CN111777076A - 制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，包括：四氯化硅加料装置、射频等离子体发生器、合成室、冷却室、第一收集室、第一分离器、第二收集室、第二分离器、第三收集室、真空机组和氯气回收装置；所述四氯化硅加料装置用于提供气态的四氯化硅；所述射频等离子体发生器连接合成室；所述冷却室连接合成室，所述第一收集室连接冷却室；所述第一分离器通过管路连接冷却室，所述第二收集室连接第一分离器；所述第二分离器连接第一分离器，所述第三收集室连接第二分离器；所述氯气回收装置通过管路连接第二分离器；所述真空机组连接第二分离器和氯气回收装置之间的管路。上述设备能够高效地制备非晶态纳米球形二氧化硅。

Description

制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，尤其涉及一种制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备。
背景技术
材料科学与技术是当代文明的三大支柱之一和全球新技术革命的三个标志之一，在当今高科技的发展中起着基础和先导作用，各种物质的超细化被人们认为是材料开发研究的基础。
纳米二氧化硅是二十一世纪新材料中产量最大、产值最高、用途最广的尖端材料之一。纳米二氧化硅粉末具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子遂道效应，显示出了常规材料所不具有的光、电、磁、热和机械特性，因而它作为一种新型功能材料广泛应用于光学、化工及特种陶瓷等多个领域。特别是非晶态纳米球形二氧化硅粉体由于具有高强度、高硬度、抗磨损、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘性好、表面积大等优异的特性，所以非晶态纳米球形二氧化硅在催化、阻燃、隔音、绝缘、精细陶瓷等方面具有特殊的用途。
公告号为CN103224240B的中国专利公开了一种四氯化硅气相水解合成纳米级二氧化硅的方法，该方法采用气相水解合成法制备纳米级二氧化硅。公开号为CN104477923A的中国专利公开了一种以四氯化硅制备二氧化硅粉体的方法，该方法采用化学沉淀法制备二氧化硅粉体。公告号为CN102656117B的中国专利公开了合成非晶态二氧化硅粉末及其制造方法，通过制成二氧化硅质的凝胶，再制备非晶态二氧化硅粉末。
公告号为CN1281488C的中国专利公开了一种纳米高纯二氧化硅的制备方法，该制备方法采用等离子体气相氧化反应装置制备纳米高纯二氧化硅，等离子体气相氧化反应装置主要包括等离子体发生器、等离子体化学反应器、除疤装置、冷却系统、收集系统、粉体处理系统和尾气处理系统，上述装置制备的二氧化硅在工作气的作用下依次经过冷却系统和收集系统，产生的Cl2气经碱液、石灰乳或铁屑吸收产生副产品，其余废气(O2、N2)排空。上述方法存在的问题是，制备的二氧化硅在工作气的推动作用下流动，容易堵塞反应器，制备效率较低，产生的氯气被碱液、石灰乳或铁屑吸收，一方面存在吸收不充分，导致部分氯气排空、污染空气的问题，另一方面，产生的氯气直接被吸收、未能被重分利用。
因此，研究如何高效地制备非晶态纳米球形二氧化硅、提高尾气的利用率具有重要意义。
发明内容
本发明提供了解决上述问题的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，该设备能够高效地制备非晶态纳米球形二氧化硅，且能够直接回收利用产生的氯气。
本发明采用以下技术方案实现：
一种制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，包括：四氯化硅加料装置、射频等离子体发生器、合成室、冷却室、第一收集室、第一分离器、第二收集室、第二分离器、第三收集室、真空机组和氯气回收装置；
