VALENCIA GARCIA MARCO FIDEL (CO)
ESCUELA DE INGENIERIA DE ANTIOQUIA (CO)
| US3754076A | 1973-08-21 | |||
| US4248844A | 1981-02-03 |
MARTINEZ V ET AL.: "Production of beta-SiC by pyrolysis of rice husk in gas furnaces.", CERAMICS INTERNATIONAL, vol. 32, no. 8, AMSTERDAM, NL, pages 891 - 897, XP024914357
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| REIVINDICACIONES 1. Método para la obtención de carburo de silicio a partir de cascarilla de arroz que comprende las etapas de: (a) adicionar un catalizador y un agente de precipitación a la cascarilla, y secar la misma hasta una humedad de entre 0% y 5%; (b) pirolizar la cascarilla a la cual se adicionó catalizador y agente de precipitación en atmosfera inerte hasta obtener cenizas; (c) reducir tamaño de las cenizas, y; (d) separar por medios mecánicos el carburo de silicio de las cenizas. 2. El método reclamado en la Reivindicación 1, donde previo a la etapa (a) se retiran las impurezas de la cascarilla. 3. El método reclamado en la Reivindicación 1, donde en la etapa (a) la cascarilla se sumerge primero en el catalizador, luego en el agente de precipitación y después en agua. 4. El método reclamado en la Reivindicación 1, caracterizado porque el catalizador es cloruro ferroso en una solución de entre 5% y 15% en peso/volumen. 5. El método reclamado en la Reivindicación 1, caracterizado porque el catalizador es cloruro de cobalto en una solución de entre 5% y 15 % en peso/volumen. 6. El método reclamado en la Reivindicación 1, caracterizado porque el agente de precipitación es hidróxido de amonio en una solución entre 7% a 12% en volumen. 7. El método reclamado en la Reivindicación 1, caracterizado porque la etapa (b) la pirólisis de la cascarilla se realiza entre 1050°C y 1600°C en un caudal de gas argón. 8. El método reclamado en la Reivindicación 1, caracterizado porque la etapa (c) se ejecuta en un molino de bolas de alúmina o zirconio. 12 9. El método reclamado en la Reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa (d) el tamaño de la ceniza es reducida hasta un tamaño de malla entre mesh 200 a mesh 400. 10. El método reclamado en la Reivindicado 1, caracterizado porque el medio de separación mecánico es un medio neumático en donde: - el fluido para separar el SiC de las cenizas es una corriente gaseosa, y; - la separación del SiC de las cenizas es producto de la diferencia de densidad entre el SiC y los demás componentes de las cenizas. 11. Horno para la ejecución de la etapa (b) del método reclamado en la Reivindicación 1 , que comprende: un chasis; un cuerpo que en su interior se genera el calor; un tubo que ingresa al cuerpo, con una abertura localizada al exterior del cuerpo; un eje localizado en el exterior del cuerpo y ensamblado al chasis el cuerpo del horno gira hasta 90° con respecto al eje descrito por los ejes que ensamblan el cuerpo al chasis del horno; donde, el cuerpo del horno gira hasta 90° con respecto al eje, y el tubo gira solidariamente con el cuerpo. 12. Horno reclamado en la Reivindicación 11, caracterizado porque el material a tratar es ingresado por la abertura del tubo. 13. Ciclón para la ejecución de la etapa (d) del método reclamado en la Reivindicación 1 , que comprende: - un ventilador que succiona aire que ingresa por la entrada del ciclón y las cenizas localizadas en la entrada del ciclón; - una garganta conectada a la entrada del ventilador en el cual: - la dimensión De correspondiente al diámetro de la garganta es determinada por la velocidad y el caudal del aire y las cenizas, y; 13 - un cuerpo cilindrico conectado en uno de sus dos extremos a la garganta, con: - un diámetro D de 1,92 De > D < 3,00 De, y; - una longitud del cuerpo cilindrico