способ получения жидкого стекла и реактор для получения жидкого стекла

Формула изобретения

1. Способ получения жидкого стекла путем растворения силикат-глыбы в воде при нагревании и воздействии полем, отличающийся тем, что воду предварительно подвергают облучению микроволновым полем более чем 1 пучности, а реакционную массу - импульсным микроволновым полем.

2. Реактор для получения жидкого стекла, содержащий корпус, системы термостатирования и перемешивания, патрубки и люк, отличающийся тем, что он имеет отверстие с размещенным в нем волноводом - источником микроволнового поля и патрубком для подачи воды, волновод и патрубок для подачи воды пересечены вне корпуса реактора под углом 10 - 30^o, патрубок для подачи воды в зоне пересечения с волноводом выполнен из диэлектрика с низкими потерями, а волновод на входе в отверстие перекрыт пластиной из диэлектрика с низкими потерями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения жидкого стекла, применяемого в качестве вяжущего в строительной, нефтедобывающей и других отраслях производственной деятельности.

Известен способ получения жидкого стекла путем растворения силикат-глыбы при нормальном давлении и температуре 92-98^oC в течение 3-3,5 час (1).

Известный способ характеризуется большой продолжительностью процесса, большим содержанием нерастворимого осадка.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ получения жидкого стекла путем растворения силикат-глыбы при нагревании с одновременным воздействием переменного электрического поля напряженностью 4 - 8 В/см (2).

Известный способ ускоряет процесс растворения силикат-глыбы, но использование переменного тока в качестве активатора воды в реакторе опасно, поэтому способ не нашел применения в промышленности.

Известен стационарный автоклав для растворения силикат-глыбы, содержащий емкость, работающую под избыточным давлением, люк и патрубки для подачи ингредиентов и выгрузки жидкого стекла (3).

Известное устройство не обеспечивает высокой скорости растворения силикатов ввиду отсутствия перемешивающих устройств.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является реактор, содержащий корпус с системой термостатирования и перемешивания, люк и патрубки для подачи ингредиентов и отвода жидкого стекла (3).

Реактор подобного типа не позволяет интенсифицировать процесс растворения силикат-глыбы ввиду незначительных по величине и воздействию факторов на растворяющуюся массу и значительных энергозатрат на процесс.

В изобретении решается задача снижения времени получения жидкого стекла, увеличения съема продукции с единицы оборудования, улучшения фильтруемости жидкого стекла, снижения энергозатрат.

Задача решается тем, что в способе получения жидкого стекла путем растворения силикат-глыбы в воде при нагревании и воздействии полем, согласно изобретению воду предварительно подвергают облучению микроволновым полем более чем 1 пучности, а реакционную массу - импульсным микроволновым полем.

Задача решается тем, что реактор для получения жидкого стекла, содержащий корпус, системы термостатирования и перемешивания, патрубки и люк, согласно изобретению имеет отверстие с размещенным в нем волноводом - источником микроволнового поля и патрубком для подачи воды, волновод и патрубок для подачи воды пересечены вне корпуса реактора под углом 10-30^o, патрубок для подачи воды в зоне пересечения с волноводом выполнен из диэлектрика с низкими потерями, а волновод на входе в отверстие перекрыт пластиной из диэлектрика с низкими потерями.

Признаками объекта изобретения "способ" являются следующие:

1. растворение силикат-глыбы в воде;

2. то же при нагревании;

3. то же при воздействии полем;

4. воду предварительно подвергают облучению микроволновым полем;

5. то же более чем 1 пучности;

6. реакционную массу подвергают облучению импульсным микроволновым полем.

Признаки 1-3 являются сходными с прототипом, признаки 4-6 являются существенными отличительными признаками изобретения.

Признаками объекта изобретения "устройство" являются следующие:

1. корпус;

2. система термостатирования:

3. система перемешивания:

4. патрубки;

5. люк:

6. отверстие;

7. размещение в отверстии волновода - источника микроволнового поля;

8. размещение в отверстии патрубка для подачи воды;

9. пересечение волновода и патрубка для подачи воды вне корпуса реактора;

10. угол пересечения 10-30^o;

11. выполнение патрубка для подачи воды в зоне пересечения с волноводом из диэлектрика с низкими потерями;

12. перекрытие волновода на входе в отверстие пластиной из диэлектрика с низкими потерями.

Признаки 1-5 являются сходными с прототипом, признаки 6-12 являются существенными отличительными признаками изобретения.

Сущность изобретения

Процесс получения жидкого стекла отличается длительностью, малым выходом продукции, энергоемкостью, получаемое жидкое стекло обладает недостаточно хорошей фильтруемостью.

В изобретении решается задача снижения времени получения жидкого стекла, увеличения съема продукции с единицы оборудования, улучшения фильтруемости жидкого стекла, снижения энергозатрат.

Установлено, что обработка воды микроволновым полем при условии прохождения водой нескольких пучностей повышает степень активации воды. Отсюда уменьшение времени растворения силикат-глыбы.

