一种高品质气相法二氧化硅的制造方法与流程

1.本发明涉及无机纳米粉体制备技术领域，具体涉及一种高品质气相法二氧化硅的制造方法。


背景技术：

2.气相法白炭黑(气相法二氧化硅)是一种高科技的无机纳米精细化工产品，在高温高流速下生成二氧化硅原生粒子(粒径5-40nm)，原生粒子不会以单独粒子的形式存在，此粒子经高温、高速碰撞，单个粒子之间形成链状结构二次粒子(粒径200-500nm)，再聚集成絮状聚集体(粒径约为200-500纳米)，这种絮状聚集体具有高比表面积(100-400平方米/克)、高填充、高空隙率的独特结构，还具有补强性、增稠性、触变性、消光性、分散性和绝缘性等，广泛地应用在橡胶、涂料、胶粘剂、化妆品、医药、农药、油墨、塑料、医药、农药、密封剂、胶体电池、抛光液、干燥粉末体系等诸多工业领域，发展前景十分广阔。
3.目前，国外掌握气相法二氧化硅制造技术的只有少数几个国家，特别是气相法二氧化硅生产装置核心设备水解炉系统、脱酸反应器系统，工艺性能、设备性能技术先进，可以生产具有高粘度、高分散性、高透明性的高品质气相法二氧化硅产品，产品价格高、质量好。
4.我国还没有完全掌握气相法二氧化硅生产装置的核心技术，特别是我国气相法二氧化硅生产装置核心设备水解炉系统、脱酸反应器系统，工艺性能、设备性能、控制功能有限，且不强大，所以产品应用性能与国外产品差距很大，不具备生产高品质二氧化硅产品的技术条件。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高品质气相法二氧化硅的制造方法，所制造的气相法二氧化硅具有高粘度、高分散性、高透明度的特点。
6.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种高品质气相法二氧化硅的制造方法，该方法是将混合反应气体投入到水解反应器中进行燃烧水解反应，生成二氧化硅一次粒子(二氧化硅分子和/或分子簇)；二氧化硅一次粒子很快进行成核、生长、凝结为原生粒子，原生粒子之间发生相互碰撞并在水解反应器和聚集器中凝结成链状的聚集体颗粒；所得聚集体颗粒再依次经气固分离器分离、脱酸反应器脱酸和脱渣、包装机包装即得到所述高品质气相法二氧化硅成品。
8.该方法具体包括如下步骤：
9.(1)所述混合反应气体中各成分分别预热后进入气体混合器组件进行混合；
10.(2)将混合反应气体投入到水解反应器中进行水解反应，反应温度为1600-1800℃，经水解反应器处理后的物料输送至聚集器中；其中：混合反应气体进行水解反应生成二氧化硅一次粒子(二氧化硅分子和/或分子簇)；二氧化硅一次粒子在水解反应器和聚集器中凝聚生成链状结构的聚集态粒子；
11.(3)在聚集器中的聚集态粒子经旋风分离器进行旋风分离后(进入气固分离器分离的气体温度为300-350℃)，进入卧式脱酸反应器(脱酸炉)中完成脱酸和排渣过程；
12.(4)在脱酸炉中完成脱酸和排渣的气相二氧化硅采用真空压缩包装技术，由包装罐进入包装机中，再由包装机包出成品。
13.进一步地，所述混合反应气体组成按体积份数计如下：
14.四氯化硅气体或一甲基三氯硅烷气体
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1份；
15.氢气或丙烷气
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0.2-2.5份；
16.空气
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5-20份。
17.进一步地，所述混合反应气体优选包括如下四种组成：
18.组成ⅰ：空气、氢气和四氯化硅的体积比6.5：2.4：1；
19.组成ⅱ：空气、氢气和一甲基三氯硅烷的体积比为16.5：1.5：1；
20.组成ⅲ：空气、丙烷和四氯化硅的体积比为6.5：0.5：1；
21.组成ⅳ：空气：丙烷和一甲基三氯硅烷的体积比为16.5：0.4：1。
