CN112473554A - 一种防壁面颗粒沉积的纳米颗粒生成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纳米颗粒生成装置相关技术领域，其公开了一种防壁面颗粒沉积的纳米颗粒生成装置。装置包括：燃烧室；设于燃烧室上部并与燃烧室贯通的输运管道；燃烧室和输运管道的内壁均间隙设有至少一个多孔套筒，每一多孔套筒的端部均通过隔板与燃烧室或输运管道密封连接，每一多孔套筒对应的燃烧室上均设有贯通燃烧室壁面的保护气入口；贯通燃烧室与多孔套管的载气或前驱体入口。通过输运管道内部设置多个相互隔离的多孔套筒，多孔套筒内部可以通入保护气，使得纳米颗粒不会与多孔套筒接触，进而不会粘粘附着着多孔套筒的表面。

Description

一种防壁面颗粒沉积的纳米颗粒生成装置
技术领域
本发明属于纳米颗粒生成装置相关技术领域，更具体地，涉及一种防壁面颗粒沉积的纳米颗粒生成装置。
背景技术
火焰合成法制备纳米颗粒是一种常见的新型纳米材料制备方法，与湿法制备相比，一步合成、工艺简洁的火焰合成技术无需湿法制备中各种繁琐的化工设备，其成本低，更有利于工业化、规模化生产。近些年来，火焰合成方法由于其独特的优点，在催化剂的制备中开始得到更广泛的应用。
在火焰合成法制备装置中，载气/前驱体进入燃烧室后被雾化成为微小液滴后经反应生成纳米颗粒，产生的纳米颗粒随着高速气流一起上升，并在真空泵的负压作用下附着在过滤收集器上，当纳米颗粒的制备完成后，只需将附着在过滤收集器上的纳米颗粒收集即可。然而，在实际运行过程中，生成的纳米颗粒会明显附着于反应装置的内壁面上，一方面会导致颗粒的逸散损失，从而降低收集效率，另一方面也会导致反应器腐蚀、管道堵塞等问题，从而影响整体装置的连续、稳定的运行。因此，亟需设计一种防壁面颗粒沉积的纳米颗粒生成装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种防壁面颗粒沉积的纳米颗粒生成装置，燃烧室和输运管道内部设有多个相互隔离的多孔套筒，每个多孔套筒对应至少一个保护气入口，通过保护气入口输入保护气，使得纳米颗粒不会与多孔套筒接触，进而不会粘结附着在多孔套筒的表面，避免了颗粒的逸散损失以及壁面的腐蚀和管道的堵塞问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种防壁面颗粒沉积的纳米颗粒生成装置，所述装置包括：燃烧室；设于所述燃烧室上部并与所述燃烧室贯通的输运管道；所述燃烧室和输运管道的内壁均间隙设有至少一个多孔套筒，每一所述多孔套筒的端部均通过隔板与所述燃烧室或输运管道密封连接，每一所述多孔套筒对应的燃烧室上均设有贯通所述燃烧室壁面的保护气入口；贯通所述燃烧室和/或多孔套管的载气或前驱体入口。
优选地，所述保护气入口的形状为圆柱形、渐扩圆管形或多边形柱管中的一种。
优选地，所述保护气入口的出口处设有气帽或引流板。
优选地，每一所述多孔套筒对应的燃烧室上均设有多个所述保护气入口。
优选地，所述多个保护气入口均匀分布于对应的所述燃烧室上。
优选地，所述燃烧室或输运管道与对应的所述多孔套筒的间隙间距不小于1mm且不大于所述燃烧室内部腔室当量直径的1/5。
优选地，所述多孔套筒的透气率大于或等于1CFM且小于1000CFM。
优选地，所述多孔套筒的孔径为0.01mm～1mm。
优选地，所述多孔套筒的材料为多孔材料或不锈钢合金，当所述多孔套筒的材料为多孔材料时，所述多孔套筒的表面设有耐高温材料。
优选地，所述燃烧室底部对应的多孔套筒上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒的壁面向上，且与所述壁面的夹角为75°～90°；和/或所述燃烧室的主腔道下部的多孔套筒上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒的壁面向下，且与壁面的夹角为45°～90°；和/或所述燃烧室的主腔道的多孔套筒上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒的壁面向上或向下，且与壁面的夹角为75°～90°；和/或所述燃烧室的主腔道上部的多孔套筒上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒的壁面向上，且与壁面的夹角为45°～90°；和/或所述燃烧室渐缩部的多孔套筒上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒的壁面向下，且与壁面的夹角为45°～90°。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种防壁面颗粒沉积的纳米颗粒生成装置至少具有如下有益效果：
