FI101863B - Laite hienojakoisen metallisaostuman valmistamiseksi reaktorissa - Google Patents

Description

101863

LAITE HIENOJAKOISEN METALLISAOSTUMAN VALMISTAMISEKSI REAKTORISSA

5 Tämä keksintö kohdistuu laitteeseen erityisvaatimukset täyttävän tasaisen ja hienojakoisen metallisaostuman valmistamiseksi syöttämällä reaktoriin sen nestepinnan alle nestemäistä tai kaasumaista saostusreagenssia. Reaktoriin ja sen sekoitukseen liittyvä laitteisto mitoitetaan ja muotoillaan siten, että reaktorissa olevan nesteen ja sinne syötettävän saostusreagenssin reaktiot 10 tapahtuvat voimakkaan sekoituksen alaisina.

Ennestään tunnetaan reaktorijärjestelyjä, joissa reaktori on useimmiten pystyssä olevan lieriön muotoinen ja jossa sekoitinakseli on reaktorin symmetria-akselilla. Sekoitinelin käsittää pystyakselin ja sille sijoitetun yhden tai useam-15 man sekoittimen. Tyypiltään valitaan lähinnä tarkoitukseen sopivimmaksi katsottu malli. Sekoittimen tai useamman sekoittimen tapauksessa alimmainen sekoitin on noin halkaisijan verran pohjasta ylöspäin, ja mikäli kaasun imeytymistä pinnan yläpuolelta ei toivota, ylimmäinen sijoitetaan niin kauaksi pinnasta, että sekoitin ei ime pinnan kautta kaasua.

20

On tunnettua, että sekoitusreaktori on standarditapauksessa joko tasapohjainen, paineastian päädyn muotoinen tai kartiomainen ja varustettu neljällä virtaushaitalla. Virtaushaitat ovat tällöin kooltaan 1/12 reaktorin halkaisijasta ja ne muodostavat reaktorin seinän puolelle raon siten, että haitta ulottuu reakto-25 rin keskiosaan etäisyydelle 1/10 kertaa reaktorin halkaisija. Liuoskorkeus ‘ tällaisessa reaktorissa on 1 -1,2 kertaa reaktorin halkaisija.

US-patentissa 4,247,391 on kuvattu ylhäältä avointa, tasapohjaista ja sylinteri-mäistä vaahdotuskennoa. Vaahdotuskennon pohjaosaan on sijoitettu normaali 30 lapasekoitin, ja sekoittimen akselille, välittömästi sekoittimen yläpuolelle, on 2 101863 kiinnitetty alaspäin laajeneva kartio, joka vähentää ilman imeytymistä vortexin kautta. Kennossa tarvittava ilma syötetään sekoittimen yläpuolelle sijoitetun rei’itetyn renkaan kautta. Vaahdotuskenno on myös varustettu virtaushaitoilla, jotka ulottuvat ilmansyöttörenkaan yläpuolelta reaktorin yläosaan. Sekä S kennon syöttöyhde että poistoyhde on sijoitettu kennon pohjaosaan, suurin piirtein sekoittimen korkeudelle.

Tämän keksinnön mukaisesti reaktori on pystyasentoinen, lieriön muotoinen, tasapohjainen ja kannella varustettu. Se käsittää kaksi osaa: alaosassa olevan 10 varsinaisen reaktio-osan, ja yläosassa olevan suljetun kaasuthan. Reaktorin alaosassa liuos saatetaan voimakkaaseen, mutta hallittuun ja tasan jakautuneeseen sekoitukseen, joka saadaan aikaan esimerkiksi US-patentissa 4,548,765 kuvatun gls-sekoittimen avulla. Yläosan kaasutilassa varmistetaan, että liuospinnan yläpuolelle mahdollisesti joutuvan kaasun, joka saattaa olla 15 ympäristölle sopimatonta, pääsy reaktorin ulkopuolelle estetään esimerkiksi nestelukon avulla. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät ilmi oheisista patenttivaatimuksista.

