Способ грануляции веществ Российский патент 2022 года по МПК B22F9/08 B01J2/02 B01J2/04 B01J2/06 

Изобретение относится к химической промышленности и металлургии, к жидкостной грануляции и предназначено для производства сферических гранул веществ различной степени чистоты, включая многокомпонентные твердые растворы и соединения, металлы и сплавы.

Известен способ гранулирования расплавленного металла (изобретение RU 2036050, МПК B22F 9/06) в котором одну или несколько струй расплавленного металла подают в ванну с охлаждающей жидкостью создавая ее равномерный поток от одной из боковых стенок ванны, средняя скорость потока охлаждающей жидкости составляет менее 0,1 м/с. Высота потока равна расстоянию от зеркала ванны на глубину, где гранулы имеют уже затвердевшую поверхность, а ширина потока превышает ширину струи или струй подаваемого жидкого металла. Длина струи жидкого металла от выхода из желоба до зеркала ванны охлаждающей жидкости составляет менее 100 ее диаметров. В качестве охлаждающей жидкости используют воду, в которую могут добавлять тензид в количестве до 500 ppm, антифриз в количестве до 10%, NaOH до 5%, вещества, изменяющие ее поверхностное натяжение и вязкость. Температура воды, подаваемой в резервуар, составляет 5-95°С. В качестве охлаждающей жидкости можно использовать жидкий углеводород, предпочтительно керосин. Недостатком способа является то, что он не предназначен для грануляции высокочистых веществ.

Известен способ грануляции меди (изобретение RU 2237546, МПК B22F 9/08) в котором производится слив расплавленной меди струями в воду и диспергирование их под слоем воды. Диспергирование осуществляют двумя параллельными подводными водяными потоками через верхнее и нижнее подводные сопла, устанавливают угол их наклона к сливаемым струям меди, равным 60-90°, при этом поддерживают давление воды в верхнем подводном сопле, равным 0,04-0,10 МПа, а в нижнем подводном сопле -равным 0,10-0,20 МПа, а воду в зоне падения струй меди барботируют надводным водяным потоком, направляемым на ее поверхность через надводное сопло. Недостатком способа является сложность регулировки системы движения охлаждающей жидкости для получения гранул необходимого качества и, как следствие, способа грануляции в целом, при этом способ предназначен непосредственно для грануляции меди и не предназначен для грануляции высокочистых веществ.

Известен способ получения гранулированной серы (изобретение RU 2545281, МПК С01В 17/0, B01J 2/06) в котором жидкая сера под напором от 900 Па до 9000 Па истекает из отверстия диаметром от 0,5 мм до 2,5 мм в виде вертикальной сплошной струи и попадает в воду, при этом расстояние между точкой истечения струи серы и поверхностью воды составляет не более 80 мм. Способом получают гранулированную серу в виде сферических частиц заданного диаметра. Недостатком способа является сложность поддержания постоянного давления напора истекающего расплава, что влечет за собой изменения диаметра гранул, кроме того, способ и конструкционные особенности его реализации предназначены только под грануляцию серы и не могут быть использованы под другие материалы.

Также из уровня техники известны модификации способа и устройства для его осуществления, описанные в патенте на полезную модель UA 131214 МПК B22F 9/08 и в статье тех же авторов, опубликованной в журнале Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2017, №1-2, с. 55-60, которая дополнительно описывает защищенное патентом техническое решение. Способ и устройство на его основе предназначены для грануляции легкоплавких металлов. Устройство включает в своем составе верхнюю емкость, предназначенную для расплавленного металла, помещенную в нагревательный элемент, в дне которой выполнены отверстия, и емкость с охлаждающей жидкостью, которая размещена под емкостью для расплавленного металла. Верхняя емкость может быть выполнена в двух вариантах, как с поршнем способствующем выдавливанию расплавленного металла из емкости, так и без него. Недостатком способа и устройства является то, что при грануляции легкоплавких металлов, с широким диапазоном плотностей, используемой охлаждающей жидкостью является только бидистиллированная вода, что не способствует получению сферических гранул у всего спектра материалов. Судя по фотографиям гранул полученных металлов, они не имеют четкую сферическую форму. При этом ни в патенте, ни в статье не указано в какой атмосфере проводятся процессы грануляции.

