Способ переработки кремнийсодержащих отходов пламенным гидролизом и устройство для его осуществления

Изобретения могут быть использованы для получения товарного пирогенного диоксида кремния при промышленной утилизации кремнийсодержащих отходов. Для осуществления способа в реакционное пространство через многоканальное коаксиальное смесительное устройство подают поток компонентов, образующих гидролизное пламя, вводят диспергированные жидкие и газообразные отходы производства трихлорсилана, содержащие преимущественно хлорсиланы и газообразный водород с примесями хлорсиланов, соответственно. Газообразные отходы используют для диспергирования жидких отходов и/или для создания кольцевого пилотного пламени. Пламенный гидролиз диспергированных отходов приводит к получению дымовых газов, содержащих пирогенный диоксид кремния. Устройство для переработки кремнийсодержащих отходов пламенным гидролизом включает цилиндроконический корпус, крышку, расположенную на цилиндрической части корпуса, многоканальное струйное смесительное устройство, укрепленное в центре крышки, устройство для охлаждения пламени, укрепленное по периферии поверхности крышки относительно смесительного устройства, патрубок для вывода образующихся дымовых газов, установленный в вершине конуса конической части корпуса. Изобретения обеспечивают создание универсальной технологии, позволяющей эффективно перерабатывать жидкие и газообразные кремнийсодержащие отходы. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к химическим технологиям получения диоксида кремния из отходов, а именно к способам получения пирогенного диоксида кремния методом пламенного гидролиза газообразных или испаряемых соединений кремния и устройствам для их осуществления. Изобретение может быть использовано для получения товарного пирогенного диоксида кремния при промышленной утилизации некоторых кремнийсодержащих отходов. А именно, смеси жидких соединений кремния - хлорсиланов, представляющих собой трудно утилизируемые побочные продукты производства полупроводниковых материалов, а также абгазы синтеза исходных материалов для таких производств, в частности, трихлорсилана (ТХС), которые могут быть совместно переработаны с получением товарного пирогенного диоксида кремния и возвратом выделяемого при этом хлористого водорода в основное производство кремния.

Пирогенный диоксид кремния, в основном, производят путем совместного сжигания негорючих паров четыреххлористого кремния (ЧХК) с водородсодержащим топливным газом в кислородсодержащем газе, обычно - в воздухе (международная заявка WO 95/29872 от 9 ноября 1995 г.). Реагенты предварительно перемешивают и подают в центральную трубу горелки, сопловая часть которой входит в реакционную камеру (гидролизер). Горелки, которые в диаметре могут быть от 20 до 100 мм, преимущественно от 50 до 70 мм, производят устойчивое, в форме конуса, пламя. Вокруг наружного диаметра часто имеется тонкий концентричный кольцевой поток чистого водородсодержащего газа (водорода или метана) для стабилизации горения, предотвращения зарастания горелки отложениями диоксида кремния (ДК) и для обеспечения полноты реакции.

В пламени происходит гидролиз паров исходного кремнийсодержащего вещества - ЧХК (прекурсора) с образованием зародышевых частиц диоксида кремния, которые увеличиваются в размере за счет поверхностных реакций и механизма «соударения/коалесценции» с образованием так называемых первичных частиц. Далее при соударениях за счет коалесценции/коагуляции первичные частицы образуют агрегаты или кластеры, чей максимальный размер и форма определяются, в основном, температурой пламени, концентрацией ДК и временем пребывания в пламени. Из-за гомогенности газовой смеси условия реакции и, следовательно, условия для образования и роста каждой частицы ДК являются в основном идентичными, и в результате получают частицы с узким распределением размеров. Получаемые порошки ДК аморфны, обладают удельной площадью поверхности (УПП), измеряемой методом адсорбции газов (БЭТ-методом), в диапазоне от 100 до 400 м²/г и гидрофильными свойствами поверхности. Такой способ получения ДК называют пламенным гидролизом, а продукт - пирогенным ДК.

