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一、基礎(chǔ)參數(shù)定義

目標(biāo)產(chǎn)量：最終成品質(zhì)量(Mfinal，單位：kg）

原料組成（典型配方）：

石油焦（主原料，固定碳含量Cpet=98%）

瀝青（粘結(jié)劑，固定碳含量Cpitch=60%，揮發(fā)分Vpitch=40%）

包覆瀝青（表面處理，占成品質(zhì)量 5%~8%）

工藝收率：

預(yù)處理收率ηpre=95%

造粒收率ηgran=90%

石墨化收率ngraph=85%

包覆收率ncoat=98%

 

二、原料選擇與基礎(chǔ)參數(shù)

1. 常用原料及特性

2. 目標(biāo)產(chǎn)品指標(biāo)

總固定碳 ≥98.5%

揮發(fā)分 ≤3%

灰分 ≤0.5%

振實(shí)密度 ≥0.85g/cm³

 

三、配比計算邏輯框架

1、計算邏輯

從目標(biāo)產(chǎn)量逆向推導(dǎo)各工序投料量，公式鏈：

 

 

 

2. 原料配比計算步驟

輸入?yún)?shù)：目標(biāo)產(chǎn)量M_total(kg)，各原料固定碳含量C_i(%)

 

核心公式：

 

Σ(W_i × C_i) = M_total × C_target 

Σ(W_i × V_i) ≤ M_total × V_max 

Σ(W_i × A_i) ≤ M_total × A_max 

ΣW_i = M_total / η_total

（η_total為總收率，通常取0.85-0.92）

 

3. 三原料系統(tǒng)計算示例

假設(shè)條件：

 

石油焦：C1=97%，V1=6%

 

瀝青：C2=48%，V2=40%

 

石墨粉：C3=99.9%，V3=0.1%

 

目標(biāo)C_target=98.5%，V_max=3%

 

建立方程組：

 

0.97x + 0.48y + 0.999z = 0.985(x+y+z) 

0.06x + 0.4y + 0.001z ≤ 0.03(x+y+z)

 x + y + z = 100% 

解得典型配比：

 

石油焦 82%

 

瀝青 12%

 

石墨粉 6%

 

四、摩爾比計算模型

1. 碳元素摩爾計算

n_C = Σ(W_i × C_i%) / 12

示例：

 

石油焦：82kg×97% = 79.54kg C → 79.54/12=6.628kmol

 

瀝青：12kg×48% = 5.76kg C → 0.48kmol

 

石墨粉：6kg×99.9% = 5.994kg C → 0.4995kmol

總碳摩爾 = 7.6075kmol

 

2. 氫氧元素平衡

n_H = Σ(W_i × H%) / 1 

n_O = Σ(W_i × O%) / 16

 

典型瀝青含H≈4%，O≈2%，則：

 

瀝青H貢獻(xiàn)：12kg×4% = 0.48kg → 480mol

 

O貢獻(xiàn)：12kg×2% = 0.24kg → 15mol

 

碳摩爾計算：

 

石油焦碳量C 1133.8kg×98%=1111.1kg 

 

粘結(jié)劑瀝青碳量C

 

 200.1kg×60%=120.1kg 

 

總碳摩爾數(shù)：

瀝青揮發(fā)分摩爾數(shù)：

 

五、關(guān)鍵公式總結(jié)

逆向推導(dǎo)公式：

 

碳平衡公式：

 

 

 

六、分步計算示例

目標(biāo)：生產(chǎn) 1000 kg 人造石墨負(fù)極材料

 

Mfinal=1000kg

 

1. 包覆處理階段

 

包覆瀝青用量：Mcoat-pitch=Mfinal×5%=50kg

 

包覆前物料量：

 

2. 石墨化階段

石墨化前物料量：

 

3. 造粒階段

造粒前物料量：

 

 

粘結(jié)劑瀝青用量（占造粒物料 15%）：

 

石油焦用量：

4. 預(yù)處理階段

預(yù)處理投料量：

 

石油焦實(shí)際投料量（含預(yù)處理損失）：

粘結(jié)劑瀝青實(shí)際投料量：

 

六、物料平衡計算表

以生產(chǎn)1噸人造石墨為例：

 

總收率：800/1000=80%

 

六、工藝調(diào)整系數(shù)

揮發(fā)分補(bǔ)償系數(shù)：

K_v = (V_實(shí)測 - V_目標(biāo))/ΔV_瀝青 

ΔV_瀝青 ≈ 0.35（每增加1%瀝青提高0.35%揮發(fā)分）

灰分控制公式：

A_total = 0.82×0.5% + 0.12×0.3% + 0.06×0.05% = 0.46%

 

七、新手操作流程

確定目標(biāo)產(chǎn)量和指標(biāo)

選擇基礎(chǔ)原料配比（推薦初始比例：石油焦75-85%）

代入公式驗(yàn)證碳含量：

總碳量 = Σ(原料比例×碳含量)

調(diào)整瀝青比例控制揮發(fā)分

驗(yàn)證灰分是否達(dá)標(biāo)

計算摩爾比確認(rèn)元素平衡

建立物料平衡表

 

八、注意事項(xiàng)：

原料批次差異需每批檢測元素含量

石墨化溫度影響碳結(jié)構(gòu)，需配合XRD檢測調(diào)整

造粒階段需控制粒徑分布：D50=15-25μm

 

通過本計算體系，新手可系統(tǒng)掌握從原料選擇到工藝平衡的全流程量化設(shè)計方法，建議配合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)持續(xù)優(yōu)化模型參數(shù)。