所述四氯化硅加料装置用于提供气态的四氯化硅；所述射频等离子体发生器连接所述合成室以在所述合成室内形成高温等离子体炬，所述四氯化硅加料装置提供的气态的四氯化硅在高温等离子体炬的作用下，在所述合成室内与氧反应生成二氧化硅；所述冷却室连接所述合成室以冷却生成的二氧化硅，所述第一收集室连接所述冷却室以接收部分二氧化硅；所述第一分离器通过管路连接所述冷却室以接收和分离部分二氧化硅，所述第二收集室连接所述第一分离器以接收所述第一分离器分离出来的二氧化硅；所述第二分离器连接所述第一分离器以接收和分离部分二氧化硅，所述第三收集室连接所述第二分离器以接收所述第二分离器分离出来的二氧化硅；所述氯气回收装置通过管路连接所述第二分离器以分离回收生成的氯气；所述真空机组连接所述第二分离器和氯气回收装置之间的管路以对制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备进行抽真空。
优选地，所述四氯化硅加料装置包括：四氯化硅储罐、输送泵、第一缓冲罐和加热机构；
所述四氯化硅储罐用于存放液态的四氯化硅，所述输送泵通过管路分别连接所述四氯化硅储罐和第一缓冲罐，所述输送泵用于将所述四氯化硅储罐的四氯化硅送入所述第一缓冲罐，所述加热机构用于对所述输送泵和第一缓冲罐之间的管路进行加热以使管路内液态的四氯化硅汽化，气态的四氯化硅从所述第一缓冲罐向外送出。
优选地，所述加热机构包括用于对所述输送泵和第一缓冲罐之间的管路进行加热的加热油浴。
优选地，所述四氯化硅加料装置还包括回流管路，所述回流管路的两端分别连通所述四氯化硅储罐与输送泵之间的管路和所述输送泵与第一缓冲罐之间的管路，所述回流管路用于供所述输送泵与第一缓冲罐之间的管路内未汽化的四氯化硅回流至所述四氯化硅储罐与输送泵之间的管路。
优选地，所述四氯化硅加料装置还包括用于存放酸性干燥剂的干燥剂罐，所述干燥剂罐通过管路连通所述四氯化硅储罐内腔的顶部。
优选地，所述第一收集室设置在所述冷却室下方以收集微米级二氧化硅粉末；
所述第一分离器是旋风分离器，所述第二收集室设置在所述第一分离器下方以收集准纳米级二氧化硅粉末；
所述第二分离器是布袋分离器，所述第三收集室设置在所述第二分离器下方以收集纳米级二氧化硅粉末。
优选地，所述氯气回收装置包括：混合气体缓冲罐、压缩机、液氯分离罐、第二缓冲罐和碱液槽；
所述混合气体缓冲罐用于接收和存放含氯气的混合气体，所述压缩机通过管路分别连接所述混合气体缓冲罐和液氯分离罐，所述压缩机用于对所述混合气体缓冲罐排出的混合气体进行压缩以将氯气压缩为液体并通过管路送入所述液氯分离罐，所述液氯分离罐用于存放液态的氯气，所述第二缓冲罐连接所述液氯分离罐以供未被压缩的混合气体从所述液氯分离罐流向所述第二缓冲罐，所述第二缓冲罐通过管路连接所述碱液槽以使所述第二缓冲罐排出的气体流向所述碱液槽并对酸性气体进行吸收。
优选地，所述混合气体缓冲罐包括罐体和设置在所述罐体顶部的椭圆封头，所述椭圆封头包括内层椭圆封头和外层椭圆封头，所述外层椭圆封头浮动设置在所述内层椭圆封头外，所述内层椭圆封头的下缘和外层椭圆封头的下缘之间设置有液压油。
优选地，所述混合气体缓冲罐上设置有溢出口，所述溢出口通过管路连接吸收池，所述吸收池中的碱液用于吸收从所述混合气体缓冲罐溢出混合气体中的酸性气体。
优选地，所述氯气回收装置还包括平衡压力管，所述平衡压力管的两端分别连通所述混合气体缓冲罐与压缩机之间的管路和所述压缩机与液氯分离罐之间的管路。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，通过设置四氯化硅加料装置、射频等离子体发生器、合成室、冷却室、第一收集室、第一分离器、第二收集室、第二分离器、第三收集室、真空机组和氯气回收装置，生成的非晶态纳米球形二氧化硅在真空机组的抽风动力作用下，有效筛分出不同粒度的二氧化硅粉末，并在第一收集室、第二收集室和第三收集室分别收集微米级二氧化硅粉末、准纳米级二氧化硅粉末和纳米级二氧化硅粉末，制备效率更高，氯气回收装置能够直接回收生成的氯气。
