[發明專利]優化和控制爐反應器中納米顆粒的粒度分布和生產的系統

有效

• 申請號: 201110225306.3
• 申請日: 2011-08-05
• 公開（公告）號: CN102423669A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: V·倫卡納;V·S·布迪拉朱
• 申請（專利權）人: 塔塔咨詢服務有限公司
• 主分類號: B01J13/02
• 分類號: B01J13/02;B01J19/00
• 代理公司: 北京同達信恒知識產權代理有限公司 11291
• 代理人: 李中奎;黃志華

技術領域

本發明涉及用于優化在爐反應器中的納米顆粒的粒度分布和生產的系統。更具體的說，本發明涉及用于生產具有期望顆粒特性的納米顆粒的系統和方法。

背景技術

近年來，納米技術已經變得重要，由于其基礎的和實際的應用，其已經成為研究焦點領域之一。在工業規模中細小顆粒通常在爐反應器中生產，年生產量為數噸每小時。顆粒的較小尺寸尤其是小于100nm是導致各種性質的關鍵參數之一，各種性質諸如為電子的、電氣的、光學的、磁性的、化學的和機械的性質，這些性質使得納米顆粒適用于在陶瓷、催化、涂料、電子、化學和機械拋光、數據存儲、燃料電池等領域中的各種應用。

許多商品和專用化學品和材料(例如炭黑、二氧化鈦、二氧化硅和氧化鋅)是以細小顆粒的形式生產的，這些細小顆粒應用于涵蓋了輪胎、印刷油墨、涂料和顏料、塑料、光纖、催化劑、藥物粉末和化妝品的范圍的各種工業產品和家用產品。

對于許多實際應用，期望具有小尺寸的以及窄粒度分布的顆粒，因為具有窄粒度分布的較小顆粒導致最終產品的較好的性質。例如，催化劑的活性、金屬的硬度和強度、陶瓷的導電性隨著粒度的下降而改善。

納米顆粒的這些特殊性質能夠明顯不同于類似的大塊材料的性質。納米材料的物理和化學性質傾向于特別依賴于它們的大小和形狀或形態。因此，材料科學家將他們的精力集中于開發用于生產具有可控粒度和形態的納米材料的簡單有效的方法，并因此改善它們的性質。用于大規模制造細小顆粒的技術之一是在水平或豎式爐反應器中的火焰氣溶膠合成，年生產量為數百萬公噸，顆粒生產率高達25公噸每小時。通常，在爐反應器中，細小顆粒通過以下進行生產：

a.加熱爐反應器中的氣體；

b.被加熱的氣體在離開反應器之前通過冷卻區域；

c.通過均相成核形成顆粒，通過凝結和聚并生長；

d.載氣稀釋，接著在靠近反應器的出口對稀釋過的載氣進行驟冷以防止顆粒燒結；

e.降低反應器下流的溫度，由于阻止了聚集顆粒的燒結，而增強了較小產物顆粒的形成。

當溫度下降時，主要通過凝結而進行顆粒生長，并生成不規則結構的顆粒和粒度分布。

盡管已經很好地建立了用于生產細小顆粒的方法，具有挑戰性的任務是控制用于大規模生產的爐反應器中的產物的顆粒大小和粒度分布。

產物粒度分布受多個因素影響，即燃燒器幾何結構、火焰的性質和其形狀、入口反應物流量和其濃度、湍流特性、氣體和顆粒速度、反應器內的壓力和溫度曲線以及停留時間分布。

為了控制用于大規模生產的爐反應器中的產物顆粒大小和粒度分布，通常通過使用基于工藝設計工程師和裝置操作人員的經驗而發展而來的試探法根據反復試驗來優化反應器和工藝的設計，這可能或可能不能獲得期望的產物特性。

與提供用于合成納米顆粒的方法和放大方法有關的一些發明如下：

US20060024435公開了一種用于制造納米尺寸的顆粒的方法和納米顆粒反應器，該顆粒反應器包括提供反應物的層流的成核和核生長區，其中反應物熱分解以產生過飽和蒸汽，該過飽和蒸汽使氣溶膠顆粒成核成顆粒核。盡管US20060024435專利申請公開了用于生產納米顆粒的方法和裝置，其并沒能公開不使用實驗而配置反應器的流的方法。而且，其沒有確定工藝參數對粒度分布的影響。

US20060159596公開了使用高溫方法可控合成納米顆粒的方法和裝置。反應腔包括通過例如等離子體焰炬的部件加熱的高溫氣體和反應室。盡管US20060159596專利申請公開了用于可控合成納米顆粒的方法和裝置，但其并沒能公開不使用實驗而配置反應器的流的方法。而且，其沒有確定工藝參數對粒度分布的影響。

Akhtar等(1991)的“Vapor?Synthesis?of?Titania?Powder?by?Titanium?Tetrachloride?Oxidation”公開了化學反應和凝結以確定在氣溶膠火焰反應器中產物二氧化鈦顆粒的粒度分布的特性。而且，所述文獻公開了通過TiCl₄的氣相氧化生產TiO₂顆粒的方法，以及通過使用分段技術對“化學反應和凝結”的氣溶膠動力學反應進行解釋而公開了工藝參數對生產方法的影響。該文獻主要僅專注于顆粒的粒度分布，而沒有解決氣相動力學和顆粒群動力學的耦合。而且，所述文獻沒有確定整個爐反應器的氣相和顆粒特性以及使用不同燃燒器的顆粒特性。其也沒有解決用于按比例放大具有期望粒度分布的納米顆粒的生產規模的挑戰性方面。