Технологическая установка для получения высокодисперсного порошка оксида металла
Полезная модель включает цилиндрический реактор из огнеупорного материала, систему приготовления, подачи и распыления через форсунку технологического раствора в реактор, систему подачи воздуха в форсунку, систему подачи горючего газа в горелку и соединенные с реактором системы улавливания твердых продуктов и обезвреживания реакционных газов. Новым является то, что реактор заключен в электрообогреваемый кожух с внешней теплоизоляцией, внутри реактора размещена пористая перегородка из огнеупорного материала, установленная на расстоянии не ближе 0,8 длины реактора от входа потока в реактор. Площадь отверстий пористой перегородки составляет не менее 25% площади перегородки. Форсунка совмещена с горелкой и выполнена сборной в виде двух соединенных частей, формирующих цилиндрический корпус горелки, имеющий центральный канал для подачи и распыления смеси технологического раствора и сжатого воздуха, и размещенные вокруг него кольцевой и периферические каналы для подачи горючего газа. Первая часть форсунки имеет фланцы для подачи технологического раствора и сжатого воздуха, соединенные с центральным каналом, вторая часть имеет фланец для подачи горючего газа, соединенный с кольцевым каналом, сообщающимся с периферическими каналами, выходные отверстия которых расположены по периметру от центрального канала. Оси периферических каналов направлены под углом от 10 до 45 градусов к оси центрального канала форсунки. Технический результат заключается в высоком превращении прекурсора в целевой продукт с узким распределением частиц по размерам, а также стабилизации во времени гранулометрического и фазового составов продукта.
Полезная модель относится к аппаратам для получения высокодисперсных материалов и может использоваться в химической промышленности, электронике, порошковой металлургии, волоконной оптике, производстве керамических материалов для получения ультрадисперсных оксидов металлов, например, оксида титана, с высокой удельной поверхностью, химической и каталитической активностью.
Известна установка для производства диоксида титана (Синтез TiO 2 высокотемпературным парофазным гидролизом TiCl4 // Журн. «Титан», М: 1998, 
1 (10), с.4), включающая реактор синтеза TiO2 , в котором происходит испарение TiCl4 и реакция термогидролиза - за счет взаимодействия в зоне горения природного газа, диспергированного испаренного TiCl4 с парами воды при 765-1030°С. Установка содержит также пылевую камеру и циклон для улавливания получаемого TiO2, бункер готового продукта и дымосос.
Опытные и промышленные испытания показали, что совокупность оборудования, входящего в состав данной установки, обеспечивает переработку TiCl4 парофазным гидролизом с получением TiO2, анатазной и/или ру-тильной модификации по многим показателям (белизна, маслоемкость, ук-рывистость, дисперсность), удовлетворяющим действующим требованиям ГОСТ и ТУ на «диоксид титана пигментный».
Недостатком известной установки является то, что получаемый TiO2, вследствие адсорбции Сl2 и НСl в процессе синтеза и парофазного гидролиза TiCl4, имеет величину рН водной суспензии 2,2-3,0 (по ГОСТ необходимо 6,5÷8,0), в связи с чем, получаемый диоксид титана не может быть непосредственно использован в производстве лакокрасочных материалов, бумаги, пластмасс, волоконной оптики и т.п. Кроме того, в составе известной установки отсутствует необходимое оборудование для специальной обработки TiO2 , не предусмотрено также оборудование для утилизации образующейся при парофазном гидролизе соляной кислоты и ее обезвреживания.
Известна также установка для производства диоксида титана гидролизом соли титана, в частности сульфата титана в присутствии зародышей (Л.Г.Хазин. Двуокись титана. М: ЦИИЦМ, 1960, с. 38-47), включающая емкость с исходным раствором сульфата титана, выпарные аппараты, реактор для приготовления «зародышей», имеющий соединение с емкостью для раствора гидроксида натрия и реактором для гидролиза титана; реактор снабжен мешалкой, змеевиком для нагрева и кипячения растворов, системами подачи острого пара и охлаждения водой. Реактор для гидролиза соединен с фильтровальным оборудованием (нутч-фильтры, фильтр-прессы, барабанные вакуум-фильтры и т.д.) для выделения из суспензии метатитановой кислоты и ее промывки. После фильтровального оборудования в установке размещена сушильная камера и прокалочная печь.