Наиболее близким является способ получения гранул термоэлектрического материала (изобретение RU 2567972, МПК B22F9/08, H01L 5/12) в котором получают гранулы термоэлектрического материала на основе твердого раствора, имеющие сердцевину с рентгеноаморфной структурой и оболочку с кристаллической структурой. Способ включает сплавление компонентов материала в графитовом тигле, в дне которого выполнено сливное отверстие, обеспечение вытекания капель полученного расплава из сливного отверстия в тигле и обеспечение кристаллизации вытекающих капель расплава в полете в газе и в охлаждающей жидкости, расположенной под тиглем, с образованием в результате кристаллизации гранул термоэлектрического материала. Используют проточную охлаждающую жидкость, продуваемую газообразным азотом, а верхний уровень охлаждающей жидкости располагают на 5-7 см ниже сливного отверстия в тигле. Недостатком способа является низкая производительность и достаточная сложность используемой конструкции, в связи с чем возрастает трудоемкость изготовления гранул. При этом в описанном способе требуется большое количество циркулирующей охлаждающей жидкости, а материал, подвергаемый грануляции, не подвергается дополнительной очистке, что может сказаться на качестве получаемых гранул.

Основной целью при разработке способа было создание конкурентоспособного, недорогого, воспроизводимого метода с использованием технологически простого оборудования. Получение высокой производительности при использовании менее трудоемкой технологии на оборудовании с высокими эксплуатационными свойствами. При реализации способа получают гранулы сферической формы у широкого класса веществ различной степени чистоты с размером диаметра от 1 до 4 мм. Заявленный способ относительно имеющихся в мире производств имеет низкую себестоимость.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка универсального способа грануляции веществ (металлов или сплавов), который можно использовать для материалов различной степени чистоты, включая высокочистые материалы, при условии использования оснастки, основных и вспомогательных материалов необходимого качества и соответствующей подготовки к процессу. Способ можно использовать для широкого класса материалов, однако диапазон ограничен максимальной температурой в нижеописанных технологических процессах не превышающей 1250°С, что вызвано эксплуатационными характеристиками используемого в способе реактора, выполненного из кварцевого стекла, т.е. температура плавления гранулируемых веществ (материалов) в разработанном способе и устройстве на его основе не должна превышать 1150°С.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе грануляции веществ, температура плавления которых не превышает 1150°С, согласно изобретению, его осуществляют в устройстве, содержащем реактор, состоящий из корпуса и крышки, подключенный к системе подачи инертного газа, с размещенным внутри тиглем с исходным веществом с, по крайней мере, одним отверстием, печной блок и колбы первого и второго контура охлаждения, при этом при его сборке тигель помещают в корпус реактора, при этом нижний край корпуса реактора погружают с образованием жидкостного затвора в колбу первого контура охлаждения с охлаждающей жидкостью, которую совмещают с колбой второго контура охлаждения, предварительно заполнив ее хладагентом, причем используют охлаждающую жидкость для первого контура иную по физико-химическим свойствам, чем хладагент второго контура охлаждения, заполняют реактор инертным газом, создают избыточное давление и циркуляцию инертного газа через жидкостной затвор, и осуществляют плавный нагрев печного блока, при этом после расплавления исходного вещества при его вытекании из тигля обеспечивают фильтрацию расплава исходного вещества и формирование гранул сначала в атмосфере инертного газа, а затем в охлаждающей жидкости первого контура и их разброс по всему дну колбы первого контура охлаждения за счет барботажа охлаждающей жидкости инертным газом, проходящим через реактор.

При грануляции глубину погружения корпуса реактора предпочтительно поддерживают на таком уровне, чтобы сохраняя жидкостной затвор, исключить контакт охлаждающей жидкости с печным блоком и тиглем в процессе барботажа.

При грануляции целесообразно поддерживать расстояние между охлаждающей жидкостью первого контура и тиглем, обеспечивающее формирование под действием сил поверхностного натяжения гранул в сферическую форму непосредственно в охлаждающей жидкости при исключении возможности интенсивного перегрева охлаждающей жидкости или затвердения расплавленного вещества в атмосфере инертного газа.

Могут поддерживать уровень хладагента в колбе второго контура охлаждения ниже уровня охлаждающей жидкости в колбе первого контура охлаждения в течение всего технологического процесса грануляции.

При сборке уровень верхнего края колбы второго контура охлаждения могут размещать выше уровня верхнего края колбы первого контура охлаждения.

В качестве охлаждающей жидкости первого контура могут использовать охлаждающую жидкость с плотностью от 0,7 до 1,2 г/см³, которая исключает возможность загрязнения гранулируемого вещества посторонними примесями и вступление с гранулируемым веществом в химические реакции.

