Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСАЖДЕННОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ СМЕСИТЕЛЯ ИЛИ ЭКСТРУДЕРА

Настоящее изобретение относится к улучшенному способу получения осажденного диоксида кремния.

Известно применение осажденных диоксидов кремния в качестве подложки катализатора, в качестве абсорбента для активных материалов (в частности, подложек для жидкостей, например, которые применяют в пище, таких как витамины (в частности, витамин E) или холин хлорид), в качестве загустителя, структурообразующего средства или средства против комкования, в качестве компонента разделителя для батарей и в качестве добавки для зубной пасты или бумаги.

Также возможно применение осажденных диоксидов кремния в качестве усиливающего наполнителя в силиконовых матрицах (например, для покрытия электрокабелей) или в композициях, содержащих природный или синтетический полимер(-ы), в частности эластомер(-ы), в частности диеновые эластомеры, например, для обувных подошв, напольных покрытий, газовых барьеров, негорючих материалов, а также инженерных деталей, таких как ролики для фуникулеров, изоляции для бытовых электроприборов, изоляции для трубопроводов для жидкостей или газов, уплотнения для тормозных систем, оболочки, кабели и приводные ремни.

Осажденный диоксид кремния долгое время применяли в качестве усиливающего светлого наполнителя в эластомерах, и в частности в покрышках.

Осажденный диоксид кремния главным образом получают путем реакции осаждения между силикатом, в частности силикатом щелочного металла, и подкисляющим средством с последующим этапом разделения посредством фильтрации с получением осадка на фильтре и, как правило, с последующим этапом промывки указанного осадка, после чего следует необязательный этап дробления указанного осадка на фильтре, а также этап высушивания указанного осадка, например, путем распыления.

В способах из уровня техники потребление энергии является высоким. Высушивание представляет собой основной источник потребления энергии и, таким образом, составляет довольно высокую стоимость.

Таким образом, существует необходимость снижения потребления энергии и, таким образом, например, в ходе операции высушивания.

Таким образом, одной из целей настоящего изобретения является обеспечение способа получения осажденного диоксида кремния, который позволяет ограничить затраты энергии, в частности, на высушивание.

Одна из целей настоящего изобретения заключается в обеспечении способа получения осажденного диоксида кремния, который позволяет ограничить значения времени высушивания.

В частности, одной из целей настоящего изобретения является обеспечение способа, альтернативного известным способам получения осажденного диоксида кремния, который является экономичным и простым в осуществлении.

Одной из целей настоящего изобретения является обеспечение способа, который позволяет снизить потребление энергии на высушивание, в частности, по сравнению со способами из уровня техники, причем, в общем, по меньшей мере на приблизительно 15%, в частности, по меньшей мере на приблизительно 20%, например, по меньшей мере на приблизительно 25% в наиболее предпочтительном варианте настоящего изобретения.

Одна из целей настоящего изобретения предпочтительно включает способ, который позволяет повысить производительность способа получения осажденного диоксида кремния, в частности, на этапе дробления и/или этапе высушивания, по сравнению со способами из уровня техники, в частности и в общем, по меньшей мере на 20%, в частности, по меньшей мере на 25%, например, по меньшей мере на 30% в наиболее предпочтительном варианте настоящего изобретения.

Настоящее изобретение, таким образом, относится к способу получения осажденного диоксида кремния, включающему реакцию силиката с подкисляющим средством с получением суспензии осажденного диоксида кремния (S1) с последующим этапом разделения с получением осадка, этап дробления указанного осадка с получением суспензии осажденного диоксида кремния (S2) и этап высушивания данной суспензии, при этом этап дробления осуществляют путем перемешивания с применением двухшнекового смесителя и путем экструзии.

В частности, способ согласно настоящему изобретению, таким образом, включает следующие этапы, на которых:

- по меньшей мере один силикат подвергают реакции (реакции осаждения) с по меньшей мере одним подкисляющим средством с получением суспензии осажденного диоксида кремния (S1);

- осуществляют этап отделения твердой фазы от жидкой, более конкретно этап фильтрации с получением твердого продукта, также известного как "осадок на фильтре";

- указанный осадок на фильтре подвергают операции дробления путем перемешивания с применением двухшнекового смесителя и путем экструзии с получением суспензии осажденного диоксида кремния (S2), и

- высушивают полученный таким образом продукт, предпочтительно путем распыления.

