Проектирование технологической линии по производству силикатного кислотоупорного цемента

Ниже приведены примеры промышленного производства жидкого стекла, изложенные с использованием проектных проработок , а также технологических инструкций по варке жидкого стекла на некоторых предприятиях.

Получение натриевого жидкого стекла во вращающихся автоклавах [6]

Силикат натрия (силикат-глыба) доставляется в склад по железной дороге в вагонах с нижней выгрузкой (полувагонах) и выгружается в завальные ямы. Из завальных ям 2 силикат-глыба грейферным краном 1 засыпается в штабеля по всей площади склада. По мере потребления силикат-глыба из штабеля грейферным краном подается через бункер-воронку 3 в поточно-транспортную систему, состоящую из питателя 4, ленточного конвейера с железоотделителем6, элеватора 7, и поступает в бункер-весы.На весах отвешивается заданная порция силикат-глыбы, которая реверсивным конвейером 9 подается во вращающийся автоклав объемом 45 м3. В автоклав подается горячая вода из мерника. По окончании загрузки автоклава закрывают его люк болтами и начинают процесс варки. Для этого в автоклав подают острый пар давлением 1,0 МПа и включают механизм вращения автоклава. После достижения давления в автоклаве 0,8 МПа подачу пара прекращают, и далее процесс идет за счет тепла реакции (экзоэффект растворения — 1344 кДж/кг силикат-глыбы)[1], при этом давление в автоклаве поднимается до 1,0 МПа. Для поддержания постоянного давления в процессе растворения силиката натрия в автоклаве производят периодически его подпитку паром. Длительность варки 1 ч 30 мин или 1 ч 50 мин (включая загрузку)   [1].

Рис. 1     Технологическая линия получение натриевого жидкого стекла во вращающихся автоклавах

По окончании процесса производят слив раствора жидкого стекла. Для этого прекращают подачу пара, вращение автоклава останавливают в таком положении, чтобы фланец сливного устройства совпал с фланцем сливного коллектора, и жестко соединяют фланцы, затем открывают спускную задвижку на автоклаве. Жидкое стекло передавливается в промежуточную емкость остаточным давлением, имеющимся в автоклаве. Паровоздушная смесь, сопровождающая раствор жидкого стекла, удаляется из емкости в атмосферу через ловушку, где происходит расширение паровоздушной смеси и улавливание брызг. Из ловушки предусмотрен слив в сборник промвод.

Окончание выпуска жидкого стекла определяется по быстрому падению давления в автоклаве (по манометру). Из емкости отбирают пробу раствора жидкого стекла и определяют его плотность и силикатный модуль. Из промежуточной емкости жидкое стекло направляют в один из отстойников 12. В отстойнике происходит отстаивание жидкого стекла от механических примесей в течение 24 ч. По мере накопления шлама в отстойнике производят его выгрузку (1 раз в 2—3 мес). Для этого в отстойник подают горячую воду и перемешивают шлам сжатым воздухом. Промытый шлам насосом подают на фильтр-пресс 13. Фильтрат, представляющий собой слабый раствор силиката натрия, сфильтр-пресса самотеком стекает в сборник 14, откуда насосом через теплообменник подается в мерник 15 вместо свежей воды, используемой на растворение силикат-глыбы в автоклаве. По мере накопления шлама на фильтре производят его чистку, шлам через корыто-течку выгружают в автомашину и вывозят в отвал.

