RU2133145C1

RU2133145C1 - Method of manufacturing refractory fine powders

Info

Publication number: RU2133145C1
Application number: RU97115692/25A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Дедов; А.А. Деменко; лов А.В. Завь; А.В. Завьялов; В.М. Кондаков; Б.И. Курага; вин Э.М. Кут; Э.М. Кутявин; В.А. Матюха; Ю.Н. Сенников; А.И. Соловьев; О.И. Составкин
Original assignee: Сибирский химический комбинат
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 1999-07-20

Abstract

FIELD: size reduction processes. SUBSTANCE: invention is designed for manufacturing fine powders via thermochemical decomposition of liquid reagents pulverized in high-temperature heat carrier in straight-flow cylindrical reactor with vortex protection of reaction canal surface. In the initial phase of process, lining layer from final product particles is formed on reaction canal surface by establishing value of gas vortex flow rate 4- 4.7 times superior to main flow rate. Formation of lining layer completed, vortex flow rate is lowered to its normal value. Formation of lining layer is conducted until temperature of outside wall of apparatus is lowered by 100-150 C. EFFECT: reduced regularity of process stopping required for cleaning equipment, increased final product purity and homogeneity, and reduced power consumption. 2 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к химико-термической технологии, в частности к процессам получения тугоплавких тонкодисперсных порошков путем термохимического разложения распыленных растворов в высокотемпературном теплоносителе. The invention relates to chemical-thermal technology, in particular to processes for producing refractory fine powders by thermochemical decomposition of sprayed solutions in a high-temperature coolant.

Известен способ /Сурис А.Л., Плазмохимические процессы и аппараты, Москва, Химия, 1989, стр. 202, 203/ получения тонкодисперсных порошков в плазмохимическом реакторе, по которому для снижения количества отложений конденсированных продуктов на стенках повышают температуру стенки (в частности, путем футеровки внутренней поверхности реакционного канала или теплоизоляции наружной поверхности). Однако высокая температура стенки увеличивает также термическую коррозию металла, что приводит к увеличению содержания примесей в готовом продукте. Материалы, используемые для футеровки, плохо выдерживают температуры и требуют предварительного прогрева и медленного охлаждения /там же, стр. 49/, а также вносят примеси в продукт. Кроме того, процесс футеровки достаточно трудоемок. The known method / Suris A.L., Plasma-chemical processes and apparatus, Moscow, Chemistry, 1989, p. 202, 203 / for producing fine powders in a plasma-chemical reactor, in which to reduce the number of deposits of condensed products on the walls increase the temperature of the wall (in particular, by lining the inner surface of the reaction channel or insulating the outer surface). However, the high wall temperature also increases the thermal corrosion of the metal, which leads to an increase in the content of impurities in the finished product. The materials used for lining do not withstand temperatures well and require preliminary heating and slow cooling / ibid., P. 49 /, as well as impurities in the product. In addition, the lining process is quite laborious.

По другому способу /там же, стр. 205; рис. 3.1 - 4, стр. 44/ для предотвращения образования отложений осуществляют обдув стенок реактора вихревым потоком газа, при этом обычно устанавливают оптимальное, определяемое опытным путем соотношение скоростей (зависящее от природы реагентов, конфигурации и температуры реакционного канала) защитного вихревого потока и основного аксиального потока, представляющего смесь газа - теплоносителя и распыленного реагента. При отклонении скорости вихревого потока от оптимальной в сторону уменьшения или увеличения количество отложений возрастает, при этом плотность слоя отложений возрастает с увеличением скорости подачи газа в вихревой поток. In another way / ibid., P. 205; fig. 3.1 - 4, p. 44 / in order to prevent the formation of deposits, the walls of the reactor are blown by a vortex gas stream, and usually the optimal, experimentally determined ratio of velocities (depending on the nature of the reagents, configuration and temperature of the reaction channel) of the protective vortex stream and the main axial stream representing a mixture of gas - coolant and atomized reagent. When the vortex flow velocity deviates from the optimal one in the direction of decreasing or increasing, the amount of deposits increases, while the density of the layer of deposits increases with increasing gas velocity in the vortex stream.