Характерный этап способа по настоящему изобретению, взятый в комбинации с другими этапами указанного способа, состоит из этапа дробления путем перемешивания в двухшнековом смесителе или путем экструзии. Данный этап включает использование способа с применением поршня. Применение двухшнекового смесителя или методов экструзии для этапа дробления более конкретно обеспечивает обработку путем дробления осадков на фильтре с очень высоким содержанием сухого вещества. Специалисту в данной области известно, что традиционные методы дробления (путем химической обработки в резервуаре при непрерывном перемешивании) не могут применяться по отношению к указанным осадкам без риска ухудшения свойств конечного продукта, например степени дисперсности. Следует напомнить, что традиционно операция дробления представляет собой операцию псевдоожижения или ожижения осадка, полученного при фильтрации, в результате которой осадок становится подобный жидкости, при этом осажденный диоксид кремния остается суспендированным. В общем, данная операция позволяет снизить вязкость суспензии, которая затем должна быть высушена. Данную операцию, таким образом, традиционно могут осуществлять путем подвергания осадка на фильтре химическому воздействию, например, путем добавления соединения алюминия, такого как алюминат натрия, и/или кислоты, предпочтительно в сочетании с механическим воздействием (например, путем пропускания через резервуар при непрерывном перемешивании).

Этап дробления способа по настоящему изобретению, следовательно, заключается в определенном механическом воздействии, а именно механическом воздействии поршневого типа, предпочтительно в сочетании с химической обработкой, такой как одна из химических обработок, традиционно применяемых для этапа дробления осадков диоксида кремния на фильтре в способах получения осажденных диоксидов кремния.

Определенное механическое воздействие этапа дробления настоящего изобретения представляет собой перемешивание посредством двухшнекового смесителя или экструзии.

Осуществление способа по настоящему изобретению позволяет снизить потребление энергии и повысить производительность, в частности, на этапе высушивания и/или этапе дробления, по сравнению со способами из уровня техники, преимущественно без ухудшения свойств полученного осажденного диоксида кремния, в частности его степени дисперсности, а именно в эластомерах.

При осуществлении этапа дробления посредством экструзии, в частности, применяют одношнековый экструдер или предпочтительно двухшнековый экструдер.

Применение двухшнекового смесителя или экструдера, в частности, двухшнекового экструдера, обеспечивает хорошее распределение подаваемой энергии. Достигается более однородное дробление в отличие от традиционного дробления. Каждая часть осадка, поступающая в смеситель или экструдер, получает практически одинаковую энергию.

В способе по настоящему изобретению химический реагент(-ы), применяемые для химической обработки, как правило, в сочетании с определенным механическим воздействием из этапа дробления, в частности, соединение алюминия, такое как алюминат натрия, и/или кислоту добавляют поточно.

Преимущественно применение двухшнекового смесителя или экструдера, в частности двухшнекового экструдера, позволяет обеспечить идентичное время пребывания для всех осадков, подвергаемых этапу дробления, в отличие от традиционных методов дробления.

Предпочтительно применение двухшнекового смесителя или экструдера, а именно двухшнекового экструдера, может также обеспечивать уменьшение времени пребывания осадка в устройстве, применяемом для дробления (в данном случае указанный смеситель или указанный экструдер), по сравнению со значениями времени пребывания осадков в традиционно применяемых устройствах для дробления (которое, например, как правило, составляет по меньшей мере приблизительно 20 минут для этапа дробления в резервуаре при непрерывном перемешивании).

В общем, в способе по настоящему изобретению время пребывания осадка в двухшнековом смесителе или экструдере составляет менее 10 минут, преимущественно от 20 секунд до 5 минут.

Данное время пребывания может составлять 1 минуту. Оно даже может составлять не более 1 минуты, в частности от 20 до 60 секунд, например от 20 до 45 секунд.

