способ получения боратов бария

Формула изобретения

1. Способ получения боратов бария путем смешения в стехиометрическом соотношении гидроксида бария и борной кислоты, отличающийся тем, что твердый гидроксид бария загружают в смеситель первым, нагревают до 35-70^oC и перемешивают при этой температуре не менее 5 мин, добавляют твердую борную кислоту и перемешивание смеси продолжают не менее 55 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный нагрев твердого гидроксида бария проводят при оптимальной температуре 35-45^oC.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что синтез ведут при оптимальном времени 55-65 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к способам получения боратов бария.

Известны способы получения боратов бария (А.Р. Кешан. Синтез боратов в водном растворе и их исследование. Изд. Ак. наук Латв. ССР Рига, 1955 г.) путем взаимодействия растворов солей бария и борной кислоты.

Недостатками способа являются многостадийность процесса, включающего стадии кристаллизации, фильтрации и промывки продукта, наличие сточных растворов, большая продолжительность и энергоемкость процесса.

Известен способ синтеза боратов металлов в "сгущенном слое" (а.с. СССР N471302, МКИ: C 01 B 35/00), сущность которого заключается в проведении процесса в ограниченном количестве воды при комнатной температуре путем добавки соответствующего оксида или карбоната металла к водной суспензии борной кислоты. Этот способ позволяет исключить стадии кристаллизации, фильтрации и промывки продукта.

Недостатками способа являются использование воды и длительность процесса, равная не менее 4-х часов, а также консистенция (густая, комковатая, влажная масса) готового продукта, требующая длительной сушки.

Известен способ получения боратов бария (патент SU N 1834846, МКИ: C 01 B 35/12) путем взаимодействия увлажненной смеси борной кислоты и гидроксида бария, взятых в стехиометрических количествах при массовом соотношении смеси твердых компонентов и воды в следующих пределах (MeO+H₃BO₃):H₂O = 0,21 - 0,26, при перемешивании в течение 1,5 - 2,5 часов. Уменьшение количества задаваемой воды для синтеза боратов бария по сравнению с известным способом "сгущенного слоя" дает возможность получить за 1,5 - 2,5 часа рассыпчатый порошкообразный продукт. Недостатками данного способа являются значительная продолжительность синтеза и повышенный расход воды, что приводит к инкрустации поверхности лопастей и стенок смесителя из-за кристаллизации боратов бария из жидкой фазы.

Целью настоящего изобретения является упрощение метода и снижение себестоимости продукта.

Поставленная цель достигается тем, что в стехиометрическом соотношении смешивают гидроксид бария и борную кислоту, при этом первым в смеситель загружают твердый гидроксид бария и нагревают его до температуры 35 - 70^oC, перемешивают при этой температуре не менее 5 минут, после чего вводят твердую борную кислоту и перемешивают реакционную смесь не менее 55 минут. Оптимальная температура предварительного нагрева 35-45^oC, оптимальное время синтеза 55-65 мин.

Предложенный способ получения боратов бария отличается от прототипа следующими показателями:

1. Синтез осуществляют без добавления воды.

2. Первым (исходным компонентом) загружают в смеситель гидроксид бария.

3. Гидроксид бария подвергают кратковременному предварительному нагреву.

В известных способах жидкая фаза - вода вводится в процесс с растворами исходных компонентов или в виде водной суспензии борной кислоты, или смесь твердых веществ увлажняется водой.

Взаимодействие гидроксида бария с борной кислотой идет через жидкую фазу по реакции:

Ba(OH)₂8H₂O+6H₃BO₃--->BaO 3B₂O₃4H₂O+14H₂O

Согласно данной реакции поступающей с исходными компонентами воды достаточно для получения гексабората бария BaO3B₂O₃4H₂O и остаются свободными еще 14 молекул воды. Поэтому в данном изобретении вода не вводится, а используется свойство Ba(OH)₂8H₂O - гидроксида бария по мере нагревания плавится в своей кристаллизационной воде.

Экспериментально показано, что при введении в нагретую до температуры 70^oC и выдержанную при ней 5 минут твердую борную кислоту твердого гидроксида бария, смесь остается сухой, разогревания реакционной массы не происходит, что свидетельствует об отсутствии химической реакции.

При введении твердой борной кислоты при перемешивании в твердый гидроксид бария при температуре 25^oC результат аналогичен вышеуказанному.

Химическая реакция между гидроксидом бария и твердой борной кислотой происходит лишь при введении последней в предварительно нагретый гидроксид бария.

Гидроксид бария перед началом загрузки борной кислоты может иметь температуру 35-70^oC. Оптимальная температура предварительного нагрева гидроксида бария 35-45^oC, так как повышение температуры приводит к увеличению продолжительности операции и расходу электоэнергии и пара. При температуре гидроксида бария 75^oC и выше он начинает терять свою кристаллизационную воду, плавиться, покрывать стенки смесителя коркой, накапливаться в застойных зонах, от чего после загрузки в смеситель твердой борной кислоты не происходит равномерного смешения компонентов, что не позволяет получить стандартный продукт по ТУ 113-07-014-91.

Для достаточного увлажнения гидроксида бария необходим нагрев его в течение не менее 5 минут. При меньшей выдержке - 2 минуты и последующем перемешивании с борной кислотой в течение 60 минут не происходит саморазогревания реакционной массы, реакция происходит не полностью и конечный продукт, содержащий более 10% водорастворимых веществ, не соответствует ТУ.

Предварительный нагрев гидроксида бария в течение более 10 минут позволяет получить стандартный продукт, но нецелесообразно увеличивает продолжительность стадии и энергозатраты.

