способ получения жидкого стекла из силиката натрия

Формула изобретения

Способ получения жидкого стекла из силиката натрия, включающий взаимодействие принудительно циркулируемого в замкнутом контуре водосодержащего потока с потоком расплава силиката натрия, имеющего силикатный модуль - молярное отношение SiO₂:Na ₂O=2,3-3,7, обогащение циркулируемого водосодержащего потока силикатом натрия до заданной концентрации и образования потока силикатосодержащего полупродукта, состоящего из силикатосодержащей жидкой фазы и твердой фазы, представляющей собой твердые стеклообразные частично гидратированные зерна силиката натрия, отличающийся тем, что принудительно циркулируемому в замкнутом контуре водосодержащему потоку придают скорость от 80 до 170 м/с, с которой он вступает во взаимодействие с потоком расплава силиката натрия, а также направление движения, совпадающее по направлению с движением потока расплава силиката натрия, но под углом к нему от 20 до 40°, отношение массового расхода водосодержащего потока к массовому расходу потока расплава силиката натрия составляет от 5 до 15, образующиеся твердые стеклообразные частично гидратированные зерна силиката натрия имеют средний диаметр не более 70 мкм и выходят из зоны контакта водосодержащего потока с потоком расплава силиката натрия со скоростью не менее 80 м/с, а температуру циркулируемого в замкнутом контуре силикатосодержащего полупродукта обеспечивают от 90 до 105°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производственных технологий получения жидкого стекла, а именно к способам производства из силиката натрия его водного раствора (натриевого жидкого стекла), который имеет широкое применение в качестве вяжущего, добавки или реагента в самых различных областях: от металлургии и строительства до бытовой химии.

Под растворимыми стеклами понимают твердые водорастворимые стекловидные силикаты натрия и калия, характеризующиеся определенным содержанием и соотношением оксидов М₂ О и SiO₂, где М - это Na и К, а молярное отношение SiO₂/M₂O составляет 2,6-3,5 при содержании SiO₂ 69-76 мас.% для натриевого стекла и 65-69 мас.% - для калиевого стекла.

Основным способом промышленного производства жидкого стекла является автоклавное растворение в воде щелочно-силикатных твердых стекол (растворимого стекла - силикат-глыбы) состава Na₂O·SiO₂ , К₂О·nSiO₂ и К₂O·Na ₂O·SiO₂ (дуплекс-процесс). Однако развитие технологий способствует разработке новых технических решений в данной области.

Известен способ получения жидкого стекла (патент РФ № 2049060, 1995), по которому его получают путем взаимодействия кварцевого песка, предварительно измельченного до дисперсности с удельной поверхностью 7000-49000 см²/г, с гидроксидом щелочного металла, взятого с концентрацией 12-47 мас.% при 115-250°С и давлении 0.25-8 МПа. Полученное жидкое стекло имеет плотность 1,2-1,55 г/см³ и силикатный модуль - молярное отношение SiO₂/Na₂O 1-4,2.

Недостатком данного способа являются высокое рабочее давление, требующее качественно иного подхода к проектированию и изготовлению автоклава-реактора, усложненный из-за необходимости предварительного измельчения кремнеземсодержащего компонента технологический процесс.

Известен способ получения жидкого стекла (патент РФ №2132817, 1999), включающий взаимодействие кремнеземсодержащего компонента с раствором гидроксида натрия при повышенных температуре и давлении в автоклаве с принудительным перемешиванием, отличающийся тем, что используют кремнеземсодержащий материал с дисперсностью 1000-7000 см²/г, раствор гидроксида натрия с концентрацией 34-36% (мас.) при молярном соотношении SiO₂:Na₂ О 2-3,5, процесс ведут в течение 30-60 мин при 170-190°С, давлении в автоклаве соответственно 0,8-1,2 МПа, полученный продукт остаточным давлением вытесняют из автоклава и интенсивно перемешивают с водой, взятой при температуре 40-90°С.

Недостатком данного двустадийного способа является трудоемкий и энергоемкий технологический процесс.

Известен способ получения жидкого стекла и реактор для получения жидкого стекла (патент РФ №2133715, 1999). Получение жидкого стекла проводят растворением силикат-глыбы в воде при нагревании и импульсном облучении реакционной массы микроволновым полем с плотностью энергии 0,6-4,5 кВт/см² . Процесс проводят в реакторе для получения жидкого стекла.