При осуществлении этапа дробления способа по настоящему изобретению с помощью двухшнекового смесителя или двухшнекового экструдера, соответствующий двухшнековый смеситель или двухшнековый экструдер может содержать различные зоны подачи и несколько зон дробления. Например, соответствующий применяемый двухшнековый смеситель или двухшнековый экструдер может содержать первую зону, соответствующую зоне подачи осадка, вторую зону, соответствующую зоне введения одного или нескольких химических средств дробления (в частности, алюмината), необязательно третью зону, соответствующую зоне введения химического средства дробления. Данный двухшнековый смеситель или двухшнековый экструдер может также содержать две отдельные зоны дробления ниже по потоку вышеуказанных зон подачи и введения.

Согласно одному варианту осуществления способа по настоящему изобретению этап дробления проводят при температуре от 15 до 120°C. Его могут проводить при температуре от 15 до 80°C, предпочтительно от 40 до 70°C. Его также могут осуществлять при температуре от 50 до 120°C, в частности от 60 до 100°C, в частности, за счет добавления пара.

В общем, в способе по настоящему изобретению продукт (осадок), подвергаемый этапу дробления с помощью перемешивания в двухшнековом смесителе или с помощью экструзии, в частности с помощью двухшнековой экструзии, может иметь содержание сухого вещества (или степень сухости, или содержание сухого остатка) по меньшей мере 15% по весу, в частности по меньшей мере 18% по весу, более конкретно от 18 до 40% и, например, от 20 до 35% по весу.

Одним из преимуществ способа по настоящему изобретению является то, что он обеспечивает обработку путем дробления продуктов (остатков) с высоким содержанием сухого вещества, в частности по меньшей мере 25% по весу, более конкретно от 25 до 40%, например от 25 до 35% по весу, а именно без ухудшения свойств конечного осажденного диоксида кремния, например степени дисперсности в эластомерах.

Следовательно, в наиболее предпочтительном варианте способа по настоящему изобретению он включает этап уплотнения при довольно высоком давлении между этапом разделения и этапом дробления, таком как указанный выше, в общем, обеспечивая в полученном продукте (осадке) очень высокое содержание сухого вещества, такое как указано выше.

Данный этап уплотнения позволяет удалить большое количество воды из полученного осадка после этапов осаждения и разделения.

С помощью указанной операции, следовательно, возможно повышение содержания сухого вещества продукта перед этапами дробления и высушивания. Продукт, затем подвергаемый высушиванию, содержит меньше воды, что приводит в результате к экономии энергии для последующего этапа высушивания.

Чем больше осадок на фильтре уплотняют, тем больше воды удаляют и, следовательно, тем больше повышается содержание сухого вещества осадка.

Следовательно, это может осуществляться с применением методов, известных специалисту в данной области техники. Это преимущественно осуществляют на фильтре, оснащенном средствами уплотнения, при этом уплотняющее давление является относительно высоким. Это могут осуществлять в конце фильтрации, после или под конец необязательного этапа промывки, например, на фильтр-прессе за счет набухания мембран мембранных пластин.

В данном наиболее предпочтительном варианте способа по настоящему изобретению этап уплотнения осуществляют при давлении более 10 бар, предпочтительно при давлении по меньшей мере 20 бар.

Согласно одному варианту осуществления данного варианта этап уплотнения осуществляют при давлении более 10 бар и менее 60 бар, предпочтительно от 15 до 45 бар, в частности от 20 до 45 бар, более предпочтительно от 20 до 35 бар. Данный этап может осуществляться при уплотняющем давлении от 20 до 30 бар. Например, давление может составлять приблизительно 25 бар.

Как правило, предпочтительно осуществлять данный этап уплотнения при давлении не более 45 бар, в частности не более 35 бар. Если значения давления слишком высоки, осадок на фильтре может ухудшаться и, следовательно, не будет приводить к частицам осажденного диоксида кремния удовлетворительного качества.

Этап уплотнения могут необязательно осуществлять на том же фильтре, который применяли в ходе этапа фильтрации. Этап фильтрации, необязательный этап промывки и этап уплотнения в некоторых случаях могут находиться в составе одного этапа разделения, включающего фильтрацию, необязательную промывку (например, с применением воды) и сильное окончательное уплотнение на фильтре, оснащенном уплотняющими средствами, таком как фильтр-пресс.

