способ получения полых стеклянных микросфер

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛЫХ СТЕКЛЯННЫХ МИКРОСФЕР, включающий варку натрийсиликатного стекла, получение из него микропорошков, формование микросфер, отличающийся тем, что после формования осуществляют отделение микросфер от газового потока в первом сепараторе, соединенном с флотационно-осадительной камерой, после чего их дополнительно подвергают флотационно-осадительному разделению в разделительной камере на сплошные и полые микросферы, конвективной сушке и отделению высушенных микросфер от сушильного агента во втором сепараторе, причем в качестве сушильного агента используют газовоздушный поток из первого сепаратора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что флотационно-осадительное разделение отформованных частиц ведут в непрерывном режиме, а выгрузку микросфер из разделительной камеры производят раздельно по зонам, расположенным по длине разделительной камеры.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что производят фильтрацию осветленной в разделительной камере флотационной жидкости и сбор осажденной на фильтре узкой фракции микросфер.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что отработанный сушильный агент дополнительно подвергают скрубберной очистке флотационной жидкостью.

5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что уловленные в первом сепараторе частицы удаляют из него и вводят в разедительную камеру флотационной жидкостью.

6. Способ по пп. 1 5, отличающийся тем, что подачу влажных микросфер из разделительной камеры на сушку производят гидротранспортом.

7. Способ по пп. 1 6, отличающийся тем, что в качестве транспортирующей жидкости при гидротранспорте влажных микросфер из разделительной камеры на сушку используют раствор аппрета.

8. Способ по пп. 1 7, отличающийся тем, что в качестве флотационной жидкости используют раствор аппрета.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неорганическим мелкодисперсным наполнителям, а именно полым стеклянным микросферам (ПСМ), которые могут быть использованы в химической, судостроительной, авиационной и других отраслях промышленности.

Известен способ получения ПСМ [1] включающий варку стекла, получение из него микропорошков, формование из них ПСМ в пламени газовоздушной горелки. Способ характеризуется невысоким выходом готового продукта, который составляет не более 85 об. Кроме того, способ не позволяет получать ПСМ со средней плотностью менее 0,4 г/см³, что является существенным недостатком.

Известен способ получения полых стеклянных микросфер [2] включающий варку стекла, получение из него микропорошков, формование ПСМ в восходящем потоке нагретых газов, последующую химическую обработку микросфер. Рассматриваемое техническое решение имеет ряд недостатков, существенно снижающих его технико-экономические показатели. Использование химической обработки раствором серной кислоты снижает выход ПСМ в результате их активного взаимодействия с раствором. Способ в значительной степени усложняется необходимостью использования кислотостойкого оборудования, последующей нейтрализации отработанных растворов, а также требует больших затрат времени на проведение операций химической обработки и последующей отмывки микросфер. Это существенно снижает производительность всего процесса.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения ПСМ [3] заключающийся в непрерывной подаче исходного стеклянного микропорошка в факел газовой горелки формователя, охлаждении отформованных частиц в газовоздушном потоке, их отделении от газовоздушного потока в первом сепараторе, флотационно-осадительном разделении отформованных частиц в разделительной камере на сплошные частицы и ПСМ, конвективной сушке ПСМ и отделении высушенных ПСМ от сушильного агента во втором сепараторе. Недостатками способа являются значительные энергозатраты, связанные с большими количествами энергоносителя (газа), используемого раздельно в процессах формования микросфер и их последующей сушки. После формования микросфер продукты сгорания газа с высокой температурой выбрасываются в атмосферу. Сухое разделение отформованных микросфер от газового потока с использованием циклона не обеспечивает эффективное улавливание ПСМ, существенная часть (до 20%) которых (наиболее легких и качественных) выбрасывается вместе с газовым потоком в атмосферу, что снижает общий выход готового продукта. Рассматриваемое техническое решение требует дополнительных затрат, связанных с пылеулавливанием и решением, в связи с этим, экологических проблем.

Изобретение позволяет снизить энергозатраты на изготовление ПСМ, увеличить выход готовой продукции и уменьшить вредные выбросы (стеклянной пыли) в атмосферу.

