Устройство и способ получения высокодисперсного диоксида кремния

 

Изобретение относится к технологии получения высокодисперсного порошка диоксида кремния методом сжигания жидких кремнийсодержащих соединений в пламени горючих газов. Устройство включает корпус и сопло с каналами для ввода кремнийсодержащих компонентов и водород- и кислородсодержащего газа, при этом согласно изобретению в корпусе выполнено центральное отверстие, образованное нижней цилиндрической поверхностью и двумя усеченными коническими поверхностями, соединенными по малому периметру основания. В верхней наружной части корпуса выполнена закрытая кольцевая проточка для подачи смеси водород- и кислородсодержащего газа, а в нижней части корпуса выполнены два отверстия с радиальным и тангенциальным выходами в центральное отверстие цилиндрической части корпуса, а по оси корпуса установлено сопло с внутренним коническим отверстием, причем внешняя поверхность сопла образует с внутренней поверхностью корпуса кольцевую полость для ввода сжатого воздуха, кроме того, во внутреннее коническое отверстие сопла помещена поворотная пробка с центральным каналом, а на внешней поверхности пробки в средней ее части выполнены два среза с противоположных сторон, при этом они образуют с внутренней поверхностью сопла раздельные каналы для эжекции различных кремнийсодержащих компонентов. Способ получения высокодисперсного диоксида кремния включает загрузку жидких кремнийсодержащих соединений в расходные емкости, транспортировку их в зону распыления, смешение с водородсодержащим газом и воздухом и сжигание компонентов реакции, при этом транспортировку, распыление и смешение компонентов реакции осуществляют вакуумом, создаваемым потоком газа, являющегося одним из компонентов реакции. Рабочий газ подают радиально и/или тангенциально для его закрутки и регулирования количества подаваемого кремнийсодержащего соединения. В зону сжигания подают поток охлаждающего воздуха с регулированием его углового перемещения от 135 до 90^o. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой управляемости процесса, равномерного и интенсивного смешения компонентов для повышения качества получаемого диоксида кремния. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технологии получения высокодисперсного порошка диоксида кремния методом сжигания жидких кремнийсодержащих соединений в пламени горючих газов.

Известно устройство [Пат. DЕ 3028364, C 01 B 33/18, 1983] для сжигания тетрахлорида кремния, состоящее из смесительной камеры, в которую тангенциально вводятся компоненты горения, корпуса в виде трубы с коническим наконечником, другим концом выходящей в концентрически расположенную относительно этой трубы смесительную камеру. На коническом конце трубы концентрически установлено сопло, в которое подается охлаждающий воздух. На оси горелки расположена центральная трубка с ламинизаторами потока, имеющая возможность продольного перемещения.

Известен способ получения тонкодисперсного диоксида кремния [Пат. DЕ 2620737, C 01 B 33/18, 1982] путем сжигания газообразных кремнийсодержащих компонентов в водородно-воздушном пламени, в котором предварительно испаренное кремнийсодержащее соединение смешивают с водородом и воздухом и подают по конусообразному центральному каналу в зону горения. Одновременно по кольцевому соплу, расположенному концентрически относительно центрального канала, подают небольшой поток воздуха. Основное количество воздуха, необходимого для реакции и охлаждения, подают через щелевое пространство, расположенное на расстоянии пяти сантиметров от стенок камеры горения.

Недостатками вышеприведенных устройства и способа являются необходимость предварительного испарения кремнийсодержащего компонента; фиксированная производительность, ограниченная конструкцией и параметрами выходных каналов устройства; слабая управляемость процесса, связанная с необходимостью раздельного регулирования подачи каждого из компонентов реакции, особенно при работе на смеси кремнийсодержащих соединений с различной температурой кипения, что требует временной коррекции температуры в испарителе в ходе работы; необходимость осушки воздуха перед смешением с кремнийсодержащим компонентом, особенно галогенидом кремния для предотвращения его гидролиза.

Наиболее близкими по технической сущности к предложенному решению и принятыми нами в качестве прототипа являются устройство и способ получения высокодисперсного порошка диоксида кремния путем сжигания жидких кремнийсодержащих соединений в пламени смеси горючих газов [Заявка на пат. РФ 98113290, кл. C 01 B 33/12, B 05 B 1/28, 1996].

Известное устройство содержит корпус, в котором по центру помещено впрыскивающее сопло с центральным капиллярным каналом и несколько конических колец, образующих концентрические кольцевые каналы. Впрыскивающее сопло трубопроводом через насос соединено с емкостью для жидкого силоксанового сырья.