В общем, продолжительность этапа уплотнения при указанном давлении в данном наиболее предпочтительном варианте способа по настоящему изобретению составляет по меньшей мере 200 секунд, предпочтительно от 300 до 600 секунд.

Преимущественно продукт, полученный после этапа уплотнения, имеет содержание сухого вещества по меньшей мере 28% по весу, в частности от 28 до 35% по весу, например от 28 до 32% по весу. Данное содержание сухого вещества может составлять по меньшей мере 29%, в частности по меньшей мере 30% по весу и, в частности, от 29 до 35% по весу, например, от 29 до 32% по весу.

Способ по настоящему изобретению относится к способу синтеза осажденного диоксида кремния, то есть осуществляют первый этап осаждения, на котором по меньшей мере одно подкисляющее средство подвергают реакции с по меньшей мере одним силикатом, без ограничения каким-либо конкретным типом осажденного диоксида кремния.

Способ по настоящему изобретению может осуществляться, в частности, для получения осажденных диоксидов кремния, получаемых с помощью следующих способов, описанных, например, в заявках EP 0520862, EP 0670813, EP 0670814, EP 0917519, WO 95/09127, WO 95/09128, WO 98/54090, WO 03/016215, WO 2009/112458 или WO 2012/010712.

Реакцию осаждения путем реакции силиката с подкисляющим средством могут проводить в способе по настоящему изобретению с применением любого способа получения, в частности, путем добавления подкисляющего средства в исходное сырье силиката или путем одновременного добавления всего или части подкисляющего средства и силиката в исходное сырье на основе воды.

Выбор подкисляющего средства и силиката осуществляют способом, хорошо известным per se. В качестве подкисляющего средства, как правило, применяют сильную минеральную кислоту, такую как серная кислота, азотная кислота или соляная кислота, или органическую кислоту, такую как уксусная кислота, муравьиная кислота, угольная кислота.

После этапа осаждения получают суспензию (или взвесь) S1 осажденного диоксида кремния, в которой возможно необязательное добавление различных добавок, которые затем отделяют.

Согласно одному конкретному варианту осуществления настоящего изобретения указанный выше этап разделения состоит из этапа отделения твердой фазы от жидкой. Предпочтительно, он состоит из этапа фильтрации, после которого получают осадок на фильтре, необязательно с последующим этапом промывки указанного осадка.

Фильтрацию проводят согласно любому подходящему способу, например, посредством фильтр-пресса, или ленточного фильтра, или ротационного вакуум-фильтра.

Полученный продукт (осадок) затем подвергают этапу дробления, как описано выше.

В наиболее предпочтительном варианте способа по настоящему изобретению он включает этап уплотнения при довольно высоком давлении, таком как указанное выше, между этапом разделения и данным этапом дробления.

Согласно одному варианту осуществления способ по настоящему изобретению может включать этап деагломерирования между этапом разделения и этапом дробления; причем в наиболее предпочтительном варианте способа по настоящему изобретению данный необязательный этап деагломерирования осуществляют между этапом уплотнения и этапом дробления.

Данный необязательный этап состоит из крошения осадка, полученного на этапе разделения, или в наиболее предпочтительном варианте способа по настоящему изобретению продукта (осадка), полученного на этапе уплотнения, и позволяет уменьшить размер частиц указанного осадка. Например, данный этап может осуществляться с применением ниблера от Gericke, в котором осадок продавливают через экран с диаметром ячейки менее 20 мм, предпочтительно с размером от 2 до 14 мм. Данный этап деагломерирования может также осуществляться с применением устройств от Wyssmont, таких как "Rotocage Lumpbreaker", "Double Rotocage Lumpbreaker" или "Triskelion Lumpbreaker".

Суспензию осажденного диоксида кремния S2, полученную после этапа дробления, затем высушивают.

Данное высушивание можно проводить в соответствии с любыми способами, известными per se.

Согласно предпочтительному варианту осуществления способа по настоящему изобретению высушивание осуществляют путем распыления.