Кроме парофазного ввода используют жидкофазный метод, заключающийся в диспергировании прекурсора и вводе его в пламя в виде мельчайших капель жидкости. Попадая в область высоких температур, капли жидкости быстро испаряются и далее пламенные процессы протекают так же, как и при парофазном методе ввода. Выбор метода ввода прекурсора в пламя обычно зависит от температуры его кипения. Принято считать (патент США 6,322,765 от 27.11.2001 г.), что при температурах кипения до 130°С удобнее использовать парофазный метод ввода. При температурах кипения жидкости свыше 130°С жидкость диспергируют с помощью форсунки и вводят в пламя, часто в виде смеси с диспергирующим газом. При сжигании в качестве прекурсора негалогенированного силоксана (заявка US 2002/0041963 A1, 11 апреля 2002) могут использоваться оба метода ввода прекурсора в камеру сгорания. Жидкофазный метод имеет преимущество в том, что в пламя можно вводить жидкости, которые имеют очень низкую летучесть, жидкости с примесями твердой фазы или смеси жидкостей с сильно различающейся температурой кипения.

Известен способ получения пирогенного диоксида кремния из хлорсиланов и их смесей (патент US №7351388 от 1 апреля 2008). При использовании смеси хлорсиланов доля ЧХК не может быть ниже 60% мас. В изобретении используют парофазный метод ввода прекурсора, поскольку присутствия высококипящих компонентов (ВК) не предусмотрено. Нижний концентрационный предел ЧХК в смеси обусловлен его негорючестью, которая позволяет надежно перерабатывать в смеси с ЧХК такие особоопасные хлорсиланы, как ТХС. В этом случае пары ЧХК являются преобладающей, дисперсионной средой. В описании патента отсутствуют данные об устройстве, в котором осуществляют способ.

При использовании в качестве прекурсора кремнийсодержащих отходов, а именно, смесей, содержащих вещества с сильно различающимися температурами кипения, методы парофазного ввода прекурсора оказываются мало пригодными. Усугубляющим является то обстоятельство, что состав отходов может изменяться во времени, приводя к изменению свойств жидкости, влияние которых при парофазном методе ввода очень значительно. Особо опасные кремнийсодержащие вещества, такие как моносилан, ТХС, гексахлордисилан (ГХДС) и ряд других силанов, способны к взрывному реагированию с влагой окружающего воздуха. Для таких жидких систем предпочтительным является жидкофазный метод ввода прекурсора с использованием так называемого соплового смешения, когда контактирование прекурсора с участвующими газами и образование дисперсий происходят на выходе из сопел смесительного устройства. Понятно, что газы, используемые для диспергирования таких жидких отходов, должны быть сухими для предотвращения преждевременного гидролиза, приводящего к образованию отложений ДК.

Нежелательные отложения ДК часто образуются не только на смесительном устройстве, но и на внутренней поверхности стенок камеры сгорания (гидролизера). Подвергаясь воздействию высоких температур пламени, отложения оплавляются, затвердевают и, отваливаясь от стенок, могут перекрыть выходное отверстие из гидролизера.

Известны реактор синтеза ДК и способ его получения пламенным гидролизом (патент РФ №2378194, опубл. 10.01.2010). Реактор синтеза ДК состоит из горизонтального цилиндрического корпуса, горелочного устройства, узла управления и ввода реагирующих потоков, патрубков вывода смеси абгазов и ДК. В корпусе реактора установлен стабилизатор пламени, состоящий из двух коаксиально расположенных труб, причем наружная труба, выполненная в форме сопла Лаваля, имеет конфузор и перфорированный диффузор, при этом диаметр центрального канала горелочного устройства относится к диаметру внутренней трубы стабилизатора пламени как 1:(1,1÷1,2).

Способ получения ДК включает гидролиз кремнийсодержащих жидкостей в среде водорода в присутствии нагретого воздуха, который подают в зону горения по центральному каналу горелочного устройства со скоростью звука. Реактор состоит из горизонтального цилиндрического корпуса, горелочного многоканального устройства, узла управления и ввода реагирующих потоков, стабилизатора пламени, патрубка вывода смеси абгазов и диоксида кремния.

Использование такого устройства в случае избыточной подачи кислородсодержащего газа может привести к резкому снижению температуры пламени и прекращения процесса гидролиза. Способ может быть использован только при переработке определенных соединений кремния, в частности, органосилоксанов. Таким образом, устройство и способ по данному патенту, относящиеся по существу к процессу пиролиза и окисления, не могут быть использованы для переработки отходов производства ТХС.

Известны способ для переработки соединений кремния пламенным гидролизом с получением пирогенного ДК и горелка для его осуществления. Способ включает подачу в реакционное пространство парогазового потока, вводимого через пятиканальную трубчатую горелку, при этом в центральную трубу подают кислородсодержащий газ, во вторую - водообразующий газ, в третью - предварительно перемешанную смесь соединения кремния с кислородсодержащим газом и в пятую - кислородсодержащий газ.

