ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ДЛЯ СИНТЕЗА ТИТАНИЛОКСАЛАТА И ТИТАНАТА БАРИЯ

Полезная модель относится к области технологии неорганических веществ и, в частности, к производственным технологическим отделениям синтеза титанилоксалата и титаната бария, используемым для производства высокоомных керамических конденсаторов и/или позисторов.
Известен (Патент РФ на полезную модель №34160 по заявке №2003123340 с приоритетом от 28.07.2003. Зарегистрирован и опубликован: 27.11.2003, Бюл. №33. «Производственный технологический участок для получения титаната бария»).
Известный участок (рис.1) включает в себя: емкость для транспортировки и подачи тетрахлорида титана (1), соединенную с реактором для получения раствора тетрахлорида титана (2), баки для приготовления растворов хлорида бария (3) и щавелевой кислоты (4), емкость с дозатором для раствора соляной кислоты (5), присоединенную к реактору для приготовления раствора тетрахлорида титана (2), нижний слив которого, а также нижний слив бака для растворения хлорида бария (3) направлены через дозирующие емкости (6, 7) в бак для получения композиционного раствора (8), выход из которого и из бака с раствором щавелевой кислоты (4) через баки-дозаторы и расходомеры (9, 10) направлен в смесительное устройство, выполненное в форме «труба в трубе» (11), выход из смесительного устройства направлен в реактор для созревания титанилоксалата бария и выдержки получаемой суспензии перед ее фильтрованием (12). Нижний патрубок реактора (12) соединен с нутч-фильтром (13), к которому последовательно присоединены сушильный агрегат (14), прокалочная печь (15), диспергатор-измельчитель (16) и классификатор (17).
Известный участок позволяет, по сравнению с другими ранее известными техническими решениями, повысить качество выпускаемого титанилоксалата и титаната бария. Недостатком участка является сложность его аппаратурного оформления и, кроме того, тот факт, что он не обеспечивает все возрастающих требований потребителей к стабильности качества и воспроизводимости свойств получаемых товарных продуктов.
Этими же недостатками обладают и другие известные технические решения - производственные отделения, участки, переделы, комплексы, технологические и поточные линии, предназначенные для синтеза титанилоксалата и титаната бария (Патенты РФ на ПМ №№33109; 33110; 33368; 34157; 34158; 34159; 34161; 46494 и др.).
7
Из известных аналогов наиболее близким к заявленному техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является известная «Промышленная установка для синтеза титанилоксалата и титаната бария» (Патент РФ на ПМ №37712 по заявке №2004101519 с приор. от 29 января 2004 г. Зарег. и опубл.: 10.05.2004; Бюл. №13. МПК C 01 G 23100; С 01 F 11/00) - принята за прототип.
4
2
2
4
2
Установка по прототипу включает в себя следующее основное технологическое оборудование (рис.2): емкость для транспортировки и подачи тетрахлорида титана (1), соединенную с реактором (2), снабженным мешалкой для получения раствора тетрахлорида титана (точнее, реактором для получения композиционного раствора TiCL+НСO+НО, представляющего собой раствор титанилщавелевой кислоты), баки для приготовления растворов щавелевой кислоты (3) и хлорида бария (4), нижний слив бака с раствором щавелевой кислоты (3) через дозатор (5) соединен с реактором (2) для получения раствора титанилщавелевой кислоты, нижний слив из этого реактора направлен через дозатор (2-1) и боковой патрубок (6) наружной трубы (7) смесительного устройства (8), слив из бака (4) с рабочим раствором хлорида бария направлен во внутреннюю трубу (9) смесительного устройства, боковая поверхность внутренней трубы имеет отверстия, общая площадь
2
которых в 1,5-2,5 раза меньше площади свободного сечения наружной трубы, на торце внутренней трубы установлена заглушка (10), к которой прикреплена пропеллерообразная крыльчатка (11), обеспечивающая закручивание потока жидкости - суспензии, образующейся при взаимодействии растворов ВаСl и титанилщавелевой кислоты, длина наружной трубы смесительного устройства больше длины внутренней трубы на величину, равную 2-3 диаметрам наружной трубы, выход из смесительного устройства направлен в один из верхних патрубков реактора (12), который снабжен дополнительным боковым патрубком (13) для слива осветленного маточного раствора и растворов, образующихся при репульпации водой титанилоксалата бария, нижний и боковой патрубки реактора (12) соединены с нутч-фильтром (14), который последовательно подсоединен к сушильному агрегату (15) и прокалочной печи (16) для получения товарного титаната бария, нижний слив из нутч-фильтра (14) направлен в дополнительно установленную емкость (17) для сбора маточных растворов и промвод, соединенную с реактором (18) для переработки, утилизации, обезвреживания и нейтрализации кислых сточных вод.