22.进一步地，步骤(1)中，所述混合反应气体中各成分预热时，空气的预热温度为150-200℃，氢气或丙烷的预热温度为60-80℃，四氯化硅气体或一甲基三氯硅烷气的预热温度为150-200℃。
23.进一步地，步骤(1)中，所述气体混合器组件包括依次串联的一级湍流混合器、二级湍流混合器、三级湍流混合器和层流混合器；所述混合反应气体中各成分在气体混合器组件中进行混合的过程为：首先将氢气(或丙烷)与四氯化硅(或一甲基三氯硅烷气)进行湍流混合(经一级湍流混合器)，所得混合物ⅰ再与空气进行湍流混合(经二级湍流混合器)得混合物ⅱ，混合物ⅱ再进行一次湍流混合(经三级湍流混合器)得混合物ⅲ，混合物ⅲ再进行层流混合(经层流混合器)即得到所述混合反应气体。
24.进一步地，步骤(2)中，所述水解反应器包括顶部喷嘴及与喷嘴相连通的燃烧反应室，燃烧反应室内设有点火口；其中：顶部喷嘴由中心管、二套管和三套管以同轴方式由内向外排列而成，所述混合反应气体由中心管喷入燃烧反应室；中心管通入氢气、空气、四氯化硅，以确保火焰温度及结构分布合理，二套管上部有一个进气口，进入高温热空气，通过空气流量能够调节火焰结构；三套管上部有一个进气口，进入氢气并通过气量调节并保证火焰的温度分布；保证火焰温度分布合理。
25.进一步地，步骤(2)中，水解反应器的底部出口温度控制在1000-1100℃。
26.进一步地，步骤(3)中，所述脱酸炉底部设有气体分布器，同时设有排渣装置(沸腾床)；湿热空气(含水蒸气)进入脱酸炉后经气体分布器后与待处理气相二氧化硅混合，脱酸后再经排渣装置(脱渣温度200-300℃)进行二氧化硅颗粒的筛选，在沸腾床中符合要求的二氧化硅由脱酸炉上部输出，不符合要求的二氧化硅(大颗粒二氧化硅)由沸腾床底部排出，完成脱渣过程。
27.脱酸反应器内温度为350～400℃；该过程即保证了脱酸反应器物料正常脱酸，同时又不破坏二氧化硅表面化学结构，确保了产品质量。
28.进一步地，所述水解反应器和聚集器设有夹套，夹套通入水可采用120℃或者以上高温高压水，以避免设氯化氢冷凝腐蚀设备及管道，延长设备及管道使用寿命、控制产品杂质含量，同时对粒子的形成及生长有利。
29.进一步地，真空或压缩包装即为成品，包装温度60℃以下，系统总压力为-15kpa。
30.本发明生产气相法二氧化硅的反应方程式及机理如下：
31.2h2+o2+sicl4＝sio2+4hcl
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(1)
32.2sicl4+c3h8+5o
2 ＝2sio2+8hcl+3co2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
33.ch3sicl3+2h2+3o2＝sio2+co2+2h2o+3hcl
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(3)
34.ch3sicl3+c3h8+5o2＝ sio2+3hcl+4co2+4h2o
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(4)
35.本发明合成过程是：为保证燃烧火焰均匀，充分，稳定燃烧，通过氢气(或丙烷气)与四氯化硅(或一甲基三氯硅烷气)湍流混合，再以此混合物同空气再进行湍流混合，三种气体的混合物再进行完全湍流混合，后再进行层流混合，四次混合后的混合物通过水解反应器，经顶部喷嘴及进入燃烧反应室发生燃烧水解反应。
36.为保证水解反应生成的二氧化硅聚集体结构及粒径分布、表面羟基结构合理，在上述进入高效多功能燃烧器的混合物周围，使用氢气形成温度气氛及屏障；使用空气形成气幕屏障，以调节火焰结构；在水解反应器内壁使用空气气幕保护装置，以阻止或避免二氧化硅在反应器壁内表面凝聚成大颗粒，影响产品质量；使用120℃或者以上高温、高压水做为水解炉和聚集器夹套水用水，避免腐蚀，确保设备及管道使用寿命、确保产品质量。
37.脱酸反应器底设置气体再分布器，并使用排渣结构(沸腾床)大颗粒顺利排出，即保证了脱酸反应器物料正常脱酸，同时又不破坏二氧化硅表面化学结构，确保产品质量。