Полученную в реакционном пространстве смесь дымовых газов, содержащих порошок ДК, после охлаждения до 200°С направляют в рукавный фильтр со струйной импульсной регенерацией, получая таким образом товарный продукт - пирогенный ДК. Описанная в патенте горелка имеет заданное соотношение диаметров кольцевых каналов, в центральной трубе по оси установлен завихритель потока и у выходного отверстия с зазором установлен конический или цилиндроконический вытеснитель потока (см. патент РФ №2350559, опубл. 27.03.2009).

В части способа данный патент защищает парофазный метод введения прекурсора в пламя, и он не может быть перенесен на переработку жидких отходов производства ТХС.

Известны способ получения ДК из кремнийсодержащих отходов пламенным гидролизом и устройство для его осуществления, принятые за прототип (патентная заявка US 2004/0216494 А1, опубликована 4.11.2004 г.).

Данный способ включает взаимодействие водородсодержащих компонентов с кислородсодержащим газом с получением гидролизного пламени, ввод в гидролизное пламя диспергированных отходов, содержащих соединения кремния, пламенный гидролиз последних с получением смеси пирогенного ДК с газами и охлаждение пламени охватывающим его потоком охлаждающей среды.

Известное устройство для пламенного гидролиза (гидролизер) включает цилиндроконический корпус, причем коническая часть корпуса в вершине конуса имеет патрубок для вывода образующейся аэросуспензии, крышку, в центре которой коаксиально укреплено струйное смесительное устройство, представляющее собой множество из трех и более коаксиальных каналов, первый из которых, центральный, служит для ввода жидких отходов, второй, считая от центрального, кольцевой - для ввода диспергирующего газа, а в третий кольцевой канал подают кислородсодержащий газ, при этом по периферии относительно смесительного устройства укреплено устройство для охлаждения пламени.

Способ-прототип можно использовать для эффективного сжигания жидкостей, таких как отходные продукты, включающие кремнийсодержащие вещества. В данном изобретении в качестве жидких отходов используют горючие органокремниевые жидкости, такие как тетраметоксисилан, гексаметилдисилоксан, гексаметилдисилазан и др. Поэтому водородсодержащие компоненты для создания гидролизной среды берутся из самой жидкости при ее пиролитическом разложении в зоне высоких температур. Для охлаждения пламени используется распыленная форсунками вода. Для достижения стабильного горения используется так называемый держатель пламени, установленный в непосредственной близости от сопла центральной трубы, по которой вводится жидкость. Для борьбы с отложениями на стенках гидролизера предложено использовать пневматические пушки, установленные по всей длине корпуса, а также механические скребки, приводимые в действие с помощью цепей.

Однако известные способ и устройство имеют ограничения по составу перерабатываемых отходов, в частности, не предусматривают переработку газообразных отходов, включающих кремнийсодержащие вещества. Отсутствие каналов для ввода газов, обеспечивающих наличие кольцевого пилотного пламени вокруг гидролизного пламени, снижает вероятность стабильного горения, что может привести к погасанию пламени со всеми нежелательными последствиями. Ввод распыленной воды через форсунку, установленную сбоку от пламени, может также привести к потере устойчивости гидролизного пламени. Вместе с тем, ввод большого количества охлаждающей воды непосредственно в гидролизер также крайне нежелателен, поскольку образующаяся аэросуспензия перегружается парами воды, что крайне нежелательно для работы оборудования выделения и транспортировки порошкового материала. Охлаждающие потоки неравномерно распределены по периферии, что способствует спеканию отложений диоксида кремния на внутренней стенке гидролизера. Наличие держателя пламени в непосредственной близости от сопел смесительного устройства чревато образованием наростов твердых отложений диоксида кремния, которые нарушают нормальную работу сопел, искажают форму пламени и даже полностью забивают выходные отверстия смесительного устройства, приводя к полной остановке процесса. Работа пневматических пушек (периодические импульсные разряды сжатого воздуха) для удаления отложений с поверхности внутренних стенок камеры сгорания также несет опасность сбивания пламени, приводящего к полному его погасанию. Неконтролируемый приток кислородсодержащего газа во время работы пневматических пушек приведет к повышению содержания свободного хлора (в случае сжигания хлорсодержащих отходов) в отходящей аэросуспензии, что усложнит ее обработку. Для удаления отложений необходим скребковый механизм с цепным приводом. Таким образом, известное устройство является сложным, а процесс мало эффективным.

