Pechmaterial aus Kohleteerpech, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung des Pechmaterials

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein neues Pechmaterial aus Kohleteer­pech, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendungen des Pechmaterials. Es weist folgende Parameter auf:

a) einen Gehalt an Mesophase ≦ 2 %,

b) einen Gehalt an in Toluol unlöslichem Material (β-Harze) von 58 bis 75 %,

c) einen Gehalt an in Chinolin unlöslichem Material ≦ 2 %,

d) einen Erweichungspunkt im Bereich von 200 bis 300° C, gemessen nach Krämer-Sarnow (KS),

e) einen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen ≦ 20 % und

f) einen Aschegehalt ≦ 0,06 %.

Das Pechmaterial mit einer hohen Koksausbeute von 80 bis über 90% läßt sich in der Kohlenstoff verarbeitenden Industrie zur Herstellung von hochwertigen Kohlenstoffformkörpern sowie von Peckkoks einsetzen. Weiterhin kann es als Imprägniermittel oder Bindemittel verwendet werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Pechmaterial aus Kohleteerpech, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendungen des Pechmaterials.

[0002] Kohleteerpech wird nach dem Stand der Technik z. B. durch Destil­lation, Lösungsmittelbehandlung, Luftverblasen oder Vernetzungs­reaktionen zu einem Pechmaterial verarbeitet, dessen Erweichungs­punkt etwa 70 bis 150° C beträgt. Dieses Pechmaterial dient als Bindemittel für hochwertige Kohlenstoffartikel, z. B. Elek­troden, Kohlebürsten und ähnliches, sowie zur Erzeugung von hochfesten Formkörpern, die durch thermische Weiterbehandlung des verkokten Materials zu Graphiten verarbeitbar sind. Nach­teilig ist, daß die aus dem bekannten Pechmaterial in einem ersten Schritt durch eine Wärmebehandlung hergestellten Form­körper eine relativ geringe Dichte aufweisen und durch mehr­maliges Imprägnieren und erneutes Verkoken verdichtet werden müssen.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pechmaterial aus Kohleteerpech sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Pechmaterials zu finden, aus dem hochwertige Kohlenstoffar­tikel ohne zusätzliche Behandlungsschritte oder mit weniger Behandlungsschritten als nach dem Stand der Technik hergestellt werden können und das darüber hinaus auch als Imprägniermit­tel dienen kann und außerdem ein hochwertiges Bindemittel ist.

[0004] Diese Aufgabe wird durch ein Pechmaterial aus Kohleteerpech gelöst, das folgende Parameter aufweist:

a) einen Gehalt an Mesophase ≦ 2%,

b) einen Gehalt an in Toluol unlöslichem Material (β-Harze) von 58 bis 75%,

c) einen Gehalt an in Chinolin unlöslichem Material ≦ 2%,

d) einen Erweichungspunkt im Bereich von 200 bis 300° C, gemessen nach Krämer-Sarnow (KS),

e) einen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen ≦ 20% und

f) einen Aschegehalt ≦ 0,06%.

[0005] Wegen des überraschenderweise für ein Kohleteerpech vergleichs­weise hohen Erweichungspunktes, der im Bereich von 200 bis 300° C (KS) liegt, ist das Material hervorragend verarbeit­bar, ohne daß die Gefahr einer frühzeitigen Verkokung oder thermischen Zersetzung besteht.

[0006] Das neue Pechmaterial hat außerdem überraschenderweise eine sehr hohe Koksausbeute von 80 bis > 90%, was für Pechmaterial aus Kohleteerpech außerordentlich gut ist, denn es läßt sich daraus ein dichterer Koks und bei einer Weiterbehandlung auch ein dichterer Graphit herstellen, mit weniger Verarbeitungs­stufen und kürzeren Verweilzeiten.

[0007] Die Herstellung des neuen Pechmaterials erfolgt mit Hilfe nach­folgender Verfahrensstufen, wobei

A) als Ausgangsmaterial ein Kohleteerpech verwen­det wird, das bis 10% Feststoffe, wie Asche, Kohlepartikel, in Chinolin Unlösliches (primä­re α-Harze) enthält und einen Erweichungs­punkt < 100° C aufweist,

B) dem Ausgangsmaterial 1 bis 10% Filterhilfsmittel, wie Kieselgur, Aktivkohle, o.ä. zugesetzt wird,

C) das Gemisch in einem Kerzenfilter mit trockenem Kuchenaustrag und Filteröffnungen im Bereich von 50 bis 150 µm heiß filtriert wird und

D) das Filtrat in einem Dünnschichtverdampfer im Temperaturbereich oberhalb 300° C bis etwa 425° C und unter einem Druck ≦ 10 mbar aufkonzentriert wird.