Для этой цели может применяться любой тип подходящей распылительной сушилки, в частности роторная распылительная сушилка, предпочтительно распылительная сушилка с форсунками, распылительная сушилка гидростатического давления или двухжидкостная распылительная сушилка.

При проведении высушивания с применением распылительной сушилки с форсунками, осажденный диоксид кремния, который затем можно получить с помощью способа по настоящему изобретению, преимущественно находится в форме практически сферической крошки (микрокрошки), предпочтительно со средним размером по меньшей мере 80 мкм.

После данного высушивания собранный продукт могут необязательно перемалывать; при этом затем полученный осажденный диоксид кремния, как правило, находится в форме порошка, предпочтительно со средним размером от 5 до 70 мкм.

Если высушивание осуществляют с применением роторной распылительной сушилки, осажденный диоксид кремния, который затем можно получить, может находиться в форме порошка, например, со средним размером от 5 до 70 мкм.

Также высушенный продукт, в частности, когда он находится в форме порошка или измельченного продукта, может необязательно подвергаться этапу агломерирования, который, например, состоит из прямого прессования, мокрой грануляции (т.е. с применением связующего, такого как вода, суспензия диоксида кремния и т.д.), экструзии или предпочтительно сухого прессования. Когда используют последний метод, перед началом уплотнения может оказаться целесообразной деаэрация порошкообразных продуктов (операция, также называемая предварительное загущение или дегазация) для удаления воздуха, включенного в них, и для обеспечения более однородного уплотнения.

Осажденный диоксид кремния, который может быть получен после данного этапа агломерирования, как правило, находится в форме гранул, в частности, с размером по меньшей мере 1 мм, в частности, от 1 до 10 мм, в частности, вдоль оси их наибольшего размера.

Следующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение, однако без ограничения его объема.

ПРИМЕРЫ

Пример 1 (согласно настоящему изобретению)

Применяемая суспензия осажденного диоксида кремния (S1) представляла собой взвесь диоксида кремния Z1165MP, полученного в результате реакции осаждения, со следующими характеристиками:

Температура: 60°C;

pH: 4,4-5,2;

Влажность: 90%.

Часть суспензии диоксида кремния S1 фильтровали и промывали на фильтр-прессе, а затем уплотняли при давлении 8 бар. Полученный в результате осадок диоксида кремния G1 имел содержание сухого остатка 23,5%.

Остальную часть суспензии диоксида кремния S1 фильтровали и промывали на фильтр-прессе, а затем уплотняли при давлении 25 бар. Полученный в результате осадок диоксида кремния G2 имел содержание сухого остатка 29%.

Осадок G1 деагломерировали путем пропускания через ниблер (Gericke), оснащенный решеткой с размером ячейки 8 мм.

Разрыхленный осадок диоксида кремния затем подавали посредством шнекового питателя при 5 кг/ч в двухшнековый экструдер Clextral BC21, вращающийся при 250 об/мин. Алюминат натрия добавляли посредством отвода в экструдер после зоны подачи (на расстоянии 10 см от входа) таким образом, чтобы скорость потока алюмината натрия составляла 0,33 мл/мин.

Продукт, выходящий из экструдера, собирали в резервуар, в котором регулировали pH до 6 посредством добавления серной кислоты.

Полученную взвесь затем сушили посредством распыления с получением осажденного диоксида кремния в форме порошка P1.

Осадок G2 деагломерировали путем пропускания через ниблер (Gericke), оснащенный решеткой с размером ячейки 8 мм.

Разрыхленный осадок диоксида кремния затем подавали посредством шнекового питателя при 5 кг/ч в двухшнековый экструдер Clextral BC21, вращающийся при 250 об/мин. Алюминат натрия добавляли посредством отвода в экструдер после зоны подачи (на расстоянии 10 см от входа) таким образом, чтобы скорость потока алюмината натрия составляла 0,4 мл/мин.

Продукт, выходящий из экструдера, собирали в резервуар, в котором регулировали pH до 6 посредством добавления серной кислоты.

Полученную взвесь затем сушили посредством распыления с получением осажденного диоксида кремния в форме порошка P2.

