CN104925821B - 一种利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统，按反应流程包括依次设置的反应炉、聚集装置、分离装置、脱酸装置以及尾气回收装置，其特征在于，所述的尾气回收装置包括串联的五级吸收塔，每级吸收塔的液相出口均匹配有吸收液储罐，其中第二、三、四级吸收塔的吸收液储罐出口分别与对应的前一级吸收塔的吸收液入口连接。该生产系统设备布局合理，尾气回收效果好，生产管路不易堵塞，生产效率高。

Description

一种利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统

技术领域

本发明属于精细化工领域的生产装置，尤其是一种利用四氯化硅生产气相法白炭黑的系统。

背景技术

气相法白炭黑又称为气相法二氧化硅，是极其重要的纳米级无机原材料之一。气相法白炭黑粒径小、比表面积大、表面吸附力强、表面能大、化学纯度高、分散性能好，具有优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，广泛应用于众多学科领域。

气相法白炭黑是由硅烷卤化物(主要是四氯化硅和甲基三氯硅烷)在氢氧火焰中高温水解生成的纳米级白色粉末，再进一步经聚集装置的絮凝、分离装置的固气分离、脱酸装置脱酸即得气相法白炭黑，反应过程中会产生大量的HCl气体，由于反应温度很高，还可能产生Cl₂等气体。

尾气的组成主要为空气、H₂O、SiO₂、HCl、Cl₂和CO₂等气体。其中，HCl遇空气中的水将产生腐蚀性极强的盐酸气，对HCl的回收不仅能保护环境，还可以制备工业利用价值很高的盐酸。

传统的HCl回收装置为串联连接的二级降膜塔吸收，直接将尾气通入到降膜塔中进行尾气回收，但尾气中含有二氧化硅，容易堵塞降膜塔列管，影响正常生产进度。

公开号为CN103073005A、CN203006956U的中国专利文献公开了一种燃烧四甲基硅烷制备白炭黑的方法及其制备装置。该方法包括将四甲基硅烷雾化后送入炉膛内充分燃烧，燃烧产物经过捕集器捕集白炭黑，最终尾气排入大气；该方法所需的制备装置包括燃烧器、储罐、输送泵、雾化装置、送风机、炉膛、烟气冷却器、捕集器、引风机和烟囱。本发明使用四甲基硅烷燃烧来获取白炭黑，但生产的白炭黑产品性能不能达到相关国家标准。

公开号为CN101723384A的中国专利文献公开了一种气相白炭黑的合成方法及装置，该装置由燃烧炉、溴化锂机组及冷冻盐酸循环系统组成，燃烧炉通过回水管及上水管与溴化锂机组连接，溴化锂机组的另一端上部通过回水管及上水管与冷冻盐酸循环系统连接，将预热处理后的硅卤化物、空气及氢气连续输入密闭的燃烧炉中进行高温水解，得到白炭黑气固混合物，产生的热量通过燃烧炉的水冷夹套带走。

公开号为CN103466636A的中国专利文献公开了一种利用甲基三氯硅烷生产气相法白炭黑的系统，按反应流程包括依次设置的反应炉、聚集装置、分离装置、脱酸装置以及尾气回收装置。当温度下降时，气相法白炭黑会在生成系统的管路上聚集成大颗粒，该生产系统的管路容易被聚集的白炭黑颗粒堵塞。该发明专利公开的生产系统的尾气回收装置包括布袋除尘器和除尘塔、吸收塔、碱洗塔组成的三级串联吸收塔，所述的串联吸收塔连接方式为第一级吸收塔的出口和第二级吸收塔的入口连接，第二级吸收塔的出口和第三级吸收塔的入口连接。各吸收塔都设有酸液循环槽，吸收塔排出的吸收液通过循环泵将吸收液重新打入各自吸收塔作为吸收液使用，随着吸收液浓度不断变高，吸收液对尾气的吸收效果越来越差；同时吸收液在单一的吸收塔中循环使用，吸收液的温度容易变高，吸收液的温度变高，对氯化氢的吸收效果下降。因此，如何实现尾气的高效回收是生产气相法白炭黑行业急需解决的难题。

