RU2840265C1 - Dosing device for supplying liquid reagents into reactor for producing micronised silica gel for toothpastes - Google Patents
Dosing device for supplying liquid reagents into reactor for producing micronised silica gel for toothpastes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2840265C1 RU2840265C1 RU2024138959A RU2024138959A RU2840265C1 RU 2840265 C1 RU2840265 C1 RU 2840265C1 RU 2024138959 A RU2024138959 A RU 2024138959A RU 2024138959 A RU2024138959 A RU 2024138959A RU 2840265 C1 RU2840265 C1 RU 2840265C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- dosing device
- reactor
- sprinklers
- tubular body
- liquid reagents
- Prior art date
Links
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 50
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 45
- 229910002055 micronized silica Inorganic materials 0.000 title description 7
- 239000000606 toothpaste Substances 0.000 title description 4
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 title 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 29
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910052910 alkali metal silicate Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 235000019353 potassium silicate Nutrition 0.000 claims description 10
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 10
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 9
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000007373 indentation Methods 0.000 claims description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 30
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 abstract description 21
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 16
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 abstract description 10
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 abstract description 10
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 abstract description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000003889 chemical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 23
- 239000003456 ion exchange resin Substances 0.000 description 18
- 229920003303 ion-exchange polymer Polymers 0.000 description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 description 18
- NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 1,2-bis(ethenyl)benzene;1-ethenyl-2-ethylbenzene;styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1.CCC1=CC=CC=C1C=C.C=CC1=CC=CC=C1C=C NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 8
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 7
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 7
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 6
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 5
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 4
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 4
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 4
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 4
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 description 3
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003082 abrasive agent Substances 0.000 description 2
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000003113 alkalizing effect Effects 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 230000003472 neutralizing effect Effects 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 239000012429 reaction media Substances 0.000 description 2
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 229940034610 toothpaste Drugs 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 239000007832 Na2SO4 Substances 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 1
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000008346 aqueous phase Substances 0.000 description 1
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 1
- 235000013405 beer Nutrition 0.000 description 1
- 235000013361 beverage Nutrition 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000003729 cation exchange resin Substances 0.000 description 1
- 229920001429 chelating resin Polymers 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000008395 clarifying agent Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940075614 colloidal silicon dioxide Drugs 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000002537 cosmetic Substances 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000003298 dental enamel Anatomy 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 1
- MYRTYDVEIRVNKP-UHFFFAOYSA-N divinylbenzene Substances C=CC1=CC=CC=C1C=C MYRTYDVEIRVNKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008157 edible vegetable oil Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000001879 gelation Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000006224 matting agent Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229920000193 polymethacrylate Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000000518 rheometry Methods 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
- 230000009974 thixotropic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000108 ultra-filtration Methods 0.000 description 1
- 235000014101 wine Nutrition 0.000 description 1
Abstract
Description
ОписаниеDescription
Настоящее изобретение относится к области химической технологии в частности к дозирующему устройству для подачи жидких реагентов, в частности растворов силикатов щелочных металлов, в реактор образования силиказоля.The present invention relates to the field of chemical technology, in particular to a dosing device for feeding liquid reagents, in particular solutions of alkali metal silicates, into a silica sol formation reactor.
Микронизированные силикагели могут быть использованы в самых различных областях техники, например, в качестве адсорбентов различных газов или жидкостей, в качестве стабилизирующего либо осветляющего агента в пиве, вине, напитках либо съедобных маслах, в качестве матирующего агента и наполнителя в красках и покрытиях, в качестве носителя при производстве катализаторов, в качестве носителя для действующих веществ в косметической либо фармацевтической промышленностях, а также в качестве агента против слёживания при производстве порошкообразных веществ.Micronized silica gels can be used in a wide variety of technical fields, such as adsorbents for various gases or liquids, as a stabilizing or clarifying agent in beer, wine, beverages or edible oils, as a matting agent and filler in paints and coatings, as a carrier in the production of catalysts, as a carrier for active substances in the cosmetic or pharmaceutical industries, and as an anti-caking agent in the production of powdered substances.
Кроме того микронизированные силикагели повсеместно применяются в качестве абразивного материала в зубной пасте, поскольку оказывают умеренное абразивное воздействие, эффективно очищая зубы, не повреждая их эмаль. Помимо этого, микронизированные силикагели обладают загущающим воздействием на составы зубных паст, придавая тиксотропные свойства.In addition, micronized silica gels are widely used as an abrasive material in toothpaste, since they have a moderate abrasive effect, effectively cleaning teeth without damaging their enamel. In addition, micronized silica gels have a thickening effect on toothpaste compositions, imparting thixotropic properties.
Одним из наиболее активно используемых подходов для получения микронизированных силикагелей является подход, основанный на золь-гель технологии, согласно данному подходу процесс получения разделяют на два этапа:One of the most actively used approaches for obtaining micronized silica gels is the approach based on sol-gel technology, according to this approach the production process is divided into two stages:
получение стабилизированных силиказолей, а затемobtaining stabilized silica sols, and then
получение из силиказолей микронизированных силикагелей.obtaining micronized silica gels from silica sols.
Стабилизированные силиказоли - водные золи кремниевой кислоты, т.е. жидкое вещество, представляющее собой дисперсию с дискретными частицами аморфного кремнезема в качестве дисперсной фазы и слабощелочного водного раствора в качестве дисперсионной среды, способные не терять своих свойств в течение длительного времени.Stabilized silica sols are aqueous sols of silicic acid, i.e. a liquid substance that is a dispersion with discrete particles of amorphous silica as a dispersed phase and a weakly alkaline aqueous solution as a dispersion medium, capable of not losing their properties over a long period of time.
При получении стабилизированного силиказоля, устойчивого в течение нескольких месяцев, в основном, применяется метод конверсии силикатов щелочных металлов. Этот метод обычно включает две основных стадии: стадию конверсии метасиликата щелочного металла, например натрия, в коллоидальный раствор кремниевой кислоты и его стабилизацию, а также стадию концентрирования промежуточного коллоидального раствора до стабильного золя.In obtaining stabilized silica sol stable for several months, the alkali metal silicate conversion method is mainly used. This method usually includes two main stages: the stage of converting an alkali metal metasilicate, such as sodium, into a colloidal silicic acid solution and stabilizing it, and the stage of concentrating the intermediate colloidal solution to a stable sol.
Стадия конверсии метасиликата щелочного металла осуществляется либо посредством кислотной нейтрализации [JP 6-48422], либо ионообмена [WO 2005097678 A1], с последующей стабилизацией щелочным раствором.The conversion stage of the alkali metal metasilicate is carried out either by acid neutralization [JP 6-48422] or by ion exchange [WO 2005097678 A1], followed by stabilization with an alkaline solution.
Стадия концентрирования коллоидального раствора также может быть реализована различными методами, например, упариванием [RU 2078036, SU 1452789], или ультрафильтрацией [RU 2380315].The stage of concentration of the colloidal solution can also be implemented by various methods, for example, by evaporation [RU 2078036, SU 1452789], or ultrafiltration [RU 2380315].
Как можно видеть, поиску решений проблем, возникающих при реализации получения силиказолей, в данной области техники посвящено большое количество патентной литературы, но при этом большинство работ направлено на разработку новых способов получения силиказолей или оптимизации условий получения уже известных способов, и крайне мало в уровне технике документов, касающихся улучшения аппаратной части устройств, используемых для получения силиказолей.As can be seen, a large amount of patent literature in this area of technology is devoted to finding solutions to problems that arise during the production of silica sols, but most of the work is aimed at developing new methods for producing silica sols or optimizing the conditions for obtaining already known methods, and there are very few documents in the state of the art concerning the improvement of the hardware of devices used to produce silica sols.