附图说明
图1是本发明实施例的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备的结构示意图。
图2是本发明实施例的四氯化硅加料装置的结构示意图。
图3是本发明实施例的射频等离子体发生器和合成室的具有局部剖面的连接结构示意图。
图4是本发明实施例的第一分离器的具有局部剖面的结构示意图。
图5是本发明实施例的第二分离器的具有局部剖面的结构示意图。
图6是本发明实施例的氯气回收装置的原理示意图。
图7是本发明实施例的氯气回收装置的结构示意图。
图8是根据本发明实施例的设备和方法制备的非晶态纳米球形二氧化硅的透射电子显微镜图(TEM)。
图9是根据本发明实施例的设备和方法制备的非晶态纳米球形二氧化硅的X射线衍射图谱(XRD)。
图10是本发明实施例的非晶态纳米球形二氧化硅的制备方法的流程示意图。
图中：10、四氯化硅加料装置；11、四氯化硅储罐；12、输送泵；13、第一缓冲罐；14、加热机构；15、干燥剂罐；16、回流管路；20、射频等离子体发生器；30、合成室；40、冷却室；50、第一收集室；61、第一分离器；611、直筒；612、锥体；613、蜗壳；614、进料口；62、第二收集室；71、第二分离器；711、壳体；7111、进料口；7112、排气口；712、集料锥斗；713、布袋骨架；714、气包；715、控制阀；716、反吹喷管；72、第三收集室；80、真空机组；90、氯气回收装置；91、混合气体缓冲罐；911、罐体；912、椭圆封头；92、压缩机；93、液氯分离罐；94、第二缓冲罐；95、碱液槽；96、平衡压力管；100、管路。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
本发明中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本发明保护范围内。
参见图1至图7，本发明实施例提供一种制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，该设备包括：四氯化硅加料装置10、射频等离子体发生器20、合成室30、冷却室40、第一收集室50、第一分离器61、第二收集室62、第二分离器71、第三收集室72、真空机组80和氯气回收装置90，进一步包括管路100。
参照图2，四氯化硅加料装置10用于提供气态的四氯化硅，四氯化硅加料装置10包括：四氯化硅储罐11、输送泵12、第一缓冲罐13和加热机构14，进一步包括干燥剂罐15和回流管路16。
具体地说，四氯化硅储罐11用于存放液态的四氯化硅，四氯化硅储罐11例如是1400L的储罐，四氯化硅储罐11具有用于排出液态的四氯化硅的出口，出口可以位于四氯化硅储罐11的底部。输送泵12通过管路100分别连接四氯化硅储罐11和第一缓冲罐13，输送泵12用于将四氯化硅储罐11的四氯化硅送入第一缓冲罐13，输送泵12可以是微型增压泵，输送泵12具有供四氯化硅进入的进口和供四氯化硅排出的出口，输送泵12的进口通过管路100连通四氯化硅储罐11的出口，输送泵12的出口通过管路100连通第一缓冲罐13的进口。
加热机构14用于对输送泵12和第一缓冲罐13之间的管路100进行加热以使管路100内液态的四氯化硅汽化，作为优选方式，加热机构14包括用于对输送泵12和第一缓冲罐13之间的管路100进行加热的加热油浴，加热油浴可以是对输送泵12和第一缓冲罐13之间的一部分管路100进行加热，加热油浴具有能够精确调控温度的优点，加热油浴的加热温度优选为60-80℃，在加热油浴的加热作用下，无色透明液态的四氯化硅安全快速汽化成气态的四氯化硅，气态的四氯化硅通过管路100流入第一缓冲罐13。第一缓冲罐13例如是10L的储罐，第一缓冲罐13的顶部设置有出口，气态的四氯化硅从第一缓冲罐13的出口向外送出，流向射频等离子体发生器20和合成室30进行反应。