发明内容

本发明提供了一种尾气回收效果好、设备布局简单的利用四氯化硅生产气相法白炭黑的系统，生成的气相法白炭黑颗粒均匀。

一种利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统，按反应流程包括依次设置的反应炉、聚集装置、分离装置、脱酸装置以及尾气回收装置，所述的尾气回收装置包括串联的五级吸收塔，每级吸收塔的吸收液出口均匹配有吸收液储罐，其中第二、三、四级吸收塔的吸收液储罐出口分别与对应的前一级吸收塔的吸收液入口连接。

为了能较好的吸收反应过程中产生的尾气，本发明提供了一套串联的五级吸收塔装置来回收尾气。吸收塔的尾气出、入口通过管路逐级串联连接，尾气从第一级吸收塔的入口进入尾气回收装置，进行逐级吸附，提高尾气的吸附回收效果。同时各级吸收塔都设置有吸收液储罐，其中第二、三、四级吸收塔的吸收液储罐出口分别与对应的前一级吸收塔的吸收液入口通过管路连接，其中的管路上还分别设置有循环泵。通过上述连接方式，实现了吸收液的多级吸收利用。

吸收液在尾气回收装置中的流动顺序为由第四级吸收塔吸收液入口进入，再依次经过第四、三、二级吸收塔，最后在第一级吸收塔的底端吸收液出口排至第一级吸收液储罐。尾气在尾气回收装置中的气流顺序为由第一级吸收塔入口进入，再经过第一、二、三、四及五级吸收塔的逐级吸收最后由第五级吸收塔的出口排出尾气回收装置。吸收液和尾气在尾气回收装置的运行流动顺序正好相反，保证了吸收液和尾气的充分接触，增加吸收液对尾气的吸收效果。

作为优选，所述的五级吸收塔的各级吸收塔的底端出口和对应的各级吸收液储罐的入口之间都设有冷凝器。尾气的温度通常都比较高，致使吸收液的温度也比较高，吸收液对氯化氢的吸收效果和吸收液的温度有较大关系，吸收液的温度越低吸收的效果越好。通过在吸收塔的吸收液出口和吸收液储罐的入口设置冷凝器，使吸收液能较高效的冷凝，提高各级尾气吸收塔的吸收效率。

作为优选，所述的聚集装置包括依次连接的直型冷凝管和螺旋冷凝管，反应炉出口和直型冷凝管入口连接，螺旋冷凝管出口和分离装置入口连接。

作为优选，所述反应炉为立式，所述直型冷凝管竖直布置在反应炉下方，且与反应炉的物料出口对接，直型冷凝管的出口通过弯管以及横置的过渡管路和螺旋冷凝器的入口连接，螺旋冷凝器由入口至出口螺旋绕置上升。

反应结束后，反应物料温度很高。起初，物料的温度不能下降太快，通过直型的冷凝管冷凝，物料温度下降较平缓，气相法白炭黑聚集地程度不大，颗粒中不会包含太多的尾气。直型冷凝管的出口通过弯管以及横置的过渡管路和螺旋冷凝器的入口连接，螺旋冷凝管和冷凝介质的接触面更大，有利于气相白炭黑的聚集，螺旋冷凝器由入口至出口螺旋绕置上升，螺旋冷凝器不易堵塞，设备安装简单。

作为优选，所述的分离装置为串联连接的三级旋风分离器，其中第一级旋风分离器的底端物料出口通过文丘里管和脱酸装置入口连接，第二、三级旋风分离器的底端物料出口分别通过文丘里管和对应的前一级旋风分离器的入口连接。

各级旋风分离器的上部设置有入口、顶端设置有出口、底端设置有物料出口。三级旋风分离器通过串联连接，第一级旋风分离器的出口与第二级旋风分离器的入口连接，第二级旋风分离器的出口与第三级旋风分离器的入口连接，第三级旋风分离器的出口与尾气回收装置的入口连接；同时，第二级旋风分离器的底端的物料出口通过文丘里管和第一级旋风分离器的入口连接，第三级旋风分离器的底端的物料出口通过文丘里管和第二级旋风分离器的入口连接。

所述的文丘里管设置有物料入口、物料出口和工作流体入口。本发明选用的工作流体为压缩空气。压缩空气通过文氏管产生一个负压区，物料入口接入负压区，白炭黑通过这负压区被吸入文氏管与压缩空气混合后一起输送出去。