h de 0,50 D > h < 1 ,96 D; - un cuerpo cónico conectado al cuerpo cilindrico en el extremo opuesto donde se conecta el cuerpo cilindrico a la garganta, con: - un diámetro mayor igual al diámetro del cuerpo cilindrico; - un diámetro menor B de 0,24 D > B < 0,52 D, y; - una longitud del cuerpo cónico es igual a la resta de la longitud H correspondiente a la longitud del cuerpo cilindrico más el cuerpo cónico, menos la longitud h, siendo H de 3,00 D > H < 3,96 D; - una entrada al ciclón localizada en el cuerpo cilindrico de sección transversal rectangular, con: - un largo a de la sección transversal rectangular de 0,24 h > a < 0,55 h, y; - un ancho b de la sección transversal rectangular de 0,20 D > b < 0,50 D; donde, la garganta ingresa al cuerpo cilindrico una distancia S de 0,30 h > s < 1 ,00 h, y el lado largo a es tangencial al cuerpo cilindrico y el lado ancho b del rectángulo es coplanar con el extremo del cuerpo cilindrico al cual se conecta la garganta. 14. El ventilador del ciclón reclamado en la Reivindicación 13, caracterizado por ser un ventilador centrifugo. 15. La garganta del ciclón reclamado en la Reivindicación 13, caracterizada porque la velocidad del aire y las cenizas al interior de la garganta es entre 25 m/s y 32 m/s. 16. El cuerpo cónico del ciclón reclamado en la Reivindicación 13, caracterizado porque al diámetro menor del cuerpo cónico se conecta un depósito. 17. Ciclón reclamado en la Reivindicación 13, donde el SiC se separa de los demás componentes de las cenizas y sale del ciclón a través del diámetro menor del cuerpo cónico. 14 18. El método reclamado en la Reivindicación 1, caracterizado por tener una efectividad de separación de SiC entre 80,0% y 95,0%. 15 |
Campo de la invención
La presente invención se relaciona con procesos y equipamiento para la obtención de partículas de SiC a partir de cascarilla de arroz.
Descripción del estado de la técnica
El carburo de silicio (en adelante, SiC) es un material cerámico de amplio uso en ingeniería. El SiC se encuentra en forma natural sólo como el mineral moissanite, en el hierro meteórico del Cañón del Diablo en Arizona. Este material se ha caracterizado por ser el refractario no oxidable más importante.
Adicionalmente, como se evidencia en el estado del arte, es posible la obtención de SiC a partir de cascarilla de arroz, tal como lo divulga el documento de patente IN191807 (Al) donde se divulga un procedimiento mejorado para la obtención de "whiskers" de β carburo de silicio a partir de cascarilla de arroz carbonizada por cualquier método convencional. El documento divulga que la cascarilla de arroz se calienta con una solución de cloruro de cobalto que contiene 0,2 gramos de sal y se secaron a temperatura ambiente. La humedad se elimina por completo mediante el secado de la cascarilla a 110°C en un horno de convección. El material se transfiere a un recipiente de alúmina para pirolizarlo a 1300°C durante 2 horas en atmósfera de amoniaco a una velocidad de flujo de 5 L/hora. El documento WO2012166728A1 también divulga un método para obtener carburo de silicio a partir de cascarilla de arroz. El método comprende la etapa de carbonización de la cascarilla de arroz en un reactor a una temperatura entre 700°C a 1400°C y el agente reductor es seleccionado entre gas de hidrógeno o una mezcla entre gas de hidrógeno y cloruro de hidrógeno, y la etapa de separación de SiC del material carbonizado por flotación, decantación, entre otros; sin detallar estos medios de separación. Los anteriores documentos tienen en común que la separación del SiC del material carbonizado, se realiza mediante procesos químicos, generando residuos y sustancias tóxicas, que son contaminantes.
