Вертикальний десорбер

1 Вертикальний десорбер для очищення високодисперсного дюксиду кремнію від хлористого водню шляхом протитечійної його обробки зволоженим інертним газом при високих температурах, який містить камеру термічної обробки продукту з пристроями для її нагріву, розміщену над нею циліндро-конічну камеру та патрубки для введення і виведення продуктів процесу десорбції, який відрізняється тим, що для термообробки продукту в фонтануючому режимі псевдозрідження вертикальна камера термічної обробки продукту секцюнована 4-6 поворотними поличками, осі яких зв'язані з механізмами стрибкоподібного повороту та синхронізації їх періодичного послідовного повороту знизу вверх, патрубок для введення неочищенного дюксиду кремнію розміщено зверху і продовжено через відстійну камеру до верхньої полички, патрубок для виведення очищенного продукту розміщено в найнижчій точці камери термічної обробки, патрубок для введення інертного газу підведено під нижню поличку, патрубок водяної пари для його зволоження установлено над цією поличкою, а патрубок відпрацьованих газів розміщено в кришці відстійної камери 2 Вертикальний десорбер за п 1, який відрізняється тим, що поперечний переріз камери термічної обробки продукту має форму круга, квадрата або прямокутника 3 Вертикальний десорбер за пп 1 та 2, який відрізняється тим, що кожна поличка складається з одного елемента, закріпленого на поворотній осі, яка співпадає або є паралельною з віссю симетрії поперечного перерізу в місцях розміщення поличок 4 Вертикальний десорбер за пп 1 та 2, який від різняється тим, що кожна поличка складається з двох окремих елементів, закріплених на своїх поворотних і розміщених в одній горизонтальній площині осях, які паралельні з віссю симетрії поперечного перерізу камери термічної обробки продукту в місцях розміщення поличок 5 Вертикальний десорбер за пп 1-4, який відрізняється тим, що осі повороту сусідніх по висоті поличок розвернуті одна до одної під кутом 90° 6 Вертикальний десорбер за пп 1-5, який відрізняється тим, що між стінками камери термічної обробки продукту та краями поличок по всьому їх периметру створено зазор для проходження газів, площа якого становить 10-20 % від площі поперечного перерізу камери 7 Вертикальний десорбер за пп 1-6, який відрізняється тим, що полички виконані плоскими 8 Вертикальний десорбер за пп 1-7, який відрізняється тим, що полички розміщені в горизонтальній ПЛОЩИНІ 9 Вертикальний десорбер за пп 1-3, 5-7, який відрізняється тим, що для кращого контакту продукту з газами полички розміщені під кутом 15-45° до горизонтальної площини 10 Вертикальний десорбер за пп 1, 2, 4-7, який відрізняється тим, що для кращого контакту продукту з газами елементи кожної полички розміщені під кутом 15-45 ° до горизонтальної площини так, щоб вони по середині поперечного перерізу камери термічної обробки продукту утворювали дашок 11 Вертикальний десорбер за пп 1-3, 5, 6, який відрізняється тим, що для кращого контакту продукту з газами полички мають , в залежності від форми поперечного перерізу камери термічної обробки продукту, конічну або пірамідальну форму з кутами при основі в межах 15-45° 12 Вертикальний десорбер за пп 1-11, який відрізняється тим, що як пристрої для нагріву камери термічної обробки продукту використано ЗОВНІШНІ обігрівачі 13 Вертикальний десорбер за пп 1-11, який відрізняється тим, що як пристрої для нагріву камери термічної обробки продукту використано трубчасті ТЕНи, розміщені в кожній секції зони термообробки так, щоб вони не заважали повороту поличок СО о> 00 сч ю 52893 Винахід відноситься до апаратурного забезпечення процесу очищення високодисперсних окислів, конкретно - дюксиду кремнію, одержаного гідролізом хлоридів, від адсорбованого на його поверхні хлористого водню Відоме застосування (аналог) для очищення високодисперсного дюксиду кремнію шляхом високотемпературної обробки зневодненого аерогелю потоком сухого інертного газу при температурі 700 - 1000°С протягом 60 сек в печі, що обертається, (див патент Швейцарії № 542151, кл С01В 33/18 за 1873 р) Недоліки такого апаратурного забезпечення процесу очищення дюксиду кремнію полягають в ускладнені технології за рахунок введення окремої стадії