способ термохимической парогазовой обработки дисперсных материалов

Формула изобретения

Способ термохимической парогазовой обработки дисперсных материалов в виброкипящем слое при продувке газа-носителя и пара (газа) реагента с последующим удалением в токе газа-носителя непрореагировавшего реагента и образовавшихся газообразных продуктов, отличающийся тем, что виброкипящий слой создают путем наложения колебательных воздействий в резонансном режиме на удаляемый газ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к способам парогазовой обработки поверхности дисперсных материалов и может быть использовано для получения пигментов, наполнителей, индикаторов, активных керамических масс и других материалов.

Известны способы термохимической парогазовой обработки дисперсных материалов (кремнеземов, стеклосфер, карбида кремния, нитрида бора и других) в стационарном слое путем продувки через него газа-носителя и пара (газа) реагента с последующим удалением в токе газа-носителя непрореагировавшего реагента и образовавшихся газообразных продуктов (авт.св. СССР N 424447, кл. B 01 J 37/08, 1972, N 1528779, кл. C 09 G 3/08, 1989, N 1713886, кл. C 01 F 7/02, 1992). Недостатками способов являются большая продолжительность процесса, ограничения по высоте слоя и неравномерность обработки, связанного с низкой скоростью фильтрации из-за большого гидравлического сопротивления слоя, особенно для мелкодисперсного материала, и каналообразования.

Известен также способ термохимической парогазовой обработки дисперсных материалов в кипящем слое при продувке газо-носителя и пара (газа) реагента через дисперсный материал со скоростью, превышающей критическую (начальную) скорость псевдоожижения (Малыгин А.А. и др. Синтез ванадийсодержащего силикагеля в псевдоожиженном слое, Изв. вузов. Химия и химическая технология, 1979, Т. 22, N 1. с. 13-16). Обработка в кипящем слое в определенной степени способствует устранение недостатков, присущих стационарному слою. Однако необходимость ведения процесса при скоростях газа, превышающих начальную скорость псевдоожижения, приводит к резкому увеличению материального индекса процесса. Это вызвано тем, что значительная часть реагента (7-14 кратный его избыток по отношению к хемосорбированному) не участвует в процессе и выбрасывается в окружающую среду, поскольку термохимическая парогазовая обработка дисперсных материалов требует оптимального содержания реагента в газовом потоке (Дергачев В.Ф. и др. Исследование макрокинетики реакции оксихлорида ванадия с силикагелем, ЖПХ 1981, N 9, с. 1972-1975). Помимо этого при высоких скоростях газового потока возникают проблемы, связанные с истиранием дисперсного материала и его уносом. Кроме того, из-за использования избытка реагента требуются дополнительные затраты на его утилизацию.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ термохимической парогазовой обработки дисперсных материалов в виброкипящем слое при продувке газа-носителя и пара (газа) реагента через дисперсный материал (прототип) (Членов В.А. Михайлов Н.В. Виброкипящий слой. М. Наука, 1972, с. 247-252). Сочетание продувки газа-носителя и пара (газа) реагента с виброожижением позволяет вести обработку дисперсного материала при небольших скоростях газового потока, благодаря чему повышается степень использования реагента. Однако известные низкочастотные методы виброожижения путем колебаний емкости с материалом или введенных в дисперсный материал элементов имеют повышенную энергоемкость, низкую надежность при реализации и ограничения по высоте обрабатываемого слоя.

В основу изобретения положено решение задачи снижения энергоемкости и повышения надежности процесса парогазовой обработки дисперсных материалов при сохранении качества конечного продукта.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе термохимической парогазовой обработки дисперсных материалов в виброкипящем слое при продувке газа-носителя и пара (газа) реагента с последующим удалением в токе газа-носителя непрореагировавшего реагента и образовавшихся газообразных продуктов, виброкипящий слой создают путем наложения колебательных воздействий в резонансном режиме на удаляемый газ.

Анализ известных технических решений показал, что предлагаемый способ термохимической обработки дисперсных материалов с использованием колебательных воздействий в резонансном режиме на удаляемый газ обладает новизной и изобретательским уровнем. Изобретение промышленно применимо при получении различных дисперсных материалов, используемых в качестве активных наполнителей композиционных материалов, сорбентов, индикаторов, сенсоров и для других назначений.

При организации виброкипящего слоя с помощью колебательных воздействий в резонансном режиме на удаляемый газ резко сокращается энергозатраты за счет того, что колебательным воздействиям подвергают газовую фазу, а не емкость с дисперсным материалом. При этом возрастает надежность способа и возможность его практической реализации.