Breve descripción
La presente invención corresponde a un método para la obtención de SiC a partir de cascarilla de arroz. El método comprende las etapas de adición de catalizador y agente de precipitación a la cascarilla de arroz, pirolizar la cascarilla de arroz, reducción de tamaño de las cenizas y separación por medios mecánicos del SiC de los demás componentes de las cenizas. Adicionalmente, para las etapas de pirolizar la cascarilla de arroz y separación por medios mecánicos, la invención cuenta con equipos para la ejecución de estas etapas, respectivamente, un horno de pirólisis y un ciclón. Con la realización del método de la presente invención se obtiene una eficiencia de separación de SiC de entre 80,0% y 95,0%.
Descripción de las figuras
FIG. 1. Modalidad preferida del horno de pirólisis de la presente invención para la ejecución de la etapa de pirolizar la cascarilla del método de la presente invención.
FIG 2. Vista superior del horno de pirólisis de la presente invención con corte parcial para visualizar el interior del cuerpo del horno de pirólisis.
FIG. 3. Vista lateral del horno de pirólisis de la presente invención.
FIG. 4. Ciclón de la presente invención para ejecución de la etapa de separación por medios mecánicos del método de la presente invención.
FIG. 5. Vista lateral del ciclón de la presente invención. FIG. 6. Esquema de dimensiones de los componentes del ciclón de la presente invención.
FIG. 7. Esquema de espiral descendente y espiral ascendente generados al interior del ciclón de la presente invención.
Descripción detallada del invento
La presente invención corresponde a un proceso para la obtención de SiC a partir de cascarilla de arroz (en adelante cascarilla). El proceso comprende las etapas de:
(a) adicionar catalizador y agente de precipitación a la cascarilla;
(b) pirolizar la cascarilla hasta obtener cenizas;
(c) reducir el tamaño de las cenizas, y;
(d) separar por medios mecánicos el SiC de las cenizas.
Previo a la adicción del catalizador a la cascarilla de arroz, es conveniente retirar todas las impurezas posibles que puedan acompañar la cascarilla de arroz. Un procedimiento útil para tal efecto es tamizar la cascarilla de arroz en un tamiz con tamaño de malla #8. El catalizador a adicionar a la cascarilla se selecciona entre cloruro de hierro (II) o cloruro de cobalto (II). El agente de precipitación del hierro y el cobalto puede ser hidróxido de amonio. El catalizador seleccionado se prepara en una solución de entre 5% a 15% en peso/volumen, preferiblemente 10% en peso/volumen. La cascarilla se sumerge en la solución del catalizador entre 50 a 70 minutos, preferiblemente 60 minutos. Posteriormente, la cascarilla se retira de la solución del catalizador y se sumerge en el agente de precipitación. El agente de precipitación es hidróxido de amonio en una solución entre 7% a 12% en volumen, preferiblemente al 10% en volumen, durante al menos 1 hora. Luego, la cascarilla se retira y se lava con agua. Posteriormente, la cascarilla se calienta a fin de retirar la humedad hasta entre 0% y 5%, preferiblemente 0%. Para retirar la humedad, la cascarilla puede ser calentada a una temperatura superior a 100°C, preferiblemente 110°C. Posterior a la etapa de adición de catalizador y agente de precipitación a la cascarilla, se procede a la etapa de pirolizar la misma en un horno de pirólisis. La pirólisis se realiza a una temperatura de entre 1050°C y 1600°C entre 30 y 120 minutos; preferiblemente a 1370°C durante 40 minutos. La pirólisis se realiza en atmosfera inerte, para lo cual se utiliza un gas inerte a un caudal de entre 0, 1 L/min y 2,0 L/min, preferiblemente argón a un caudal de 1.5 L/min.
Producto de la pirolización se obtiene una masa de cenizas que contiene sílice, SiC y carbono libre. En adelante esta masa de cenizas es denominada cenizas.
Las cenizas obtenidas continúan a la etapa de reducir el tamaño de las cenizas. En esta etapa, las cenizas son reducidas hasta un tamaño de malla entre mesh 200 (0,074 mm) a mesh 400 (0,037 mm), preferiblemente malla mesh 400. La reducción de tamaño se pude realizar en un molino de bolas de alúmina o zirconio. Las cenizas molidas son tamizadas en la malla mesh seleccionada. El material que pasa la malla continúa hacia la etapa de separación del SiC, el restante se reprocesa hasta lograr pasar la malla o es desechado, preferiblemente hasta que todo el material pase la malla seleccionada.
