DE102006038476B4 - Continuous autoclave - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur kontinuierlichen hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut, wobei die Vorrichtung wenigstens
a) einen das Beschickungsgut aufnehmenden Reaktionsabschnitt;
b) eine Heizvorrichtung;
c) eine Vorrichtung zur Druckerzeugung; und
d) einen Produktaustragungsabschnitt mit einer Kühlvorrichtung, die einer Produktaustrittsöffnung nachgeschaltet ist, umfasst,
wobei der das Beschickungsgut aufnehmende Reaktionsabschnitt wenigstens ein Rührelement und wenigstens ein Strömungswiderstandselement aufweist.
Apparatus for the continuous hydrothermal treatment of feed material, the apparatus being at least
a) a reaction section receiving the feedstock;
b) a heating device;
c) a device for generating pressure; and
d) comprises a product discharge section with a cooling device, which is connected downstream of a product outlet opening,
wherein the reaction section receiving the feed comprises at least one stirring element and at least one flow resistance element.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen hydrothermalen Behandlung von Substanzen. Die Vorrichtung ist für verschiedene Anwendungen, wie beispielsweise hydrothermale Kristallisationsreaktionen geeignet. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur kontinuierlichen hydrothermalen Behandlung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von kristallinen bzw. teilkristallinen Nanopartikeln sowie ein spezifisches Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln bzw. entsprechenden Agglomeraten.The The present invention relates to a device for continuous hydrothermal treatment of substances. The device is for different Applications such as hydrothermal crystallization reactions suitable. Furthermore, the present invention relates to a corresponding Process for continuous hydrothermal treatment. Furthermore The present invention relates to the use of the device according to the invention or the method according to the invention for the production of crystalline or semi-crystalline nanoparticles and a specific method for producing nanoparticles or corresponding agglomerates.

Die Umsetzung bzw. Behandlung verschiedener Materialien unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen in einem Autoklaven stellt eine in verschiedenen chemischen Gebieten verbreitete Methode dar. So werden Autoklaven nicht nur für Hydrierungen, Verseifungen, Polymerisationen, Vulkanisationen oder organische Synthesen eingesetzt, sondern beispielsweise auch für Kristallisationsprozesse oder andere einphasige Umwandlungen. Organische Synthesen stellen ein weiteres Anwendungsgebiet für Autoklavierprozesse dar. Die hydrothermale Kristallisation wird unter anderem auch zur Herstellung von Nanopartikeln, beispielsweise ZrO2-Nanopartikeln, verwendet. Beispielhaft wird auf die Publikationen „Hydrothermal synthesis of ceramic nanomaterials for functional applications” von Roxana M Piticescu, R R Piticescu, D Taloi und V Badilita in Nanotechnology 2003, 14, S. 312–317; ”Hydrothermal synthesis of zirconia nanomaterials” von R. R. Piticescu, C. Monty, D. Taloi, A. Motoc und S. Axinte, publiziert in J. Eur. Ceram. Soc. 2001, Vol. 21, no. 10–11, S. 2057–2060 und ”On the direct synthesis of noble metal cluster containing MCM-41 using surfactant stabilised metal nanoparticles” von J. P. M. Niederer, A. B. J. Arnold, W. F. Hölderich, B. Spliethoff, B. Tesche, M. Reetz und H. Bönnemann in Stud. Surf. Sci. Catal. 2001, 135, S. 4780–4787 verwiesen.The implementation or treatment of various materials under high temperature and high pressure conditions in an autoclave is a common method in various chemical fields. Thus, autoclaves are not only used for hydrogenations, saponifications, polymerizations, vulcanizations or organic syntheses, but also, for example, for crystallization processes or others single-phase transformations. Organic syntheses are another field of application for autoclaving processes. The hydrothermal crystallization is also used for the production of nanoparticles, for example ZrO 2 nanoparticles. By way of example, reference is made to the publications "Hydrothermal synthesis of ceramic nanomaterials for functional applications" by Roxana M. Piticescu, RR Piticescu, D. Taloi and V. Badilita in Nanotechnology 2003, 14, pp. 312-317; "Hydrothermal synthesis of zirconia nanomaterials" by RR Piticescu, C. Monty, D. Taloi, A. Motoc and S. Axinte, published in J. Eur. Ceram. Soc. 2001, Vol. 21, no. 10-11, pp. 2057-2060 and "On the direct synthesis of noble metal cluster containing MCM-41 using surfactant stabilized metal nanoparticles" by JPM Niederer, ABJ Arnold, WF Hölderich, B. Spliethoff , B. Tesche, M. Reetz and H. Bönnemann in Stud. Surf. Sci. Catal. 2001, 135, p. 4780-4787.

