相沉积(CVD)和聚合物涂层，机械混合易破坏表面形貌和特征，粒径大小也难调控，化学气相沉积(CVD)一般涉及到高温表面沉积，能耗高，碳层厚度难调控，聚合物涂层则欠均匀，可控性差。磷酸铁锂，是一种锂离子电池电极材料，化学式为LiFePO

水热法可以将有机固废、有机物等转化为功能碳材料，可有效地用于重金属离子吸附和电化学等领域，也可以将碳层包覆在无机物表面以提高化学稳定性和电化学结构与界面特性，对磷酸铁锂碳包覆也是一种可行的方法。水热法通常在150-350℃和加压条件下进行，反应条件温和，温度可控，结构紧凑，能耗低，其反应器一般为液固二相或气液固三相反应器，因为固相的存在和气液固混合的局限性，反应器的传质传热和反应速率受到限制，传统的搅拌反应釜，因为存在轴密封，一般用在常压或压力较低的场合，在水热温度条件下不能承受较高压力；流态化技术在两相和三相混合方面有很大优势，可以促进多相湍动、强化多相混合、提高系统效率、提升传质传热和反应速率，而且也可以承受较高压力，高效进行碳包覆以获得优秀的电化学性能，具有巨大的技术优势和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是解决碳包覆工艺温度不均匀、碳包覆品质不稳定、可控性差、经济性和市场灵活性欠佳的问题，通过原料与添加剂选择、反应器结构优化、能量梯级利用、内外循环配置、内外加热结合，在一个立式反应器内达成多级加热、多段反应、三相鼓泡流化、多相湍动混合，提高了床层温度均匀性和碳包覆稳定性，提升了产品的化学稳定性和电化学性能，通过调控工艺参数，改善产物分布与品质，高效制备碳包覆材料。

实现本发明目的技术方案是：一种三相鼓泡床水热碳包覆的系统与方法，包括依次连通连接的原料进料仓、混合罐、补充进料槽、鼓泡反应单元、换热单元、脱水单元、卸料单元、干燥单元、冷却存储单元，原料进料仓通过输送泵与管道管件和混合罐连通连接，混合罐通过进料泵与管道管件和鼓泡反应单元的水热段连通连接，补充进料槽位于混合罐和进料泵之间，补充进料槽分别和混合罐与进料泵连通连接，进气单元通过管道管件和鼓泡反应单元连通连接，换热单元和鼓泡反应单元连通连接，鼓泡反应单元和脱水单元连通连接，脱水单元和换热单元连通连接，鼓泡反应单元和卸料单元连通连接，卸料单元和干燥单元连通连接，干燥单元和冷却存储单元、鼓泡反应单元的加热夹套、混合罐的加热夹套连通连接。

上述一种三相鼓泡床水热碳包覆的系统，鼓泡反应单元包括高位进气段、低位进气段、水热段、加热夹套、循环段，鼓泡反应单元采用多级混合、多段加热、三相湍动、内外循环、内外加热结合的立式结构，其中加热夹套置于水热段外面，循环段通过循环泵和管道管件连接鼓泡反应单元的底部和水热段的顶部。

上述一种三相鼓泡床水热碳包覆的系统，进气单元通过管道管件阀门和鼓泡反应单元的高位进气段、低位进气段连通连接，高位进气段和低位进气段可以设置为分布板、盘管或蛇管，分布板、盘管或蛇管的管上有孔，鼓泡反应单元热气体出气管和脱水单元连通连接，脱水单元和换热单元连通连接，换热单元和鼓泡反应单元连通连接，补充气管和换热单元连通连接。

上述一种三相鼓泡床水热碳包覆的系统，热气体单元和换热单元连通连接，换热单元通过热气体进气管和鼓泡反应单元的加热夹套的顶部连通连接，加热夹套底部连接热气体出气管，热气体出气管和干燥单元连通连接，干燥单元通过管道管件和混合罐的加热夹套连通连接。

上述一种三相鼓泡床水热碳包覆的系统，原料进料仓通过输送泵与管道管件和混合罐的顶部连通连接，混合罐外面设置加热夹套，混合罐内部设置搅拌器，补充进料槽和混合罐的底部连通连接，补充进料槽通过进料泵和鼓泡反应单元的水热段顶部连通连接。

上述一种三相鼓泡床水热碳包覆的系统，其特征在于:热气体进气管在鼓泡反应单元的加热夹套顶部的切向方向进入加热夹套，热气体出气管在加热夹套底部由切向方向排出，热气体出气管和干燥单元连通连接，干燥单元采用直接或间接加热模式。