Для полного завершения реакции между гидроксидом бария и борной кислотой необходимо оптимальное время перемешивания реакционной массы 55-65 минут. При времени перемешивания 40 минут продукт содержит значительное количество водорастворимых веществ и не соответствует требованиям ТУ. Увеличение времени перемешивания свыше 60 минут нецелесообразно из-за возрастания энергозатрат и механических потерь продукта при пылеуносе.

Таким образом, в оптимальных условиях процесс получения боратов бария осуществляют следующим образом.

В предварительно нагретый до температуры 35-45^oC смеситель загружают твердый гидроксид бария и перемешивают его 5 минут для равномерного прогревания и увлажнения, после чего добавляют твердую борную кислоту и перемешивают смесь 60 минут. В процессе реакции происходит разогрев массы до 60^oC, масса меняется от вязкой пастообразной до рассыпчатого порошка. Получаемый продукт соответствует требованиям ТУ 113-07-014-91 и содержит B₂O₃ не менее 46,5%, BaO не менее 34% и водорастворимых веществ менее 10%.

Используя данный способ, можно получить гексаборат бария состава BaO3B₂O₃4H₂O и метаборат бария BaOB₂O₃H₂O.

Пример 1.

В предварительно нагретый до 35^oC смеситель загружают 17 кг твердого гидроксида бария, перемешивают его 5 минут и загружают 19,4 кг твердой борной кислоты. Массу перемешивают 60 минут. Продукт выгружают и сушат. Получают гексаборат состава BaO3B₂O₃4H₂O, соответствующий требованиям ТУ 113-07-014-91 с массовой долей B₂O₃ - 47,6%, BaO - 34,7% и количеством водорастворимых веществ - менее 10%.

Пример 2.

В предварительно нагретый до 35^oC смеситель загружают 19,4 кг твердой борной кислоты, перемешивают ее 5 минут и загружают 17 кг твердого гидроксида бария. Массу перемешивают 60 минут. Продукт содержит 17% водорастворимых веществ и не соответствует требованиям ТУ.

Пример 3.

В предварительно нагретый до 75^oC смеситель загружают 17 кг твердого гидроксида бария, перемешивают его 5 минут и загружают 19,4 кг твердой борной кислоты. Массу перемешивают 60 минут. Продукт содержит BaO - 31,6% и не соответствует требованиям ТУ.

Пример 4.

В предварительно нагретый до 35^oC смеситель загружают 17 кг твердого гидроксида бария, перемешивают его 20 минут и загружают 19,4 кг твердой борной кислоты. Массу перемешивают 60 минут. Получают гексаборат состава BaO3B₂O₃4H₂O, соответствующий требованиям ТУ 113-07-014-91, с массовой долей B₂O₃ - 47,3%, BaO - 34,5% и количеством водорастворимых веществ менее 10%.

Пример 5.

Аналогично примеру 1. Время перемешивания смеси реагентов 40 минут. Реакционная смесь представляет собой влажную творожистую массу. Продукт содержит 15,4% водорастворимых веществ и не соответствует требованиям ТУ.

Пример 6.

Аналогично примеру 1. Время перемешивания смеси реагентов 70 минут. Продукт содержит B₂O₃ - 46,9%, BaO - 34,2%, количество водорастворимых веществ - менее 10% и соответствует ТУ. Продукт пылит, что увеличивает механические потери его.

Пример 7.

Аналогично примеру 1. Температура предварительного прогрева смесителя и гидроксида бария 25^oC. Продукт содержит водорастворимых веществ 42% и не соответствует ТУ.

Пример 8.

В предварительно нагретый до 35^oC смеситель загружают 17 кг твердого гидроксида бария, перемешивают его 2 минуты и загружают 19,4 кг твердой борной кислоты. Массу перемешивают 60 минут.

Продукт содержит водорастворимых веществ 32% и не соответствует ТУ.

Пример 9.

В предварительно нагретый до 70^oC смеситель загружают 17 кг твердого гидроксида бария, перемешивают его 5 минут и загружают 19,4 кг твердой борной кислоты. Массу перемешивают 60 минут. Продукт выгружают и сушат. Получают гексаборат состава BaO3B₂O₃4H₂O, соответствующий требованиям ТУ 113-07-014-91, с массовой долей B₂O₃ - 47,5%, BaO - 34,7% и количеством водорастворимых веществ менее 10%.

Пример 10.

В предварительно нагретый до 35^oC смеситель загружают 10,2 кг твердого гидроксида бария, перемешивают его 5 минут и загружают 4 кг твердой борной кислоты. Массу перемешивают 60 минут. Продукт выгружают и сушат. Получают метаборат состава BaOB₂O₃ H₂O с массовой долей B₂O₃ не менее 28,8%.

Пример 11.

В предварительно нагретый до 35^oC смеситель загружают 4 кг твердой борной кислоты, перемешивают ее 5 минут и загружают 10,2 кг твердого гидроксида бария. Массу перемешивают 60 минут. Взаимодействия между твердыми веществами не происходит, о чем говорит высокое содержание (25%) водорастворимых веществ в конечной пробе смеси.

Пример 12.

Аналогично примеру 10. Продолжительность синтеза 40 минут. Реакционная масса содержит 30% водорастворимых веществ, что свидетельствует о неполном взаимодействии исходных компонентов.

Результаты экспериментов, описанных в примерах 1-12 и демонстрирующих влияние заявляемых параметров на достижение поставленной цели, приведены в таблице.