Reaktorin alaosa, reaktio-osa, on keksinnön mukaisesti varustettu vähintään 20 neljällä, edullisesti kahdeksalla pystyvirtaushaitalla, joiden leveys on VA - 2 kertaa standardileveyttä suurempi. Samoin virtaushaitan ja reaktorin seinän väliin jäävä tila on standardileveyttä 4-6 kertaa suurempi ja saa aikaan voimakkaita pyörrekenttiä haitan välittömään läheisyyteen. Liuoskorkeus on 0,5 - 0,8, edullisesti 0,6 kertaa reaktorin halkaisija.

25

Reaktio-osaan muodostetaan kaksoistoroidinen kenttä US-patentin 5,240,327 mukaisesti eli sijoitetaan gls-sekoitin sellaiseen korkeuteen pohjasta ylöspäin, että sekoittimesta purkautuva ja lähinnä laajenevassa kulmassa alaspäin purkautuva suihkumainen virtaus suuntautuu reaktorin sivuseinälle, pohjasta 30 jonkin verran ylöspäin. Tällöin muodostuu kaksi toroidimaista pyörrettä, joista 3 101863 toinen on edelleen seinämästä alaspäin, mutta samalla kuitenkin reaktorin pohjaan ja siellä sen keskustaan päin sekä keskustasta edelleen ylöspäin sekoittimen suuntaan kääntyvä virtaus. Toinen toroidi on vastaavasti yläkautta sekoittimen yläpuolella pyörivä virtaus. Mittauksissa on todettu, että jos gls-5 sekoittimesta purkautuva virtaus iskeytyy reaktorin pystyseinään, hieman pohjaosan yläpuolelle, se nostaa tehonottoa yli 50% eli laitteen tehokkuus nousee yli 50%.

Kaksoistoroidivirtausta tehostamaan on edullista asentaa reaktorin pohjan 10 keskelle katkaistun kartion muotoinen, alapäästään sekoittimesta purkautuvan virtauksen suunnassa laajeneva ohjain vakavoittamaan virtausta ja varmistamaan virtauksen iskeytyminen reaktorin seinämään. Kartio-ohjaimen tarkoita» sena on myös poistaa toroidimaisen virtauskentän aiheuttama ja kiintoainetta pohjalle kasaava akanvirta. Pohjakartio myös voimistaa vaakatasoisia toroia-15 kiertoja. Kooltaan kyseinen kartio on lähinnä virtaushaitan leveyteen sopeutet tu. Kartion asennus on mitoitettava erityisen tarkkaan, koska muussa tapauksessa vaikutus voi olla jopa haitallinen.

Sekoituksessa ei saa olla sellaista hiljaista rauhoitusaluetta, mikä on kuvattu 20 em. US-patentissa 5,240,327. Tämän keksinnön mukaisesti rauhoitusalue on eliminoitu sijoittamalla reaktio-osan ja kaasutilan rajalle olennaisesti vaakasuora välikansi. Välikansi alkaa heti reaktorin seinästä ja se voi ulottua lähes sekoittimen akselille asti. Edullisesti akselin ympärille jää kuitenkin vapaa rengasmainen tila, jonka halkaisija on luokkaa 50% reaktorin hal-25 kaisijasta.

Keksinnön mukaisen laitteiston tarkoituksena on saada reaktori ja sen reak-tiotila toimimaan mahdollisimman tehokkaasti ja toteuttaa edellä kuvattu kaksoistoroidiperiaate eli asentaa gls-sekoitin oikealle, riittävälle korkeudelle 30 pohjasta ja silti aikaansaada tasainen ja erittäin voimakas sekoitus halutun 4 101863 metallisaostuman aikaansaamiseksi reaktorissa. Koska sekoittimen energian-tuotto ei riitä tasaisena kovinkaan korkealle sekoittimen yläpuoliselle reakto-rinosalle, on sekoittimen oltava suhteellisen lähellä liuospintaa. Käytännössä gls-sekoitin sijoitetaan reaktoriin siten, että sen etäisyys pohjasta on noin 0,3 -S 0,5, edullisesti 0,4 kertaa reaktorin halkaisija. Useimmilla sekoittimilla sijoittaminen lähelle liuospintaa aiheuttaa voimakkaan, pinnan yläpuolelta kaasua liuostilaan vetäävän imun, jonka seurauksena syntyy usein prosessille haitallinen ilmiö. Jos taas valitaan sellainen sekoitin, joka ei aiheuta imua, ei valittavissa useinkaan ole sekoitinta, joka samalla muodostaisi tasaisen energiaken-10 tän liuostilaan. Tämän vuoksi keksinnön mukaisessa laitteistossa on käytetty gls-sekoitinta, joka on nyt sijoitettu reaktoriin, joka on varustettu välikannella.

