一種納米級氣相法白炭黑原料的混合裝置及方法與流程

本發明涉及納米級氣相白炭黑制備領域，具體為一種納米級氣相法白炭黑原料的混合裝置及方法。

背景技術：

納米級氣相法白炭黑在生產時需將三種原料——（加熱汽化）四氯化硅氣體、反應空氣及反應氫氣充分混合，原料混合得越充分高溫水解反應將進行得越徹底，反應產生的納米級氣相法白炭黑原生粒子表面吸附的羥基將分布得更均均，納米級氣相法白炭黑將具備更加優良的應用性能，如增稠性、補強性及觸變性等。

現有納米級氣相法白炭黑原料混合技術為原料二次混合，混合程度滿足不了高品質氣相法白炭黑的生產需求；導致高溫水解反應進行得不夠充分，反應生成的納米級氣相法白炭黑原生粒子表面吸附的羥基分布不均均，直接影響到納米級氣相法白炭黑的應用性能：增稠性、補強性及觸變性等。目前采取的主要措施為：1. 通過提高三種原料溫度來促進原料混合；2. 加大第一次混合器與反應器間的物料管長度來提高原料混合度；3. 將反應器外型尺寸作適度放大，特別是加大反應器的上部腔體的尺寸來改善原料混合度，上述技術措施多少能起到一些作用，但不可能從根本上提高原料混合度。。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種納米級氣相法白炭黑原料的混合裝置及方法，原料混合由原來二次混合轉變為三次混合模式，能夠進行高效混合。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種納米級氣相法白炭黑原料的混合裝置，包括通過管線連接的第一混合器及反應器，第一混合器進料口連接有空氣管線和四氯化硅管線，第一混合器與反應器之間設有第二混合器，該裝置還包括氫氣總線連接的第一氫氣管線系統和第二氫氣管線系統，第一氫氣管線系統末端與反應器的進氣口連接，第二氫氣管線系統末端連接到第一混合器與第二混合器之間。

進一步地，所述第一混合器為文丘里真空噴射混合器，第二混合器為兩級串聯的靜態混合器。

靜態混合器由不銹鋼內件及不銹鋼殼體組成，內件被點焊固定在殼體上。原料混合物流經靜態混合器時，在內件作用下混合物的流向不但發生改變、流程增加使得原料混合程度得到極大提高。

進一步地，所述第二混合器的前端及后端分別設有第一連接管和第二連接管，兩個連接管各設置兩個防爆片接口；第一連接管上還設有與第二氫氣管線系統末端連接的氫氣進口；防止誤操作或原料品質不純（氫氣及四氯化硅中含有一定比例氯硅烷）時氫氣、空氣及四氯化硅混合物在靜態混合器中閃爆及時泄壓確保安全。

所述四氯化硅管線設有支路管線，其分別連接到第一氫氣管線系統和第二氫氣管線系統。在系統空燒升溫階段，氫氣通過第一氫氣管線系統從反應器的上部垂直進入反應器，空氣經第一混合器及第二混合器后切向進入反應器，氫氣和空氣在反應器的上部腔體中快速旋流混合后在反應器下部反應放出熱量，使系統溫度升高，此階段一般持續2-3小時，為了保證升溫階段的生產安全避免氫氣空氣混合過程中發生閃爆，要求氫氣和空氣混合要迅速時間盡可能短，在升溫階段氫氣走第一氫氣管線系統；在有四氯化硅（氣體）的情況下氫氣和空氣的混合過程比較安全一般不會發生閃爆，當四氯化硅投料并達到額定生產負荷后，逐步關閉第一氫氣管線系統的同時打開第二氫氣管線系統，保持氫氣總量不變，氫氣管線系統切換成第二氫氣管線系統的過程結束后，空氣及四氯化硅通過第一混合器混合后在第二混合器中與來自第二氫氣管線系統的氫氣進行深度混合，深度混合過程因有四氯化硅（氣體）的存在比較安全一般不會發生閃爆。

所述的第一氫氣管線系統和第二氫氣管線系統上分別設有調節閥、保護閥、旁路閥及阻火器，兩套氫氣管線系統并聯及共用一臺氫氣流量計，保證第一氫氣管線系統和第二管線系統在切換時氫氣流量不變。兩套氫氣管線系統的調節閥組均由調節閥、保護閥及旁通閥組成。保護閥的作用是一但調節閥出現故障可關閉調節閥前后保護閥，在不需要對氫氣管線系統置換的情況下將調節閥拆下維修。當調節閥出故障需拆下維修時，可將旁路閥打開將氫氣流量手動調節至需要的數值，不影響生產正常進行。

