CN107952402B - 一种流化床及其气相法包覆片状材料的工艺 - Google Patents

Abstract

一种U‑型流化床，特别是涉及在流化床中用化学气相沉积法表面包覆片状材料，用于材料的表面改性技术领域。该流化床为U型，U型管一端封闭，一端开放；在U型反应腔(3)壁上装有能与反应腔(3)进行气体交换的微型扇叶(2)，反应腔(3)内有球形气体分布器(4)，上部开孔率保持80％以上，气体分布器(4)通过其固定片(8)与微型风扇(2)卡合连接。本发明能够解决不同粒径大小的材料的同时流化包覆，提高其包覆效率，其次还能解决片状材料吸附成团的问题，提高片状材料的分散性，从而提高片状材料的流化质量，使化学气相包覆的材料更均匀，更致密。

Description

一种流化床及其气相法包覆片状材料的工艺

技术领域

本发明涉及流化床技术领域，特别涉及一种U型流化床及其气相法包覆片状材料的工艺。

背景技术

流化床是将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有流体的某些表观特征，这种流固接触状态称为固体流态化，即流化床。在流化过程中，由于微细颗粒具有高的表面积体积比，流化床具有高的传热及高传质系数。流化床广泛用于各种类型的工业过程中，诸如反应、干燥、混合、造粒、及冷却。

包覆片状材料是由一种微纳米材料通过化学键或其他作用力将另一种纳米材料包覆起来形成的纳米尺度的有序组装结构。这种包覆片状材料属于核-壳结构材料,由于其独特的内外结构特性整合了两种材料的性质,并互相补充各自的不足。通过材料的表面包覆处理，可以改善或改变微纳米粒子的分散性,表面活性，相容性，同时可以产生新的物理、化学功能。在催化、光催化、电池、气体存储及分离方面有着广泛的应用前景。要获得性能优异的微纳米材料，包覆技术至关重要，近年来应用于包覆材料的技术有液相沉积法和气相沉积法。液相沉积法是将预处理的材料在悬浮溶液中充分搅拌分散，在一定温度及pH值等条件下，通过反应在材料表面沉积一层所需物质，再经洗涤、干燥、焙烧等后序处理即可制得，其工艺技术相对较成熟，但是该工艺不适合对酸碱度有要求的材料，如铝、铁、铜等活泼性材料，包覆效率低、表面粗糙而不均匀，不适宜对表面包覆要求过高的应用领域的需求。气相沉积法以可挥发的金属或非金属有机物为物源，与流化状态的片状材料在一定条件下发生化学或物理气相反应，生成金属或非金属氧化物沉积在材料表面，使包膜和晶化一次完成，形成一层致密均匀的透明金属氧化物薄膜，气相沉积法可以实现大批量的生产，气相沉积的包覆物质形成的颗粒小，表面沉积均匀，适合于对酸、碱和水不稳定的材料，但工艺技术要求高。其中关键技术是对材料的流化状态的控制，因此开发出使片状材料流化状态质量高的流化床至关重要。

公开号为CN 101219356 A的中国专利公布了一种S-型流化床，该发明中其反应的流化床呈S型，该发明不同于传统的直壁流化床，其两边的壁面呈相对的S型对称分布，该发明主要解决的是循环流化床中的压力损失，颗粒返混，颗粒堵塞及严重的壁面磨损问题。该流化床在流化过程中易形成流化死区，不能保证材料在包覆过程中的均匀致密性，材料混合不均匀，且材料包覆的生产效率不高。

公开号为CN 104096518 A的一种多室流化床反应器的中国专利中公开了一种多室流化床反应器，利用流化床中开多个反应腔，通过改变物料流动控制器中的物料下行流动管的高度控制流化室的料面高度，其能够实现颗粒物料由上游室快速、高通量地流向下游室，又可避免相邻室之间的颗粒物料返混及串气。但是该流化床反应器在高通量下容易使物料粘在管壁上，流化不均匀，在片状材料包覆过程中包覆质量不高。

目前用流化床能较好的实现超细片状材料的流化技术还比较少，因超细片状材料是属于难以流化的，这类材料粘附性强，按传统方法流化时，床内容易产生静电吸附粘在管壁上或是吸附成团或形成流化死区，难以实现稳定的流态化。因此需要开发出一种用流化床高效的流化片状材料的装置，这对于现代催化、能源、涂料、材料保护、环保工业具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的旨在提供一种U-型流化床，能够实现片状材料的较好的流化状态，从而能够实现不同种类材料的同时流化和同时包覆，提高其片状材料包覆的生产效率及包覆质量。