Välikannen alapuolelle on virtaushaittojen yläpäähän, lähinnä joka toisen haitan yläpäähän, vielä tuettu reaktorin säteen suuntaiset, hyvin matalat 15 pystyhaitat estämään imua aiheuttavaa pyörteilyä. Lisäksi on sekoittimen akselille, varsinaisen sekoitinosan yläpuolelle tuettu olennaisesti vaakasuora levy estämään akselin suuntaista, alaspäisuuntautuvaa imupyörrettä. Levy on kooltaan suuruusluokkaa 50% sekoittimen halkaisijasta. Sekoittimen halkaisija puolestaan on edullisesti 0,35 - 0,50 kertaa reaktorin halkaisija.

20

Liuos, josta jonkin aineen saostus on tarkoitus suorittaa, on yleensä syötettäessä kirkas, ja se syötetään edullisesti välikannen alapuolelle. Saostus-reagenssi syötetään reaktoriin erillisillä syöttöelimillä sellaiseen paikkaan, jossa on liuoksia mahdollisimman tehokkaasti vaihtava sekoitus. Tällainen 25 paikka on edullisesti reaktorin virtaushaittojen muodostaman rengasmaisen vyöhykkeen alueella. Tähän 4-10 virtaushaitan alueelle reaktorin liuostilaan syötetään samoin muutkin mahdolliset reagenssit, edullisesti juuri virtaushaittojen eteen.

30 Saostusreagenssin syöttöelin voi olla syöttöputki, jolloin syöttö käytännössä 5 101863 tapahtuu esimerkiksi virtaushaitan eteen, liuoksen kiertosuunnasta katsottuna hieman alle liuoskorkeuden puolenvälin. Syöttöputken pää on tarkoitukseen muotoiltu, jolloin putken pää on esimerkiksi ikäänkuin revitty. Saostusreagens-sin kuten saostavan liuoksen syöttö voi tapahtua myös siten, että alapäästään S umpinaisen syöttöputken alaosa on varustettu useamalla reiällä, joista yksi voi sijaita myös putken pohjaosassa.

Jos reaktoriin syötetään kaasua, kaasun syöttö tapahtuu edullisesti esimerkiksi reaktorin alaosaan, sekoittimen alapuolelle sijoitetun, alaspäin levenevän 10 kartiomaisen syöttörenkaan kautta. Kaasujen purkauskohta on tällöin virtaus-haittojen sisäpuolella kohdassa, missä on voimakas nestesuihku ja siis korkeudella, missä virtaus suuntautuu kohti reaktorin sivuseiniä.

Kuten edellä on selostettu, reaktorin rakenne on valittu siten, että se palvelee 15 sellaista sekoitustarkoitusta, jonka tuloksena aikaansaadaan liuokseen tietyn kidemuodon omaava saostuma. Saostuma muodostaa edullisesti tasakokoisia palloja, jotka puolestaan ovat tiiviitä ja omaavat näin kuivina suuren irtotihey-den. Saostuma poistetaan nesteen mukana välikannen yläpuolelta ylivuotona ja johdetaan neste-kiintoaine-erotukseen. Myös nestemäistä saostusreagens-20 siä voidaan syöttää renkaan kautta.