38.水解反应器的的出口温度宜控制在1000-1100℃，反应所生成的二氧化硅一次粒子在水解反应器中凝聚生成链状结构，在聚集器中再进一步聚集成聚集态粒子，经气固分离器分离的二氧化硅，在卧式脱酸反应器中可以连续地在脱酸反应器内完成脱酸过程，脱渣沸腾器内进行二氧化硅颗粒的筛选，在沸腾床中符合要求的二氧化硅由顶部输出，不符合要求的二氧化硅由沸腾床底部排出，完成脱渣过程。
39.脱酸反应器采用流化床，脱酸反应器内温度350-400℃、脱渣炉采用沸腾床脱渣、脱渣温度200-300℃，成品采用真空或压缩包装技术，将二氧化硅由成品罐进入包装机中，再由包装机包出成品。
40.本发明具有如下优点：
41.1、在一定配比下，采用湍流与层流相结合的四组串联的独特混合方式，使三种气体的混合物充分发生燃烧水解反应，生成的二氧化硅聚集体大小及结构相似，粒径分布窄且呈单峰分布、空隙率大。
42.2、水解反应器中设置空气气幕保护装置，保护反应气流远离凉的反应器壁内表面，以阻止或避免二氧化硅在反应器壁内表面凝聚成大颗粒，确保了产品质量。
43.3、高效多功能燃烧器可以形成一个或两个燃烧火焰，可以控制火焰结构，改变火焰的轴向高度、径向宽度，形成相对均匀的火焰状态；
44.还可改变粒子在火焰中的停留时间和反应温度，以控制粒子的形成及生长，预测粒子大小及尺寸分布；
45.高效多功能燃烧器的火焰区设置的多层气体结构，还具有防止粒子返混的功能，反应气体无多重循环迹象，避免了产生令人无法接受的大颗粒。
46.4、水解炉和聚集器夹套水可采用120℃或者以上高温、高压水，避免设氯化氢冷凝腐蚀设备及管道，延长设备及管道使用寿命、控制产品杂质含量，同时对粒子的形成及生长
有利。
47.5、脱酸反应器底设置气体再分布器，并使用五级梯次低温(350～400℃)脱酸技术，并设有特殊的排渣结构，并具有在线排渣功能，使大颗粒顺利排出，即保证了脱酸反应器物料正常脱酸，同时又不破坏二氧化硅表面化学结构，确保了产品质量。
48.总之，本发明生产的二氧化硅产品，聚集体大小及结构相似，粒径分布窄且呈单峰分布、空隙率大，表面羟基结构合理，具有高粘度、高分散性、高透明度的特征，是一种高品质气相法二氧化硅产品。
附图说明
49.图1是本发明的工艺流程简图。
50.图2为本发明气体混合器组件。
51.图3为本发明水解反应器。
52.图4为本发明二氧化硅经聚集器和旋风分离器过程。
53.图5为本发明二氧化硅经脱酸反应器和包装过程。
54.图6为实施例1制备的气相二氧化硅产品粒径分布图。
具体实施方式
55.以下结合附图和实施例详述本发明。
56.实施例1：
57.本实施例为高品质气相法二氧化硅的制造方法，该方法所用装置如图1所示。
58.该方法具体过程如下：
59.1、设计混合反应气体成分：
60.本实施例混合反应气体为如下四种组成：
61.组成ⅰ：空气、氢气和四氯化硅的体积比6.5：2.4：1；
62.组成ⅱ：空气、氢气和一甲基三氯硅烷的体积比为16.5：1.5：1；
63.组成ⅲ：空气、丙烷和四氯化硅的体积比为6.5：0.5：1；
64.组成ⅳ：空气：丙烷和一甲基三氯硅烷的体积比为16.5：0.4：1。
65.2、将混合反应气体中各成分先分别预热后进入气体混合器组件进行混合；其中：空气的预热温度为180℃，氢气或丙烷的预热温度为75℃，四氯化硅气体或一甲基三氯硅烷气的预热温度为180℃。
66.如图2所示，所述气体混合器组件包括依次串联的一级湍流混合器、二级湍流混合器、三级湍流混合器和层流混合器；预热后的混合反应气体中各成分在气体混合器组件中进行混合，过程为：首先将氢气(或丙烷)与四氯化硅(或一甲基三氯硅烷气)进行湍流混合(经一级湍流混合器)，所得混合物ⅰ再与空气进行湍流混合(经二级湍流混合器)得混合物ⅱ，混合物ⅱ再进行一次湍流混合(经三级湍流混合器)得混合物ⅲ，混合物ⅲ再进行层流混合(经层流混合器)即得到所述混合反应气体。