Известное по прототипу техническое решение обеспечивает синтез титанилоксалата и титаната бария по основным свойствам и показателям, в частности, мольному соотношению Ba:Ti в конечной товарной продукции, соответствующей требованиям потребителей.
3
Недостатком технического решения по прототипу является неудовлетворительная конструкция реактора (12) для созревания титанилоксалата бария. Снабжение этого реактора (12) смесительным устройством, выполненным в форме «труба в трубе» (11), обеспечивает, как свидетельствуют результаты опытных испытаний, синтез образцов титанилоксалата бария, мольное соотношение Ba:Ti в которых соответствует требованиям потребителей: Ba:Ti=1:(0,995÷1,01). Однако, при переходе от опытных испытаний на реакторных объектах от 20 до 200 дм к промышленному освоению и внедрению в условиях производственного технологического отделения,
3
включающего реактор (12) объемом от 3 до 10 м, было установлено, что стандартное перемешивающее устройство, установленное в реакторе (12) и выполненное в форме якорной или пропеллерной мешалки, не обеспечивает эффективной гомогенизации суспензии титанилоксалата бария, образующегося при смешении исходных реагентов. По этой причине, в различных точках реактора (12) формируются и затем «созревают» отдельные частицы и конгломераты частиц титанилоксалата бария с нарушенным мольным соотношением Ba:Ti. В частности, прецезионный химический анализ отдельных проб титанилоксалата бария, выделенного из различных образцов суспензии, отобранных в различных объемах реактора (12), показывает, что мольное соотношение Ba:Ti в различных пробах титанилоксалата бария колеблется в весьма значительных пределах: от 1:0,95 до 1:1,05. Указанное негативное обстоятельство приводит к существенному ухудшению качества конденсаторов и позисторов, полученных на основе таких образцов титанилоксалата и титаната бария: несмотря на то, что в общем объеме, в общей массе партий титанилоксалата бария мольное соотношение в среднем находится в пределах от 1:0,99 до 1:1,01, в отдельных (микроскопических) частицах и кристаллах титанилоксалата и титаната бария это оптимальное мольное соотношение, как уже указывалось выше, нарушается и товарные продукты - титанилоксалат и титанат бария - становятся химически неоднородными, с мольным соотношением Ba:Ti для различных кристаллов от 1:0,95 до 1:1,05, что, в конечном итоге, влечет за собой резкое ухудшение электрофизических свойств производимых на их основе конденсаторов и позисторов.
Главная причина наблюдаемого отрицательного явления - неудовлетворительное перемешивающее устройство в реакторе (12), предусмотренное в техническом решении по прототипу, и, как следствие, - невозможность достичь такой степени гомогенизации суспензии, которая бы обеспечила химическую однородность синтезируемого титанилоксалата бария.
Задачей предлагаемой полезной модели «Производственного технологического отделения для синтеза титанилоксалата и титаната бария» является
повышение качества получения товарной продукции, технический результат которой может быть получен при реализации разработанного технического решения, заключающегося в обеспечении химической однородности получаемых товарных продуктов - титанилоксалата и титанат бария.
