CN110010436B - 等离子体流化床粉体处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种等离子体流化床粉体处理装置，包括：直立设置的变径流化床体，由至少两段不同内径的圆管组成；微波发生器；开圆孔的矩形波导；微波磁控管产生的微波通过矩形波导耦合进入变径流化床体，在床体内部产生等离子体；馈气系统，向变径流化床体口补入单一或者混合气体；旋风分离器，用以回收粉体并重新循环。变径流化床体顶部的出气口经由一四通管分别与真空计、放气阀和旋风分离器的进气口连接，旋风分离器的出气口通过并联的角阀与精确调控阀连接到真空泵；旋风分离器的出粉口通过循环导管与变径流化床体的侧面连通。变径流化床体的底部圆管与进气口之间设置有气体分布器，用以使气流分布均匀并承载粉体。
Description
技术领域
本发明涉及粉体处理技术领域，具体而言涉及一种等离子体流化床粉体处理装置。
背景技术
对无机粉末材料进行表面改性，调控其表面的导电性、导热性、折射率、浸润性、硬度、化学活性等，可明显改善粉末材料的分散、稳定、增强、电学、热学、光学、催化等性能，拓展其应用范围。
由于传热传质效率高，处理均匀的特点，流化床技术对于粉体的处理已经得到了广泛的应用。而通过放电产生气体分子自由基，等离子体技术可以大大提高气体的反应活性，是一种高效的表面处理技术。将二者的特点结合起来，开发一种同时具备粉末流化、气体电离、和加热的粉末处理装置，可以为粉末处理提供更多的可操控性，该装置具备更宽广的处理能力。
现有技术中对此研制的粉体处理器(公开号为CN206595225U)，提出一种微波等离子体粉体处理器，包括由石英、陶瓷或耐热玻璃介质制成的管式微波等离子体源，管式微波等离子体源穿过微波矩形波导的H面，矩形波导的一端连接微波源，矩形波导的另一端连接可调节短路板，穿过微波矩形波导的H面的介质管的上下两端由水冷金属法兰和O形胶圈密封形成真空室，通过增添放置处理粉体的石英(或陶瓷)制成的杯形的流化床(流化床杯)，构成一种微波等离子体粉体处理器。用这种装置，将无机材料粉体放置入流化床杯，在管式微波等离子体源的高密度等离子体区域(等离子体球中)进行表面清洗、净化、活化、氢化、刻蚀、接枝、沉积及其它功能化等处理。
但实际在使用中，该粉体处理器需要配套单独加热装置，而且其流化床采用底部进气和出气，管道设计复杂，气体从底部进入管道式流化床后需要在床体两侧的空隙中流下来再从底部出气，在底部的出气设置旋风分离器进行粉和气体分离，将气体排出去，但我们看到这种设计不能够有效的捕捉逸出的气体中的粉体，不能起到有效的回收利用，随着气体逸出的粉体还容易在管内积留，造成效率低下或者堵塞。
发明内容
本发明目的在于提供一种等离子体流化床粉体处理装置，包括：直立设置的变径流化床体，由至少两段不同内径的圆管组成，圆管的管径由下至上依次递增；所述变径流化床体的顶部设置有出气口，底部设置有进气口；微波发生器，通过微波磁控管产生微波；耦合装置，构造为上下开圆孔的矩形波导，所述变径流化床体穿过所述圆孔；所述微波磁控管产生的微波通过矩形波导耦合进入变径流化床体，在床体内部产生等离子体；馈气系统，被设置通过输气管路向所述变径流化床体的进气口补入单一或者混合气体；旋风分离器，被设置用以回收粉体并重新循环进入变径流化床体；其中，所述变径流化床体顶部的出气口经由一四通管分别与真空计、放气阀和旋风分离器的进气口连接，旋风分离器的出气口通过并联的角阀与精确调控阀连接到真空泵；旋风分离器的出粉口通过循环导管与变径流化床体的侧面连通，使得通过旋风分离器分离出的粉体被回收重新进入流化床体；所述变径流化床体的底部圆管与进气口之间设置有气体分布器，用以使气流分布均匀并承载粉体；其中，所述微波发生器还被设置成通过微波加热使得变径流化床体内反应室的加热温度达到500℃以上。
进一步的实施例中，所述馈气系统中具有至少一个用于控制气体流量的装置，该装置为质量流量控制器MFC，尤其是数字型质量流量控制器，用于对于气体质量流量进行精密测量和控制。
