СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛОГИДРАТОВ МЕТАСИЛИКАТА НАТРИЯ ПЯТИВОДНЫХ, ШЕСТИВОДНЫХ, ДЕВЯТИВОДНЫХ Российский патент 2013 года по МПК C01B33/32 B01J2/00 

Уровень техники, к которому относится изобретение

Заявителю не известны аналогичные способы получения кристалогидратов динатриевой соли кремниевой кислоты (натрия метасиликата) пятиводного, шестиводного, девятиводного из такого сырья, как оксид кремния и карбонат натрия. В авторском свидетельстве SU 586123 раскрыт способ получения безводного метасиликата натрия, аналогичный заявленному, но при более низких температурах. Автор свидетельства SU 586123 утверждает, что достаточной температурой получения натрия метасиликата безводного является температурный диапазон 880-910°С.

При этой температуре карбонат натрия переходит в жидкое состояние и начинает расплавлять кварц. Я считаю, чтобы получить метасиликат безводный при температуре 880-910°С, необходимо вводить кварц в реакцию, в печь, в виде маршалита, с тониной помола менее 50 мкм. Я считаю, что получение метасиликата натрия безводного при низких температурах 880-910°С в промышленных объемах невозможно, так как температура плавления метасиликата безводного составляет 1089°С. При низких температурах 880-910°С в метасиликате кварц будет присутствовать в виде не полностью растворившихся форм. Необходимость проведения реакции при температуре 1100-1200°С продиктована необходимостью полного растворения кремния в карбонате натрия и отводу расплавленного метасиликата из печи. Однако, повышение температуры реакции ведет к частичному испарению карбоната натрия, который имеет температуру плавления около 900°С. Я утверждаю, что чем выше температура в печи, где проходит реакция между кварцем и карбонатом натрия, тем быстрее кварц растворяется, но в то же время увеличивается улетучивание карбоната натрия вместе с углекислым газом. Поэтому считаю целесообразным проведение реакции спекания проводить при температуре 1100°С-1120°С. Считаю, что разница в температурах заявляемой реакции и 880-910°С очень велика.

В качестве наиболее близкого к заявленному в формуле изобретения способу можно рассматривать способ получения пятиводного метасиликата, раскрытого в авторском свидетельстве SU 802181.

Раскрытие изобретения

Изобретение относится к области открытия способа (технологического процесса) получения твердых кристаллов/гранул вещества динатриевой соли кремниевой кислоты пятиводной, шестиводной, девятиводной (натрия метасиликата, торговое название) из такого сырья, как диоксид кремния (кварц, а также любое кремнесодержащее сырье, кремневые отходы иных производств) и карбоната натрия (соды кальцинированной - торговое название). Решена задача получения метасиликата натрия с любым количеством гидратированной воды (т.е. пятиводный, шестиводный, девятиводный) из полученного метасиликата натрия безводного.

Существенными признаками изобретения являются:

1) Способ получения метасиликата натрия основан на использовании как сырье диоксида кремния и карбоната натрия;

2) Способ получения гидратов метасиликата натрия требует точного расчета по количественной закладке входящего сырья в зависимости от качественных показателей входящего сырья и требуемого результата в виде определенных гидратов (пяти-, шести, - девятиводных кристаллов натрия метасиликата);

3) Способ получения метасиликата натрия требует расчета по докладке воды внутрь реактора в зависимости от требуемого результата в виде определенных гидратов (пяти-, шести, - девятиводных кристаллов натрия метасиликата);

4) Способ получения метасиликата натрия требует температурного контроля процесса кристаллизации метасиликата натрия;

5) Способ получения метасиликата натрия не требует особых окружающих условий, а достаточными являются комнатные условия.

Осуществление изобретения

Способ получения динатриевой соли кремниевой кислоты (натрия метасиликата) пятиводных, шестиводных, девятиводных заключается в:

a) Выборе конечного продукта, целью которого является описываемый способ;

b) Получении сырья;

c) Контроле качественных показателей входящего сырья;

d) Расчете закладки сырья;

e) Проведении реакции в расчетных количествах сырья;

f) Добавлении воды в зависимости от конечной цели;

g) Проведении процесса кристаллизации;

n) Грануляции гидратов динатриевой соли кремниевой кислоты пятиводных, шестиводных, девятиводных.