Совокупность оборудования, входящая в состав установки и определенные режимы, параметры осуществления процесса обеспечивают получение диоксида титана, соответствующего по всем показателям, требованиям ТУ и ГОСТ на «Диоксид титана пигментный».
Однако известная установка не позволяет получать высокодисперсный порошок TiO2, предназначенный для производства волоконной оптики, керамики, а также - материалов с высокими удельной поверхностью, химической и каталитической активностью. Кроме того, в известной установке не предусмотрено оборудование для переработки, обезвреживания и утилизации отходов производства, образующихся в процессе синтеза TiO2.
Из известных аналогов наиболее близкой к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является технологическая установка для получения высокодисперсного порошка оксида металла, включающая в себя цилиндрический реактор из огнеупорного материала, узлы приготовления, подачи и распыления через форсунку технологического раствора в реактор, систему подачи воздуха в форсунку, систему подачи газа в горелку для поджига технологического раствора, соединенные с реактором системы улавливания твердых продуктов и обезвреживания реакционных газов. (Получение ультрадисперсного диоксида титана методом термогидролиза. /В.З.Пойлов, С.А.Онорин, С.А.Лобанов, А.Л.Казанцев, С.А.Смирнов, К.Ф.Исламов //Вестник ПГТУ. Химическая технология и биотехнология. Издательство ПГТУ. -2010.- .11. -С. 5-14). Данная установка принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели - цилиндрический реактор из огнеупорного материала; система приготовления, подачи и распыления через форсунку технологического раствора в реактор; система подачи воздуха в форсунку; система подачи горючего газа в горелку; соединенные с реактором системы улавливания твердых продуктов и обезвреживания реакционных газов.
Недостатком известной установки, принятой за прототип, является то, что в установке не достигается высокая степень превращения прекурсора в оксид. Кроме того, поле температур в реакторе неоднородно и нестабильно, что приводит к колебаниям во времени гранулометрического и фазового составов продукта.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение условий получения высокодисперсных порошков оксидов металлов с высокой степенью превращения и со стабильными гранулометрическим и фазовым составами продукта, пригодного для производства волоконной оптики (оптического стекловарения), производства специальной керамики и катализаторов.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемой полезной модели, заключается в высоком превращении прекурсора в целевой продукт с узким распределением частиц по размерам и стабилизации во времени гранулометрического и фазового составов продукта.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известной технологической установке для получения высокодисперсного порошка оксида металла, включающей цилиндрический реактор из огнеупорного материала, систему приготовления, подачи и распыления через форсунку технологического раствора в реактор, систему подачи воздуха в форсунку, систему подачи горючего газа в горелку и соединенные с реактором системы улавливания твердых продуктов и обезвреживания реакционных газов, реактор заключен в электрообогреваемый кожух с внешней теплоизоляцией, внутри реактора размещена пористая перегородка из огнеупорного материала, установленная на расстоянии не ближе 0,8 длины реактора от входа потока в реактор, при этом форсунка совмещена с горелкой и выполнена сборной в виде двух соединенных частей, формирующих цилиндрический корпус горелки, имеющий центральный канал для подачи и распыления смеси технологического раствора и сжатого воздуха, и размещенные вокруг него кольцевой и периферические каналы для подачи горючего газа, причем первая часть форсунки имеет фланцы для подачи технологического раствора и сжатого воздуха, соединенные с центральным каналом, вторая часть имеет фланец для подачи горючего газа, соединенный с кольцевым каналом, сообщающимся с периферическими каналами, выходные отверстия которых расположены по периметру от центрального канала.
Оси периферических каналов направлены под углом от 10 до 45 градусов к оси центрального канала форсунки.
