PL204300B1 - Sposób wytwarzania syntetycznych krzemianów w złożu fluidyzacyjnym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Tło wynalazku. Stosowanie syntetycznych krzemianów jako materiałów wyjściowych w przemysłach opartych na szkle i ceramice jest znane. Korzyści osiągane za pomocą dotychczasowych sposobów realizowano drogą wytwarzania pastylek syntetycznych krzemianów, takich jakie są znane z amerykań skich opisów patentowych nr US 08/708246, 09/001335 i zgł oszeniach zwią zanych. W takich procesach korzysta się z szeregu urządzeń i materiałów, włącznie z pastylkarkami panwiowymi, materiałami wiążącymi, grubą krzemionką i katalizatorami. Chociaż takie procesy stanowią postęp w tej dziedzinie, to są one wciąż związane z problemami i ograniczeniami. Niektóre z tych problemów polegają na nadmiernej sile roboczej w pracy pastylkarek panwiowych i innym sprzęcie i stosowaniu spoiw jako materiałów wymaganych w tych procesach, które są oparte na piecach obrotowych. Dotychczasowe sposoby polegały na tworzeniu nieprzereagowanych mas surowych materiałów, takich jak woda, dwutlenek krzemu, źródła tlenku wapniowego i tlenku magnezowego, które następnie poddaje się reakcji z utworzeniem pożądanych syntetycznych krzemianów. Takie nieprzereagowane masy, które określa się jako „surowe” pastylki, mogą być przed reakcją suszone albo nie suszone. Spoiwa są wymagane w celu zapobiegania rozpadowi surowych pastylek, gdy poddaje się je przed reakcją naprężeniom w piecu obrotowym w temperaturowej strefie wyładowania. Ponadto wymagane są katalizatory w celu zapewnienia pełnych i jednorodnych reakcji, gdy jako surowiec stosuje się grubszą krzemionkę. Stąd do wytwarzania takiego syntetycznego materiału krzemianowego konieczne są lepsze operacje jednostkowe i ogólne procesy.

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest zmniejszenie siły roboczej przy pracy urządzenia stosowanego do wytwarzania syntetycznego materiału krzemianowego.

Innym przedmiotem niniejszego wynalazku jest stosowanie grubej krzemionki w młynach kołkowych.

Jeszcze innym przedmiotem niniejszego wynalazku jest osiąganie wyższych stopni reakcji przy stosowaniu piasku kwarcowego bez stosowania katalizatorów.

Jeszcze innym przedmiotem niniejszego wynalazku jest zapobieganie rozkładowi aglomeratów w wysokich temperaturach bez stosowania spoiw.

Te i inne cele osiąga się za pomocą niniejszego wynalazku.

Podsumowanie. Przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób wytwarzania krzemianów syntetycznych. Zgodnie ze sposobem grubą krzemionkę, tlenki wapniowe, tlenki magnezowe, mielniki i spoiwo wytrzymałe na zimno łączy się w młynie kulowym, a następnie prowadzi się aglomerację i reakcję z wytworzeniem syntetycznego krzemianu. Za pomocą takiego sposobu uzyskuje się szczególne korzyści pod względem mniejszych kosztów siły roboczej, spoiwa i materiałów katalitycznych.

Opis figur. Fig. 1 przedstawia ogólny przykład stosowania sposobu według niniejszego wynalazku. Fig. 2 przedstawia specyficzny przykład stosowania sposobu według niniejszego wynalazku.

Rozwiązania niniejszego wynalazku. Jednym z rozwiązań niniejszego wynalazku jest sposób obejmujący pierwszy etap łączenia ze sobą w piecu kulowym grubej krzemionki, źródeł tlenku wapniowego i tlenku magnezowego, mielników i spoiwa wytrzymałego na zimno, drugi etap łączenia materiałów z pierwszego etapu z wodą w mieszalniku do aglomeracji i trzeci etap poddawania reakcji materiału wytworzonego w mieszarce.

Gruba krzemionka stanowi piasek, który zawiera korzystnie co najmniej 90% wagowo cząstek o wielkości wynoszącej od około 100 do około 1000 mikrometrów, jeszcze korzystniej od około 150 do około 600 mikrometrów, a zwłaszcza od około 250 do około 600 mikrometrów. Takim piaskiem mogą być strącone krzemiany albo naturalny piasek albo ulepszony piasek i może on zawierać także zanieczyszczenia, które specjalista może ale nie musi poddawać obróbce albo usuwać. Cząstki takiego piasku mogą mieć wiele rozkładów wielkości cząstek. Na przykład rozkład wielkości może mieć co najmniej 80% wagowo cząstek równych albo większych niż 250 mikrometrów, przy czym reszta cząstek jest mniejsza niż 250 mikrometrów. Taki rozkład będzie zmieniać się w zależności od przewidywanego zastosowania przez specjalistę. Rozkład wielkości cząstek może być jednomodalny, dwumodalny albo każdym innym szeregiem wielokrotnych modułów. Poza tym rozkład może mieć odciętą frakcję górną albo dolną.