Техническим результатом заявленного изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание универсального способа для переработки жидких и газообразных отходов, включающих кремнийсодержащие вещества, повышение стабильности пламени, снижение образования отложений диоксида кремния на соплах смесительного устройства и поверхности внутренней стенки корпуса, упрощение конструкции гидролизера, а также повышение эффективности процесса в целом.

Технический результат достигается тем, что в способе переработки кремнийсодержащих отходов пламенным гидролизом, включающем подачу в реакционное пространство через многоканальное коаксиальное смесительное устройство парогазового потока водородсодержащих компонентов и кислородсодержащего газа, их взаимодействие с получением гидролизного пламени, ввод в гидролизное пламя диспергированных отходов, содержащих соединения кремния, с подачей исходных жидких отходов в центральный канал, пламенный гидролиз диспергированных отходов с получением дымовых газов, содержащих пирогенный диоксид кремния, и охлаждение пламени охватывающим его потоком охлаждающей среды, согласно изобретению пламенному гидролизу подвергают совместно жидкие и газообразные отходы производства трихлорсилана, содержащие преимущественно хлорсиланы и газообразный водород с примесями хлорсиланов соответственно, при этом газообразные отходы используют для диспергирования жидких отходов и/или для создания кольцевого пилотного пламени, окружающего гидролизное пламя.

Кроме того,

- при диспергировании жидких отходов газообразными отходами последние подают под давлением 0,1-1,0 МПа, подачу в реакционное пространство газообразных отходов осуществляют через второй от центрального коаксиальный канал смесительного устройства, при этом количество отходов составляет 3-50% от общего количества, подаваемого на пламенный гидролиз;

- для создания кольцевого пилотного пламени используют смесь газообразных отходов и кислородсодержащего газа при соотношении (90-20):(10-80), при этом газообразные отходы подают в реакционное пространство через четвертый канал смесительного устройства, а кислородсодержащий газ - через третий и пятый соответственно;

- в качестве охлаждающей среды используют увлажненный парами воды азот при температуре от 10 до 40°С;

- в качестве охлаждающей среды используют дымовые газы после выделения из них диоксида кремния и хлористого водорода.

Технический результат достигается с использованием заявленного устройства для переработки кремнийсодержащих отходов пламенным гидролизом, включающего цилиндроконический корпус, крышку, расположенную на цилиндрической части корпуса, многоканальное струйное смесительное устройство, укрепленное в центре крышки, устройство для охлаждения пламени, укрепленное по периферии поверхности крышки относительно смесительного устройства, патрубок для вывода образующихся дымовых газов, установленный в вершине конуса конической части корпуса, в котором согласно изобретению устройство для охлаждения пламени выполнено в виде конической вставки, меньшим основанием жестко закрепленной на внутренней поверхности крышки и большим основанием вплотную примыкающей к цилиндрической стенке корпуса соосно со смесительным устройством, образуя тем самым периферийное кольцевое пространство треугольного сечения, при этом по краю большего основания вставки, расположенного по уровню ниже крышки на 0,1-0,6 диаметра корпуса, выполнены окна или прорези, а на периферии поверхности крышки или на примыкающей к ней части корпуса, ограничивающих периферийное кольцевое пространство, установлен один и более патрубков для ввода охлаждающей среды.

Кроме того, вырезы в конической вставке выполнены в форме треугольников с вершинами, направленными к ее оси, при этом расстояние между краями вырезов по окружности составляет не более 3% от диаметра окружности большего основания вставки.

Сущность способа заключается в следующем.

Жидкие отходы синтеза ТХС представляют собой смесь соединений кремния, в основном ЧХК (до 50-80% мас.), ТХС (до 20-30% мас.), ДХС (до 0,5-2,0% мас.) и высококипящих (ВК), включая ГХДС, до 0,5-2,0% мас. В предложенном способе диспергирование жидких отходов проводят абгазами производства ТХС, подаваемыми с давлением от 0,1 до 1,0 МПа, причем их количество составляет от 3 до 50% от их общего количества, подаваемого на пламенный гидролиз, или кислородсодержащим газом с давлением от 0,1 до 1,0 МПа, при этом его количество составляет от 3 до 10% от общего количества, подаваемого на пламенный гидролиз.