67.3、将混合反应气体投入到水解反应器中进行水解反应，反应温度为1600-1800℃，经水解反应器处理后的物料输送至聚集器中；其中：混合反应气体进行水解反应生成二氧化硅一次粒子(二氧化硅分子和/或分子簇)；二氧化硅一次粒子在水解反应器和聚集器中
凝聚生成链状结构的聚集态粒子。
68.如图3所示，所述水解反应器包括顶部喷嘴及与喷嘴相连通的燃烧反应室，燃烧反应室内设点火口；其中：顶部喷嘴由中心管、二套管和三套管以同轴方式由内向外排列而成，所述混合反应气体由中心管喷入燃烧反应室；中心管通入特定配比的氢气(或丙烷)、空气和四氯化硅(或一甲基三氯硅烷气)，以确保火焰温度及结构分布合理，二套管上部有一个进气口，进入高温热空气，通过空气流量能够调节火焰结构；三套管上部有一个进气口，进入氢气并通过气体流量调节能保证火焰的温度分布。所述混合反应气体进入水解反应器内部发生燃烧水解反应，上述该气体混合过程及水解反应器的结构设计能够保证燃烧火焰均匀，充分，稳定燃烧。
69.为保证水解反应生成的二氧化硅聚集体结构及粒径分布、表面羟基结构合理，在上述进入水解反应器的混合反应气体周围，使用氢气形成温度气氛及屏障；使用空气形成气幕屏障，以调节火焰结构；在水解反应器内壁使用空气气幕保护，以阻止或避免二氧化硅在反应器壁内表面凝聚成大颗粒，影响产品质量；使用120℃或者以上高温、高压水做为水解炉和聚集器夹套水用水，避免腐蚀，确保设备及管道使用寿命、确保产品质量。本实施例水解反应器的底部出口温度控制在1050℃。
70.3、水解反应器中反应后的物料经底部出口进入聚集器中，在聚集器中的聚集态粒子再进入旋风分离器进行旋风分离(图4)，进入旋风分离器分离的气体温度为300-350℃。
71.4、经旋风分离后再进入卧式脱酸反应器(脱酸炉)中完成脱酸和排渣过程，在脱酸炉中完成脱酸和排渣的气相二氧化硅采用真空压缩包装技术，由包装罐进入包装机中，再由包装机包出成品(图5)。
72.所述脱酸炉底部设有气体分布器，同时设有排渣装置(沸腾床)；湿热空气(含水蒸气)进入脱酸炉后经气体分布器后与待处理气相二氧化硅混合，脱酸后再经排渣装置(脱渣温度250℃)进行二氧化硅颗粒的筛选，在沸腾床中符合要求的二氧化硅由脱酸炉上部输出，不符合要求的二氧化硅(大颗粒二氧化硅)由沸腾床底部排出，完成脱渣过程。脱酸反应器内温度为380℃；该过程即保证了脱酸反应器物料正常脱酸，同时又不破坏二氧化硅表面化学结构，确保了产品质量。
73.本实施例制备的气相二氧化硅经检测，其粒径分布范围为100-500nm，粒径300nm的产品占比90％以上，如图6所示。
74.本发明生产的二氧化硅产品粒径分布窄且呈单峰分布是一种高品质气相法二氧化硅产品。

技术特征：
1.一种高品质气相法二氧化硅的制造方法，其特征在于：该方法是将混合反应气体投入到水解反应器中进行燃烧水解反应，生成二氧化硅一次粒子(二氧化硅分子和/或分子簇)；二氧化硅一次粒子很快进行成核、生长、凝结为原生粒子，原生粒子之间发生相互碰撞并在水解反应器和聚集器中凝结成聚集体颗粒；所得聚集体颗粒再依次经气固分离器分离、脱酸反应器脱酸和脱渣、包装机包装即得到所述高品质气相法二氧化硅成品。2.根据权利要求1所述的高品质气相法二氧化硅的制造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)所述混合反应气体中各成分分别预热后进入气体混合器组件进行混合；(2)将混合反应气体投入到水解反应器中进行水解反应，反应温度为1600-1800℃，经水解反应器处理后的物料输送至聚集器中；其中：混合反应气体进行水解反应生成二氧化硅一次粒子(二氧化硅分子和/或分子簇)；二氧化硅一次粒子在水解反应器和聚集器中凝聚生成聚集态粒子；(3)在聚集器中的聚集态粒子再经旋风分离器进行旋风分离后，进入卧式脱酸反应器(脱酸炉)中完成脱酸和排渣过程；(4)在脱酸炉中完成脱酸和排渣的气相二氧化硅采用真空压缩包装技术，由包装罐进入包装机中，再由包装机包出成品。3.根据权利要求2所述的高品质气相法二氧化硅的制造方法，其特征在于：所述混合反应气体组成按体积份数计如下：四氯化硅气体或一甲基三氯硅烷气体