Stosować można różne źródła tlenku wapniowego, przy czym korzystnie są to źródła uwodnionego tlenku wapniowego. Takie źródła obejmują, lecz nie tylko, wapno dolomitowe, wapno palone albo każdy inny szereg źródeł dostępnych w handlu. Podobnie stosować można różne źródła tlenku magnezowego, które są korzystnie źródłami uwodnionego tlenku magnezowego. Takie źródła obejmują,

PL 204 300 B1 lecz nie tylko, wapno dolomitowe, tlenek magnezowy oraz każdy inny szereg źródeł dostępnych w handlu. Źródła tlenku wapniowego i tlenku magnezowego mogą obejmować na przykład kamień wapienny i dolomit. Wielkość cząstek w tych materiałach może wynosić korzystnie od około 25 do około 100 mikrometrów. Stopień uwodnienia tych źródeł może stanowić 100% wagowo, lecz może być także mniejszy tak długo, jak długo występuje uwodnienie wystarczające dla osiągnięcia celów niniejszego wynalazku.

Mielniki użyteczne w niniejszym wynalazku mogą wspomagać utrzymywanie czystości urządzeń i ułatwiać przepływ materiału przez urządzenie mielące. Takie mielniki obejmują mielniki, które są typowe w dziedzinie mielenia materiałów stałych w urządzeniu stosowanym w niniejszym wynalazku.

Spoiwo wytrzymałe na zimno stosowane w niniejszym wynalazku może być każdym odpowiednim spoiwem użytecznym w temperaturze otoczenia. Takie spoiwa obejmują, lecz nie tylko, cementy na bazie glinianu wapniowego, spoiwa na bazie magnezji kaustycznej, spoiwa organiczne, takie jak ligniny oraz spoiwa równoważne.

Młyn kulowy pracuje w taki sposób, że wychodzący materiał jest korzystnie w 80% wagowo drobniejszy niż około 150 mikrometrów, a zwłaszcza drobniejszy niż około 75 mikrometrów. Młyn kulowy pracuje z uzyskiwaniem wysokiego stopnia jednorodności materiałów doprowadzonych do młyna. Poza tym warunki pracy są regulowane w celu uzyskania skutecznego zwiększenia powierzchni materiałów, jak również kontroli zmniejszenia wielkości materiału do reakcji w reaktorze współprądowym. Zwiększenie powierzchni jest tego rodzaju, że miejsca reakcji są pozbawione, a przynajmniej mają zmniejszoną zawartość zanieczyszczeń, które mogłyby przeszkadzać współprądowej reakcji materiałów w reaktorze. Takie zwiększanie prowadzi się korzystnie do takiego stopnia, że ma miejsce zmniejszenie ilości katalizatora wymaganego do reakcji współprądowej.

To zmniejszenie wynosi co najmniej 50% wagowo, korzystnie to zmniejszenie wynosi co najmniej 90% wagowo, a zwłaszcza jest w zasadzie wyeliminowany wymóg stosowania katalizatora. Poza tym młyn kulowy pracuje w taki sposób, że daje produkt o takiej wielkości i właściwościach, aby zwiększyć zasilanie mieszarki aglomeryzującej. Takie zwiększone zasilanie powinno dawać aglomeraty, które są jednorodne, a reakcja biegnie do tak wysokiego stopnia, że przemianie chemicznej podlega co najmniej 75% wagowo, a zwłaszcza co najmniej 85% wagowo reagentów.

Mieszarka może być każdą mieszarką typu odpowiedniego do obchodzenia się z opisanym tu, doprowadzonym materiałem. W takiej mieszarce powinno poddawać się aglomeracji doprowadzony materiał, który zawiera produkt z młyna kulowego i wodę, do materiału wychodzącego, który zawiera korzystnie co najmniej 50% wagowo cząstek o wielkości od 1 do 35 milimetrów, a zwłaszcza co najmniej 75% wagowo cząstek o wielkości od 1 do 35 milimetrów. Korzystną mieszarką jest mieszarka typu młyna kołkowego albo mieszarka typu turbulatora. Aby uzyskać wyżej podane stopnie aglomeracji, pracę mieszarki reguluje się szybkościami, z jakimi dodaje się wodę i produkt z młyna kulowego, jak również drogą regulacji obrotów wałka. Mieszarka może pracować w połączeniu z młynem kulowym, tak aby wytwarzać produkt odpowiedni do wybranego urządzenia reaktorowego. Stopień aglomeracji może być na przykład regulowany w celu umożliwienia stosowania jako urządzenia reaktorowego albo pieca obrotowego albo pieca z fluidyzacją materiału stałego albo reaktora fluidyzacyjnego.

