Спосіб очищення високодисперсного діоксиду кремнію

Спосіб очищення високодисперсного дюксиду кремнію від адсорбованого хлористого водню шляхом обробки зволоженим повітрям при температурі 300-500°С протягом від 40с до 5хв при прямотечійному русі фаз газодисперсного потоку компонентів від зони змішування через зону термообробки до зони відділення очищеного продукту від газів, який відрізняється тим, що неочищений дюксид кремнію вводять через усі зони в зону змішування по осі газодисперсного потоку і йому назустріч так, що діаметр підведеного потоку неочищеного продукту був в 4-6 разів менше діаметра зони термообробки Винахід відноситься до способів очищення високодисперсних оксидів, конкретно - діоксиду кремнію, одержаного гідролізом хлоридів, від адсорбованого на його поверхні хлористого водню Відомий спосіб (аналог) очищення високодисперсного діоксиду кремнію шляхом високотемпературної обробки в печі, що обертається, зневодненого аерогелю потоком сухого інертного газу при температурі 700-1000°С (див патент Швейцари №542151, кл С01ВЗЗ/18за1973р) Недоліки такого способу полягають в ускладненні технології за рахунок введення окремої стадії сушіння продукту і в високих енергетичних витратах, необхідних для попереднього висушування аерогелю і подальшого його прокалювання при вказаній температурі Крім того, виникає висока ймовірність спікання частинок діоксиду кремнію і зменшення, в зв'язку з цим, такого важливого технологічного показника, як питома поверхня Відсутня також рекуперація тепла відпрацьованих газів Загальними суттєвими ознаками такого відомого способу і способу, що заявляється, є прокалювання одержаного гідролізом діоксиду кремнію при високих температурах на протязі 1хв Відомий також спосіб (аналог) очищення з одночасним сушінням вологого високодисперсного діоксиду кремнію від хлористого водню шляхом високотемпературної обробки зволоженим повітрям при температурі 300-450°С в циліндроконіч ному колонному апараті з псевдозрідженим протитечійним вертикальним шаром на протязі 5-1 Охв з подачею неочищеного продукту в верхню частину апарату, а вологого повітря - в його нижню частину, рухом продукту зверху вниз і повітря знизу вверх через зону підігріву та виведенням очищеного діоксиду кремнію з нижньої частини апарату, а відпрацьованих газів - із верхньої (див а св СРСР №916395, кл С01ВЗЗ/18за1982р) До недоліків цього аналогу можна віднести значні втрати продукту з відпрацьованими газами та неможливість одержання достатньо сухого очищеного від хлористого водню діоксиду кремнію, оскільки в зону відділення очищеного продукту вводиться зволожене повітря Загальними суттєвими ознаками такого відомого способу і способу, що заявляється, є термообробка вологого діоксиду кремнію при високих температурах (300-450°С) на протязі 5хв і проведення процесу в зволоженому повітрі при русі газодисперсного потоку через зону підігріву з подальшим відділенням очищеного продукту від газів Найбільш близьким до запропонованого по технічній суті і результату, що досягається (протитипом), є спосіб очищення з одночасним сушінням вологого високодисперсного діоксиду кремнію від хлористого водню шляхом високотемпературної обробки зволоженим повітрям при температурі 450-1000°С в цилідроконічному колонному апараті О о (О 61107 з псевдозрідженим прямотечшним вертикальним шаром на протязі, переважно, 1-5хв , але не менше 40с, з подачею неочищеного продукту і зволоженого повітря в зону змішування в нижній частині апарату, їх руху від зони змішування знизу вверх через зону підігріву до зони відділення очищеного і зневодненого дюксиду кремнію шляхом його осадження від газового потоку і неперервного виведення переливом із верхньої розширеної частини апарату (див патент СРСР №469237, кл С01ВЗЗ/18 за 1962р та Регламент виробництва аеросилу №12 - Калуш ВАТ "Оріана", 