Grundsätzlich muss zwischen sogenannten Batch-Autoklaven und kontinuierlich arbeitenden Autoklaven unterschieden werden. Bei kontinuierlich arbeitenden Autoklaven handelt es sich um Druckbehälter, denen während der Produktions- oder Umsetzungsphase kontinuierlich Edukt bzw. Beschickungsgut zugeführt und gleichzeitig Produkt abgeführt wird, während die Betriebstemperatur und der für die Reaktion notwendige Druck im Autoklaven aufrechterhalten werden.Basically must between so-called batch autoclave and continuous Autoclaves are distinguished. For continuously working Autoclaves are pressure vessels used during the Production or implementation phase continuous educt or feed supplied and simultaneously discharged product will, while the operating temperature and the for the reaction necessary pressure in the autoclave are maintained.

Batch-Autoklaven dagegen werden chargenweise, also diskontinuierlich betrieben, d. h. die Edukte werden dem Autoklaven zugeführt, der Autoklav wird auf die notwendige Betriebstemperatur erwärmt und der entsprechende Betriebsdruck aufgebaut und nach Beendigung der durchzuführenden hydrothermalen Behandlung wird der Autoklav wieder abgekühlt und das Produkt entnommen. Die Batch-Arbeitsweise ist mit einem entsprechend hohen Zeit- und Energieaufwand verbunden. Der zusätzliche Zeitaufwand resultiert auch insbesondere daraus, dass bei Hydrothermalsynthesen die gewünschte Umsetzung erst in der Nähe der Prozesstemperatur mit akzeptabler Geschwindigkeit abläuft. Das gilt sowohl für Kristallisationsprozesse wie auch für chemische Synthesen und lässt sich am Beispiel der Synthese von nanopartikulärem ZrO2 verdeutlichen: Im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 150°C wird bei im geschlossenen Reaktionsraum üblichen Drücken keine nennenswerte Umwandlung von der amorphen Vorstufe (z. B. Zirkonium(IV)hydroxid) in das kristalline nanopartikuläre Produkt beobachtet. Bei Temperaturen zwischen 150°C und 200°C kommt die Reaktion zwar langsam in Gang, jedoch kommt es erst oberhalb von ca. 200°C zu einer signifikanten Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit. Bei Erreichen einer Prozesstemperatur von 230°C reicht bereits eine minimale Haltezeit von ca. 1 Minute aus um die Umsetzung zu vervollständigen.By contrast, batch autoclaves are operated batchwise, ie discontinuously, ie the educts are fed to the autoclave, the autoclave is heated to the required operating temperature and the corresponding operating pressure is built up and after completion of the hydrothermal treatment to be carried out, the autoclave is cooled again and the product is removed. The batch mode of operation is associated with a correspondingly high expenditure of time and energy. The additional expenditure of time also results, in particular, from the fact that in hydrothermal syntheses the desired conversion proceeds only at an acceptable rate near the process temperature. This applies both to crystallization processes and to chemical syntheses and can be illustrated by the example of the synthesis of nanoparticulate ZrO 2 : in the temperature range between room temperature and 150 ° C., no significant conversion from the amorphous precursor (eg. Zirconium (IV) hydroxide) is observed in the crystalline nanoparticulate product. At temperatures between 150 ° C and 200 ° C, the reaction starts slowly, but only above about 200 ° C to a significant increase in the reaction rate. When a process temperature of 230 ° C is reached, a minimum holding time of about 1 minute is enough to complete the reaction.

Aufgrund der Tatsache, dass die Umsatzrate umso geringer ist, je weiter die Reaktortemperatur von der Prozesstemperatur entfernt ist, findet nur bei einem geringen Teil der bei der Batch-Arbeitsweise insgesamt anfallenden Hochheizzeit die gewünschte Reaktion bzw. Umsetzung statt. Bei Autoklavierprozessen im Batch-Betrieb nimmt nicht nur die Aufheizphase einen erheblichen Zeitraum in Anspruch, sondern auch die Abkühlphase vor der Entnahme des Produktes ist von entsprechender Dauer. Daraus resultiert ein erheblicher mit der diskontinuierlichen Arbeitsweise verbundener Zeitaufwand.by virtue of the fact that the further the rate of turnover is the lower Reactor temperature is removed from the process temperature finds only a small part of the total batch process resulting heating time, the desired reaction or implementation. For autoclaving processes in batch mode not only does the heating phase take a considerable amount of time, but also the cooling phase before taking the product is of appropriate duration. from that results in a significant with the discontinuous operation connected time expenditure.

