在氣相法白碳黑生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制與管理

尹智勇

摘要：本文筆者結(jié)合個(gè)人對(duì)氣相法白炭黑生產(chǎn)加工工藝的掌握與了解，首先就氣相法白炭黑生產(chǎn)工藝展開粗淺的探討，并且就生產(chǎn)過程中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響與管理提出幾點(diǎn)個(gè)人展望建議，以期為廣大同行在今后的實(shí)踐工作上提供有意的參考借鑒。

關(guān)鍵詞：氣相法白炭黑;生產(chǎn)工藝;產(chǎn)品質(zhì)量

前言：

所謂的氣相法白炭黑其就是一種化學(xué)結(jié)構(gòu)為二氧化硅的多功能添加劑，因?yàn)槠浔旧砭邆涫至己玫姆€(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性與增稠性，所以在化工行業(yè)中也有著工業(yè)味精的美名，是一種真正能夠在全世界范圍之內(nèi)進(jìn)行廣泛應(yīng)用的納米材料。尤其是近些年來伴隨著多晶硅工業(yè)的迅猛發(fā)展，套用白炭黑生產(chǎn)線，并使其成為氣相白炭黑的主體原料這種模式儼然已經(jīng)成為一種良性的資源利用循環(huán)。所以進(jìn)一步對(duì)氣相法白炭黑生產(chǎn)工藝加以分析，做好其生產(chǎn)質(zhì)量控制則具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，也是筆者重點(diǎn)闡述的對(duì)象。

1.氣相白炭黑的生產(chǎn)工藝

在氫氧的燃燒過程中四氧化硅發(fā)生水解反應(yīng)后，會(huì)生成由N2、O2、H2O和HCI、SO2組成而成的氣固混合物，并且氣固混合物中的SO2在進(jìn)一步的冷卻過程中通過一組管狀聚集器，粒子在相互碰撞時(shí)發(fā)生聚集，最終生成粒度分布適宜的大顆粒的一種生成工藝，也就是氣相白炭黑生成工藝。與此同時(shí)，當(dāng)固體與氣相相互分離的時(shí)候，可以使用加熱與蒸汽氣提的方式，見固體中吸附的HCI提出，從而得到相應(yīng)的氣相二氧化硅產(chǎn)品。具體來講氣相白炭黑的生成工藝可用圖1表示。

2.氣相法白炭黑生成工藝技術(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量影響

在整個(gè)氣相法白炭黑生成過程中，對(duì)燃燒爐的設(shè)計(jì)工作可以說是本工藝的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量。因此在燃燒爐的設(shè)計(jì)上既要能夠保證噴嘴結(jié)構(gòu)在原料混合上的均勻性，提高生產(chǎn)穩(wěn)定性、連續(xù)性，還要解決材料在高溫氧化氫環(huán)境之下可能出現(xiàn)的防腐蝕問題。為此可以使用特殊鈦材質(zhì)制作而成的燃燒噴嘴，一方面保證了燃料混合的均勻性，燃料的高效冷卻，另一方面在反應(yīng)火焰的周圍包裹上了一層環(huán)溪?dú)溲跹?，也極少了外界的反應(yīng)影響，最大限度的提高了整個(gè)生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性與連續(xù)性。

在氣相法白炭黑生產(chǎn)過程中，確定四氯化硅的高溫水解反應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)之中的工藝控制條件，達(dá)到控制氣相二氧化硅比表面積的目的也是本工藝中產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)所在。特別是四氯化硅其高溫水解本身就是氣相反應(yīng)，大部分的流程都是氣固流動(dòng)狀態(tài)，十分容易發(fā)生波動(dòng)。所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用氣固兩相時(shí)，固體表面的濃度、溫度、氣體主體都會(huì)所有不同，在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，所測得得氣流主體溫度、反應(yīng)物濃度均會(huì)與實(shí)際得情況產(chǎn)生巨大得偏差。而流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)則決定了具體得偏差程度。因此根據(jù)固顆粒內(nèi)部的傳熱與傳質(zhì)影響，動(dòng)力學(xué)方程式為：R1=ft（Ts）ft（Cs）。

公式中的Ts代表的四固體的表面溫度;Cs代表的四固體表面的反應(yīng)物濃度。

如若按照動(dòng)力學(xué)方程式對(duì)理論反應(yīng)結(jié)果加以計(jì)算，那么生產(chǎn)比表面積為380m2/g的氣相法白炭黑氣體的流速為10m/s到15m/s之間;如若生產(chǎn)比表面積為300m2/g的氣相法白炭黑的氣體流速應(yīng)該為8m/s到13m/s之間;如若生產(chǎn)比表面積為150m2/g的氣相法白炭黑的氣體流速則應(yīng)該為7m/s到10m/s之間。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，施工人員還可以結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際需求，對(duì)生產(chǎn)工藝條件加以調(diào)整，并且利用DCS自動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定。

氣相二氧化硅粒子聚集控制也是氣相法白炭黑生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵。因?yàn)榧{米粒子其本身所具備的特殊表面結(jié)構(gòu)，表面缺乏鄰近的配位原子，所以具備很高的活性，在高溫碰撞之下記憶發(fā)生團(tuán)聚。所以可以使用AF（50）團(tuán)聚系統(tǒng)表示顆粒的團(tuán)聚程度：

在公式中的中等尺寸團(tuán)聚體，其直徑往往為顆粒分析中50%累計(jì)質(zhì)量直徑，并且隨著團(tuán)聚系數(shù)越大，粉體團(tuán)聚現(xiàn)象也就越發(fā)嚴(yán)重。通過聚集設(shè)備設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的工藝條件，選擇氣相二氧化硅二次聚集體為0.2μm到0.5μm之間，附聚體的尺寸則為2μm到20μm之間，則可以滿足產(chǎn)品的所有技術(shù)指標(biāo)要求。

3.結(jié)論與展望

本文筆者通過對(duì)氣相法白炭黑生產(chǎn)工藝技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新，以此控制產(chǎn)品質(zhì)量，使其能夠滿足氣相二氧化硅的國際要求。同時(shí)，還大大的降低了四氯化硅副產(chǎn)物、尾氣氯化氫的循環(huán)利用成本，使資源的利用效率得到了大大的提升。

與此同時(shí)，在今后氣相法白炭黑生產(chǎn)過程中，我們還要進(jìn)一步積極的探索多晶硅副產(chǎn)物之中那些難以處理的高沸物原材料，采取恰當(dāng)?shù)亩趸韫に噷?shí)施方案，并且結(jié)合市場對(duì)產(chǎn)品的合計(jì)需求加以調(diào)整，從而探索出更多的全新產(chǎn)品，使其能夠得到更加廣泛的應(yīng)用。

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