專利名稱：一種燃燒四甲基硅烷制備白炭黑的方法及其制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種燃燒四甲基硅烷制備白炭黑的方法及其制備裝置。
背景技術(shù)：
白炭黑是一種多功能的添加劑，因其具有優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性和觸變性而被廣泛的應(yīng)用于硅橡膠、粘膠劑、油漆涂料等方面，被譽(yù)為“工業(yè)味精”，是世界范圍內(nèi)工業(yè)化應(yīng)用的納米材料。目前主要有兩種制取白炭黑的方法:沉淀法和氣相法。沉淀法是硅酸鈉(即水玻璃)與酸(多數(shù)情況下是硫酸)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硅酸，再經(jīng)過(guò)濾、打漿、干燥而制得白炭黑，副產(chǎn)品是硫酸鈉和水。具體工藝是先配制水玻璃溶液，然后在一定的濃度、溫度和PH值等條件下和濃硫酸一起加入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，生成白炭黑沉淀物，反應(yīng)器出來(lái)的粗料漿經(jīng)壓濾機(jī)過(guò)濾，分離出硫酸鈉母液回收，得到副產(chǎn)品硫酸鈉，濾餅用水洗去硫酸鈉，用壓縮空氣吹除濾餅中部分水分，經(jīng)高速攪拌成糊狀料漿，最后噴霧干燥，得到白炭黑產(chǎn)品。沉淀法制取的白炭黑比表面積較小，使用領(lǐng)域有所局限，但其工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備要求較低。它在我國(guó)市場(chǎng)需求量大，主要用于作橡膠補(bǔ)強(qiáng)填料。氣相法白炭黑制備技術(shù)于1941年由Degussa公司發(fā)明，是由硅或者硅的氯化物在氫氧焰的高溫條件下水解而成，是表面帶有羥基官能團(tuán)的超微細(xì)粒子。它的主要原料為可水解的有機(jī)硅烷，常見的有鹵硅烷如四氯化硅與甲基三氯硅烷等，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展該技術(shù)已經(jīng)非常成熟。氣相法白炭黑源生粒徑大約I 40nm，平均原生粒徑為7 18nm，聚集體粒徑為Ium左右，比表面積很大，可達(dá)50 400 π /g。其工藝過(guò)程為:經(jīng)氣化的四氯化硅與氫和氧組成的均相混合氣體在水解爐中燃燒，進(jìn)行高溫水解反應(yīng)，煙霧狀的白炭黑通過(guò)聚集器聚集，然后經(jīng)分離器到脫酸爐中進(jìn)行脫酸處理，即可得到超細(xì)白炭黑。反應(yīng)生成的氯化氫氣體經(jīng)水洗塔水洗后成為低濃度的鹽酸。此法得到的產(chǎn)品相對(duì)沉淀法白炭黑品質(zhì)優(yōu)異很多，純度高，分散性好，粒子細(xì)而呈球形，表面羥基少。但是從其工藝可知該法耗能大，對(duì)設(shè)備的要求高，成本較高。由此可見，沉淀法白炭黑品質(zhì)不夠高、應(yīng)用領(lǐng)域受局限，氣相法白炭黑品質(zhì)優(yōu)異但能耗大成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種低能耗、高品質(zhì)的白炭黑制備方法及其制備裝置。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的解決方案是:提供一種燃燒四甲基硅烷制備白炭黑的方法，包括四甲基硅烷的燃燒，具體步驟包括:A、四甲基硅烷通過(guò)輸送泵從儲(chǔ)罐進(jìn)入到霧化裝置，在霧化裝置內(nèi)氣化后，以氣態(tài)的四甲基硅烷送入到燃燒器；B、送風(fēng)機(jī)將風(fēng)送給燃燒器；
C、四甲基硅烷和風(fēng)噴出燃燒器，在爐膛內(nèi)充分燃燒，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式:C4H12Si +802==4C02+6H20+SiO2,生成白炭黑、水和二氧化碳；D、燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)煙氣冷卻器冷卻后，進(jìn)入捕集器捕集煙氣中的白炭黑，然后尾氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)，通過(guò)煙 排入大氣。在本發(fā)明中，所述送風(fēng)機(jī)送給燃燒器的風(fēng)量為過(guò)量空氣系數(shù)1.0 1.5。在本發(fā)明中，所述爐膛中的燃燒溫度為800 1400°C。在本發(fā)明中，所述捕集器中的煙氣溫度為80 150°C。