Поставленная задача решается с достижением вышеуказанного технического результата предлагаемой полезной моделью - «Производственным технологическим отделением для синтеза титанилоксалата и титаната бария», включающим емкость для транспортировки и подачи тетрахлорида титана, соединенную с реактором для получения раствора тетрахлорида титана, баки для приготовления растворов хлорида бария и щавелевой кислоты, баки-дозаторы, смесительное устройство, выполненное в форме «труба в трубе», выход из которого направлен в реактор для синтеза и созревания полученной суспензии, нижний патрубок этого реактора имеет соединение с нутч-фильтром, который последовательно подсоединен к сушильному агрегату и, затем, к прокалочной печи, выход из бака для приготовления раствора щавелевой кислоты подсоединен через дозатор к реактору для приготовления раствора тетрахлорида титана, патрубок нижнего слива которого образует соединение с боковым патрубком наружной трубы смесительного устройства, нижний слив бака для приготовления раствора хлорида бария через дозатор соединен с внутренней трубой смесительного устройства, на боковой поверхности внутренней трубы имеются отверстия, выход из внутренней трубы имеет заглушку с неподвижно прикрепленной к ней пропеллерообразной крыльчаткой, направляющей и закручивающей поток суспензии, образующейся при взаимодействии раствора хлорида бария и раствора титанилщавелевой кислоты, реактор для синтеза, созревания и выдержки суспензии титанилоксалата бария имеет дополнительно установленное в нижней части реактора перемешивающее устройство и патрубок бокового слива осветленного раствора, после нутч-фильтра дополнительно установлена емкость для сбора маточных растворов и промвод титанилоксалата бария и реактор для переработки, утилизации, обезвреживания и нейтрализации кислых сточных вод.
Новым в предлагаемом техническом решении является то, что перемешивающее устройство в реакторе для синтеза и созревания суспензии титанилоксалата бария выполнено в виде системы из центробежного циркуляционного насоса, вход в который соединен через запорно-регулирующую арматуру с патрубком нижнего слива реактора, а выход из насоса имеет соединение с турбулизатором суспензии, помещенным в реактор и имеющим форму неподвижно закрепленной на верхней крышке реактора вертикальной трубы, опущенной в реактор и имеющей через тройник соединение с двумя, расположенными в горизонтальной плоскости, трубами, на торцах обеих труб имеются заглушки и установленные перпендикулярно трубам диспергирующие сопла, выходы из которых направлены в противоположные стороны.
Анализ совокупности существенных признаков заявляемой полезной модели - наличия новых элементов, взаимного расположения узлов, формы их выполнения и достигаемого при этом технического результата показывает, что между ними существует вполне определенная причинно-следственная связь, выражающаяся в следующем.
Экспериментально установлено, что новое перемешивающее устройство, предназначенное для основного аппарата в заявленном «Производственном технологическом отделении для синтеза титанилоксалата и титаната бария», в частности, в реакторе синтеза и созревания суспензии титанилоксалата бария, обеспечивает интенсивное перемешивание суспензии - за счет ее турбулизации и гомогенизации химического состава титанилоксалата бария; «выравнивание» - за счет обменных реакций, протекающих на границе кристалл - маточный раствор и, как следствие, - решение поставленной задачи с достижением вышеуказанного технического результата - повышения качества целевого продукта за счет обеспечения химической однородности получаемых товарных продуктов - титанилоксалата и титаната бария.