Однако и при оптимальной скорости происходит образование слоя отложений продукта на стенках, который из-за рыхлой структуры имеет тенденцию к локальному обрушению. Обрушение гарнисажного слоя приводит к длительной или кратковременной забивке технологической линии вывода продукта в систему пылеулавливания. Локальное обрушение может также нарушить симметрию высокотемпературного пылегазового потока, вследствие чего снижается однородность конечного продукта. However, even at the optimum speed, a layer of product deposits forms on the walls, which, due to the loose structure, tends to local collapse. Collapse of the skull layer leads to prolonged or short-term clogging of the production line of the product into the dust collection system. Local collapse can also violate the symmetry of the high-temperature dust and gas flow, resulting in reduced uniformity of the final product.

Задачей изобретения является уменьшение частоты остановок процесса для зачистки оборудования, снижение содержания примесей в конечном продукте и повышение его однородности, повышение тепловой эффективности процесса. The objective of the invention is to reduce the frequency of process stops for stripping equipment, reducing the content of impurities in the final product and increasing its uniformity, increasing the thermal efficiency of the process.

Для достижения поставленной задачи в способе получения тонкодисперсных порошков, включающем термохимическое разложение растворов, распыленных в потоке высокотемпературного газового теплоносителя в прямоточном реакторе с вихревым обдувом поверхности реакционного канала, в начале процесса на поверхности реакционного канала формируют футерующий слой из частиц конечного продукта установлением скорости подачи газа на вихревой обдув до значения, в 4 - 4,7 раз превышающего скорость основного потока, а после формирования футерующего слоя требуемой толщины (1 - 1,5 мм) скорость подачи газа на вихревой обдув снижают до обычно используемого значения. Формирование футерующего слоя проводят до снижения температуры наружной стенки аппарата с начала формирования слоя на 100 - 150^oC.To achieve the task in a method for producing fine powders, including thermochemical decomposition of solutions sprayed in a stream of high-temperature gas coolant in a once-through reactor with swirling blowing the surface of the reaction channel, at the beginning of the process, a lining layer is formed from the particles of the final product by setting the gas feed rate to swirling to a value 4–4.7 times higher than the velocity of the main stream, and after the formation of the lining layer, t ebuemoy thickness (1 - 1.5 mm), gas velocity in the vortex airflow is reduced to values usually used. The formation of the lining layer is carried out until the temperature of the outer wall of the apparatus decreases from the beginning of the formation of the layer by 100 - 150 ^o C.

Реализация способа получения тонкодисперсных порошков приведена в примере. The implementation of the method for producing fine powders is shown in the example.