сушіння продукту, у високих енергетичних затратах, необхідних для попереднього висушування аерогелю і подальшого його прокалювання при вказаній температурі Крім того, виникає висока ймовірність спікання частинок дюксиду кремнію і зменшення, в зв'язку з цим, питомої поверхні Відсутня також рекуперація тепла відпрацьованих газів Загальними суттєвими ознаками такого відомого апарату і апарату, що заявляється, є обробка одержаного гідролізом дюксиду кремнію інертним газом і його прокалювання при високих температурах протягом певного часу в спеціальній термічній зоні Відомий також апарат, який є найбільш близьким до запропонованого по технологічній суті і результату, що досягається (прототипом), призначений для очищення з одночасним сушінням вологого високодисперсного дюксиду кремнію від хлористого водню шляхом високотемпературної обробки продукту зволоженим повітрям при температурі 300 - 450°С в псевдорозрідженому протитечійному шарі протягом 5 - 10 хв, але не менше 40 сек, виконаний у вигляді циліндро-конічної колони, верхня, розширена частина якої є ВІДСТІЙНОЮ камерою для відділення продукту від газів, а нижня, циліндрична частина, призначена для термічної обробки продукту ( див а св СРСР № 916395, кл С01В 33/18 за 1982 р) До недоліків прототипу можна віднести високі енергетичні затрати на термообробку матеріалу та значні втрати продукту з відпрацьованими газами, оскільки для підтримування псевдорозрідженого шару необхідно вводити багато зволоженого повітря Окрім того, застосування псевдорозрідженного шару при низькій об'ємній густині матеріалу приводить до зростання габаритів апарату Загальними суттєвими ознаками цього апарату і апарату, що заявляється, є те, що для обробки вологого дюксиду кремнію при високих температурах (термообробки) протягом певного часу в потоці зволоженого повітря при протитечійному русі газів і продукту з подальшим відділенням очищеного продукту від газів, використовується вертикальний колонний десорбер, що має вертикальну камеру термічної обробки продукту, розміщену над нею циліндро-конічну відстійну камеру та патрубки для введення і виведення продуктів процесу десо рбції Задача винаходу полягає у зменшенні енергетичних затрат та КІЛЬКОСТІ газу на проведення очистки дюксиду кремнію від хлористого водню Вказаний технічний результат досягається тим, що для сушіння і очищення високодисперсного дюксиду кремнію від хлористого водню шляхом протитечійної високотемпературної обробки зволоженим повітрям протягом певного часу використовують вертикальний апарат (десорбер), який містить камеру термічної обробки продукту з пристроями для її нагріву, розміщену над нею циліндро-конічну відстійну камеру та патрубки для введення і виведення продуктів процесу десорбції Апарат відрізняється тим, що вертикальна камера термічної обробки продукту в поперечному перерізі, окрім форми круга, може мати форму квадрата або прямокутника Вона розбита на секції 4 - 6 поворотними поличками, осі яких зв'язані з механізмами стрибкоподібного повороту та синхронізації їх періодичного послідовного повороту знизу вверх, патрубок для введення неочищеного дюксиду кремнію розміщують зверху і продовжують через відстійну камеру до верхньої полички, патрубок для виведення очищеного продукту розміщують у найнижчій точці камери термічної обробки, патрубок для введення інертного газу (повітря) підводять під нижню поличку, патрубок водяної пари для його зволоження встановлюють над цією поличкою, а патрубок відпрацьованих газів розміщують у кришці відстійної камери Він відрізняється також тим, що кожна поличка складається з одного або двох елементів, закріплених на поворотних осях, які співпадають або є паралельними з віссю симетрії поперечного перерізу камери термічної обробки продукту в місцях розміщення поличок, причому, якщо поворотних осей дві, то вони розміщені в одній горизонтальній площині, а по висоті апарату осі повороту сусідніх поличок розвернуті одна до одної під кутом 90° Крім того, полички можуть бути виконані із плоских елементів, або мати конічну чи пірамідальну форму з кутами при основі в межах 15 - 45°, а між стінками камери термічної обробки продукту та краями поличок по всьому їх периметру передбачено зазор