Исходя из акустической природы поведения дисперсных (порошкообразных) материалов при колебательных воздействиях (Малышев П.А и др. О вибрационном перемещении массива сыпучего материала Вибротехника, Вильнюс, 1982, т. 44, N 4, с. 111), следует, что параметры колебательного процесса, при которых имеют место резонансные явления, зависят от параметров колебаний возбуждаемой в дисперсном материале звуковой волны. Следовательно, от высоты обрабатываемого слоя будет зависеть частота ее колебаний, и для низкочастотных колебаний она может быть достаточно большой. Например, при скорости звуковой волны в сыпучем материале 20 м/с можно обрабатывать на частоте 20 Гц слой высотой 0,25 м, а на частоте 10 Гц слой высотой 0,5 м. Поскольку скорость распространения звуковой волны в сыпучем материале зависит от рабочего давления, истинной плотности и порозности дисперсного материала, то варьированием этих параметров можно ею управлять и создавать условия для увеличения высоты обрабатываемого слоя. При этом производительность по образовавшимся газообразным продуктам будет определяться скоростью газа-носителя и концентрацией пара (газа) реагента, от величины которых состояние виброкипящего слоя (кроме уноса) практически не зависит.

Пример 1. В реактор проточного типа загружают 0,16 кг силикагеля марки ШСКГ (фракция 0,5-2,0 мм) и на резонансной частоте 23 Гц переводят его в виброкипящее состояние с помощью генератора колебаний мощностью 0,15 кВт. Образец просушивают при температуре 180^oC в токе сухого воздуха, подаваемого с линейной скоростью 0,01 м/с, в течение 1 ч. По окончании просушки при этой же температуре в реактор подают пар оксихлорида ванадия (VOCl₃) с концентрацией 5,5 моль/м³ в воздухе в течение 150 мин. Непрореагировавший оксихлорид ванадия и образовавшийся хлористый водород удаляют водяным паром при температуре 500^oC в течение 2 ч. При этом полученный образец имеет светложелтый цвет и содержит в продувке ванадия 1,00,2 моль/кг при расходе оксихлорида ванадия 0,456 кг/кг продукта. Продукт соответствует ТУ 6-10-2971-84 на индикаторный ванадий-содержащий силикагель марки ИВС-1.

В известном реакторе с виброкипящим слоем при тех же характеристиках конечного продукта и одинаковых гидродинамических и концентрационных параметрах проведения процесса энергозатраты выше в 2 раза и составляют 0,3 кВт.

В базовом реакторе кипящего слоя с такой же загрузкой для достижения тех же характеристик продукта требуется подача пара оксихлорида ванадия с концентрацией 0,3 моль/м³ в течение 15 мин. Непрореагировавший оксихлорид ванадия и образовавшийся хлористый водород удаляют водяным паром при тех же указанных выше условиях в течение 2 ч. При этом продукт с указанным выше содержанием ванадия получен при расходе оксихлорида ванадия 2,443 кг/кг продукта и энергозатратах на подвод газа 0,05 кВт.

Пример 2. В реактор проточного типа загружают 0,5 кг электрокорунда (фракция 4-5 мкм) и на резонансной частоте 15 Гц переводят его в виброкипящее состояние с помощью генератора колебаний мощностью 0,2 кВт. Образец просушивают при температуре 200^oC в токе сухого воздуха, подаваемого с линейной скоростью 0,005 м/с в течение 1 ч. По окончании просушки при этой же температуре в реактор подают пар хлорида титана (TiCl₄) с концентрацией 3 моль/м³ в воздухе в течение 10 мин. Непрореагировавший хлорид титана и образовавшийся хлористый водород удаляют в токе сухого воздуха в течение 20 мин. Затем проводят парофазный гидролиз до прекращения выделения хлористого водорода и сушку продукта в токе сухого воздуха в течение 0,5 ч. Полученный продукт содержит 0,01 моль/кг титана при расходе хлорида титана 0,003 кг/кг.

В известном реакторе виброкипящего слоя с такой же загрузкой энергозатраты выше в два раза.

Пример 3. В реактор проточного типа загружают 0,5 кг электрокорунда (фракция 1-2 мм) и на резонансной частоте 15 Гц переводят его в виброкипящее состояние с помощью генератора колебаний мощностью 0,2 кВт. Далее процесс проводят аналогично примеру 2. Полученный продукт содержит 0,03 моль/кг титана при расходе хлорида титана 0,005 кг/кг.

В известном способе с такой же загрузкой энергозатраты выше в два раза.

Таким образом, предлагаемый способ термохимической обработки дисперсных материалов позволяет снизить в два и более раза (в зависимости от габаритов обрабатываемых слоев) энергозатраты при сохранении достигнутого качества конечного продукта и параметров процесса обработки, а также повысить надежность вследствие возможности его осуществления в аппарате с неподвижным корпусом (без вибрации аппарата). Предлагаемое изобретение найдет широкое применение при парогазовом химическом модифицировании поверхности различных дисперсных материалов, используемых в качестве активных наполнителей композиционных материалов, сорбентов, индикаторов, сенсоров и для других назначений.