采用所述的裝置進行白炭黑原料混合的方法，具體步驟為：

1）系統空燒升溫階段及生產負荷提升階段，氫氣通過第一氫氣管線系統從反應器的上部垂直進入反應器，空氣及四氯化硅通過第一混合器及第二混合器混合后切向進入反應器，三者反應器的上部腔體中進行旋流混合，混合后的物料在反應器的下部進行反應生成納米級氣相法白炭黑原生粒子流；

2）生產負荷達到額定負荷及生產的納米級氣相法白炭黑各項指標檢測合格后，逐步關閉第一氫氣管線系統的同時打開第二氫氣管線系統，氫氣總流量保持不變，氫氣管線系統切換結束后，空氣及四氯化硅通過第一混合器混合后在第二混合器與氫氣進行混合，混合后的原料進入反應器的上部腔體中進行旋流混合，最后在反應器的下部進行反應生成納米級氣相法白炭黑原生粒子流。

步驟1）中的混合模式為兩次混合，

1、空氣+四氯化硅氣體通過第一混合器進行第一次混合；

2、空氣+四氯化硅氣體+氫氣在反應器上部腔體中的旋流混合，即第二次混合。

步驟2）中的混合模式為三次混合：

1、空氣+四氯化硅氣體通過第一混合器進行第一次混合；

2.空氣+四氯化硅氣體+氫氣通過第二混合器二次混合；

3.空氣+四氯化硅氣體+氫氣在反應器上部腔體中的旋流混合，即第三次混合。

納米級氣相法白炭黑之間最主要的不同就在于白炭黑原生粒子表面所吸附的硅羥基數量差別（SiOH/nm²）。一般情況下納米級氣相法白炭黑表面硅羥基密度為1.5～3個/nm²，硅羥基密度是影響納米級氣相法白炭黑應用性能（增稠性、補強性及觸變性等）的一個重要因素。納米級氣相法白炭黑作為非極性體系（如涂料、不飽和聚酯、油墨、膠粘劑、潤滑劑及油膏等）的增稠劑及觸變劑其工作機理為：不同的納米級氣相法白炭黑原生粒子表面所吸附的羥基基團形成氫鍵架橋三維結構，外力作用下破壞三維結構體系粘度下降，靜置后重新形成三維結構粘度恢復，一般情況下納米級氣相法白炭黑粒徑越小其表面吸附羥基基團數量越多其增稠及觸變效果越明顯；納米級氣相法白炭黑作為聚合物（HTV硅橡膠、RTV硅橡膠、液體硅橡膠及其它氟橡膠等）補強劑的工作機理為：納米級氣相法白炭黑通過羥基基團與聚合物網絡之間的相互作用以及納米級氣相法白炭黑原生粒子表面所吸附的羥基基團形成氫鍵架橋三維結構。但是并非硅羥基數量越多，其增稠觸變性能越好，因為納米級氣相法白炭黑原生粒子表面含有大量硅羥基等極性基團，使原生粒子之間極易相互碰撞而聚集在一起，形成微米級的二氧化硅二次聚集體，二次聚集體之間進一步相互作用，形成尺寸較大的二氧化硅附聚體，這就影響了氣相法白炭黑在有機聚合物中的分散性、相溶性使得其應用性能下降。白炭黑原生粒子表面吸附的羥基基團數量及羥基基團在白炭黑原生粒子表面均勻分布是提高納米級氣相法白炭黑品質的關鍵。在納米級氣相法白炭黑的生產過程中，精確控制四氯化硅、氫氣、空氣原料配比重點是氫氣空氣與四氯化硅間的配比，可將白炭黑原生粒子表面吸附的硅羥基基團數量控制在合理范圍；提高四氯化硅、氫氣、空氣的混合度重點是氫氣與四氯化硅空氣的混合程度，可使羥基基團在原生粒子表面分布得更加均勻，這樣可保證納米級氣相法白炭黑具備優良的應用性能（增稠性、補強性及觸變性等）。在原料的二次混合模式中，空氣+四氯化硅氣體通過第一混合器進行了第一次混合，空氣+四氯化硅氣體+氫氣在反應器上部腔體中的旋流混合，即第二次混合，其中至關重要的氫氣與四氯化硅、空氣的混合只有一次（反應器上部腔體中的旋流混合），混合程度遠遠達不到要求，這樣將導致生成的納米級氣相法白炭黑原生粒子的粒徑不均勻，原生粒子表面所吸附羥基基團分布不均勻，嚴重影響應用性能（增稠性、補強性及觸變性等）。從生產安全方面考慮，原料的二次混合模式一般用于系統空燒升溫階段及生產負荷提升階段，一但生產負荷達到額定負荷及生產的納米級氣相法白炭黑各項指標檢測合格后，就需切換成三次原料混合模式，該模式中最重要的一點就是提高氫氣與空氣四氯化硅的混合程度，提高產品質量。