1. Способ получения безводного метасиликата натрия.

Изобретение относится к способу получения натрия метасиликата безводного Na₂SiO₃. Технически химический процесс описывается формулой

Получить метасиликат натрия безводный можно, спекая диоксид кремния (кварц) с кальцинированной содой при температуре 1100-1200°С.

Весь технологический процесс получения метасиликата натрия безводного можно условно разбить на три этапа:

1) Процесс контроля входного сырья, измерение влажности компонентов реакции (1);

2) Приготовление шихты с целью спекания (проведения реакции) с учетом влажности. По сухому веществу шихта приготавливается в молярном отношении Na₂O/SiO₃ как 1/1;

3) Спекание компонентов в печи при температуре 1100-1200°С;

4) Выпуск готового метасиликата безводного, охлаждение;

5) Помол метасиликата безводного.

Пример 1. Рассчитать закладку сырья с конкретными качественными показателями и получить метасиликат натрия безводный в виде кристаллов.

Молярные массы веществ в уравнении:

60+106=122+44

В качестве диоксида кремния взят сухой кварцевый песок - 100 г, карбонат натрия - 177 г. Вещества перемешали и спекали в печи 1200°С. После обильного выделения углекислого газа получен метасиликат натрия безводный - 200 г. Поле охлаждения метасиликат представляет из себя глыбу белого цвета, поддающуюся процессу помола. После помола этой глыбы получен белый кристаллический порошок хорошо растворимый в горячей воде.

2. Способ получения гранул пятиводного метасиликата натрия.

Изобретение относится к способу получения кристаллогидратов натрия метасиликата пятиводного Na₂SiO₃·5H₂O из полученного прежде безводного метасиликата натрия. Гранулы метасиликата натрия пятиводного получаются методом распыления в центрифуге подготовленного кристаллизованного расплава натрия метасиликата пятиводного.

Технически химический процесс описывается формулой

Молярные массы веществ в уравнении:

122+90=212

Приготовили метасиликат натрия безводный в пропорциях, как указано в Примере 1, размололи остуженный метасиликат в шаровой мельнице. В механической мешалке натрия метасиликат безводный растворили в горячей воде в пропорции Na₂SiO₃/H₂O как 1/0,74. Температура воды должна быть 80-90°С. Молекулы натрия метасиликата гидратируются, расплав натрия метасиликата получен.

Для получения кристаллогидратов пятиводного метасиликата необходимо охладить расплав метасиликата до 50-60°С в реакторе с перемешивающим устройством. Добавляем в реактор с работающим перемешивающим устройством и расплавом метасиликата пятиводного при температуре 50-60°С затравку в виде кристаллов уже имеющегося метасиликата натрия пятиводного, что способствует появлению большого количества центров кристаллизации в расплаве метасиликата натрия пятиводного. Появление кристаллов в расплаве метасиликата пятиводного сопровождается выделением теплоты кристаллизации, поэтому температура расплава метасиликата пятиводного начинает расти. При температуре 65-70°С перемешивание прекращаем. Метасиликат натрия пятиводный представляет из себя в этом виде медообразную текучую консистенцию белого цвета. В таком состоянии метасиликат подается коловратным прогреваемым насосом в центр диска с прорезями по диаметру, который вращается со скоростью 9000-25000 оборотов в минуту. Чем выше скорость вращения диска, тем мельче может быть получен готовый продукт. Распыляя таким образом сверху метасиликат натрия пятиводный в вертикальной трубе с тангенциальным и противотекущим теплым воздушным потоком температурой 60°С, получаем гранулированный метасиликат натрия пятиводный. Регулируя скорость подачи расплава к диску, скорость вращения диска и количество подаваемого воздуха, можно получить гранулы метасиликата с размерами 0,1-1 мм.

Пример 2. Получить гранулированный метасиликат натрия пятиводный.