Takie zastosowanie połączenia młyna kulowego i mieszarki, na przykład mieszarki kołkowej, umożliwia większą regulację zasilania reaktora do złoża fluidyzacyjnego, w którym krzemiany wytwarza się bez stosowania spoiw. Wyżej opisane aglomeraty, które uzyskuje się za pomocą tego połączenia, będą spełniać wymagania krytycznej wielkości dla udanego tworzenia syntetycznych krzemianów w reaktorze fluidyzacyjnym.

Reaktory użyteczne w niniejszym wynalazku mogą być wszelkimi wysokotemperaturowymi reaktorami z fazą stałą, takimi jak, lecz nie tylko, piece obrotowe i reaktory fluidyzacyjne. Przykłady takiego reaktora można znaleźć w amerykańskich opisach patentowych nr 5876679 i 3904375 i cytowanych tu referencjach, z których wszystkie są tu włączone tytułem referencji. Takie reaktory fluidyzacyjne mają czas reakcji znacznie krótszy niż typowy czas reakcji w piecach obrotowych. Korzystnym reaktorem fluidyzacyjnym jest reaktor z wyłożeniem ceramicznym. W niniejszym wynalazku taki reaktor ma zaletę polegającą na pracy z kosztami, które są znacznie niższe niż w przypadku pieca obrotowego, i w temperaturze, która jest także znacznie niższa. Takie niższe temperatury są możliwe dzięki zwiększeniu powierzchni i innym korzyściom uzyskanym dzięki opisanemu wyżej połączeniu młyna kulowego i mieszarki. Połączenie młyna kulowego, mieszarki i reaktora fluidyzacyjnego umożliwia uzyskanie wyższego stopnia reakcji niż w poprzednich procesach, wymaga mniej czasu i powoduje mniejsze naprężenia materiałowe.

PL 204 300 B1

Jednym z rozwiązań niniejszego wynalazku jest sposób przedstawiony na schemacie technologicznym na Fig. 1. Wapno dolomitowe doprowadza się do aparatu do uwadniania 1 w celu wytworzenia uwodnionego wapna dolomitowego. Ten produkt wapienny doprowadza, się następnie do młyna kulowego 2, do którego dodaje się piasek razem ze spoiwem wytrzymałym na zimno i mielnikiem. Młyn kulowy 2 pracuje w warunkach otoczenia w ciągu czasu wystarczającego do uzyskania wysokiego stopnia jednorodności mieszanki z jednoczesnym zmniejszeniem wielkości ziaren piasku oraz odnowionymi powierzchniami ziaren piasku. Młyn kulowy 2 pracuje z wywarzaniem produktu, w którym więcej niż 75% wagowo cząstek wychodzących z młyna ma wielkość mniejszą niż 75 mikrometrów. Ten produkt z młyna kulowego doprowadza się następnie razem z wodą do mieszarki 3, która pracuje z wytwarzaniem aglomeratu głównie o wielkości od 1 do 35 milimetrów i zawartości wody około 15% wagowo. Ten poddany aglomeracji materiał doprowadza się z kolei do suszarki 4 w dostatecznej temperaturze i w ciągu czasu wystarczającego do odpędzenia prawie całej wolnej wody. Wysuszony aglomerat przesiewa się następnie przez sito 5 w celu usunięcia cząstek drobniejszych niż 1000 mikrometrów. Pozostały materiał doprowadza się do reaktora 6 pracującego w temperaturze od około 1250 do 1350 stopni Celsjusza. Reakcja tlenku wapniowego, tlenku magnezowego i materiału krzemionkowego ma miejsce z utworzeniem wymaganego syntetycznego materiału krzemianowego. Nadmiar materiału z reaktora 6 gromadzi się jako produkt. Ewentualne przesiewanie albo rozdrabnianie prowadzi się po reaktorze 6.

P r z y k ł a d

Następujący przykład ma na celu przedstawienie jednego z rozwiązań niniejszego wynalazku, a nie jego ograniczenie, a odniesienie do Fig. 2 przedstawiono jako ilustrację przykładowego sposobu.