[0008] Das neue Pechmaterial läßt sich überraschenderweise aus üb­lichem Kohleteerpech mit einem Erweichungspunkt unter 100° C herstellen, das 1 bis 10% Feststoffe enthalten kann, indem es zunächst durch Filtration in einem Kerzenfilter, ggf. unter Anwendung von Filterhilfsmitteln von diesen Feststoffen wei­testgehend befreit wird, die aus Asche, Kohlepartikel und Be­standteilen bestehen können, die nicht chinolinlöslich sind (primäre α-Harze). Überraschenderweise läßt sich das so vor­gereinigte Pech in Dünnschichtverdampfern unter Vakuum ≦ 10 mbar und im Temperaturbereich oberhalt 300° C störungsfrei zu dem neuen Pechmaterial verarbeiten, das als Konzentrat an­fällt.

[0009] Weiterhin überraschend haben auch die als Destillate abgetrenn­ten Nebenprodukte hervorragende Eigenschaften, die sie ins­besondere zur Verwendung als Zumischkomponente für Teere, Peche und öle geeignet machen.

[0010] Alternativ kann das Verfahrensmerkmal C) (Filterstufe) in der Weise abgewandelt werden, daß ein Plattenfilter verwendet wird, dem eine Nachwaschstufe zugeordnet ist.

[0011] Eine weitere Abwandlung der Verfahrensstufe C) (Filterstufe) besteht darin, daß ein Trommelfilter mit trockenem Kuchenaus­trag verwendet wird.

[0012] Auch bei Anwendung der beiden vorgenannten alternativen Filter­schritte werden ausreichend feststofffreie Filtrate erzielt, die sich zur Weiterverarbeitung in einem Dünnschichtverdampfer eignen.

[0013] Das neue Pechmaterial läßt sich vorteilhaft in der kohlenstoff­verarbeitenden Industrie verwenden, weil es sehr gut verarbeit­bar ist.

[0014] Eine bevorzugte Verwendungsart ist die Herstellung von Pechkoks, wegen der überraschenderweise sehr hohen Koksausbeute von über 90%

[0015] Eine weitere bevorzugte Verwendung ist die Herstellung von Kohlenstofformkörpern. Diese Kohleformkörper sind beispiels­weise gut für Elektroden, Kohlebürsten o.ä. geeignet. Graphi­tiert läßt sich das wärmebehandelte Produkt auch vorzüglich als Reaktorgraphit anwenden.

[0016] Weiterhin läßt sich das neue Pechmaterial bevorzugt als Im­prägniermittel verwenden, weil es überraschenderweise eine überaus günstige, dynamische Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur hat. Beispielsweise können damit Kohleformkör­per, die aus herkömmlichem Pechmaterial hergestellt worden sind, durch wenige Imprägnierschritte in hochfeste Formkör­per überführen.

[0017] Schließlich ist das neue Pechmaterial auch sehr gut als Binde­mittel für kohlenstoffhaltige Materialien geeignet.

[0018] Die Erfindung wird nachfolgend in einer Verfahrensbeschrei­bung näher erläutert, und zwar anhand eines Verfahrensfließ­bildes, das Fig. 1 zeigt.