для проходження газів, площа якого становить 10 - 20% від площі поперечного перерізу камери При плоскій формі поличок вони можуть бути розміщені в горизонтальній площині, або, для кращого контакту продукту з газами, - встановлені під кутом 15 45° до горизонтальної площини, а для варіанту виконання поличок з двох плоских елементів, останні для кожної полички розміщують так, щоб вони по середині поперечного перерізу камери термічної обробки продукту утворювали дашок Десорбер відрізняється також тим, що для нагріву камери термічної обробки продукту використовують ЗОВНІШНІ обігрівачі для нагріву продукту через и стінки, або трубчасті ТЕНи, розміщені в кожній секції зони термообробки продукту так, щоб вони не заважали повороту поличок Таке виконання десорбера дозволяє для термообробки продукту замінити киплячий шар фонтануючим і забезпечи 52893 ти необхідний контакт газів з неочищеним продуктом Сукупність вказаних суттєвих ознак, що заявляються, тобто використання для процесу десорбції хлористого водню із високодисперсного дюксиду кремнію апарату колонного типу, який з метою термічної обробки продукту нагрівають спеціальними пристроями ззовні через стінки або зсередини трубчастими ТЕНами та секціювання вертикальної камери термічної обробки плоскими або спеціальної, вказаної вище форми та виконання, поворотними поличками, осі яких зв'язані з механізмами стрибкоподібного повороту та синхронізації для їх періодичного і послідовного повороту знизу вверх, забезпечує досягнення необхідного технічного результату, який полягає в зменшенні теплових затрат на підігрів меншої КІЛЬКОСТІ газів та рекуперації значної КІЛЬКОСТІ тепла відпрацьованих в кожній секції газів для підігріву газодисперсного потоку неочищенного продукту та продукту з верхніх секцій практично до температурної обробки Використання фонтануючого режиму замість киплячого, крім зменшення витрати газів в процес, дозволяє значно зменшити вертикальний габарит апарату і знизити капітальні витрати на здійснення процесу Використання фонтануючого режиму обробки продукту за рахунок зазорів по периметрах між стінками апарату та краями поличок, а також за рахунок вказаного виконання останніх, навіть при зменшених витратах газів у процесі десорбції, дозволяє проводити термообробку дюксиду кремнію вологим повітрям при максимальних (більших ніж для киплячого шару ) швидкостях, тобто забезпечити найкращі умови для теплопередачі, та, одночасно з цим, оптимізувати поле швидкостей в поперечному перерізі зони термообробки, де проводиться процес очищення продукту від хлористого водню, піднявши інтенсивність теплообміну між неочищеним продуктом та зволоженим повітрям і досягати більш глибокого відділення хлористого водню від продукту Цьому ж сприяє те, що осі повороту сусідніх по висоті поличок розвернуті одна до одної під кутом 90°, за рахунок чого забезпечується краще секціювання апарата і перерозподіл продукту по його поперечному перерізі Нормальне секціювання апарата, при вказаному виконанні поличок, залежить від КІЛЬКОСТІ секцій і досягається, якщо вони складають 4 - 6 штук Вказані межі зміни кута нахилу плоских поличок, чи кута при основі поличок інших форм (15 - 45°) забезпечують виникнення і підтримання стабільного фонтануючого шару, який, як відмічалося вище, є ефективнішим за киплячий Таким чином підтверджується наявність причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю суттєвих ознак, що заявляються, і технічним результатом, який при цьому досягається, оскільки тільки запропонована конструкція для десорбції хлористого водню з неочищеного продукту дозволяє виконати поставлене завдання - досягти зменшення енерговитрат на проведення процесу і уникнути недоліків конструкції, які мають місце в апараті з класичним киплячим шаром при протитечійному русі фаз, тобто за рахунок секціювання підняти ефективність теплообміну та знизити втрати очищеного продукту з газовим потоком і одержувати його більш сухим Конструкція вертикального десорбера в різних варіантах виконання приведена на фіг 1 - 6 На фіг 1 показано загальний вигляд десорбера з одноелементними плоскими поличками, розміщеними в горизонтальній площині На фіг 2 показано варіант апарата з установленими під