CN101264433B - 一种制备纳米颗粒的气相燃烧反应器及其工业应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制备纳米颗粒的气相燃烧反应器及其工业应用方法。该反应器通过改变传统燃烧反应器喷嘴结构，使反应物料和燃烧气体均匀混合后形成超高速射流火焰，在辅助射流和辅助火焰及冷却气体的稳定和保护的作用下，克服了传统燃烧反应器温度场和浓度场不均、反应喷嘴容易结疤等缺陷，可以长时间连续化生产。可用于工业化连续制备纳米二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、锑掺杂的二氧化锡等多种氧化物纳米颗粒。
Description
技术领域
本发明涉及一种气相燃烧反应器及其在工业上的应用，尤其涉及用于连续化制备纳米氧化物颗粒的反应器。
背景技术
气相燃烧法制备纳米颗粒的生产工艺最早在上世纪四十年代由德国Degussa公司首先开发成功，其相对于传统的液相制备方法，如，溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法、微乳液法等，具有设备简单、固定、无后续工艺等优点。经过几十年的发展，该生产工艺逐步得到了改进，被广泛的用于炭黑、SiO2、TiO2、Al2O3、SnO2、Fe2O3、ZrO2等单氧化物产品，并逐步扩展到SiO2/TiO2、ITO、ATO、V2O5/TiO2等复合氧化物以及一些非氧化物(TiN、TiB、SiC等)产品。这些产品的年产量可达几百万公吨，生产效率约为每天100公吨。但是到目前为止仅有德国Degussa、Wacker、美国Cabot、DuPont、Columbia、日本Tokuyama、乌克兰卡路什等几家公司掌握这一制备技术，在基础理论、工艺设备、产品应用等方面都开展了广泛深入的研究工作，产品的应用领域不断扩展。
目前，国内外应用较多的为传统的扩散燃烧式反应器，这种反应器结构简单，制造及维修方便。但这种反应器存在温度场和浓度场不均匀，喷嘴出口处容易结疤堵塞喷嘴等缺点，无法长时间连续运行，限制了这类反应器在工业连续化生产上的应用和发展。因此采用传统的扩散火焰反应器难以满足多样化、连续化纳米颗粒的生产要求。
发明内容
本发明的目的之一，是提供一种适用于多种纳米氧化物颗粒连续化工业生产的气相燃烧反应器，以克服现有技术所存在的缺陷。
本发明的目的之二，是提供上述燃烧反应器的工业应用方法，即制备包括二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、锑掺杂的二氧化锡等在内的多种纳米氧化物颗粒的应用方法。
本发明的构思是这样的：
造成反应区浓度场和温度场不均匀的主要原因火焰内部供氧不足和反应物料混合不均匀，而喷嘴出口处容易结疤堵塞的现象主要是由于各环出口处气速过低，无法及时清理掉烧嘴处形成的粉体所致。为了解决以上问题，本发明在高速射流火焰出口按一定比例通入前驱体和燃烧气体的混合物，并使其突出喷嘴平面，使得辅助射流同其出口管壁之间形成高速摩擦，这样一方面保证了高速射流火焰内部供氧充足和反应物混合均匀，另一方面通过提高气速和气体摩擦的作用有效的减少了结疤现象；尽量减小辅助射流出口面积，提高气速，并且加入循环冷却水降低烧嘴温度，可以有效的抑制烧嘴的结疤现象。辅助火焰和冷却气体出口由若干呈环形阵列排布的小孔构成，有效的提高了出口处的气速。以上通过反应物进料方式的调整有效的提高了温度场和浓度场的均匀性，通过提高出口气速和循环冷却降温的方法可以解决喷嘴结疤的问题，从而有效的克服了传统扩散燃烧反应器的缺陷。
本发明使通过以下技术方案实现的：