Известный способ-прототип, представленный в заявке на патент РФ 98113290, заключается в том, что высокодисперсный порошок диоксида кремния получают путем сжигания жидких кремнийсодержащих соединений в пламени водородсодержащего газа и кислорода воздуха.

Жидкое кремнийсодержащее соединение (силоксан) загружают в расходную емкость, транспортируют в жидком виде под давлением в зону реакции, испаряют подаваемое кремнийсодержащее соединение в зону реакции, превращают пары кремнийсодержащего соединения в тонкодисперсный порошок диоксида кремния в зоне реакции путем его сжигания. При этом в зону горения кремнийсодержащий компонент подают под давлением по центральному капиллярному каналу и одновременно подают азот для распыления жидкой струи, а водородсодержащий газ, кислород - по концентрическим кольцевым каналам.

Недостатками известного технического решения являются 1. Двухступенчатый характер диспергирования кремнийсодержащего компонента, связанный с первичным распадом струи, вытекающей под давлением из капиллярного отверстия, на отдельные капли и последующим их распылением потоком инертного газа (азота) не обеспечивает равномерной концентрации реагентов в смеси по всей зоне реакции, что отрицательно сказывается на дисперсности получаемого продукта.

2. Сложная конструкция устройства, требующая строгого соблюдения соосности кольцевых каналов для принудительной подачи компонентов синтеза.

Задачей данного изобретения является обеспечение высокой управляемости процесса, более равномерного и интенсивного смешения компонентов для повышения качества получаемого диоксида кремния.

Указанная задача решена предложенными устройством и способом получения высокодисперсного порошка диоксида кремния.

Устройство для получения высокодисперсного диоксида кремния включает корпус и сопло с каналами для ввода кремнийсодержащих компонентов и водород- и кислородсодержащего газа, при этом согласно изобретению в корпусе выполнено центральное отверстие, образованное нижней цилиндрической поверхностью и двумя усеченными коническими поверхностями, соединенными по малому периметру основания. В верхней наружной части корпуса выполнена закрытая кольцевая проточка для подачи смеси водород- и кислородсодержащего газа, а в нижней части корпуса выполнены два отверстия с радиальным и тангенциальным выходами в центральное отверстие цилиндрической части корпуса, а по оси корпуса установлено сопло с внутренним коническим отверстием, причем внешняя поверхность сопла образует с внутренней поверхностью корпуса кольцевую полость для ввода сжатого воздуха, кроме того, во внутреннее коническое отверстие сопла помещена поворотная пробка с центральным каналом, а на внешней поверхности пробки в средней ее части выполнены два среза с противоположных сторон, при этом они образуют с внутренней поверхностью сопла раздельные каналы для эжекции различных кремнийсодержащих компонентов.

Предложенный способ получения высокодисперсного диоксида кремния включает загрузку жидких кремнийсодержащих соединений в расходные емкости, транспортировку их в зону распыления, смешение с водородсодержащим газом и воздухом и сжигание компонентов реакции, при этом согласно изобретению транспортировку, распыление и смешение компонентов реакции осуществляют вакуумом, создаваемым потоком газа, являющегося одним из компонентов реакции. Рабочий газ подают радиально и/или тангенциально для его закрутки и регулирования количества подаваемого кремнийсодержащего соединения. В зону сжигания компонентов реакции подают поток охлаждающего воздуха с регулированием его углового перемещения от 135^o до 90^o.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство для получения высокодисперсного порошка диоксида кремния.

На фиг. 2 представлен график вакуумных характеристик предлагаемого устройства при различных способах ввода рабочего газа (радиальном и тангенциальном) и схема узла радиальной или тангенциальной подачи эжектирующего газа.

Устройство (фиг.1) имеет корпус 1 с центральным отверстием, образованным нижней цилиндрической и двумя усеченными коническими поверхностями, соединенными по малому периметру основания; в верхней наружной части корпуса 1 выполнена закрытая кольцевая проточка В с отверстием для подачи смеси водород- и кислородсодержащего газа, а в нижней части выполнены два отверстия с радиальным и тангенциальным выходами (фиг.2) в центральное отверстие цилиндрической части корпуса 1. По оси корпуса установлено сопло 2 с внутренним коническим отверстием. Внешняя поверхность сопла 2 образует с внутренней поверхностью корпуса 1 кольцевую полость для ввода рабочего газа (сжатый воздух).