本发明一些实施例中，四氯化硅加料装置10还包括用于存放酸性干燥剂的干燥剂罐15，干燥剂罐15通过管路100连通四氯化硅储罐11内腔的顶部。四氯化硅储罐11内空气中的水汽容易使四氯化硅分解，四氯化硅分解后产生硅酸和氯化氢，通过设置干燥剂罐15，干燥剂罐15内的酸性干燥剂能够吸收四氯化硅储罐11中的水汽，从而减少和防止四氯化硅分解，保证四氯化硅储罐11存放的液体的四氯化硅具有较高的纯度，有利于后续生产出高纯度的非晶态纳米球形二氧化硅。
本发明一些实施例中，四氯化硅加料装置10还包括回流管路16，回流管路16的两端分别连通四氯化硅储罐11与输送泵12之间的管路100和输送泵12与第一缓冲罐13之间的管路100，回流管路16用于供输送泵12与第一缓冲罐13之间的管路100内未汽化的四氯化硅回流至四氯化硅储罐11与输送泵12之间的管路100。具体地说，当输送泵12与第一缓冲罐13之间的管路100内的液态的四氯化硅通过加热机构14未全部被汽化时，输送泵12与第一缓冲罐13之间的管路100内未被汽化的四氯化硅通过回流管路16可以再次回流至四氯化硅储罐11与输送泵12之间的管路100，通过输送泵12可以再次输送至输送泵12与第一缓冲罐13之间的管路100进行加热和汽化，通过设置回流管路16，可以防止未被汽化的四氯化硅在输送泵12与第一缓冲罐13之间的管路100中积累，并流入第一缓冲罐13，保证第一缓冲罐13内均为气态的四氯化硅。
参照图3，射频等离子体发生器20连接合成室30以在合成室30内形成高温等离子体炬，四氯化硅加料装置10提供的气态的四氯化硅在高温等离子体炬的作用下，在合成室30内与氧反应生成二氧化硅。
具体地说，第一缓冲罐13送出的气态的四氯化硅在氩气的携带作用下进入合成室30，射频等离子体发生器20的工作气体为氧气，射频等离子体发生器20在合成室30内形成高温等离子体炬，高温等离子体炬的温度高达上万摄氏度，大量的氧分子在高温等离子体炬高温区快速裂解成氧原子，反应中氧主要以等离子体态参与置换反应，反应式如下，这些裂解的氧原子具有很强的高温活性，可以大大提高反应进程，将快速与四氯化硅发生置换反应而形成液相的纳米二氧化硅，另外，在合成室30内的局部高温环境下实现二氧化硅粉末的非晶态转变。由于高温等离子体炬本身具有不可避免的电磁收缩不对称性、气流紊乱以及串流现象而导致极小部分液态纳米二氧化硅粘结成团形成部分微米级二氧化硅粉末和准纳米级二氧化硅粉末，因此，有必要对微米级二氧化硅粉末和准纳米级二氧化硅粉末分别进行收集，以提高收集的纳米级二氧化硅粉末的纯度。
SiCl4(气态)+O2(等离子体态)＝SiO2(固态)+2Cl2(气态)
冷却室40连接合成室30以冷却生成的二氧化硅，第一收集室50连接冷却室40以接收部分二氧化硅。为改善在高氯离子浓度介质中的抗缝隙腐蚀能力，冷却室40采用水冷双层Ti-0.2Pd合金的冷拔无缝管，由于该钛合金材料具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，因此，能够抵挡住生成的氯气的腐蚀。第一收集室50位于冷却室40下方，冷却室40冷却后形成的部分二氧化硅进入第一收集室50，第一收集室50可用于收集微米级二氧化硅粉末，第一收集室50收集的微米级二氧化硅粉末的平均颗粒尺寸例如是0.1μm左右。
继续参照图1，第一分离器61通过管路100连接冷却室40接收和分离部分二氧化硅，第二收集室62连接第一分离器61以接收第一分离器61分离出来的二氧化硅。具体地说，在真空机组80的抽真空作用下，气体携带生成的部分二氧化硅粉末从冷却室40流向第一分离器61，第一分离器61优选是旋风分离器，第一分离器61分离部分二氧化硅，第一分离器61分离出来的二氧化硅优选是准纳米级二氧化硅粉末，准纳米级二氧化硅粉末的平均颗粒尺寸例如是100nm左右，第二收集室62设置在第一分离器61下方以收集准纳米级二氧化硅粉末。