Молярные массы веществ в уравнении:

122+90=212

Спекли кварцевый песок 0,1-0,2 мм с карбонатом натрия при температуре 1100-1150°С в печи в пропорциях, указанных в Примере 1. Слили расплавленный метасиликат из печи, остудили, размололи в шаровой мельнице. Взяли порошок натрия метасиликата безводного - 500 г, добавили горячей воды - 369 г. Нагрели раствор до 100°С, перемешали до однородной консистенции. Охладили в перемешивающем устройстве, добавили затравки при температуре 60°С, получили белый медообразный расплав пятиводного метасиликата натрия. В таком состоянии подали расплав метасиликата в центр диска, вращающийся со скоростью 18000 оборотов в минут. Диск вращался в распылительной емкости высотой 4 метра, диаметр емкости - 3,5 метра. Тангенциально и снизу вверх в емкость подавался поток воздуха температурой 50°С со скоростью 25 метров в минуту. На дно емкости падал гранулированный порошок с размерами 0,1-0,5 мм. Из распылительной емкости метасиликат отводился пневмотранспортом. Окончательное отверждение полученного гранулированного метасиликата натрия пятиводного проводилась в установке кипящего слоя. Получен легко сыпучий не пылящий гранулированный метасиликат натрия пятиводный.

Впоследствии, дополнительно, в тангенциальную струю воздуха перед распылительной емкостью эжектором вводили уже готовые сухие кристаллогидраты пятиводного метасиликата. Это давало эффект более быстрого отверждения распыляемых кристаллогидратов за счет того, что распыляемая частица, сталкиваясь с сухой частицей кристаллогидрата, за счет капиллярного явления отдавала толику поверхностной воды, тем самым интенсифицируя процесс изогидрической кристаллизации.

Дополнительно, на дне распылительной емкости разместили аппарат кипящего слоя, снизу подавали воздух с температурой 50-60°С.

По результатам можно утверждать, что добавление в поток воздуха готовых сухих кристаллогидратов и добавление установки кипящего слоя в распылительную емкость приводит к интенсификации процесса кристаллизации натрия метасиликата пятиводного.

Дополнительно, распыляли расплав метасиликата без подачи в распылительную емкость тангенциального потока теплого воздуха, распыл осуществляли на кипящий слой сухого порошка. Кипящий слой имел поступательное горизонтальное движение. Этот слой формировался сухим потоком готового порошка с одной стороны установки кипящего слоя и отводился в другую сушильную камеру с другой стороны установки кипящего слоя.

3. Способ получения гранул шестиводного метасиликата натрия.

Изобретение относится к способу получения кристаллогидратов натрия метасиликата шестиводного Na₂SiO₃·6H₂O из полученного прежде безводного метасиликата натрия. Гранулы метасиликата натрия шестиводного получаются методом распыления в центрифуге подготовленного кристаллизованного расплава натрия метасиликата шестиводного.

Технически химический процесс описывается формулой

Молярные массы веществ в уравнении:

122+108=230

Натрия метасиликат безводный растворяем в горячей воде в пропорции Na₂SiO₃/H₂О как 1/0,88. Температура воды должна быть 80-90°С. Молекулы натрия метасиликата гидратируются, расплав натрия метасиликата шестиводного получен. Для получения кристаллогидратов шестиводного метасиликата необходимо охладить расплав метасиликата до 40-50°С в реакторе с перемешивающим устройством. Добавляем в реактор с работающим перемешивающим устройством и расплавом метасиликата шестиводного при температуре 40-50°С затравку в виде кристаллов уже имеющегося метасиликата натрия шестиводного, что способствует появлению большого количества центров кристаллизации в расплаве метасиликата натрия шестиводного. Зарождение кристаллогидратов метасиликата натрия в расплаве метасиликата шестиводного сопровождается выделением теплоты кристаллизации, поэтому температура расплава метасиликата шестиводного начинает расти. При температуре 55-60°С перемешивание прекращаем. Метасиликат представляет из себя в этом виде медообразную текучую консистенцию белого цвета. В таком состоянии метасиликат натрия шестиводный подается в центр диска с прорезями по диаметру, вращающийся со скоростью 9000-25000 оборотов в минуту. Чем выше скорость вращения диска, тем мельче может быть получен готовый продукт. Распыляя таким образом сверху метасиликат натрия шестиводный в вертикальной трубе с тангенциальным и противотекущим теплым воздушным потоком, получаем гранулированный метасиликат натрия шестиводный. Регулируя скорость вращения диска, подачу расплава на распылительный диск, количество подаваемого воздуха можно получить гранулы метасиликата с размерами 0,1-1 мм.