Так, например, в авторском свидетельстве SU 1452789 описан способ получения стабилизированных силиказолей включающих стадию ионообменной конверсии силиката натрия в поликремниевую кислоту с последующей стабилизацией ее раствором щелочи, например гидроокиси натрия до молярного соотношения SiO2/Na2O, равного 20:40, и кипячением золя при постоянном добавлении золя-питателя со скоростью 10,22 л/ч и упариваемом при скорости испарения влаги на уровне 20 л/ч. Однако никаких подробностей технологического оборудования в данном документе не приводится.For example, the author's certificate SU 1452789 describes a method for obtaining stabilized silica sols, including a stage of ion-exchange conversion of sodium silicate into polysilicic acid, followed by its stabilization with an alkali solution, such as sodium hydroxide, to a molar ratio of SiO 2 /Na 2 O equal to 20:40, and boiling the sol with constant addition of a feeder sol at a rate of 10.22 l/h and evaporated at a moisture evaporation rate of 20 l/h. However, no details of the process equipment are provided in this document.
В международной заявке WO 2005097678 A1 предложен способ получения водного золя на основе диоксида кремния, согласно которому в реакторе смешивают катионную ионообменную смолу с водным силикатом щелочного металла для образования водной взвеси с последующим ее перемешиванием, а затем отделяют указанную ионообменную смолу от водной фазы.In international application WO 2005097678 A1, a method for producing an aqueous sol based on silicon dioxide is proposed, according to which a cationic ion-exchange resin is mixed with an aqueous alkali metal silicate in a reactor to form an aqueous suspension, followed by mixing it, and then separating the said ion-exchange resin from the aqueous phase.
Российский патент RU 2213053 описывает способ получения водного золя, содержащего частицы на основе диоксида кремния. Способ включает: (а) подкисление водного раствора силиката до рН от 1 до 4, (b) подщелачивание кислотного золя при содержании SiO2 в диапазоне от 4,5 до 8 мас.%, (с) обеспечение роста частиц щелочного золя в течение, по крайней мере, 10 минут или тепловую обработку щелочного золя при температуре не менее 30°С, (d) подщелачивание полученного золя до рН не менее 10,0, (е) необязательное концентрирование золя, полученного в соответствии со стадиями (b), (с) или (d), при этом золь имеет удельную поверхность, по крайней мере, 90 м2/г. Никаких подробностей технологического оборудования в данном документе не раскрывается.Russian patent RU 2213053 describes a method for producing an aqueous sol containing silicon dioxide-based particles. The method comprises: (a) acidifying an aqueous solution of silicate to a pH of 1 to 4, (b) alkalizing the acidic sol with a SiO 2 content in the range of 4.5 to 8 wt.%, (c) allowing the alkali sol particles to grow for at least 10 minutes or heat treating the alkali sol at a temperature of at least 30°C, (d) alkalizing the resulting sol to a pH of at least 10.0, (e) optionally concentrating the sol obtained in accordance with steps (b), (c) or (d), wherein the sol has a specific surface area of at least 90 m 2 /g. No details of the process equipment are disclosed in this document.
В научной статье Saori Kikuchi et al. (Journal of the Society of Rheology, 2010, V. 38, N. 4-5, pp. 209-214) предложен способ получения силиказоля посредством нейтрализации разбавленного раствора силиката натрия серной кислотой с использованием реактора Y-формы, который состоит из линии подачи разбавленной серной кислоты (A) и линии подачи раствора силиката натрия (B), причем каждая линия содержит резервуар, нанос и расходомер, реагенты из каждой линии с помощью насоса подаются с определенной скоростью (дозированно) и поступают в один узел, где протекает синтез силиказоля.In the scientific article by Saori Kikuchi et al. (Journal of the Society of Rheology, 2010, Vol. 38, No. 4-5, pp. 209-214), a method for producing silica sol by neutralizing a dilute sodium silicate solution with sulfuric acid using a Y-shaped reactor, which consists of a dilute sulfuric acid feed line (A) and a sodium silicate solution feed line (B), each line containing a reservoir, a pump, and a flow meter, the reagents from each line are fed at a certain rate (in a dosed manner) using a pump and enter one unit, where the synthesis of silica sol takes place.
Однако для конкретных применений стабилизированных силиказолей бывает чрезвычайно важно обеспечить жестко регламентированные характеристики продукта, строго воспроизводимые для всех партий при промышленном масштабе производства. К таким характеристикам можно отнести узкое распределение частиц по размерам, заданный средний размер частиц, содержание по диоксиду кремния и монодисперсность.However, for specific applications of stabilized silica sols, it is often critical to ensure tightly controlled product characteristics that are reproducible for all batches at industrial scale. These characteristics include a narrow particle size distribution, a given average particle size, silica content, and monodispersity.
Как выяснили авторы данного изобретения помимо соблюдения необходимых технологических режимов, на указанные характеристики сильное влияние может оказывать конкретная реализация аппаратной части оборудования для получения силиказолей.As the authors of this invention found out, in addition to observing the necessary technological regimes, the specified characteristics can be strongly influenced by the specific implementation of the hardware of the equipment for obtaining silica sols.
В частности для получения микронизированных силикагелей, пригодных для применения в качестве абразивного материала в зубных пастах, стабилизированные силиказоли должны обладать максимально узким распределением частиц по размерам и средним размером частиц в диапазоне от 5 до 20 нм. Такие характеристики силиказолей могут быть достижимы только при максимально равномерном распределении исходных реагентов по реакционному объему в момент начала золеобразования и роста частиц золя, чтобы обеспечить одновременное зародышеобразование во всем реакционном объеме и исключить неравномерный рост частиц золя. При стандартной конструкции реактора образования стабильного золя скорость перемешивающего устройства ограничивается 50 об./мин, поскольку на более высоких скоростях, обеспечивающих режим, близкий к идеальному смешению, т.е. одновременное зародышеобразование и равномерный дальнейший рост при смене условий в реакторе, происходит разрушение наночастиц диоксида кремния. Поэтому скорость перемешивающего устройства реакторе образования стабильного золя допускается только в диапазоне 40+-5 об./мин., однако при данной скорости для обеспечения благоприятных условий для зародышеобразования и роста должна обеспечиваться максимально равномерная подача силиката щелочного металла.In particular, to obtain micronized silica gels suitable for use as an abrasive material in toothpastes, stabilized silica sols should have the narrowest possible particle size distribution and an average particle size in the range from 5 to 20 nm. Such characteristics of silica sols can only be achieved with the most uniform distribution of the initial reagents throughout the reaction volume at the start of sol formation and sol particle growth in order to ensure simultaneous nucleation throughout the reaction volume and eliminate uneven growth of sol particles. With a standard design of a stable sol formation reactor, the speed of the mixing device is limited to 50 rpm, since at higher speeds, which provide a regime close to ideal mixing, i.e. simultaneous nucleation and uniform further growth when changing conditions in the reactor, the destruction of silicon dioxide nanoparticles occurs. Therefore, the speed of the mixing device in the stable sol formation reactor is allowed only in the range of 40+-5 rpm, however, at this speed, in order to ensure favorable conditions for nucleation and growth, the most uniform supply of alkali metal silicate must be ensured.
