CN107777693B - 一种纳米气相二氧化硅的生产工艺及装置 - Google Patents

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Abstract

一种高效生产纳米气相二氧化硅生产工艺及设备：具体步骤为，将氯硅烷在对应预热器汽化后进入混合器与氢气，空气混合升温至100℃以上，以30‑100m/s流速通过反应器进入到闭式炉内进行燃烧水解反应，控制反应温度在1000‑1800℃，得到的气相二氧化硅粒子经过聚集、分离、脱酸等工艺处理，得到的气相二氧化硅产品。通过配套反应器喷嘴内径与闭式炉尺寸大小，提高单线产能，采用闭式炉设备及工艺，确保反应不受外界温差、湿度干扰，得到各点气相二氧化硅比表面积标准偏差小于10，45μm筛余物低于100ppm，提高了产品品质及生产稳定性，保证数据的可控性，延长开工时间至120天以上。

Description

一种纳米气相二氧化硅的生产工艺及装置
技术领域
本发明属纳米粉体材料领域，具体涉及一种气相二氧化硅生产工艺及其设备。
背景技术
气相二氧化硅又名气相法白炭黑，是由卤硅烷在氢氧焰中高温水解而得到的一种极其微细的纳米级无定形二氧化硅，粒径小、粒度分布均匀、比表面积大，具有很高的表面活性。气相二氧化硅可应用于高分子复合材料、硅橡胶、涂料、电子封装材料、胶体、蓄电池、陶瓷、塑料、玻璃钢、密封剂、造纸、食品、化妆品、胶衣树脂、化学机械抛光等行业，可起到补强、增稠、触变、消光等作用，用途十分广泛。
目前，国内气相二氧化硅存在以下几个问题：
1、单线产能低，目前国内气相法白炭黑生产企业虽说都具有一定规模，但单线规一般不超过1000吨/年，规模小，市场需求量大，导致产品供不应求；
2、产品品质波动大，气相二氧化硅下游客户在使用过程中普遍反映国内气硅使用时波动大，增稠、补强效果时好时坏，需要随时更改配方，给生产造成一定的困扰，与国外产品对比，差距明显；
3、技术种类单一，在气相二氧化硅生产过程中，不少厂家往往使用单一原料进行生产，生产往往掣肘于原料供应商。目前，高纯度氯硅烷价格一路上涨，生产成本逐渐扩大，寻找新原料，或者采用混合原料生产气相二氧化硅将成为企业的突破口。
以上问题主要源于气相二氧化硅因其工艺的特殊性(高温、高流速、原料易水解的特性)，使得生产上微小的工艺波动往往会造成较大的产品品质变化，具体表现在以下方面：
1、氯硅烷极易水解，原料空气、氢气含水量偏高，即会造成氯硅烷水解，产品中产生白点及比表面积波动；
2、反应过程易受外界影响，现有气相二氧化硅生产工艺反应炉构造以开式炉为主，外界空气被吸入至反应炉内参与反应，随着空气湿度、温度变化，产品品质会相应发生改变，工艺参数不可控；
3、原料复合难度大，氯硅烷因其硅氯比例不同，导致原料活性差异大，沸点波动大，常规的静态混合再沸，易出现混合气相不均一问题，产品外观变差，而混料时间过长不用，则易造成罐体内原料浓度梯度变化，使用时还需循环后再投产，增加成本，也给生产造成极大不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气相二氧化硅的生产工艺及设备，由于气相二氧化硅在长期生产过程中，其原料氯硅烷极易与水反应，系统中水含量必须得到控制，同时，为得到纳米级二氧化硅粒子，气态原料必须以高速带压进入反应器，流速过低，限制产能，过高则因反应炉结构因为以上工艺的特殊性，导致生产高品质气相二氧化硅存在一定困难。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：将原料氯硅烷通过蒸汽加热至汽化状态，进一步与预热空气经过静态在线混合器混合均匀后，再与氢气混合，进一步加热至100-500℃，以一定流速通过反应器进入反应闭式炉，在反应器口点火燃烧水解，控制温度在1000-1800℃，得到白色粉末再经聚集、分离、脱酸，可得到白色蓬松纳米气相二氧化硅。