1992р ) Недоліками відомого способу (прототипу) є підвищена витрата тепла, зв'язана з необхідністю підігріву до вказаних температур в зоні термообробки не тільки дюксиду кремнію, а й газів, які з ним поступають, а також повна відсутність рекуперації тепла відпрацьованих газів Загальними суттєвими ознаками цього відомого способу і способу, що заявляється, є термообробка вологого дюксиду кремнію при високих температурах (порядку 450-500°С) на протязі від 40с до 5хв і проведення процесу в зволоженому повітрі при прямотечійному русі газодисперсного потоку від зони змішування через зону підігріву до зони відділення очищеного продукту від газів Завдання винаходу полягає в одержанні сухого продукту і зменшенні енергетичних витрат на проведення термообробки дюксиду кремнію при його очищенні від хлористого водню зволоженим повітрям Вказаний технічний результат досягається тим, що очищення високодисперсного дюксиду кремнію від хлористого водню здійснюють на протязі від 40с до 5хв , переважно 1-5хв, шляхом термообробки зволоженим повітрям при температурі 300-500°С і прямотечійному русі фаз газодисперсного потоку компонентів від зони змішування через зону підігріву до зони відділення очищеного продукту від газів, при цьому неочищений дюксид кремнію вводять через усі зони в зону змішування по осі газодисперсного потоку і йому назустріч так, щоб діаметр з підведеного потоку неочищеного продукту був в 4-6 раз менше діаметру зони підігріву Спосіб відрізняється тим, що газодисперсний потік неочищеного дюксиду кремнію в процес обробки вологим повітрям вводять назустріч і по осі газодисперсного потоку, в якому проводять термообробку продукту, тобто послідовно від зони відділення через зону підігріву до зони змішування Він також відрізняється тим, що діаметр газодисперсного потоку неочищеного продукту в 4-6 рази менше діаметру зони підігріву Сукупність вказаних суттєвих ознак, що заявляються, тобто термообробка високодисперсного дюксиду кремнію вологим повітрям при температурі 300-500°С на протязі від 40с до 5хв в прямотечійному потоці твердої і газової фаз з подачею газодисперсного потоку неочищеного продукту в процес назустріч і по осі газодисперсного потоку, в якому проводять термообробку, причому так, щоб діаметр підведеного потоку неочищеного продукту був в 4-6 рази менше діаметру зони підігріву, забезпечує досягнення необхідного технічного результату, який полягає в зменшенні теплових ви трат, оскільки, за рахунок рекуперації значної КІЛЬКОСТІ тепла відпрацьованих газів, досягається підігрів газодисперсного потоку неочищеного продукту практично до температури термообробки Крім того, введення газодисперсного потоку неочищеного продукту по осі потоку, в якому проводиться термообробка дюксиду кремнію зволоженим повітрям і при вказаних співвідношеннях діаметрів підведеного потоку і зони підігріву дозволяє проводити рекуперацію тепла при максимальних швидкостях, тобто забезпечити найкращі умови для теплопередачі, а також, одночасно з цим вирівняти поле швидкостей в поперечному перерізі зони термообробки, де проводиться процес очищення продукту від хлористого водню, піднявши таким чином середнє значення швидкості потоку в цій зоні, що приводить, ВІДПОВІДНО до підвищення інтенсивності теплообміну між неочищеним продуктом та зволоженим повітрям і досягнення більш глибокого відділення хлористого водню від продукту Разом з тим, при вказаному співвідношенні діаметрів площа потоку підведення неочищеного продукту по відношенню до площі зони підігріву не перевищує 6%, що не приводить до порушення аеродинамічного режиму руху потоку через зону термообробки, особливо важливого для режиму псевдозрідження При величині співвідношення менше 4 починає різко рости площа, зайнята потоком неочищеного продукту, що порушує вказаний аеродинамічний режим в зоні термообробки, а