Реактор для очистки ультрадисперсных алмазов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ РЕАКТОР ДЛЯ ОЧИСТКИ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ АЛМАЗОВ(71) Заявитель Научно-производственное закрытое акционерное общество Синта(72) Авторы Губаревич Татьяна Михайловна Корженевский Александр Павлович Гаманович Дмитрий Николаевич(73) Патентообладатель Научно-производственное закрытое акционерное общество Синта(57) Реактор для очистки ультрадисперсных алмазов, содержащий корпус с нагревателем,отличающийся тем, что содержит внутренний цилиндр с установленной на нем спиралью, расположенный коаксиально внутри выполненного цилиндрическим корпуса и сообщающийся с ним, съемное днище, в котором закреплены штуцера ввода и вывода реакционной суспензии, и теплообменник воздушного охлаждения, снабженный ребрами 9773 1 2007.10.30 и размещенный соосно над открытой частью коаксиально установленных цилиндров, при этом спираль выполнена с шагом, равным 0,05-0,2 высоты реактора, внутренний диаметр внутреннего цилиндра составляет 0,2-0,5 внутреннего диаметра корпуса реактора и имеет верхнюю часть в виде усеченного конуса, открытого к теплообменнику воздушного охлаждения. Изобретение относится к способам и оборудованию для получения искусственных алмазов и может быть использовано при промышленном производстве ультрадисперсных алмазов путем их очистки от примесей с использованием жидкофазных окислителей. Ультрадисперсные алмазы (УДА) образуются при детонационном превращении мощных смесевых взрывчатых веществв замкнутом объеме в неокислительной атмосфере. В качестве технологических примесей вместе с алмазами в этих условиях получается так называемый неалмазный углерод (аморфный углерод, микрографит, сажа), а также некоторое количество неуглеродных загрязнений - тонкие частицы металлов (, , , ),оксидов, некоторых карбидов и т.п. УДА в смеси с вышеуказанными примесями образует так называемую алмазсодержащую шихту, которая представляет собой тонкодисперсный сильнопылящий порошок черного цвета с сильно развитой поверхностью - до 400500 м 2/г. Очистка такого УДА-содержащего порошка от примесей требует специального оборудования, обеспечивающего эффективность, производительность и безопасность процесса. Для очистки УДА известно использование жидкофазных окислителей, таких как водные растворы соединений 6-валентного хрома, хлорной кислоты, нитратов щелочных металлов. Известно применение для этих целей водных растворов азотной кислоты(Губаревич Т.М., Корженевский А.П., Гаманович Д.Н. Ультрадисперсные алмазы получение, применение, перспективы // Сверхтвердые материалы. - 1999. -1. - С. 25-30), при этом обработка ведется при повышенной температуре (до 300 ) и давлении до 100 атмосфер. Процесс может быть организован как в периодическом, так и в непрерывном режиме. В первом случае используют автоклавы, выполненные из титана, представляющие собой емкостный толстостенный сосуд с навинчивающейся крышкой. Крышка имеет штуцера для подсоединения датчика давления и сброса избыточного давления. Нагрев автоклава осуществляется в бане со сплавом Розе. Загрузка реакционной смеси алмазсодержащей шихты с азотной кислотой и водой производится периодически через горловину сосуда, после чего сосуд герметизируется путем завинчивания крышки. Известен способ для очистки УДА в непрерывном режиме пат. РФ 2109683 от 27.04.98 // Бюл.12, С 04 В 31/06, в т.ч. авторы Губаревич Т.М., Корженевский А.П Для осуществления указанного способа имеется титановый трубчатый реактор вытеснения (не заявлен), объемом 3 л, через который прокачивают насосом-дозатором высокого давления суспензию алмазсодержащей шихты в азотной кислоте и дополнительно воду или разбавленную азотную кислоту. Имеется также а.