В патенте ФРГ DE 4033876 A1 раскрывается устройство для получения и/или обработки силиказоля с резервуаром для ионного обмена, оснащенным мешалкой, и резервуарами регенерации, отличающееся тем, что состоит из емкости для исходной смеси, резервуара с двойной рубашкой, имеющего цилиндрическую верхнюю часть и полуэллипсоидальное дно, и от 2 до 8 резервуаров для разделения и регенерации со свободным сливом в емкость для исходной смеси, которые размещаются на равном расстоянии вокруг и около оси емкости для приготовления загрузочной смеси, причем пространство рубашки резервуара с двойной рубашкой выполнено с возможностью нагрева и охлаждения, а внутреннее пространство выполнено с возможностью работы под давлением и вакуумом, в котором размещены суспендирующая мешалка и регулятор температуры, а также в крышке оборудованы входы для регенерированной ионообменной смолы и золя, а под крышкой установлена распределительная линия, проходящая по диаметру. Также в описании указывается, что для получения силиказоля в резервуар (реактор образования силиказоля) добавляют раствор жидкого стекла (раствор силиката щелочного металла). Таким образом в данном патенте описывается некая распределительная линия, проходящая по диаметру, однако не приводится никаких деталей реализации на практике данного устройства, а также не затрагивается проблема равномерного распределения исходных реагентов по реакционному объему в момент начала золеобразования и роста частиц золя и возможные варианты решения данной проблемы.German patent DE 4033876 A1 discloses a device for producing and/or processing silica sol with an ion exchange tank equipped with a stirrer and regeneration tanks, characterized in that it consists of a tank for the initial mixture, a tank with a double jacket having a cylindrical upper part and a semi-ellipsoidal bottom, and from 2 to 8 tanks for separation and regeneration with a free drain into the tank for the initial mixture, which are placed at an equal distance around and near the axis of the tank for preparing the loading mixture, wherein the space of the jacket of the tank with a double jacket is designed with the possibility of heating and cooling, and the inner space is designed with the possibility of working under pressure and vacuum, in which a suspending stirrer and a temperature regulator are located, and inlets for regenerated ion exchange resin and sol are equipped in the lid, and a distribution line is installed under the lid, passing along the diameter. The description also states that in order to obtain silica sol, a liquid glass solution (alkali metal silicate solution) is added to the reservoir ( silica sol formation reactor ). Thus, this patent describes a certain distribution line running along the diameter, but does not provide any details on the practical implementation of this device, nor does it address the problem of uniform distribution of the initial reagents throughout the reaction volume at the start of sol formation and growth of sol particles and possible solutions to this problem.
Из китайского патента на полезную модель CN 205048153 U известно устройство распыления криогенного резервуара для хранения, которое включает: криогенный резервуар для хранения (например, этилена); верхнее распылительное кольцо; распылительный порт с множеством отверстий для распыления; трубопровод распылительной воды; кронштейн распылительной системы, при этом верхнее распылительное кольцо: представляет собой кольцевую конструкцию; расположено над криогенным резервуаром для хранения, окружает его и не контактирует с его корпусом; снабжено распылительным портом с множеством отверстий для распыления; соединено с входным отверстием трубопровода распылительной воды; соединено по меньшей мере с тремя кронштейнами распылительной системы, при этом отверстия для распыления предпочтительно открываются вниз. В данном патенте отсутствует какая-либо информация о задаче макимально равномерного распределения текучей среды и проблеме различного расхода в зависимости от удаления отверстий распыления от места ввода текучей среды в устройство распыления.A device for spraying a cryogenic storage tank is known from Chinese utility model patent CN 205048153 U, which includes: a cryogenic storage tank (for example, ethylene); an upper spray ring; a spray port with a plurality of spray holes; a spray water pipeline; a spray system bracket, wherein the upper spray ring: is an annular structure; is located above the cryogenic storage tank, surrounds it and does not contact its body; is provided with a spray port with a plurality of spray holes; is connected to the inlet of the spray water pipeline; is connected to at least three spray system brackets, wherein the spray holes preferably open downwards. This patent does not contain any information on the problem of maximally uniform distribution of the fluid and the problem of different flow rates depending on the distance of the spray holes from the point of introduction of the fluid into the spray device.
В патенте США US 9925511 B2 описано дозирующее устройство для введения в реактор получения поли(мет)акрилата раствора мономера по каплям, выполненное в форме по меньшей мере одного кольцевого канала. Данный кольцевой канал на своей нижней стороне имеет кольцевую капельную пластину с отверстиями или, альтернативно, несколько капельных пластин с отверстиями, каждая из которых выполнена в виде кольцевой секции. Отверстия в капельных пластинах сориентированы таким образом, что из отверстий расположенных посередине, предпочтительно по центральной линии кольцевой капельной пластины, раствор мономера выходит вниз параллельно к оси реактора, а из отверстий, расположенных по краям капельной пластины жидкость выходит под углом к оси реактора. В общем случае количество отверстий находится в диапазоне от 100 до 1000 отверстий/м2. В качестве технической задачи указано введение капель раствора мономера в реактор капельной полимеризации, при котором в значительной степени исключается слипание отдельных капель и, кроме того, капли по сечению реактора распределяются как можно более равномерно. Однако в данном патенте авторы не рассматривают проблему различного расхода реагентов в зависимости от удаления отверстий от места ввода жидкого реагента в дозирующее устройство, а также возможные пути решения данной проблемы.US Patent US 9925511 B2 describes a dosing device for introducing a monomer solution dropwise into a reactor for producing poly(meth)acrylate, which device is made in the form of at least one annular channel. This annular channel has an annular drip plate with openings on its lower side, or, alternatively, several drip plates with openings, each of which is made in the form of an annular section. The openings in the drip plates are oriented in such a way that from the openings located in the middle, preferably along the central line of the annular drip plate, the monomer solution exits downwards parallel to the reactor axis, and from the openings located at the edges of the drip plate the liquid exits at an angle to the reactor axis. In general, the number of openings is in the range from 100 to 1000 openings/m 2 . The technical problem indicated is introducing droplets of monomer solution into a drip polymerization reactor, in which case the sticking of individual drops is largely excluded and, in addition, the drops are distributed as uniformly as possible over the cross-section of the reactor. However, in this patent, the authors do not consider the problem of different reagent consumption depending on the distance of the holes from the point of introduction of the liquid reagent into the dosing device, as well as possible ways to solve this problem.
Таким образом, анализ известного уровня техники показал, что на данный момент отсутствуют какие-либо технические решения для процессов получения стабильных силиказолей позволяющих осуществлять максимально равномерное распределение исходных реагентов по реакционному объему в момент начала золеобразования и роста частиц золя.Thus, an analysis of the known level of technology has shown that at the present time there are no technical solutions for the processes of obtaining stable silica sols that allow for the most uniform distribution of the initial reagents throughout the reaction volume at the moment of the onset of sol formation and growth of sol particles.
Следовательно, перед авторами стояла задача в разработке дозирующего устройства для подачи жидких реагентов в устройствах получения стабилизированного силиказоля, обеспечивающее одновременное зародышеобразование и равномерный рост частиц золя во всем реакционном объеме и исключающее нежелательную агрегацию коллоидных частиц, чтобы гарантировать на выходе стабилизированные силиказоли, обладающие максимально узким распределением частиц по размерам и средним размером частиц в диапазоне от 5 до 20 нм.Therefore, the authors were faced with the task of developing a dosing device for feeding liquid reagents into devices for obtaining stabilized silica sol, ensuring simultaneous nucleation and uniform growth of sol particles throughout the entire reaction volume and eliminating undesirable aggregation of colloidal particles in order to guarantee stabilized silica sols at the output, having the narrowest possible particle size distribution and an average particle size in the range from 5 to 20 nm.