Было обнаружено, что для взвеси, полученной из осадка G2, экономия энергии составляла 25%, а связанный прирост производительности составлял 33% по сравнению с высушиванием взвеси, полученной из осадка G1.

С помощью способа по настоящему изобретению, следовательно, также возможно достижение очень хороших результатов в отношении осадков с высоким содержанием сухого остатка.

Пример 2 (согласно настоящему изобретению)

Применяемая суспензия осажденного диоксида кремния (S1) представляла собой взвесь диоксида кремния Z1165MP, полученного в результате реакции осаждения, со следующими характеристиками:

Температура: 60°C;

pH: 4,4-5,2;

Влажность: 90%.

Часть суспензии диоксида кремния S1 фильтровали и промывали на фильтр-прессе, а затем уплотняли при давлении 8 бар. Полученный в результате осадок диоксида кремния G1 имел содержание сухого остатка 23,5%.

Остальную часть суспензии диоксида кремния S1 фильтровали и промывали на фильтр-прессе, а затем уплотняли при давлении 25 бар. Полученный в результате осадок диоксида кремния G2 имел содержание сухого остатка 29%.

Часть осадка диоксида кремния G1 разрыхляли путем пропускания через ниблер (Gericke), оснащенный решеткой с размером ячейки 8 мм.

Разрыхленный осадок диоксида кремния затем подавали посредством шнекового питателя при скорости потока 76 кг/ч (соответствующей конкретной скорости потока осадка, т.е. скорости, рассчитанной в соответствии с рабочим объемом смесителя 97,4 кг/ч/л) в двухшнековый смеситель UCP 2′′*17′′ (RPA process), вращающийся при 105 об/мин. Алюминат натрия добавляли посредством отвода в смеситель после зоны подачи таким образом, чтобы скорость потока алюмината натрия составляла 4,65 мл/мин.

Смешанный продукт собирали в резервуар, в котором регулировали pH до 6,2 посредством добавления серной кислоты.

Полученную взвесь затем сушили посредством распыления с получением осажденного диоксида кремния в форме микрокрошки MP1.

Осадок диоксида кремния G2 деагломерировали путем пропускания через ниблер (Gericke), оснащенный решеткой с размером ячейки 8 мм.

Разрыхленный осадок диоксида кремния затем подавали посредством шнекового питателя при 127 кг/ч в двухшнековый смеситель UCP 2′′*17′′ (RPA process), вращающийся при 155 об/мин. Алюминат натрия добавляли посредством отвода в смеситель после зоны подачи таким образом, чтобы скорость потока алюмината натрия составляла 9,80 мл/мин.

Продукт, выходящий из смесителя, собирали в резервуар, в котором регулировали pH до 6,2 посредством добавления серной кислоты.

Полученную взвесь затем сушили посредством распыления с получением осажденного диоксида кремния в форме микрокрошки MP2.

Было обнаружено, что для взвеси, полученной из осадка G2, экономия энергии составляла 25%, а связанный прирост производительности составлял 33% по сравнению с высушиванием взвеси, полученной из осадка G1.

С помощью способа по настоящему изобретению, следовательно, также возможно достижение очень хорошего результата в отношении осадков с высоким содержанием сухого остатка.

Пример 3

Часть осадка диоксида кремния G1, полученного в примере 2, помещали в резервуар при непрерывном перемешивании в течение одного часа при определенной скорости потока осадка, т.е. скорости, рассчитанной в соответствии с рабочим объемом указанного резервуара 1,78 кг/ч/л, т.е. значительно более низкой скорости, чем в примере 2 для осадка G1, также добавляли алюминат натрия при скорости 14,75 г/мин в указанный резервуар при перемешивании.

Полученный продукт собирали в резервуар, в котором регулировали pH до 6,7 посредством добавления серной кислоты.

Полученную взвесь затем сушили посредством распыления с получением осажденного диоксида кремния в форме микрокрошки MP3.

Было обнаружено, что диоксид кремния MP1, полученный в примере 2, демонстрировал характеристики, близкие к таковым для диоксида кремния MP3, в частности аналогичную степень дисперсности.