По предлагаемому способу в качестве охлаждающей среды используют насыщенный парами воды азот при температуре от 10 до 40°С. Для создания пилотного пламени используют кислородсодержащий газ в количестве от 10 до 80% от его общего количества, подаваемого на пламенный гидролиз, и абгазы производства ТХС в количестве от 10 до 100% от их общего количества, подаваемого в процесс.

Таким образом, в процесс получения пирогенного ДК вовлекают и жидкие, и газообразные отходы производства ТХС с комплексным использованием всех ценных компонентов. Для осуществления этого способа предложено устройство (гидролизер), которое включает цилиндроконический корпус, причем коническая часть корпуса, в вершине конуса, имеет патрубок для вывода образующихся дымовых газов в смеси с пирогенным ДК, крышку, в центре которой коаксиально укреплено струйное смесительное устройство, при этом по периферии относительно смесительного устройства укреплено устройство для охлаждения пламени. Струйное смесительное устройство содержит пять коаксиальных каналов. Новым в конструкции устройства является выполнение устройства для охлаждения пламени, обеспечивающее требуемый температурный режим в реакционном пространстве за счет поддержания равномерного горения пламени и исключения преждевременного образования частиц ДК и забивания струйного смесительного устройства (сопел горелки).

При осуществлении способа в первый канал (центральный) смесительного устройства вводят жидкие отходы, во второй, считая от центрального, кольцевой - вводят диспергирующий газ - абгазы производства ТХС, в третий кольцевой канал подают кислородсодержащий газ, в четвертый кольцевой канал подают абгазы синтеза ТХС, а в пятый - кислородсодержащий газ.

Поскольку жидкие отходы представляют собой побочные продукты синтеза ТХС и содержат смесь соединений кремния, в основном ЧХК (до 50÷80% мас.), ТХС (до 20÷50% мас.), ДХС (до 0,5÷2,0% мас.) и высококипящих (ВК), включая ГХДС до 0,5-2,0% мас., а газообразные - абгазы синтеза ТХС, содержат в основном водород с примесями ТХС, ЧХК и HCl, то их совместная переработка создает благоприятные условия для осуществления процесса пламенного гидролиза. Действительно, абгазы синтеза ТХС, значительную часть которых составляет водород, представляют собой водородсодержащий газ, без которого невозможно создание среды гидролиза, а также пилотного пламени, являющегося периферийным источником постоянного поджига гидролизного пламени и, поэтому, стабилизирующим фактором пламенного процесса. Незначительное содержание в абгазах хлорсиланов обеспечивает отсутствие в абгазах паров воды, что делает их гарантированно абсолютно «сухими» и позволяет одновременно использовать их для диспергирования жидких смесей, содержащих такие особо опасные вещества, как ТХС и ГХДС.

Использование части кислородсодержащего газа и части абгазов для создания кольцевого пилотного пламени, окружающего гидролизное пламя, существенно повышает стабильность пламени за счет существования постоянного периферийного источника поджига.

При проведении диспергирования жидких отходов частью кислородсодержащего газа, подаваемого с давлением от 0,1 до 1,0 МПа, при котором его количество составляет от 3 до 10% от их общего количества, подаваемого на пламенный гидролиз, используют пневматические форсунки. Такой метод обеспечивает качественный распыл жидкости с получением требуемых минимальных размеров капель и равномерной плотности факела распыла. При этом кислородсодержащий газ должен быть сухим. Конкретное количество газа зависит от конструкции распылительной головки форсунки. Проведение диспергирования жидких отходов частью абгазов, подаваемых с давлением от 0,1 до 1,0 МПа, при котором их количество составляет от 3 до 50% от их общего количества, подаваемого на пламенный гидролиз, также предусматривает использование распространенных в технике пневматических форсунок и позволяет получить смесь капель и паров прекурсора с газом, дающим при окислении гидролизную среду. В отличие от прототипа заявляемый способ исключает преждевременный гидролиз в непосредственной близости от центрального сопла смесительного устройства. Абгазы производства ТХС должны быть поданы на диспергирование при повышенном давлении, т.е. обладать потенциальной энергией, не ниже, чем сжатый воздух по прототипу. Конкретное количество абгазов, подаваемых в указанном диапазоне (от 3 до 50%), зависит от конструкции распылительной головки форсунки (в изобретении не рассматривается). Так, проведение диспергирования жидких отходов методом механического распыления с использованием давления самих жидких отходов, составляющего величину от 0,1 до 5,0 МПа, предусматривает использование одноканальных (механических) форсунок. Такой метод диспергирования не требует высокой потенциальной энергии (давления) газов, транспортирующих капли в пламенную зону гидролизера. Таким транспортирующим газом могут быть как абгазы синтеза ТХС, так и кислородсодержащий газ (осушенные). Конкретная величина давления в указанном диапазоне (от 0,1 до 5,0 МПа) зависит от конструкции распылительной головки форсунки и технических характеристик подающего насоса.