с. СССР, не публикуемое,1830883, 01 31/06, где указано аналогичное устройство для очистки шихты. В практике такой реактор выполнен в виде полой трубы с крышкой и днищем, присоединяемыми на фланцах. В крышке размещены штуцера для ввода и вывода реакционной смеси, подача реакционной смеси осуществляется через трубку в нижнюю часть реактора, а отбор (вывод) через отборную трубку в верхней части реактора. В днище расположен штуцер для слива жидкости. В полость сосуда через верхнюю крышку введен карман для размещения термопары (термодатчика). Нагрев сосуда осуществляется с помощью гибких электронагревателей типа ЭНГЛ-180. Коэффициент заполнения такого сосуда составляет 0,5-0,67,что обусловлено требованиями безопасного ведения процесса. Сосуды указанной конструкции могут быть соединены последовательно в каскад из 2-3 реакторов, что позволяет повысить скорость прокачивания суспензии и, соответственно, производительность процесса. 2 9773 1 2007.10.30 Апробирование указанных устройств в опытных технологических процессах очистки УДА показало ряд узких мест, требующих решения. В частности, имеет место неравномерный нагрев реакционной массы, когда слой суспензии, прилегающий непосредственно к обогреваемой стенке реактора, перегревается, а внутренний объем имеет недостаточно высокую температуру. Кипение и газовыделение неравномерные, возникают перепады давления. Снижается качество очистки. Для стабилизации требуется снижение дозировки,что уменьшает производительность оборудования. Известен патент РФ 2019502 от 15.09.94 // Бюл.17, С 04 В 31/06 Способ удаления примеси неалмазного углерода и устройство для его осуществления, в котором газообразный окислитель подается перетоком по трубопроводу через два проточных реактора с алмазной шихтой, размещенных в тепловом поле нагревателя. Однако это устройство работает периодически и не пригодно для очистки жидкофазными окислителями. Задачей настоящего изобретения является разработка высокопроизводительного проточного реактора для химической жидкофазной очистки ультрадисперсных алмазов, характеризующегося стабильностью в эксплуатации и качеством очистки. Поставленная задача достигается тем, что реактор для очистки ультрадисперсных алмазов окислителями с нагревателем на корпусе реактора выполнен в виде по меньшей мере двух коаксиально установленных сообщающихся цилиндров со спиралью на внутреннем цилиндре и шагом спирали 0,2-0,05 высоты реактора, причем внутренний диаметр цилиндра составляет 0,2-0,5 внутреннего диаметра корпуса реактора и имеет верхнюю часть в виде усеченного конуса. Днище реактора выполнено съемным, в днище закреплены штуцера ввода и вывода реакционной суспензии. Вверху коаксиально установленных цилиндров закреплен теплообменник воздушного охлаждения с ребрами. На фиг. 1 представлен разрез предложенного реактора. Реактор имеет корпус 1 с электрообогревателем 2. Внутри корпуса 1 коаксиально расположен цилиндр 3 диаметром, равным 0,2-0,5 внутреннего диаметра корпуса реактора с трубками ввода 4 и вывода 5 реакционной суспензии. На внешней поверхности цилиндра 3 закреплена спираль 6 с шагом 0,2-0,05 высоты реактора. У основания цилиндра 3 выполнено отверстие 7 для протекания реакционной суспензии. Трубки ввода 4 и вывода 5 реакционной суспензии, а также цилиндр 3 со спиралью 6 закреплены в съемном днище 8. Вверху цилиндр 3 имеет усеченный конус 9, над которым расположен воздушный теплообменник 10, выполненный в виде полой трубы с ребрами 11 снаружи для лучшего теплообмена с воздухом. Теплообменник 10 размещен соосно над открытой частью коаксиально установленных цилиндров. Реактор выполнен из титана. Устройство работает следующим образом. Реакционная суспензия, представляющая собой смесь алмазсодержащей шихты с окислителем, например концентрированной азотной кислотой, с помощью насосадозатора высокого давления (на фиг. 1 не показан) подается в цилиндр 3 реактора по трубке ввода 4 и заполняет объем