Данный технический результат достигается тем, что в способе получения ПСМ, заключающемся в непрерывной подаче исходного стеклянного микропорошка в факел газовой горелки формователя, охлаждении отформованных частиц в газовоздушном потоке, их отделении от газовоздушного потока в первом сепараторе, флотационно-осадительном разделении отформованных частиц в разделительной камере на сплошные частицы и ПСМ, конвективной сушке ПСМ и отделении высушенных ПСМ от сушильного агента во втором сепараторе, согласно изобретения, в качестве сушильного агента используют газовоздушный поток из первого сепаратора. Флотационно-осадительное разделение отформованных частиц ведется в непрерывном режиме, а выгрузка ПСМ из разделительной камеры производится раздельно по зонам, расположенным по длине разделительной камеры. Производится фильтрация осветленной в разделительной камере флотационной жидкости и сбор осаждаемой на фильтре узкой фракции ПСМ. Отработанный сушильный агент дополнительно подвергается скрубберной очистке флотационной жидкостью. Уловленные в первом сепараторе частицы удаляются из него и вводятся в разделительную камеру мокрым способом флотационной жидкостью. Подача влажных ПСМ из разделительной камеры на сушилку производится гидротранспортом. В качестве транспоpтирующей жидкости при гидротранспорте влажных ПСМ из разделительной камеры на сушку может использоваться раствор аппрета. В качестве флотационной жидкости также может использоваться раствор аппрета.

Применение в качестве сушильного агента газовоздушного потока после формования ПСМ и отделения основного количества отформованных частиц в первом сепараторе позволяет использовать теплоту отходящих газов и исключить автономный источник энергии (т.е. дополнительный расход энергоносителя) для сушки ПСМ, что значительно снижает общие энергозатраты.

Непрерывный режим флотационно-осадительного разделения отформованных частиц и раздельная по зонам, расположенным по длине разделительной камеры, выгрузка ПСМ из разделительной камеры позволяет классифицировать ПСМ по плотности, что повышает качество готового продукта.

Фильтрация осветленной в разделительной камере флотационной жидкости и сбор осажденной при этом на фильтре узкой фракции ПСМ позволяет получить узкую фракцию готовых ПСМ (т.е. повысить их качество) с плотностью, соответствующей плотности флотационной жидкости и очистить флотационную жидкость перед подачей ее на орошение в скруббер и/или в первый сепаратор.

ПСМ являются материалом с очень низкой плотностью (насыпная плотность 0,08-0,40 г/см³), что затрудняет их выделение из газовоздушного потока. Известны способы сухой очистки газового потока в циклонах не позволяет достичь максимально высокого эффекта улавливания твердых частиц. При этом вместе с газовым потоком удаляются наиболее ценные (т.е. самые легкие) ПСМ, что приводит к снижению выхода целевого продукта и увеличению вредных выбросов в атмосферу. Дополнительная скрубберная очистка флотационной жидкостью отработанного сушильного агента позволяет уменьшить вредные выбросы в атмосферу, увеличить выход годного продукта и снизить среднюю плотность ПСМ. Происходящий при этом нагрев отработанным сушильным агентом скрубберной жидкостью (которая затем возвращается в разделительную камеру) уменьшает вязкость флотационной жидкости и, следовательно, увеличивает скорость флотационно-осадительного разделения. Снижение температуры сушильного агента при контакте со скрубберной жидкостью позволяет за счет стабилизации температуры на выходе в хвостовой вентилятор стабилизировать расход газовоздушного потока, который в условиях поочередной сушки разных фракций ПСМ на выходе из сушилки будет иметь различные значения температур и плотности.

Удаление из первого сепаратора уловленных в нем частиц и ввод их в разделительную камеру мокрым способом (за счет смачивания и увеличения частиц флотационной жидкостью) позволяет повысить эффективность работы сепаратора, исключить накопление сухих частиц и их попадание в окружающую среду, что возможно при сухой разгрузке сепаратора.

Подача влажных ПСМ из разделительной камеры на сушку гидротранспортом обеспечивает их непрерывную регулируемую подачу. Необходимость подачи влажных ПСМ гидротранспортом обусловлена низкой плотностью и высоким поверхностным сцеплением влажных ПСМ, приводящими к их плохой текучести (угол естественного откоса влажных ПСМ превышает 90^о). Экспериментально установлено, что добавление к влажным ПСМ около 5% по объему жидкости обеспечивает достаточную текучесть ПСМ. Регулирование подачи ПСМ на сушку производится изменением подвижности массы влажных ПСМ за счет изменения влажности ПСМ при изменении расхода транспортирующей жидкости.

Использование в качестве транспортирующей жидкости при гидротранспорте влажных ПСМ из разделительной камеры на сушку раствора аппрета позволяет исключить аппретирование как отдельную стадию и совместить процессы аппретирования и гидротранспортирования ПСМ.

