Прямоструминний пальник

Винахід стосується хімічної технології, а саме технології одержання високодисперсних оксидів металів шляхом спалювання хлоридів, або хлорорганічних сполук металів в полум'ї. Відомий пальник (аналог) для одержання пірогенного діоксиду кремнію шляхом спалювання пари тетрахлориду кремнію в полум'ї, який містить основне сопло для виведення змішаних реагентів, кільцеве сопло для створення обгортаючого шару із водню навколо полум'я та срібне кільце, встановлене на деякій відстані від кільцевого сопла (див. патент ФРН №2153671, кл. СО1В33/8, 1971p.). Загальними суттєвими ознаками відомого технічного рішення і винаходу, що заявляється, є те, що пальник призначено для одержання високодисперсного кремнезему шляхом полум'яного гідролізу пари одного з хлоридів металу, конкретно - тетрахлориду кремнію, водяною парою, яка утворюється при спалюванні суміші водню і повітря, для чого він містить сопло для виведення змішаних реагентів та кільцеве сопло для створення захисного обгортаючого шару із водню навколо полум'яного факелу. До недоліків відомого технічного рішення відноситься недостатня стабільність горіння полум'яного факелу, його пульсування, зривання полум'я та можливість створення умов, при яких виникають детонація горючої суміші газів та аварійні ситуації при експлуатації таких пальників, особливо при спробах зміни їх продуктивності понад 20-25% від номінальної в меншу або більшу сторону. Такі пальники особливо чутливі до порушення стехіометрії між компонентами суміші реагентів, що поступають на полум'яний гідроліз. Найбільш близький за технічною суттю і результатом, що досягається (прототип), до предмету винаходу є пальник (за європ. патентом №0044903А2, кл. СО1В33/18 від 1981р.) для одержання пірогенного діоксиду кремнію, який містить вихрову камеру зміщування з тангенційним підведенням патрубків для реагентів, концентрично установлене на корпусі кільцеве сопло для створення обгортаючого шару із горючого газу і секціоновану насадку з кількома рядами плоских ребер, закріплених на установленому по осі пальника пікоподібному соплі, причому камера зміщування з'єднана з трубоподібним соплом-корпусом кільцевим отвором для введення змішаних реагентів в сопло-корпус. Пара хлориду металу (тетрахлориду кремнію) може вводитися безпосередньо в камеру змішування або в центральне пікоподібне сопло. Горючий газ вводиться через тангенціальний патрубок в камеру змішування, а також в зовнішнє кільцеве сопло. Газ, що містить кисень (повітря), також вводять в камеру змішування через тангенціальний патрубок. В камеру змішування можуть вводитися нагріта до 500°С водяна пара та при необхідності - азот. Швидкість витікання суміші газів із сопла пальника складає 10-16м/с. Максимальна, заявлена в матеріалах патенту, продуктивність пальника становить 5,7кг/год SiCl4 (3,82л/год) при межах регулювання витрат 2,33-3,82л/год тетрахлориду кремнію з одержанням пірогенного діоксиду кремнію, який має питому поверхню від 160 до 288м2/г (по БЕТ). Спільними суттєвими ознаками прототипу і винаходу, що заявляється, є те, що пальник призначено для одержання пірогенного оксиду металу з хлориду цього металу шляхом полум'яного гідролізу цього хлориду водяною парою, яку отримують при спалюванні горючого газу в повітрі. Пальник при цьому містить камеру змішування реагентів, трубоподібний корпус, секціоновану насадку з кількома рядами плоских ребер, розміщених в цьому корпусі, сопло для виведення змішаних реагентів, кільцеве концентричне сопло для створення обгортаючого шару із горючого газу та патрубки для підведення горючого газу, газу, який містить кисень (повітря), і пари хлориду металу окремо, чи в суміші з нейтральним газом або повітрям. Недоліками відомої конструкції пальника (прототипу) є неможливість одержання стабільного горіння полум'я при спробі розширення меж регулювання продуктивності пальника, змінюючи витрати пари хлориду металу та інших компонентів. Основний його недолік - мала продуктивність пальника та необхідність вирівнювання завихреного потоку з допомогою секціонованої насадки. В основу винаходу поставлено завдання розробити максимально просту конструкцію пальника, яка б дозволила покращити якість продукту і значно збільшити продуктивність пальника в процесі одержання пірогенних