参照图4，旋风分离器主要包括直筒611、锥体612和蜗壳613。旋风分离器具有耐高温、高压、结构简单、没有运动部件、且造价低等优点。本发明一些实施例中，在旋风分离器上端设置进料口614，首先，含氯气的混合气体和二氧化硅粉末形成的气粉混合体从进料口614进入旋风分离器的进料布气室，经过旋风子支管的碰撞、折流，使气流均匀分布，流向旋风子进气口。均布后的气流由切向进入旋风子，气体在旋风管中形成旋风气流，强大的离心力使得气体中固体颗粒甩脱出来，并聚集到旋风管内壁上，最终落入用于收集准纳米级二氧化硅粉末的第二收集室62中，而纳米级二氧化硅粉末以及含氯气的混合气粉混合体沿轴线垂直继续上升到排气口并流出旋风分离器。
本发明一些实施例中，通过在旋风分离器上端设置进料口614，同时将其筒锥型结构中的锥体612部分缩短和将直筒611部分延长，锥体612部分的长度优选为70-80cm，直筒611部分的长度优选为28-30cm，不但提高了分离效率，而且有效避免了传统的旋风分离器内的内旋流和外旋流相互作用而导致在旋风分离器气芯处静压最小，甚至出现负压，这可能引起用于收集准纳米级二氧化硅粉末的第二收集室62内气流返混现象。上述改进后的旋风分离器结构在节省材料的同时，能够尽可能除去输送气体中的准纳米级二氧化硅粉末，提高后续收集的纳米级二氧化硅粉末的纯度。
继续参照图1，第二分离器71连接第一分离器61以接收和分离部分二氧化硅，第三收集室72连接第二分离器71以接收第二分离器71分离出来的二氧化硅。具体地说，在真空机组80的抽真空作用下，气体携带生成的部分二氧化硅粉末从第一分离器61流向第二分离器71，第二分离器71优选是布袋分离器，第二分离器71分离部分二氧化硅，第二分离器71分离出来的二氧化硅优选是纳米级二氧化硅粉末，纳米级二氧化硅粉末的平均颗粒尺寸例如是10nm左右，第三收集室72设置在第二分离器71下方以收集纳米级二氧化硅粉末。
参照图5，布袋分离器主要包括壳体711、连接在壳体711下方的集料锥斗712、设置壳体711内的多个布袋骨架713、反吹机构等，壳体711的上部设置有进料口7111，壳体711的下部设置有排气口7112。
布袋骨架713用于安装滤袋(未示出)，本发明实施例的布袋骨架713优选是不锈钢布袋骨架713，不锈钢布袋骨架713是滤袋的肋骨，采用有足够强度和钢度的不锈钢丝，使用高频焊机一次焊接骨架成型。不锈钢布袋骨架713采用圆型结构，袋笼的纵筋和反撑环分布均匀，并有足够的强度和刚度，防止损坏和变形。这种不锈钢布袋骨架713具有耐腐蚀、耐高温、便于安装和维护的特点，骨架轻巧、光滑、挺直、有强度，骨架焊接处无焊瘤、无毛刺，不锈钢布袋骨架713使用寿命长等优点。
反吹机构主要包括气包714、控制阀715和反吹喷管716等，反吹机构的作用是清除在整个设备的真空机组80作用下吸附在滤袋外表面上的纳米级二氧化硅粉末。壳体711的过滤室内每排滤袋出口顶部装配有一根反吹喷管716，反吹喷管716下侧正对滤袋中心的位置设有反吹口，每根反吹喷管716上均设有一个电磁脉冲的控制阀715，并与装有压缩空气的气包714连通。反吹清灰运行时，控制阀715打开，压缩空气按设定程序打开电磁脉冲反吹，压缩气体以极短促的时间按次序通过各个控制阀715并经反吹喷管716上的喷嘴，产生数倍于喷射气量的空气进入滤袋，形成空气波，使滤袋由袋口至底部产生急剧的膨胀和冲击振动，造成很强的清灰作用，抖落滤袋上的二氧化硅粉末。布袋分离器分离得到的纳米级二氧化硅粉末由第三收集室72进行收集，经过第一收集室50收集微米级二氧化硅粉末、第一分离器61和第二收集室62分离和收集准纳米级二氧化硅粉末，布袋分离器和第三收集室72能够收集设备生成的高达98％的二氧化硅粉末，且这部分二氧化硅粉末是纳米级粉末，平均颗粒尺寸在10nm左右。如图8(透射电子显微镜图)所示，制备和分离得到的纳米级二氧化硅粉末的尺寸没有超过15nm，微观形貌呈球形状，并且有明显的团聚现象。如图9(X射线衍射图谱)所示，制备和分离得到的纳米级二氧化硅粉末的衍射图谱中仅仅在20°-28°的低衍射角区出现了一个馒头峰，即非晶衍射峰，从而判定得到的纳米级二氧化硅为非晶态物质。