一种气相燃烧反应器，包括高速射流烧嘴1和燃烧室2，烧嘴位于燃烧室的上部，其特征在于，烧嘴由高速射流火焰出口1-1、辅助射流出口1-2、热水冷却夹套1-3、辅助火焰出口1-4及冷却气体出口1-5以同轴方式从内向外依次排列而成；燃烧室由点火口2-1、测压口2-2、测温口2-3和热水冷却夹套2-4构成。
高速射流火焰出口1-1突出喷嘴平面2～50mm，辅助射流出口的面积与高速射流火焰出口的面积比介于1∶3～1∶10之间，辅助火焰出口与高速射流火焰出口的径向距离不超过5D0(D0高速射流火焰出口直径)，冷却气体出口由阵列排布的直径为0.5～2mm小孔构成，开孔率为10～40％；燃烧室的直为8～25D0，燃烧室的长径比为10～25∶1。
本发明进一步改进的方案为：中心管突出喷嘴平面0.5～1.5mm，二环三环间加有冷却水，水温控制在50～80℃之间；三环和四环由若干呈环形阵列排布的直径为0.6～1.5mm小孔构成。所述的燃烧室和絮凝管道带有循环水夹套，循环水相互流通，温度控制在70～90℃之间。水相互流通，温度控制在70～90℃之间。
另外，本发明还提供了该扩散燃烧反应器在制备纳米金属氧化物中的应用方法，包括如下步骤：
(1)在烧嘴的高速射流火焰出口通入完全预混的前驱体蒸汽、第一燃料气体和氧化气体，点燃后形成高速射流火焰，由高速射流火焰出口向燃烧室喷出，高速射流火焰出口的气速为100～180m/s；其中，前驱体蒸汽是金属氯化物、金属醇盐或其他有机相金属盐类的一种或几种的混合物，第一燃料气体是氢气、小分子碳氢化合物气体的一种或几种的混合物，氧化气体是空气、氧气的一种或二者的混合物；
(2)经净化干燥的辅助射流气体由辅助射流出口通入燃烧室、第二燃料气体分别和辅助火焰出口通入燃烧室，并点燃形成辅助火焰，辅助射流出口的气速为80～150m/s；辅助射流气体是空气、氧气、氮气、氩气中的一种或几种的混合物；
辅助火焰的出口气速为20～50m/s，第二燃料气体是氢气和小分子碳氢化合物气体的一种或几种与空气或者氧气的混合物；
(3)以气速为50～110m/s、经冷却气体出口通入经净化的冷却气体，在火焰外部形成环形射流，对反应体系进行冷却；冷却气体是空气、氧气、氮气、氩气中的一种或几种；
前驱体蒸汽和燃烧产生的水蒸气在燃烧室内进行高温水解反应器，反应温度为600～2100℃，反应后制备的纳米颗粒粒径在5～100nm范围内可控。
有益效果：
由以上技术方案和实施方法可知，本发明通过改善燃烧反应器烧嘴结构和进料方式，使得反应物同燃烧气体均匀混合后由中心环喷出，同辅助火焰高速混合，再加上四环空气的稳定和保护作用，克服了传统扩散反应器温度场和浓度场不均匀的缺陷；并且通过提高缩小各环出口面积和循环冷却降温的方法，提高了喷嘴各环出口的气速并降低了出口的温度，避免了烧嘴结疤现象。利用该燃烧反应器，成功的制备出了粒径5～40nm，分布较均匀的二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、锑掺杂的二氧化锡等金属氧化物，并且可进行连续生产，满足工业化要求。
附图说明
图1为本发明实施例所述的燃烧反应器的结构示意图。
图2为本发明实施例所述的燃烧反应器烧嘴的俯视图；
图3为实施例1产物的电镜照片；
图4为实施例2产物的电镜照片；
图5为实施例3产物的电镜照片。
具体实施方式
通过以下实施例的说明将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。
实施例1
先将20ml/min的TiCl4经电加热的蒸发器汽化，其蒸汽与经干燥、净化、预热后的空气和氢气按一定比例在混合器内混合，由高速射流火焰出口向燃烧室高速喷出，出口气速为110m/s；另有经净化干燥的空气和氢气分别由辅助射流出口和辅助火焰出口通入燃烧室，并点燃形成辅助火焰，其出口气速分别为80m/s和30m/s；在冷却气体出口通入经净化的空气，在火焰外部形成环形射流，对反应体系进行冷却，其气速为50m/s；反应温度为1000℃。经气相燃烧形成纳米TiO2颗粒。燃烧室和烧嘴内部循环冷却水温控制在80℃左右。所得TiO2一次颗粒直径为15nm左右，粒径分布较均匀。