Des weiteren erfordert die Batch-Arbeitsweise einen gegenüber der kontinuierlichen Arbeitsweise erheblich höheren Energieaufwand. Der höhere Energieaufwand ist insbesondere auf die Hochheizphase zurückzuführen. Während der Hochheizphase muss der Reaktor bzw. Autoklav mit einer entsprechend hohen Aufheizrate auf Prozesstemperatur gebracht werden. Nach Erreichen der Prozesstemperatur sinkt die aufzubringende Heizleistung und somit der Energieaufwand in Abhängigkeit von der Güte der Wärmeisolierung des Autoklavenmantels signifikant ab.Of Further, the batch mode of operation requires one over the other continuous operation significantly higher energy consumption. The higher energy consumption is due in particular to the high heating phase. During the heating phase must the reactor or autoclave with a correspondingly high heating rate be brought to process temperature. After reaching the process temperature decreases the heat output to be applied and thus the energy consumption dependent on from the goodness of thermal insulation of the autoclave jacket significantly.

Darüber hinaus unterliegt ein in der Batch-Arbeitsweise betriebener Autoklav erfahrungsgemäß einer deutlich höheren Materialbelastung. Diese resultiert aus dem ständigen Aufheizen und Abkühlen und betrifft das Heizelement bzw. die Heizvorrichtung aber auch den Druckbehälter, in welchem die entsprechende Umsetzung durchgeführt wird.Furthermore Subject to operate in the batch mode of operation autoclave one experience significantly higher Material stress. This results from the constant heating and cooling and but concerns the heating element or the heater but also the Pressure vessel, in which the corresponding implementation is carried out.

Schließlich erfordert eine in der Batch-Arbeitsweise betriebene Hydrothermalumsetzung aus nachvollziehbaren Gründen auch einen signifikant höheren Personalaufwand.Finally required a batch-mode hydrothermal reaction for understandable reasons also a significantly higher Personnel expenses.

Aus den vorgenannten Gründen hat ein kontinuierlich arbeitender Autoklav gegenüber einem Batch-Autoklav in Bezug auf Energie-, Zeit- und Personalaufwand deutliche Vorteile. Allerdings sind übliche im Stand der Technik beschriebene kontinuierlich arbeitende Autoklaven im Hinblick auf eine effiziente Prozessführung ebenfalls mit Nachteilen verbunden. Während sich bei einem diskontinuierlich betriebenen Autoklaven eine vollständige Umsetzung zum gewünschten Produkt ohne größere Schwierigkeiten sicherstellen lässt (indem man die das zu behandelnde Edukt ausreichend lange in dem Autoklaven belässt), ist dies bei einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung wegen des ständigen Zu- und Abstroms von Edukt und Produkt nicht ohne weiteres möglich. Um eine vollständige bzw. vorgegebene Umsetzung in einem kontinuierlich arbeitenden Autoklaven zu erreichen, muss das Edukt bzw. Beschickungsgut ausreichend lange bzw. über eine vorgegebene Dauer der erforderlichen Reaktionstemperatur und dem notwendigen Reaktionsdruck ausgesetzt werden. Demzufolge besitzen kontinuierlich arbeitende Autoklaven häufig einen rohrförmigen bzw. länglichen Reaktionsraum. Die Umsetzung des Beschickungsguts bzw. Edukts erfolgt während des Durchströmens des Autoklaven bzw. während des Durchlaufens der rohrförmigen Reaktionszone.Out the above reasons has a continuous autoclave opposite a batch autoclave significant benefits in terms of energy, time and personnel costs. However, these are usual in the prior art described continuously operating autoclave with regard to efficient litigation also with disadvantages connected. While in a discontinuously operated autoclave a complete reaction to the desired Ensure product without major difficulties lets (by leave the starting material to be treated in the autoclave for a sufficient time leaves), This is because of a continuous device of the permanent Inflow and outflow of educt and product not readily possible. Around a complete or predetermined implementation in a continuous autoclave To reach, the starting material or feed must be sufficiently long or over a predetermined duration of the required reaction temperature and be exposed to the necessary reaction pressure. Accordingly possess continuously working autoclave often a tubular or elongated Reaction chamber. The reaction of the feedstock or starting material takes place while of flowing through of the autoclave or during passing through the tubular Reaction zone.