[0019] Der Steinkohlenrohteer bzw. das Steinkohlenrohpech wird, ggf. unter Zumischung eines Filterhilfsmittels, einer Heißfilter­stufe 1 aufgegeben, die aus einem Kerzenfilter mit trockenem Filterkuchenaustrag oder aus einem Plattenfilter mit Nachwasch­einrichtung bestehen kann. Die Filtertemperatur beträgt je nach Einsatzprodukt etwa 90 bis zu 350° C. Das filtrierte Pro­dukt wird einem Vorratsbehälter 2 zugeführt, aus dem es über eine Speisepumpe 3 in einen Dünnschichtverdampfungsapparat 5 eingebracht wird, dessen Rotor mit einer Antriebseinheit 4 verbunden ist. über den Rotor wird das Produkt gleichmäßig auf der inneren Apparatewand verteilt, so daß die leichter flüchtigen Komponenten sehr schnell verdampfen. In dem Ver­dampfungsapparat 5 ist weiterhin ein Kondensator 6 unterge­bracht, an dem sich diese leichter flüchtigen Komponenten des filtrierten Materials niederschlagen. Sie gelangen auf den Boden des Dünnschichtverdampfungsapparates 5 und werden von dort mit einer Destillataustragspumpe 7 abgezogen und einem Destillatvorlagebehälter 9 aufgegeben. Die Betriebstempera­turen im Verdampfungsapparat liegen oberhalb 300° C und der Betriebsdruck ist kleiner oder gleich 10 mbar. Der nicht ver­dampfte Produktanteil (Konzentrat) gelangt in den Einzugsbe­reich der Konzentrataustragspumpe 8, wird aus dem Verdampfungs­apparat 5 herausgeführt und in einem Konzentratvorlagebehäl­ter 10 gesammelt. Das Vakuum im Behälter wird über ein Vaku­umsystem 11 erzeugt.

[0020] Das Konzentrat kann beispielsweise als Rohmaterial zur Herstel­lung von hochwertigem Pechkoks und -graphit, als Gießereipech, als Imprägnierpech für Pechkokse, als Bindemittel für Kohlen­stofformkörper oder als Tontaubenpech verwendet werden.

[0021] Das erzeugte Destillat, das sich in üblicher Weise noch frak­tionieren läßt, eignet sich beispielsweise für folgende An­wendungsfälle:

Beimischkomponente für Teere, insbesondere für feststoffhal­tige Teere;
Beimischkomponente für Peche (Fluxmittel);
Beimischkomponente für öle.

[0022] Nachstehend sind drei Beispiele von Pechmaterialien aus kohle­stämmigen Pechen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren darge­stellt, wobei jeweils ein kohlestämmiges Pech durch Filtrieren von seinen unlöslichen Bestandteilen befreit und anschließend unter erhöhter Temperatur und unter vermindertem Druck destil­liert wurde, um die Fraktionen mit niedrigem Erweichungspunkt zu entfernen und ein Konzentratpech mit höherem Erweichungs­punkt zu erhalten. Als Ausgangspeche werden im allgemeinen Peche mit einem Erweichungspunkt < 100° C (KS) verwendet, je­doch lassen sich grundsätzlich auch Peche mit höherem Erwei­chungspunkt einsetzen, wobei dann jedoch die erzielbare Fil­terleistung abnimmt.

Beispiel 1

[0023] Ein Steinkohlenteerpech mit einem Erweichungspunkt von 69° C und einem Gehalt an chinolinunlöslichen Bestandteilen von 6,9 % wurde auf 240° C erhitzt und in einem Kerzenfilter bei einem stetig steigenden Differenzdruck von 1 - 5 bar filtriert. Zur Erhöhung der Filtrationsleistung kann ggf. ein Filterhilfs­mittel auf Basis Kieselgur, Celite oder Kohlenstoff von etwa 1 - 4 % zugegeben werden. Nach der Filtration waren praktisch alle chinolinunlöslichen Bestandteile bis unter die Nachweis­grenze entfernt. Das Material konnte ohne weitere Vorbehandlung direkt einem Dünnschichtverdampfer zugeführt werden.

[0024] Das filtrierte Ausgangs-Weichpechmaterial, welches einen Erwei­chungspunkt von 69° C aufwies, wurde einer einstufigen, kon­tinuierlichen Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 328° C und einem Betriebsdruck von 1 mbar unterworfen, wobei in dem Verdampfungsapparat das Pech mittels mechanisch bewegter Wischer­blätter verteilt und dessen Fließrichtung bestimmt wurde. Dabei erfolgte eine mechanische Selbstreinigung. Das Betriebsvakuum wurde mittels Vakuumapparate erzeugt, bevorzugt eignen sich mehrstufige Systeme.

[0025] Die mittlere Verweilzeit des Pechmaterials im Verdampfungsappa­rat betrug unter 1 min. Die abdestillierten Fraktionen wurden über einen im Verdampfer befindlichen Kondensator abgeschieden und von dort abgeführt.

[0026] Der spezifische Durchsatz des Verdampfungsapparates erreichte 80,0 kg/(m².h). Die Ausbeute an Konzentrat betrug 49,6 Gew.-%. Das anfallende Konzentrat wies einen Erweichungspunkt (KS) von 209° C auf.