本发明的技术方案是，一种流化床，所述流化床呈U型；所述U型流化床的一个上端口封闭，另一个上端口为用作加料口的可开关口部；所述U型流化床的两个外侧面上端对称设置有包覆材料进气口；所述U型流化床的下端设有流化气体进气口。

进一步的，所述U型流化床两侧的竖直反应腔内固定有最大横截面积与竖直反应腔内最大圆面积相等的气体分布器；所述气体分布器的总气孔面积不小于气体分布器的最大横截面积。

更进一步的，所述气体分布器为中空球状。

还更进一步的，所述U型流化床的反应腔外壁安装有微型风扇组件；所述微型风扇组件包括：微型风扇、转子、轴承、轴承盖和圆形桶盖；微型风扇安装在与轴承连接的转子上，以实现根据控制转子的电流大小来控制微型风扇转动；轴承通过螺钉安装在圆形桶盖壁上的凹槽内并有轴承盖遮挡形成轴承空间；微型风扇的外围为圆形桶盖，圆形桶盖通过带孔密封垫固定在U型流化床的反应腔壁上，从而将微型风扇、转子、轴承等密封在与外界隔绝的空间内，以使气体经带孔密封垫在微型风扇所在空间和U型流化床反应腔之间流动，且带孔密封垫阻挡片状流化材料。

微型风扇与转子连接，转子起固定并带动微型风扇转动作用，转子与轴承相连接，然后轴承安装于轴承盖中，轴承盖与用于放置微型风扇的圆形桶盖壁用螺钉紧固，从而与外界隔绝密封。这些微型风扇组件组装成完整的风扇系统，安装在反应腔壁上。通过控制转子的电流大小可以控制风扇转动的速度。当流化材料无粘附性时可以不用通电，通过外界通入的氮气气体带动风扇进行转动。通过反应腔体风扇安装处的带孔密封垫能较好的阻挡片状材料进入风扇处。带孔密封垫由砂芯加密封圈所组成，砂芯大小根据风扇口进行合理选择，一般直径为40～100mm。密封垫与砂芯通过法兰盘紧固在一起，法兰盘带螺纹连接在风扇口。

还更进一步的，在U型流化床单个竖直反应腔壁的两侧相对于所述竖直反应腔中心线斜对称安装多个所述微型风扇组件。在U型流化床其中一个反应腔管壁上的微型风扇组件安装成斜对称分布是为了使风扇形成的气体进行对流，从而使气体产生旋转，有利于将壁面上的粘附材料吹落下来。

还更进一步的，所述微型风扇组件沿所述U型流化床中心线在两个竖直反应腔上对称分布。

还更进一步的，所述微型风扇中心轴与U型流化床反应腔壁的夹角在60至80°之间，优选为60、65、70、75度。

还更进一步的，所述球型分布器最大横截面处的对称位置设有弹性固定片，所述球型分布器通过所述固定片穿过所述带孔密封垫卡接于U型流化床竖直反应腔外侧的圆形桶盖。没有与气体分布器卡接的微型风扇组件安装根据前文所述进行；安装与气体分布器卡接的微型风扇组件时，不同之处在于与气体分布器相连接的部分，连接部分的安装通过将带孔密封垫的砂芯开孔将气体分布器的固定片与带孔密封垫进行间隙配合安装。

还更进一步的，所述球型分布器在U型流化床每个竖直反应腔上均设置一个，且设置在U型流化床不同反应腔的同一水平面上。球形气体分布器应在同一水平面上进行安装，以便能使流化气体均匀的通入两个反应腔体。