继续参照图1，真空机组80连接第二分离器71和氯气回收装置90之间的管路100以对制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备进行抽真空。真空机组80可以包括旋片真空泵、罗茨真空泵、油扩散真空泵。
参照图6和图7，氯气回收装置90通过管路100连接第二分离器71以分离回收生成的氯气。氯气回收装置90包括：混合气体缓冲罐91、压缩机92、液氯分离罐93、第二缓冲罐94和碱液槽95，进一步包括平衡压力管96。
混合气体缓冲罐91用于接收和存放含氯气的混合气体，混合气体缓冲罐91例如是2000L的储罐。本发明一些实施例中，混合气体缓冲罐91包括罐体911和设置在罐体911顶部的椭圆封头912，椭圆封头912包括内层椭圆封头和外层椭圆封头，外层椭圆封头浮动设置在内层椭圆封头外，内层椭圆封头的下缘和外层椭圆封头的下缘之间设置有液压油。具体地说，外层椭圆封头具有一定的上下浮动量，在内层椭圆封头的下缘和外层椭圆封头的下缘之间空间注入适量的液压油，液压油例如是抗磨液压油，上述结构使混合气体缓冲罐91不仅具有较佳的密封性，而且液压油能够对混合气体起到一定的冷却和降温作用。
本发明一些实施例中，混合气体缓冲罐91上设置有溢出口(未示出)，溢出口例如设置在椭圆封头912的顶部，溢出口通过管路100连接吸收池(未示出)，吸收池中的碱液用于吸收从混合气体缓冲罐91溢出混合气体中的酸性气体。当混合气体缓冲罐91中的混合气体压强到达一定值时，部分混合气体从溢出口向外溢出，并由吸收池中的碱液吸收其中的酸性气体，从而提高混合气体缓冲罐91的安全性。其中，碱液槽95可以复用为吸收池。
压缩机92通过管路100分别连接混合气体缓冲罐91和液氯分离罐93，压缩机92用于对混合气体缓冲罐91排出的混合气体进行压缩以将氯气压缩为液体并通过管路100送入液氯分离罐93，液氯分离罐93用于存放液态的氯气。作为优选方案，压缩机92是隔膜压缩机。混合气体缓冲罐91中的含有氧氩氯的混合气体具有一定腐蚀性，一旦有水蒸气渗入混合气体缓冲罐91内的混合气体中，混合气体的腐蚀性将大大增强，因此，通过采用气缸密封性好的隔膜压缩机对混合气体进行压缩，将显著增加压缩机92的抗腐蚀能力。隔膜压缩机中耐腐蚀金属隔膜的厚度优选为0.3-0.5mm，以进一步提升压缩机92的抗腐蚀能力和使用寿命。
通过压缩机92的压缩，混合气体中的氯气被压缩成液体，压缩机92优选将混合气体增压至1.2-1.5MPa，混合气体中的氯气被压缩成液体，混合气体中的其他气体仍然呈气态，压缩为液体的氯气通过管路100送入液氯分离罐93。液氯分离罐93上设置有液位计和用于排放液氯的排放口，当液氯分离罐93内的液氯达到一定量时，通过排放口排出分离得到的液氯。
本发明一些实施例中，氯气回收装置90还包括平衡压力管96，平衡压力管96的两端分别连通混合气体缓冲罐91与压缩机92之间的管路100和压缩机92与液氯分离罐93之间的管路100，在压缩机92的压缩作用下，压缩机92前后管路100上的气体存在压力差，通过设置平衡压力管96，可以有效消除压缩机92前后管路100上气体的压力差。
第二缓冲罐94连接液氯分离罐93以供未被压缩的混合气体从液氯分离罐93流向第二缓冲罐94，第二缓冲罐94通过管路100连接碱液槽95以使第二缓冲罐94排出的气体流向碱液槽95并对酸性气体进行吸收，碱液槽95优选存放有氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液，第二缓冲罐94可以防止碱液槽95中的液体倒吸至液氯分离罐93中，提高装置的安全性。碱液槽95中的碱液对未被压缩的混合气体中的残余酸性气体吸收后排放到大气中，经检测，排放到大气中的尾气已完全达到国家排放标准。
参照图10，本发明实施例还提供一种非晶态纳米球形二氧化硅的制备方法，该制备方法包括步骤S1至步骤S3，进一步包括步骤S0。上述制备方法优选使用上述的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备进行制备。