提供一種用于所述制備白炭黑的方法的制備裝置，包括燃燒器，所述制備白炭黑的裝置還包括儲(chǔ)罐、輸送泵、霧化裝置、送風(fēng)機(jī)、爐膛、煙氣冷卻器、捕集器、引風(fēng)機(jī)和煙囪；儲(chǔ)罐、輸送泵、霧化裝置和燃燒器依次連接，送風(fēng)機(jī)與霧化裝置連接在燃燒器的同一端，燃燒器的另一端伸入爐膛內(nèi)部，且燃燒器在爐膛內(nèi)部設(shè)有出風(fēng)口，煙氣冷卻器、捕集器、引風(fēng)機(jī)和煙 依次連接在爐膛的另一端；所述霧化裝置采用蒸發(fā)器或者氣力霧化噴槍，氣力霧化噴槍通過(guò)一端插入燃燒器內(nèi)與燃燒器連接。在本發(fā)明中，所述燃燒器為旋流燃燒器。在本發(fā)明中，所述煙氣冷卻器內(nèi)設(shè)置有過(guò)熱器。在本發(fā)明中，所述爐膛內(nèi)設(shè)置有水冷壁。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:1、傳統(tǒng)沉淀法制取白炭黑品質(zhì)較低，很多領(lǐng)域無(wú)法使用，本發(fā)明方法生產(chǎn)的白炭黑品質(zhì)優(yōu)異。 2、傳統(tǒng)氣相法制取白炭黑需要?dú)溲跹娴母吣芎模a(chǎn)物有氯化氫需要處理回收，本發(fā)明方法使用四甲基硅烷(C4H12Si)燃燒獲取白炭黑，溫度比1800°C低很多，設(shè)備要求也有所降低，有效節(jié)能省成本，產(chǎn)物為白炭黑、水和二氧化碳，相對(duì)環(huán)保。3、爐膛中的熱量可以用于對(duì)外供熱或發(fā)電。


圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1中的制備裝置示意圖。圖2為本發(fā)明的實(shí)施例2中的制備裝置示意圖。圖中的附圖標(biāo)記為:1儲(chǔ)罐；2輸送泵；3蒸發(fā)器；4送風(fēng)機(jī)；5燃燒器；6爐膛；7煙氣冷卻器；8捕集器；9引風(fēng)機(jī)；10煙囪；11氣力霧化噴槍。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:—種燃燒四甲基硅烷制備白炭黑的方法，具體步驟包括:A、四甲基硅烷通過(guò)輸送泵2從儲(chǔ)罐I進(jìn)入到霧化裝置，在霧化裝置內(nèi)氣化后，以氣態(tài)的四甲基硅烷送入到燃燒器5 ;B、送風(fēng)機(jī)4將風(fēng)送給燃燒器5,風(fēng)量為過(guò)量空氣系數(shù)1.0 1.5 ;C、四甲基硅烷和風(fēng)噴出燃燒器5，在爐膛6內(nèi)充分燃燒，燃燒溫度為800 1400°C，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式:C4H12Si+802==4C02+6H20+Si02，生成白炭黑、水和二氧化碳；D、燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)煙氣冷卻器7冷卻后進(jìn)入捕集器8，此時(shí)煙氣的溫度為80 150°C，捕集器8捕集煙氣中的白炭黑，然后尾氣經(jīng)弓I風(fēng)機(jī)9，通過(guò)煙囪10排入大氣。用于上述方法制備白炭黑的制備裝置包括儲(chǔ)罐1、輸送泵2、霧化裝置、送風(fēng)機(jī)4、燃燒器5、爐膛6、煙氣冷卻器7、捕集器8、引風(fēng)機(jī)9和煙囪10。儲(chǔ)罐1、輸送泵2、霧化裝置和燃燒器5依次連接，送風(fēng)機(jī)4與霧化裝置連接在燃燒器5的同一端，燃燒器5的另一端伸入爐膛6內(nèi)部，且燃燒器5在爐膛6內(nèi)部設(shè)有出風(fēng)口，煙氣冷卻器7、捕集器8、引風(fēng)機(jī)9和煙囪10依次連接在爐膛6的另一端。所述燃燒器5為旋流燃燒器，煙氣冷卻器7內(nèi)設(shè)置有過(guò)熱器，爐膛6內(nèi)設(shè)置有水冷壁，工質(zhì)水在爐膛6水冷壁和過(guò)熱器內(nèi)吸熱、汽化和過(guò)熱，產(chǎn)生的熱量可以用于對(duì)外供熱或發(fā)電。圖1中的制備白炭黑的裝置，霧化裝置采用蒸發(fā)器3。在儲(chǔ)罐I中的四甲基硅烷經(jīng)輸送泵2進(jìn)入到蒸發(fā)器3中，再送入燃燒器5，由送風(fēng)機(jī)4按照過(guò)量空氣系數(shù)1.0 1.3配適當(dāng)風(fēng)量輸送燃燒器5。四甲基硅烷和風(fēng)在爐膛6內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)C4H12Si+802==4C02+6H20+Si02，爐膛6內(nèi)煙氣溫度為1100 1400°C。燃燒完全后的尾氣中含有生成的白炭黑、水蒸氣和二氧化碳，經(jīng)煙氣冷卻器7降溫后到捕集器8中完成白炭黑的捕集，捕集器8中煙氣溫度為80 150°C左右。尾氣由引風(fēng)機(jī)9運(yùn)送至煙囪10排放。工質(zhì)水在爐膛6水冷壁和過(guò)熱器內(nèi)吸熱、汽化和過(guò)熱，輸出后進(jìn)入汽輪機(jī)做功發(fā)電。圖2中的制備白炭黑的裝置，霧化裝置采用氣力霧化噴槍11，氣力霧化噴槍11通過(guò)一端插入燃燒器5內(nèi)與燃燒器5連接。在儲(chǔ)罐I中的四甲基硅烷經(jīng)輸送泵2泵入氣力霧化噴槍11，由送風(fēng)機(jī)4按照過(guò)量空氣系數(shù)13 1.5配給適當(dāng)風(fēng)量送入燃燒器5。