Камера сгорания для получения пирогенного диоксида кремния

Изобретение используется в процессах переработки побочных продуктов и отходов кремнийорганических производств. Камера сгорания для получения пирогенного диоксида кремния включает корпус, горелку для пламенного взаимодействия газообразных или испаряемых соединений кремния в смеси с газами, образующими воду при их горении с воздухом или кислородом, и патрубок для отвода продуктов сгорания. В камере сгорания с зазором к корпусу симметрично в нем помещено не менее двух полых элементов в форме тела вращения, вращающихся вокруг своей оси с возможностью самоочищения или очищения с помощью закрепленных к корпусу неподвижных ножей. Изобретение повышает производительность путем исключения остановок процесса, качество целевого продукта за счет снижения содержания грита и надежность работы устройства. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к химической технологии, а именно к устройству для получения пирогенного диоксида кремния, и может быть также использовано в процессах переработки побочных продуктов и отходов кремнийорганических производств.

Известно, что пирогенный диоксид кремния может быть получен способами пламенного взаимодействия газообразных или испаряемых соединений кремния со смесью газов, образующих воду при их горении с воздухом или кислородом.

Эти способы имеют осложнения, связанные с образованием твердых отложений на стенках камеры сгорания. Отложения возникают из-за осаждения образующихся в пламени частиц диоксида кремния на стенках камеры сгорания, вызывая при этом нарушение теплового баланса за счет высокого термического сопротивления осадка. Это ведет к изменению важных свойств продукта, таких как, например, удельная поверхность и загущающая способность. Более того, отложения, которые периодически отделяются от стенок камеры сгорания, становятся примесью в продукте, так называемым «гритом», делая его непригодным для многих сфер применения.

До этого было предложено несколько устройств для устранения образования отложений на стенках при получении пирогенного диоксида кремния. Патент DE 900339 (МПК⁷ С 01 В 33/18, 1953 г.) описывает продуваемые металлокерамические стенки камеры сгорания, которые, однако, приводят к улучшенным результатам только со значительными экономическими затратами. Патент США №4292290 (НПК 423-336, от 29 сентября 1981 г.) описывает создание защитной оболочки пламени с помощью охлаждающего потока воздуха, который, однако, приводит к нежелательному эффекту, вызывая укрупнение частиц получаемого диоксида кремния и снижение из-за этого его качества.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению являются способ и устройство, принятые нами за прототип, которые в значительной степени лишены недостатков образования отложений на стенках камеры сгорания, а также дают возможность получать продукт, имеющий улучшенные свойства за счет снижения содержания грита (патент США 5785941 МПК С 01 В 033/12, 1998 г.).

Указанный способ получения пирогенного диоксида кремния методом взаимодействия в пламени газообразных или испаряемых соединений кремния с газами, образующими воду при их горении с воздухом или кислородом, включает механическое удаление отложений на стенках камеры путем создания разрядов газа в камере сгорания с помощью газовых пушек.

Камера сгорания по указанному изобретению включает корпус, горелку для взаимодействия в пламени газообразных или испаряемых соединений кремния в смеси с газами, образующими воду при их горении с воздухом или кислородом, и патрубок для отвода продуктов сгорания, при этом камера сгорания имеет соединенную с наружной стенкой камеры сгорания, по меньшей мере, одну газовую пушку, которая производит разряд газа через отверстие в стенке камеры сгорания, с соплом и дефлектором, расположенными на внутренней стенке камеры сгорания.

Газовые пушки, используемые по указанному изобретению, представляют собой газовый ресивер, который с помощью специально сконструированного механизма открывания производит взрывную декомпрессию содержащегося в нем газа. Число газовых пушек, используемых в устройстве по указанному изобретению, обычно составляет 3 или 4 при давлении в ресивере от 4 до 8 бар, объем ресивера преимущественно от 20 до 150 литров, с частотой прерывистых разрядов газа 3 или 4 в час. Используемыми газами преимущественно являются сжатый воздух или азот.

По указанному изобретению газовая смесь вводится сверху в вертикально расположенную камеру сгорания с помощью одного или более сопла горелки. Продукты сгорания, включающие твердое вещество, образующееся в пламени, извлекаются через патрубок с другого конца камеры сгорания, и затем из них выделяется целевой продукт. Через каждые 15-20 минут в камере производят разряд газовых пушек, при этом образовавшийся на стенках камеры уплотненный осадок разрушается и удаляется вместе с продуктами сгорания.