Получение жидкого стекла в стационарных автоклавах

Рис. 2 Технологическая линия получение жидкого стекла в стационарных автоклавах

Силикат-глыба поступает в склад по железной дороге в полувагонах 1 и выгружается в завальные ямы2, затем грейферным краном распределяется на площади склада, где хранится в штабеля; В производство силикат-глыба подается грейферным краном бункер-воронку 4,снабженную вибраторами. Из бункера силикат-глыба через питатель 5, ленточный транспортер 6, элеватор 7 поступает на ленточный транспортер 8 с плужковыми сбрасывателями. Плужковые сбрасыватели силикат-глыбу загружают в один из бункеров 9, снабженных сигнализаторами верхнего уровня. Автоклав 10 представляет собой стационарный вертикальный сосуд (объем 10 м3, диаметр 1600 мм, высота 4500 мм), снабженный предохранительным клапаном и взрывной мембраной, срабатывающими при повышении давления в аппарате. Из бункера 9 Силикат-глыбу подают в автоклав, при этом автоклав загружают глыбой на 2/3 объема (2,5 т). По окончании загрузки силикат - глыбы в автоклав начинает поступать вода из мерника объемом 10 м3; уровень воды в автоклаве после заполнения на 1,0 см ниже уровня силикат-глыбы. После загрузки люк автоклава герметично закрывают и в автоклав подают острый пар давлением 0,7 МПа. При достижении в автоклаве давления 0,45 МПа подачу пара прекращают, и далее процесс идет за счет тепла реакции растворения. Степень разварки силикат-глыбы — 95—97%. Температура варки в автоклаве — 150—180 °С, давление 0,4—0,5 МПа. Длительность процесса варки — 6 ч, в том числе: загрузка — 0,5, нагрев — 0,5, варка — 3,5, разгрузка — 0,5, дополнительные операции— 1 ч.

По окончании процесса варки снижают давление в автоклаве до 0,3—0,4 МПа путем сброса его в соседний автоклав, в котором ведется нагрев. Остаточным давлением раствор передавливают в отстойник объемом 100 м3.

 

 

 

Получение калиевого жидкого стекла

Рис. 3

 

 

 

 

В соответствии с технологической схемой участка получения калиевого жидкого стекла силикат калия растворимый (силикат-глыба) поступает на склад сырья в крытых железнодорожных вагонах или полувагонах навалом. Со склада силикат - глыба в контейнерах 1 подается в бункер 2. Из бункера силикат - глыба пластинчатым питателем 3 подается на молотковую дробилку 4.Дробленая силикат-глыба выгружается в контейнер 1 и подается к автоклаву 6. Автоклав, вращающийся вместимостью 3,2 м3; единовременная загрузка 2,6 т (при коэффициенте заполнения 0,6). Контейнер с силикат-глыбой талью устанавливается над Анкером 5, и силикат-глыба выгружается из контейнера через бункер в автоклав 6. В автоклав из сборника 7 заливается горячая 8ода на 20 см выше уровня глыбы. Соотношение глыба:вода составляет 1:1. Разваркасиликат-глыбы производится острым паром, подаваемым по трубопроводу в автоклав до достижения Явления в автоклаве 0,6—0,7 МПа. После этого подача пара в автоклав прекращается, и дальнейший процесс растворения силиката происходит за счет тепла реакции. Контроль процесса осуществляется по плотности жидкого стекла. Из автоклава жидкое стекло с плотностью 1,34—1,36 т/м3 передавливается паром в один аппаратов с перемешивающим устройством 8. В аппарате 8 при необходимости производится дополнительное упаривание или раз - мнение жидкого стекла. Предусмотрена подача различных добавок (например, модифицирующих) в автоклав через сборник 9 и в аппарат 10 через сборник 11. Жидкое стекло из аппаратов 10 насосы 12 через патронный фильтр 13 подают в трехсекционный отстойник 14, в котором жидкое стекло выдерживается в течение 2-х сут. Собирающийся в нижней части отстойника шлам выгружают 1 раз в 2—3 мес и вывозят в отвал. Чистое жидкое стекло из отстойника насосом перекачивается в склад готовой продукции, где фасуется в металлические фляги, бочки или барабаны, установленные на весах.

Для получения жидкого стекла из силикат-глыбы безавтоклавным способом, натриевую силикат-глыбу (модуль 2,6—3,0) размалывают в шаровой мельнице до размера частиц мельче 5 мм. В механический лопастной смеситель заливают  925 л воды, затем подают пар и включают смеситель. После нагревания воды до 70 °С при непрерывном перемешивании постепенно загружают силикат - глыбу в количестве 650 кг. По окончании разгрузки глыбы мешалку закрывают крышкой и раствор доводят до кипения (избыток пара отводится). Общая продолжительность варки 5,5—6 ч. Контроль завершенности варки осуществляют по плотности раствора.

