ПРОМЫШЛЕННОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАНИЛОКСАЛАТА И ТИТАНАТА БАРИЯ

Полезная модель относится к области технологии неорганических веществ и, в частности, к промышленным технологическим отделением для получения титанилоксалата и титаната бария, используемых для производства радиокерамики, в частности высокоомных керамических конденсаторов и/или позисторов - терморезисторов с большим положительным температурным коэффициентом сопротивления.
2
4
2
2
Известен (см. Химические методы получения современных керамических материалов. - М.: НИИТЭХИМ, 1968, 62 с.) ряд промышленных технологических отделений для синтеза титанилоксалата бария и соответственно описан ряд химических способов синтеза ВаТiO(СO)*4НO.
4
2
2
2
4
Известные промышленные технологические отделения для синтеза титанилоксалата бария включает в себя реакторы синтеза, баки для приготовления исходных растворов реагентов (TiCl, BaCl, НСO), фильтровальное оборудование, трубопроводы, насосы и т.п.
Недостатком известных промышленных технологических отделений является то, что они не обеспечивают получение стабильных по качеству продуктов. Кроме того, известные отделения не предусматривают специального оборудования для обезвреживания кислых стоков - маточных растворов и промвод.
7
Известно техническое решение "Промышленное технологическое отделение для синтеза титанилоксалата бария" (Патент РФ №34525 по заявке №2003125417/20 с приор. от 18.08.2003. зарег. и опубл.: 10.12.2003: Бюл. №34 и 27.01.2004; Бюл. №; 3 МПК СО 1G-23/10).
Известное промышленное технологическое отделение для синтеза титанилоксалата бария и включает в себя: емкость для транспортировки и подачи тетрахлорида титана (1), соединенную с реактором, снабженным рубашкой для охлаждения и перемешивающим устройством, для получения исходного щавелевокислого раствора тетрахлорида титана (2), к которому подсоединен патрубок нижнего слива бака для приготовления щавелевой кислоты (3), бак для приготовления раствора хлорида бария (4), реактор для приготовления зародышей титанилоксалата бария (5), имеющий соединение с системой подачи обессоленной воды, баками с растворами соляной кислоты (6), тетрахлорида титана (1), хлорида бария (4) и щавелевой кислоты (3), реактор, снабженный мешалкой, для синтеза титанилоксалата бария (7), нижний патрубок которого соединен с нутч-фильтром (8), реактор-нейтрализатор кислых стоков (9), имеющий соединение с расходным баком щелочных реагентов (10).
Недостатком известного "Промышленного технологического отделения для синтеза титанилоксалата бария" является неудовлетворительное качество получаемого целевого продукта, что обусловлено с неоднородностью химического и дисперсного состава получаемого титанилоксалата бария.
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 титанита бария" (Патент РФ на полезную модель №37712 по заявке №2004101519 с приор. от 19.01.2004. Зарег. и опубл.: 10.05.2004 Бюл. №13) принята за Прототип.
Установка по прототипу включает в себя следующее основное оборудование (см. рис.): емкость для транспортировки и подачи тетрахлорида титана (1), соединенную с реактором (2), снабженным мешалкой для получения раствора 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 боковой патрубок (6) наружной трубы (7) в смесительное устройство (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 которых в 1,5-2,5 раза меньше площади свободного сечения наружной трубы, на торце внутренней трубы установлена заглушка (10), к которой прикреплена пропеллеобразная крыльчатка (11), обеспечивающая закручивание потока жидкости - суспензии, образующейся при взаимодействии растворов хлорида бария 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), снабженным дополнительным боковым патрубком (13) для слива осветленного маточного раствора и растворов, образующихся при репульпации водой титанилоксалата бария, нижний и боковой патрубки ректора (12) соединены с нутч-фильтром (14), который последовательно подсоединен к сушильному агрегату (15) и к прокалочной печи (16) для получения товарного титанита 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.