步骤S0：通过油浴对液态的四氯化硅进行加热，使液态的四氯化硅汽化，汽化后的四氯化硅送入高温等离子体炬中。
油浴的加热温度优选为60-80℃。步骤S0例如是通过如图2所示的四氯化硅加料装置10对液态的四氯化硅进行加热。
步骤S1：将制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备抽真空，将气态的四氯化硅送入高温等离子体炬中，气态的四氯化硅在高温等离子体炬的作用下与氧反应生成二氧化硅。
具体地说，开启真空机组80抽真空，当检测到用于高温反应的合成室30内的真空度达到103Pa左右，启动射频等离子体发生器20，并且维持正常运行的高温等离子体炬，同时将气态的四氯化硅垂直注入高温等离子体炬中，在合成室30中实现四氯化硅与氧气的置换反应，并在此刻完成二氧化硅的非晶态的转变，最终获得非晶态纳米球形二氧化硅颗粒。步骤S1例如是通过如图3所示的射频等离子体发生器20和合成室30进行反应。
步骤S2：生成的二氧化硅冷却后依次分离出微米级二氧化硅粉末、准纳米级二氧化硅粉末和纳米级二氧化硅粉末。
在置换反应中产生的氯气和纳米级的二氧化硅在冷却室40中快速冷却，随后经过旋风分离器和布袋分离器分离后，借助真空机组80的抽风系统动力有效风选筛分出不同粒度的二氧化硅粉末，并在第一收集室50、第二收集室62和第三收集室72分别收集封装微米级二氧化硅粉末、准纳米级二氧化硅粉末和纳米级二氧化硅粉末。
步骤S2例如是通过如图1、图4、图5所示的冷却室40、第一收集室50、第一分离器61、第二收集室62、第二分离器71和第三收集室72对生成的二氧化硅进行冷却和分离。
步骤S3：对生成二氧化硅后的混合气体中的氯气进行分离和回收。
具体地说，步骤S3中，对生成二氧化硅后的混合气体中的氯气进行分离和回收包括：对混合气体进行压缩以将混合气体中的氯气压缩为液体，例如将混合气体增压至1.2-1.5MPa以将混合气体中的氯气压缩为液体，未被压缩的混合气体流向碱性水溶液，碱性水溶液对未被压缩的混合气体中的酸性气体进行吸收。步骤S3例如是通过如图6和图7所示的氯气回收装置90对生成二氧化硅后的混合气体中的氯气进行分离和回收。碱液对未被压缩的混合气体中的残余酸性气体吸收后排放到大气中，排放到大气中的尾气已完全达到国家排放标准。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，在发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，所有的这些改变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，其特征在于，包括：四氯化硅加料装置、射频等离子体发生器、合成室、冷却室、第一收集室、第一分离器、第二收集室、第二分离器、第三收集室、真空机组和氯气回收装置；
所述四氯化硅加料装置用于提供气态的四氯化硅；所述射频等离子体发生器连接所述合成室以在所述合成室内形成高温等离子体炬，所述四氯化硅加料装置提供的气态的四氯化硅在高温等离子体炬的作用下，在所述合成室内与氧反应生成二氧化硅；所述冷却室连接所述合成室以冷却生成的二氧化硅，所述第一收集室连接所述冷却室以接收部分二氧化硅；所述第一分离器通过管路连接所述冷却室以接收和分离部分二氧化硅，所述第二收集室连接所述第一分离器以接收所述第一分离器分离出来的二氧化硅；所述第二分离器连接所述第一分离器以接收和分离部分二氧化硅，所述第三收集室连接所述第二分离器以接收所述第二分离器分离出来的二氧化硅；所述氯气回收装置通过管路连接所述第二分离器以分离回收生成的氯气；所述真空机组连接所述第二分离器和氯气回收装置之间的管路以对制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备进行抽真空。