第二、三级旋风分离器的底端物料出口分别与各自的文丘里管的物料入口连接，各自文丘里管的物料出口和对应的前一级旋风分离器的入口连接。第一级旋风分离器的底端物料出口和第一级文丘里管的物料入口连接，第一级文丘里管的物料出口和脱酸装置的入口连接；第二级旋风分离器的底端物料出口和第二级文丘里管的物料入口连接，第二级文丘里管的物料出口和第一级旋风分离器的入口连接；第三级旋风分离器的底端物料出口和第三级文丘里管的物料入口连接，第三级文丘里管的物料出口和第二级旋风分离器的入口连接，各级文丘里管的工作流体体入口连接压缩空气管。

该种串联连接方式使生成的气相法白炭黑在分离装置中进行多级循环分离，增加分离效果，降低尾气中SiO₂的含量，减轻脱酸装置脱酸的负担，同时连接装置中采用了文丘里管为物料提速，文丘里管引入的空气对白炭黑输送管路具有吹扫作用，使物料管道比较畅通，保证生产的连续流畅性。

作为优选，所述的脱酸装置为通过文丘里管串联连接的三级脱酸炉，各级脱酸炉的顶部为尾气出口，分别和尾气吸收装置的入口连接。

气相法白炭黑粉料在脱酸炉的颗粒已经比较大，容易堵塞管路，三级脱酸炉的串联连接的管路上分别设置文丘里管，可较大程度降低管路堵塞的风险。同时，通过串联连接的方式也使气相法白炭黑粉料在脱酸炉的脱酸时间增长，最大程度地脱除白炭黑分子内吸附的氯化氢等废气。

利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统，还设有原料供给装置，该原料供给装置包括：

气化罐，用以气化四氯化硅；

引射器，其工作流体入口接氧气源，被引射流体入口接所述气化罐的气相出口；

喷嘴，喷嘴入口分别与引射器流体出口以及氢气源连通，喷嘴出口与反应炉入口连通。

物料气化后通过引射器与空气混合，再在喷嘴里和氢气混合，通过喷嘴将物料喷入反应炉中反应，引射器提高了气化物料的运动速度，使物料混合更快，混合效果更充分。

作为优选，所述反应炉上设置有氢气补气口，空气补气口，所述反应炉以及气化罐的外壁均设有换热夹套，反应炉换热夹套的出口与气化罐换热夹套的入口连通。

炉体设有氢气补气口、空气补气口，可向反应体系中补加氢气、空气，使化学反应平衡向正方向移动，提高四氯化硅的转化率。反应炉以及气化罐的外壁均设有换热夹套，反应炉换热夹套的出口与气化罐换热夹套的入口连通，可使在反应炉夹套内换热的介质(如水、导热硅油等)循环至气化罐的夹套内，作为气化罐的加热源，提高能源利用率。

本发明提供的利用四氯化硅生产气相法白炭黑的系统，通过对反应过程中的尾气回收装置的吸收液管路的改造，实现了吸收液在尾气回收装置中的多级吸收利用，提高了尾气回收效果，同时采用多级串联的分离装置和脱酸装置，并结合在管路上设置的文丘里管，提高了固气分离效果，降低了物料堵塞生产系统管路的风险，提高生产效率。

与现有技术相比，本发明提供了单套4000T/a的气相白炭黑合成工艺，采用密封燃烧技术、水冷夹套式冷却技术、脱酸技术及尾气回收技术提高生产能力。生产装置能够长周期的生产，充分利用热能，降低消耗，产品质量稳定，大大缩短了和国外产品的差距。

附图说明

图1为本发明的利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统做详细描述。

如图1所示，一种利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统，包括气化罐1，气化罐1的入口和原料储罐连接，气化罐1的出口和引射器的入口连接，本实施例中的引射器采用文丘里管2。文丘里管2的工作流体入口和压缩空气储罐的出口连接，文丘里管2的物料入口与气化罐的出口连接，文丘里管2的物料出口与喷嘴3的一个入口连接，通过高速流动的空气将气化的四氯化硅带入喷嘴3；喷嘴3的另一入口接氢气源，通过喷嘴3的出口向反应炉4中喷射反应原料。