Использование в качестве флотационной жидкости раствора аппрета также позволяет исключить аппретирование как отдельную стадию и совместить процессы аппретирования и флотационно-осадительного разделения ПСМ.

Заявителю не известны технические решения со сходными существенными признаками, свойства которых совпадают со свойствами отличительных признаков данного изобретения.

На чертеже схематично изображена принципиальная схема установки для реализации предложенного способа получения ПСМ.

В состав установки входят формователь 1 с газовоздушными горелками 2, питатель-дозатор исходного порошка 3 с бункером 4, напорный вентилятор высокого давления 5, первый сепаратор (циклон) 6, разгрузочный патрубок которого соединен с жидкостно-эжекционным аппаратом 7, разделительная камера 8 непрерывного действия, состоящая из приемной (смесительной) и осадительной секций с поплавковым устройством 9 для поддержания постоянного уровня флотационной жидкости, вихревая сушилка 10 с мешалкой, питатель влажных микросфер 11 с форсункой 12 для ввода и распределения воды, второй сепаратор (циклон) 13, сборник сухих ПСМ 14, скруббер 15, вытяжной (хвостовой) вентилятор высокого давления 16 и циркуляционный насос 17 с фильтрующим заборным устройством 18.

Установка работает следующим образом.

Исходный стеклянный микропорошок со средним эквивалентным размером частиц 30-40 мкм периодически загружается в снабженный ворошителем бункер 4, откуда непрерывно подается питателем-дозатором 3 в потоке воздуха (нагнетаемого вентилятором 5), который направляется на горелки 2 формирователя 1. При сжигании топлива в факеле каждой горелки 2 при 1000-1300^оС происходит формование из частиц исходного стеклянного микропорошка ПСМ. Для обеспечения аэродинамического выноса и конвективного охлаждения отформованных частиц в камеру формователя 1 снизу поступает атмосферный воздух, что обеспечивается за счет разрежения, создаваемого вытяжным вентилятором 16, установленным в конце газового тракта установки.

Отформованные частицы выносятся из формователя 1 газовоздушным потоком с температурой, не превышающей 400^оС, в первый сепаратор (циклон) 6, где происходит центробежное отделение частиц, поступающих затем в жидкостно-эжекционный аппарат 7, в котором частицы смачиваются и увлекаются флотационной жидкостью или аппретирующим раствором из разделительной камеры 8. Подача флотационной жидкости осуществляется насосом 17. Полученная суспензия и часть газовоздушного потока поступает в приемную секцию разделительной камеры 8, откуда газ отводится в газоход перед сушилкой 10, а суспензия через успокоительную решетку поступает в разделительную секцию камеры 8, представляющую собой длинный канал прямоугольного сечения. По мере перемещения суспензии к выходу легкая (товарная) фракция ПСМ всплывает и собирается на поверхности флотационной жидкости, а тяжелая фракция (дефектные частицы и ПСМ с плотностью большей, чем плотность жидкости) оседает на дне камеры 8. При флотации по длине разделительной секции происходит дополнительная сепарация ПСМ по плотности и размерам: на начальном участке собираются более легкие и крупные частицы, на конечном более тяжелые и мелкие. Выгрузка всплывшей влажной массы ПСМ производится вручную или гидротранспортом из ячеек, образованных перегородками, установленными в верхней части разделительной секции камеры 8. Осадок в свою очередь, периодически сливается из нижней части камеры 8 в специальную емкость.

Для отделения узкой фракции ПСМ с плотностью, близкой к плотности флотационной жидкости, используется фильтрующее заборное устройство 18, устанавливаемое на гибком шланге, соединенном с всасывающим патрубком насоса 17. Фильтрующее устройство 18 периодически освобождается от осевших на фильтр частиц после перекрытия всасывающей линии и извлечении фильтра из камеры 8. Фильтр отмывается в емкости для отстоя. Для обеспечения непрерывной работы насоса 17 можно использовать два параллельно работающих заборных устройства 18.

Процесс флотационно-осадительного разделения и классификации может быть совмещен с нанесением аппретирующего покрытия. Для этого камера 8 подпитывается раствором аппрета, приготовленным на основе силанов.

Постоянный уровень флотационной жидкости в камере 8 поддерживается с помощью устройства поплавкового типа 9.

