Способ получения тугоплавких неорганических соединений в режиме горения

 

Использование: получение керамических материалов и твердых сплавов. Сущность изобретения: 1 кг титана смешивают с 0,25 кг технического углерода, смесь непрерывно подают в валковый реактор. Зона горения расположена на боковой поверхности валка реактора. Перед подачей в зону горения смесь нагревают до 1200 К, что обеспечивает расположение фронта горения на постоянном расстоянии от точки ее подачи на валок. Скорость подачи смеси в зону горения определяют из условия, приведенного в формуле изобретения. На продукт горения воздействуют усилием 10 - 1000 кг/см². Готовый продукт - порошок черного цвета из однородных частиц карбида титана. Выход - 96 - 99%. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способу получения неорганических соединений и может быть использовано в химической и машиностроительной промышленности.

Известен способ получения тугоплавких неорганических соединений локальным воспламенением реакционной смеси, содержащей металлы III-IV и неметаллы III-IV групп, в замкнутом объеме с последующим высокотемпературным реагированием в режиме горения [1] Недостатком данного способа является его цикличность и неоднородность по дисперсному составу получаемого соединения.

Наиболее близким к изобретению является способ получения тугоплавких неорганических соединений в режиме горения путем непрерывной подачи исходной экзотермической смеси в зону горения реактора и ее термообработки в указанном режиме с последующим непрерывным отводом полученного соединения [2] Недостатком известного способа является невысокий выход целевого продукта и его неоднородность по фракционному составу из-за нестабильности условий горения.

Целью изобретения является повышение выхода целевого продукта и улучшения его фракционного состава за счет повышения стабильности условий горения.

Это достигается тем, что в способе получения тугоплавких неорганических соединений в режиме горения, включающем непрерывную загрузку в реактор исходной смеси компонентов, составляющих соединение, подачу указанной смеси в зону горения и ее термообработку в названном режиме с последующей непрерывной выгрузкой полученного соединения согласно изобретению исходную смесь в процессе загрузки подают на боковую поверхность валка реактора, затем нагревают ее до температуры, обеспечивающей расположение фронта горения на постоянном расстоянии от точки подачи смеси, после чего подогретую смесь подают в зону горения, расположенную также на боковой поверхности валка, причем линейную скорость ее подачи в зону горения выбирают из условий: v_o < v < v_m, (1) где v_o линейная скорость адиабатического горения исходной смеси при нормальных условиях, см/с; v линейная скорость подачи исходной смеси в зону горения, см/с; v_m максимально допустимая линейная скорость подачи исходной смеси в зону горения, определяемая как ближайшей к v_o корень уравнения: F + -4 F 0 (2) где F + β 1-exp- T_г=T_o + F функция переменных R, T_г, , E, α, c, ρ, β;
β- функция переменных α, χ, c, ρ, v_m;
Т_г температура горения, К;
безразмерная скорость;
Т_о температура окружающей среды, К;
R универсальная газовая постоянная, кал/моль.К;
Q теплотворная способность смеси, кал /г;
C теплоемкость смеси, кал/г˙К;
ρ плотность смеси, г/см³;
К энергия активации экзотермического химического превращения смеси, кал/моль;
α ₁- коэффициент теплопотерь боковой поверхности валка реактора, кал/см²˙с˙К;
α коэффициент теплообмена между смесью и боковой поверхностью валка реактора, кал/см²˙с˙К;
χ расстояние между точками подачи исходной смеси на валок реактора и выгрузки соединения, см.

Линейную скорость адиабатического горения исходной смеси при нормальных условиях вычисляют по скорости Зельдовича для начальной температуры Т_о
v_o exp- T_o + , (3) где К_о предэкспонент, I/с;
λ коэффициент теплопроводности смеси, кал/см˙с˙К.

На продукт горения перед выгрузкой из реактора воздействуют вторым валком усилием 10-1000 кг/см².

На чертеже представлено изображение реактора, в котором реализуют способ по изобретению.

Исходную экзотермическую смесь при помощи загрузочного устройства 1 подают на валок 2, который предварительно нагревают элементом 3. На валке 2 за счет его движения загружаемая смесь располагается в виде слоя 4. Устройством 5 в зоне А-Б слоя смеси инициируют процесс горения. На прореагировавшую смесь воздействуют вспомогательным валком 6 усилием от 10 до 1000 кг/см², регулируемые пружинным механизмом 7. Готовый продукт 8 поступает в приемное устройство 9, налипший на валки продукт отделяется скребками 10. Валки заключены в кожух 11, в который через патрубок 12 вводят нейтральный газ для изоляции готового продукта от атмосферного воздуха.

Зона А-Б представляет собой зону автостабилизации фронта горения относительно точки В загрузочного устройства.

Если тепло, выделяемое при синтезе тугоплавкого неорганического соединения, достаточно для поддержания режима автостабилизации горения, то нагревательный элемент 3 отключают, если нет, то снижают его нагрев до величины, необходимой для создания условий режима автостабилизации горения.

Сущность автостабилизации заключается в следующем.