оксидів металів з поверхнею в межах 100-450м2/г (по БЕТ) із їх хлоридів або інших сполук, що гідролізуються водяною парою, або згорають в присутності кисню, розширити межі регулювання витрат компонентів і швидкості витікання їх суміші із сопла в межах від 8 до 50м/с, та забезпечити стабільне, без зривання і без пульсування, полум'я, а також виключити можливість детонації горючої суміші. Вказаний технічний результат при здійсненні винаходу, що заявляється, досягається тим, що пальників пристрій для одержання високодисперсних оксидів металів із пари їх хлоридів чи інших сполук, які гідролізуються парою води, або згорають в присутності кисню, містить камеру змішування реагентів, трубоподібний корпус, розміщену в ньому секціоновану насадку з кількома плоскими ребрами в поперечному перерізі, сопло для виводу змішаних реагентів, кільцеве концентричне сопло для створення обгортаючого шару із горючого газу та патрубки для підведення горючого газу, повітря або газу, який містить кисень, і пари хлориду металу або суміш пари декількох хлоридів металів або хлорорганічні сполуки, із яких одержують пірогенні оксиди, окремо чи в суміші з нейтральним газом чи повітрям. Пальник відрізняється тим, що для стабілізації горіння, підвищення продуктивності пальника і покращення якості продукту у верхній частині трубоподібного корпусу і коаксіально до нього розміщена камера горючого газу, яка відділена від камери змішування з'ємним стаканом з кількома нахиленими до осі пальника під кутом 10-30° отворами. Діаметр цих отворів відноситься до діаметру сопла для виводу змішаних реагентів як 1 до 30-50, а сумарна поверхня поперечного перерізу отворів до поперечного перерізу цього сопла, - як 1 до 80-120. Отвори для введення горючого газу із спеціальної камери в камеру змішування у верхній частині трубоподібного корпусу пальника рівномірно розміщують по периметру з'ємного стакана. Для стабілізації горіння полум'я в широких межах регулювання продуктивності пальника і швидкостей витікання суміші реагентів із загального сопла (в межах від 8 до 50м/с) в трубоподібному корпусі з допомогою плоских ребер секціонованої насадки створюють паралельні потоки горючого газу, повітря і парів сполук металів, які поступають на гідроліз чи спалювання. Для цього, також, суміш повітря з парами названих сполук вводять в пальник не завихреним, а у вигляді прямого потоку. Для забезпечення прямого потоку вісь патрубка введення суміші повітря з хлоридами або хлорорганічними сполуками металів повинна співпадати з віссю пальника. Довжину трубоподібного корпусу пальника від зрізу сопла для виведення змішаних реагентів до отворів горючого газу вибирають не меншою 3 діаметрів цього сопла. Насадку виконують так, щоб еквівалентний діаметр каналів між її плоскими ребрами знаходився в межах 20-30мм і вона мала не менше двох секцій, установлених без розриву між ними і повернутих одна відносно одної на половину кута між сусідніми ребрами, а довжина ребер ближчої до зрізу сопла секції повинна відноситися до діаметра цього сопла як 1,5-2,0 до 1. При цьому ребра насадки заводять в камеру змішування вище отворів горючого газу. В іншому варіанті секціоновану насадку виконують такою, щоб вона мала не менше двох секцій, установлених з проміжком між ними і повернутих одна відносно одної на половину кута між сусідніми ребрами. Довжину ребер кожної секції і проміжків між секціями вибирають в межах 1,0-2,0 діаметра сопла для виведення змішаних реагентів, а відстань зрізу ребер нижньої секції від зрізу сопла - в межах 1,25-1,5 діаметру цього сопла. Введення горючого газу в камеру змішування через окремі отвори невеликого діаметру, рівномірно розміщені по периметру з'ємного стакана і під кутом 10-30° до осі пальника, сприяє більш повному і рівномірному змішуванню горючого газу з рештою компонентів. Одержана суміш не містить зон з підвищеною концентрацією горючого газу, як це має місце в пальнику відомої конструкції. Таке підвищення концентрації приводить до збільшення швидкості поширення фронту полум'я в об'ємі цих зон, а в окремих випадках до детонації суміші в пальнику, відриву полум'я від пальника, його пульсувань та до інших проявів нестабільного горіння (шум, тріск, нерівномірне забарвлення полум'я). Стабілізації полум'я в пальниках великої