更进一步的，所述流化床是一对U型或是多对U型的组合。

更进一步的，所述包覆材料进气口为U型流化床反应腔横截面的0.2～0.3倍。反应时将包覆材料进气口封闭，反应结束后，可以将包覆后的片状材料从出气口排出回收。

更进一步的，所述U型流化床的横截面为圆形、方形、三角形、椭圆形、正多边形中的一种，优选为圆形或方形。

更进一步的，所述微型风扇为三叶片、四叶片或五叶片。

本发明还提供了一种气相法包覆片状材料的工艺，它使用上述U型流化床，包括以下步骤：

a、称取待包覆处理片状材料，通过U型流化床反应器上端的可开关的加料口置于流化床反应器反应腔中，加料后关闭加料口；

b、从流化气体进气口以一定的流速注入流化气体，使得片状材料处于悬浮状态；

c、调节给U型流化床加热的加热炉体温度，使得U型流化床反应腔处于平稳的温度；

d、包覆材料液体经过进样泵从液体储料罐吸入液体汽化器，经气化处理之后以一定速度从包覆材料进气口通入U型流化床反应腔中；

e、在上述的U型流化床反应腔的温度和气氛作用下，液体包覆材料料分解沉积在待包覆片状材料表面，形成包覆片状材料的复合结构。

更进一步的，所述步骤a)中的待包覆处理片状材料包括选自片状云母、片状二氧化硅、片状氧化铝、片状二氧化钛、片状云母钛、片状云母铁、片状玻璃、片状氯氧化铋中的一种多种。

更进一步的，所述步骤a)中的待包覆处理片状材料密度优选为2.0～5.5g/cm3。片状材料的密度太大将会影响流化效果，从而影响包覆效果。

假设所述气体分布器4的气孔的封闭长度为a，所述气体分布器4的通气气孔为圆形，所述气孔的长度为b，所述气体分布器4的底面圆的半径为x，所述气体分布器4的高度为y，所述气体分布器4的总气孔面积大于等于气体分布器4的底面圆面积，则y＝[3(a+b)²-b²]/2b²

假设把球形气体分布器4展开拼接成长方形，长方形的长为m，宽为n，则所述的气体分布器4总面积为S_总＝mn；

所述气体分布器4的总气孔面积近似为：

S_孔＝b²(m/(a+b))(n/(a+b))＝S_总b²/(a+b)²

所述气体分布器4的总气孔面积大于等于气体分布器4的底面圆面积，所述气体分布器4的底面圆的半径x的大小由流化床本体大小决定，在气体分布器4的底面圆面积固定的情况下，气体分布器4的底面圆的半径x固定，则气体分布器4的总气孔面积越大，所述气体分布器4的高度y越大；

因此，当所述气体分布器的总气孔面积等于气体分布器的底面圆面积，所述气体分布器的高度y最小，此时气体分布器4的总气孔面积为S_孔＝πx²；

则上部气体分布器4的总面积为S_总＝[(a+b)²/b²]S_孔＝[(a+b)²/b²]πX²；

又半球形的气体分布器的总面积为S_总＝1/2×[4π×(2xy+x²)]/3；

所以[(a+b)²/b²]πX²＝1/2×[4π×(2xy+x²)]/3；

推算得到：

y＝[3(a+b)²-b²]/2b²

由上述描述可知，通过x可计算出y的值，进而确定出球形的气体分布器的形状和面积，当x＝y时，所述气体分布器的形状为球形，所述气体分布器4的高度y的计算充分考虑了气孔大小以及气体分布器直径的影响，充分保证了气体分布器上的总气孔面积，有效保证流化床内气流的通畅性，流化效果好。

本发明中采用U型结构，一部分利用连通器的原理，U形管一端封闭，可以保持两端的压力平衡。使两端的流化床能保持相同压力，保证流化质量。床层服从流体静力学关系，即高度差为L的两截面的压差△p＝ρgL；颗粒具有与液体类似的流动性，可以从器壁的小孔喷出；两个联通的流化床能自行调整床层上表面使之在同一水平面上。

目前国内对于用流化床进行气相沉积包覆的相关的技术公布的较少，特别是针对片状粉体材料的表面包覆和处理，采用本发明所述的技术方案具有以下优点：

(1)本发明提供一种U-型流化床，在不同的流化管中能同时满足不同基底片状材料的同时流化，通入包覆原料气体提高其片状材料包覆的生产效率。

(2)本发明的气体分布器为呈球形状安装于流化反应腔中，使气体分布均匀，保持其片状材料在反应腔的一定区域内，保持其压力降不降低，提高其气体流动的畅通性，提高片状材料流化态的稳定性，增加其片状材料包覆的均匀性和致密性。