Известен способ получения жидкого стекла и реактор для получения жидкого стекла (патент РФ №2154024, 2000). Сущность изобретения заключается в способе получения жидкого стекла, который включает приготовление суспензии, подачу суспензии со скоростью 3-5 м/с на подогрев, ее подогрев, синтез жидкого стекла, охлаждение и слив жидкого стекла, при этом суспензию до подачи на синтез подогревают рекуперационным теплом сливаемого жидкого стекла.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ получения натриевого жидкого стекла из силиката натрия, имеющего силикатный модуль - молярное отношение SiO₂:Na ₂O=2,3-3,7, согласно которому предусматривают непосредственное взаимодействие водосодержащего потока, принудительно циркулируемого в замкнутом контуре, с потоком расплава силиката натрия и этим обеспечивают постепенное обогащение циркулируемого потока силикатом натрия до заданной концентрации, образуют в результате упомянутого выше взаимодействия циркулируемый в замкнутом контуре поток силикатосодержащего полупродукта, состоящего из силикатосодержащей жидкой фазы и твердой фазы, представляющей собой твердые стеклообразные частично гидратированные зерна силиката натрия, имеющие размеры от 300 до 2000 мкм, отделяют зерна силиката натрия от жидкой силикатосодержащей фазы полупродукта, выполняют другие операции, включая и операцию растворения извлеченных зерен силиката натрия с получением в результате целевого продукта - натриевого жидкого стекла (М.А.Матвеев // "Растворимость стеклообразных силикатов натрия". - Государственное издательство литературы по строительным материалам. - М. - 1957. - С.66-74).

Этот способ получения жидкого стекла из силиката натрия наиболее близок к заявляемому по совокупности существенных признаков и принят в качестве прототипа.

Недостатком способа-прототипа, ухудшающим его технологические характеристики, является используемый режим взаимодействия водосодержащего потока с потоком расплава силиката натрия, при котором образуются сравнительно крупные твердые стеклообразные, частично гидратированные зерна силиката натрия, покрытые образующимися при их гидратации пленками из коллоидного кремнезема, тормозящими растворение зерен, и в связи с этим необходимость выполнения дополнительной операции отделения этих зерен силиката натрия от жидкой фазы для последующего их растворения в определенном режиме с получением целевого продукта - натриевого жидкого стекла.

Задача изобретения - улучшение технологических характеристик способа получения жидкого стекла из силиката натрия.

Поставленная задача решается тем, что способ получения жидкого стекла из силиката натрия включает взаимодействие принудительно циркулируемого в замкнутом контуре водосодержащего потока с потоком расплава силиката натрия, имеющего силикатный модуль - молярное отношение SiO₂:Na₂О=2,3-3,7, обогащение циркулируемого водосодержащего потока силикатом натрия до заданной концентрации и образования потока силикатосодержащего полупродукта, состоящего из силикатосодержащей жидкой фазы и твердой фазы, представляющей собой твердые стеклообразные частично гидратированные зерна силиката натрия, при этом принудительно циркулируемому в замкнутом контуре водосодержащему потоку придают скорость от 80 до 170 м/с, с которой он вступает во взаимодействие с потоком расплава силиката натрия, а также направление движения, совпадающее по направлению с движением потока расплава силиката натрия, но под углом к нему от 20° до 40°, отношение массового расхода водосодержащего потока к массовому расходу потока расплава силиката натрия составляет от 5 до 15, образующиеся твердые стеклообразные частично гидратированные зерна силиката натрия имеют средний диаметр не более 70 мкм и выходят из зоны контакта водосодержащего потока с потоком расплава силиката натрия со скоростью не менее 80 м/с, а температуру циркулируемого в замкнутом контуре силикатосодержащего полупродукта обеспечивают от 90°С до 105°С.

Технический результат, получаемый в результате использования заявляемого способа получения жидкого стекла из силиката натрия, состоит в том, что предусматривают такой режим взаимодействия водосодержащего потока с потоком расплава силиката натрия, который предопределяет образование сравнительно более мелких твердых стеклообразных частично гидратированных зерен силиката натрия, движущихся с высокой скоростью и обладающих свойствами, обеспечивающими их быстрое и полное растворение в циркулируемом потоке силикатосодержащего полупродукта с превращением этим его в целевой продукт - натриевое жидкое стекло. В связи с этим отпадает необходимость выполнения операции отделения зерен силиката натрия от жидкой фазы для их последующего растворения и сокращается время технологического процесса. Силикатный модуль смеси (или молярное соотношение SiO₂:Na₂ О=2,3-3,7) является оптимальным, так как в растворе конечного продукта с модулем менее 2,3 находится слишком большое количество свободной щелочи, ухудшающей потребительские качества жидкого стекла, при использовании молярного соотношения более 3,7 резко возрастает количество непрореагировавших частиц, а также коллоидного кремнезема, скачкообразно увеличивая тем самым плотность и вязкость выходящего из автоклава продукта. Таким образом, режим осуществления заявляемого способа выбран оптимальным. Составляющие новых технических приемов в совокупности позволяют получать жидкое стекло с заданными конечными свойствами - концентрацией и плотностью, что практически неосуществимо при получении жидкого стекла известными способами. При выходе за границы режима не достигается технический результат, а именно стабильность и улучшение свойств получаемого конечного продукта, увеличение скорости растворения гидратированных зерен силиката натрия, сокращение времени технологического процесса.