Пример 3. Получить гранулированный метасиликат натрия шестиводный.

Молярные массы веществ в уравнении:

122+108=230

Взяли порошок натрия метасиликата безводного - 500 г, добавили горячей воды - 442 г, перемешали и нагрели раствор до 100°С. Охладили в перемешивающем устройстве, добавили затравки при температуре 45°С, получили белый медообразный расплав шестиводного метасиликата натрия. В таком состоянии подали расплав метасиликата в центр диска, вращающийся со скоростью 18000 оборотов в минут. Диск вращался в емкости высотой 4 метра, диаметр емкости - 3,5 метра. Тангенциально в емкость подавался поток воздуха со скоростью 25 метров в минуту. Температура воздуха была 43°С. На дно емкости падал гранулированный порошок с размерами 0,1-0,5 мм. Окончательное отверждение полученного гранулированного метасиликата натрия шестиводного проводилась в кипящем слое. Получен легко сыпучий не пылящий гранулированный метасиликат натрия шестиводный.

Из распылительной емкости метасиликат отводился пневмотранспортом. Окончательное отверждение полученного гранулированного метасиликата натрия шестиводного проводилась в установке кипящего слоя. Получен легко сыпучий не пылящий гранулированный метасиликат натрия шестиводный.

Впоследствии, дополнительно, в струю воздуха перед распылительной емкостью вводили уже готовые сухие кристаллогидраты шестиводного метасиликата. Это давало эффект более быстрого отверждения распыляемых кристаллогидратов за счет того, что распыляемая частица, сталкиваясь с сухой частицей кристаллогидрата, за счет капиллярного явления отдавала толику поверхностной воды, тем самым интенсифицируя процесс изогидрической кристаллизации.

Дополнительно, на дне распылительной емкости разместили аппарат кипящего слоя, снизу подавали воздух с температурой 40-50°С.

По результатам можно утверждать, что добавление в поток воздуха готовых сухих кристаллогидратов и добавление установки кипящего слоя в распылительную емкость приводит к интенсификации процесса кристаллизации натрия метасиликата шестиводного.

Дополнительно, распыляли расплав метасиликата без подачи в распылительную емкость тангенциального потока теплого воздуха, распыл осуществляли на кипящий слой сухого порошка. Кипящий слой имел поступательное горизонтальное движение. Этот слой формировался сухим потоком готового порошка с одной стороны установки кипящего слоя и отводился в другую сушильную камеру с другой стороны установки кипящего слоя.

4. Способ получения гранул девятиводного метасиликата натрия.

Изобретение относится к способу получения кристаллогидратов натрия метасиликата девятиводного Na₂SiO₃·9H₂O из полученного прежде безводного метасиликата натрия. Гранулы метасиликата натрия девятиводного получаются методом распыления в центрифуге подготовленного кристаллизованного расплава натрия метасиликата девятиводного.

Технически химический процесс описывается формулой

Молярные массы веществ в уравнении:

122+162=284

Натрия метасиликат безводный растворяем в горячей воде в пропорции Na₂SiO₃/H₂O как 1/1,33. Температура воды должна быть 80-90°С. Молекулы натрия метасиликата гидратируются, расплав натрия метасиликата девятиводного получен. Для получения кристаллогидратов девятиводного метасиликата необходимо охладить расплав метасиликата до 28-33°С в реакторе с перемешивающим устройством. Добавляем в реактор с работающим перемешивающим устройством и расплавом метасиликата девятиводного при температуре 28-33°С затравку в виде кристаллов уже имеющегося метасиликата натрия девятиводного, что способствует появлению большого количества центров кристаллизации в расплаве метасиликата натрия девятиводного. Появление кристаллов в расплаве метасиликата девятиводного сопровождается выделением теплоты кристаллизации, поэтому температура расплава метасиликата девятиводного начинает расти. При температуре 33-38°С перемешивание прекращаем. Метасиликат представляет из себя в этом виде медообразную текучую консистенцию белого цвета. В таком состоянии метасиликат натрия девятиводный подается в центр диска с прорезями по диаметру, вращающегося со скоростью 9000-25000 оборотов в минуту. Чем выше скорость вращения диска, тем мельче может быть получен готовый продукт. Распыляя таким образом сверху метасиликат натрия девятиводный в вертикальной трубе с теплым мощным воздушным потоком, получаем гранулированный метасиликат натрия девятиводный. Регулируя скорость вращения диска и количество подаваемого воздуха можно получить гранулы метасиликата с размерами 0,1-1 мм.