продуктивності також сприяє секціювання насадки та розбивка секцій плоскими ребрами на окремі паралельні канали в поперечному перерізі трубоподібного корпусу. Це пояснюється тим, що при такому виконанні пальника забезпечується плоскопаралельний рух газового потоку, значно зменшується масштаб турбулентності потоку, суміш реагентів є більш однорідною, а режим горіння стабільним навіть в пальниках з великим розміром устя загального сопла. Це дозволяє збільшити їх продуктивність, наприклад, до 130-180л/год SiCl4 та змінювати швидкість витікання суміші реагентів із пальника в межах 8-50м/с. Покращенню стабілізації роботи пальника і, внаслідок цього, підвищенню якості продукту сприяє також введення суміші хлоридів чи хлорорганічних сполук металів з повітрям (киснем) прямим (не завихреним) потоком по осі пальника. Таким чином, заявлена сукупність суттєвих ознак пальника, тобто таке його конструктивне виконання, коли горючий газ вводиться в камери змішування через окремі, далеко розміщені один від одного і достатньо малі отвори, та запропоноване ділення поперечного перерізу пальника з допомогою секціонованої насадки на окремі канали, об'єднані на виході спільним соплом, які забезпечують при надзвичайно простій конструкції пальника значне покращення якості продукту та збільшення продуктивності пальника і дозволяють її регулювати в широких межах (до 6 разів) при стабільному горінні полум'я, тобто досягати необхідного технічного результату, підтверджує наявність причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю суттєвих ознак, що заявляється, і технічним результатом, який при цьому досягається. На фіг.1 схематично показано загальний вигляд пальника. На фіг.2 показано поперечний розріз по А-А. На фіг.3 показано варіант пальника з іншим варіантом виконання секціонованої насадки. Прямопотоковий пальник складається із трубоподібного корпусу 1, який з одного боку закінчується соплом 2 великого діаметру dc для виводу суміші реагентів, а з іншого стикується з камерою 3 змішування цих реагентів. На корпусі 1 коаксіальнo установлене кільцеве сопло 4 для створення обгортаючого шару із горючого газу. Навколо камери 3 коаксіальнo до неї розташована додаткова камера 5 горючого газу, відділена від першої циліндричним з'ємним стаканом 6 з нахиленими до осі пальника під кутом 10-30° отворами 7 діаметром d0, з допомогою яких ці камери сполучаються. Діаметр отворів вибирають таким, щоб відношення d0 до діаметру сопла dc складало 1 до 30-50, а живий переріз всіх отворів 7 до площі поперечного перерізу сопла як 1 до 80-120. Відстань L0 від отворів 7 горючого газу до зрізу сопла 2 вибирають не меншою 3dc. Стакан 6 в корпусі пальника 1 кріпиться з допомогою фланцевого з'єднання 8, яке використовується також для закріплення насадки 9 в корпусі 1. Для цього у фланцевому з'єднанні 8 разом зі з'ємним стаканом 6 прижимається пластинчаста хрестовина 10, на якій з допомогою гайок 11 фіксується стержень 12 насадки 9. З допомогою гайок 11 і різьби на стержні 12 регулюється відстань Lн установки зрізу ребер 13 нижньої секції 14 від зрізу сопла 2. Трубоподібний корпус 1 по довжині розбивають на окремі канали 15 з допомогою плоских ребер 13 секціонованої насадки 9, при цьому канали з одного кінця закінчуються загальним соплом 2 з діаметром dc для виведення змішаних реагентів, а з іншого заходять вище отворів 7 для введення горючого газу. Кількість окремих каналів 15 в трубоподібному корпусі 1 пальника вибирають із розрахунку, щоб еквівалентний їх діаметр de знаходився в межах 20-30мм. Насадка 9 повинна мати не менше двох секцій 14, повернутих одна відносно одної на половину кута між сусідніми ребрами 13. В основному варіанті виконання насадки 9 її секції 14 установлюють на стержні 12 без розриву, а відношення довжини ребер Lp ближчої до зрізу сопла секції 14 до діаметра dс сопла 2 вибирають в межах L p/dc=1,5-2,0. В іншому варіанті виконання насадки 9 вона також повинна мати не менше двох секцій 14, які установлюються на стержні 12 з проміжком, довжина якого Lп рівна довжині Lр ребер 13 і яка вибирається в межах Lp/dc=Lп/dc=1,0-2,0. Від зрізу сопла 2 зріз нижньої секції 14 для цього варіанту насадки повинен знаходитися на відстані Lн, яку вибирають із співвідношення Lн/dc=1,25-1,5. Сусідні секції 14 також повернуті