Способ получения полых микросфер оксида металла

 

Использование: для получения полых микросфер оксида циркония. Сущность изобретения: порошок циркония подвергают окислению в стационарном ламинарном, диффузионном, самоподдерживающемся, замкнутом факеле, обдуваемом кислородом при массовой концентрации порошка в потоке 0,4-0,6кг/м³ и скоростях подачи газа-носителя - гелия 0,2 л/с, кислорода - 1,0 л/с. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к получению порошков оксидов металлов, более конкретно к получению диоксида циркония в виде полых микросфер.

Изобретение может найти применение в огнеупорной промышленности, при изготовлении легких наполненных полимерных композиционных материалов, синтактовых пен на основе термопластичных и термореактивных смол. Эти материалы, обладающие повышенными удельными прочностью и жесткостью, равномерной плотностью по объему, плавучестью и другими ценными свойствами, используют в качестве радиопрозрачных, конструкционных, теплоизоляционных, звукоизоляционных.

Известен способ получения оксидов металлов путем сжигания металлического порошка в высокотемпературном пламени, содержащем кислород. Металлический порошок подается газом-носителем к месту сжигания; в качестве газа-носителя в зависимости от вида металлического порошка используют кислород или инертный газ. Как следует из описания использованных схем сжигания, примеров и чертежей, горение металлического порошка осуществляется в турбулентном факеле, для стабилизации которого применяют дежурное газовое пламя. Недостатками этого способа являются загрязнение конечного продукта (оксидов металлов) углеродом и необходимость использования дефицитных газообразных горячих. Такой способ организации процесса горения может приводить к образованию незамкнутого, неоднородного фронта пламени и, следовательно, не позволяет получать продукты достаточно высокой чистоты и узкого гранулометрического состава.

Известен способ получения оксида железа в виде полых сфер, который заключается в том, что порошок железа вместе с кислородом в пропорции менее 5 г железного порошка на 1 л кислорода при нормальных условиях поступает в реактор, внутри которого поддерживается температура выше температуры воспламенения и ниже точки плавления этого железного порошка, вступает в реакцию с кислородом и, попадая затем в воду, резко охлаждается. Недостатками этого способа являются: сложность процесса за счет необходимости наличия реактора, высокие энергозатраты для создания соответствующих температур, опасность процесса за счет возможности взрыва железного порошка в кислороде в замкнутом реакторе, мгновенное охлаждение сферических частиц оксида железа, которое приводит к их растрескиванию и относительному нарушению структуры. Кроме того, если таким способом попытаться получать полые сферы тугоплавких металлов (с точкой плавления выше 1500^оС), то необходимо использовать для стенок реактора специальные дорогостоящие термостойкие в кислородной среде материалы и соответственно удорожать изготовление аппаратуры и увеличивать энергозатраты для создания более высоких температур. Таким образом, способ получения полого сфероидального порошка диоксида циркония не известен.

Целью данного изобретения является получение полых микросфер диоксида циркония при достаточно простой технологии и, что очень важно, стабильности процесса.

Эта цель достигается за счет того, что в известном способе получения полых микросфер оксида металла путем окисления порошка металла при высокой температуре в кислородсодержащей среде, окисление порошка циркония осуществляют в стационарном ламинарном диффузионном самоподдерживающемся замкнутом факеле, обдуваемом кислородом, при массовой концентрации порошка в потоке 0,4-0,6 кг/м³ и объемных скоростях подачи газа-носителя гелия 0,2 л/с, кислорода - 1,0 л/с.

Известно техническое решение получения микросфер оксида железа путем воздействия на его порошок высокой температурой в кислородсодержащей среде. Новыми отличительными, против прототипа, признаками являются: организация стабильного ламинарного диффузионного самоподдерживающегося замкнутого факела; массовая концентрация порошка циркония в потоке 0,4-0,6 кг/м³; обдув факела кислородом; использование в качестве газа-носителя гелия; объемные скорости подачи газа-носителя гелия 0,2 л/с, кислорода - 1,0 л/с.