Partię materiału wytwarza się w aparacie do uwadniania 1 drogą dodawania 43,25 części wagowo wapna dolomitowego, 50,95 części piasku, 0,94 części 50% roztworu środków kaustycznych, 2,5 części tlenku glinowego i 17,64 części wody, która odpowiada połączeniu wody hydratacyjnej i wody utraconej z aparatu do uwadniania w postaci pary. Składniki miesza się starannie, a następnie doprowadza do młyna kulowego 2. Młyn kulowy 2 ma wyłożenie mediami o wysokiej zawartości chromu i pracuje w sposób ciągły. Piasek, spoiwo i mielnik dodaje się w sposób ciągły. W procesie ciągłym wytwarza się materiał w postaci cząstek, w którym 90% wagowo cząstek ma równoważną średnicę sferyczną 75 mikrometrów albo mniej. Ten materiał doprowadza się następnie do mieszarki kołkowej 3, do której dodaje się dostateczną ilość wody, tak aby wytworzony produkt miał wilgotność 17% wagowo. Mieszarka kołkowa 3 pracuje w sposób ciągły, tak aby poddawać aglomeracji materiał z młyna kulowego 3. Poddany aglomeracji produkt z mieszarki kołkowej 3 doprowadza się następnie do suszarki obrotowej 4, która pracuje w temperaturze 150 stopni Celsjusza. Aglomerat suszy się do zawartości wilgoci mniejszej niż 1,5% wagowo. Produkt z suszarki doprowadza się z kolei do sita 5, które pracuje w taki sposób, że usuwa części drobne z produktu z suszarki obrotowej 4. Rozkład wielkości cząstek produktu wytworzonego z sita 5 minus te drobne części daje w wyniku 9% wagowo cząstek większych niż 35 milimetrów, 76,5% wagowo cząstek od 600 mikrometrów do 35 milimetrów i 14,5% wagowo cząstek mniejszych niż 600 mikrometrów. Ten przesiany produkt doprowadza się do pieca fluidyzacyjnego 6. Złoże fluidyzacyjne pracuje w temperaturze około 1300 stopni Celsjusza, a reakcja aglomeratów jest wystarczająca do wywarzania produktu, który zawiera tylko około 10-15% wagowo nieprzereagowanej krzemionki.

Claims (12)

1. Sposób wytwarzania syntetycznego krzemianu, znamienny tym, że prowadzi się pierwszy etap dodawania w piecu kulowym grubej krzemionki, źródeł tlenków wapniowych i tlenków magnezowych, mielnika i spoiwa wytrzymałego na zimno z wytworzeniem pierwszej mieszaniny, drugi etap łączenia pierwszej mieszaniny z wodą w mieszarce aglomerującej z wytworzeniem drugiej mieszaniny, w której co najmniej 50% wagowo cząstek ma wielkość od 1 do 35 milimetrów, i trzeci etap doprowadzania drugiej mieszaniny do reaktora i ogrzewania w celu przeprowadzenia reakcji wytwarzania syntetycznego krzemianu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się grubą krzemionkę składającą się co najmniej z 90% wagowo cząstek piasku o wielkości wynoszącej od 0,1 do 1 mm.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się cząstki piasku o przedziale wielkości od 0,15 do 0,6 mm.

PL 204 300 B1

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że stosuje się cząstki piasku mające rozkład wielkości, w którym co najmniej 80% wagowo cząstek ma równoważne średnice sferyczne równe albo większe niż 0,25 mm, przy czym reszta cząstek jest mniejsza niż 0,25 mm.

5. Sposób wedł ug zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, ż e jako ź ródł o tlenków wapniowych stosuje się uwodnione tlenki wapniowe.

6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że jako źródło tlenków magnezowych stosuje się uwodnione tlenki magnezowe.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się źródła tlenków wapniowych albo źródła tlenków magnezowych albo jedne i drugie składające się z cząstek o wielkości wynoszącej od 0,025 mm do 0,199 mm.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się źródła tlenków wapniowych albo źródła tlenków magnezowych albo jedne i drugie mające stopień uwodnienia 100% wagowo.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako spoiwo wytrzymałe na zimno stosuje się cement na bazie glinianu wapniowego albo kaustyczne spoiwo na bazie tlenku magnezowego.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przemianie chemicznej poddaje się co najmniej 75% wagowo reagentów.

11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako mieszarkę aglomeracyjną stosuje się mieszarkę kołkowo-kulową.

12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się reaktor fluidyzacyjny mający wyłożenie ceramiczne.