Основными недостатками указанного способа и устройства являются:

- наличие взрывных волн, присущих разрядам газовых пушек, которые неизбежно распространяются от упругих стенок на весь объем камеры сгорания. При этом взрывная волна (порядка 8 бар) оказывает сильное возмущающее воздействие на движение газовых потоков, выходящих при более низких давлениях из каналов сопла горелки. Разряды газовых пушек попросту сбивают или «гасят» пламя, вынуждая останавливать технологический процесс, что существенно снижает производительность. Установка сопловых дефлекторов несколько ослабляет нежелательное воздействие пушечного разряда на пламя, но, вместе с тем, также ослабляет и энергию, направленную на отрыв образующихся отложений;

- необходимость образования корки слоя диоксида кремния, поскольку волны газового разряда практически не способны сбивать едва образовавшийся, свежий слой. При этом корки, попадая в конечный продукт, в последствии превращаются в грит, снижая качество целевого продукта;

- необходимость иметь большое количество пушечных сопел, распределенных по всей внутренней поверхности камеры сгорания, для достижения равномерности ее очистки от образующихся отложений. Это намного усложняет и без того громоздкую систему газовых пушек. Принимая также во внимание необходимость иметь систему жидкостного охлаждения каждого пушечного сопла, расположенного в камере сгорания, можно смело утверждать, что указанный способ и устройство очень сложны в оформлении и поэтому обладают низкой надежностью.

Задачей настоящего изобретения является повышение производительности, повышение качества целевого продукта за счет снижения содержания в нем грита и повышение надежности работы устройства.

Указанная задача решается тем, что предложена камера сгорания для получения пирогенного диоксида кремния, включающая корпус, горелку для пламенного взаимодействия газообразных или испаряемых соединений кремния в смеси с газами, образующими воду при их горении с воздухом или кислородом, и патрубок для отвода продуктов сгорания, в которой, согласно предлагаемому изобретению, с зазором к корпусу симметрично в нем помещено не менее двух полых элементов в форме тела вращения, вращающихся вокруг своей оси с возможностью самоочищения или очищения с помощью закрепленных к корпусу неподвижных ножей. Корпус и полые элементы могут быть ориентированы вертикально, при этом полые элементы установлены вплотную друг к другу как минимум попарно и имеют одинаковое направление вращения вокруг своих осей. Полые элементы могут быть ориентированы горизонтально и расположены с зазором друг к другу, при этом неподвижные ножи установлены вдоль полых элементов вплотную к ним, вращение полых элементов направлено навстречу неподвижным ножам, а в корпусе выполнены окна для отвода снимаемого с полых элементов осадка диоксида кремния.

На фиг.1 схематично показан продольный разрез цилиндрической камеры сгорания (горелка и трубчатые полые элементы условно не разрезаны). Позициями обозначены:

1 - герметичный корпус,

2 - горелка,

3 - патрубок ввода компонентов пламенной реакции,

4 - патрубок для отвода продуктов сгорания,

5 - полые элементы,

6 - подшипники,

7 - привод,

8 - воздуходувка.

На фиг.2 представлен поперечный разрез камеры сгорания, изображенной на фиг.1.

На фиг.3 показан вертикальный разрез камеры сгорания прямоугольного сечения с самоочищающимися полыми элементами сложной формы.

На фиг.4, 4а, 4б представлен поперечный разрез камеры сгорания, изображенной на фиг.3 с возможными вариантами выполнения тел вращения.

На фиг.5 изображена камера сгорания прямоугольного сечения с ножевой очисткой полых элементов и боковым выводом счищаемого осадка диоксида кремния.

Камера сгорания круглого сечения (см. фиг 1 и фиг.2) включает герметичный корпус 1 с осевой горелкой 2, содержащей патрубок ввода компонентов пламенной реакции 3, и патрубком для отвода продуктов сгорания 4. Вдоль вертикальных стенок корпуса, на равном расстоянии от него, вплотную друг к другу (по три), расположены трубчатые полые элементы 5, имеющие возможность вращения вокруг своей оси в подшипниках 6. Полые элементы приводятся во вращение с помощью привода 7 и имеют одинаковое направление вращения. Воздуходувка 8 предназначена для охлаждения изнутри трубчатых полых элементов 5 прокачиваемым через них наружным воздухом.