Поставленная задача была решена посредством создания нового дозирующего устройства для подачи жидких реагентов в реактор образования силиказоля, включающее металлический трубчатый корпус в виде разъединенного кольца с замкнутыми концами и единым внутренним пространством, патрубок поступления жидких реагентов в единое внутреннее пространство корпуса, расположенный на верхней части корпуса, и по меньшей мере 4 разбрызгивателя для введения в реактор жидких реагентов из единого внутреннего пространства корпуса, расположенных на нижней части корпуса вдоль центральной оси трубчатого корпуса с одинаковыми интервалами отступа друг от друга, причем диаметр поперечного сечения двух ближайших к патрубку поступления жидких реагентов разбрызгивателей меньше одинакового диаметра поперечного сечения всех остальных разбрызгивателей в 1,2-2 раза.The stated problem was solved by creating a new dosing device for feeding liquid reagents into a silica sol formation reactor, comprising a metal tubular body in the form of a disconnected ring with closed ends and a single internal space, a branch pipe for feeding liquid reagents into the single internal space of the body, located on the upper part of the body, and at least 4 sprinklers for introducing liquid reagents into the reactor from the single internal space of the body, located on the lower part of the body along the central axis of the tubular body at equal intervals of indentation from each other, wherein the cross-sectional diameter of the two sprinklers closest to the branch pipe for feeding liquid reagents is 1.2-2 times smaller than the same cross-sectional diameter of all other sprinklers.
Разработанное устройство является частью установки получения стабилизированного прямым способом силиказоля (D-золя, или золя прямой (Direct) стабилизации), и располагается внутри реактора образования стабильного золя.The developed device is part of a plant for producing directly stabilized silica sol (D-sol, or direct stabilization sol), and is located inside a reactor for the formation of a stable sol.
В реакторе образования золя происходит взаимодействие раствора силиката щелочного металла с ионнообменной смолой (ИОС) и в результате нейтрализации образуется стабильный силиказоль и отработанная ионнообменная смола. После золеобразования суспензия силиказоля и ИОС переносится из реактора образования золя в колонну разделения и регенерации, чтобы отделить готовый стабильный силиказоль (продукт) от ИОС и далее регенерировать ИОС для следующего цикла работы.In the sol formation reactor, the alkali metal silicate solution interacts with the ion exchange resin (IER), and as a result of neutralization, stable silica sol and spent ion exchange resin are formed. After sol formation, the suspension of silica sol and IER is transferred from the sol formation reactor to the separation and regeneration column to separate the finished stable silica sol (product) from the IER and then regenerate the IER for the next cycle of operation.
В процессе нейтрализации силиката щелочного металла в реакционном объеме формируется раствор кремниевой кислоты и под действием реакционных условий инициализируется процессы золеобразования и роста образованных частиц золя. На данные процессы влияет температура и значение рН, и от того насколько гомогенной будет реакционная среда сильно зависит конечный фракционный состав образующего силиказоля. Очевидно, что за гомогенность в реакционной среде в первую очередь будет отвечать интенсивность перемешивания, однако, как уже было сказано выше, при стандартной конструкции реактора скорость перемешивающего устройства ограничена 50 об/мин, поскольку на более высоких скоростях, происходит разрушение коллоидных наночастиц диоксида кремния. Поэтому при данной скорости перемешивания для обеспечения благоприятных условий для зародышеобразования и роста должна обеспечиваться максимально равномерная подача исходных реагентов, в частности силиката щелочного металла, поскольку по традиционной технологии ионообменные смолы изначально помещаются в реактор в полном объеме.During the neutralization of alkali metal silicate, a silicic acid solution is formed in the reaction volume and, under the action of reaction conditions, the processes of sol formation and growth of the formed sol particles are initialized. These processes are affected by temperature and pH, and the final fractional composition of the formed silica sol strongly depends on how homogeneous the reaction medium is. Obviously, the intensity of stirring will be primarily responsible for the homogeneity in the reaction medium, however, as has already been said above, with a standard reactor design, the speed of the stirring device is limited to 50 rpm, since at higher speeds, the destruction of colloidal silicon dioxide nanoparticles occurs. Therefore, at a given stirring speed, in order to ensure favorable conditions for nucleation and growth, the most uniform supply of the initial reagents, in particular alkali metal silicate, should be ensured, since according to traditional technology, ion-exchange resins are initially placed in the reactor in full.
Поэтому усилия авторов были направлены на максимальную оптимизацию дозирующего устройства для подачи исходных реагентов, чтобы обнаружить все возможные слабые места ранее применяемых дозирующих устройств и постараться устранить или по крайней мере минимизировать данные мешающие факторы.Therefore, the authors' efforts were aimed at maximally optimizing the dosing device for feeding the initial reagents in order to identify all possible weak points of previously used dosing devices and try to eliminate or at least minimize these interfering factors.
Согласно изобретению дозирующее устройство выполнено в форме металлического трубчатого корпуса в виде разъединенного кольца с замкнутыми концами и единым внутренним пространством. Причем дуга окружности разъединенного кольца согласно изобретению составляет от 270 до 315 °. Данная форма трубчатого корпуса позволяет охватить необходимый для введения исходного реагента периметр цилиндрического реактора и тоже время предоставить необходимый доступ для ревизии и ремонта внутренних устройств реактора. Кроме того такая форма позволяет исключить чрезмерные возмущения потока при смешивании двух разнонаправленных потоков в месте их соединения, как например в случае трубчатого корпуса в виде полного кольца.According to the invention, the dosing device is made in the form of a metal tubular body in the form of a disconnected ring with closed ends and a single internal space. Moreover, the arc of the circumference of the disconnected ring according to the invention is from 270 to 315 °. This form of the tubular body allows to cover the perimeter of the cylindrical reactor necessary for the introduction of the initial reagent and at the same time provide the necessary access for inspection and repair of the internal devices of the reactor. In addition, such a form allows to exclude excessive flow disturbances when mixing two differently directed flows at the point of their junction, as for example in the case of a tubular body in the form of a full ring.
Трубчатый корпус в виде разъединенного кольца с замкнутыми концами и единым внутренним пространством согласно изобретению может быть выполнен либо из единой изогнутой трубы, либо из нескольких трубчатых дуг, соединенных между собой посредством фланцевых соединений. Последний вариант является предпочтительным, поскольку позволяет осуществлять в случае необходимости частичный ремонт без демонтажа всего корпуса. Наиболее предпочтительно трубчатый корпус в виде разъединенного кольца выполнен из трех трубчатых дуг, соединенных между собой посредством фланцевых соединений.The tubular body in the form of a disconnected ring with closed ends and a single internal space according to the invention can be made either from a single curved pipe or from several tubular arcs connected to each other by means of flange connections. The latter variant is preferable, since it allows for partial repairs to be carried out, if necessary, without dismantling the entire body. Most preferably, the tubular body in the form of a disconnected ring is made from three tubular arcs connected to each other by means of flange connections.
Диаметр поперечного сечения трубчатого корпуса, как и диаметр разъединенного кольца, будет зависеть от общего размера установки и в частности от размера реактора образования стабильного золя. В предпочтительном варианте осуществления диаметр разъединенного кольца может составлять от 0,7 м до 3 м, а внутренний диаметр поперечного сечения трубчатого корпуса находится в диапазоне от 0,05 до 0,2 м.The diameter of the cross-section of the tubular body, as well as the diameter of the disconnected ring, will depend on the overall size of the plant and in particular on the size of the stable sol formation reactor. In a preferred embodiment, the diameter of the disconnected ring may be from 0.7 m to 3 m, and the internal diameter of the cross-section of the tubular body is in the range from 0.05 to 0.2 m.