Известно сжигание порошка металла в турбулентном потоке с дежурным газовым пламенем, но не известна организация стабильного ламинарного диффузионного самоподдерживающегося замкнутого факела, в котором сгорают частицы металла (циркония). Неизвестны массовая концентрация порошка циркония 0,4-0,6 кг/м³, обдув факела кислородом, использование в качестве газа-носителя гелия, объемные скорости подачи газа-носителя гелия 0,2 л/с, кислорода - 1,0 л/с.

Поэтому данное решение следует считать соответствующим критерию "существенные отличия".

Схема установки, реализующей предлагаемый способ получения полых микросфер оксида циркония представлена на чертеже. Установка состоит из блока 1 формирования стабильного ламинарного потока газовзвеси порошка циркония, коаксиальной горелки 2, на выходе которой установлены дежурный газовый поджиг 3, циклон 4 и фильтр тонкой очистки 5, соединенные с вакуумным насосом (на чертеже не показан). Рассмотрим работу установки на следующих примерах.

П р и м е р 1. С помощью установки, схема которой представлена на чертеже, были получены полые микросферы оксида циркония. Используя в качестве газа-носителя гелий с объемной скоростью 0,2 л/с, формировали в блоке 1 стабильный ламинарный поток газовзвеси с массовой концентрацией порошка циркония 0,5 кг/м³, который выносился в центральную трубку коаксиальной горелки 2 диаметром 2,8 см и длиной 70 см. Такие параметры трубки при указанной выше объемной скорости гелия позволяют получить на выходе горелки ламинарный поток газовзвеси. Одновременно в кольцевой зазор, образованный внутренней и внешней трубками коаксиальной горелки 2, шириной 1 см подают кислород с объемной скоростью 1,0 л/с. После однократного поджига газовзвеси на выходе из горелки устанавливается стабильный ламинарный диффузионный самоподдерживающийся замкнутый факел. Стабильность факела обеспечивается собственным тепловыделением от экзотермической реакции взаимодействия циркония с кислородом. Порошок циркония сгорает с образованием конденсированного оксида, который улавливается циклоном 4 и фильтром тонкой очистки 5. Анализ полученного оксида показал, что 30% массы составляют полые микросферы оксида циркония. Остальные 70% массы составляет оксид циркония в виде сплошных сфер со средним размером 6 мкм. Поскольку в потоке присутствуют как полые микросферы, так и сплошные, то первые отбираются (за счет своего размера) в циклоне. На фильтре остаются сплошные микросферы. Химический анализ показывает стехиометричность состава с полным отсутствием примеси свободного циркония. Производительность процесса получения полых микросфер оксида циркония составляет на данной установке 0,15 кг/ч. В таблице показано распределение отобранных полых микросфер оксида циркония по размерам.

П р и м е р 2. Получение полых микросфер оксида циркония происходит аналогично примеру 1, но массовая концентрация порошка циркония образовавшейся газовзвеси составляет 0,4 кг/м³. Процентное содержание полых микросфер оксида циркония в конечном продукте и их качество, как и в примере 1.

П р и м е р 3. Получение полых микросфер оксида циркония происходит аналогично примеру 1, но массовая концентрация порошка циркония образовавшейся газовзвеси составляет 0,6 кг/м³. Процентное содержание полых микросфер окиси циркония в конечном продукте и их качество, как и в примере 1.

В случае, если массовая концентрация порошка циркония меньше 0,4 кг/м³, невозможно получить стационарный самоподдерживающийся факел; а при массовой концентрации порошка циркония, превышающей 0,6 кг/м³, образуется незамкнутый факел. И в том, и в другом случаях это приводит к загрязнению конечного продукта несгоревшим цирконием.

Кроме того, необходимо отметить, что указанные выше отличительные признаки факела, а именно ламинарный, диффузионный, самоподдерживающийся, замкнутый, стационарный, позволяют получать высокочистые полые микросферы оксида циркония.