реактора, перетекая из внутреннего цилиндра 3 через отверстие 7 во внешний цилиндр, образованный корпусом 1 реактора, в зону расположения спирали 6. Когда уровень суспензии достигает верхнего конца трубки вывода 5, суспензия вместе с избыточными газами перетекает по трубке 5 из реактора в приемное устройство (накопитель) или в следующий реактор при каскадном расположении узла очистки (на фиг. 1 не показаны). Нагрев суспензии происходит сначала в подающей трубке 4 (зона нагрева 1) за счет теплообмена с более нагретой суспензией, находящейся в цилиндрической части 3 (зона нагрева 2). Затем суспензия опускается вниз внутри цилиндра 3 по принципу вытеснения,нагреваясь через стенку цилиндра 3 за счет теплообмена с зоной внешнего цилиндра, а также с выходящей суспензией через стенку трубки вывода 5. Предварительно подогретая суспензия из нижней части цилиндра 3 попадает на спираль 6 (зона нагрева 3) и движется 3 9773 1 2007.10.30 по ней вдоль электрообогреваемой стенки корпуса, при этом спираль обеспечивает перемешивание суспензии. Нагретая до рабочей температуры суспензия перетекает в трубку отбора 5, в которой несколько охлаждается за счет теплообмена с вновь поступающей суспензией. Теплообменник 10 обеспечивает воздушноохлаждаемый демпфирующий газовый объем над реакционной массой, что смягчает колебания давления и повышает коэффициент полезного использования азотной кислоты за счет ее частичной конденсации из паров в охлаждаемой зоне. Наличие ребер 10 на наружной поверхности теплообменника позволяет достаточно эффективно охлаждать парогазовую смесь за счет окружающего воздуха. При этом не требуется подвода охлаждающей воды, что упрощает конструкцию и условия эксплуатации реактора. Наличие теплообменника позволяет более эффективно использовать реакционный объем сосуда высокого давления с коэффициентом заполнения до 0,850,9. Предусмотрены улучшенные условия разделения газов и жидкости благодаря открытым вверх подающей 4 и отборной 5 трубкам и зонам нагрева. В упомянутых трубках и зонах нагрева в силу различного сечения протока суспензия движется с переменной скоростью, что способствует разрушению квазистационарных структур, характерных для ламинарных потоков. При этом улучшается теплообмен, повышается однородность и качество продукции. Наличие трех зон нагрева с разными сечениями протока и скоростями движения реакционной суспензии позволяет проводить процесс химической очистки УДА жидкофазными окислителями на основе азотной кислоты с учетом кинетических закономерностей процесса в три стадии с различными скоростями первая - окисление наиболее реакционноспособных компонентов шихты при относительно невысокой температуре (с саморазогревом и обильным вспениванием) вторая - окисление основной части неалмазного углерода при повышенной температуре (с умеренным экзотермическим эффектом, объем газовыделения значительный) третья стадия - доокисление наиболее устойчивых примесей, происходит при максимальной температуре и требует выдержки при заданной температуре для полноты протекания процесса. Такое конструктивное решение к тому же упрощает обслуживание оборудования. При необходимости проведения профилактических работ или осмотра внутренней части реактора, разборке подлежит только одно соединение - днища с корпусом. Все внутренние детали реактора извлекаются совместно из корпуса (как один узел), что удобно для их осмотра, очистки, замены в случае необходимости. Внутренняя поверхность корпуса также становится доступной для осмотра и необходимых действий по очистке. Заявляемый реактор апробирован на опытно-промышленной установке в НП ЗАО Синта по выпуску УДА. Установлены его высокая производительность, эффективность очистки алмазов от примесей, безопасность в эксплуатации и профилактическом обслуживании. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4