В качестве металла, из которого выполнен трубчатый корпус в виде разъединенного кольца с замкнутыми концами, могут быть использованы хорошо известные специалисту в данной области техники металлы и/или сплавы, устойчивые к коррозии. Например, в качестве металла, из которого выполнен трубчатый корпус, может быть выбрана нержавеющая сталь коррозионностойких марок, такие как стали марки AISI 301, AISI 302, AISI 304 или AISI 316.The metal from which the tubular body in the form of a disconnected ring with closed ends is made can be metals and/or alloys that are resistant to corrosion, well known to a person skilled in the art. For example, corrosion-resistant stainless steel grades, such as AISI 301, AISI 302, AISI 304 or AISI 316 steel grades, can be selected as the metal from which the tubular body is made.
Согласно изобретению дозирующее устройство в форме металлического трубчатого корпуса в виде разъединенного кольца с замкнутыми концами включает также патрубок поступления жидких реагентов в единое внутреннее пространство корпуса, расположенный на верхней части корпуса. В предпочтительном варианте осуществления патрубок поступления жидких реагентов располагается на верхней части корпуса в точке, которая является серединой дуги окружности разъединенного кольца.According to the invention, the dosing device in the form of a metal tubular body in the form of a disconnected ring with closed ends also includes a branch pipe for the supply of liquid reagents into a single internal space of the body, located on the upper part of the body. In a preferred embodiment, the branch pipe for the supply of liquid reagents is located on the upper part of the body at a point that is the middle of the arc of the circumference of the disconnected ring.
В одном из вариантов осуществления внутренний диаметр поперечного сечения патрубка поступления жидких реагентов равен внутреннему диаметру поперечного сечения трубчатого корпуса.In one embodiment, the internal diameter of the cross-section of the liquid reagent supply pipe is equal to the internal diameter of the cross-section of the tubular body.
В другом варианте осуществления внутренний диаметр поперечного сечения патрубка поступления жидких реагентов меньше внутреннего диаметра поперечного сечения трубчатого корпуса.In another embodiment, the internal diameter of the cross-section of the liquid reagent supply pipe is smaller than the internal diameter of the cross-section of the tubular body.
Кроме того в одном из вариантов осуществления патрубок поступления жидких реагентов может быть оснащен фланцевым соединением для подключения линии подачи жидких реагентов.In addition, in one embodiment, the liquid reagent supply pipe may be equipped with a flange connection for connecting the liquid reagent supply line.
Согласно изобретению жидкий реагент, который подают с помощью дозирующего устройства согласно изобретению в реактор образования золя выбран из силикатов щелочных металлов, в частности натриевого жидкого стекла (НЖС).According to the invention, the liquid reagent, which is fed using the dosing device according to the invention into the sol formation reactor, is selected from alkali metal silicates, in particular sodium liquid glass (SWG).
Также согласно изобретению дозирующее устройство дополнительно включает кронштейны для крепления к корпусу реактора образования золя. Количество указанных кронштейнов предпочтительно зависит от диаметра разъединенного кольца трубчатого корпуса и может составлять от 2 до 8. Наиболее предпочтительно дозирующее устройство включает четыре кронштейна для крепления к корпусу реактора.Also according to the invention, the dosing device additionally includes brackets for fastening to the body of the sol formation reactor. The number of said brackets preferably depends on the diameter of the separated ring of the tubular body and can be from 2 to 8. Most preferably, the dosing device includes four brackets for fastening to the reactor body.
Также согласно изобретению в нижней части трубчатого корпуса дозирующего устройства располагаются по меньшей мере 4 разбрызгивателя для введения в реактор жидких реагентов из единого внутреннего пространства корпуса, причем разбрызгиватели располагаются вдоль центральной оси трубчатого корпуса с одинаковыми интервалами отступа от соседнего разбрызгивателя. Данные интервалы рассчитывают исходя из общей длины дуги трубчатого корпуса и общего количества разбрызгивателей, и могут быть легко определены специалистом в данной области техники.Also according to the invention, at least 4 sprinklers are located in the lower part of the tubular body of the dosing device for introducing liquid reagents into the reactor from a single internal space of the body, wherein the sprinklers are located along the central axis of the tubular body with the same intervals of indentation from the adjacent sprinkler. These intervals are calculated based on the total arc length of the tubular body and the total number of sprinklers, and can be easily determined by a person skilled in the art.
В предпочтительном варианте осуществления в нижней части трубчатого корпуса дозирующего устройства располагаются от 4 до 20 разбрызгивателей для введения в реактор жидких реагентов из единого внутреннего пространства корпуса. Наиболее предпочтительно дозирующего устройства включает от 10 до 16 разбрызгивателей для введения в реактор жидких реагентов, в частности 12 разбрызгивателей.In a preferred embodiment, 4 to 20 sprinklers for introducing liquid reagents into the reactor from a single internal space of the housing are located in the lower part of the tubular body of the dosing device. Most preferably, the dosing device includes 10 to 16 sprinklers for introducing liquid reagents into the reactor, in particular 12 sprinklers.
В рамках настоящей заявки термин «разбрызгиватель» подразумевает выступающую за границы трубчатого корпуса трубчатую коническую насадку, сужающуюся в направлении от трубчатого корпуса, которая служит для увеличения скорости и создания определенного факела распыления вытекающей жидкости. При этом под «диаметром поперечного сечения разбрызгивателя» понимают диаметр отверстия в самом узком месте конуса насадки.In the context of this application, the term "sprinkler" means a tubular conical nozzle protruding beyond the tubular body, tapering away from the tubular body, which serves to increase the speed and create a certain spray torch of the flowing liquid. In this case, the "diameter of the cross-section of the sprinkler" means the diameter of the opening at the narrowest point of the cone of the nozzle.
В ходе исследовательских работ по созданию дозирующего устройства согласно изобретению авторами было отмечено, что подаваемые посредством одинаковых разбрызгивателей дозирующего устройства жидкие реагенты подаются в реактор с разным расходом, что приводит к возникновению в реакционном объеме реактора неравномерных концентраций исходных реагентов и как следствие к неравномерному зародышеобразованию и росту частиц.During the research work on the creation of a dosing device according to the invention, the authors noted that liquid reagents supplied by identical sprayers of the dosing device are supplied to the reactor at different flow rates, which leads to the emergence of uneven concentrations of the initial reagents in the reaction volume of the reactor and, as a consequence, to uneven nucleation and growth of particles.
Для подтверждения данных предположений были проведены эксперименты по математическому моделированию дозирующего устройства и процесса выведения с его помощью текучей среды при заданной скорости подачи исходного реагента. В частности была создана математическая модель дозирующего устройства, основанная на методе конечных объёмов и решении уравнений Навье-Стокса (см. фиг. 2 и 3) и было выполнено компьютерное моделирование движения жидкого реагента в дозирующем устройстве и на выходе из него.To confirm these assumptions, experiments were conducted on mathematical modeling of the dosing device and the process of removing the fluid medium with its help at a given feed rate of the initial reagent. In particular, a mathematical model of the dosing device was created, based on the finite volume method and the solution of the Navier-Stokes equations (see Figs. 2 and 3), and computer modeling of the movement of the liquid reagent in the dosing device and at the outlet from it was performed.