进一步的实施例中，所述变径流化床体具有第一圆管和第二圆管，第一圆管的直径大于第二圆管的直径，且第一圆管与第二圆管的连接处位于所述矩形波导上部的圆孔处。优选地，所述第一圆管与第二圆管的连接处包括一中空圆台，其较大直径的一端与第一圆管的边缘固定，较小直接的一端与第二圆管的边缘固定，使得第一圆管内的粉体通过中空圆台的斜坡过渡流入到第二圆管内。
如此设计，为了确保能够一方面在床体内激发出等离子进行流化，另一方面还通过微波对床体内的反应室进行加热，得到较大、理想的温升，避免传统的粗管径带来的激发等离子焰不理想以及不能有效进行加热到预定温度范围的问题，还需要额外设置加热装置(现有技术的CN206595225U粉体处理器)。
结合以上技术方案，本发明的显著优点在于：
1、设置了底部进气、顶部出气的床体，是的气体流向顺畅、单一，避免积留，而且顶部通过四通管连接到旋风分离器后，直接对气体进行粉体分离，通过倾斜的循环管路直接输入到床体内，再进行循环利用，提高利用率；而旋风分离器、真空计以及放气阀则通入真空系统，实现真空环境；
2、在床体底部进气段设置气体产生器，使气流分布均匀并承载粉体；
3、流化床床体采用有不同直径的圆管组成，尤其在进入矩形波导的部分为较细的圆管，确保在压强作用下等离子体的激发以及通过微波加热能够得到理想的500-800摄氏度的温升效应，而不需要再额外设置加热器。
附图说明
图1是本发明实施例的等离子体流化床粉体处理装置的结构示意图。
图示中各附图标记的含义如下：
1-变径流化床体；2-微波发生器；3-旋风分离器；4A-第一圆管；4B-第二圆管；4C-第三圆管；5-气体产生器；6-矩形波导；7-流化床出气口；8-真空计；9-放气阀；10-旋风分离器出气口；11-角阀；12-调控阀；13-真空泵；14-流化床进气口；15-质量流量控制器MFC；16-旋风分离器进气口；18-出粉口；19-循环导管；20-气瓶。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1所示，本发明提出的等离子体流化床粉体处理装置包括直立设置的变径流化床体1，该床体由至少两段不同内径的圆管(4A、4B)组成，圆管的管径由下至上依次递增。图1中，变径流化床体1的顶部设置有出气口7，底部设置有进气口14。
馈气系统通过输气管路接入到进气口14，向变径流化床体1的进气口补入单一或者混合气体到变径流化床体1内部的反应室。
如图1所示，馈气系统具有多个气瓶20，用于提供气体供应。气瓶与进气口之间还设置有至少一个用于控制气体流量的装置，该装置为质量流量控制器MFC，尤其优选的是数字型质量流量控制器，用于对于气体质量流量进行精密测量和控制。
结合图1，微波发生器2，作为微波源，用于通过微波磁控管产生微波。优选的是，微波发生器设置在变径流化床体1的侧面。
一耦合装置与微波发生器2配合实现微波功率传递与分配。图1所示的实施例中，耦合装置设置在变径流化床体1的一侧，与微波发生器同一侧，为一个上下开圆孔的矩形波导4，变径流化床体1穿过上下两个圆孔。微波磁控管2产生的微波通过矩形波导4耦合进入变径流化床体，在床体内部产生等离子体，对粉体进行流化。
图1所示的例子中，微波磁控管的功率为1KW。微波发生器还被设置用于向变径流化床体进行微波加热，使得床体内的温度升高。
一旋风分离器3，设置在变径流化床体1的另一侧的上方，用以回收粉体并重新循环进入变径流化床体1。
结合图1，变径流化床体1顶部的出气口7经由一四通管分别与真空计8、放气阀9和旋风分离器3的进气口16连接，旋风分离器的出气口10通过并联的角阀11与精确调控阀12连接到真空泵13，以实现真空环境的保持和真空度调节。精确调控阀12为针式阀或计量阀。
旋风分离器3的出粉口18通过循环导管19与变径流化床体1的侧面连通，使得通过旋风分离器3分离出的粉体被回收重新进入流化床体，使得从变径流化床体1顶部的出气口7逸出的气体中夹杂的粉体在回收进行循环利用。
如图1，变径流化床体的底部圆管4B与进气口14之间设置有气体分布器5，用以使气流分布均匀并承载粉体。
本发明的实现过程中，通过所述两段式圆管的配合，并且底部的圆管(较细圆管)位于矩形波导所包围的空间，微波发生器还通过微波加热使得变径流化床体内反应室的加热温度达到500℃以上，实现稳定可控的温升效应。当然，在可选的实施例中，可通过调节微波发生器的功率实现温升和等离子发生。