实施例2
先将0.7g/min的异丙醇铝经电加热的蒸发器汽化，其蒸汽与经干燥、净化、预热后的空气和氢气按一定比例在混合器内混合由高速射流火焰出口向燃烧室高速喷出，出口气速为140m/s；另有经净化干燥的空气和氢气分别由辅助射流出口和辅助火焰出口通入燃烧室，并点燃形成辅助火焰，其出口气速分别为100m/s和40m/s；在冷却气体出口通入经净化的空气，在火焰外部形成环形射流，对反应体系进行冷却，其气速为70m/s；反应温度为1200℃。经气相燃烧形成的纳米Al2O3颗粒。燃烧室和烧嘴内部循环冷却水温控制在80℃左右。所得Al2O3一次颗粒直径为10nm左右，粒径分布较均匀。
实施例3
先将10ml/min的SnCl4和SbCl3的乙醇溶液经电加热的蒸发器汽化，其蒸汽与经干燥、净化、预热后的空气和氢气按一定比例在混合器内混合由高速射流火焰出口向燃烧室高速喷出，出口气速为160m/s；另有经净化干燥的空气和氢气分别由辅助射流出口和辅助火焰出口通入燃烧室，并点燃形成辅助火焰，其出口气速分别为120m/s和50m/s；在冷却气体出口通入经净化的空气，在火焰外部形成环形射流，对反应体系进行冷却，其气速为90m/s；反应温度为1800℃。经气相燃烧形成的纳米ATO颗粒。燃烧室和烧嘴内部循环冷却水温控制在80℃左右。所得ATO一次颗粒直径为20nm左右，粒径分布较均匀。
Claims (2)
1.一种气相燃烧反应器，包括高速射流烧嘴和燃烧室，烧嘴位于燃烧室的上部，所述烧嘴由高速射流火焰出口，辅助射流出口和热水冷却夹套a、辅助火焰出口及冷却气体出口以同轴方式从内向外依次排列而成；其特征在于，所述高速射流火焰出口突出喷嘴平面2～50mm，所述辅助射流出口的面积与所述高速射流火焰出口的面积比为1∶3～1∶10；所述辅助火焰出口与所述高速射流火焰出口的径向距离不超过5D0所述冷却气体出口由阵列排布的直径为0.5～2mm的小孔构成，其开孔率为10～40％；所述燃烧室的直径为8～25D0、长径比为10～25∶1；所述D0是所述高速射流火焰出口的直径。
2.权利要求1所述的气相燃烧反应器在制备纳米颗粒中的应用方法，其特征在于：
(1)在烧嘴的高速射流火焰出口通入完全预混的前驱体蒸汽、第一燃料气体和氧化气体，点燃后形成高速射流火焰，由高速射流火焰出口向燃烧室喷出，高速射流火焰出口的气速为100～180m/s；其中，前驱体蒸汽是金属氯化物、金属醇盐或其他有机相金属盐类的一种或几种的混合物，第一燃料气体是氢气、小分子碳氢化合物气体的一种或几种的混合物，氧化气体是空气、氧气的一种或二者的混合物；
(2)经净化干燥的辅助射流气体由辅助射流出口通入燃烧室、第二燃料气体由辅助火焰出口通入燃烧室，并点燃形成辅助火焰，辅助射流出口的气速为80～150m/s；辅助射流气体是空气、氧气、氮气、氩气中的一种或几种的混合物；
辅助火焰的出口气速为20～50m/s，第二燃料气体是选自氢气和小分子碳氢化合物气体的一种或几种与助燃气体的混合物，所述助燃气体是空气或氧气；
(3)以气速为50～110m/s、经冷却气体出口通入经净化的冷却气体，在火焰外部形成环形射流，对反应体系进行冷却；冷却气体是空气、氧气、氮气、氩气中的一种或几种；
前驱体蒸汽和燃烧产生的水蒸气在燃烧室内进行高温水解反应，反应温度为600～2100℃，反应制备的纳米颗粒粒径在5～100nm范围内可控。
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