Учитывая небольшой объем воды, перемещающийся в единицу времени через патрубок для подачи воды режим инерции (непрерывный или импульсный) микроволнового поля не играет большой роли. При этом выполняется требование: время между импульсами небольшое с тем, чтобы не было проскока воды, не подвергшейся воздействию поля, либо это воздействие было ограниченным во времени.

Воздействие микроволнового поля на реакционную массу в реакторе с учетом объема ее и реактора предпочтительно проводить в импульсном режиме. Это обеспечивает резкое повышение мощности микроволнового поля и, несмотря на потери при перемещении в реактор и в самом реакторе, эффект воздействия будет значительно большим, чем в случае постоянной генерации микроволнового поля.

Одновременная активация воды при ее подаче в реактор и в реакционной массе, находящейся в реакторе, дает наилучший эффект по снижению времени растворения и увеличению степени растворимости силикат-глыбы. При этом следует использовать импульсную генерацию микроволнового поля при воздействии на реакционную массу, а на воду в патрубке, движущуюся в реактор, воздействовать микроволновым полем любого типа, но для достижения наибольшего эффекта на воду пучность должна быть больше 1.

Отличительными признаками заявляемого реактора является наличие отверстия, в которое введен волновод - источник микроволнового поля и патрубок для подачи воды, которые пересекаются вне корпуса реактора под углом 10-30^o, причем патрубок в зоне пересечения с волноводом выполнен однослойным из диэлектрика с низкими потерями, а волновод на входе в отверстие перекрыт пластиной из того же диэлектрика.

В корпусе реактора выполнено отверстие, и в него введены концы сочлененных волновода и патрубка для подачи воды. Патрубок для подачи воды в реактор пересекает волновод под углом вне корпуса реактора и выполнен из того же диэлектрика.

Вне волновода диэлектрическая труба патрубка снаружи защищена металлическими трубой и кожухами. Сочленение волновода и патрубка подачи воды осуществляется под углами 10-30^o, т.к. в этих пределах диэлектрическая труба патрубка пересекает в волноводе зону движения микроволнового поля, чем обеспечивается пучность более 1. Более 30^o - пучность около 1 и меньше. Угол сочленения меньше 10^o - создает большие неудобства конструктивного решения узла, громоздкость и трудности обеспечения радиационной безопасности. Волновод на входе в отверстие перекрыт пластиной из диэлектрика с низкими потерями, пластина с волноводом и конец трубы подачи воды укреплены в отверстие, а свободное пространство со стороны внутренней поверхности реактора герметизировано.

На чертеже изображен реактор для получения жидкого стекла.

Реактор содержит корпус 1, системы термостатирования 2 и перемешивания 3, верхний патрубок 4, люк 5, патрубок для отвода жидкого стекла 6. В отверстие 7, выполненное в корпусе 1, введен волновод 8 - источник микроволнового поля, конец которого перекрыт пластиной 9 из диэлектрика с низкими потерями. Волновод 8 пересекает патрубок для подачи воды 10 под углом 10-30^o к осям сопряженных тел. Патрубок 10 в зоне пересечения волновода 8 однослойный. Этот слой 11 выполнен из диэлектрика с низкими потерями, а за пределами волновода 8 на слой 11 надеты снаружи металлические кожухи 12.

Конец волновода 8 с диэлектриком 9 и конец патрубка 10 укреплены в отверстии 7 корпуса 1, а свободное пространство герметизировано. Оставлены свободными отверстие патрубка подачи воды 10 и поверхность диэлектрической пластины 9. Все узлы сопряжения герметизированы.

Реактор работает следующим образом.

Корпус 1 реактора термостатируют, и в него через патрубок 10 подают технологическую воду. Одновременно включают источник, от которого микроволновое поле в волноводе 8 проходит через слой 11 из диэлектрика и воздействует на воду, активируя ее. Сочленение волновода 8 и патрубка 10 под углом друг к другу обеспечивает воздействие на воду пучностью более 1, т.е. вода при движении через волновод внутри слоя 11 проходит несколько пучностей (пучность равна длине электромагнитной волны). Количество пучностей обусловлено размером участка патрубка 10 внутри волновода; оно зависит от угла сочленения указанных элементов. По окончании подачи активированной воды в реактор источник микроволнового поля отключают, открывают люк 5 и засыпают силикат-глыбу в реактор при перемешивании. После загрузки силикат-глыбы люк 5 закрывают, вновь включают источник, и микроволновое поле через волновод 8, пустой слой 11 и диэлектрическую пластину 9 на конце волновода 8 проникает в объем реактора. Оно воздействует на реакционную массу и дополнительно активирует воду. Сложная траектория движения микроволнового поля охватывает весь объем реактора.

При движении микроволнового поля в направлении объема реактора потери возникают при прохождении диэлектрического слоя 11 (без воды) и пластины 9, но они составляют 15-20% от вырабатываемой мощности. Применяют импульсный режим работы источника микроволнового поля. Это обеспечивает мощность на порядок выше, чем в режиме непрерывной генерации.