Влажная масса ПСМ загружается в бункер питателя 11, куда для придания ей текучести с помощью форсунки 12 разбрызгивается флотационная жидкость или раствор аппрета из камеры 8, нагнетаемый насосом 17, в количестве, приводящем к снижению температуры сушильного агента до 110-130^оС. При подаче влажной массы ПСМ в бункер питателя 11 гидротранспортом возможно использование в качестве транспортирующей жидкости не только флотационной жидкости, но и раствора аппрета. Концентрированная суспензия из питателя 11 стекает в нижнюю часть сушилки 10, где перемешивается и, по мере подсушивания измельчается быстроходной мешалкой.

Сушильная камера вихревого типа 10 представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с тангенциальным вводом сушильного агента. Подсушенные и измельченные в нижней части сушилки 10 агломераты и отдельные ПСМ захватываются закрученном потоком сушильного агента и образуют вихревой слой у стенок корпуса в средней его части. По мере высушивания и разрушения агрегатов одиночные частицы выносятся из сушилки 10 и выделяются из газовоздушного потока во втором сепараторе (циклоне) 13. Уловленные в сепараторе 13 ПСМ собираются в сборник 14. Газовоздушный поток после центробежного разделения в сепараторе 13 подвергается санитарной очистке в центробежном скруббере 15. Мокрое обеспыливание производится в выхлопном патрубке сепаратора (циклона) 13, в нижнюю часть которого через щелевой распределитель самотеком поступает скрубберная жидкость из кольцевого сборника, установленного на крышке сепаратора 13. Вступая в контакт с закрученным газовым потоком жидкость диспергируется, образуя развитую поверхность контакта. Газ, прошедший очистку, отсасывается вытяжным вентилятором 16, а скрубберная жидкость стекает в кольцевой сборник. Свежая жидкость подводится в кольцевой сборник с помощью насоса 17 из разделительной камеры 8, куда также сливается отработанная суспензия через перелив, обеспечивающий постоянный уровень скрубберной жидкости в кольцевом сборнике. Сливаемая в камеру 8 скрубберная жидкость поступает сначала на орошение жидкостно-эжекционного аппарата 7.

П р и м е р 1. В стекловаренной печи периодического действия синтезировали стекло состава (мас.): 69 SiO₂, 8B₂O₃, 8CaO, 8Na₂O, 2ZnO при 1400^оС. Расплав гранулировали отливкой в воду. Стеклогранулят измельчали до размеров частиц менее 40 мкм. Полученный микропорошок пропускали через пламя газовоздушной горелки 2 с температурой 1140^оС. Отформованные частицы подвергали далее мокрому разделению (флотации) в разделительной камере (в качестве флотационной жидкости использовали воду), где качественные микросферы всплывали на поверхность, а дефектные частицы и сферы с высокой плотностью (более 1 г/см³) оседали на дне. Плавающие частицы направляли затем в сушилку 10, сушильным агентом в которой является нагретый до 220^оС газовоздушный поток, отходящий от формователя 1. Высушенные полые микросферы собирали в сборнике 14. Газовый поток после сушки направляли в скруббер 15, где происходит его окончательная очистка перед выбросом в атмосферу. В качестве скрубберной жидкости использовали воду. Общие энергозатраты (расход энергоносителя-газа) на изготовление полых микросфер составили 635 кДж/ч. Выход полых микросфер с учетом двукратной мокрой очистки газового потока, содержащего отформованные частицы составляет 94 об. (после формования 90 об.). Выбросы в атмосферу составляет 6%

П р и м е р ы 2 и 3. Полые стеклянные микросферы по примерам 2-3 получены аналогично примеру 1. В примере 2 формование микросфер проводили при 1200^оС, а сушку микросфер осуществляли при температуре отходящих газов 250^оС. В примере 3 в качестве флотационной жидкости использовали водный раствор аппрета. Соответствующие характеристики по примерам 1-3 приведены в таблице.

Следует отметить, что в прототипе под выходом полых микросфер подразумевают степень превращения исходных сплошных частиц стекла, направляемых на формование, в полые микросферы. Эта величина характеризуется объемной долей плавающих полых частиц (например, после перемешивания суспензии микросфер с водой и последующего отстаивания в мерном цилиндре) от общего количества материала, взятого из сборника-циклона после формователя 1. При этом не учитываются технологические потери, связанные с невысокой степенью улавливания микросфер в циклонах на этапах формования и последующей сушки микросфер после флотации. В предлагаемом техническом решении рассматривается общий выход готового продукта с учетом всех возможных потерь материала на каждой технологической стадии.