1.燃烧室和输运管道内部设有多个相互隔离的多孔套筒，每个多孔套筒对应至少一个保护气入口，通过保护气入口输入保护气，使得纳米颗粒不会与多孔套筒接触，进而不会粘结附着在多孔套筒的表面，避免了颗粒的逸散损失以及壁面的腐蚀和管道的堵塞问题，另一方面可以调控通入的保护气的温度可以降低壁面出温度梯度有效降低纳米颗粒的热泳速度，同时可对装置壁面起到很好的冷却降温作用；
2.每一多孔套筒过隔板与燃烧室或输运管道密封连接，可以使得多个多孔套筒之间相互独立，其内通入的气流的流量和速度不会相互影响；
3.保护气入口的形状优选为圆柱形，渐扩圆管形或多边形柱管，具体的可以根据实际情况进行选择，对工况的适应程度高，可以满足不同工况的气流要求，保护气入口的出口处可以设置气帽或引流板进行引流，满足不同的气流扰动需要；
4.每一多孔套筒对应的燃烧室上均设有多个均匀分布的保护气入口可以使得燃烧室内在水平方向上各方的气流平稳均匀；
5.燃烧室或输运管道与对应的多孔套筒的间隙间距不小于1mm且不大于燃烧室内部腔室当量直径的1/5，既不影响现有的燃烧室内的合成燃烧又不需要对燃烧室进行大的改动节约成本；
6.多孔套筒的材料既可是多孔材料的直接加工也可以是对不锈钢合金的材料进行打孔制备，材料广泛，加工方式多样易得；
7.对于体积较小的火焰合成纳米颗粒的装置多孔套筒的孔径优选为0.01mm～1mm可以较好的匹配现有的火焰合成纳米颗粒装置的优化，无需对现有装置进行大的改造，将多孔套筒放入即可，安装简单方便；
8.多孔套筒上开孔的开口方向并不仅限于与多孔套筒的壁面垂直，可以根据燃烧情况进行适当的角度调节，以更有利于燃烧室内燃料的燃烧合成。
附图说明
图1示意性示出了本实施例的防壁面颗粒沉积的纳米颗粒生成装置的结构图；
图2示意性示出了本实施例的多孔套筒上的开孔的方向示意图；
图3A1示意性示出了本实施例中保护气入口的一种结构的主视图；
图3A2示意性示出了本实施例中图3A1所示主视图对应的俯视图；
图3B1示意性示出了本实施例中保护气入口的另一种结构的主视图；
图3B2示意性示出了本实施例中图3B1所示主视图对应的俯视图；
图3C1示意性示出了本实施例中保护气入口的又一种结构的主视图；
图3C2示意性示出了本实施例中图3C1所示主视图对应的俯视图；
图4示意性示出了本公开实施例中燃烧室的俯视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
100-燃烧室；200-输运管道；300-多孔套筒；400-保护气入口；500-载气或前躯体入口；310-隔板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供了一种防壁面颗粒沉积的纳米颗粒生成装置，所述装置包括燃烧室100、输运管道200、多孔套筒300、保护气入口400、载气或前驱体入口500等。
其中，燃烧室100的作用为火焰合成纳米颗粒，燃烧室100会产生超高温气体，且前驱体还可能释放腐蚀气体，所以燃烧室100内的所有装置应能满足一定的耐高温、耐氧化并且需要具有可靠的物化稳定性。
输运管道200设于燃烧室100的上部，主要作用是将燃烧室100产生的纳米颗粒和尾气汇聚后运输至外部过滤收集器等装置进行捕集。
所述燃烧室100和输运管道200的内壁均间隙设有至少一个多孔套筒300。多孔套筒300与燃烧室100的内壁的间隙的间距优选为不小于1mm且不大于所述燃烧室100内部腔室当量直径的1/5。当燃烧室100的高度较高时，沿高度方向优选为设置多个多孔套筒300。