所述原料中的预热空气，其露点在-40℃以下，氢气纯度≥98％，避免水与原料氯硅烷提前水解产生硬质颗粒；
所用原料氯硅烷为原料氯硅烷可为单一纯度氯硅烷，优选可为SiCl4或CH3SiCl3，也可以为氯硅烷中的多种混合原料，优选可为CH3SiCl2H、SiCl4、CH3SiCl3的混合原料，更优选为CH3SiCl2H与SiCl4的混合原料或SiCl4与CH3SiCl3的混合原料，质量混合比例为4:6或5:5。
所述混合器为静态混合器，一级混合器上安装多个进料口，各进料口安装质量流量调节阀，在生产过程中，可由原料大罐进料至对应预热器汽化，通过预热器前端流量调节阀控制混合原料比例，实现原料比例易控，产品型号变更调整快，生产更加可控、稳定，避免出现在大罐区按比例混合后的原料不适应新转型产品，只能留存备用，造成原料在大罐沉积后出现产品浓度梯度，下次使用需重新循环后使用，能耗成本浪费。
原料在一级混合器混合均匀后，进入二级混合器再次预混，确保原料混合充分。原料从混合器进入反应器流速控制在30-100m/s，优选的，流速控制在40-60m/s，确保得到蓬松粉末。
混合器长度为1-3m，直径为150mm-400mm，混合器材质为钛材或者内衬陶瓷材质，避免原料腐蚀及杂质引入，优选为内衬陶瓷管。
所述反应炉为封闭式反应炉，燃烧水解期间内压力为-1kPa～-20kPa，优选为-1kPa～-10kPa，反应炉长度为3-6m，反应器喷嘴公称直径为DN150-DN65，且反应闭式炉内径需10倍以上于反应器喷嘴内径。
通过对生产气相二氧化硅进行24h监测，各时间控制点产品比表面积波动小，标准偏差控制在10以内，产品稳定性好，可延长开工时间至120天以上。
附图说明
图1为纳米气相二氧化硅的生产装置。其中，1.空气预热器、2.原料储罐一、3.原料储罐二，4.流量计一，5.流量计二，6.流量计三，7.混合器一，8.混合器二，9.氢气流量计，10.氢气预热器，11.反应器，12.闭式炉。
具体实施方式
下面结合实施例及对比例来进一步说明本发明，但实施例仅在于说明本发明，而不是对其进行限制。
以下实施例将通过比表面积及其标准偏差证明生产过程的稳定性，通过筛余物检测数据证实气相二氧化硅品质(参考GB/T20020-2013)。
实施例1：
以一甲基三氯硅烷作为原料，汽化温度为100℃，投料流量为280kg/h，氢气流量为20kg/h，空气流量为1000m3/h，控制原料流速为48m/h，混合器温度为130℃，长度为1m，反应温度1600℃，反应器喷嘴公称直径为DN135，反应炉内压力为-3kPa，反应后气相二氧化硅经过聚集、旋风分离、脱酸后包装。取所得产物进行检测，其比表面积为158m2/g，其中24h内，每4h取样检测，数据如下表：
Figure BDA0001467820570000031
实施例2：
以一甲基三氯硅烷作为原料，汽化温度为100℃，投料流量为250kg/h，氢气流量为16kg/h，空气流量为1500m3/h，控制原料流速为55m/h，混合器温度为150℃，长度为1.5m，反应温度1400℃，反应器喷嘴公称直径为DN90，反应炉内压力为-5kPa，反应后气相二氧化硅经过聚集、旋风分离、脱酸后包装。取所得产物进行检测，其比表面积为212m2/g，其中24h内，每4h取样检测，所得比表面积及标准偏差如下表：
Figure BDA0001467820570000041
实施例3：
以一甲基三氯硅烷作为原料，汽化温度为100℃，投料流量为200kg/h，氢气流量为15kg/h，空气流量为1800m3/h，控制原料流速为60m/h，混合器温度为200℃，长度为2.2m，反应温度1400℃，反应器喷嘴公称直径为DN85，反应炉内压力为-5.5kPa，反应后气相二氧化硅经过聚集、旋风分离、脱酸后包装。取所得产物进行检测，其比表面积为386m2/g，其中24h内，每4h取样检测，所得比表面积及标准偏差如下表：