反应炉4为立式，而直型冷凝管5竖直布置在反应炉4下方，且与反应炉4的物料出口对接，直型冷凝管5的出口通过弯管以及横置的过渡管路和螺旋冷凝器6的入口连接，螺旋冷凝器6由入口至出口螺旋绕置上升，如此布置有利于白炭黑聚集，而得到的气相法白炭黑的颗粒更加均匀。

螺旋冷凝器6的出口与第一级旋风分离器7的入口连接，第一级旋风分离器7的出口与第二级旋风分离器9的入口连接，第二级旋风分离器9的出口与第三级旋风分离器11的入口连接。

第二级旋风分离器9的底端物料出口和第二级文丘里管10的物料入口连接，第二级文丘里管10的物料出口和第一级旋风分离器7的入口连接，第二级文丘里管10的工作流体入口和压缩空气储罐连接。

第三级旋风分离器11的底端物料出口和第三级文丘里管12的物料入口连接，第三级文丘里管12的物料出口和第二级旋风分离器9的入口连接，第三级文丘里管12的工作流体入口和压缩空气储罐连接。第三级旋风分离器11的出口与尾气回收装置的第一级吸收塔19的入口连接；

第一级旋风分离器7的底端的物料出口和第一级文丘里管8的物料入口连接，第一级文丘里管8的物料出口和脱酸装置的第一脱酸炉13的入口连接，第一级文丘里管8的工作流体入口和压缩空气储罐连接。

第一脱酸炉13的出口和文丘里管14的物料入口连接，文丘里管14的物料出口与第二级脱酸炉15的入口连接；第二级脱酸炉15的出口和文丘里管16的物料入口连接，文丘里管16的物料出口与第三级脱酸炉17的入口连接；第三级脱酸炉17的出口与文丘里管18的物料入口连接，文丘里管18的物料出口和产品槽37连接。文丘里管14、文丘里管16、文丘里管18的工作流体入口和压缩空气储罐连接。各级脱酸炉的顶部都设有尾气出口，可合并或分别于尾气回收装置的入口连接。

本实施例中文丘里管8、文丘里管10、文丘里管12、文丘里管18为横置水平喷射，文丘里管14和文丘里管16为竖直向下喷射。

尾气回收装置为一套串联的五级吸收塔，第一、三、四和五级吸收塔为普通喷淋吸收塔，其中，第一吸收塔设置有二套喷淋装置；第二级吸收塔为降膜吸收塔。

第一级吸收塔19的出口和第二级吸收塔22的入口连接，第二级吸收塔22的出口和第三级吸收塔25的入口连接，第三级吸收塔25的出口和第四级吸收塔28的入口连接，第四级吸收塔28的出口和第五级吸收塔32的入口连接，第五级吸收塔32的出口和真空系统36连接，通过真空系统36将处理后的尾气排出。

第五级吸收塔32的上端设有碱水管路35，通过碱水管路35向第五级吸收塔注入碱性吸收液。第五级吸收塔32的吸收液出口和第五级冷凝器33的入口相连，第五级冷凝器33的出口和第五级吸收液储罐34的入口连接。

第四级吸收塔28的上端设有加水管路31，第四级吸收塔28的吸收液出口与第四级冷凝器29的入口相连，第四级冷凝器29的出口和第四级吸收液储罐30的入口相连，第四级吸收液储罐30的出口与第三级吸收塔25的吸收液入口相连。

第三级吸收塔25的吸收液出口与第三级冷凝器26的入口相连，第三级冷凝器26的出口和第三级吸收液储罐27的入口相连，第三级吸收液储罐27的出口与第二级吸收塔22的吸收液入口相连。

第二级吸收塔22的吸收液出口与第二级冷凝器23的入口相连，第二级冷凝器23的出口和第二级吸收液储罐24的入口相连，第二级吸收液储罐24的出口与第一级吸收塔19的吸收液入口相连。

第一级吸收塔19的吸收液出口和第一级冷凝器20的入口相连，第一级冷凝器20的出口和第一级吸收液储罐21的入口相连。

四氯化硅物料在气化罐中气化，四氯化硅蒸汽通过文丘里管和空气混合，再在喷嘴里和氢气混合，通过喷嘴喷入反应炉中发生燃烧水解反应。反应结束后，反应物物料经过直型冷凝管和螺旋冷凝管冷凝，开始缓慢聚集成较大颗粒，再经过分离装置的三级旋风分离，气相法白炭黑进一步聚集并在分离装置中固气分离。气相法白炭黑物料由第一级旋风分离器底端的物料出口向脱酸装置转移，通过三级串联的脱酸炉的高温脱除气相法白炭黑物料的废气，物料由第三级物料出口流入产品槽。