Использование в качестве охлаждающей среды насыщенного парами воды азота при температуре от 10 до 40°С позволяет избежать неконтролируемое поступление кислорода в гидролизер и тем самым не допустить высокого содержания свободного хлора в отходящих дымовых газах в смеси с ДК.

Конкретное количество кислородсодержащего газа, используемого в пилотном пламени в заявленном соотношении (от 10 до 80%) от его общего количества, зависит от того, какой газ и в каком количестве используют для диспергирования жидкого отхода. Если для диспергирования используют в основном абгазы производства ТХС, то основную часть кислородсодержащего газа используют в пилотном пламени и наоборот: если для диспергирования уже используют кислородсодержащий газ, то его количество в пилотном пламени будет минимальным. В зависимости от состава жидкого отхода, а также от давления абгазов, допускается использование практически всего их количества для создания пилотного пламени.

Поскольку в предложенном устройстве смесительное устройство представлено пятью коаксиальными каналами, причем в четвертый кольцевой канал подают абгазы синтеза ТХС, а в пятый - кислородсодержащий газ, то такое использование смесительного устройства позволяет организовать диффузионное устойчивое пилотное пламя, являющееся периферийным источником постоянного поджига гидролизного пламени, что существенно повышает стабильность пламени и процесса в целом.

Исполнение устройства для охлаждения пламени в виде конической вставки, закрепленной на внутренней поверхности крышки вплотную к цилиндрической стенке корпуса, соосно к смесительному устройству, когда вставка снабжена окнами или вырезами, выполненными по ее максимальной окружности, а крышка или примыкающая к ней часть корпуса снабжена патрубком, или патрубками для ввода охлаждающей среды, обеспечивает равномерное распределение охлаждающей газовой среды по окружности корпуса и организацию эффективной закалки пламени (быстрого охлаждения).

Вырезы вставки имеют треугольную форму с вершинами, направленными к оси корпуса, при этом расстояние между краями вырезов по окружности составляет не более 3% от окружности большего основания вставки. Это позволяет наилучшим образом распределить охлаждающий газ.

Существо предложенного технического решения поясняется чертежом.

На чертеже схематически изображено устройство, в котором содержатся:

корпус 1, рубашка 2, крышка 3, патрубок вывода дымовых газов в смеси с ДК 4, смесительное устройство 5, устройство для охлаждения 6, вырезы 7, патрубок ввода охлаждающего газа 8, форсунка 9, центральный канал 10, патрубок ввода диспергирующего газа 11, головка форсунки 12, патрубок ввода первичного воздуха 13, патрубок ввода абгазов синтеза ТХС 14, патрубок ввода вторичного воздуха 15.

«а» - расстояние между краями вырезов по окружности.

Устройство представляет собой вертикальный аппарат емкостного типа. Цилиндроконический корпус (1) аппарата снабжен рубашкой охлаждения (2) и плоской крышкой (3). В нижней части корпуса имеется патрубок вывода образующегося диоксида кремния в виде смеси с дымовыми газами (4). Сверху к плоской крышке по оси укреплено пятиканальное смесительное устройство (5), а снизу к ней, также по оси, вплотную к цилиндрической стенке корпуса, укреплено устройство для охлаждения пламени (6) в виде вставок конической формы с вырезами (7) треугольной формы, выполненными по ее максимальной окружности. Расстояние между краями вырезов равно величине а. Крышка аппарата также снабжена патрубками ввода охлаждающего газа (8). По оси смесительного устройства установлена пневматическая (двухканальная) форсунка (9), центральный канал (10) которой служит для ввода жидких отходов, а патрубок (11) - для ввода в кольцевой канал диспергирующего газа. Оба канала форсунки заканчиваются снизу диспергирующей головкой (12). Устройство головки может быть самое разнообразное и в данном изобретении не рассматривается. Патрубок (13) служит для ввода в смесительное устройство первичного воздуха, патрубок (14) - для подачи газообразных отходов, а патрубок (15) - для вторичного воздуха.