В качестве хладагента второго контура могут использовать воду. При необходимости могут обеспечивать циркуляцию хладагента второго контура. Могут использовать тигель, материал которого исключает возможность смачивания его расплавом гранулируемого вещества и вступление с ним в химические реакции с обеспечением одновременного смачивания его окислами.

При получении сферических гранул грануляцию веществ с плотностью расплава от 1,5 до 5,5 г/см³ могут проводить в охлаждающей жидкости с плотностью от 0,9 до 1,2 г/см³, а с плотностью расплава от 5,5 до 10,5 г/см³ - в охлаждающей жидкости с плотностью от 0,7 до 0,9 г/см³.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым способом, является разработка способа, который можно использовать для грануляции широкого класса материалов, материалов различной степени чистоты, включая высокочистые, при условии использования описанной оснастки, основных и вспомогательных материалов необходимого качества и соответствующей подготовки к процессу. Способ универсален, он обеспечивает возможность использования в одном технологическом цикле, как процесс грануляции вещества, так и процесс фильтрации его расплава одновременно, за счет прохождения (истекания) расплава через фильтрационные, каплеобразующие отверстия. При этом способ характеризуется высокой производительностью. Качество получаемых гранул отвечает требованиям высоких стандартов. При этом трудозатраты и себестоимость получения гранул относительно низкие за счет использования простого устройства состоящего из недорогих комплектующих с высокими эксплуатационными показателями, а так же применением недорогих расходных материалов, и достижения необходимых в работе технологический показателей за счет оптимизации и выверенной точности всех этапов работы с устройством.

Способ относится к методам грануляции расплавов в жидкость и включает в себя возможность использования в одном технологическом цикле, как процесс грануляции вещества, так и процесс фильтрации его расплава, которые протекают одновременно. Способ реализуется в устройстве с вариантом вертикального расположения рабочего реактора с оснасткой. Схематическое изображение реакторной (рабочей) части с оснасткой, размещенные в печи установки грануляции и системой охлаждения гранул показаны на фигуре 1.

Фиг. 1 и 2. Схематическое изображение реакторной (рабочей) части с оснасткой установки грануляции: 1 - крышка реактора, 2 - корпус реактора, 3 - печной блок, 4 - расплав гранулируемого материала, 5 - тигель, 6 - охлаждающая жидкость, 7 - колба первого контура охлаждения, 8 - гранулы материала, 9 - упор, 10 - хладагент второго контура (например, вода); 11 - колба второго контура охлаждения.

Ниже, в соответствии с фигурой 1 приводим более детальное описание конструкции (устройства) и способа, реализованного на ее основе.

Во время технологического процесса реактор размещается в однозонной резистивной печи, таким образом, чтоб вдоль помещенного в него тигля, с расплавом гранулируемого материала, возможно было создать необходимую для проведения процессов температуру.

Реактор установки грануляции изготовлен из кварца и состоит из корпуса 2 и крышки 1 снабженной в верхней части патрубком для подвода инертного газа (в процессах, в зависимости от используемых материалов применяется либо газообразный аргон, либо азот, имеющие марки ОСЧ). Крышка плотно (герметично) соединяется с корпусом реактора. Корпус реактора снабжен упором 9, на котором устанавливается тигель 5 с гранулируемым веществом 4, таким образом, чтоб на нем создавалась температурная полка при помощи печного блока 3 с температурой необходимой для проведения процесса фильтрации и грануляции расплава вещества.

Тигель, размещенный в реакторной части изготавливается из кварца, используемого в электронной промышленности, либо из высокоплотного графита не хуже марки МПГ-6, либо из/или пиролитического/прессованного нитрида бора в зависимости от физико-химических свойств очищаемого материала. В ряде случаев (в зависимости от свойств гранулируемых веществ) графитовые тигли полируются либо уплотняются пироуглеродом в специальных печах.

В нижней части тигля имеется одно, или несколько отверстий, через которые происходит фильтрация расплава с образованием капель, при застывании в жидкости становящихся гранулами 8.

Под реактором размещается колба 7 с охлаждающей жидкостью 6 таким образом, чтоб края реактора были опущены в жидкость создавая жидкостной затвор и обеспечивая герметичность реактора от окружающей атмосферы создавая в нем с помощью продуваемого газа инертную среду. Колба 7 в свою очередь размещается в колбе 11 второго контура охлаждения с хладагентом 10, в роли которого может быть использована вода.