Ennestään tunnetuissa menetelmissä ja laitteistoissa on se ongelma, että vain varsin pienellä reaktorikoolla on voitu aikaansaada nesteen ja siihen syötettävän saostusreagenssin välille riittävän tasainen ja voimakas sekoitus, joka 25 puolestaan on mahdollistanut halutun tasalaatuisen saostuman. Jos reaktori- kokoa on kasvatettu, on seurauksena ollut epätyydyttävä saostuma, sillä saostusteho on aikaisemmin ollut riittämätön eikä saostusreagenssia ole osattu syöttää oikeaan kohtaan. Keksinnön mukaisen laitteiston tehokkuutta kuvaa se, että nyt pystytään yhdessä reaktorissa tuottamaan sellainen määrä 30 halutunlaista ja -muotoista metallisaostumaa, mitä varten on tunnettua tekniik- 6 101863 kaa käytettäessä tarvittu kaksikymmentä reaktoria.

Keksintöä kuvataan vielä oheisten kuvien avulla, joissa kuva 1 esittää pystyleikkauksena erästä keksinnön mukaista reaktoria, ja S kuva 2 esittää reaktorin alaosaa eräässä toisessa, keksinnön mukaisessa vaihtoehdossa.

Kuvan 1 mukaisesti sekoitus- ja saostusreaktori 1 on sylinterimäisellä seinällä 2, tasaisella pohjalla 3 ja kannella 4 varustettu reaktori. Reaktorin nestesisäl-10 töä sekoitetaan akselin 5 varaan ripustetun gls-sekoittimen 6 avulla, jota pyöritetään moottorin avulla (ei kuvassa). Reaktori jakaantuu kahteen eri tilaan; alempaan nestetilaan 7 ja ylempään kaasutilaan 8. Reaktoriin on nestepinnan korkeudelle sijoitettu välikansi 9, joka ulottuu reaktorin seinältä 2 keskelle sekoittimeen päin. Välikansi voi olla yhtenäinen tai useammasta 15 osasta muodostettu, ja lähinnä akselia 5 tuleva osa 10 voi jatkua muuta kansiosaa 9 ylemmäksi, eli se ulottuu kaasutilaan 8 saakka. Sekoittimen akselille 5 on sekoittimen 6 yläpuolelle kiinnitetty sulkukiekko 11 vortexin muodostumisen estämiseksi. Sulkukiekko on selvästi nestepinnan alapuolella.

20 Sekoitusreaktori on varustettu ainakin neljällä, mutta edullisesti 6-10 virtaus- haitalla 12, jotka edesauttavat edellä kuvatun kaksoistoroidin muotoisen virtauksen muodostumista reaktoriin. Halutun virtauskentän ja sen seurauksena halutun metallisaostuman muodostamiseksi on reaktoriin pohjaan 3 suoraan sekoittimen 6 alapuolelle kiinnitetty ylöspäin kapeneva ohjainkartio 13.

25 «

Neste, josta metallisaostuma halutaan saostaa, syötetään reaktoriin nestepinnan alapuolelta tuloyhteen 14 kautta. Saostava reagenssi syötetään ainakin yhden syöttöputken 15 kautta, joista jokainen on tuettu virtaushaittaan 12. Edullisesti syöttöputki on liuoksen virtaussuunnassa ja sekoittimen pyörimis-30 suunnassa katsottuna virtaushaitan edessä ja putki päättyy edullisesti hieman 7 101863 alle liuoskorkeuden puolenvälin. Kuvan 1 tapauksessa syöttöputken alapää on ikään kuin revitty. Liuos, johon riittävän sekoituksen ja oikean muotoilun ansiosta on muodostunut halutunlainen metallisaostuma, poistetaan reaktorista ylivuotona välikannen 9 yläpuolelta poistoyhteen 16 kautta. Neste-5 kiintoaine-erotus suoritetaan reaktorin 1 ulkopuolella tavanomaisilla menetel millä. Kuvassa näkyvien virtaushaittojen lisäksi reaktori voidaan varustaa myös varsinaisten virtaushaittojen yläosaan tuetuilla lisävirtaushaitoilla (ei kuvassa).