Устройство работает следующим образом.

Жидкие отходы, представляющие в основном смесь хлорсиланов, непрерывно подают в смесительное устройство (5) через центральный канал (10). Назначение диспергирующей головки - обеспечить высокое качество диспергирования и придать факелу распыла соответствующую размерам корпуса форму. Газообразные отходы, представляющие собой абгазы синтеза ТХС, находящиеся под давлением до 1,0 МПа, вводят в смесительное устройство двумя потоками, один из которых направляется во второй канал через патрубок (11) для диспергирования жидких отходов, а другой - в четвертый канал через патрубок (14) для участия в пилотном пламени как водородсодержащий газ. Кислородсодержащий газ в виде осушенного первичного воздуха подают в третий канал через патрубок (13) для окисления водородсодержащих абгазов производства ТХС и компонентов жидких отходов с образованием гидролизной среды, содержащей пары воды. Кислородсодержащий газ в виде вторичного воздуха вводят в смесительное устройство по патрубку (15), и он попадает в пятый кольцевой канал, выходя из которого, смешивается с абгазами синтеза ТХС и создает кольцевое пилотное пламя, которое служит периферийным источником постоянного поджига гидролизного пламени. Содержащиеся в абгазах синтеза примеси парообразных хлорсиланов подвергаются пламенному гидролизу вместе с испаряемыми аналогичными веществами жидких отходов.

Для быстрого охлаждения продуктов пламенного гидролиза и предотвращения обрастания стенок устройства отложениями диоксида кремния, через патрубки (8) и вырезы (7) в устройстве для охлаждения пламени 6 вдоль внутренней поверхности стенок корпуса (1) подается охлаждающий газ. Устройство для охлаждения (6) служит для равномерного распределения охлаждающего газа по окружности корпуса (1). Для предотвращения перегрева стенок гидролизера корпус (1) аппарата снабжен рубашкой (2), через которую циркулирует хладагент. Такая рубашка необходима также для нагрева устройства в период пуска и остановки пламенного гидролиза для предотвращения конденсации влаги. Образующаяся в результате пламенного гидролиза смесь твердых и газообразных продуктов реакций и охлаждающего стенки газа выходят из реакционного пространства через патрубок (4). Выделение товарного продукта - диоксида кремния из этой смеси проводят стандартным путем, например, как в аналоге (см. патент РФ №2350559, приведенный выше) с использованием рукавного фильтра со струйной импульсной регенерацией.

Способ иллюстрируется примерами.

Расход жидких отходов, газообразных отходов, кислородсодержащего газа и температуры подаваемых реагентов подбирались таким образом, чтобы при расчете температуры адиабатического пламени (ТАП) можно было ожидать получение продуктового диоксида кремния, обладающего определенной величиной удельной площади поверхности (УПП), как основного показателя, характеризующего ту или иную марку пирогенного диоксида кремния.

Пример

Процесс пламенного гидролиза проводили в устройстве, изображенном на чертеже. В качестве жидкого отхода использовали смесь кремнийсодержащих побочных продуктов синтеза ТХС состава: ЧХК - 62% мас., ТХС - 36,5% мас., ДХС - 1% мас., ВК - 0,5% мас. В качестве газообразного отхода использовали абгазы синтеза ТХС состава: Н₂ - 93% мас., HCl - 0,2% мас., ЧХК - 6,7% мас., ТХС - 0,1% мас.

В центральный канал вводили жидкие отходы, во второй канал - абгазы производства ТХС, в третий канал - кислородсодержащий газ, в четвертый канал - абгазы и в пятый - кислородсодержащий газ. Абгазы производства ТХС и кислородсодержащий газ используют в качестве диспергирующего газа и для создания пилотного пламени. При этом для диспергирования абгазы подают под давлением 0,1-1,0 МПа, а их количество составляет 3-50% от количества абгазов, подаваемых в четвертый канал для создания пилотного пламени. Абгазы и кислородсодержащий газ подавали в четвертый и пятый каналы при расходе, обеспечивающем соотношение (90-20):(10-80). Выбор соотношения определяется ТАП и связан с заданными параметрами получаемого ДК. Так, при ТАП 1810°С получают ДК с насыпной плотностью 46 кг/м³ и УПП 105 м²/г. При ТАП 1675°С получают ДК с насыпной плотностью 42 кг/м³ и УПП 160 м²/г. При ТАП 1590°С получают ДК с насыпной плотностью 40 кг/м³ и УПП 215 м²/г.