四甲基硅烷和風(fēng)混合燃燒，燃燒反應(yīng)為C4H12Si+802==4C02+6H20+Si02，爐膛6內(nèi)煙氣溫度為800 1200°C。燃燒完全后的尾氣中含有生成的白炭黑、水蒸氣和二氧化碳，經(jīng)煙氣冷卻器7降溫后到捕集器8中完成白炭黑的捕集，尾氣由引風(fēng)機(jī)9運(yùn)送至煙囪10排放。當(dāng)然，上述具體實(shí)施方案都只能認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明而不能限制本發(fā)明，在不違背本發(fā)明的精神和主要特征的具 體形式，都應(yīng)認(rèn)為是包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃燒四甲基硅烷制備白炭黑的方法，包括四甲基硅烷的燃燒，其特征在于，具體步驟包括: A、四甲基硅烷通過(guò)輸送泵從儲(chǔ)罐進(jìn)入到霧化裝置，在霧化裝置內(nèi)氣化后，以氣態(tài)的四甲基硅烷送入到燃燒器； B、送風(fēng)機(jī)將風(fēng)送給燃燒器； C、四甲基硅烷和風(fēng)噴出燃燒器，在爐膛內(nèi)充分燃燒，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式:C4H12Si +802==4C02+6H20+SiO2,生成白炭黑、水和二氧化碳； D、燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)煙氣冷卻器冷卻后，進(jìn)入捕集器捕集煙氣中的白炭黑，然后尾氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)，通過(guò)煙 排入大氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備白炭黑的方法，其特征在于，所述送風(fēng)機(jī)送給燃燒器的風(fēng)量為過(guò)量空氣系數(shù)1.0 1.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備白炭黑的方法，其特征在于，所述爐膛中的燃燒溫度為800 1400。。。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備白炭黑的方法，其特征在于，所述捕集器中的煙氣溫度為 80 150°C。
5.一種用于權(quán)利要求1所述制備白炭黑的方法的制備裝置，包括燃燒器，其特征在于，所述制備白炭黑的裝置還包括儲(chǔ)罐、輸送泵、霧化裝置、送風(fēng)機(jī)、爐膛、煙氣冷卻器、捕集器、引風(fēng)機(jī)和煙 ;儲(chǔ)罐、輸送泵、霧化裝置和燃燒器依次連接，送風(fēng)機(jī)與霧化裝置連接在燃燒器的同一端，燃燒器的另一端伸入爐膛內(nèi)部，且燃燒器在爐膛內(nèi)部設(shè)有出風(fēng)口，煙氣冷卻器、捕集器、引風(fēng)機(jī)和煙 依次連接在爐膛的另一端；所述霧化裝置采用蒸發(fā)器或者氣力霧化噴槍，氣力霧化噴槍通過(guò)一端插入燃燒器內(nèi)與燃燒器連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備裝置，其特征在于，所述燃燒器為旋流燃燒器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備裝置，其特征在于，所述煙氣冷卻器內(nèi)設(shè)置有過(guò)熱器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備裝置，其特征在于，所述爐膛內(nèi)設(shè)置有水冷壁。
全文摘要
本發(fā)明涉及材料制備領(lǐng)域，旨在提供一種燃燒四甲基硅烷制備白炭黑的方法及其制備裝置。該方法包括將四甲基硅烷霧化后送入爐膛內(nèi)充分燃燒，燃燒產(chǎn)物經(jīng)過(guò)捕集器捕集白炭黑，最終尾氣排入大氣；該方法所需的制備裝置包括燃燒器、儲(chǔ)罐、輸送泵、霧化裝置、送風(fēng)機(jī)、爐膛、煙氣冷卻器、捕集器、引風(fēng)機(jī)和煙囪。本發(fā)明使用四甲基硅烷(C4H12Si)燃燒來(lái)獲取白炭黑，溫度比1800℃低很多，設(shè)備要求也有所降低，有效節(jié)能省成本，產(chǎn)物為白炭黑、水和二氧化碳，相對(duì)環(huán)保，并且生產(chǎn)的白炭黑品質(zhì)優(yōu)異。
文檔編號(hào)C01B33/12GK103073005SQ20131001378
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者周俊虎, 楊衛(wèi)娟, 張彥威, 劉建忠, 周志軍, 王智化, 黃鎮(zhèn)宇, 程軍, 岑可法 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)