УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ
DEVICE AND METHOD OF OBTAINING HIGHLY-DISPERSIVE SILICON DIOXIDE

Изобретение относится к технологии получения высокодисперсного порошка диоксида кремния методом сжигания жидких кремнийсодержащих соединений.
В опубликованных ранее технических решениях описываются различные способы получения диоксида кремния с максимально возможной удельной поверхностью. Для достижения этого предлагается уменьшить высоту пламени, в котором происходит гидролиз, что снижает время пребывания частиц в нем и возможность их слияния. Той же цели служит проведение реакции при «оптимальной» температуре порядка 1000-1200ºС с последующим вводом в факел охлаждающего агента (Патент GB 726.250, 1953; патент US 3.086.851, 1963 г.).
Недостатками вышеприведенных способов является невозможность регулирования дисперсности конечного продукта в широких пределах.
Наиболее близкими по технической сущности и принятыми в качестве прототипа являются способ и устройство получения высокодисперсного порошка диоксида кремния путем сжигания жидких кремнийсодержащих соединений в пламени горючих газов в горелке специальной конструкции, заключающийся в том, что подача жидкого кремнийсодержащего сырья в зону горения осуществляется эжектированием сжатым газом в соосную струю факела (Патент РФ 2197334, МПК В05В 7/20, С01В 33/18, 2003 г.).
Указанный способ имеет некоторые недостатки:
1. Ограниченная возможность регулирования дисперсности получаемого диоксида кремния путем повышения расхода распыливающего газа. Однако интенсификация процесса распыления прекурсора путем повышения расхода и, следовательно, скорости истечения газового потока, находящегося в одной плоскости с зоной подачи газообразных компонентов горения, может привести к срыву пламени и прекращению процесса. Кроме того, эжекционная пропорциональная взаимосвязь расходов газа и жидкой фазы показывает, что увеличение расхода газа не приводит к повышению степени диспергирования прекурсора, т.к. происходит сохранение, а не рост удельной энергии дробления.
2. Длительное время пребывания частиц прекурсора в соосном пламени приводит к укрупнению образовавшихся микрочастиц за счет их слияния в жидком состоянии (коалесценции) и последующей агломерации (точечной или плоскостной) из-за разности скоростей частиц в газовом потоке вне факела.
Задачей данного изобретения является получение высококачественного диоксида кремния различной дисперсности, изменяющейся в зависимости от времени пребывания кремнийсодержащего сырья (прекурсора) в высокотемпературной зоне.
Для решения указанной задачи предлагается способ и устройство для получения высокодисперсного диоксида кремния. Способ включает подачу исходных компонентов в высокотемпературную зону реакции и синтез целевого продукта, отличающийся тем, что кремнийсодержащее сырье вводится в факел горения на разном уровне по его высоте под углом 30-90º к оси факела выше зоны истечения компонентов горения.
Устройство для получения порошка диоксида кремния с регулируемой дисперсностью состоит из двух блоков: блока горения I с внешним смешением газообразных компонентов и автономного блока подачи и распыления прекурсора эжектирующим газом II, отличающееся тем, что автономный блок подачи и распыления прекурсора эжектирующим газом и блок горения установлены соосно с возможностью взаимного, фиксированного осевого перемещения. Блок горения I состоит из корпуса 14, разделителя 15, стакана 16. Он имеет внутреннее осевое отверстие цилиндрической формы 1, две кольцевые полости 2 и 3 с боковыми каналами 4 и 5 для подвода кислородосодержащего газа и водорода и выходными каналами кольцевого сечения, выполненными под углом 20-30º к оси блока, причем один из них 2 имеет конический выход.
Блок подачи и распыления прекурсора II расположен внутри блока горения с возможностью фиксированного осевого перемещения. Он состоит из ниппеля 8 с центральным осевым отверстием 10, на внешней поверхности которого имеется винтовой шнек для закрутки распыливающего газа, подаваемого через штуцер 6 в кольцевую полость 9, и центрующий буртик с каналами для прохода газа. Коническую внешнюю часть ниппеля охватывает насадок 11, образуя кольцевую выходную щель между ними под углом 20-30º.