Недостатком "Промышленной установки для получения титанилоксалата и титанита бария" по прототипу является неудовлетворительное качество получаемых целевых продуктов, в частности неоднородность химического состава и неоднородность (полидисперсность) дисперсного (гранулометрического) состава получаемых титанилоксалата и титанита бария. Результаты промышленных испытаний и поиск причин, приводящих к падению качества товарной продукции при переходе от
3
3
опытных испытаний к промышленным, т.е. от оборудования крупнолабораторного масштаба (до 100-200 дм) к производственному технологическому баковому, реакторному и фильтровальному оборудованию, объемом до 5-10 м, показывает, что при таком переходе положительные результаты - по качеству товарных продуктов, полученные в ходе проведения опытных испытаний не воспроизводятся на промышленном оборудовании. В ходе промышленных испытаний было установлено, что основная причина наблюдаемого явления заключается в неудовлетворительной системе перемешивания в реакторе синтеза и созревания титанилоксалата бария и неудовлетворительных условиях фильтрования на нутч-фильтре и промывки титанилоксалата бария - путем многократных операций репульпации - фильтрования.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение качества целевых продуктов, технический результат который может быть достигнут при реализации разработанного "Промышленного технологического отделения для получения титанилоксалата и титанита бария" заключается в обеспечении однородного химического и дисперсного состава получаемых товарных продуктов и улучшении их потребительских свойств.
Поставленная задача решается с достижением вышеуказанного технического результата заявленной полезной моделью - "Промышленным технологическим отделением для получения титанилоксалата и титанита бария" включающей следующее основное оборудование: емкость для транспортировки и подачи 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 аппаратом для разделения твердой и жидкой фаз, 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 образуют 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 закрепленной к ней пропеллеобразной крыльчаткой, направляющей и закручивающей поток суспензии, образующийся при взаимодействии раствора хлорида бария и раствора титанилщавелевой кислоты, реактор для синтеза и созревания суспензии титанилоксалата бария имеет дополнительно установленное в нижней части реактора перемешивающее устройство, а после аппарата для разделения твердой и жидкой фаз установлена емкость для сбора маточных растворов и промвод титанилоксалата бария и реактор для переработки, утилизации, обезвреживания и нейтрализации кислых сточных вод.
Новым в предложенном техническом решении является то, что перемешивающее устройство в реакторе синтеза и созревания титанилоксалата бария выполнена в виде системы, включающей в себя циркуляционный насос, соединенный с нижним сливом реактора синтеза и созревания титанилоксалата бария и диспергатором суспензии, выполненным в форме ⊥-образной трубы, неподвижно закрепленной на крышке реактора и имеющей в нижней части два противоположно-направленных, раположенных в горизонтальной плоскости сопла, а в качестве аппарата для разделения твердой и жидкой фаз (т.е. для отделения осадка титанилоксалата бария от маточного раствора и промвод) используют скоростную центрифугу.
Вышеуказанные новые существенные отличительные признаки, предложенного технического решения в совокупности с ранее известными
существенными признаками обеспечивают, как свидетельствуют данные, полученные в ходе промышленных испытаний на производственном технологическом оборудовании решение поставленной задачи и достижение технического результата, заключающегося в обеспечении химической и дисперсионной однородности целевых продуктов.
Анализ совокупности существенных признаков заявляемой полезной модели - наличие новых элементов, взаимного расположения узлов и форма их выполнения и достигаемого при этом технического результата указывает, на то, что между ними существует причинно-следственная связь, выражающаяся в следующем.
В результате промышленных испытаний, анализа полученных результатов, определения свойств полученных титанилоксалата и титаната бария на различном оборудовании установлено, что замена традиционных стандартных мешалок (якорных, пропеллерных и т.п.) в реакторе синтеза и созревания титанилоксалата бария на систему, включающую в свой состав циркулирующий насос: например центробежного типа, соединенный с реактором и диспергатором суспензии, выполненных в форме ⊥-образной трубы обеспечивает, при прочих равных условиях, интенсивную турбулизацию суспензии в реакторе, перемешивание суспензии по всему объему реактора и как следствие, приводит по-видимому, к перераспределению ионов бария и титана (перекристаллизации) и взаимообмену ионов бария и титана между различными частицами и кристалликами титанилоксалата бария, в результате чего первоначально образованные - при смещении растворов - соединения нестехиометрического состава, (т.е. с нарушением мольного соотношения Ba:Ti=(1:0.95)-(1:1.05) трансформируются в конечном итоге (после 1-3 часов циркуляции суспензии) в химически-однородные продукты мольным соотношением Ba:Ti=1: (0.99-1.01).