Пример 4.

Получить гранулированный метасиликат натрия девятиводный.

Молярные массы веществ в уравнении:

122+162=284

Взяли порошок натрия метасиликата безводного - 500 г, добавили горячей воды - 664 г, перемешали и нагрели раствор до 100°С. Охладили в перемешивающем устройстве, добавили затравки при температуре 33°С, получили белый медообразный расплав девятиводного метасиликата натрия. В таком состоянии подали расплав метасиликата в центр диска, вращающийся со скоростью 18000 оборотов в минуту. Диск вращался в емкости высотой 4 метра, диаметр емкости - 3,5 метра. Тангенциально в емкость подавался поток воздуха со скоростью 25 метров в минуту. Температура воздуха была 30°С. На дно емкости падал гранулированный порошок с размерами 0,1-0,5 мм. Окончательное отверждение полученного гранулированного метасиликата натрия девятиводного проводилось в кипящем слое. Метасиликат натрия девятиводный получен.

Впоследствии, дополнительно, в струю воздуха перед распылительной емкостью вводили уже готовые сухие кристаллогидраты шестиводного метасиликата. Это давало эффект более быстрого отверждения распыляемых кристаллогидратов за счет того, что распыляемая частица, сталкиваясь с сухой частицей кристаллогидрата, за счет капиллярного явления отдавала толику поверхностной воды, тем самым интенсифицируя процесс изогидрической кристаллизации.

Дополнительно, на дне распылительной емкости разместили аппарат кипящего слоя, снизу подавали воздух с температурой 40-50°С.

По результатам можно утверждать, что добавление в поток воздуха готовых сухих кристаллогидратов и добавление установки кипящего слоя в распылительную емкость приводит к интенсификации процесса кристаллизации натрия метасиликата шестиводного.

Дополнительно, распыляли расплав метасиликата без подачи в распылительную емкость тангенциального потока теплого воздуха, распыл осуществляли на кипящий слой сухого порошка. Кипящий слой имел поступательное горизонтальное движение. Этот слой формировался сухим потоком готового порошка с одной стороны установки кипящего слоя и отводился в другую сушильную камеру с другой стороны установки кипящего слоя.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Для получения гранулированных кристаллогидратов метасиликата натрия пятиводного, шестиводного, девятиводного спекают диоксид кремния и карбонат натрия при температуре 1100-1200°С и растворяют полученный при этом безводный метасиликат натрия в воде. Далее кристаллизуют расплав в реакторе, вводя затравку в виде кристаллогидратов уже имеющегося пятиводного, шестиводного, девятиводного метасиликата натрия соответственно. Затем распыляют расплав кристаллогидрата метасиликата натрия в поток теплого воздуха с получением требуемого кристаллогидрата. Изобретение позволяет получить различные кристаллогидраты метасиликата натрия в промышленных условиях. 4 пр.

Способ получения гранулированных кристаллогидратов натрия метасиликата пятиводного, шестиводного, девятиводного заключается в том, что спекая диоксид кремния и карбонат натрия при температуре 1100°C-1200°C, растворяя полученный при этом безводный метасиликат натрия в воде, кристаллизуя расплав в реакторе и вводя в расплав затравку в виде кристаллогидратов уже имеющегося пятиводного, шестиводного, девятиводного метасиликата натрия соответственно, затем, распыляя расплав кристаллогидрата метасиликата натрия в поток теплого воздуха, получают требуемый кристаллогидрат.