Площадь отверстий пористой перегородки составляет не менее 25% площади перегородки.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: реактор заключен в электрообогреваемый кожух с внешней теплоизоляцией; внутри реактора размещена пористая перегородка из огнеупорного материала, установленная на расстоянии не ближе 0,8 длины реактора от входа потока в реактор; форсунка совмещена с горелкой и выполнена сборной в виде двух соединенных частей, формирующих цилиндрический корпус горелки, имеющий центральный канал для подачи и распыления смеси технологического раствора и сжатого воздуха; вокруг центрального канала размещены кольцевой и периферические каналы для подачи горючего газа; первая часть форсунки имеет фланцы для подачи технологического раствора и сжатого воздуха, соединенные с центральным каналом; вторая часть форсунки имеет фланец для подачи горючего газа, соединенный с кольцевым каналом, сообщающимся с периферическими каналами; выходные отверстия периферических каналов расположены по периметру от центрального канала; оси периферических каналов направлены под углом от 10 до 45 градусов к оси центрального канала форсунки; площадь отверстий пористой перегородки составляет не менее 25% площади перегородки.
Отличительные признаки предложенной полезной модели в совокупности с известными существенными признаками обеспечивают решение поставленной задачи - получение высокодисперсного порошка оксида металла с узким распределением частиц продукта по размерам, высокой степенью превращения и стабилизацией гранулометрического и фазового составов продукта во времени.
Электробогреваемый кожух стабилизирует температуру во всем объеме и у стенок реактора, что создает своеобразный синергетический эффект и обеспечивает получение высокодисперсного порошка оксида металла с высокой степенью превращения и стабилизацию гранулометрического и фазового составов продукта во времени.
Пористая перегородка из огнеупорного материала, размещенная внутри реактора аккумулирует тепловую энергию внутри реактора, передает ее продукту реакции, снижает скорость потока прекурсора и реакционной среды, повышает время пребывания прекурсора в реакторе.
Опытным путем установлено, что при соотношении суммарной площади отверстий к общей площади перегородки менее 25% динамическое сопротивление сильно возрастает, тем самым нарушается режим движения реакционных газов. При расположении перегородки на расстоянии менее 0,8 длины реактора уменьшается полезный объем реактора и, следовательно, его производительность.
Форсунка совмещена с горелкой и выполнена таким образом, что технологический раствор распыляется и сгорает внутри факела сжигаемого природного газа, что обеспечивает получение высокодисперсного порошка оксида металла с узким распределением частиц продукта по размерам.
Предлагаемая технологическая установка иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-6.
На фиг.1 показана схема технологической установки для получения высокодисперсного порошка оксида металла.
На фиг.2 изображен реактор с электрообогреваемым кожухом и перегородкой.
На фиг.3 приведен разрез реактора А-А.
На фиг.4 приведен продольный разрез форсунки, совмещенной с горелкой для сжигания технологического раствора и горючего газа.
На фиг.5 приведен вид форсунки А.
На фиг.6 приведен разрез форсунки Б-Б.
Технологическая установка для получения высокодисперсного порошка оксида металла (фиг.1) содержит систему приготовления, подачи и распыления технологического раствора, включающую последовательно соединенные узел приготовления 1 технологического раствора, узел подачи 2 технологического раствора и узел распыления через форсунку 3 технологического раствора, систему подачи воздуха 4 в форсунку 3, систему подачи горючего газа 5 через форсунку 3 в реактор 6. Цилиндрический реактор 6 выполнен из огнеупорного материала. Внутри реактора 6 размещена пористая перегородка 7, установленная на расстоянии не ближе 0,8 длины реактора 6 от входа потока в реактор 6 (фиг.2). Площадь отверстий перегородки 7 составляет не менее 25% площади перегородки 7. Реактор 6 заключен в электрообогреваемый кожух 8 с внешней теплоизоляцией. Выход реактора 6 соединен с системами улавливания твердых продуктов 9 и обезвреживания реакционных газов 10.