Las cenizas reducidas de tamaño continúan a la etapa de separar el SiC de las cenizas. Para esta etapa se considera la densidad, el tamaño y el campo gravitacional de los componentes de la masa de cenizas. Como se indicó anteriormente, la masa de cenizas se conforma de sñice, SiC y carbono libre, los cuales tienen densidades diferentes. La densidad del carbono libre es 2.25 g/cm 3 , la sñice tiene una densidad de 2.65 g/cm 3 y el SiC tiene una densidad de 3.17 g/cm . La diferencia de densidad entre los componentes de las cenizas permite separar por medios mecánicos los componentes, específicamente haciendo uso de separadores neumáticos.
Equipamiento. A fin de ejecutar las etapas:
- pirolizar la cascarilla de arroz; y, - separar por medios mecánicos el SiC de las cenizas, se diseñaron y construyeron equipos para cada etapa. Los equipos son: Horno de Pirólisis
El horno de pirólisis (en adelante, horno) de la presente invención tiene la capacidad de operar a una temperatura máxima de 1500°C. El horno utiliza combustibles gaseosos para la combustión, preferiblemente gas propano. Acorde a la FIG 1, el horno se conforma de:
- chasis (1),
- quemador (2),
- cuerpo (3),
- contrapeso (4),
- hogar (5),
- tubo (6),
- controlador (9),
- chimenea (10),
- entrada de aire (11), y,
- camisa aislante (12)
Acorde con la FIG. 1, el cuerpo (3) es de geometría cilindrica, no obstante este puede tener cualquier geometría tales como cúbicas. En el interior del cuerpo (3) se encuentra el tubo (6). El tubo (6) es preferiblemente cilindrico, aunque puede tener cualquier geometría.
Acorde con la FIG. 2, el tubo (6) cuenta con un punto de alimentación (13) por el cual se ingresa la cascarilla a pirolizar. El punto de alimentación (13) debe salir del cuerpo (3). La porción de tubo (6) que se encuentra al interior del cuerpo (3) se localiza a lo largo cuerpo (3). En la modalidad preferida cuando el cuerpo (3) es de geometría cilindrica, el tubo (6) es concéntrico con el cuerpo (3).
Acorde con la FIG. 1, el quemador (2) es ensamblado sobre la tapa (14) del cuerpo (3). El quemador (2) es alimentado por gas combustible, que a su vez inyecta al interior del cuerpo (3) para la combustión. El interior del cuerpo (3) es el hogar (5).
Acorde con la FIG. 1, el aire para combustión ingresa por la entrada (11).
Acorde con la FIG 1, en el hogar (5) se realiza la combustión entre el aire que ingresa por la entrada (11) y el gas inyectado por el quemador (2), generando gases de combustión a temperaturas de entre 1250°C y 1500°C. Los gases de combustión ocupan el volumen del hogar (5) y transfieren calor a la porción del tubo (6) que se encuentra al interior del cuerpo (3). A causa del calor transferido al tubo (6) se realiza la pirolización de la cascarilla. Los gases de combustión son evacuados del hogar (5) a la atmósfera por la chimenea (10).
Acorde con la FIG 2, al interior del tubo (6) se instala al menos un sensor de temperatura (15), y al interior del hogar (5) se instala al menos otro sensor de temperatura (16). Los sensores de temperatura (15 y 16) se conectan al controlador (9).
Acorde con la FIG 1, el quemador (2) se conecta al controlador (9). El controlador (9), basado en las temperaturas censadas y la temperatura de operación ingresada, controla el quemador (2), ordenando inyectar más o menos gas.
El quemador (2) preferiblemente es un quemador atmosférico de alta presión, con una potencia entre 1,47 W y 17,58 KW, operando preferiblemente a una presión de 34 kPa.