Камера сгорания прямоугольного сечения (см. фиг.3 и фиг.4) включает герметичный корпус 1 с многосопловой горелкой 2, содержащей патрубок 3 для ввода компонентов пламенной реакции, и патрубком 4 для отвода продуктов сгорания. Вдоль вертикальных стенок корпуса, на равном расстоянии от него, расположены цилиндроконические полые элементы 5 с расходящимися к концам конусами, имеющие возможность вращения в подшипниках 6 вокруг своей горизонтально ориентированной оси. Цилиндроконические полые элементы среднего уровня 5а имеют обратную кривизну (со сходящимися конусами). Полые элементы 5 и 5а каждого вертикального ряда установлены вплотную друг к другу и вращаются в одном направлении (привод не показан).

В камере сгорания прямоугольного сечения, изображенной на фиг.5, вплотную к поверхности трубчатых полых элементов 5 неподвижно закреплены ножи 9 для срезания образующихся на полых элементах отложений. Полые элементы 5 каждого вертикального ряда установлены с зазором друг к другу и вращаются навстречу ножам 9 (привод не показан). Для отвода срезаемого осадка в стенке корпуса выполнены окна 10.

Камера сгорания работает следующим образом.

Предварительно смешанные паровые и газовые реагенты, например пары метилтрихлорсилана (МТХС), водород и воздух, поступают в горелку 2 через патрубок 3. Образующееся в результате горения пламя локализуется в пространстве между полыми элементами 5. Продукты сгорания - газообразные продукты реакции и мельчайшие частички диоксида кремния - выходят из камеры сгорания через патрубок 4 и направляются на дальнейшую обработку. Часть диоксида кремния осаждается на наружной поверхности полых элементов 5. При медленном вращении всех полых элементов 5 в одном направлении (см. фиг.1 и 2) происходит их самоочищение от осаждающегося диоксида кремния. Счищаемый диоксид кремния вместе с продуктами сгорания выходит из камеры сгорания через патрубок 4.

Система охлаждения, включающая воздуходувку 8, схематично изображенная на фиг.1, позволяет охлаждать внутренние поверхности полых элементов 5, способствуя отводу избыточного количества тепла, выделяющегося в пламенной реакции, и предохраняя конструкционные материалы устройств полых элементов, подвергающихся воздействию высоких температур.

Камеры сгорания прямоугольного сечения работают аналогичным образом. Образующиеся в результате горения пламена (см. фиг.3, 4 и 5) локализуются между горизонтально ориентированных полых элементов 5. Образующийся осадок счищается с помощью неподвижных ножей 9 (фиг.5), установленных вплотную к полым элементам 5, и выводится из камеры сгорания через окна 10, отдельно от потока продуктов сгорания. Самоочищающиеся полые элементы 5 и 5а, устанавливаемые вплотную друг к другу (см. фиг.3 и 4), не требуют установки ножей.

Следует отметить, однако, что чертежи приведены только с целью иллюстрации и никак не ограничения предлагаемого изобретения.

Совокупность существенных признаков предлагаемой камеры сгорания позволяет повысить производительность путем исключения остановок процесса, повысить качество целевого продукта за счет снижения содержания в нем грита и повысить надежность работы устройства.

1. Камера сгорания для получения пирогенного диоксида кремния, включающая корпус, горелку для пламенного взаимодействия газообразных или испаряемых соединений кремния в смеси с газами, образующими воду при их горении с воздухом или кислородом, и патрубок для отвода продуктов сгорания, отличающаяся тем, что в камере сгорания с зазором к корпусу симметрично в нем помещено не менее двух полых элементов в форме тела вращения, вращающихся вокруг своей оси с возможностью самоочищения или очищения с помощью закрепленных к корпусу неподвижных ножей.

2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что корпус и полые элементы ориентированы вертикально, причем полые элементы установлены вплотную друг к другу как минимум попарно и имеют одинаковое направление вращения вокруг своих осей.

3. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что полые элементы ориентированы горизонтально и расположены с зазором друг к другу, при этом ножи установлены вдоль полых элементов вплотную к ним, а вращение полых элементов направлено навстречу неподвижным ножам.

4. Камера сгорания по п.3, отличающаяся тем, что в корпусе выполнены окна для отвода снимаемого с полых элементов осадка диоксида кремния.