Для моделирования были выбраны следующие параметры:The following parameters were selected for the simulation:
Дозирующее устройство:Dosing device:
Внутренний диаметр поперечного сечения трубчатого корпуса - 0,1 м;The internal diameter of the cross-section of the tubular body is 0.1 m;
Диаметр поперечного сечения разбрызгивателей - 0,015 м;The diameter of the cross-section of sprinklers is 0.015 m;
Число разбрызгивателей - 12 шт;Number of sprinklers - 12 pcs;
Диаметр разъединенного кольца - 2 м;The diameter of the separated ring is 2 m;
Дуга окружности трубчатого корпуса - 270 °.The arc of the tubular body is 270°.
Подаваемый жидкий реагент:Liquid reagent supplied:
натриевое жидкое стекло (физические свойства представлены в таблице 1)sodium liquid glass (physical properties are presented in Table 1)
объем подачи - 1,2 м3,feed volume - 1.2 m3 ,
время подачи - 30 мин,serving time - 30 min,
скорость подачи - 2,4 м3/час (0,82667 кг/с)feed rate - 2.4 m3 /hour (0.82667 kg/s)
Таблица 1. Физические свойства натриевого жидкого стекла (НЖС)Table 1. Physical properties of sodium liquid glass (SWG)
В результате моделирования были получены данные массового расхода для каждого из двенадцати разбрызгивателей дозирующего устройства (нумерация разбрызгивателей приведена на фиг. 5), которые представлены в таблице 2 и в виде диаграммы на фиг. 6.As a result of the simulation, mass flow data were obtained for each of the twelve sprinklers of the dosing device (the numbering of the sprinklers is shown in Fig. 5), which are presented in Table 2 and in the form of a diagram in Fig. 6.
Таблица 2. Массовый расход для каждого из двенадцати разбрызгивателей с одинаковыми диаметрами поперечного сеченияTable 2. Mass flow rate for each of the twelve sprinklers with the same cross-sectional diameters
разбрызгивателяNumber
sprinkler
кг/сMass flow rate,
kg/s
Как можно видеть из приведенных данных наблюдается значительное увеличение массового расхода для разбрызгивателей 6 и 7, которые являются ближайшими к месту ввода жидкого реагента в трубчатый корпус устройства через патрубок поступления жидких реагентов. Такое увеличение массового расхода может быть объяснено максимальным давлением текучей среды в области патрубка, что приводит к возрастанию расхода. Для остальных разбрызгивателей 1-5 и 8-12 можно видеть относительно равномерное распределение расхода.As can be seen from the data provided, there is a significant increase in mass flow for sprinklers 6 and 7, which are the closest to the place where the liquid reagent is introduced into the tubular body of the device through the liquid reagent inlet pipe. Such an increase in mass flow can be explained by the maximum pressure of the fluid medium in the pipe area, which leads to an increase in flow. For the remaining sprinklers 1-5 and 8-12, a relatively uniform distribution of flow can be seen.
Таким образом, моделирование подтвердило, что при заданных параметрах подаваемые посредством одинаковых разбрызгивателей дозирующего устройства жидкие реагенты подаются в реактор с разным расходом в зависимости от расположения разбрызгивателей на трубчатом корпусе.Thus, the simulation confirmed that, for given parameters, liquid reagents supplied by identical sprinklers of the dosing device are supplied to the reactor at different flow rates depending on the location of the sprinklers on the tubular body.
Для решения проблемы неравномерного распределения жидких реагентов авторами было предложено использовать в дозирующем устройстве согласно изобретению разбрызгиватели с разным диаметром поперечного сечения в зависимости от их расположения на трубчатом корпусе.To solve the problem of uneven distribution of liquid reagents, the authors proposed using in the dosing device according to the invention sprinklers with different cross-sectional diameters depending on their location on the tubular body.
Таким образом, еще одной отличительной особенностью дозирующего устройства согласно изобретению является присутствие в нижней части трубчатого корпуса разбрызгивателей, которые характеризуются различным диаметром поперечного сечения в зависимости от их удаления от патрубка поступления жидких реагентов. В частности в дозирующем устройстве согласно изобретению диаметр поперечного сечения двух ближайших к патрубку поступления жидких реагентов разбрызгивателей меньше одинакового диаметра поперечного сечения всех остальных разбрызгивателей в 1,2-2 раза, предпочтительно в 1,5-2 раза.Thus, another distinctive feature of the dosing device according to the invention is the presence in the lower part of the tubular body of sprinklers, which are characterized by different cross-sectional diameters depending on their distance from the liquid reagent supply pipe. In particular, in the dosing device according to the invention, the cross-sectional diameter of the two sprinklers closest to the liquid reagent supply pipe is smaller than the same cross-sectional diameter of all other sprinklers by 1.2-2 times, preferably by 1.5-2 times.
В предпочтительном варианте осуществления дозирующего устройства диаметр поперечного сечения двух ближайших к патрубку поступления жидких реагентов разбрызгивателей составляет от 7,0 мм до 8,0 мм, а диаметр поперечного сечения всех остальных разбрызгивателей является одинаковым и находится в диапазоне от 8,4 мм до 16,0 мм, предпочтительно от 10,5 мм до 15,0 мм.In a preferred embodiment of the dosing device, the cross-sectional diameter of the two sprinklers closest to the liquid reagent inlet pipe is from 7.0 mm to 8.0 mm, and the cross-sectional diameter of all other sprinklers is the same and is in the range from 8.4 mm to 16.0 mm, preferably from 10.5 mm to 15.0 mm.
Проведенное математическое моделирование при параметрах устройства и процесса, как указано выше, но с разницей в том, что диаметры поперечного сечения разбрызгивателей 6 и 7 составили 7,5 мм показало, что массовый расход натриевого жидкого стекла выравнивается по всем разбрызгивателям и средний разброс расхода составляет всего +/- 0,02 % (см. Таблицу 3 и фиг. 7).The mathematical modeling carried out with the parameters of the device and process as indicated above, but with the difference that the cross-sectional diameters of sprinklers 6 and 7 were 7.5 mm, showed that the mass flow rate of sodium liquid glass is equalized across all sprinklers and the average spread in flow rate is only +/- 0.02% (see Table 3 and Fig. 7).
Таблица 3. Массовый расход для каждого из двенадцати разбрызгивателей с диаметрами поперечного сечения 15 мм для разбрызгивателей 1-5 и 8-12 и 7,5 мм для разбрызгивателей 6 и 7Table 3. Mass flow rate for each of the twelve sprinklers with cross-sectional diameters of 15 mm for sprinklers 1-5 and 8-12 and 7.5 mm for sprinklers 6 and 7
разбрызгивателяNumber
sprinkler
кг/сMass flow rate,
kg/s
Данные результаты демонстрируют, что дозирующее устройство согласно изобретению позволяет обеспечить равномерную подачу исходных жидких реагентов в реактор образования стабильного золя и тем самым создать оптимальные условия для одновременного зародышеобразования и равномерного роста частиц золя во всем реакционном объеме.These results demonstrate that the dosing device according to the invention allows for a uniform supply of the initial liquid reagents into the stable sol formation reactor and thereby creates optimal conditions for the simultaneous nucleation and uniform growth of sol particles throughout the entire reaction volume.