На фиг.1 представлен общий вид устройства для получения порошка диоксида кремния. Позициями обозначены: 1 - осевая цилиндрическая полость; 2, 3 - кольцевые полости; 4, 5, 6, 7 - штуцеры; 8 - ниппель; 9 - кольцевая полость для подачи распыливающего газа; 10 - полость для подачи жидкого прекурсора; 11 - насадок; 12, 13 - патрубки; 14 - корпус; 15 - разделитель; 16 - стакан.
Устройство работает следующим образом.
По каналам через штуцеры 4 и 5 в полости 2 и 3 подают кислородсодержащий газ и водород, соответственно, которые на выходе во внешнюю зону смешиваются, образуя после поджига кольцевое пламя. Через штуцер 6 в полость 9, образованную патрубками 12 и 13, подается сжатый воздух. Проходя по каналам в буртике ниппеля 8, газ закручивается винтовым шнеком и создает на выходе ниппеля разрежение, за счет которого по каналу 10 через штуцер 7 засасывается жидкий прекурсор. На выходе он диспергируется сжатым газом, образуя факел конической формы, который внедряется в кольцевое пламя.
Как известно, факел по высоте имеет различное поперечное сечение и температуру. Перемещение зоны ввода прекурсора по высоте факела горения, как показано на фиг.2, приводит к изменению площади контакта компонентов и времени нахождения их в высокотемпературной зоне пламени.
Так, в положении 1 (фиг.2) степень коалесценции образовавшихся частиц минимальная из-за малой площади контакта «а» и, следовательно, короткого времени пребывания их в факеле, чем обеспечивается получение порошка диоксида кремния с повышенной удельной поверхностью.
Кроме того, предлагаемая схема ввода взаимодействующих компонентов реакции
в факел обеспечивает возможность интенсификации процесса путем значительного повышения давления распыливающего газа без опасения за срыв факела горения.
Как видно из вакуумной характеристики эжекционного распылителя прекурсора, представленной на фиг.3, повышение давления распыливающего газа на восходящем дозвуковом участке не обеспечивает улучшение степени диспергирования, т.к. одновременно происходит увеличение расхода жидкого прекурсора.
Переход на давление выше 8-10 бар на ниспадающей ветви вакуумной характеристики повышает эффект диспергирования, поскольку при этом обратно пропорционально снижается расход жидкости из-за снижения вакуума в жидкостном канале, что приводит к увеличению удельной энергии дробления. Повышение в данном случае скорости газа при давлении выше 8-10 бар позволяет снизить время пребывания дисперсной фазы в факеле горения без захвата ее в продольном направлении, что снижает уровень коалесценции. При относительно малом динамическом напоре газодисперсной струи (4-б бар) возможен неполный «прошив» сечения «а» или «в». В этом случае сказывается уже соосное движение компонентов реакции в участках факела различной длины, что может привести к снижению удельной поверхности порошка.
Примеры получения диоксида кремния предлагаемым способом
Пример 1
3
3
Метилтрихлорсилан (МТХС) с расходом 3,6 кг/час подвергли сжиганию в воздушно-водородном пламени с получением высокодисперсного диоксида кремния. Воздушно-водородная смесь имеет следующий состав - 6,0 нм воздуха, 1,2 нмводорода, и подается в устройство (фиг.1) по каналам 2 и 3.
3
Жидкий прекурсор эжектируют из расходной емкости за счет разрежения, создаваемого воздухом давлением 4 бар, поступающим по каналу 9 в количестве 2,6 нм. При этом конус распыления прекурсора находится в верхнем положении 1 (фиг.2), где площадь контакта компонентов «а» и время пребывания их в пламени минимальная.
2
Полученный порошок диоксида кремния имеет удельную поверхность, измеренную по методу БЭТ, 305 м/г.
Пример 2
2
МТХС сжигают при тех же условиях, что и в примере 1, но факел распыления находится в положении 2 (фиг.2). При максимальной площади «в» и более продолжительном времени контактирования удельная поверхность полученного порошка равняется 260 м/г.
Пример 3
2
МТХС в количестве 1,9 кг/час сжигают в воздушно-кислородном пламени состава, как в примере 1, при давлении воздуха на распыление 12 бар. Удельная поверхность полученного порошка составляет 375 м/г.