Kuvassa 2 on kuvattu keksinnön toista suoritusvaihtoehtoa. Reaktori 1 on 10 sekoittimineen, virtaushaittoineen sekä muine yksityiskohtineen samanlainen kuin kuvassa 1, mutta saostusreagenssin syöttöelimenä on syöttörengas 17. Tällöin saostusreagenssi on edullisesti kaasumainen. Syöttörengas 17 muodostuu kahdesta samakeskisestä, ylöspäin kapenevasta katkaistusta kartiosta, ja sen molemmat puolet 18 ja 19 on varustettu aukoilla 20, joista saostus-15 reagenssi purkautuu. Rengas 17 on tuettu virtaushaittoihin 12 siten, että reagenssin syöttö tapahtuu aina virtaushaittojen sisäpuolelle. Saostusreagenssin syöttö renkaaseen 17 tapahtuu esimerkiksi samantyyppisen syöttöputken kautta kuin edellisessäkin vaihtoehdossa. Rengas 17 on sijoitettu gls-sekoitti-men 6 alapuolelle sellaiselle korkeudelle, että se tukee kaksoistoroidin muo-20 dostumista.Syöttörenkaan avulla saostusreagenssin purkautuminen saadaan myös tehokkaaksi, kun reagenssi purkautuu renkaan sisemmästä puolesta 19 keskelle päin ja ulommasta puolesta 18 päin reaktorin seiniä 2.

Keksintöä kuvataan vielä oheisen esimerkin avulla: 25

Esimerkki

Tasalaatuinen kide on tavoitteena monessa saostustapahtumassa. Esimerkiksi filmisubstraatin mukana olevan hopeakloridin pitää olla hyvin tasakokoista ja hienojakoista kidettä. Vaikeutena hopeakloridin saotuksessa on, että vaillinai-30 sen sekoituksen vuoksi liuos ylikyllästyy kidealkioiden suhteen. Siksi niitä 8 101863 muodostuu nopeasti ja siinä määrin, ettei liuokseen enää jää kiteiden kasvuun tarvittavia ioneja. Seurauksena on kolloidikokoa olevien hiukkasten muodostama saostuma.

5 Tehtiin kaksi vertailevaa koetta. Kokeessa 1 lisättiin 10 g/l hopeaa sisältävää hopeanitraattiliuosta natriumkloridiliuokseen, joka sisälsi 3,5 g/l kloridia. Liuoksia sekoitettiin yhdellä vinolapatyyppisellä sekoittimella huoneenlämpötilassa. NaCI-liuoksen määrä oli 31 ja sekoitusteho vastasi tehotasoa 3 W/I. Itse sekoitusreaktori oli normaali standardiversio: täysin jälleensekoitettu reaktori, 10 joka siten oli varustettu neljällä pystysuuntaisella virtausten estolevyllä. Ho-peanitraattiliuoksen määrä oli 3,2 I ja se lisättiin tasaisena virtauksena 10 minuutin aikana. Geelimäistä AgCI-saostumaa muodostui lähinnä hopeanitraa-tin lisäyskohdan läheisyydessä.

15 Kokeessa 2 edellä mainitun suuruiset liuosmäärät sekoitettiin keskenään siten, että hopeanitraattiliuos syötettiin keksinnön mukaiseen reaktoriin sinne sijoitetun katkaistun kartion muotoisen syöttörenkaan reikien kautta. Kokeen reaktori muodostui vain primäärisekoitusvyöhykkeestä, jonka tilavuus oli 3 I, ja kun tähän natriumkloridiliuosmäärään lisättiin hopeanitraattiliuosta, reaktorin 20 tilavuus ei riittänyt, ja ylimäärän annettiin valua reaktorista pois poistoyhteen kautta. Myös tällä kertaa hopeanitraattiliuoksen määrä oli 3,2 I ja liuos syötettiin tasaisena virtauksena kartion reikien läpi jaettuna 10 minuutin aikana. Käytetty sekoitusteho oli 5 W/I. Voitiin todeta, että hienojakoisen AgCI-geelin lisäksi esiintyi myös hallitumpaa kidekasvua.