[0027] Die weiteren stoffspezifischen Eigenschaften des Konzentrates mit 209° C Erweichungspunkt waren folgende:

- Verkokungsrückstand (Alcan):      81,5 %
- sekundärunlösliche Bestandteile:      0,14 %
- β-Harze:      58 %
- chinolinunlösliche Bestandteile:      0,78 %
- Dynamische Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur gemäß Kurve A in Fig. 2
- Flüchtige Bestandteile      18,5 %
- Asche      0,05 %

Beispiel 2

[0028] Das Ausgangspechmaterial und der Versuchsaufbau waren die glei­chen wie in Beispiel 1, jedoch wurde die Temperatur der Wärme­behandlung auf 361° C erhöht.

[0029] Der spezifische Durchsatz erreichte 74,3 kg/(m².h). Die Ausbeute betrug 33,7 Gew.-% und das Konzentrat wies einen Erweichungs­punkt von 253° C auf.

[0030] Die weiteren stoffspezifischen Eigenschaften waren folgende:

- Verkokungsrückstand (Alcan):      86,2 %
- sekundärunlösliche Bestandteile      0,9 %
-β-Harze:      69%
- chinolinunlösliche Bestandteile:      1,55 %
- Dynamische Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur gemäß Kurve B in Fig. 2
- Flüchtige Bestandteile      13,8 %
- Asche      0,06 %

Beispiel 3

[0031] Das Ausgangspechmaterial und der Versuchsaufbau waren wiederum die gleichen wie im Beispiel 1, jedoch wurde die Temperatur nunmehr auf 395° C erhöht.

[0032] Der spezifische Durchsatz erreichte 70,8 kg/(m².h). Die Ausbeute betrug 27,6 Gew.-% und das Konzentrat wies einen Erweichungspunkt von 292° C auf.

[0033] Die weiteren stoffspezifischen Eigenschaften waren folgende:

- Verkokungsrückstand (Alcan)      90,8 %
- sekundärunlösliche Bestandteile:      1,01 %
- βiHarze:       75%
- chinolinunlösliche Bestandteile:      1,95 %
- Dynamische Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur gemäß Kurve C in Fig. 2
- Flüchtige Bestandteile      9,2 %
- Asche      0,06 %

Ansprüche

1. Pechmaterial aus Kohleteerpech, gekennzeichnet durch die folgenden Parameter:

a) einen Gehalt an Mesophase ≦ 2 %,

b) einen Gehalt an in Toluol unlöslichem Material (β-Harze) von 58 bis 75 %,

c) einen Gehalt an in Chinolin unlöslichem Material ≦ 2 %,

d) einen Erweichungspunkt im Bereich von 200 bis 300° C, gemessen nach Krämer-Sarnow (KS)

e) einen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen ≦ 20 % und

f) einen Aschegehalt ≦ 0,06 %.

2. Verfahren zur Herstellung eines Pechmaterials gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

A) als Ausgangsmaterial ein Kohleteerpech verwendet wird, das bis 10 % Feststoffe, wie Asche, Kohlepartikel, in Chinolin Unlösliches (primäre -Harze) enthält und einen Erweichungspunkt ≦ 100° C aufweist,

B) dem Ausgangsmaterial 1 bis 10 % Filterhilfsmittel, wie Kieselgur, Aktivkohle, o. ä. zugesetzt wird,

C) das Gemisch in einem Kerzenfilter mit trockenem Kuchen­austrag und Filteröffnungen im Bereich von 50 bis 150 µm heiß filtriert wird und

D) das Filtrat in einem Dünnschichtverdampfer im Temperatur­bereich oberhalb 300° C bis etwa 425° C und unter einem Druck ≦ 10 mbar aufkonzentriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Filterstufe (C) ein Plattenfilter verwendet wird, dem eine Nachwaschstufe zugeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Filterstufe (C) ein Trommelfilter mit trockenem Kuchen­austrag verwendet wird.

5. Verwendung des Pechmaterials nach Anspruch 1 in der kohlen­stoffverarbeitenden Industrie.

6. Verwendung des Pechmaterials nach Anspruch 1 zur Herstellung von Pechkoks.

7. Verwendung des Pechmaterials nach Anspruch 1 zur Herstel­lung von Kohlenstofformkörpern.

8. Verwendung des Pechmaterials nach Anspruch 1 als Impräg­niermittel.

9. Verwendung des Pechmaterials nach Anspruch 1 als Bindemittel.

Zeichnung