(3)本发明提供的流化床其侧面装有微型风扇，该风扇能利用从氮气瓶经过流化床的底部吹进来的气流旋转，产生气流，将粘附在流化反应腔中的气体吹落回反应腔中，并能将吸附成团的片状材料分散开，提高其片状材料的包覆均匀性。本发明还能减小材料对于管壁的磨损，提高其使用寿命。

(4)本发明提供的装置，其U型管两边都有包覆材料气体通入的开口，可以满足不同包覆原料物质同时通入流化床的反应腔中对片状材料同时进行不同物质的包覆，提高其包覆效率。

附图说明

从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

附图1是本发明的一种U-型流化床的整体结构示意图；

其中：1为流化气体进气口，2为微型风扇，3为反应腔，4为球形气体分布器，5为包覆材料进气口，6为微型风扇轴承盖与U型流化床反应腔壁接触位置的带孔密封圈密封圈。

图2是本发明实施例的U-型流化床中的气体分布器的三维结构示意图。

图3是本发明实施例的U-型流化床中气体分布器的安装位置的局部放大示意图。

图4是本发明实施例的U-型流化床中的侧壁上安装的微型风扇的局部放大示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。这里，需要注意的是，在附图中，将相同的附图标记赋予基本上具有相同或类似结构和功能的组成部分，并且将省略关于它们的重复描述。

实施例1一种用于气相法包覆片状材料的U型流化床

一种流化床，所述流化床整体呈U型，可以是一对U型或是多对U型的组合，U型流化床的横截面为圆形、方形、三角形、椭圆形、正多边形中的一种；所述U型流化床的一个上端口封闭，另一个上端口为用作加料口9的可开关口部；所述U型流化床的两个外侧面上端对称设置有包覆材料进气口5，包覆材料进气口5为U型流化床反应腔3横截面的0.2～0.3倍；所述U型流化床的下端设有流化气体进气口1；

所述U型流化床两侧的竖直反应腔3内固定有最大横截面积与竖直反应腔3内最大圆面积相等的气体分布器4；所述气体分布器4的总气孔面积不小于气体分布器4的最大横截面积，气体分布器4为中空球状；球型分布器4在U型流化床每个竖直反应腔3上均设置一个，且设置在U型流化床不同反应腔3的同一水平面上。

所述U型流化床的反应腔3外壁安装有微型风扇组件，所述微型风扇组件包括微型风扇2、转子、轴承、轴承盖和圆形桶盖；微型风扇2安装在与轴承连接的转子上，以实现根据控制转子的电流大小来控制微型风扇2转动；轴承通过螺钉安装在圆形桶盖壁的凹槽内并用轴承盖遮盖，微型风扇2的外围为有圆形桶盖，圆形盖通过带孔密封垫6固定在U型流化床的反应腔3外壁上，从而将微型风扇2、转子和轴承盖内的轴承等组件密封在与外界隔绝的空间内，以使气体经带孔密封垫6在微型风扇2所在空间和U型流化床反应腔3之间流动，且带孔密封垫阻挡片状硫化材料；在U型流化床单个竖直反应腔3壁的两侧相对于所述竖直反应腔3中心线斜对称安装多个所述微型风扇组件；所述微型风扇组件沿所述U型流化床中心线在两个竖直反应腔3上对称分布；所述微型风扇2中心轴与U型流化床反应腔壁的夹角在60至80°之间；微型风扇2为三叶片、四叶片或五叶片；

球型分布器4最大横截面处的对称位置设有弹性固定片8，所述球型分布器4通过所述固定片8穿过所述带孔密封垫卡接于U型流化床竖直反应腔3外侧的圆形桶盖。

实施例2利用实施例1的流化床包覆片状云母的工艺

a.称取450g平均粒径为30μm，径厚比为31的片状云母(形状为圆台状或圆柱状)，通过流化床反应器上端可拆卸的加料口9置于流化床反应器腔体3中；

b.从流化气体进口1注入流化气体氮气，通过压力表确定通入量，调节流化气气流为4.0m³/h，使得片状云母处于悬浮状态；

c.调节加热炉体的温度为550℃，使得反应器腔体3处于平稳的温度；

d.液体正硅酸乙酯经过液体进样泵从液体储料罐吸入液体汽化器，经170℃气化处理之后以1.0g/min速度从包覆原料进气口5通入流化床反应器腔体3中；

e.在上述的流化床反应器腔体的温度和气氛作用下，液体包覆原料分解沉积在片状云母的表面，形成SiO₂包覆片状云母的复合结构。

可以看出，经过精确的计算和一系列的实验结果，可以得出本发明能够有效的进行片状材料的流化和化学气相包覆，提高片状材料的包覆效率和质量，对于材料的表面改性方面具有重要的意义，进而对现代催化、能源、涂料、材料保护、环保工业也具有重要意义。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种流化床，其特征在于：