Пример:
Проводили процесс наработки тонкодисперсной смеси оксидов железа, бора и неодима из смешанного азотнокислого раствора в плазмоструйном реакторе с индукционным плазматроном в качестве генератора газа - теплоносителя и с обдувом вихревым потоком газа поверхности реакционного канала. Раствор распыляли спутно - поперечно под углом 15^o к оси реакционного канала через четыре попарно-встречные пневматические форсунки на начальном участке реакционного канала диаметром 200 мм и длиной 600 мм. После встречного взаимодействия факелов распыленного раствора и смешения со струей теплоносителя образуемый основной поток имел среднюю скорость от 25 до 35 м/с. Раствор на форсунки подается через общий коллектор. Выходные сечения форсунок были расположены по окружности диаметром 120 мм. Вихревой поток со скоростью 120 - 140 м/с подавали в течение одного часа с начала подачи раствора через систему из четырех тангенциальных отверстий диаметром 2 мм, расположенных по окружности диаметром 135 мм в одной плоскости с выходными сечениями форсунок. Для сравнения были проведены опыты со скоростью подачи вихревого потока, равной 90, 100, 106, 230 м/с и без вихревого потока. После этого скорость подачи газа снижали до 85 - 90 м/с, при которой (по результатам предварительных экспериментов) скорость образования отложений минимальна. Раствор с общей концентрацией железа, бора и неодима, равной 120 г/л, был переработан за 8 циклов (по 40 л за один цикл). Расход раствора на стадии формирования футерующего слоя во всех опытах составлял 15 л/ч. Затем расход раствора устанавливали равным 20 л/ч. В различных циклах устанавливали различные значения скорости газа в вихревом потоке. После каждого цикла исследовали состояние слоя отложений на поверхности реакционного канала. Температуру пылегазовой среды на выходе из реактора поддерживали равной 550^oC путем регулирования амплитуды тока индуктора (и соответственно вводимой в плазмотрон мощности). При этом в течение стадии формирования футерующего слоя температура стенки аппарата снижалась на 100 - 150^oC, что позволило повысить мощность, вводимую в индукционный разряд (путем повышения амплитуды высокочастотного сигнала на индукторе), и расход раствора до 20 л/ч. Результаты приведены в таблице.Example:
We conducted the process of producing a finely dispersed mixture of iron, boron and neodymium oxides from a mixed nitric acid solution in a plasma jet reactor with an induction plasmatron as a gas generator — a heat carrier and with a swirling gas flow blowing the surface of the reaction channel. The solution was sprayed satellite - transversely at an angle of 15 ^o to the axis of the reaction channel through four pairwise counter-pneumatic nozzles in the initial section of the reaction channel with a diameter of 200 mm and a length of 600 mm. After the counter-interaction of the spray torches and mixing with the coolant stream, the formed main stream had an average speed of 25 to 35 m / s. The solution to the nozzles is fed through a common collector. The nozzle exit sections were arranged in a circle with a diameter of 120 mm. A vortex flow with a speed of 120-140 m / s was supplied within one hour from the beginning of the solution supply through a system of four tangential openings with a diameter of 2 mm located on a circle with a diameter of 135 mm in the same plane with the outlet sections of the nozzles. For comparison, experiments were conducted with a swirl flow rate of 90, 100, 106, 230 m / s and without a swirl flow. After that, the gas feed rate was reduced to 85 - 90 m / s, at which (according to the results of preliminary experiments) the deposition rate was minimal. A solution with a total concentration of iron, boron and neodymium equal to 120 g / l was processed in 8 cycles (40 l per cycle). The flow rate of the solution at the stage of formation of the lining layer in all experiments was 15 l / h. Then, the flow rate of the solution was set equal to 20 l / h. In different cycles, different values of the gas velocity in the vortex flow were set. After each cycle, the state of the sediment layer on the surface of the reaction channel was investigated. The temperature of the dust and gas medium at the outlet of the reactor was maintained equal to 550 ^o C by adjusting the amplitude of the inductor current (and, accordingly, the power introduced into the plasma torch). Moreover, during the stage of formation of the lining layer, the temperature of the wall of the apparatus decreased by 100 - 150 ^o C, which made it possible to increase the power introduced into the induction discharge (by increasing the amplitude of the high-frequency signal at the inductor) and the flow rate of the solution to 20 l / h. The results are shown in the table.

Как видно из таблицы (см. таблицу) примера, наиболее приемлемые характеристики как футерующего гарнисажного слоя, так и слоя отложений после завершения циклов переработки раствора получены при скорости воздуха в вихревом потоке на начальном этапе процесса, равной 120 - 140 м/с, что в 4 - 4,7 раз превышает скорость основного потока. As can be seen from the table (see table) of the example, the most acceptable characteristics of both the lining layer and the layer of deposits after completion of the processing cycles of the solution were obtained at an air velocity in the vortex flow at the initial stage of the process equal to 120 - 140 m / s, which 4 - 4.7 times the speed of the main stream.

Меньшее значение относительной скорости не позволяет сформировать достаточно плотный, хорошо сцепленный с поверхностью реакционного канала футерующий слой. A lower value of the relative velocity does not allow the formation of a sufficiently dense, well adhered to the surface of the reaction channel lining layer.

При более высоких значениях относительной скорости заметно проявляется практически всегда существующая некоторая несовместимость работы футеровок и каналов подачи вихревого потока. В результате формируется неравномерный футерующий слой, что в конечном счете приводит к сбоям в работе реактора. Кроме того, при больших скоростях подачи вихревого потока чрезмерно увеличивается и расход воздуха в реактор, что приводит к снижению эффективности процесса. At higher values of the relative velocity, some always incompatible operation of the linings and the vortex flow channels is noticeably manifested. As a result, an uneven lining layer is formed, which ultimately leads to malfunctioning of the reactor. In addition, at high feed rates of the vortex flow, the air flow to the reactor increases excessively, which leads to a decrease in the efficiency of the process.