Во внутреннее коническое отверстие сопла 2 помещена поворотная пробка 3 с центральным каналом. На внешней поверхности пробки 3 выполнены два среза с противоположных сторон, которые вместе с внутренней поверхностью сопла образуют раздельные каналы "в" и "с" для эжекции рабочим газом различных кремнийсодержащих компонентов, поступающих по радиальным отверстиям сопла. 2. Центральный канал пробки 3 предназначен для подачи водорода в зону горения. Пробка имеет возможность поворота на 90^o, что позволяет изменить сечение выходных каналов и даже полностью прекратить, при необходимости, подачу компонентов в зону реакции при сохранении подачи эжектирующего рабочего газа через кольцевое сечение.

Предлагаемый способ получения порошка диоксида кремния заключается в том, что жидкие кремнийсодержащие, как отдельные так и в смеси, соединения сжигают в пламени водородсодержащего газа и кислорода воздуха, при этом согласно изобретению транспортировку, распыление и смешение компонентов осуществляют вакуумом, создаваемым потоком рабочего газа, являющегося одновременно компонентом реакции, причем рабочий газ подают в кольцевую полость устройства радиально и/или тангенциально для его закрутки.

При истечении сжатого воздуха через кольцевое сечение "а" (фиг.1) создается вакуум, величина которого зависит от сочетания конструктивных элементов зоны истечения и скорости истечения (или расхода) газа, как показано на графике (фиг.2).

Как видно из графика, величина вакуума, определяющего расход высасываемых (эжектируемых) компонентов в сильной степени зависит от способа ввода сжатого воздуха в кольцевую камеру А.

Изменение направления подачи воздуха с радиального на тангенциальный приводит к заметному увеличению вакуума и, соответственно, расходу эжектируемых компонентов при фиксированном расходе рабочего газа.

Таким образом, изменение направления потока рабочего газа, являющегося одним из компонентов реакции, в камере А, позволяет менять, как видно из фиг.2, соотношение компонентов реакции и, соответственно, дисперсность диоксида кремния.

Схема получения диоксида кремния включает также поворотный узел 11 для подачи охлаждающего воздуха (через плоский канал истечения, охватывающий всю ширину факела горения) для снятия скрытой теплоты плавления диоксида кремния и изменения направления потока дымовых газов с твердой фазой в горизонтальном направлении. Поворотный узел может при необходимости изменить угол наклона потока воздуха по отношению к оси факела от 90 до 135^o.

Таким образом, регулирование положения пробки 3 (фиг.1) путем ее поворота и пробкового крана 12 на линии подачи рабочего газа и узла 11 подачи охлаждающего воздуха позволяет управлять как производительностью процесса, так и удельной поверхностью получаемого диоксида кремния.

Предложенное устройство и способ получения высокодисперсного диоксида кремния имеют ряд преимуществ по сравнению с известным техническим решением-прототипом 1. Предлагаемое техническое решение исключает использование избыточного давления для подачи кремнийсодержащих компонентов в зону реакции. Кремнийсодержащие компоненты засасываются в зону реакции с помощью вакуума, создаваемого потоком воздуха, являющегося одновременно одним из компонентов реакции. При таком решении обеспечивается строгое соблюдение необходимого соотношения компонентов.

2. Предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность одновременной подачи в зону реакции кремнийсодержащих соединений, например хлорсиланов и алкоксисиланов, по двум раздельным каналам. Такое решение позволяет использовать в качестве сырья также и кубовые остатки кремнийорганических производств, имеющих высокую температуру кипения.

3. Предлагаемое техническое решение обеспечивает более равномерное смешение компонентов за счет высокой скорости истечения рабочего газа и создаваемого вакуума, приводящего к интенсивному диспергированию и испарению жидких компонентов реакции.

4. Процесс получения диоксида кремния является легко управляемым.

Управление осуществляется путем поворота пробковых кранов 3, 11 и 12 (фиг.1), которые позволяют регулировать как производительность процесса, так и дисперсность получаемого продукта.

Пример 1 Конденсат продуктов гидрохлорирования кремния в количестве 4,7 кг/ч к продуктов синтеза метилхлорсиланов (МХС) после отгонки хлорметила и диметилдихлорсилана в количестве 4,5 кг/ч подвергли сжиганию в воздушно-водородном пламени до получения высокодисперсного диоксида кремния. Кремнийсодержащие продукты подают в зону реакции в жидком виде.