С другой стороны, замена в промышленном технологическом отделении обычного (стандартного) нутч-фильтра, (которые следует отметить и
подчеркнуть обеспечивали получение титанилоксалата бария высокого качества при проведении опытных испытаний и получении небольших разовых образцов товарной продукции (0,5-2)кг, оказались совершенно непригодными для их промышленного, крупномасштабного производства -вследствии полидисперсности образующегося титанилоксалата бария) на высокоскоростную центрифугу, обеспечивает при прочих равных условиях существование упрощенной интенсификации и увеличение производительности процесса разделения твердой и жидкой фазы, т.е. отделение синтезированного, "созревшего" и перекристаллизованного осадка титанилоксалата бария от маточного раствора. При этом весьма важно отметить следующее. Использование высокоскоростной центрифуги при прочих равных условиях, приводит к значительному (с 75-80% до 20-25%) снижению содержащей остаточной влаги - маточного раствора в фазе осадка титанилоксалата бария, это позволяет значительно снизить расход промвод на отмывку титанилоксалата бария от солевого фона, находящегося в составе маточного раствора и дает возможность исключить многочисленные операции репульпации - фильтрования осадка, т.к. удалить остатки маточного раствора из фазы осадка титанилоксалата бария удается непосредственно в центрифуге небольшим объемом воды без ее разгрузки в баки-репульпаторы. В конечном итоге все это приводит к тому, что по предлагаемому техническому решению не происходит пептизации осадка, не наблюдается разрушение и переизмельчение первоначально сформированных (при синтезе и "созревании") кристаллов титанилоксалата бария, благодаря чему сформировавшиеся при синтезе и "созревании" практически монодисперсный состав твердой фазы остатка не изменяется - в отличие от вариантов технологического отделения использующего в качестве аппарата для отделения титанилоксалата бария от маточного раствора нутч-фильтры и предусматривающего операции реализации - фильтрования.
В совокупности своей новые предложенные в заявляемой полезной модели существенные (отличительные признаки (новые аппараты и
устройства и т.п.) и ранее известные, описанные в патентной литературе (в том числе прототипе) существенные признаки (набор необходимого оборудования и определенный порядок его соединения между собой) обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в получении химически-дисперсных с ионно-однородных товарных продуктов - титанилоксалата и титанита бария.
РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.
2
2
4
2
2
2
Промышленное технологическое отделение для получения титанилоксалата и титанита бария, в соответствии с разработанным техническим решением, 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 (HCО*2HО), а в бак (4) - расчетной количество хлорида бария (ВаСI*2НО), 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) через дозатор (2-1) направляют через боковой патрубок (6) в наружной трубе (7) в смесительное устройство (8). Одновременно из бака (4) через дозатор (4-1) во внутреннюю трубу (9) смесительного устройства (8) подают самотеком или насосом раствор хлорида бария. Благодаря наличию на торце (10) внутренней трубы (9), неподвижно установленной пропеллеобразной крыльчатки (11) в нижней зоне смесительного устройства (8) обеспечивается интенсивное перемешивание и закручивание потока суспензии, образующейся при взаимодействии раствора титанилщавелевой
2
4
2
2
кислоты и раствора хлорида бария. Суспензия из смесительного устройства (8) поступает в реактор (12) для синтеза и "созревания" титанилоксалата бария - TiOBa (СО)*4НО.
2
4
2
2
3
Для обеспечения химической однородности титанилоксалата бария, суспензию непрерывно (в течение 1-3 часа) циркулируют с помощью насоса (19) и диспергатора (20), помещенного непосредственно под слой суспензии в реакторе (12). Вывод суспензии из реактора (12) и подачу ее на насос (19) ведут либо через нижний боковой патрубок (13-1), либо через патрубок нижнего слива (13-2). При циркуляции суспензии происходят процессы кристаллизации и перекристаллизации титанилоксалата бария, благодаря чему мольное соотношение Ba:Ti для отдельно взятых сформированных частиц и кристаллов титанилоксалата бария "выравнивается" и становится равным оптимальному и отвечающему требованиям потребителям; в частности Ba:Ti=1:(0.99:1.01). Суспензию затем подают на высокоскоростную центрифугу, на которой маточный раствор отделяют от осадка, затем осадок непосредственно в центрифуге промывают дистиллированной водой. Промытый на высокоскоростной центрифуге - титанилоксалат бария, осадок направляют в сушильную камеру (15) для получения титанилоксалата бария TiOBa (СО)*4НО. Этот осадок либо реализуют как товарный продукт, либо направляют в сушильную камеру (15), а затем в прокалочную печь (16) для получения целевого продукта - титаната бария ВаТiO.
Маточные растворы и промводы после отделения осадка титанилоксалата бария и его промывки направляют сначала в сборную емкость (17), откуда их подают в реактор (18) для переработки, утилизации, обезвреживания и нейтрализации.
В результате осуществления совокупности вышеперечисленных операций по предлагаемой полезной модели обеспечивается высокое качество целевых продуктов титанилоаксалата и титанита бария за счет обеспечения однородности их химического и дисперсного состава.