при співвідношенні більше 6 виникають труднощі з введенням потоку неочищеного продукту на стадію очищення від хлористого водню Таким чином підтверджується наявність причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю суттєвих ознак, що заявляються, і технічним результатом, який при цьому досягається, оскільки тільки запропонований спосіб введення неочищеного продукту дозволяє виконати поставлене завдання досягти зменшення енерговитрат на проведення процесу і уникнути недоліків технологи, які мають місце в способі з протитечійним рухом фаз, тобто знизити втрати очищеного продукту з газовим потоком і одержувати його більш сухим Крім того, запропонований спосіб можна здійснювати як в горизонтальних печах, що обертаються, так і в вертикальних колонних циліндроконічних апаратах, тобто в будь-якому з апаратів, які тепер використовуються для проведення процесу очищення дюксиду кремнію від хлористого водню Принципова схема здійснення способу приведена на фіг В результаті полум'яного гідролізу чотирьоххлористого кремнію при температурі 1000-1400°С на стадії 1 одержують аерогель нанодисперсного дюксиду кремнію, який містить адсорбований на поверхні частинок хлористий водень Цей аерогель подають для охолодження на стадію 2 до 150-200°С Після ЦЬОГО на стадії 3 продукт коагулюють до розміру частинок в 5-25мкм і в вигляді газодисперсного потоку подають для відділення на стадії 4 від газового потоку кількох послідовно установлених циклонах Відділений високодисперсний вологий дюксид кремнію у вигляді пилегазового потоку з вмістом кремнезему 16-25г/л подають для очищення від хлористого водню на стадію 61107 5 в зону змішування, при чому так, щоб він проходив в ядрі потоку через усі зони цієї стадії На цю ж стадію в зону змішування подають повітря і водяну пару для його зволоження Далі ці реагенти поступають в зону термообробки Під дією підведеного теплового потоку зволожене повітря і пилегазовий потік нагрівають до 350-500°С, внаслідок чого на протязі 40с до 5хв проходить термообробка діоксиду кремнію і десорбція хлористого водню з поверхні частинок в об'єм газів Одночасно з відділенням хлористого водню йде і сушіння очищеного діоксиду кремнію В зоні попереднього відділення стадії 5 очищений продукт ВІДДІЛЯЮТЬ ВІД газового потоку і направляють на стадію 6 для охолодження до температури не більше 60°С Дальше його остаточно ВІДДІЛЯЮТЬ ВІД газів в циклонах, ущільнюють і фасують в герметичну тару на стадії 7 Гази із стадії 5 направляють на один із останніх циклонів стадії 4 для більш повного відділення діоксиду кремнію і зменшення його втрат з абгазами, які виводяться із процесу Приклад виконання способу (приклад №1) 39,55кг нанодисперсного діоксиду кремнію разом з 201,57кг абгазів, одержаних на стадії 1 шляхом полум'яного гідролізу чотирьоххлористого кремнію проходять через стадії 2 та 3, де вони охолоджуються від 1200 до 180°С, а неочищений дюксид кремнію коагулюється до розміру частинок 5-20мкм До цього потоку розмішується 24кг пилегазового потоку із зони попереднього відділення продукту стадії 5, в якому міститься 2,86кг діоксиду кремнію Обидва потоки направляються на стадію 4, де проходить відділення від абгазів неочищеного діоксиду кремнію в КІЛЬКОСТІ 40,41кг, в якому міститься 1,57мас % НСІ 3 такою КІЛЬКІСТЮ продукту захоплюється також 3,12кг газів, тобто в 1л відділеного пилегазового потоку міститься 18,1г твердого продукту Такий пилегазовий потік направляють в прямотечійний циліндроконічний колонний апарат на стадію 5 по спеціальному трубопроводі, розміщеному по осі вказаного апарата, де проводиться термообробка діоксиду кремнію при температурі 480°С на протязі ббсек, причому так, щоб він рухався назустріч потоку реагентів цієї стадії Діаметр трубопроводу підведеного потоку неочищеного продукту в 5,2 рази менше діаметра очисного