1.5.2 Способ получения кремнефтористого натрия (патент РФ № 2448901)[8]

Способ получения кремнефтористого натрия включает взаимодействие кремнефтористоводородной кислоты и карбоната натрия с последующим отстаиванием суспензии и сушкой продукта. Причем кремнефтористоводородную кислоту предварительно смешивают с маточным раствором, отобранным после стадии отстаивания суспензии кремнефтористого натрия, в объемном соотношении 1:1-2. Взаимодействие реагентов проводят в трубчатом реакторе. Способ позволяет снизить металлоемкость процесса, исключить энергозатраты на стадии смешения реагентов.

Изобретение относится к получению соединений фтора и может быть использовано в производстве кремнефторида натрия (КФН) из кремнефтористоводородной кислоты (КФВК).

-Известен способ получения кремнефторида натрия из фторсодержащих газов производств экстракционной фосфорной кислоты и удобрений путем их водной абсорбции, нейтрализации полученной КФВК содой или едким натром при рН 0,2-3,0 в течение 0,25-1 ч, отстаивания полученных кристаллов, их отделения и сушки. Нейтрализацию кислоты проводят в трех каскадно расположенных емкостных реакторах, снабженных мешалками для перемешивания реакционной массы. Получают основную массу кристаллов кремнефторида натрия с размером 40-60 мкм.

Недостатком способа является продолжительность и значительная металлоемкость процесса.

-Известен способ получения кремнефтористого натрия взаимодействием кремнефтористоводородной кислоты с карбонатом натрия, включающий одновременное смешение и сушку полученной суспензии, причем смешение КФВК с карбонатом натрия ведут в течение 1,5-2 мин при рН 2,2-2,8. Способ позволяет получить кремнефтористый натрий с остатком на сите 0063 не более 14-15% и исключить стадию размола высушенного продукта [А.с. № 566764, кл.С01В 33/10, 1976].

Недостатком способа является сложность процесса из-за необходимости обеспечения одновременного смешения реагентов и сушку, а также металлоемкость процесса.

-Известен способ получения кремнефтористых солей, в том числе кремнефтористого натрия (КФН), включающий смешивание КФВК со щелочными соединениями натрия до рН 1,5-3,0 не более чем за 3 с. Смешение реагентов проводят в реакторе с пропеллерной мешалкой. Способ позволяет снизить содержание диоксида кремния в готовом продукте [патент РФ № 2024429, кл.С01В 33/10, 1991].

Недостатком способа являются высокиеэнергозатраты на смешение реагентов.

-Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения кремнефтористого натрия путем взаимодействия КФВК с карбонатом натрия в многоступенчатом цикле с последующим отстаиванием суспензии и сушкой продукта в аппарате кипящего слоя. Предварительно кремнефтористоводородную кислоту смешивают с суспензией КФН, отобранной после последней ступени взаимодействия, в объемном соотношении 1:1-3. Взаимодействие реагентов с получением суспензии КФН осуществляют в четыре ступени в емкостных реакторах, причем время пребывания реакционной массы на каждой ступени составляет 25-30 мин. За счет предварительного смешения КФВК с суспензией КФН и заданного объемного соотношения материальных потоков снижается вероятность протекания побочного процесса с образованием диоксида кремния, загрязняющего целевой продукт. Реакторы с объемом по 16 м3 снабжены мешалками с электродвигателями мощностью 22 кВт. Реакторы изготовлены из углеродистой стали, изнутри футерованы [А.с. № 1204562, Кл.С01В 33/10, 1983].

Недостатком способа является многоступенчатость процесса, высокая металлоемкость и относительно высокие затраты на смешение реагентов. Использование для рецикла суспензии кремнефторида натрия, содержащей твердую фазу, приводит к забиванию коммуникаций и оборудования.