Форсунка 3 (фиг.4) совмещена с горелкой для сжигания горючего газа и выполнена таким образом, что технологический раствор распыляется внутри факела сжигаемого горючего газа. Форсунка 3 выполнена сборной в виде двух соединенных частей, формирующих цилиндрический корпус горелки, имеющий центральный канал 11 для подачи и распыления смеси технологического раствора и сжатого воздуха, и размещенные вокруг него кольцевой канал 12 и периферические каналы 13 для подачи горючего газа. Первая часть форсунки 3 имеет фланец для подачи технологического раствора 14 и фланец для подачи сжатого воздуха 15, соединенные с центральным каналом 11. Вторая часть форсунки 3 имеет фланец для подачи горючего газа 16, соединенный с кольцевым каналом 12, который сообщается с периферическими каналами 13. Выходные отверстия периферических каналов 13 расположены по периметру от центрального канала 11. При этом оси периферических каналов 13 направлены под углом от 10 до 45 градусов к оси центрального канала 11 форсунки 3.
Нижний и верхний пределы угла наклона отверстий форсунки 3 в 10-45 градусов определены опытным путем, и обусловлены условием обеспечения равномерного поля температур в факеле горения.
Установка работает следующим образом.
Для получения технологического раствора, в частности раствора тетра-хлорида титана в органическом растворителе, тетрахлорид титана и органический растворитель (спирты из ряда этиловый, пропиловый, бутиловый) смешивают в узле приготовления 1 технологических растворов, представляющем собой емкость с мешалкой. Полученный технологический раствор через узел подачи 2 по трубе с помощью избыточного давления подают в узел распыления через форсунку 3. В форсунку 3 из системы подачи воздуха 4 через фланец 15 подают сжатый кислородсодержащий газ, который поступает в центральный канал 11 (фиг.4) и распыляется в реактор 6. Так же в форсунку 3 (фиг.1) из системы подачи горючего газа 5 через фланец 16 (фиг.4) подают горючий газ (природный газ метан), который далее поступает в кольцевой канал 12 (фиг.4) и периферические каналы 13 (фиг.4) форсунки 3 (фиг.1). Выходя из периферических каналов 13 (фиг.4) горючий газ, смешивается с распыленным горючим технологическим раствором и поджигается. Горение технологического раствора происходит в центре факела горящего природного газа, сформировавшегося в реакторе 6.
Технологический раствор распыляют в реактор 6 с электрообогреваемым кожухом 8, в котором установлена пористая перегородка 7. За счет горения смеси технологического раствора и горючего газа происходит процесс термогидролиза с образованием продукта TiO2 и реакционного газа HCl в объеме реактора. Реакционный газ с рассеянным по его объему продуктом пропускается через систему улавливания твердого продукта 9, представляющий термостойкий тканевый фильтр, расположенный на выходе реактора 6. Токсичный газ по трубкам и шлангам поступает в систему обезвреживания реакционных газов 10. Система обезвреживания реакционных газов представляет собой абсорбер, заполненный суспензией гидроксида кальция. Во входное отверстие емкости введены резиновые шланги и спущены под слой абсорбента. Обезвреженный реакционный газ отсасывается с помощью вакуум-насоса.
Степень превращения прекурсоров определяли на сканирующем электронном микроскопе S-3400 фирмы «Hitachi» с приставкой для рентгенос-пектрального анализа по энергетической дисперсии «Bruker». Так продукт, полученный на установке - прототипе, содержит 0,2 масс.% [Сl -], что соответствует степени превращения прекурсора в продукт (X=99,73%). А продукт, полученный с применением заявляемой полезной модели, не содержит примесных ионов [Сl-], что указывает на полное превращение прекурсора в продукт (Х=100%) (таблица).
