Суть винаходу: розчин силікату калію отримують шляхом взаємодії кристалічного двоокису кремнію з водним розчином гідроксиду калію при 215 ° С і встановлює при цьому тиску насиченої водяної пари, що здійснюється в автоклаві, як кристалічного двоокису кремнію використовують кварц, взятий в 5 - 16% -ному надлишку від стехіометрії і минулий попередній випал при 1300 - 1600 ° С в присутності каталізатора - луги. 2 з.п. ф-ли, 2 табл.
Малюнки до патенту РФ 2021974
Винахід відноситься до технології отримання рідкого скла, зокрема до способу гідротермічного отримання розчину силікату калію.
Відомий спосіб гідротермічного отримання розчину силікату калію з співвідношенням двоокису кремнію і окису заліза до 2,7: 1 шляхом взаємодії водного розчину гідроксиду калію з надлишком кварцового піску при температурі 150-250 o С і встановлює при цьому тиску насиченої водяної пари. При цьому утворюється також важкорозчинний філлосілікати, який при температурі 600 ° С термічно розкладається [1].
Недолік відомого способу полягає в тому, що при його здійсненні отримують розчини силікату калію з мольному співвідношенні двоокису кремнію і окису калію, що становить максимально лише 2,7: 1, що обмежує технологічні можливості розчинів. Крім того, необхідне термічний розклад філлосілікати негативно позначається на енерговитратах.
Метою винаходу є розширення технологічних можливостей розчинів силікату шляхом підвищення мольної співвідношення двоокису кремнію і окису калію при одночасному зниженні енерговитрат.
Це досягається пропонованим способом гідротермічного отримання розчину силікату калію шляхом взаємодії кристалічного двоокису кремнію з водним розчином гідроксиду калію при підвищеній температурі і при встановлюється при цьому тиску насиченої водяної пари, що здійснюється в закритому автоклаві, за рахунок того, що в якості кристалічного двоокису кремнію використовують кварц, минулий попередній випал при температурі між 1100 о С і його точкою плавлення.
За допомогою запропонованого способу можна отримувати розчини силікату калію, мають мольное співвідношення двоокису кремнію і окису калію понад 2,75: 1. переважно 2,8-4,2: 1, а особливо переважно 3,1-4,0: 1. Зазвичай взаємодія здійснюють при температурі 150-300 о С і встановлює при цьому тиску, причому використовують водний розчин гідроксиду калію з концентрацією 10-40 мас.%.
Переважно в якості кристалічного двоокису кремнію використовують кварц, що пройшов попередній випал при температурі 1200-1700 ° С, зокрема 1300-1600 о С, в присутності каталітичної кількості лугу. При випалюванні кварц в основному перетворюється в кристобалит. Для здійснення запропонованого способу переважно використовують свіжо кристобалит, що знаходиться ще в нагрітому стані. Обпалений таким чином кварц переважно піддають взаємодії з водним розчином гідроксиду калію, які мають концентрацію 15-30 мас.%, В закритому автоклаві при температурі 200-230 о С і встановлює при цьому тиску насиченої водяної пари.
Кристобалит, так само як і кварц, є кристалічною модифікацією двоокису кремнію. Його отримують практично виключно штучним шляхом, а саме шляхом кальцинації кварцу, тим, що кварцовий пісок безперервно перетворять при температурі приблизно 1500 ° С в присутності каталізатора (лужних з'єднань).
Згідно з переважним варіантом запропонованого способу обпалений кварц використовують в надлишку до 100%, переважно 2-30%, в перерахунку на бажане мольное співвідношення двоокису кремнію і окису калію в цільовому продукті. Загалом взаємодія також можна здійснювати з надлишком обпаленої кварцу, що перевищує 100%, однак це звичайно в технічному відношенні не має сенсу. Згідно винаходу особливо переважно надлишок обпаленої кварцу становить 2-5% в перерахунку на бажане мольное співвідношення двоокису кремнію і окису натрію.
Для здійснення запропонованого способу можна використовувати будь-який реактор, як їх зазвичай використовують для гідротермічного синтезу калієвого рідкого скла.
Отримані за допомогою запропонованого способу розчини силікату калію (розчини калієвого рідкого скла) можна використовувати для всіх відомих цілей, описаних у літературі, наприклад для виготовлення наповнювачів (обложених крем'яних кислот) в якості клейових речовин, в якості сполучного в фарбах, ливарних допоміжні речовини, носіях каталізаторів, як компонент в миючих і очисних засобах, а також в якості компонента вогнестійких матеріалів.
Пропонований спосіб пояснюється наступними прикладами, які проводять в лабораторному і технічному масштабах. У них в якості обпаленої кварцу використовують кристобалит, що пройшов попередній випал при температурі 1300-1600 ° С в присутності лугу в якості каталізатора.
При проведенні лабораторних прикладів використовують циліндричний автоклав, що обігрівається зовні до реакційної температури за допомогою носія тепла. Умови здійснення реакцій згідно прикладів, а також результати прикладів наведені в табл.1.
Для здійснення прикладів в технічному масштабі як реактора використовують встановлений горизонтально циліндричний сталевий автоклав ємністю приблизно 24 м 3. забезпечений футеровкою з нікелю. Автоклав обертається навколо горизонтальної осі зі швидкістю приблизно 6 об. в 1 хв. Обігрів оcущеcтвляетcя паром c тиском 20 і 25 бар, відповідно подається безпосередньо в автоклав через отвір, виконаний в осі, і підключену до автоклава трубу.
Використовувана для здійснення прикладів кристалічна двоокис кремнію, а саме отриманий в результаті випалення кварцу кристобалит, містить> 99,0 мас.% Двоокису кремнію.