Реализация полезной модели
Производственное технологическое отделение для синтеза титанилоксалата и титаната бария, в соответствии с разработанным техническим
2
2
4
2
2
2
2
4
2
2
решением (рис.3), работает следующим образом. Из линии обессоленной воды (или специальной расходно-наполнительной емкости с обессоленной водой) заливают или закачивают насосами воду в бак с мешалкой для приготовления раствора хлорида бария (4) и бак с мешалкой для приготовления раствора щавелевой кислоты (3). Затем в бак (3) загружают расчетное количество щавелевой кислоты (НСO·2НО), а в бак (4) - расчетное количество хлорида бария (ВаСl·2HO), требуемое расчетное количество щавелевой кислоты из бака (3) через дозатор (5) подают в реактор (2), после чего в этот реактор через дозирующее устройство при непрерывном перемешивании из емкости (1) подают определенное количество тетрахлорида титана. В результате смешения водного раствора щавелевой кислоты и тетрахлорида титана в реакторе образуется раствор титанилщавелевой кислоты. Этот раствор через патрубок нижнего слива реактора (2) и дозатор (2-1) направляют через боковой патрубок (6) наружной трубы (7) в смесительное устройство (8). Одновременно из бака (4) во внутреннюю трубу (9) смесительного устройства (8) подают самотеком или насосом раствор хлорида бария. Благодаря наличию на торце внутренней трубы (3) неподвижно установленной пропеллерообразной крыльчатки (11), в нижней зоне смесительного устройства обеспечивается интенсивное перемешивание и закручивание потока суспензии, образующейся при взаимодействии раствора титанилщавелевой кислоты и раствора хлорида бария. Суспензия из смесительного устройства (8) поступает в реактор (12) для синтеза и созревания титанилоксалата бария - TiOBa (CO)·4НО.
Для обеспечения химической однородности целевых продуктов суспензию в реакторе (12) непрерывно и интенсивно перемешивают с использованием перемешивающей системы, в состав которой входят: центробежный циркуляционный насос (19), соединенный на входе через запорно-регулирующую арматуру с патрубком нижнего слива реактора (12) и на выходе - с турбулизатором суспензии (20), помещенным в реактор (12) под слой суспензии и выполненным в форме неподвижно-закрепленной на верхней крышке реактора (12) трубы, опущенной непосредственно в реактор и
имеющей соединение - через тройник - с двумя, расположенными в горизонтальной плоскости, трубами, на торцах которых имеются заглушки и перпендикулярно трубам установленные диспергирующие сопла, выходы из которых направлены в противоположные стороны. Суспензию непрерывно циркулируют в системе: реактор (12) - центробежный насос (19) - турбулизатор (20) до достижения химической однородности отдельных частиц и микрокристаллов титанилоксалата бария в суспензии. Экспериментально установлено, что, в зависимости от типа и мощности установленного циркуляционного насоса (19), это время может составлять от 1 до 3 часов.
Суспензию после созревания, кристаллизации и перекристаллизации титанилоксалата бария подают на вакуумный нутч-фильтр для отделения маточного раствора от осадка. После чего осадок на фильтре промывают обессоленной и/или дистиллированной водой, при необходимости, репульпируют и вновь фильтруют на нутч-фильтре (14).
2
4
2
2
3
Маточные растворы и промводы после нутч-фильтра (14) собирают в сборной емкости (емкостях) (17), откуда направляют в реактор (18) для переработки, утилизации, обезвреживания и нейтрализации кислых сточных вод. Влажный осадок с нутч-фильтра направляют в сушильную камеру (15) для получения товарного титанилоксалата бария TiOBa(CO)·4HO. Этот осадок либо реализуют как товарный продукт, либо направляют в сушильный агрегат и затем в прокалочную печь (16) для получения титаната бария ВаТiO - целевого продукта, который выгружают из печи, охлаждают, при необходимости классифицируют, расфасовывают и отгружают потребителю.
Сравнительные испытания различных вариантов и различных аппаратурно-технологических схем, в том числе по прототипу и заявленному техническому решению, показали, что разработанное техническое решение, по сравнению с ранее известными, обеспечивает синтез титанилоксалата и титаната бария, отличающихся от других образцов более высоким качеством, а именно - высокой химической однородностью, что, в свою очередь, сообщает получаемым товарным продуктам более высокие потребительские свойства.