所述流化床整体呈U型；

所述U型流化床的一个上端口封闭，另一个上端口为用作加料口(9)的可开关口部；

所述U型流化床的两个外侧面上端对称设置有包覆材料进气口(5)；

所述U型流化床的下端设有流化气体进气口(1)；

所述U型流化床两侧的竖直反应腔(3)内固定有最大横截面积与竖直反应腔(3)内最大圆面积相等的气体分布器(4)；

所述气体分布器(4)的总气孔面积不小于气体分布器(4)的最大横截面积；

所述气体分布器(4)为中空球状；所述U型流化床的反应腔(3)外壁安装有微型风扇组件；

所述微型风扇组件包括：微型风扇(2)、转子、轴承、轴承盖和圆形桶盖；

微型风扇(2)安装在与轴承连接的转子上，以实现根据控制转子的电流大小来控制微型风扇(2)转动；

微型风扇(2)的外围为圆形桶盖，轴承通过螺钉安装在圆形桶盖壁上的凹槽内并有轴承盖遮挡；

上述圆形桶盖通过带孔密封垫(6)固定在U型流化床的反应腔(3)外壁上，从而将其内部的微型风扇(2)、转子和轴承密封在与外界隔绝的空间内，以使气体经带孔密封垫(6)在微型风扇(2)所在空间和U型流化床反应腔(3)之间流动，且带孔密封垫(6)阻挡片状硫化材料。

2.如权利要求1所述的流化床，其特征在于，在U型流化床单个竖直反应腔(3)壁的两侧相对于所述竖直反应腔(3)中心线斜对称安装多个所述微型风扇组件。

3.如权利要求2所述的流化床，其特征在于，所述微型风扇组件沿所述U型流化床中心线在两个竖直反应腔(3)上对称分布。

4.如权利要求3所述的流化床，其特征在于，所述微型风扇(2)中心轴与U型流化床反应腔壁的夹角在60至80°之间。

5.如权利要求4所述的流化床，其特征在于，所述球型分布器(4)最大横截面处的对称位置设有弹性固定片(8)，所述球型分布器(4)通过所述固定片(8)穿过所述带孔密封垫(6)卡接于U型流化床竖直反应腔(3)外侧的圆形桶盖。

6.如权利要求5所述的流化床，其特征在于，所述球型分布器(4)在U型流化床每个竖直反应腔(3)上均设置一个，且设置在U型流化床不同反应腔(3)的同一水平面上。

7.如权利要求1所述的流化床，其特征在于，所述微型风扇(2)为三叶片、四叶片或五叶片。

8.一种气相法包覆片状材料的工艺，它使用上述权利5-7中任一权利要求所述的流化床，包括以下步骤：

a、称取待包覆处理片状材料，通过U型流化床反应器上端的可开关的加料口(9)置于流化床的反应腔(3)中，加料后关闭加料口(9)；

b、从流化气体进气口(1)以一定的流速注入流化气体，使得片状材料处于悬浮状态；

c、调节给U型流化床加热的加热炉体温度，使得U型流化床反应腔(3)处于平稳的温度；

d、包覆材料液体经过进样泵从液体储料罐吸入液体汽化器，经气化处理之后以一定速度从包覆材料进气口(5)通入U型流化床反应器反应腔(3)中；

e、在上述的U型流化床反应腔(3)的温度和气氛作用下，液体包覆材料料分解沉积在待包覆片状材料表面，形成包覆片状材料的复合结构。

9.如权利要求8所述的工艺，其特征在于，所述步骤a)中的待包覆处理片状材料包括选自片状云母、片状二氧化硅、片状氧化铝、片状二氧化钛、片状云母钛、片状云母铁、片状玻璃、片状氯氧化铋中的一种或多种。

10.如权利要求8所述的工艺，其特征在于，所述步骤a)中的待包覆处理片状材料密度为2.0～5.5g/cm³。