Если фронт горения при увеличении по каким-либо причинам скорости горения приблизился к загрузочному устройству, то уменьшится расстояние между фронтом горения и загрузочным устройством. Это, в свою очередь, уменьшит время контакта слоя экзотермической смеси с поверхностью, максимальную температуру его подогрева и, следовательно, скорость горения экзотермической смеси. Уменьшение скорости горения переместит фронт горения в противоположную от загрузочного устройства сторону. В том случае, когда фронт горения удалится от места загрузки, то время контакта с поверхностью валка, температура и скорость горения смеси увеличатся и фронт горения вернется в первоначальное положение. Таким образом, фронт горения на поверхности валка колеблется относительно некоторого равновесного положения.

П р и м е р 1. Берут 1 кг титана марки ПТХ-5-1 Опытного металлургического завода дисперсностью 0,45-0,08 мм и 0,25 кг технического углерода марки ПМ 15ТС, перемешивают в смесителе в течение 8 ч. Подготовленная таким образом смесь, а также используемый в примере валковый реактор и окружающая среда имеют следующие характеристики:
плотность исходной смеси ρ 5 г/см³.

температура горения исходной смеси Т_г 3500 К
линейная скорость адиабатического горения исходной смеси при нормальных условиях, рассчитанная по (3) v_o 3 см/с
теплотворная способность исходной смеси Q 640 кал/г
теплоемкость исходной смеси с 0,2 кал/г˙К
энергия активации экзотермического химического превращения исходной смеси Е 4500 кал/моль,
коэффициент теплопотерь боковой поверхности валка реактора α₁= 0,005 кал/см²˙с˙К
коэффициент теплообмена между исходной смесью и боковой поверхностью валка реактора α 0,45 кал/см²˙с˙К
расстояние между точками подачи исходной смеси на валок реактора и выгрузки готового продукта χ= 10 см
температура окружающей среды Т_о300 К
универсальная газовая постоянная К 2 кал/моль˙К
предэкспонент К_о 3100 1/с
коэффициент теплопроводности смеси, λ= 0,0162 кал/см˙с˙К.

Подставляя в формулу (2) числовые значения указанных параметров, определяют с помощью ЭВМ v_m, которая для данной смеси равна 5,1 см/с. Подставляя числовые значения v_o и v_m в (1), выбирают v в интервале 3 < v < 5,1 (см/с).

Исходную смесь помещают в загрузочное устройство 1 валкового реактора и приводят в движение валок 2 с линейной скоростью перемещения его поверхности v 3,5 см/с, предварительно нагрев его с помощью нагревательного элемента 3 до температуры Т 1200 К.

Из загрузочного устройства 1 смесь поступает на валок 2 в виде ленты 4, в которой при достижении ею зоны реакции А-Б инициируют процесс горения с помощью устройства 5. После синтеза на продукт 8 воздействуют вспомогательным валком 6 усилием 10 кг/см², которое регулируют с помощью пружины 7, что способствует более полному превращению смеси. Затем готовый продукт 8 собирают в приемное устройство 9. Полученный продукт измельчают в течение 1 ч с загрузкой шаров в весовом соотношении к порошку 5:1.

Готовый материал представляет собой порошок черного цвета, состоящий из однородных частиц карбида титана. Выход TiC 96% интервал зернистости 0,5-15 мкм.

В таблице представлены данные по выходу и фракционному составу, полученные по изобретению тугоплавких неорганических соединений.

Из представленных в таблице данных следует, что изобретение позволяет получить различные тугоплавкие неорганические соединения, в частности карбиды, бориды, силициды, сложные карбиды и т.д. с выходом целевого продукта не менее 96% Порошки однородны по фракционному составу, способ легко автоматизируется.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В РЕЖИМЕ ГОРЕНИЯ, включающий непрерывную загрузку в реактор исходной смеси компонентов, составляющих соединение, подачу указанной смеси в зону горения и ее термообработку в названном режиме с последующей непрерывной выгрузкой полученного соединения, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода и улучшения фракционного состава соединения за счет повышения стабильности условий горения, исходную смесь в процессе загрузки подают на боковую поверхность валка реактора, затем нагревают ее до температуры, обеспечивающей расположение фронта горения на постоянном расстоянии от точки подачи смеси, после чего подогретую смесь подают в зону горения, расположенную также на боковой поверхности валка, причем линейную скорость v ее подачи в зону горения определяют из условия
v₀ < v < v_m,
где v₀ - линейная скорость адиабатического горения исходной смеси при нормальных условиях, см/с;
v_m - максимально допустимая линейная скорость подачи исходной смеси в зону горения, определяемая как ближайший к v₀ корень уравнения





F - функция переменных
β - функция переменных a, x, C, ρ, v_m;
T_г - температура горения, K;
T_о - температура окружающей среды, K;
- безразмерная скорость;
R - универсальная газовая постоянная, кал/моль · К;
q - теплотворная способность смеси, кал/г;
C - теплоемкость смеси, кал/г · К;
ρ - плотность смеси, г/см³;
E - энергия активации экзотермического химического превращения смеси, кал/моль;
a₁ - коэффициент теплопотерь боковой поверхности валка реактора, кал/см² · с · К;
α - коэффициент теплообмена между смесью и боковой поверхностью валка реактора, кал/см² · с · К;
x - расстояние между точками подачи исходной смеси на валок реактора и вырузки полученного соединения, см,
а на продукт горения выгрузкой из реактора воздействуют вторым валком с усилием 10 - 1000 кг/см².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2