Figure BDA0001467820570000042
实施例4：
以一甲基二氯硅烷及四氯化硅作为混合原料，二者投料质量比为4:6，在对应预热器内汽化温度分别为80℃和90℃，总投料流量为280kg/h，氢气流量为22kg/h，空气流量为1800m3/h，控制原料流速为48m/h，混合器温度为100℃，长度为1m，反应温度1400℃，反应器公称直径为DN135，反应炉内压力为-1kPa，反应后气相二氧化硅经过聚集、旋风分离、脱酸后包装。取所得产物进行检测，其比表面积为152m2/g，其中24h内，每4h取样检测，所得比表面积及标准偏差如下表：
Figure BDA0001467820570000043
实施例5：
以一甲基二氯硅烷、四氯化硅及三甲基一氯硅烷作为混合原料，三者者投料质量比为4:4:2，在对应预热器汽化温度分别为80℃、90℃及120℃，总投料流量为280kg/h，氢气流量为19kg/h，空气流量为1400m3/h，控制原料流速为40m/h，混合器温度为150℃，长度为1m，反应温度1500℃，反应器喷嘴公称直径为DN100，反应炉内压力为-1kPa，反应后气相二氧化硅经过聚集、旋风分离、脱酸后包装。取所得产物进行检测，其比表面积为170m2/g，其中24h内，每4h取样检测，所得比表面积及标准偏差如下表：
Figure BDA0001467820570000051
对比例1：
以一甲基三氯硅烷作为原料，汽化温度为100℃，投料流量为280kg/h，氢气流量为20kg/h，空气流量为1000m3/h，控制原料流速为48m/h，混合器温度为130℃，长度为1m，反应温度1600℃，反应器喷嘴公称直径为DN135，反应炉内压力为-0.02kPa，反应后气相二氧化硅经过聚集、旋风分离、脱酸后包装。取所得产物进行检测，其平均比表面积为158m2/g，其中24h内，每4h取样检测，数据如下表：
Figure BDA0001467820570000052
对比例2：
以一甲基二氯硅烷及四氯化硅作为混合原料，二者投料质量比为4:6，在原料罐区混合后进入预热器，预热器汽化温度为130℃，投料流量为280kg/h，氢气流量为22kg/h，空气流量为1800m3/h，控制原料流速为48m/h，混合器温度为100℃，长度为1m，反应温度1400℃，反应器喷嘴公称直径为DN135，反应炉内压力为-0.5kPa，反应后气相二氧化硅经过聚集、旋风分离、脱酸后包装。取所得产物进行检测，其平均比表面积为152m2/g，其中24h内，每4h取样检测，所得比表面积及标准偏差如下表：
Figure BDA0001467820570000061
通过对比例可以看出，本发明实施后，产品的稳定性及品质提升，成本得到优化。

Claims (1)

1.一种纳米气相二氧化硅的生产工艺，其特征在于具体步骤为：
将原料氯硅烷通过蒸汽加热至汽化状态，进一步与预热空气经过静态在线混合器混合均匀后，再与氢气混合，加热至100℃-500℃，以48m/h流速通过反应器进入反应闭式炉，在反应器口点火燃烧水解，控制温度在1400℃，得到白色粉末再经聚集、分离、脱酸，可得到白色蓬松纳米气相二氧化硅；
所述的原料氯硅烷为一甲基二氯硅烷及四氯化硅的混合原料，二者投料质量比为 4:6，在对应预热器内汽化温度分别为 80℃和 90℃，总投料流量为 280kg/h，氢气流量为22kg/h，空气流量为 1800m3/h，混合器温度为100℃，长度为1m，反应器喷嘴的公称直径为DN135，反应闭式炉内压力为-1kPa。
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