одна відносно одної на половину кута між сусідніми ребрами 13. Таке виконання насадки 9 і осьовий ввід газового потоку забезпечує його максимальну стабілізацію і вирівнювання профілю швидкостей по поперечному перерізу сопла 2. Подачу горючого газу в процес гідролізу хлоридів чи хлорорганічних сполук металів із камери 5 в камеру змішування 3 здійснюють через отвори 7, нахилені до осі пальника під кутом 10-30°. Для рівномірного розподілу горючого газу по поперечному перерізу корпусу 1 пальника отвори 7 в стакані 6 рівномірно розміщують по його периметру. Для введення в пальник горючого газу передбачені патрубки А, один із яких (А1) підведено в додаткову коаксіальну камеру 5, а інший (А2) - в кільцеве коаксіальне сопло 4. Патрубок Б призначений для введення повітря (кисню) та парів хлоридів або хлорорганічних сполук металів окремо чи в суміші між собою або з нейтральними газами. При цьому вісь цього патрубка співпадає з віссю пальника. Стикування патрубків А з додатковою камерою 5 та з соплом 4 переважно радіальне. Працює пальників пристрій так. В патрубок Б спочатку подають повітря або кисневмісний газ, який через камеру змішування 3 поступає в корпус 1 і секційованою насадкою рівномірно розподіляється по його поперечному перерізі. При русі газового потоку вздовж корпусу 1 по каналах 15 між ребрами 13 насадки 9 цей потік перетворюється в прямопоточний з вирівняною епюрою швидкостей на виході потоку із сопла 2. Тут він змішується з горючим газом, який подають через патрубок А2 в кільцеве сопло 4. Одержану суміш підпалюють і через патрубок А1 подають приблизно 1/3 основного потоку горючого газу. Після цього в кілька етапів, почергово збільшуючи витрату горючого газу через патрубок А1 та повітря через патрубок Б, доводять їх до номінальної потужності пальника для прогріву обладнання та технологічних комунікацій процесу одержання і виділення діоксиду кремнію чи окису іншого металу. Коли будуть досягнуті необхідні температурні режими, через патрубки Б в камеру 3 змішування, поступово збільшуючи витрату, подають пари тетрахлориду кремнію (чи хлориду іншого металу, або інших їхніх сполук) окремо чи в суміші з повітрям або інертним газом, виводячи пальник на необхідний режим роботи. Після виведення пальника в заданий технологічний режим підкоректовують витрату горючого газу в патрубок А 2 до величини, необхідної для створення обгортаючого шару навколо факелу, в якому йде реакція одержання пірогенного оксиду металу. При необхідності чистки отворів 7 в стакані 6, що може виникати, якщо водень містить деяку кількість водяної пари, розбирають фланцеве з‘єднання 8, із пальника виймають стакан 6 і замінюють його іншим, аналогічним, а знятий чистять від осаду оксиду. Після заміни стакану 6 пальник збирають і швидко (протягом 10-20хв) виводять в робочий режим. Різні режими роботи заявленого пальника приведено в табл.1. Тут же, для порівняння, приведено пропонований режим роботи пальника фірми "Дегусса" (прототип). Таблиця 1 Режими стабільної роботи пальників Витрата компонентів При– Повітря, клад нм3/год SiCl4, л/год 1 2 60,0 62,0 1,84 1,84 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 138,5 180,3 360,0 53,0 146,0 153,5 156,0 300,0 378,0 176,0 235,0 385,0 40,0 65,0 65,0 65,0 146,0 160,0 130,0 160,0 Швидкість Діаметр витікання Питома устя Водень в газів із поверхня Пара Горючий основного кільцеве МТХС*, (по БЕТ), устя водяна, газ (тип), сопла, сопло, л/год сопла, м2/г нм3/год кг/год 3 мм нм /год м/с За даними аналогу (Німецький патент №2153671 В2) 25,0(Н2) 3,5 9,0*** 200 58 25,0(H2) 0,7 9,2*** 200 58 Для запропонованої конструкції 75,0 4,0 8,0 106 825* 100,0 5,0 10,5 158 825* 180,0 5,0 18,8 205 825* 16,0 2 8,03 100 585* 34,0 2 20,2 168 585* 26,5 2 20,3 202 585* 26,5 2 20,6 381 585* 51,3 4 40,1 305 585* 65,0 3 49,9 412 585* 53,5 3 8,04 105 586* 130 3 8,03 163 586* 64,5 3 50,0 446 586* ПРИМІТКИ: *) МТХС - метилтрихлорсилан (СН3SіСl3); **) Частинки оксиду металу, які мають загущуючу здатність; ***) Визначено розрахунковим методом; 4 *) Визначено експериментально; 5 *) Варіант пальника по п.1-5 формули; 6 *) Варіант пальника по п.1-4, 6 формули Кількість активних частинок, %** 45-554* 45-554* 40-504* 40-504* 40-554* 40-454* 40-504* 45-504* 55-654* 50-604* 55-654* 45-504* 40-504* 55-654*