Acorde con la FIG. 1 y FIG. 3, en un extremo del cuerpo (3) se ensambla el contrapeso (4). Preferiblemente el contrapeso (4) se instala en el extremo donde se localiza el punto de alimentación (13) y opuesto al extremo donde se localiza el quemador (2). Acorde con la FIG. 1, el contorno del hogar (5) está recubierto por la camisa aislante (12).
Acorde con la FIG. 2, y FIG. 3, dos ejes (7) son ensamblados en el exterior del cuerpo (3). Los ejes (7) son instalados uno del otro a 180°. En la modalidad preferida, la línea que describen los ejes (7) debe ser perpendicular al eje longitudinal del cuerpo (3).
Acorde con la FIG 2 y FIG 3, los ejes (7) son ensamblados a las chumaceras (8). Las chumaceras (8) están ensambladas al chasis (1).
El montaje descrito anteriormente provee que el cuerpo (3) gire hasta 90° con respecto al eje que describen los ejes (7). El sentido de giro permite vaciar la cascarilla del tubo (6). El contrapeso (4) hace que el horno retorne a su posición natural cuando el horno es girado. A causa del ensamble descrito, el tubo (6) y el quemador (2) presentan movimiento solidario con respecto al cuerpo (3). Separador neumático.
El separador neumático (en adelante ciclón) de la presente invención tiene la capacidad de ejecutar la etapa de separar por medios mecánicos el SiC de las cenizas. Acorde con la FIG 4, el ciclón se conforma de:
- cuerpo cilindrico (20),
- cuerpo cónico (21),
- depósito (23),
- dámper (24),
- garganta (25),
- ventilador (26),
- salida (27), y
- entrada (28). Acorde con las FIGS. 4 y 5, el depósito (23) se ensambla al cilindro cónico (21). El ensamble se realiza en el diámetro menor del cilindro cónico (21). Acorde con la FIG. 5, en el diámetro mayor del cilindro cónico (21) se instala el cuerpo cilindrico (20). A fin de realizar el ensamble, el diámetro mayor del cuerpo cónico (21) es concéntrico con el diámetro del cuerpo cilindrico (20), y adicionalmente el diámetro mayor del cilindro cónico (21) es igual al diámetro del cuerpo cilindrico (20). Acorde con la FIG. 5, la garganta (25) se ensambla al cuerpo cilindrico (20). La pared (29) es opuesta al diámetro del cuerpo cilindrico (20), donde se ensambló el cuerpo cónico (21). La periferia de la garganta (25) se conecta a la pared (29). Donde se conecta la pared (29) a la garganta (25), la pared (29) debe tener una perforación de igual geometría y dimensiones a la sección transversal de la garganta (25). La sección transversal de la garganta (25) puede ser cualquier geometría, preferiblemente circular. Acorde con la FIG 6, la garganta (25) ingresa la longitud S al cuerpo cilindrico (25).
Acorde con la FIG 5, el dámper (24) es ensamblado en cualquier punto a lo largo de la garganta (25). El dámper (24) es concéntrico con el eje longitudinal de la garganta (25). El dámper (24) regula el flujo de aire que ingresa al ciclón.
Acorde con la FIG 5, el ventilador (26) se ensambla a la garganta (25). Como es conocido en el estado del arte, todo ventilador tiene una entrada de fluido y una salida de fluido. En el ciclón, la entrada de fluido del ventilador (26) se conecta a la garganta (25). La entrada de fluido del ventilador (26) es concéntrica con la garganta (25). Y acorde con la FIG 4, la salida de fluido del ventilador, es la salida (27) del ciclón. Preferiblemente el ventilador (26) es un ventilador industrial centrífugo.