结合图1，优选地，变径流化床体1具有第一圆管4A和第二圆管4B，第一圆管4A的直径D大于第二圆管4B的直径d，且第一圆管4A与第二圆管4B的连接处位于矩形波导6上部的圆孔处。
第一圆管4A与第二圆管4B的连接处包括一中空圆台4C，其较大直径的一端与第一圆管4A的边缘固定，较小直接的一端与第二圆管4B的边缘固定，使得第一圆管内的粉体通过中空圆台的斜坡过渡流入到第二圆管内。
在一些优选的实施例中，第二圆管的直径d与第一圆管的直径D满足：D/3≤d≤D/2。图1所示的例子中，第二圆管4B的直径d为20-30mm。
结合图1所示，下面以石墨烯包覆纳米硅颗粒为例介绍本发明的粉体处理装置的处理。
1.称取2g粒径50nm的硅粉从床体上部投入至气体分布器上，连接真空管路系统的真空法兰；
2.启动真空泵，调节角阀和针式阀使流化床体内压强缓慢降至10Pa以下。此时，100sccm甲烷、100sccm氢气和100sccm氩气分别经MFC控制通入流化床体，使硅粉形成流化；
3.启动微波发生器，在流化床体中激发出微波等离子体；调节气体流量、压强、微波功率等参数达到工艺要求。60分钟后，相继关闭微波电源和甲烷，氢气的进气阀门，在氩气的保护下降温至室温。
4.最后打开放气阀门，使反应室内达到大气压，卸开真空法兰，将处理好的硅粉取出。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (6)
1.一种等离子体流化床粉体处理装置，其特征在于，包括：
直立设置的变径流化床体，由至少两段不同内径的圆管组成，圆管的管径由下至上依次递增；所述变径流化床体的顶部设置有出气口，底部设置有进气口；
微波发生器，通过微波磁控管产生微波；
耦合装置，构造为上下开圆孔的矩形波导，所述变径流化床体穿过所述圆孔；所述微波磁控管产生的微波通过矩形波导耦合进入变径流化床体，在床体内部产生等离子体；
馈气系统，被设置通过输气管路向所述变径流化床体的进气口补入单一或者混合气体；
旋风分离器，被设置用以回收粉体并重新循环进入变径流化床体；
其中，所述变径流化床体顶部的出气口经由一四通管分别与真空计、放气阀和旋风分离器的进气口连接，旋风分离器的出气口通过并联的角阀与精确调控阀连接到真空泵；旋风分离器的出粉口通过循环导管与变径流化床体的侧面连通，使得通过旋风分离器分离出的粉体被回收重新进入流化床体；
所述变径流化床体的底部圆管与进气口之间设置有气体分布器，用以使气流分布均匀并承载粉体；
其中，所述微波发生器还被设置用于向变径流化床体进行微波加热，通过微波加热使得变径流化床体内反应室的加热温度达到500℃以上；
其中，所述变径流化床体具有第一圆管和第二圆管，第一圆管的直径大于第二圆管的直径，且第一圆管与第二圆管的连接处位于所述矩形波导上部的圆孔处；
所述第二圆管的直径d与第一圆管的直径D满足：D/3≤ d≤D/2；所述第二圆管的直径d为20-30mm。
2.根据权利要求1所述的等离子体流化床粉体处理装置，其特征在于，所述馈气系统中具有至少一个用于控制气体流量的装置，该装置为质量流量控制器MFC。
3.根据权利要求1所述的等离子体流化床粉体处理装置，其特征在于，所述精确调控阀为针式阀或计量阀。
4.根据权利要求1所述的等离子体流化床粉体处理装置，其特征在于，所述第一圆管与第二圆管的连接处包括一中空圆台，其较大直径的一端与第一圆管的边缘固定，较小直接的一端与第二圆管的边缘固定，使得第一圆管内的粉体通过中空圆台的斜坡过渡流入到第二圆管内。
5.根据权利要求1所述的等离子体流化床粉体处理装置，其特征在于，所述第二圆管位于所述矩形波导所包围的空间内。
6.根据权利要求1所述的等离子体流化床粉体处理装置，其特征在于，所述微波磁控管的功率为1KW。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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