本发明具有积极的效果：(1)本发明系统，通过反应器结构优化、添加剂选择、内外循环布置、内外加热结合、惰性气体回收利用、能量梯级利用，构建多级加热、多段反应、内流化湍动与内外循环结合、间接和直接加热结合的水热碳包覆系统；(2)鼓泡反应单元分为高位进气段、低位进气段、水热段、加热夹套、循环段，鼓泡反应单元采用多级混合、多段加热、三相湍动、内外循环、内外加热结合的立式结构，热气体经换热单元换热后，进入加热夹套对水热段进行夹套加热，循环段通过循环泵将鼓泡反应单元底部的液固混合物泵入水热段，实现上下混合的内循环系统，促进了三相湍动混合和床层温度均匀性，提高了传热传质系数和反应速率；(3)补充气管来的惰性气体和从脱水单元脱水净化后返回的惰性气体汇合，经换热单元加热后进入鼓泡反应单元的高位进气段、低位进气段，鼓泡反应单元的尾气由其顶部热气体出气管排出，经脱水单元净化后进入换热单元加热，继而进入鼓泡反应单元，实现惰性气体的循环利用，提高了系统热效率；(4)热气体经换热单元换热后，通过热气体进气管进入鼓泡反应单元的加热夹套的顶部，对水热段进行夹套加热，热气体进气管在鼓泡反应单元的加热夹套顶部的切向方向进入，热气体出气管在加热夹套底部由切向方向排出后进入干燥单元，经干燥单元送入混合罐的加热夹套，实现能量的梯级利用，极大地提高了系统效率；(5)采用混合罐和鼓泡反应单元二级进料和混合体系，促进了分级混合和多相湍动，提高了系统效率和碳包覆品质。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明系统和结构示意图；

其中：

1鼓泡反应单元，2高位进气段，3低位进气段，4水热段，5鼓泡反应单元加热夹套，6循环段，7循环泵，8进气单元，9换热单元，10脱水单元，11惰性气体管，12补充气管，13热气体单元，14热气体进气管，15热气体出气管，16卸料单元，17干燥单元，18冷却存储单元，19混合罐，20混合罐加热夹套，21原料进料仓，22输送泵，23补充进料槽，24进料泵

具体实施方式

(实施例1，见图1)

本实施例包括依次连通连接的原料进料仓21、混合罐19、补充进料槽23、鼓泡反应单元1、换热单元9、脱水单元10、卸料单元16、干燥单元17、冷却存储单元18，原料液为氢氧化锂和磷酸溶液，原料进料仓21里面的原料液通过输送泵22送入混合罐19，并在混合罐19混合均匀，混合罐19内部设置螺带螺杆式搅拌器以提高湍动程度和混合效果，补充进料槽23位于混合罐19和进料泵24之间，补充进料液为二价铁盐(如硫酸亚铁、氯化亚铁、硝酸亚铁)、可溶性淀粉，锂：铁：磷摩尔比＝3∶1∶1.1，补充进料液加入后与原料液混合，通过进料泵(24)送入鼓泡反应单元1的水热段4顶部，在反应器内依靠重力沉降下落；热气体单元13和惰性气体管11连接换热单元9，经换热单元换热后，加热的惰性气体进入进气单元8，进气单元8通过管道管件和鼓泡反应单元1的高位进气管2、低位进气段3连通连接，高位进气管2与低位进气段3设置为分布板，分布板开孔，中间孔直径40mm以便粉体下落，其他孔径为2mm,加热的惰性气体经分布板喷出后与水热段4落下的液体相遇，起到流化、鼓泡、湍动、混合的作用，促进了三相传热传质，提高了反应速率和系统效率。

热气体采用热烟气，惰性气体为氮气，热气体经换热单元换热后进入热气体进气管14，继而切向进入鼓泡反应单元1的加热夹套5顶部，从而对水热段4进行强化间接加热，加热夹套5底部切向排出的热气体出气管15将热气体送入干燥单元17为干燥提供热量，干燥单元17出来的热气体进入混合罐加热夹套20对混合罐19进行预热，能量梯级利用，极大地提高了系统热效率；鼓泡反应单元1的热气体出气管与脱水单元10连通连接，水相除去后，净化的惰性气体与补充气管12进入的惰性气体混合后进入惰性气体管11，进而进入换热单元9与热气体进行换热，加热的惰性气体经进气单元8返回鼓泡反应单元1，实现惰性气体的回收利用，减少了污染物排放，降低了能耗。

鼓泡反应单元1包括高位进气段2、低位进气段3、水热段4、加热夹套5、循环段6，鼓泡反应单元1采用多级混合、多段加热、三相湍动、内外循环、内外加热结合的立式结构，其中加热夹套5置于水热段4外面，循环段6将鼓泡反应单元1的底部的液固混合物泵入水热段4的顶部，实现上下循环湍动，促进了三相混合，提高传质传热效率和反应速率。

鼓泡反应单元1里面的固相产物磷酸铁锂沉积在底部，经水热和热流化，磷酸铁锂含水率较低，恒压泄放至卸料单元16，液固分离后，液相排出回用，固相由干燥单元17进一步干燥，干燥单元采用间接干燥模式，氮气保护后磷酸铁锂粉体送至冷却存储单元18冷却后存放。

(实施例2，见图1)

本实施例与实施例1的区别之处为：进入鼓泡反应单元1的原料液，锂：铁：磷摩尔比＝2∶1∶1，高位进气段2和低位进气段3为螺旋形盘管，盘管有管孔，孔的直径是1-2mm；惰性气体选用氩气，氩气在高位进气段2和低位进气段3的竖直和水平方向喷出，混合罐19采用推进形搅拌器，干燥单元17采用直接喷动床干燥模式，其他系统组成与实施例1相同。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。