2.根据权利要求1所述的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，其特征在于，所述四氯化硅加料装置包括：四氯化硅储罐、输送泵、第一缓冲罐和加热机构；
所述四氯化硅储罐用于存放液态的四氯化硅，所述输送泵通过管路分别连接所述四氯化硅储罐和第一缓冲罐，所述输送泵用于将所述四氯化硅储罐的四氯化硅送入所述第一缓冲罐，所述加热机构用于对所述输送泵和第一缓冲罐之间的管路进行加热以使管路内液态的四氯化硅汽化，气态的四氯化硅从所述第一缓冲罐向外送出。
3.根据权利要求2所述的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，其特征在于，所述加热机构包括用于对所述输送泵和第一缓冲罐之间的管路进行加热的加热油浴。
4.根据权利要求2所述的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，其特征在于，所述四氯化硅加料装置还包括回流管路，所述回流管路的两端分别连通所述四氯化硅储罐与输送泵之间的管路和所述输送泵与第一缓冲罐之间的管路，所述回流管路用于供所述输送泵与第一缓冲罐之间的管路内未汽化的四氯化硅回流至所述四氯化硅储罐与输送泵之间的管路。
5.根据权利要求2所述的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，其特征在于，所述四氯化硅加料装置还包括用于存放酸性干燥剂的干燥剂罐，所述干燥剂罐通过管路连通所述四氯化硅储罐内腔的顶部。
6.根据权利要求1所述的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，其特征在于，所述第一收集室设置在所述冷却室下方以收集微米级二氧化硅粉末；
所述第一分离器是旋风分离器，所述第二收集室设置在所述第一分离器下方以收集准纳米级二氧化硅粉末；
所述第二分离器是布袋分离器，所述第三收集室设置在所述第二分离器下方以收集纳米级二氧化硅粉末。
7.根据权利要求1所述的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，其特征在于，所述氯气回收装置包括：混合气体缓冲罐、压缩机、液氯分离罐、第二缓冲罐和碱液槽；
所述混合气体缓冲罐用于接收和存放含氯气的混合气体，所述压缩机通过管路分别连接所述混合气体缓冲罐和液氯分离罐，所述压缩机用于对所述混合气体缓冲罐排出的混合气体进行压缩以将氯气压缩为液体并通过管路送入所述液氯分离罐，所述液氯分离罐用于存放液态的氯气，所述第二缓冲罐连接所述液氯分离罐以供未被压缩的混合气体从所述液氯分离罐流向所述第二缓冲罐，所述第二缓冲罐通过管路连接所述碱液槽以使所述第二缓冲罐排出的气体流向所述碱液槽并对酸性气体进行吸收。
8.根据权利要求7所述的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，其特征在于，所述混合气体缓冲罐包括罐体和设置在所述罐体顶部的椭圆封头，所述椭圆封头包括内层椭圆封头和外层椭圆封头，所述外层椭圆封头浮动设置在所述内层椭圆封头外，所述内层椭圆封头的下缘和外层椭圆封头的下缘之间设置有液压油。
9.根据权利要求7所述的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，其特征在于，所述混合气体缓冲罐上设置有溢出口，所述溢出口通过管路连接吸收池，所述吸收池中的碱液用于吸收从所述混合气体缓冲罐溢出混合气体中的酸性气体。
10.根据权利要求7所述的制备非晶态纳米球形二氧化硅的设备，其特征在于，所述氯气回收装置还包括平衡压力管，所述平衡压力管的两端分别连通所述混合气体缓冲罐与压缩机之间的管路和所述压缩机与液氯分离罐之间的管路。
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