Для активации воды при ее движении в патрубке подачи режим работы источника не имеет большого значения, т.к. занос его мощности в режиме непрерывной генерации достаточен для небольших объемов в единицу времени движущейся воды. Крепеж, герметизация и использование запредельных волноводов в сопряженной конструкции патрубка подачи воды и волновода обеспечивают безопасное ведение технологического процесса.

Пример конкретного выполнения.

В реактор объемом 0,63 м³ с включенной системой термостатирования 2 заливают технологическую воду объемом 240 л с температурой 80^oC. Вода, проходя патрубок подачи воды 10, подвергается воздействию микроволнового поля, генерируемого источником КИЭ-5 с частотой 2450 МГц и N_ср - 5 кВт, режим работы - непрерывная генерация, либо на воду воздействуют импульсным микроволновым полем с частотой импульса 20 микросекунд, при этом во всех типах работы генератора плотность энергии составляет 0,3-008 кВт/см².

После заливки воды отключают источник микроволнового поля и открывают люк 5, загружают силикат-глыбу размером 20-150 мм в количестве 180 кг при работе перемешивающего устройства 3. После закрытия люка 5 включают источник микроволнового поля, настроенный на режим импульсной генерации. Микроволновое поле по волноводу 8, проходя через слой 11, не имеющий внутри себя воды, и диэлектрическую пластину 9 попадает во внутренний объем реактора, где, воздействуя на реакционную массу, активирует воду дополнительно. Время растворения силикат-глыбы в данных гидротермических условиях уменьшается.

В ходе опытов во второй части процесса варьируют импульсную генерацию микроволнового поля, плотность энергии составляет около 4 кВт/см².

В опытах используют патрубок с внутренним диаметром 12 мм и стенкой 2 мм из кварцевого стекла марки КУ-1 с диэлектрической проницаемостью 3,8. Волновод заканчивается пластинкой также из кварцевого стекла марки КУ-1 толщиной 10 мм.

Слой 11 патрубка 10 вводят в волновод и сочленяют под углом 20^o (пучность 4) (опыты 1,2,4,5,7,8) и под углом 32^o (пучность 1) (опыт 10 и 11). Концы волновода 8 с пластинкой 9 и патрубка 10 вводят в отверстие реактора, жестко укрепляют, а свободное пространство со стороны реактора герметизируют мастикой ВТО-1.

Параметры процесса, плотность жидкого стекла и количество нерастворимого осадка в различных условиях ведения процесса получения жидкого стекла приведены в таблице.

Из таблицы видно, что силикаты натрия и натрий-калиевый растворяются в гидротермических условиях быстрее (время растворения сокращается в 1,5-2 раза), если воду предварительно обработать микроволновым полем в сочетании с обработкой микроволновым полем реакционной массы (опыты 1,2,4,7,8 в сравнении с 6,9). Кроме того, если используют только воздействие на воду в патрубке при ее подаче микроволновым полем (опыт 5), или только воздействие осуществляется на реакционную массу (опыт 3), то время растворения больше, чем в опытах 1,2,4 примерно в 1,2-1,5 раза.

Анализируя влияние на активацию воды в патрубке 10 ее подачи (опыты 1,5,10,11) угла сопряжения патрубка 10 и волновода 8, можно отметить, что число пучностей, пересекаемых водой при движении по диэлектрической трубе, увеличивают интенсивностью ее активации, что сказывается на времени растворения силикат-глыбы.

Количество нерастворимого осадка в реакционной массе убавилось примерно в той же зависимости, как указано выше.

Наблюдается уменьшение настылей при воздействии микроволнового поля в течение всего процесса получения жидкого стекла.

Из данных таблицы следует, что вид силиката не оказывает влияния на рассматриваемые закономерности. Наиболее целесообразным является проведение процесса получения жидкого стекла при воздействии в патрубке 10 на воду, подаваемую в реактор, и в самом реакторе. При этом в первой части процесса (подготовка воды) режим генерации микроволнового поля практически не сказывается на времени растворения силикат-глыбы. Обеспечение пучности более единицы созданием заданного угла сопряжения волновода и патрубка подачи воды влечет уменьшение времени растворения силикат-глыбы.

Во второй части воздействия поля на реакционную массу предпочтительна импульсная генерация микроволнового поля.

Таким образом, проведение процесса получения жидкого стекла при активации воды в патрубке подачи микроволновым полем и реакционной массы в реакторе импульсным микроволновым полем позволяет снизить время растворения силикат-глыбы, уменьшить количество нерастворимых осадков в реакционной массе.

Предлагаемое техническое решение позволит увеличить съем продукции с единицы оборудования, улучшить расходные коэффициенты по сырью за счет более полного растворения силикат-глыбы, снизить энергозатраты на получение жидкого стекла, улучшить его фильтруемость.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки

1. Авторское свидетельство СССР N 415233, опублик. 1974.

2. Авторское свидетельство СССР N 783227, опублик. 1980.

3. В. И. Корнеев, В. В. Данилов. Жидкое и растворимое стекло. С-Пб..:, Стройиздат, 1996, с. 155-171.