本發明提供的結構在原來兩次原料混合模式的基礎上增加一次原料深度混合，另外本發明也涉及到氫氣進氣方式的變化，在裝置空燒升溫階段及生產負荷提升階段，氫氣通過第一氫氣管線系統從反應器的上部垂直進入反應器；當生產負荷達到額定負荷及生產的納米級氣相法白炭黑各項指標檢測合格后，氫氣通過第二氫氣管線進入第二混合器。

附圖說明

圖1是本發明提供裝置的結構示意圖。

圖2是靜態混合器的裝配結構示意圖。

圖3是靜態混合器的殼體及內件的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例，進一步闡明本發明。這些實施例應理解為僅用于說明本發明而不是用于限制本發明的保護范圍。在閱讀了本發明記載的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發明權利要求書所限定的范圍。

實施例1：

如圖1-3所示，一種納米級氣相法白炭黑原料的混合裝置，包括通過管線連接的第一混合器1及反應器2，第一混合器1進料口連接有空氣管線11和四氯化硅管線12，第一混合器1與反應器2之間設有第二混合器3，該裝置還包括氫氣總線連接的第一氫氣管線系統4和第二氫氣管線系統5，第一氫氣管線系統末端4與反應器2的進氣口連接，第二氫氣管線系統5末端連接到第一混合器1與第二混合器3之間。

所述第一混合器1為文丘里真空噴射混合器，第二混合器3為兩級串聯的靜態混合器。

靜態混合器由不銹鋼內件A及不銹鋼殼體B組成，內件被點焊固定在殼體上。

所述第二混合器3的前端及后端分別設有第一連接管31和第二連接管32，兩個連接管各設置兩個防爆片接口33；第一連接管31上還設有與第二氫氣管線系統5末端連接的氫氣進口34。

所述四氯化硅管線設有支路管線，其分別連接到第一氫氣管線系統4和第二氫氣管線系統5。所述的第一氫氣管線系統4和第二氫氣管線系統5上分別設有調節閥、保護閥、旁路閥。

采用所述的裝置進行白炭黑原料混合的方法，具體步驟為：

1）系統空燒升溫階段及生產負荷提升階段，氫氣通過第一氫氣管線系統從反應器的上部垂直進入反應器，空氣及四氯化硅通過第一混合器及第二混合器混合后切向進入反應器，三者反應器的上部腔體中進行旋流混合，混合后的物料在反應器的下部進行反應生成納米級氣相法白炭黑原生粒子流；

2）生產負荷達到額定負荷及生產的納米級氣相法白炭黑各項指標檢測合格后，逐步關閉第一氫氣管線系統的同時打開第二氫氣管線系統，氫氣總流量保持不變，氫氣管線系統切換結束后，空氣及四氯化硅通過第一混合器混合后在第二混合器與氫氣進行混合，混合后的原料進入反應器的上部腔體中進行旋流混合，最后在反應器的下部進行反應生成納米級氣相法白炭黑原生粒子流。

進一步地，第一氫氣管線系統與第二氫氣管線系統切換的時間為5-30min。

表1為采用二次混合和采用三次混合生產得到的白炭黑的比表面積及粘度值的比較：以下檢測為連續檢測，其中比表面積是測試3個平行樣之后確定的平均值。

表1

比表面積數據特別是平行樣的比表面積數據可直觀反映出納米級氣相法白炭黑粒徑的均勻性，粘度指標數據可直接反映出納米級氣相法白炭黑應用性能（增稠性、補強性及觸變性），間接反映納米級氣相法白炭黑原生粒子表面所吸附的羥基基團數量及分部的均勻性。從上表數據可得出，采用三次原料混合模式明顯比采用二次原料混合模式指標好很多：平行樣的比表面積數據改善明顯，也從側面反應了納米級氣相法白炭黑粒徑的均勻性得到明顯改善；粘度數據提高了300mPa.s反映了納米級氣相法白炭黑的應用性能得到了有效提高，也從側面反映了納米級氣相法白炭黑的原生粒子表面所吸附的羥基基團數量增加了及羥基基團在原生粒子表面分布更均勻了。實際上也說明了三種原料的混合度提高后使得高溫水解反應進行得更充分，生成的納米級氣相法白炭黑質量更好。