На фигурах показаноThe figures show
Фиг. 1. Общий вид дозирующего устройства согласно одному из вариантов осуществления;Fig. 1. General view of a dosing device according to one embodiment;
Фиг. 2. Схема расположения дозирующего устройства согласно фиг. 1 в реакторе образования стабильного золя;Fig. 2. Schematic diagram of the arrangement of the dosing device according to Fig. 1 in the reactor for the formation of a stable sol;
Фиг. 3. Визуализация расчётной сетки моделирования дозирующего устройства (≈ 2,7 млн ячеек);Fig. 3. Visualization of the computational grid for modeling the dosing device (≈ 2.7 million cells) ;
Фиг. 4. Визуализация расчётной сетки моделирования в поперечном сечении трубчатого корпуса с разбрызгивателем;Fig. 4. Visualization of the computational modeling grid in the cross-section of a tubular body with a sprinkler;
Фиг. 5. Схематическое изображение дозирующего устройства с нумерацией разбрызгивателей;Fig. 5. Schematic representation of the dosing device with numbering of sprinklers;
Фиг. 6. Диаграмма массового расхода для каждого из двенадцати разбрызгивателей с одинаковыми диаметрами поперечного сечения;Fig. 6. Mass flow diagram for each of the twelve sprinklers with the same cross-sectional diameters;
Фиг. 7. Диаграмма массового расхода для каждого из двенадцати разбрызгивателей с диаметрами поперечного сечения 15 мм для разбрызгивателей 1-5 и 8-12 и 7,5 мм для разбрызгивателей 6 и 7;Fig. 7. Mass flow diagram for each of the twelve sprinklers with cross-sectional diameters of 15 mm for sprinklers 1-5 and 8-12 and 7.5 mm for sprinklers 6 and 7;
Фиг. 8. Общая схема установки получения стабильного силиказоля.Fig. 8. General diagram of the installation for obtaining stable silica sol.
Условные обозначения:Legend:
1 - Трубчатый корпус;1 - Tubular body;
2 - Патрубок поступления жидких реагентов;2 - Liquid reagent supply pipe;
3 - Кронштейн для крепления к реактору;3 - Bracket for fastening to the reactor;
4 – Разбрызгиватели;4 – Sprinklers;
5 - Емкость НЖС;5 - Capacity of the NZhS;
6 - Реактор образования золя;6 - Sol formation reactor;
7 - Колонна разделения и регенерации;7 - Separation and regeneration column;
8 - Устройство переноса суспензии золя и ИОС.8 - Device for transferring sol suspension and IOS.
Далее техническое решение согласно изобретению более подробно поясняется с помощью примера осуществления, который, однако, не накладывает ограничений на объем притязаний данного изобретения.The technical solution according to the invention is further explained in more detail using an example of implementation, which, however, does not impose any limitations on the scope of the claims of this invention.
ПРИМЕРЫEXAMPLES
Пример 1. Получение стабилизированного силиказоля с использованием дозирующего устройства согласно изобретениюExample 1. Obtaining stabilized silica sol using a dosing device according to the invention
Для осуществления данного примера использовали установку получения стабилизированного силиказоля, представленную на фигуре 8. Дозирующее устройство было создано в соответствии со схемой, представленной на фигуре 1, и включало трубчатый корпус в виде разъединенного кольца с замкнутыми концами и единым внутренним пространством из стали марки AISI 316 с внутренним диаметром поперечного сечения 0,1 м, диаметром разъединенного кольца 2 м и дугой окружности 270 °, патрубок поступления жидких реагентов диаметром 0,1 м и 12 разбрызгивателей с диаметром поперечного сечения 15 мм для разбрызгивателей 1-5 и 8-12 и 7,5 мм для разбрызгивателей 6 и 7 (см. фиг. 5).To implement this example, the plant for obtaining stabilized silica sol shown in Figure 8 was used. The dosing device was created in accordance with the diagram shown in Figure 1 and included a tubular body in the form of a disconnected ring with closed ends and a single internal space made of AISI 316 steel with an internal cross-sectional diameter of 0.1 m, a diameter of the disconnected ring of 2 m and an arc of a circle of 270 °, a branch pipe for the supply of liquid reagents with a diameter of 0.1 m and 12 sprinklers with a cross-sectional diameter of 15 mm for sprinklers 1-5 and 8-12 and 7.5 mm for sprinklers 6 and 7 (see Fig. 5).
Исходным веществом для синтеза золей являлась силикат-глыба, перерабатываемая в натриевое жидкое стекло. В качестве кислотного нейтрализующего вещества использовали ионообменную смолу (Amberlite MAC-3), представляющую собой макропористые частицы полиакрило-дивинилбензольной матрицы с карбоксильными группами.The starting material for the synthesis of sols was a silicate lump processed into sodium liquid glass. An ion-exchange resin (Amberlite MAC-3), which is macroporous particles of a polyacrylo-divinylbenzene matrix with carboxyl groups, was used as an acid neutralizing substance.
Методика процесса:Process methodology:
В емкости НЖС (каждая размером по 20 м³) установки получения стабилизированного силиказоля концентрированное натриевое жидкое стекло со средним содержанием диоксида кремния в 27,5 % разбавляли обессоленной водой до концентрации в 19,5%. Разбавление производили для предотвращения процесса гелеобразования.In the NZhS tank (each 20 m³ in size) of the stabilized silica sol production unit, concentrated sodium liquid glass with an average silicon dioxide content of 27.5% was diluted with demineralized water to a concentration of 19.5%. The dilution was performed to prevent the gelation process.
Установка получения стабилизированного силиказоля включала 4 реактора образования золя с объемом по 21 м3, оборудованных мешалкой и рубашкой для термостабилизации (далее для простоты описывается цикл с участием только одного реактора).The plant for producing stabilized silica sol included 4 sol formation reactors with a volume of 21 m3 each , equipped with a stirrer and a jacket for thermal stabilization (for simplicity, a cycle involving only one reactor is described below).
Реактор образования золя наполняли обессоленной водой (6,8 м3), включали мешалки (скорость перемешивания 45 об/мин) и осуществляли нагрев до 90°С в течение 20 мин. После этого к нагретой обессоленной воде в течение 10 мин подавали 4 м3 суспензии ионообменной смолы (2,2 м3 ИОС + 1,8 м3 обесс. воды). Далее из емкости НЖС подготовленный раствор жидкого стекла (4 м3) подавали к реактору образования золя и с помощью дозирующего устройства вводили в реакционный объем в течение 35 мин при поддержании температуры 90°С и pH=9. При взаимодействии раствора натриевого жидкого стекла с поверхностью ионита происходил обмен ионов Na+ на ионы Н+, и отмечалось начало зародышеобразования и рост частиц золя. В процессе ионообмена объем ионообменной смолы увеличивался с 2,2 м3 до 3,7 м3.The sol formation reactor was filled with demineralized water (6.8 m3 ), the stirrers were turned on (stirring speed 45 rpm) and heating was carried out to 90°C for 20 min. After that, 4 m3 of ion-exchange resin suspension (2.2 m3 IER + 1.8 m3 demineralized water) were fed to the heated demineralized water for 10 min. Then, the prepared liquid glass solution (4 m3 ) was fed from the NZhS tank to the sol formation reactor and introduced into the reaction volume using a dosing device for 35 min while maintaining a temperature of 90°C and pH = 9. When the sodium liquid glass solution interacted with the ion exchanger surface, Na + ions were exchanged for H + ions, and the onset of nucleation and growth of sol particles was noted. During the ion exchange process, the volume of ion exchange resin increased from 2.2 m3 to 3.7 m3 .