Газ подается сверху, проходит через реактор и барботирует через поверхностный слой охлаждающей жидкости, выходя с внешней стороны нижнего края корпуса реактора (изображено на фигурах). Этот процесс возможен потому, что давление окружающей среды во время осуществления способа равно атмосферному, а давление, создаваемое газом в реакторе, его незначительно превышает. При этом, край реактора, погруженный в охлаждающую жидкость, создает жидкостной затвор, препятствующий попаданию атмосферного воздуха в реактор. Чем глубже будет опускаться нижняя часть реактора в охлаждающую жидкость, тем выше давление в реакторе будет создаваться, что сделает процесс барботажа сложнее и создаст большее «волнение» охлаждающей жидкости при выходе из реактора газового пузыря. Поэтому погружение нижней части корпуса реактора в охлаждающую жидкость производят незначительно, не более нескольких миллиметров.

В способе могут использоваться легко-воспламеняемые жидкости, и гранулируемые материалы 1-3 класса опасности, которые имеют свой ПДК (предел допустимой концентрации), т.е. токсичны, и аргон, тяжелый газ (тяжелее воздуха) не полезен для дыхания. Поэтому все устройство, с реализуемым способом, размещается в замкнутой (герметичной) зоне обвязанной приточно-вытяжной вентиляцией с нижним и верхним отсосом воздушной массы, т.е. выходящие газы и испарения отводятся и фильтруются.

Колба второго контура охлаждения, превышающая по высоте колбу первого контура, может быть снабжена крышкой с патрубком соединенным с вытяжной вентиляцией, для отвода паров различных испарений и инертных газов. При отсутствии крышки, как это изображено на фигурах, иллюстрирующих изобретение, давление над контурами охлаждения атмосферное, локальный отвод инертного газа и паров различных испарений от устройства не осуществляется, поэтому она должна быть размещена в вышеуказанной герметичной зоне.

Размеры оснастки и тиглей определяются объемом очищаемого материала и могут масштабироваться в зависимости от требований производства. Однако, значительное увеличение оснастки может привести к удорожанию процесса за счет усложнения конструктивных решений установки в целом, что может быть не пропорционально к себестоимости получаемого продукта. Кроме того, значительное увеличение в загрузке может повлечь за собой эксплуатационные проблемы, связанные с: увеличением размеров оснастки, что может потребовать дополнительных приспособлений и трудозатрат для ее сборки; сроком службы оснастки, при изменении регламента ее сборки; поиском новых (других) материалов для изготовления оснастки. Все это опять-таки приведет к усложнению узлов установки в целом и повысит стоимость производимого продукта. Поэтому, при конструировании оборудования необходимо учитывать данные проблемы, найдя оптимальный вариант по принципу цена-качество.

Далее приводим описание способа грануляции веществ на описанном устройстве. После загрузки навески исходного вещества 4 в тигель 5 помещаем его в корпус реактора 2, который плотно закрываем крышкой 1. После чего собранный вышеописанным способом реактор размещаем в печном блоке 3 установки. Снизу располагаем колбу 7 с охлаждающей жидкостью 6, погрузив в нее нижний край корпуса реактора, и подсоединяем колбу второго контура охлаждения, заполнив ее хладагентом. Подсоединяем патрубок крышки реактора 1 к газовой линии установки и плавно пропускаем через реактор инертный газ. Создается циркуляция газа через жидкостной затвор, образованный корпусом реактора 2 и охлаждающей жидкостью 7. После заполнения реактора инертным газом включаем нагрев печного блока 3, плавно выводя на температурный профиль относительно тигля 5 необходимый для проведения технологического процесса. При необходимости включаем ток хладагента в колбе второго контура охлаждения.

Принцип действия устройства при реализации способа грануляции веществ состоит в следующем:

В начале технологического процесса, после расплавления вещества, происходит фильтрация расплава исходного вещества из загрузочного тигля 5 с формированием капли. Особенностью загрузочного тигля является то, что он имеет легкую конусность внутренней части (для удобства выгрузки тигельного остатка), в нижней части выполнено необходимое количество фильтрационных отверстий диаметром от 0,5 до 1,0 мм (в зависимости от физических свойств, уровня чистоты и окисления гранулируемого вещества). Тигель выполнен из материала, не смачиваемого расплавом исходного вещества, при этом он должен смачиваться его окислами. Данная операция проходит в инертной атмосфере с незначительным избыточным давлением (не более 0,1 атм.) создаваемым за счет жидкостного затвора и при температурной полке в зоне тигля 5 на уровне, превышающем температуру плавления вещества на 60÷150° (в зависимости от физических свойств исходного материала). Сущность процесса фильтрации заключается в том, что после расплавления исходного вещества происходит рафинирование расплава прохождением через фильтровальные, каплеобразующие отверстия. При этом происходит механическое отделение крупных неметаллических включений и адгезионная очистка тонко дисперсных неметаллических включений, которые остаются в расплаве. На поверхности расплава в тигле находится окисная пленка, образованная за счет естественного окисления кусочков исходной загрузки помещенной в тигель перед плавлением, в которой, в частности, задерживается ряд тяжелых примесей. Окисная пленка смачивает поверхность тигля и за счет действия сил поверхностного натяжения не дает всему расплаву профильтроваться. Количество фильтрационных отверстий подбирается таким образом, чтоб в зависимости от свойств рафинируемого-гранулируемого материала и степени его загрязнения и окисления за счет сил поверхностного натяжения и смачивания процесс фильтрации-грануляции останавливался при тигельном остатке равном -10% от загрузки исходного материала. Диаметр фильтрационных отверстий выбирается в зависимости от физических свойств гранулируемых материалов, таким образом, чтоб размер диаметра гранул составлял от 1 до 4 мм.

В случае грануляции высокочистых веществ используется конструкция тигля, показанная на фигуре 2. Как правило, в таком случае тигель выполнен из кварца подвергнутого специальной химической обработке, с целью уменьшения его смачивания расплавом фильтруемого-гранулируемого вещества и имеет одно фильтрационное отверстие в своей нижней части. В этом случае расплав практически полностью подвергается фильтрации-грануляции с выходом годного продукта практически в 100% при этом незначительные окислы, имеющиеся на расплаве, остаются на нижней, конической части тигля.

Сформировавшаяся капля расплава, отделяясь от тигля 5, проходит определенный путь, до погружения в охлаждающую жидкость 6 и затвердевание в ней, находясь в инертной среде, препятствующей окислению расплава. Расстояние между охлаждающей жидкостью 6 и дном тигля 5 стараются сделать таким, чтоб воспрепятствовать интенсивному перегреву охлаждающей жидкости 6, но так, чтоб расплавленная капля под действием сил поверхностного натяжения сформировалась в сферическую гранулу 8 непосредственно в охлаждающей жидкости 6 не успев затвердеть ранее, т.е. расстояние может определятся либо физическими свойствами гранулируемого вещества 4, либо интенсивностью съема тепловой энергии с колбы 7 с охлаждающей жидкостью 6 хладагентом 10 (при этом, во втором случае оно может быть и минимальным). Минимальное расстояние при наиболее низкой температуре технологического процесса стремящейся к комнатной определяется отсутствием контакта охлаждающей жидкости с электрической частью печного блока и зависит от уровня волнения охлаждающей жидкости вызванного прохождением инертного газа через жидкостной затвор и разлета капель охлаждающей жидкости при погружении в нее капель расплавленного вещества в процессе грануляции. Температура охлаждающей жидкости при опытных условиях использования метода и устройства менялась от 10 до 60°С, что ни как не сказывалось на качестве гранул.

Однако, при значительном перегреве расплава происходит не формирование капли, а сливание через фильтрационные отверстия небольших струй расплава, которые при попадании в охлаждающую жидкости разбиваются при охлаждении и кристаллизуются в сферические гранулы более крупного размера. Поэтому перегрев расплава на определенную величину с целью получения гранул необходимого размера для каждого вещества индивидуален, определяется его свойствами и подбирается опытным путем.

Выбор охлаждающей жидкости 6 так же в значительной степени зависит от физических свойств гранулируемого в ней вещества 4. К охлаждающей жидкости 6 применимы следующие требования: она не должна дополнительно загрязнять гранулируемое вещество посторонними примесями и не вступать с ней в химические реакции; должна обеспечивать возможность формирования сферических гранул для гранулируемого в нее вещества, т.е. иметь необходимую плотность и как следствие определенную вязкость и поверхностное натяжение; быть недорогой в использовании и/или в очистке (регенерации) и/или утилизации; быть относительно безвредной для окружающей среды.