Необхідний для здійснення процесу водний розчин гідроксиду калію (розчин їдкого калі) нагрівають приблизно до 103 ° С за допомогою вторинного пара з завантаження, що подається через сопло Вентурі, встановлене над запасним резервуаром для розчину їдкого калі.
Кількість сировини (кристобалита і розчину їдкого калі) вимірюють за допомогою терезів. Сировину завантажують в автоклав, його закривають і переводять в обертання. Шляхом безпосередньої подачі пари реакційну суміш нагрівають до температури приблизно 215 ° С і тримають при цій температурі. Після закінчення 30-120 хв при вказаній температурі автоклав зупиняють, і реакційну суміш через лінію, з'єднану з автоклавом за допомогою фланця, під власним тиском подають в циклонний відділювач, в якому здійснюють поділ на вторинний пар і розчин рідкого скла, що має температуру приблизно 105 про С. Вторинний пар підсмоктують і використовують для підігріву наступної вихідної суміші в соплі Вентурі до точки кипіння розчину, що становить приблизно 103 о С.
Отриманий розчин рідкого скла, що має температуру приблизно 100 о С, подають або в посудину на седиментацію для грубого відділення твердих речовин, або при більш високих вимогах до прозорості розчину на фільтр.
Процес також можна здійснювати при порівняно високій концентрації твердої речовини, тому що і при високому співвідношенні двоокису кремнію і окису калію в умовах реакції (215 о С і 20 бар) розчин силікату калію має достатню в'язкість. По завершенні реакції додатково можна подати воду
або під тиском безпосередньо в реактор,
або в лінію, яка веде до посудини проміжного зберігання так, що розчин силікату калію, що подається через дану лінію в посудину проміжного зберігання, в достатній мірі розбавляється, в результаті чого в посудині при температурі приблизно 100 ° С перед седиментацією або фільтрацією розчин силікату натрію має достатню плинність і досить низьку в'язкість.
Даний варіант процесу має ту перевагу, що при високій концентрації твердої речовини вихід на одиницю ємності і часу (кг твердої речовини на 1 м 3 ємності реактора) гидротермической реакції надзвичайно високий і розведення одержуваного продукту здійснюється поза реактора в лінії, що веде до Відокремлювач.
П р и м і р 1. Приклад 1 підтверджує вигідне щодо порівняно низькій концентрації вихідного розчину використання кристобалита в стехиометрическом кількості в перерахунку на заданий мольное співвідношення двоокису кремнію і окису калію в одержуваному розчині силікату калію, що становить 3,96: 1.
П р и м і р 2. У порівнянні з прикладом 1 встановлюють підвищену концентрацію гідроксиду калію у вихідному розчині при приблизно однаковому часу реакції з тим, щоб визначити вплив концентрації гідроксиду калію на швидкість реакції і досягається співвідношення двоокису кремнію і окису калію в вихідному продукті.
П р и м і р и 3-5. З метою досягнення підвищеного мольної співвідношення двоокису кремнію і окису калію в реакційному розчині в порівнянні з прикладом 1 використовують підвищується надлишок (+5,10 і 16%) кристобалита в перерахунку на задане співвідношення двоокису кремнію і окису калію, що становить 3,96: 1.
П р и м і р 6. При надлишку кристобалита, що становить 16%, в перерахунку на заданий мольное співвідношення двоокису кремнію і окису калію, рівне 3,96: 1, продовжують час реакції.
П р и м і р 7. Для визначення впливу температури випалу кварцу на властивості одержуваних водних розчинів силікату калію кварц спершу піддають випалу при температурі 850-1600 о С в присутності каталітичної кількості лугу, а потім його піддають гідротермічної взаємодії з розчином гідроксиду калію в наступних умовах: Температура реакції, о С 215 Час реакції, хв 30
Концентрація гідроксиду калію, мас;.% 25
Надлишок двоокису кремнію,% 5 (в пересче-
ті на мольное
співвідношення
3,46: 1 у Калі-
евом рідкому
склі)
Взаємодія обпаленої таким чином кварцу в розчині їдкого калі, в результаті чого отримують калиевое рідке скло, здійснюють з нижченаведеними кількостями вихідних речовин. Виходять наведені в табл.2 ступеня конверсії і молярний співвідношення.
Взаємодія обпаленого піску в розчині їдкого калі з отриманням калієвого рідкого скла, мольное співвідношення двоокису кремнію і окису калію, рівне 3,98: 1.
Для отримання калієвого рідкого скла потрібно
36,02% (49,00 г) обпаленого піску,
31,99% (43,53 г) 50% -ної гідроксиду калію,
31,99% (43,53 г) води.
Результати показують, що тільки використання кварцу, обпаленої при температурі понад 1100 ° С зокрема при температурі 1300 ° С і вище, призводить до досягнення більш високого ступеня конверсії кристалічного двоокису кремнію і, отже, в порівнянні з прототипом більш високого мольної співвідношення двоокису кремнію і окису калію в одержуваному розчині силікату калію.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. СПОСІБ гидротермическая ОТРИМАННЯ розчину Силікат калія, що включає взаємодію кристалічного діоксиду кремнію з розчином гідроксиду калію при підвищеній температурі в автоклаві, що відрізняється тим, що, з метою підвищення силікатної модуля продукту і зниження енерговитрат, як кристалічного діоксиду кремнію використовують кварц, попередньо обпалений при 1300 - 1600 o С в присутності каталізатора - луги.
2. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що взаємодія здійснюють при 215 o С.
3. Спосіб за пп.1 і 2, що відрізняється тим, що обпалений кварц беруть в 5 - 16% -ному надлишку від стехіометрії в розрахунку на силікатна модуль прдуктов.