кутом до горизонту одноелементними поличками На фіг 3 показано варіант виконання апарата з двохелементними поличками, розміщеними в горизонтальній площині На фіг 4 показано варіант апарата з установленими під кутом до горизонту двохелементними поличками, які утворюють при цьому дашок На фіг 5 показано загальний вигляд десорбера з одноелементними поличками, конічної чи призматичної форми На фіг 6 показано різні форми поперечного перерізу десорбера Вертикальний десорбер складається з вертикальної камери 1 для термічної обробки і сушіння продукту, над якою розміщена циліндро-конічна відстійна камера 2 для відділення відпрацьованих газів від високодисперсного дюксиду кремнію Через кришку 3 цієї камери проходить патрубок 4 для введення продукту на очистку На кришці 3 розміщено також патрубок 5 для виводу відпрацьованих газів Камера 1 секцюнована по вертикалі на декілька секцій 6 поворотними поличками 7, які складаються з одного (7а), або двох (7а, 76) елементів, кожний із яких закріплений на осях 8 Полички 7 можуть бути плоскими, чи мати конічну або пірамідальну форму Плоскі ПОЛИЧКИ можуть розміщуватися в горизонтальній площині чи бути встановленими під кутом 15 - 45° до останньої Осі 8 поличок 7 зв'язані з механізмами 9 для стрибкоподібного періодичного і послідовного повороту поличок 7 Синхронізацією та ПОСЛІДОВНІСТЮ повороту поличок 7 керує механізм 10 Між краями поличок 7 та стінками камери 1 є зазори 11, через які із секції в секцію переходять гази На підтримання необхідного температурного режиму для термічної обробки матеріалу служать ТЕНи 12, які можуть бути встановлені як в кожній із секцій 6 для прямого нагрівання продукту, так і за межами камери 1 для нагрівання матеріалу через її стінки Для зменшення теплових втрат камера 1 термічної обробки матеріалу оснащена термоізоляцією 13 Через стінки нагрівання камери 1 може здійснюватися іншими пристроями і способами, наприклад від використання димових газів з процесу спалювання палива будь-якого типу В нижній частині камери 1 під нижньою поличкою 7 розміщено патрубок 14 для подачі повітря на десорбцію, а над цією поличкою - патрубок 15 для подачі зволожуючої водяної пари Ще нижче знаходиться патрубок 16 для виведення очищеного від хлористого водню і висушеного високодисперсного дюксиду кремнію Працює десорбер так Нанодисперсний дюксид кремнію, що містить адсорбований на поверхні частинок хлористий водень і який одержують в результаті полум'яного гідролізу чотирихлористого кремнію при температурі 1000 - 1400°С, охолоджують до 150 - 200°С і після коагулювання до розміру частинок в 5 52893 25мкм у вигляді газодисперсного потоку подають на циклон для відділення від газового потоку Відділений дюксид кремнію у вигляді пилегазового потоку з вмістом S1O2 16 - 25г/л подають для очищення від хлористого водню в першу секцію десорбера через патрубок 4 В цій камері та інших, нижче розміщених, секціях 6, дюксид кремнію нагрівається ТЕНами 12 і піддається термічній обробці при температурі понад 450°С протягом від 40 сек до 5 хв, внаслідок чого хлористий водень десорбує з поверхні частинок продукту в газовий потік Для прискорення цього процесу і підвищення його ефективності витрати повітря та водяної пари підбирають таким чином, щоб в кожній із секцій 6 десорбера біля зазорів 11 між стінками вертикальної камери 1 і краями поличок 7 створювався фонтануючий режим контактування газового потоку, який рухається знизу вверх, з потоком частинок продукту, який транспортується йому назустріч шляхом послідовного пересипання з секції в секцію Для пересипання матеріалу з секції в секцію 6 полички 7 або їх елементи 7а та 76 періодично і стрибкоподібно повертаються на осях 8 з допомогою привідних механізмів 9 будь-якої відомої конструкції, ПОСЛІДОВНІСТЬ і синхронізацію спрацювання яких здійснюють спеціальним механізмом 10, конструкція якого також відома При використанні плоских горизонтальних поличок десорбер має 8 мінімальну висоту і є найпростішим по конструкції, але режим фонтанування при цьому нестабільний і не поширюється на весь поперечний переріз апарату, що знижує ефективність відділення НСІ Вища стабільність фонтанування частинок продукту досягається в десорбері з нахиленими під