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1份；氢气或丙烷气
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0.2-2.5份；空气
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5-20份。4.根据权利要求3所述的高品质气相法二氧化硅的制造方法，其特征在于：所述混合反应气体包括如下四种组成：组成ⅰ：空气、氢气和四氯化硅的体积比6.5：2.4：1；组成ⅱ：空气、氢气和一甲基三氯硅烷的体积比为16.5：1.5：1；组成ⅲ：空气、丙烷和四氯化硅的体积比为6.5：0.5：1；组成ⅳ：空气：丙烷和一甲基三氯硅烷的体积比为16.5：0.4：1。5.根据权利要求3所述的高品质气相法二氧化硅的制造方法，其特征在于：步骤(1)中，所述混合反应气体中各成分预热时，空气的预热温度为150-200℃，氢气或丙烷的预热温度为60-80℃，四氯化硅气体或一甲基三氯硅烷气的预热温度为150-200℃。6.根据权利要求3所述的高品质气相法二氧化硅的制造方法，其特征在于：步骤(1)中，所述气体混合器组件包括依次串联的一级湍流混合器、二级湍流混合器、三级湍流混合器和层流混合器；所述混合反应气体中各成分在气体混合器组件中进行混合的过程为：首先将氢气(或丙烷)与四氯化硅(或一甲基三氯硅烷气)进行湍流混合(经一级湍流混合器)，所得混合物ⅰ再与空气进行湍流混合(经二级湍流混合器)得混合物ⅱ，混合物ⅱ再进行一次湍流混合(经三级湍流混合器)得混合物ⅲ，混合物ⅲ再进行层流混合(经层流混合器)即得到所述混合反应气体。7.根据权利要求2所述的高品质气相法二氧化硅的制造方法，其特征在于：步骤(2)中，所述水解反应器包括顶部喷嘴及与喷嘴相连通的燃烧反应室，燃烧反应室内设有点火口；
其中：顶部喷嘴由中心管、二套管和三套管以同轴方式由内向外排列而成，所述混合反应气体由中心管喷入燃烧反应室；中心管通入氢气、空气、四氯化硅，以确保火焰温度及结构分布合理，二套管上部有一个进气口，进入高温热空气，通过空气流量能够调节火焰结构；三套管上部有一个进气口，进入氢气并通过气量调节并保证火焰的温度分布。8.根据权利要求2所述的高品质气相法二氧化硅的制造方法，其特征在于：步骤(2)中，水解反应器的底部出口温度控制在1000-1100℃。9.根据权利要求2所述的高品质气相法二氧化硅的制造方法，其特征在于：步骤(3)中，所述脱酸炉底部设有气体分布器，同时设有排渣装置(沸腾床)；湿热空气(含水蒸气)进入脱酸炉后经气体分布器后与待处理气相二氧化硅混合，脱酸后再经排渣装置(脱渣温度200-300℃)进行二氧化硅颗粒的筛选，在沸腾床中符合要求的二氧化硅由脱酸炉上部输出，不符合要求的二氧化硅(大颗粒二氧化硅)由沸腾床底部排出，完成脱渣过程。10.根据权利要求2所述的高品质气相法二氧化硅的制造方法，其特征在于：所述水解反应器和聚集器设有夹套，夹套通入水可采用120℃或者以上高温高压水，以避免设氯化氢冷凝腐蚀设备及管道，延长设备及管道使用寿命、控制产品杂质含量，同时对粒子的形成及生长有利。

技术总结
本发明公开了一种高品质气相法二氧化硅的制造方法，属于无机纳米粉体制备技术领域。该方法以四氯化硅气体或一甲基三氯硅烷、氢气或丙烷气、空气为原料，经高效气体混合器组，投入到水解反应器中进行燃烧水解反应，反应温度为1700-1800℃，生成二氧化硅一次粒子，再经成核、生长、凝结为原生粒子，原生粒子之间发生相互碰撞、烧结成链状的聚集体，最后经气固分离器分离、脱酸反应器脱酸和脱渣，包装机包装即为成品。本发明生产的二氧化硅产品粒径分布窄且呈单峰分布、空隙率大，表面羟基结构合理，具有高粘度、高分散性、高透明度的特征，是一种高品质气相法二氧化硅产品。品质气相法二氧化硅产品。


技术研发人员：梁显军 田晓军 王文涛
受保护的技术使用者：沈阳东方钛业股份有限公司
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/23