Формирование плотной структуры гарнисажного слоя происходит за счет высокой скорости турбулентных пульсаций потока, в результате чего частицы попадают на стенку с высоким значением нормальной составляющей их скорости. Температура внутренней поверхности реакционного канала повышается (за счет образования футерующего слоя с низкой теплопроводностью). The formation of the dense structure of the skull layer occurs due to the high speed of turbulent pulsations of the flow, as a result of which the particles fall on the wall with a high value of the normal component of their velocity. The temperature of the inner surface of the reaction channel rises (due to the formation of a lining layer with low thermal conductivity).

Следствием этого является выравнивание поля температур по сечению реактора и повышение тепловой эффективности процесса. После формирования футерующего слоя толщиной 1 - 1,5 мм (о чем можно судить по снижению температуры наружной поверхности реактора на 100 - 150^oC) расход воздуха снижают до значения, обеспечивающего оптимальную скорость защитного потока. Слой толщиной 1 - 1,5 мм уменьшает рабочее сечение реакционного канала незначительно, но вполне достаточен для предохранения его поверхности от воздействия высокотемпературных потоков.The consequence of this is the equalization of the temperature field along the cross section of the reactor and an increase in the thermal efficiency of the process. After the formation of the lining layer with a thickness of 1 - 1.5 mm (as can be judged by a decrease in the temperature of the outer surface of the reactor by 100 - 150 ^o C), the air flow rate is reduced to a value that ensures the optimal speed of the protective flow. A layer with a thickness of 1-1.5 mm reduces the working section of the reaction channel slightly, but is quite sufficient to protect its surface from the effects of high temperature flows.

За счет футерующего качества слоя, специально образованного в начальной стадии процесса, повышается температура стенок реакционного канала без термической эрозии металлоконструкций и снижается осаждение частиц на стенках за счет термофореза. Due to the lining quality of the layer, specially formed in the initial stage of the process, the temperature of the walls of the reaction channel increases without thermal erosion of the metal structures and the deposition of particles on the walls due to thermophoresis is reduced.

Плотная структура слоя снижает вероятность его локального обрушения и возникновения флуктуаций газо- и термодинамических параметров процесса, тем самым улучшая однородность и качество получаемого продукта. The dense structure of the layer reduces the likelihood of its local collapse and the occurrence of fluctuations in the gas and thermodynamic process parameters, thereby improving the uniformity and quality of the resulting product.

Кроме того, плотная структура футерующего гарнисажного слоя автоматически обеспечивает соотношение шероховатости поверхности реакционного канала и размеров частиц, при котором адгезия частиц к поверхности минимальна /Зимон А.Д., Адгезия пыли и порошков, Москва, Химия, 1976, с. 144 - 172/, в результате увеличивается возможная продолжительность ведения процесса. In addition, the dense structure of the lining skull layer automatically provides a ratio of the surface roughness of the reaction channel to the particle size at which the adhesion of particles to the surface is minimal / Zimon A.D., Adhesion of dust and powders, Moscow, Chemistry, 1976, p. 144 - 172 /, as a result, the possible duration of the process is increased.

Формирование футеровочного (гарнисажного) слоя из частиц целевого продукта исключает поступление в продукт примесей со стенок реакционного канала. The formation of the lining (skull) layer of particles of the target product eliminates the ingress of impurities into the product from the walls of the reaction channel.

Описанный способ ведения процесса термического разложения растворов позволяет реализовать длительную многодневную непрерывную работу плазмохимического реактора без частых остановок для зачистки реактора от отложений, что упрощает ведение процесса. The described method for conducting the process of thermal decomposition of solutions allows for a long multi-day continuous operation of the plasma chemical reactor without frequent stops to clean the reactor from deposits, which simplifies the process.

Claims

1. A method of producing refractory fine powders, including thermochemical decomposition of solutions sprayed in a stream of high-temperature gas coolant in a once-through reactor with swirl blowing of the surface of the reaction channel, characterized in that at the beginning of the process a lining layer is formed from the particles of the final product by supplying gas swirling around the reaction channel at a flow rate 4 to 4.7 times higher than the flow rate of a high-temperature gas coolant I sprayed with a solution.

2. The method according to claim 1. characterized in that the formation of the lining layer is carried out to a thickness of 1 - 1.5 mm, which is judged by lowering the temperature of the outer wall of the apparatus from the beginning of the formation of the layer by 100 - 150 ^o C.