多孔套筒300的形状可以是三角柱、多边形方柱、圆柱、椭圆柱等，总之多孔套筒300的形状与燃烧室100的内壁面的形状相匹配。在一些情况下，多孔套筒300也可以通过镀上耐火涂层等手段来进行表面改性。多孔套筒300可以是多孔材料直接制备，也可以通过不锈钢等合金材料经打孔制备。多孔套筒300的透气率应大于或等于1CFM且小于1000CFM。若采用多孔材料直接制备的多孔套筒300，可通过表面加装纤维网等耐高温材料进行保护气流的改向。若是通过打孔制备的多孔套筒300，由于本专利涉及的火焰合成纳米颗粒的装置系统体积相对较小，其孔经优选为0.01mm～1mm之间，针对工业大型装置设备时，其孔径可以适当的加大，使得保护气流可以随之加大。当多孔套筒300透气率较大时，可在其表面上加装透气率较低的纤维网等耐高温材料，使其满足透气率的要求。在一些情况下，多孔套筒300做成可拆卸式元件，必要时可进行更换或清洗。
多孔套筒300的开孔方向可以不限于垂直壁面，应针对燃烧室100的不同分区设置不同的开孔方向。如图2中的a处所示，所述燃烧室100底部对应的多孔套筒300上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒300的壁面向上，且与所述壁面的夹角为75°～90°。如图2中的b处所示，所述燃烧室100的主腔道下部的多孔套筒300上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒300的壁面向下，且与壁面的夹角为45°～90°。如图2中的c处所示，所述燃烧室100的主腔道的多孔套筒300上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒300的壁面向上或向下，且与壁面的夹角为75°～90°。如图2中的d处所示，所述燃烧室100的主腔道上部的多孔套筒300上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒300的壁面向上，且与壁面的夹角为45°～90°。如图2中的e处所示，所述燃烧室100渐缩部的多孔套筒300上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒300的壁面向下，且与壁面的夹角为45°～90°。
同时，如图2中的f处所示，输运管道200内部的多孔套筒300的开孔方向可与多孔套筒300的壁面的夹角成75°～90°。
每一多孔套筒300对应的燃烧室100上均设有贯通所述燃烧室100壁面的保护气入口400。保护气入口400的形状为圆柱形(如图3A1和图3A2所示)、渐扩圆管形(如图3B1和图3B2，以及图3C1和图3C2所示)或多边形管等。同时保护气入口400的出口处设有气帽或引流板等引流装置，从而确保保护气入口400的气流可以更加均匀、稳定地喷射到多孔套筒300内。
当多孔套筒300对应有多个保护气入口400时，多个保护气入口400优选为均匀分布于燃烧室100的周壁或底面上以确保风速平稳均匀，如图4所示，在底面上的保护气入口400沿中心轴阵列排布。
同理，输运管道200可以考虑每隔一段距离放置1排保护气入口400，且弯管的外拐角处应单独设置一个保护气入口。
保护气入口400用于提供一定温度、流速的稳定气流以将纳米颗粒吹离装置壁面，同时还可以对壁面进行冷却降温。可以通过控制保护气入口400的气体温度的大小，有效调节壁面的冷却降温效果，并通过改变壁面附近的温度梯度，从而有效降低套筒处的温度梯度及其纳米颗粒的热泳速度。同时，也可通过调节保护气的气体流速，使其满足大于纳米颗粒在多孔套筒孔隙处的热泳速度，从而确保纳米颗粒不会逆向流入多孔套筒内，同时气体流速也不会过大，导致影响腔室内部的主流场，因此应具备合适的风速。
每一所述多孔套筒300的端部均通过隔板310与燃烧室100或输运管道200密封连接。隔板310是不透气平板，主要作用是为了将不同腔室的保护气分割开，使得各腔室内的保护气气流具备合适的气压或流向。当燃烧室100的高度较高时沿高度方向可以设置多个多孔套筒300，多孔套筒300经过隔板隔开。
也可以在燃烧室100内设置一完整的多孔套筒300，通过隔板310将多孔套筒300划分为相互独立的不同区域。
载气或前驱体入口500优选设于燃烧室底面上，当燃烧室底面上对应有多孔套筒300时则该载气或前驱体入口500贯通所述燃烧室底面和多孔套筒300，若燃烧室底面上没有对应多孔套筒300，则载气或前驱体入口500贯通所述燃烧室底面。