Опытным путем установлено, что грануляцию веществ 4 с плотностью расплава: от 1,5 до 5,5 г/см³ при условии получения сферических гранул целесообразно проводить в охлаждающие жидкости 6 с плотностью от 1,2 до 0,9 г/см³, а от 5,5 до 10,5 г/см³ в охлаждающие жидкости 6 с плотностью от 0,9 до 0,7 г/см³. При условии соблюдения вышеописанных требований к охлаждающим жидкостям 6. Например, при грануляции расплава сурьмы (имеющей плотность расплава 6,53 г/см³) в деионизованную воду (имеющую плотность 1,0 г/см³) образуются гранулы, имеющие чешуйчатую форму, а при ее грануляции в изопропиловый спирт марки ОСЧ (имеющий плотность 0,7851 г/см³) при тех же технологических условиях получаются сферические гранулы.

Необходимо отметить, что охлаждающие жидкости 6 с плотностью менее 1,0 г/см³ соответствующие сформулированным нами требованиям в большинстве своем относятся к легко воспламеняемым жидкостям. Поэтому отличительной особенностью грануляции в них является использование в качестве инертного газа аргона марки ОСЧ. При этом уровень верхней кромки колбы охлаждения второго контура 11 должен на несколько сантиметров превышать уровень колбы 7 с охлаждающей жидкостью 6, с целью предотвращения возгорания последней, при высоких температурах проведения технологического процесса. В случае применения в качестве охлаждающей жидкости 6 веществ не относящихся к легко воспламеняемым, возможно использования в качестве продуваемого через реактор газа азот марки ОСЧ.

Положительным явлением при попадании капель во время технологического процесса в охлаждающую жидкость и их грануляции, является то, что гранулы 8 не концентрируются в нижней центральной части колбы 7, а разбрасываются по всей площади ее донной части. Эффект вызван прохождением газовых пузырей (инертного газа) через жидкостной затвор. Это в частности обеспечивает и циркуляцию охлаждающей жидкости 6 в колбе с усреднением температурного профиля в ней.

С увеличением объема гранул 8 в колбе 7 происходит перелив охлаждающей жидкости 6 из колбы 7 в колбу второго контура охлаждения 11. Поэтому необходимо, чтоб уровень хладагента 10 в колбе 11 второго контура охлаждения был и поддерживался ниже уровня охлаждающей жидкости 6 в колбе 7 в течение всего технологического процесса. Кроме того, в зависимости от необходимой эффективности отвода тепла от колбы 7 с охлаждающей жидкостью 6, колба 11 контура охлаждения которого может быть выполнена как в варианте с протоком хладагента 10 (фигура 1), так и без него (фигура 2).

Необходимо добавить, что устройство и способ для ряда веществ, с целью увеличения производительности, могут быть снабжены известными устройствами дозагрузки гранулируемого вещества в тигель и известными устройствами выгрузки гранул из колбы, которые применяются в цветной металлургии и электронной промышленности.

После проведения вышеописанных операций печной блок выключается, продувка инертным газом уменьшается до минимальных значений, реактор с оснасткой в свою очередь охлаждается, после чего происходит его разборка. Тигельные остатки и полученный гранулированный материал извлекаются, гранулы промываются в этиловом спирте и сушатся в сушильном вакуумном шкафе, производится отбор необходимых проб и упаковка материалов. Оснастка и реактор подвергаются необходимой обработке и подготовке к следующему процессу фильтрации-грануляции.

Таким образом, заявляемый способ положительно отличается от всех известных способов следующим (далее перечислены все положительные отличительные признаки, включая те, которые развивают и дополняют заявляемое техническое решение, не являясь при этом признаками, определяющими испрашиваемый объем прав):

- наличием единого технологического пространства для размещения тигля с гранулируемым материалом, создающим направленный поток инертного газа обеспечивающим отсутствие контакта материала, расплава и его капель, с атмосферой препятствуя их окислению (за счет герметичности реактора создаваемого с одной стороны газовой системой установки, а с другой жидкостным затвором);

- наличием совмещения (для материалов низкой чистоты) процесса грануляции с процессом фильтрации расплава;

- возможностью использования тиглей разной конфигурации и материалов для их изготовления, обеспечивающих расширение возможности их применения для грануляции (фильтрации) широкого спектра веществ с различными физическими свойствами, требования к которым заключаются в том, что материал тигля не должен смачиваться расплавом гранулируемого вещества и не вступать с ним в химические реакции, но должен смачиваться его окислами;

- наличием второго охлаждающего контура способствующего грануляции веществ с температурой плавления до 1150°С (ограничивается за счет возможностей использования в качестве реактора кварцевого стекла), и расширяющим возможности использования широкого спектра охлаждающих жидкостей в первом контуре;