апарату в зоні термообробки В зоні попереднього відділення стадії 5, за рахунок рекуперації тепла відпрацьованих газів, проходить підігрів пилегазового потоку неочищеного діоксиду кремнію до температури 380°С і охолодження потоку відпрацьованих абгазів до 200°С Далі підігрітий пилегазовий потік в зоні змішування зустрічається з 13,85кг підігрітого до 120°С повітря, зволоженого 2кг водяної пари, і ця суміш направляється в зону термообробки, до якої з допомогою ТЕНів підводиться 2320ккал тепла, що дозволяє підтримувати вказану температуру термообробки В результаті термообробки хлористий водень, абсорбований на поверхні неочищеного продукту, переходить в газовий потік і в очищеному дюксиді кремнію залишається 3,8г НСІ, або вміст останнього становить 0,01 мас % В зоні попереднього розділення стадії 5 ВІДДІЛЯЮТЬ 38,1кг очищеного і висушеного діоксиду кремнію, з яким захоплюється 7,63кг відпрацьованих газів, охолоджують до 60°С, ущільнюють до 120г/л і затарюють у герметичну упаковку Питома поверхня очищеного діоксиду кремнію становить ЗООкв м/г, а вологість не перевищує 1,5% Ступінь рекуперації тепла відпрацьованих газів на підігрів потоку неочищеного продукту становить 59,5%, або економія складає 46% від величини теплового потоку, який необхідно підводити для здійснення процесу його термообробки Інші приклади виконання способу показані в табл Тут також наведені порівняння запропонованого і відомого способів очищення високодисперсного діоксиду кремнію від хлористого водню Аналіз вище вказаних матеріалів показує, що запропонований спосіб дозволяє за рахунок рекуперації тепла відпрацьованих газів економити 4554% енергії, необхідної на проведення процесу термообробки очищення діксиду кремнію Таблиця Основні показники процесу очищення високодисперсного діоксиду кремнію Показник 1 Температура а) гідролізу SICU б) пилегазового потоку на очищення в) підігріву цього потоку за рахунок рекупирацм тепла г) відпрацьованих газів д) термообробки продукту 2 Потік а) діоксиду кремнію на очищення б) абгазів з продуктом 3 Вміст НСІ в продукті 4 Витрата а) повітря на очищення (120°С) б) водяної пари (120°С) 5 Тепловий потік Розмірність Приклади виконання способу Прототип №1 №2 №3 №4 °С °С 1210 1210 1210 1400 1000 180 180 180 180 180 °С 385 388 363 279 °С °С 480 480 200 480 200 480 200 500 200 300 кг/год 40,41 3,12 1,58 40,41 3,12 1,57 40,41 3,12 1,58 45,42 3,51 1,60 35,40 2,73 1,37 13,85 13,85 13,86 14,38 12,71 2,0 2,0 2,0 1,0 4,0 3565 2320 2330 2670 1130 -" мас % кг/год кг/год ккал/год 8 61107 Продовження таблиці Приклади виконання способу №1 №2 №3 66 250 70 38,11 38,10 43,12 0,010 0,010 0,009 300 309 149 1,5 1,5 1,5 Показник Розмірність 6 Час термообробки 7 Вихід очищеного продукту 8 Вміст В продукті НСІ 9 Питома поверхня продукту по БЕТ 10 Вологість (не більше) 11 Ступінь рекуперації тепла відпрацьованих газів 12 Економія тепла 13 Тип апарату *) на стадії очищення і сушіння продукту 14 Відношення діаметру підведеного потоку до діаметру зони термообробки сек кг/год мас % кв м/г мас % Прототип 66 38,10 0,018 302 1,5 % 59,5 59,8 62,0 33,8 % 53,6 53,8 46,0 45,8 1 1 2 1 1 5,2 5,0 4,3 6,0 №4 78 33,09 0,011 385 1,5 Примітка *) 1 - циліндроконічний колонний прямотечійний десорбер з псевдозрідженим шаром в зоні термообробки (діаметр зони термообробки - 0,65м, зони відділення продукту - 1,5м, довжина зони термообробки - 2,5м, зони відділення -1 м), 2 - секцюнована барабанна сушарка з перевалочною насадкою (діаметр - 1м, довжина - 4м, КІЛЬКІСТЬ секцій -12) Полум'яний гідроліз SiCU Охолодження продуктів п дро п ізу Коагулювання fj оксиду кремнію Віддалення диоксиду кремнію від газового потоку Охолодження очищеного продукту ВІДДІЛЄІШЯ, ущияьяення ї затаривания продукції SiO, Фіг. Комп'ютерна верстка О Гапоненко Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119