кутом до горизонталі плоскими або виконаними у вигляді конуса чи піраміди поличками 7, але при цьому росте вертикальний габарит апарату Зменшення висоти десорбера при високій ефективності очистки продукту від НСІ і стабільному режимі фонтанування частинок досягають у варіанті виконання поличок 7 із двох елементів, установлених або під кутом до горизонталі, або так, щоб вони утворювали дашки Виконання поличок з двох елементів 7 (а, б) полегшує також розміщення ТЕНів у зоні термічної обробки матеріалів, а послідовне розвертання осей 8 на 90° між сусідніми по висоті поличками 7, що закріплені на цих осях, дозволяє краще секцюнувати камеру 1 термічної обробки і розподіляти продукт по її поперечному перерізі Кислі відпрацьовані гази ВІДДІЛЯЮТЬ ВІД частинок в циліндро-конічній ВІДСТІЙНІЙ камері 2 і виводять із десорбера через патрубок 5, розміщений на кришці 3 Очищений від хлористого водню продукт досушують під нижньою поличкою 7 ТЕНами 12 і виводять із апарату через патрубок 16 Таблиця Основні показники процесу очищення високодисперсного діоксиду кремнію (аеросилу) Показник 1 Температура а) потоку аеросилу на очищення б) термообробки продукту в) повітряна десорбцію НСІ із аеросилу г) водяної пари на зволоження повітря д) підігріву потоку аеросилу за рахунок рекуперації тепла є) відпрацьованих газів ж) аеросилу на виході із апарата 2 Потік а) аеросилу на очищення від НСІ б) абгазів з продуктом 3 Вміст НСІ в продукті 4 Витрата а) повітря на очищення б) водяної пари 5 Тепловий потік на термообробку 6 Час термообробки 7 КІЛЬКІСТЬ ПОЛИЧОК Розмірність Конструкція апарату*' Прототип №1 №2 №3 №4 °С 180 180 180 180 180 °С 480 480 480 480 480 °С 120 20 20 20 20 °С 120 120 120 120 120 °С 325 260 255 260 260 °С °С 325 310 260 380 255 380 260 385 260 385 кг/год 40,41 40,41 40,41 40,42 40,40 кг/год мас % 3,12 1,58 3,12 1,57 3,12 1,58 3,11 1,60 3,13 1,37 кг/год 13,55 5,80 5,80 5,81 5,75 кг/год ккал/год 2,0 1,5 1,5 1,5 1,5 2660 1570 1575 1570 1565 сек шт 65 180 4 240 5 180 4 300 6 8 Вміст НСІ в аеросилі мас % 0,018 0,008 0,007 0,009 0,011 9 Питома поверхня продукту по БЕТ м'/г 302 300 291 309 305 10 Вологість (не більше) мас % 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 11 Ступінь рекуперації тепла відпра% 32,3 45,8 46,8 45,8 45,8 цьованих газів 12 Економія тепла % 41,0 40,8 41,0 41,2 № 1 - похилі плоскі одноелементні полички (кут нахилу 30°), № 2 - похилі двохелементні полички дашком (кут нахилу елементів - 15°), № 3 - КОНІЧНІ або пірамідальні полички (кут при основі 45°), № 4 плоскі горизонтальні одноелементні полички 52893 Результати випробувань різних варіантів десорбера запропонованої конструкції наведені в табл Діаметр (довжина бічної стінки квадратного перерізу) камери термообробки продукту становили 0,65м, її висота - 2,5м, а для циліндро-конічної відстійної камери десорбера ВІДПОВІДНО 1,5 та 1,0м В цій же таблиці також показана ефективність відомого апарату тих же габаритів Температура продукту, який поступав на десорбцію, становила 180°С, температура термообробки продукту 480°С, а температура зволоженого повітря на обробку продукту - 120°С для прототипу і 20°С для запропонованої конструкції Аналіз представлених матеріалів показує, що запропонована конструкція десорбера дозволяє економити 40 - 4 1 % енергії та досягати високого ступеня очищення дюксиду кремнію Важливим МГ.1 10 показником є температура відпрацьованих газів на виході із апарата, оскільки чим вона нижча, тим простіша їх подальша очистка від хлору і хлористого водню перед викидом в атмосферу Значний вплив на ефективність очистки має форма поличок плоскі горизонтальні полички дозволяють при тій же висоті камери термічної обробки матеріалу збільшити КІЛЬКІСТЬ секцій і час термообробки, але нестабільний фонтануючий режим погіршує процес десорбції, для похилих плоских поличок КІЛЬКІСТЬ секцій і час термообробки менші, але ефективність десорбції НСІ набагато краща, для поличок, виконаних дашком, конічної або пірамідальної форми - ефективність на рівні похилих поличок Кут нахилу елементів поличок в указаних межах суттєво не впливає на процес десорбції Фїг.2 11 52893 12 Фіг.4 13 52893 чг.5 ФІГ.6 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24