- использованием охлаждающей жидкости, способствующей за счет своих физических свойств и свойств гранулируемого вещества к образованию сферических гранул к которой предъявляются следующие требования: она не должна дополнительно загрязнять гранулируемое вещество посторонними примесями и не вступать с ней в химические реакции; должна обеспечивать возможность формирования сферических гранул для гранулируемого в нее вещества, т.е. иметь необходимую плотность и как следствие определенную вязкость и поверхностное натяжение; быть недорогой в использовании и/или в очистке (регенерации) и/или утилизации; быть относительно безвредной для окружающей среды (опытным путем установлено, что грануляцию веществ с плотностью расплава: от 1,5 до 5,5 г/см3 при условии получения сферических гранул целесообразно проводить в охлаждающие жидкости с плотностью от 1,2 до 0,9 г/см³, а от 5,5 до 10,5 г/см³ в охлаждающие жидкости с плотностью от 0,9 до 0,7 г/см³);

- использованием газов с различными физическими характеристиками (например, как легче, так и тяжелее воздуха) для создания инертной атмосферы в зависимости от применяемой в том или ином процессе охлаждающей жидкости и ее свойств, при этом в процессе грануляции в реакторной части образуется избыточное давление инертного газа, что полностью препятствует возможности попадания в систему атмосферного воздуха и окислению материалов.

На основе разработанного способа было создано опытное оборудование, на котором проводились процессы промышленной грануляции широкого класса материалов (веществ) различной степени чистоты (от 3N до 6N5) в широком диапазоне плотностей, например: сера, селен, теллур, сурьма, цинк, кадмий, висмут, свинец, многокомпонентные твердые растворы на основе теллурида висмута. Максимальная загрузка гранулируемого вещества в установке этой конструкции составила 5 кг. При грануляции высокочистых материалов загрязнение их посторонними примесями не было выявлено. Анализ полученного опыта работы на описанном оборудовании, позволил сформулировать необходимый и достаточный минимум признаков способа, отвечающего заданным параметрам.

Ниже приводим способ грануляции цинка, по описанным способу и устройству. Используют тигель изготовленный из графита марки МПГ-7 уплотненный пироуглеродом. Тигель имеет небольшую конусность. В его нижней части выполнено семь отверстий диаметром 0,7 мм. В тигель загрузили три слитка цинка марки 5N прошедших предварительную химическую подготовку. Масса загрузки составила 2500 г. После загрузки навески исходного материала в тигель его помещают в корпус кварцевого реактора и плотно закрывают его кварцевой крышкой. После чего собранный вышеописанным способом реактор размещают в печном блоке установки. Снизу располагают колбу первого контура охлаждения, в которую заливают 3,0 литра изопропилового спирта, погружают в нее нижний край корпуса реактора на 10 мм, обеспечивая герметичность реактора жидкостным затвором. Расстояние между зеркалом охлаждающей жидкости и дном тигля с отверстиями составляет 250 мм. Под колбу первого контура охлаждения размещают колбу второго контура охлаждения, предварительно заполнив ее водой. Колбу с охлаждающей жидкостью и колбу второго контура охлаждения располагают относительно друг друга в соответствии с вышеприведенным описанием. Далее подсоединяют патрубок крышки реактора к газовой линии установки и плавно пропускают через реактор аргон. Через пять минут после начала продувки включают нагрев печного блока. Рабочая температура процесса составляла 550°С. После выхода печного блока на режим и 20 минутной выдержки самопроизвольно начинает происходить процесс грануляции расплава цинка. Температура охлаждающей жидкости контролируется и во время всего процесса не превышает 35°С. После окончания процесса грануляции отключают нагрев печного блока, уменьшают ток аргона и проводят остывание установки в инертной среде, после чего разбирают реактор, извлекают тигель с остатком исходного вещества. Вес тигельного остатка составляет 280 г. Из колбы сливают изопропиловый спирт, полученные гранулы цинка тщательно промывают в этиловом спирте, после чего помещают в вакуумный сушильный шкаф и сушат в вакууме при температуре 80°С. Полученный таким образом материал упаковывают в стеклянные химические банки, заполнив аргоном. Полученные гранулы цинка имеют серую блестящую поверхность, размер гранул составляет 2,0÷2,5 мм.

От гранулированного материала при этом была отобрана контрольная технологическая проба. Технологические пробы материала отбирали и на входной контроль. Пробы подготавливали и отправляли на исследования элементного состава. Элементный анализ осуществляли масс-спектральным методом в ООО «АРМОЛЕД» на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой NexION. По результатам анализа в результате фильтрации цинка произошла его очистка по четырем примесям, дополнительного загрязнения по другим примесям выявлено не было. Результат показан в таблице 1.