Анализ фазы продукта производили на рентгеновском дифрактометре фирмы «Shimadzu» XRD-7000. Так пробы, отобранные на 2, 10, 20 минутах проведения процесса показали, что продукт, полученный на установке - прототипе состоит из смеси рутила и анатаза, продукт, полученный с использованием полезной модели, содержит только фазу рутила (таблица). Данные о гранулометрическом составе были получены при обработке микрофотографий сканирующего электронного микроскопа S-3400 фирмы «Hitachi». Результаты расчетов приведены в таблице. В этой таблице L(10), L(50), L(90) обозначают размер частиц (мкм), соответствующих содержанию фракций 10; 50; 90% на интегральной кривой распределения частиц по размерам.
| Таблица | ||||||
| Характеристики диоксида титана, полученного по прототипу и по полезной модели | ||||||
| t, мин | Степень превращения, % | Фаза | Размер частиц, соответствующий содержанию фракций 10; 50; 90% на интегральной кривой, мкм | ||
 | | | | L(10) | L(50) | L(90) |
| Показатели продукта, полученного по прототипу | ||||||
| 1 | 2 | 99,70 | Смесь анатаза и рутила | 0,20 | 1,8 | 30,0 |
| 2 | 10 | 99,80 | Смесь анатаза и рутила | 0,18 | 2,0 | 25,0 |
| 3 | 20 | 99,77 | Смесь анатаза и рутила | 0,22 | 2,1 | 23,0 |
| Показатели продукта, полученного по полезной модели | ||||||
| 4 | 2 | 99,98 | Рутил | 0,07 | 0,30 | 2,1 |
| 5 | 10 | 100,00 | Рутил | 0,05 | 0,28 | 2,0 |
| 6 | 20 | 100,00 | Рутил | 0,08 | 0,27 | 2,0 |
Из анализа данных, представленных в таблице следует, что показатели дисперсности продукта, полученного на установке-прототипе, характеризуются широким разбросом значений размеров частиц, а также колебаниями размеров. В заявляемой полезной модели частицы получаемого продукта имеют стабильные размеры, узкое распределение частиц по размерам, не подверженные колебаниям в течение проведения процесса.
Таким образом, в результате реализации процесса синтеза оксида металла на предлагаемой технологической установке обеспечивается получение высокодисперсного порошка оксида металла с узким распределением частиц продукта по размерам, высокой степенью превращения и стабилизацией гранулометрического и фазового составов продукта (например, диоксида титана) во времени. По всем своим физико-химическим свойствам, содержанию микропримесей и т.п. продукт соответствует требованиям, предъявляемым к материалам для производства специальной керамики, катализаторов и волоконной оптики.
1. Технологическая установка для получения высокодисперсного порошка оксида металла, включающая цилиндрический реактор из огнеупорного материала, систему приготовления, подачи и распыления через форсунку технологического раствора в реактор, систему подачи воздуха в форсунку, систему подачи горючего газа в горелку и соединенные с реактором системы улавливания твердых продуктов и обезвреживания реакционных газов, отличающаяся тем, что реактор заключен в электрообогреваемый кожух с внешней теплоизоляцией, внутри реактора размещена пористая перегородка из огнеупорного материала, установленная на расстоянии не ближе 0,8 длины реактора от входа потока в реактор, при этом форсунка совмещена с горелкой и выполнена сборной в виде двух соединенных частей, формирующих цилиндрический корпус горелки, имеющий центральный канал для подачи и распыления смеси технологического раствора и сжатого воздуха, и размещенные вокруг него кольцевой и периферические каналы для подачи горючего газа, причем первая часть форсунки имеет фланцы для подачи технологического раствора и сжатого воздуха, соединенные с центральным каналом, вторая часть имеет фланец для подачи горючего газа, соединенный с кольцевым каналом, сообщающимся с периферическими каналами, выходные отверстия которых расположены по периметру от центрального канала.
2. Технологическая установка по п.1, отличающаяся тем, что оси периферических каналов направлены под углом от 10 до 45° к оси центрального канала форсунки.
3. Технологическая установка по п.1, отличающаяся тем, что площадь отверстий пористой перегородки составляет не менее 25% площади перегородки.