В качестве охлаждающего газа использовались абгазы производства пирогенного диоксида кремния, представляющие собой азот воздуха (99,5% мас.) с парами воды (остальное), при температуре 20°С.Расход охлаждающего газа составил 545 кг/час. Общий расход первичного и вторичного воздуха составил 776 кг/час, причем их соотношение составило 50% на 50%.

При работе устройства в течение трех суток отмечалась стабильность пламени (по приборам контроля пламени) и незначительный осадок твердого диоксида кремния на внутренней поверхности корпуса, не нарушающий стабильной работы гидролизера.

В результате был получен аморфный белый порошок диоксида кремния, содержащий 99,85% мас. основного вещества.

Таким образом, предложенное техническое решение дает возможность одновременной переработки жидких и газообразных отходов производства ТХС, включающих преимущественно хлорсиланы и водород, с получением товарного продукта, повышает стабильность пламени, снижает образование отложений диоксида кремния на соплах смесительного устройства и поверхности внутренней стенки корпуса, упрощает конструкцию устройства, а также повышает эффективность процесса в целом.

1. Способ переработки кремнийсодержащих отходов пламенным гидролизом, включающий подачу в реакционное пространство через многоканальное коаксиальное смесительное устройство парогазового потока водородсодержащих компонентов и кислородсодержащего газа, их взаимодействие с получением гидролизного пламени, ввод в гидролизное пламя диспергированных отходов, содержащих соединения кремния, с подачей исходных жидких отходов в центральный канал, пламенный гидролиз диспергированных отходов с получением дымовых газов, содержащих пирогенный диоксид кремния, и охлаждение пламени охватывающим его потоком охлаждающей среды, отличающийся тем, что пламенному гидролизу подвергают совместно жидкие и газообразные отходы производства трихлорсилана, содержащие преимущественно хлорсиланы и газообразный водород с примесями хлорсиланов соответственно, при этом газообразные отходы используют для диспергирования жидких отходов и/или для создания кольцевого пилотного пламени, окружающего гидролизное пламя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при диспергировании жидких отходов газообразными отходами последние подают под давлением 0,1-1,0 МПа, подачу в реакционное пространство газообразных отходов осуществляют через второй от центрального коаксиальный канал смесительного устройства, при этом количество отходов составляет 3-50% от общего количества, подаваемого на пламенный гидролиз.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания кольцевого пилотного пламени используют смесь газообразных отходов и кислородсодержащего газа при соотношении (90-20):(10-80), при этом газообразные отходы подают в реакционное пространство через четвертый канал смесительного устройства, а кислородсодержащий газ - через третий и пятый соответственно.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей среды используют увлажненный парами воды азот при температуре от 10 до 40°С.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей среды используют дымовые газы после выделения из них диоксида кремния и хлористого водорода.

6. Устройство для переработки кремнийсодержащих отходов пламенным гидролизом, включающее цилиндро-конический корпус, крышку, расположенную на цилиндрической части корпуса, многоканальное струйное смесительное устройство, укрепленное в центре крышки, устройство для охлаждения пламени, укрепленное по периферии поверхности крышки относительно смесительного устройства, патрубок для вывода образующихся дымовых газов, установленный в вершине конуса конической части корпуса, отличающееся тем, что устройство для охлаждения пламени выполнено в виде конической вставки, меньшим основанием жестко закрепленной на внутренней поверхности крышки и большим основанием вплотную примыкающей к цилиндрической стенке корпуса соосно со смесительным устройством, образуя тем самым периферийное кольцевое пространство треугольного сечения, при этом по краю большего основания вставки, расположенного по уровню ниже крышки на 0,1-0,6 диаметра корпуса, выполнены окна или прорези, а на периферии поверхности крышки или на примыкающей к ней части корпуса, ограничивающих периферийное кольцевое пространство, установлен один и более патрубков для ввода охлаждающей среды.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что вырезы в конической вставке выполнены в форме треугольников с вершинами, направленными к ее оси, при этом расстояние между краями вырезов по окружности составляет не более 3% от диаметра окружности большего основания вставки.