Затем в течение 30 мин при постоянном интенсивном перемешивании и поддержании температуры 90°С, с помощью дозирующего устройства добавляли дополнительно 1,1 м3 19,5 %-ного раствора НЖС для стабилизации частиц, выключали нагрев и продолжали перемешивание еще 30 минут.Then, over the course of 30 minutes, with constant intensive stirring and maintaining a temperature of 90°C, an additional 1.1 m3 of 19.5% NZhS solution was added using a dosing device to stabilize the particles, the heating was turned off, and stirring was continued for another 30 minutes.
По истечении 30 минут выключали перемешивание, в реакторе посредством воздуха создавали избыточное давления воздуха (300 кПа) над жидкостью и посредством открытия клапана входного патрубка устройства переноса начинали выведение реакционной суспензии из реактора образования золя в устройство переноса. В течение 15 минут переносили 17,4 м3 суспензии золя с ИОС в колонну разделения и регенерации.After 30 minutes, the mixing was switched off, excess air pressure (300 kPa) was created in the reactor above the liquid by means of air, and by opening the valve of the inlet branch pipe of the transfer device, the reaction suspension was started to be removed from the sol formation reactor to the transfer device. Over the course of 15 minutes, 17.4 m3 of the sol suspension with IOS was transferred to the separation and regeneration column.
В колонне разделения и регенерации силиказоль отделяли с помощью сетчатого фильтра от ионообменной смолы (ИОС) и подавали в ёмкость седиментации. Оставшаяся в колонне ионообменная смола подвергалась регенерации разбавленной серной кислотой (3-7 %-ный раствор, содержащий Na2SO4, 12,6 м3) и далее промывке обессоленной водой (10,8 м3). После регенерации ионообменная смола была готова к новому циклу нейтрализации.In the separation and regeneration column, the silica sol was separated from the ion-exchange resin (IER) using a mesh filter and fed to the sedimentation tank. The ion-exchange resin remaining in the column was regenerated with dilute sulfuric acid (3-7% solution containing Na2SO4 , 12.6 m3 ) and then washed with demineralized water (10.8 m3 ). After regeneration, the ion-exchange resin was ready for a new neutralization cycle.
В результате было получено 15,2 м3 силиказоля с концентрацией 7,5 % и размером частиц D95 от 5 до 20 нм, а также 4 м3 суспензии ионообменной смолы, пригодной для повторного использования.As a result, 15.2 m3 of silica sol with a concentration of 7.5% and a particle size D 95 from 5 to 20 nm were obtained, as well as 4 m3 of a suspension of ion-exchange resin suitable for reuse.
Таким образом, представленные результаты наглядно демонстрируют, что дозирующее устройство согласно изобретению позволяет осуществлять максимально равномерную подачу жидкого исходного реагента по всему объему реактора, что обеспечивает одновременное начало зародышеобразования и равномерный рост частиц золя во всем реакционном объеме и исключает нежелательную агрегацию коллоидных частиц, в результате чего на выходе образуются стабилизированные силиказоли, обладающие максимально узким распределением частиц по размерам и средним размером частиц в диапазоне от 5 до 20 нм.Thus, the presented results clearly demonstrate that the dosing device according to the invention allows for the most uniform supply of liquid initial reagent throughout the entire volume of the reactor, which ensures the simultaneous onset of nucleation and uniform growth of sol particles throughout the entire reaction volume and eliminates undesirable aggregation of colloidal particles, as a result of which stabilized silica sols are formed at the outlet, having the narrowest possible particle size distribution and an average particle size in the range from 5 to 20 nm.
Claims (11)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2840265C1 true RU2840265C1 (en) | 2025-05-20 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2363655C2 (en) * | 2004-04-07 | 2009-08-10 | Акцо Нобель Н.В. | Silica-based sols, their preparation and application |
| CN205500786U (en) * | 2016-03-16 | 2016-08-24 | 武汉联德化学品有限公司 | Continuous dearsenification reactor of phosphoric acid manufacture automatic material conveying |
| US9925511B2 (en) * | 2014-06-23 | 2018-03-27 | Basf Se | Apparatus for introduction of droplets of a monomer solution into a reactor |
| CN207914210U (en) * | 2017-12-25 | 2018-09-28 | 南华大学 | The sprinkling irrigation mechanism of inner liner of reaction kettle cleaning device |
| CN106475018B (en) * | 2015-08-27 | 2019-03-29 | 中国石化工程建设有限公司 | Fixed bed reactors and its gas distributor |
| EA032289B1 (en) * | 2014-03-31 | 2019-05-31 | ИНЕОС Юроп АГ | Feed sparger design for an ammoxidation reactor |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2363655C2 (en) * | 2004-04-07 | 2009-08-10 | Акцо Нобель Н.В. | Silica-based sols, their preparation and application |
| EA032289B1 (en) * | 2014-03-31 | 2019-05-31 | ИНЕОС Юроп АГ | Feed sparger design for an ammoxidation reactor |
| US9925511B2 (en) * | 2014-06-23 | 2018-03-27 | Basf Se | Apparatus for introduction of droplets of a monomer solution into a reactor |
| CN106475018B (en) * | 2015-08-27 | 2019-03-29 | 中国石化工程建设有限公司 | Fixed bed reactors and its gas distributor |
| CN205500786U (en) * | 2016-03-16 | 2016-08-24 | 武汉联德化学品有限公司 | Continuous dearsenification reactor of phosphoric acid manufacture automatic material conveying |
| CN207914210U (en) * | 2017-12-25 | 2018-09-28 | 南华大学 | The sprinkling irrigation mechanism of inner liner of reaction kettle cleaning device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4676953A (en) | Continous production of sodium silicate solutions | |
| CN106946278A (en) | A kind of boehmite and preparation method thereof | |
| CN108033475A (en) | A kind of method that micro- reaction prepares nano-calcium carbonate | |
| RU2840265C1 (en) | Dosing device for supplying liquid reagents into reactor for producing micronised silica gel for toothpastes | |
| CN102020291B (en) | Crystallization apparatus of sulfur ammonium | |
| CN106745108B (en) | A kind of controllable magnesium hydroxide reactive crystallization device of granularity and technique | |
| CN205379887U (en) | Carbonating column and carbonating system | |
| CN102583484A (en) | Carbonization kettle and method for preparing nanometer calcium carbonate by using same | |
| CN112090376B (en) | Integrated catalyst particle post-treatment device and application | |
| CN205575669U (en) | Preparation nano calcium carbonate's device | |
| CN116603470B (en) | Continuous flow preparation device and preparation method of micro-nano powder material | |
| CN108101091B (en) | Method and device for producing calcium carbonate by dynamic carbonization method | |
| CN104591213B (en) | Preparation method of small-grain NaY-type molecular sieve | |
| CN117682528A (en) | Process and device for producing silicon dioxide | |
| CN116409806B (en) | A method for industrial preparation of γ-Al2O3 fiber | |
| CN215783249U (en) | Gas-liquid continuous reaction crystallization device | |
| CN212039089U (en) | Potassium nitrate crystallizing tank | |
| JP7181142B2 (en) | Method for producing silica sol | |
| Kato et al. | Solid—liquid mass transfer in a shaking vessel for a bioreactor with “current pole” | |
| CN210505600U (en) | Device for preparing silica sol from water glass solution | |
| CN102764624A (en) | Precipitation reactor for producing silica | |
| KR20170011214A (en) | Continuous manufacturing system of nano-porous silica, and thereof method | |
| CN217910399U (en) | Gas-liquid reactor utilizing relative motion | |
| CN221245205U (en) | Water glass pretreatment unit and production system of nano silicon dioxide | |
| CN111889056A (en) | Mixing reaction device and method for atomized water and calcium oxide particles |