Ламинарность факела является необходимым условием получения высококачественного целевого продукта, так как в турбулентном факеле конечный продукт загрязнен непрореагировавшим металлом. Авторами были проведены дополнительные эксперименты с турбулентным факелом. В этом случае конечный продукт содержал до 15 мас.% непрореагировавшего циркония.

В зависимости от способа организации процесса различают диффузионные и предварительно перемешанные факелы. Диффузионным называется факел, в котором горючее и окислитель подаются раздельно и горение происходит по мере их диффузионного перемешивания. Предварительно перемешанным называется факел, в котором горючее и окислитель заранее между собой перемешаны. Устойчивый процесс горения в предварительно перемешанном факеле возможен лишь в определенных, не слишком широких пределах скоростей истечения и концентраций горючего и окислителя. Кроме того, при уменьшении скорости истечения смеси происходит проскок пламени внутрь горелки, а при повышении - отрыв (срыв) факела. Устойчивый процесс горения в диффузионном факеле возможен в значительно более широких пределах скоростей истечения струй и концентраций горючего и окислителя. Для случая диффузионного факела также наблюдается явление отрыва (срыва) факела, тогда как проскок факела здесь исключен ввиду раздельной подачи горючего и окислителя. Следовательно, использование диффузионного факела наиболее технологично и пожаровзрывобезопасно. В предлагаемом способе порошок циркония (горючее) и кислород подаются к месту сжигания раздельно, поэтому факел по способу организации процесса является диффузионным. Авторами были проведены эксперименты с предварительно перемешанным факелом газовзвеси циркония. В этом случае не удалось получить достаточно длительный устойчивый процесс горения - либо факел срывался, что приводило к загрязнению конечного продукта непрореагировавшим цирконием, либо факел проскакивал внутрь горелки, что приводило к сгоранию блока формирования потока газовзвеси.

Факел, в котором тепловое инициирование высокоинтенсивных химических реакций горючего с окислителем обеспечивается только собственным тепловыделением этих же реакций, называется самоподдерживающимся. В предлагаемом способе параметры факела, а именно массовая концентрация газовзвеси циркония - 0,4-0,6 кг/м³, объемные скорости газа-носителя (гелия) 0,2 л/с и кислорода 1,0 л/с, обеспечивают после однократного поджига существование факела без использования горючих газов-сопроводителей или дополнительных источников тепла. Т.е. рассматриваемый факел является самоподдерживающимся. Использование горючих газов-сопроводителей приводит к загрязнению полых микросфер оксида циркония продуктами сгорания этих газов.

В ламинарном диффузионном самоподдерживающемся факеле фронт пламени (поверхность, где протекают высокоинтенсивные химические реакции) представляет собой замкнутый конус, если отношение массовых расходов окислителя (кислорода) и горючего (циркония) превышает 5. В нашем случае это условие заведомо выполнено. Замкнутость факела обеспечивает полное сгорание порошка циркония.

Под стационарностью факела подразумевается его временная устойчивость, т. е. неизменность во времени всех его характеристик: формы, полей температур, концентраций, скоростей и т.п. Стационарность факела есть следствие его ламинарности и самоподдерживаемости.

Таким образом, невыполнение хотя бы одного из указанных выше отличительных признаков факела не позволит получать полые микросферы оксида циркония методом факельного сжигания.

Предложенный способ позволяет получать полые микросферы оксида циркония высокой чистоты с высокой производительностью при использовании простого оборудования. Процесс получения полых микросфер экологически чист и не требует затрат энергии, так как поддерживается за счет собственной энергии химической реакции.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛЫХ МИКРОСФЕР ОКСИДА МЕТАЛЛА, включающий окисление порошка металла при высокой температуре в кислородсодержащей среде, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса и повышения его стабильности при получении микросфер оксида циркония, окисление порошка циркония осуществляют в стационарном, ламинарном, диффузионном, самоподдерживающемся замкнутом факеле, обдуваемом кислородом, при массовой концентрации порошка в потоке 0,4 - 0,6 кг/м³ и скоростях подачи газа-носителя - гелия 0,2 л/с, кислорода - 1,0 л/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2