Acorde con las FIGS. 4 y 5, la entrada (28) se ensambla al cuerpo cilindrico (20). La cara (30) de la entrada (28) es tangencial al cuerpo cilindrico (20). El extremo de la entrada (28) conectado al cuerpo cilindrico (20) es preferiblemente rectangular, y el lado superior del rectángulo es coplanar con la tapa (29). El extremo de la entrada (28) no conectado al cuerpo cilindrico (20) es preferiblemente de sección transversal circular. A fin de construir el ciclón se debe tener presente que la velocidad del fluido por la garganta (25) debe estar entre 25 m/s y 32 m/s, preferiblemente 30 m/s. Con el valor anterior, el constructor del ciclón selecciona un caudal para el fluido y con la ecuación 1 determina el área transversal de la garganta (25). Q = AxV, ecuación 1
Dónde:
- Q = caudal del fluido;
- A= área transversal al sentido de flujo del fluido; y,
- V = velocidad del fluido.
Acorde con la FIG 6:
- la dimensión De es el diámetro de la garganta (25),
- la dimensión D es el diámetro del cuerpo cilindrico (20),
- la dimensión h es la longitud del cuerpo cilindrico (20),
- la dimensión H es la longitud del cuerpo cilindrico (20) más la longitud del cuerpo cónico (21), por consiguiente la longitud del cuerpo cónico (21) es igual a la resta de H menos h,
- la dimensión B es la longitud del diámetro menor del cuerpo cónico (21),
- la dimensión a es la longitud del lado largo del rectángulo del extremo de la entrada (28) conectado al cuerpo cilindrico (20),
- la dimensión b es la longitud del ancho del rectángulo del extremo de la entrada (28) conectado al cuerpo cilindrico (20),
- la dimensión S es la longitud que ingresa la garganta (25) al cuerpo cilindrico
(20).
Conociendo la dimensión De se pueden determinar las dimensiones anteriores con las relaciones dadas en la siguiente tabla:
Dimensión Relación Relación preferida
D 1,92 De > D < 3,00 De 2,75 De h 0,50 D > h < 1,96 D 1 ,04 D H 3,00 D > H < 3,96 D 3,18 D
B 0,24 D > B < 0,52 D 0,36 D a 0,24 h > a < 0,55 h 0,43 h b 0,20 D > b < 0,50 D 0,36 D s 0,30 h > s < 1,00 h 0,78 h
A fin de separar el SiC de las cenizas en el ciclón, las cenizas son ubicadas en la entrada (28).
El ventilador (26) succiona aire arrastrando las cenizas localizadas en la entrada (28). Acorde con la FIG 7, el aire succionado y las cenizas ingresan al cuerpo cilindrico (20) a través de la entrada (28) describiendo un espiral descendiente al interior del cuerpo cilindrico (20). El espiral descendiente se extiende hasta el diámetro menor del cuerpo cónico (21). Al llegar el espiral descendiente al diámetro menor del cuerpo cónico (21) las cenizas arrastradas pierden velocidad. En el diámetro menor del cuerpo cónico (21), el aire forma un espiral ascendente por el centro del cuerpo circular (20) y el cuerpo cónico (21) en dirección a la garganta (25) con velocidad entre 25 m/s y 32 m/s, preferiblemente 30 m/s. Dada la diferencia de densidades enunciadas anteriormente, correspondiente a los componentes de las cenizas, la corriente de aire que describe el espiral ascendente en dirección a la garganta (25) logra arrastrar todos los componentes con excepción del SiC. El SiC, al no ser arrastrado por el espiral ascendente, cae por las paredes del cuerpo cónico (21) hasta el depósito (23).
Los componentes de las cenizas, con excepción del SiC, son arrastrados por el espiral ascendente hacia la garganta (25), posteriormente hacia el ventilador (26), y finalmente salen por la salida (27).
Resultase ha observado que el proceso es muy eficaz a menos que la corriente gaseosa contenga una gran proporción de partículas de diámetros inferiores a 10 μπι. El tamaño máximo de las partículas es de menos de 200 μπι. La invención se puede emplear tanto para gases cargados de polvo, como para niebla; es decir, conteniendo pequeñas partículas líquidas. El ciclón de la invención presta una eficiencia de separación de SiC de las cenizas de entre 80,0% y 95,0%, comúnmente del 90,1%.