В способе получения натриевого жидкого стекла из силиката натрия, имеющего силикатный модуль - молярное отношение SiO ₂:Na₂O=2,3-3,7, предусматривают непосредственное взаимодействие водосодержащего потока принудительно циркулируемого в замкнутом контуре, с потоком расплава силиката натрия и этим обеспечивают постепенное обогащение циркулируемого потока силикатом натрия до заданной концентрации. Образуют в результате упомянутого выше взаимодействия циркулируемый в замкнутом контуре поток силикатосодержащего полупродукта, состоящего из силикатосодержащей жидкой фазы и твердой фазы, представляющей собой твердые стеклообразные частично гидратированные зерна силиката натрия, при этом водосодержащему потоку придают скорость, с которой он вступает в контакт с потоком расплава силиката натрия от 80 до 170 м/с, а также направление движения, совпадающее по направлению с движением потока расплава силиката натрия, но под углом к нему от 20° до 40°. Отношение массового расхода водосодержащего потока, вводимого в контакт с потоком расплава силиката натрия, к массовому расходу потока расплава силиката натрия обеспечивают от 5 до 15. Образующиеся твердые стеклообразные частично гидратированные зерна силиката натрия, имеющие средний диаметр не более 70 мкм, выходят из зоны контакта водосодержащего потока с потоком расплава силиката натрия со скоростью не менее 80 м/с, исключающей возможность тормозящего воздействия на растворение зерен пленок из коллоидного кремнезема, образующихся при гидратации зерен. Обеспечивают температуру циркулируемого в замкнутом контуре силикатосодержащего полупродукта от 90 до 105°С, тем самым полностью растворяют зерна силиката натрия за период времени от момента их образования по большей мере 9 минут и этим превращают циркулируемый в замкнутом контуре силикатосодержащий полупродукт в целевой продукт - натриевое жидкое стекло заданной концентрации, которую, при необходимости, корректируют дополнительным вводом воды с учетом испарившейся.

Пример 1

Необходимо приготовить 1000 кг жидкого стекла, имеющего силикатный модуль 2,3, концентрацию силиката натрия 35 мас.%, плотность 1,39 кг/л. Исходные вещества: вода, расплав силиката натрия.

Характеристика исходной воды: масса 744 кг (заливают в емкость замкнутого циркуляционного контура); температура 20°С.

Характеристика исходного расплава силиката натрия: масса 350 кг; температура 950°С; силикатный модуль 2,3.

Характеристика режима приготовления жидкого стекла:

- массовый расход принудительно циркулируемого потока воды (водосодержащего потока) 29,5 кг/мин;

- скорость циркулируемого потока воды (водосодержащего потока) в зоне контакта с потоком расплава 80 м/с;

- массовый расход потока расплава силиката натрия 5,9 кг/мин;

- отношение массовых расходов: 29,5:5,9=5;

- угол между направлением движения потока расплава и попутным ему направлением движения водосодержащего потока 20°;

- средний диаметр зерен силиката натрия 50 мкм;

- скорость зерен силиката натрия при их выходе их зоны контакта потоков 80 м/с;

- время принудительной циркуляции силикатосодержащего полупродукта после завершения ввода расплава силиката натрия 5,7 мин;

- температура силикатосодержащего полупродукта, циркулируемого в замкнутом контуре, 90°С;

- масса испарившейся воды 94 кг;

- общее время приготовления 1000 кг жидкого стекла 65 мин.

Пример 2

Необходимо приготовить 1000 кг жидкого стекла, имеющего силикатный модуль 3,7, концентрацию силиката натрия 35 масс.%, плотность 1,29 кг/л. Исходные вещества: вода, расплав силиката натрия.

Характеристика исходной воды: масса 747 кг (заливают в емкость замкнутого циркуляционного контура); температура 20°С.

Характеристика исходного расплава силиката натрия: масса 350 кг; температура 1000°С; силикатный модуль 3,7.

Характеристика режима приготовления жидкого стекла:

- массовый расход принудительно циркулируемого потока воды (водосодержащего потока) 88,5 кг/мин;

- скорость циркулируемого потока воды (водосодержащего потока) в зоне контакта с потоком расплава 170 м/с;

- массовый расход потока расплава силиката натрия 5,9 кг/мин;

- отношение массовых расходов: 88,5:5,9=15;

- угол между направлением движения потока расплава и попутным ему направлением движения водосодержащего потока 40°;

- средний диаметр зерен силиката натрия 27 мкм;

- скорость зерен силиката натрия при их выходе их зоны контакта потоков 120 м/с;

- время принудительной циркуляции силикатосодержащего полупродукта после завершения ввода расплава силиката натрия 8,7 мин;

- температура силикатосодержащего полупродукта, циркулируемого в замкнутом контуре, 105°С;

- масса испарившейся воды 97 кг;

- общее время приготовления 1000 кг жидкого стекла 68 мин.

Заявляемый способ получения жидкого стекла из силикатов натрия дает возможность получить конечный продукт, обладающий заданными и стабильными свойствами (концентрация, плотность), повышает скорость растворения гидратированных зерен силиката натрия и сокращает время технологического процесса. Его использование в опытном производстве подтвердило работоспособность, эффективность и высокое качество получаемого жидкого стекла.