Изобретение относится к химической промышленности и металлургии, а именно к жидкостной грануляции, и предназначено для производства сферических гранул веществ. Грануляции подвергают вещества, температура плавления которых не превышает 1150°С. Способ осуществляют в устройстве, содержащем реактор, состоящий из корпуса и крышки, подключенный к системе подачи инертного газа, с размещенным внутри тиглем с исходным веществом с по крайней мере одним отверстием, печной блок и колбы первого и второго контура охлаждения. При сборке тигель помещают в корпус реактора, а нижний край корпуса реактора погружают с образованием жидкостного затвора в колбу первого контура охлаждения с охлаждающей жидкостью, которую совмещают с колбой второго контура охлаждения, предварительно заполнив ее хладагентом. Охлаждающую жидкость для первого контура используют иную по физико-химическим свойствам, чем хладагент второго контура охлаждения. Реактор заполняют инертным газом, создают избыточное давление и циркуляцию инертного газа через жидкостный затвор. Нагревают печной блок, а после расплавления исходного вещества при его вытекании из тигля обеспечивают фильтрацию его расплава и формирование гранул сначала в атмосфере инертного газа, а затем в охлаждающей жидкости первого контура и их разброс по всему дну колбы первого контура охлаждения за счет барботажа охлаждающей жидкости инертным газом, проходящим через реактор. Обеспечивается грануляция широкого класса материалов, материалов различной степени чистоты, включая высокочистые. 9 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ грануляции веществ, температура плавления которых не превышает 1150°С, характеризующийся тем, что его осуществляют в устройстве, содержащем реактор, состоящий из корпуса и крышки, подключенный к системе подачи инертного газа, с размещенным внутри тиглем с исходным веществом с по крайней мере одним отверстием, печной блок и колбы первого и второго контура охлаждения, при этом при его сборке тигель помещают в корпус реактора, при этом нижний край корпуса реактора погружают с образованием жидкостного затвора в колбу первого контура охлаждения с охлаждающей жидкостью, которую совмещают с колбой второго контура охлаждения, предварительно заполнив ее хладагентом, причем используют охлаждающую жидкость для первого контура иную по физико-химическим свойствам, чем хладагент второго контура охлаждения, заполняют реактор инертным газом, создают избыточное давление и циркуляцию инертного газа через жидкостной затвор и осуществляют плавный нагрев печного блока, при этом после расплавления исходного вещества при его вытекании из тигля обеспечивают фильтрацию расплава исходного вещества и формирование гранул сначала в атмосфере инертного газа, а затем в охлаждающей жидкости первого контура и их разброс по всему дну колбы первого контура охлаждения за счет барботажа охлаждающей жидкости инертным газом, проходящим через реактор.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при грануляции глубину погружения корпуса реактора поддерживают на таком уровне, чтобы, сохраняя жидкостной затвор, исключить контакт охлаждающей жидкости с печным блоком и тиглем в процессе барботажа.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при грануляции поддерживают расстояние между охлаждающей жидкостью первого контура и тиглем, обеспечивающее формирование под действием сил поверхностного натяжения гранул в сферическую форму непосредственно в охлаждающей жидкости при исключении возможности интенсивного перегрева охлаждающей жидкости или затвердения расплавленного вещества в атмосфере инертного газа.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поддерживают уровень хладагента в колбе второго контура охлаждения ниже уровня охлаждающей жидкости в колбе первого контура охлаждения в течение всего технологического процесса грануляции.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при сборке уровень верхнего края колбы второго контура охлаждения размещают выше уровня верхнего края колбы первого контура охлаждения.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей жидкости первого контура используют охлаждающую жидкость с плотностью от 0,7 до 1,2 г/см³, которая исключает возможность загрязнения гранулируемого вещества посторонними примесями и вступление с гранулируемым веществом в химические реакции.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве хладагента второго контура используют воду.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при необходимости обеспечивают циркуляцию хладагента второго контура.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют тигель, материал которого исключает возможность смачивания его расплавом гранулируемого вещества и вступление с ним в химические реакции с обеспечением одновременного смачивания его окислами.

10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что при получении сферических гранул грануляцию веществ с плотностью расплава от 1,5 до 5,5 г/см³ проводят в охлаждающей жидкости с плотностью от 0,9 до 1,2 г/см³, а с плотностью расплава от 5,5 до 10,5 г/см³ - в охлаждающей жидкости с плотностью от 0,7 до 0,9 г/см³.