Цель изобретения - уменьшение металлоемкости и энергозатрат на осуществление стадии смешения реагентов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения кремнефторида натрия путем взаимодействия кремнефтористоводородной кислоты с карбонатом натрия с последующим отстаиванием суспензии и сушкой продукта, взаимодействие реагентов осуществляют в трубчатом реакторе, причем предварительно кремнефтористоводородную кислоту смешивают с маточным раствором, отобранным после стадии отстаивания суспензии, в объемном соотношении 1:1-2.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

рис.4    трубчатый реактор для осуществления нейтрализации КФВК содовым раствором,

Трубчатый реактор (рис.4) представляет собой полый вертикальный цилиндрический аппарат 1 с внутренним диаметром 400-500 мм, высотой 1600-2000 мм, снабженный двумя технологическими штуцерами 2, 3 для тангенциального ввода раствора карбоната натрия (содового раствора) и смеси КФВК и маточного раствора, выходным штуцером 4 с диаметром 89-120 мм для отвода суспензии КФН, съемными крышками 5 и 6. На верхней крышке 5 реактора имеется щтуцер 7 для отвода углекислого газа. На нижней крышке 6 реактора имеется штуцер 8 для слива реакционной массы после остановок технологического процесса, при ведении осмотра и ремонтных работ. Штуцера 2, 3 с диаметром 45-57 мм тангенциального ввода реагентов расположены в нижней части реактора, причем ввод смеси КФВК и осветленного маточного раствора осуществляется по нижнему штуцеру 3, ввод содового раствора - по штуцеру 2. Крышки 5 и 6 реактора изготавливаются съемными в целях обеспечения осмотра и чистки реактора. Реактор изготавливается из материалов, коррозионно-устойчивых к действию фтористых соединений и кислот, например из фторопласта - 4 по ГОСТ 10007-80. Рабочий объем трубчатого реактора составляет 0,2-0,25 м3.

Сущность способа заключается в следующем. Взаимодействие кремнефтористоводородной кислоты с карбонатом натрия с образованием кремнефторида натрия протекает с выделением газообразного углекислого газа СO2

H2SiF6+Nа2СО 3=Na2SiF6 +H2O+CO2

Процесс смешения реагентов можно интенсифицировать, проводя его в трубчатом реакторе, используя для перемешивания реакционной массы выделяемый поток углекислого газа. При этом достигается тщательное и объемное перемешивание всей реакционной массы без затрат энергоресурсов, исключаются локальные пересыщения раствора кислоты карбонатом натрия и возможность протекания побочных реакций с образованием диоксида кремния и фтористого натрия. Время пребывания реакционной массы в реакторе составляет 0,5-1 мин, что достаточно для полного протекания реакции нейтрализации кремнефтористоводородной кислоты. Трубчатый реактор заменяет собой каскад из трех емкостных реакторов, снабженных перемешивающими устройствами, чем достигается снижение металлоемкости процесса получения КФН и исключаются энергозатраты на стадии смешения реагентов.

Предварительное смешение КФВК маточным раствором в заданном объемном соотношении 1:1-2, использование для рецикла осветленного маточного раствора позволяют проводить процесс получения кремнефторида натрия без протекания побочных реакций и без забивания оборудования и коммуникаций твердыми отложениями. Уменьшение объемного соотношения КФВК и маточного раствора ниже 1:1 приводит к снижению содержания основного вещества в готовом продукте. Повышение указанного соотношения выше 1:2 требует увеличения энергозатрат на обеспечение повышенного расхода маточного раствора на рецикл без повышения качества готового продукта.

рис.5 принципиальная схема получения кремнефторида натрия с использованием трубчатого реактора

На рис. 5 приведена принципиальная схема получения кремнефторида натрия с использованием трубчатого реактора и рециклом маточного раствора. Исходная КФВК предварительно смешивается с маточным раствором в объемном соотношении кислота: маточный раствор = 1:1-2 и подается в трубчатый реактор 9 по нижнему штуцеру. В трубчатый реактор 9 также подается требуемое количество карбоната натрия в виде содового раствора по верхнему штуцеру. За счет выделяемого углекислого газа реакционная масса интенсивно перемешивается. Из выходного штуцера получаемая суспензия КФН самотеком отводится в отстойник 10. Углекислый газ через штуцер на крышке реактора выбрасывается в атмосферу. Сгущенная пульпа кристаллов кремнефтористого натрия из нижней части отстойника 10 отводится в сборник 11, откуда насосом 12 направляется на стадию сушки. Из верхней части отстойника осветленный маточный раствор сливается в сборник 13, откуда насосом 14 маточный раствор в заданном объемном соотношении подается на предварительное смешение с КФВК, а избыток раствора - направляется на утилизацию.