综上所述，燃烧室和输运管道内部设有多个相互隔离的多孔套筒，每个多孔套筒对应至少一个保护气入口，通过保护气入口输入保护气，并在套筒内侧形成一薄对冲气模，使得纳米颗粒不会与多孔套筒接触，进而不会粘结附着在多孔套筒的表面，避免了颗粒的逸散损失以及壁面的腐蚀和管道的堵塞问题，另一方面可以调控通入的保护气的温度可以降低壁面出温度梯度有效降低纳米颗粒的热泳速度，同时可对装置壁面起到很好的冷却降温作用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防壁面颗粒沉积的纳米颗粒生成装置，其特征在于，所述装置包括：
燃烧室(100)；
设于所述燃烧室(100)上部并与所述燃烧室(100)贯通的输运管道(200)；
所述燃烧室(100)和输运管道(200)的内壁均间隙设有至少一个多孔套筒(300)，每一所述多孔套筒(300)的端部均通过隔板(310)与所述燃烧室(100)或输运管道(200)密封连接，每一所述多孔套筒(300)对应的燃烧室(100)上均设有贯通所述燃烧室(100)壁面的保护气入口(400)；
贯通所述燃烧室(100)和/或多孔套管(300)的载气或前驱体入口(500)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保护气入口(400)的形状为圆柱形、渐扩圆管形或多边形柱管中的一种。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述保护气入口(400)的出口处设有气帽或引流板。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每一所述多孔套筒(300)对应的燃烧室(100)上均设有多个所述保护气入口(400)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多个保护气入口(400)均匀分布于对应的所述燃烧室(100)上。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃烧室(100)或输运管道(200)与对应的所述多孔套筒(300)的间隙间距不小于1mm且不大于所述燃烧室(100)内部腔室当量直径的1/5。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多孔套筒(300)的透气率大于或等于1CFM且小于1000CFM。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多孔套筒(300)的孔径为0.01mm～1mm。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多孔套筒(300)的材料为多孔材料或不锈钢合金，当所述多孔套筒(300)的材料为多孔材料时，所述多孔套筒(300)的表面设有耐高温材料。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃烧室(100)底部对应的多孔套筒(300)上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒(300)的壁面向上，且与所述壁面的夹角为75°～90°；和/或所述燃烧室(100)的主腔道下部的多孔套筒(300)上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒(300)的壁面向下，且与壁面的夹角为45°～90°；和/或所述燃烧室(100)的主腔道的多孔套筒(300)上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒(300)的壁面向上或向下，且与壁面的夹角为75°～90°；和/或所述燃烧室(100)的主腔道上部的多孔套筒(300)上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒(300)的壁面向上，且与壁面的夹角为45°～90°；和/或所述燃烧室(100)渐缩部的多孔套筒(300)上开孔的开口方向为垂直于所述多孔套筒(300)的壁面向下，且与壁面的夹角为45°～90°。
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