Жидкий конденсат продуктов гидрохлорирования имел следующий состав: 45% - SiCl₄ 50% - SiHCl₃ 5% - полисиланы и полисилоксаны Жидкий конденсат продуктов синтеза МХС содержит следующие компоненты: 30% - СН₃SiСl₃ 5% - (CH₃)₂SiCl₂
остальное - полисиланы, полисилоксаны и углеводороды.

Для сжигания указанных кремнийсодержащих продуктов в полость А (фиг.1) по радиальному вводу 4 подают 28 нм³/ч воздуха при давлении 1,8 бар, а по центральному каналу 8-2 нм³/ч водорода. Истекающий с большой скоростью из кольцевого зазора "а" воздух за счет образующегося вакуума высасывает жидкие кремнийсодержащие компоненты из каналов "в" и "с", куда они поступают из расходных емкостей по трубопроводам 6 и 7.

Во внешнее кольцо "d" подают по трубопроводам 9 и 10 воздух и водород, соответственно, которые смешиваются в полости В, заполненной огнепреградительной сеткой.

Водородно-воздушная смесь состава 2 нм³/ч воздуха и 0,5 нм³/ч водорода истекает через отверстия, расположенные по периметру кольца "d" в зону горения.

При сжиганни кремнийсодержащих продуктов образуется порошок диоксида кремния с удельной поверхностью, измеренной по методу БЭТ, равной 147 м²/г.

Пример 2
5,2 кг конденсата продуктов гидрохлорирования и 4,95 кг конденсата продуктов синтеза МХС того же состава, что и в примере 1, сжигают в воздушно-водородном пламени по примеру 1. Сжатый воздух при том же расходе подают в полость А по тангенциальному вводу 5 (фиг.1). Полученный порошок диоксида кремния имеет удельную поверхность 170,6 м²/г.

Пример 3
4,75 кг/ч конденсата продуктов гидрохлорирования кремния состава, аналогичного составу по примеру 1, по каналу "в" и 0,5 кг/ч воды по каналу "с" сжигали в водородно-воздушном пламени по условиям примера 1. Полученный порошок диоксида кремния имел удельную поверхность 213,5 м²/г.

Пример 4
4,2 кг/ч смеси тетраэтоксисилана и полиметилсилоксана ПМС-5 в соотношении 1:1 по каналу "с" в жидком виде подают по условиям примера 1. Образовавшийся порошок диоксида кремния имеет величину удельной поверхности, равную 206,7 м²/г. Пример 5
Смесь хлорсиланов состава по примеру 1 сжигают в водородно-воздушном пламени по примеру 2. Дополнительно к этому в факел горения подают поток воздуха через щелевой канал поворотного узла 11 под углом 90^o к оси факела в количестве 9 нм³/ч. Поверхность полученного порошка диоксида кремния составляет 236,5 м²/г.

Формула изобретения

1. Устройство для получения высокодисперсного диоксида кремния, включающее корпус и сопло с каналами для ввода кремнийсодержащих компонентов и водород- и кислородсодержащего газа, отличающееся тем, что в корпусе выполнено центральное отверстие, образованное нижней цилиндрической поверхностью и двумя усеченными коническими поверхностями, соединенными по малому периметру основания, при этом в верхней наружной части корпуса выполнена закрытая кольцевая проточка для подачи смеси водород- и кислородсодержащего газа, а в нижней части корпуса выполнены два отверстия с радиальным и тангенциальным выходами в центральное отверстие цилиндрической части корпуса, а по оси корпуса установлено сопло с внутренним коническим отверстием, причем внешняя поверхность сопла образует с внутренней поверхностью корпуса кольцевую полость для ввода сжатого воздуха, кроме того, во внутреннее коническое отверстие сопла помещена поворотная пробка с центральным каналом, а на внешней поверхности пробки в средней ее части выполнены два среза с противоположных сторон, при этом они образуют с внутренней поверхностью сопла раздельные каналы для эжекции различных кремнийсодержащих компонентов.

2. Способ получения высокодисперсного диоксида кремния, включающий загрузку жидких кремнийсодержащих соединений в расходные емкости, транспортировку их в зону распыления, смешение с водородсодержащим газом и воздухом и сжигание компонентов реакции, отличающийся тем, что транспортировку, распыление и смешение компонентов реакции осуществляют вакуумом, создаваемым потоком газа, являющегося одним из компонентов реакции, при этом рабочий газ подают радиально и/или тангенциально для его закрутки и регулирования количества подаваемого кремнийсодержащего соединения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в зону сжигания компонентов реакции подают поток охлаждающего воздуха с регулированием его углового перемещения от 135 до 90^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2