25

Kokeissa saaduista hopeakloridisaostumista valmistettiin koefilmisubstraatteja valottaen kumpaakin tasaisesti tietyn koemetodiikan mukaisesti. Mikroskooppi-tarkastelussa huomattiin, että kokeessa 2 muodostunut hopeakloridi oli kauttaaltaan tasaisemmin tummunutta kuin kokeen 1 hopeakloridi. Siten keksin-30 tömme mukaisella sekoituksella, joka on yhtenäinen ja voimakas koko kysei- 9 101863 sessä primäärisekoitusvyöhykkeessä, on voitu vaikuttaa saostuman tasalaatuisuuteen, erityisesti kun saostava reagenssi on jaettu moneen pieneen osaan sekoitusvyöhykkeen keskellä.

Claims (14)

101863 10

1. Laite hienojakoisen saostuman valmistamiseksi kannella (4) varustetussa. 5 tasapohjaisessa, sylinterimäisessä reaktorissa (1), joka on varustettu akselin (5) päähän ripustetulla gls-sekoittimella (6) ja pystyvirtaushaitoilla (12), tunnettu siitä, että reaktori (1) on välikannen (9) avulla jaettu alempaan nesteti-laan ((7) ja ylempään kaasutilaan (8), jolloin välikansi (9) ulottuu reaktorin seinästä (2) sisäänpäin siten, että sekoittimen akselin (5) ympärille jää vapaa 10 rengasmainen tila, jonka halkaisija korkeintaan puolet reaktorin halkaisijasta ja virtaushaitan (12) ja seinän (2) väliin jäävä tila on 1/15 - 1/10 reaktori-halkaisijasta, ja että reaktori (1) on varustettu saostusreagenssin syöttöelim,,,a (15,17), jotka on sijoitettu virtaushaittojen (12) muodostaman rengasmaisen vyöhykkeen alueelle. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että reaktorin virtaushaittojen lukumäärä on 4 -10.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että reaktoriin 20 syötettävän saostusreagenssin syöttöelin muodostuu ainakin yhdestä virtaus- haittaan (12) tuetusta, sekoittimen (6) pyörimissuunnassa katsottuna virtaus-haitan etupuolelle sijoitetusta syöttöputkesta (15).

4. Patenttivaatimusten 1 ja 3 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että reakto- 25 riin sijoitettu saostusreagenssin syöttöputki (15) ulottuu korkeudelle, joka on hieman alle liuoskorkeuden puolenvälin.

5. Patenttivaatimusten 1 ja 3 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että syöttö-putken (15) alapää on umpinainen ja sen alaosa varustettu useammalla reiällä. 30 11 101863

6. Patenttivaatimusten 1 ja 3 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että syöttö-putken (15) alapää on revityn muotoinen.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että reaktorin 5 saostusreagenssin syöttöelin muodostuu virtaushaittoihin (12) tuetusta syöttö- renkaasta (17).

8. Patenttivaatimusten 1 ja 7 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että syöttö-rengas (17) muodostuu kahdesta samakeskisestä, ylöspäin kapenevasta 10 katkaistusta kartiosta (18,19).

9. Patenttivaatimusten 1 ja 7 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että syöttö-renkaan (17) molemmat puolet (18,19) on varustettu saostusreagenssin purkausaukoilla (20). 15

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että reaktori on varustettu pohjaan (3) kiinnitetyllä, sekoittimen (6) alapuolelle sijoitetulla ohjauskartiolla (13).

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että reaktorin sekoittimen akselille on sekoittimen yläpuolelle kiinnitetty sulkukiekko (11).

12. Patenttivaatimusten 1 ja 11 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että sulkukiekon (11) halkaisija on noin puolet sekoittimen (6) halkaisijasta. 25

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että reaktoria jakava välikansi (9) ulottuu reaktorin seinästä (2) sisäänpäin lähes sekoittimen akselille (5).

14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen reaktori (1), tunnettu siitä, että reaktoria 12 101863 jakava välikansi (9) ulottuu reaktorin seinästä (2) sisäänpäin ja on muodostettu useammasta osasta, ja että sekoittimen akselia (5) ympäröivä osa (10) on sijoitettu muuta kantta korkeammalle. 5 13 101863