尾气由第三级旋风分离器的出口和各级脱酸炉顶部的尾气出口转移至尾气回收装置入口，尾气吸收装置的入口指的是第一级吸收塔的入口，第一级吸收塔吸收的尾气吸收液冷却至第一级吸收液储罐中；第一级吸收塔未吸收完全的尾气进入第二级吸收塔的吸收，第二级吸收塔吸收尾气的吸收液冷却至第二级吸收液储罐，第二级吸收液储罐的吸收液可以作为第一级吸收塔的吸收液；第二级吸收塔未完全吸收的尾气进入第三级吸收塔吸收，第三级吸收塔的吸收液可循环至第二级吸收塔中作为吸收液使用；第三级吸收塔未吸收的尾气进入第四级吸收塔吸收，第四级吸收塔的吸收液可循环至第三级吸收塔中作为吸收液使用。第四级吸收塔未吸收的尾气进入第五级吸收塔吸收，第五级吸收塔为喷淋碱性吸收液的吸收塔，第五级吸收塔吸收尾气的吸收液冷却后收集在第五级吸收液储罐中。经过尾气回收装置吸收处理后的尾气经真空系统排入大气。

通过本发明提供的生产系统，生成的气相法白炭黑的质量情况如表1：

表1

根据表1的气相法白炭黑的检测结果可知，采用本系统制备的气相法白炭黑比表面积、悬浮液pH值、灼烧减量质量分数、氯化物质量分数都符合国家质量标准，其中105℃挥发物质量分数、二氧化硅质量分数优于国家质量标准。

Claims (7)

1.一种利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统，按反应流程包括依次设置的反应炉、聚集装置、分离装置、脱酸装置以及尾气回收装置，其特征在于，所述的尾气回收装置包括串联的五级吸收塔，每级吸收塔的吸收液出口均匹配有吸收液储罐，其中第二、三、四级吸收塔的吸收液储罐出口分别与对应的前一级吸收塔的吸收液入口连接；

所述的聚集装置包括依次连接的直型冷凝管和螺旋冷凝管，反应炉出口和直型冷凝管入口连接，螺旋冷凝管出口和分离装置入口连接。

2.如权利要求1所述的利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统，其特征在于，所述的五级吸收塔的各级吸收塔的底端出口和对应的各级吸收液储罐的入口之间都设有冷凝器。

3.如权利要求1所述的利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统，其特征在于，所述的分离装置为串联连接的三级旋风分离器，其中第一级旋风分离器的底端物料出口通过文丘里管和脱酸装置入口连接，第二、三级旋风分离器的底端物料出口分别通过文丘里管和对应的前一级旋风分离器的入口连接。

4.如权利要求3所述的利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统，其特征在于，所述的脱酸装置为通过文丘里管串联连接的三级脱酸炉，各级脱酸炉的顶部为尾气出口，分别和尾气吸收装置的入口连接。

5.如权利要求1-4的任一权利要求所述的利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统，其特征在于，还设有原料供给装置，该原料供给装置包括：

气化罐，用以气化四氯化硅；

引射器，其工作流体入口接氧气源，被引射流体入口接所述气化罐的气相出口；

喷嘴，喷嘴入口分别与引射器流体出口以及氢气源连通，喷嘴出口与反应炉入口连通。

6.如权利要求5所述的利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统，其特征在于，所述反应炉上设置有氢气补气口，空气补气口，所述反应炉以及气化罐的外壁均设有换热夹套，反应炉换热夹套的出口与气化罐换热夹套的入口连通。

7.如权利要求1所述的利用四氯化硅生产气相法白炭黑的生产系统，其特征在于，所述反应炉为立式，所述直型冷凝管竖直布置在反应炉下方，且与反应炉的物料出口对接，直型冷凝管的出口通过弯管以及横置的过渡管路和螺旋冷凝器的入口连接，螺旋冷凝器由入口至出口螺旋绕置上升。