Die kontinuierliche Reaktionsführung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Beschickungsgut laufend in den Reaktor eingespeist und die Reaktionsprodukte ständig abgeführt werden. Für die Zeit, die Substanzen bzw. Partikel oder Fluidelemente in einem kontinuierlich betriebenen Reaktor verbleiben, wird auch der Begriff „Verweilzeit” verwendet. Die den Reaktor durchströmenden Fluidpartikel sind unterschiedlich stark Vermischungseffekten unterworfen, die beispielsweise durch Rühren, Diffusion oder hydrodynamischer Strömung hervorgerufen werden. So sind die Verweilzeiten von Partikeln, die gleichzeitig in einen Reaktor eingespeist wurden, in der Realität über ein mehr oder weniger breites Spektrum verteilt. Da in üblichen kontinuierlich arbeitenden Rohrreaktoren, beispielsweise durch turbulente Geschwindigkeitsschwankungen oder durch Wirbelbildungen, Mischvorgänge in axialer Richtung (Strömungsrichtung) hervorgerufen werden, ist die Verweilzeit der Fluidpartikel stark unterschiedlich. Dies hat zur Folge, dass ein großer Teil der Edukte nicht oder nur unzureichend hydrothermal behandelt bzw. umgesetzt wird, da der Umsatz und die Ausbeute einer chemischen Reaktion unter anderem von der Reaktionsgeschwindigkeit und der Reaktionsdauer abhängen. Je nach Art der Umsetzung oder Reaktion kann auch eine zu lange Verweilzeit sich nachteilig auswirken (beispielsweise wegen der Bildung unerwünschter Nebenprodukte).The continuous reaction is characterized in that the load is continuously in fed to the reactor and the reaction products are constantly removed. For the Time, the substances or particles or fluid elements in a continuous operated reactor remain, the term "residence time" is used. The reactor flowing through Fluid particles are subject to varying degrees of mixing effects, for example, by stirring, Diffusion or hydrodynamic flow are caused. So are the residence times of particles that are simultaneously in one Reactor were fed, in reality, over a more or less wide Spectrum distributed. As in usual continuously operating tubular reactors, for example by turbulent Velocity variations or by vortex formations, mixing processes in axial Direction (flow direction) be caused, the residence time of the fluid particles is strong differently. As a result, a large part the educts are not or only insufficiently hydrothermally treated or implemented is because of the conversion and the yield of a chemical reaction below other of the reaction rate and the reaction time depend. Depending on the type of implementation or reaction may also be too long Residence time adversely affect (for example, because of Education unwanted By-products).

Die vorhergehenden Ausführungen zeigen, dass die Reaktionsführung in kontinuierlich arbeitenden Autoklaven von zahlreichen Faktoren beeinflusst wird und insbesondere die Mischungseffekte einem im Hinblick auf die Produktspezifität und Umsatz akzeptablen Ergebnis entgegenstehen.The previous versions show that the reaction in continuous autoclave of numerous factors is influenced and in particular the mixing effects one in the With regard to product specificity and sales oppose acceptable earnings.

Besondere Schwierigkeiten ergeben sich zusätzlich wenn, wie etwa bei Kristallisationsreaktionen, Suspensionen in den kontinuierlich arbeitenden Autoklaven zugeführt werden. Aus den oben genannten Gründen bietet es sich prinzipiell an, einen relativ langen Rohrreaktor mit einem relativ geringen Durchmesser für die kontinuierliche hydrothermale Behandlung zu verwenden, da die lange Durchströmungsdauer im Regelfall eine ausreichend lange Reaktionszeit sicherstellt. Verweilzeiten von mehreren Stunden sind in solchen, relativ langsam durchströmten Rohrreaktoren daher nicht unüblich. Allerdings eignen sich derartige Rohrreaktoren mit einer Länge von mehreren Meter und einem Durchmesser von nur einigen Millimeter bzw. wenigen Zentimetern nur bedingt für Kristallisationsprozesse von Feststoffpartikeln in einem flüssigen Medium. Aus nachvollziehbaren Gründen kommt es leicht zu durch die Feststoff-Partikel hervorgerufene Ablagerungen und Verstopfungen. Ein kontinuierlicher Betrieb einer solchen Anlage ist daher durch eine hohe Störanfälligkeit gekennzeichnet. Ein besonders störanfälliger Bereich eines solchen kontinuierlich arbeitenden Autoklaven ist der Produktaustrittsbereich bzw. Düsenbereich. Üblicherweise wird das Produkt über eine entsprechende Öffnung aus dem kontinuierlichen Reaktor herausgepumpt, wobei der Materialstrom im Bereich der Öffnung gedrosselt wird. Im Düsenbereich besteht daher bei der Passage von feststoffhaltigem Material immer die Gefahr von Ablagerungen und Verstopfung. Die Düse eines kontinuierlich arbeitenden Autoklaven ist demzufolge vom Durchmesser her nicht beliebig klein auslegbar. In diesem Zusammenhang ist gleichzeitig zu beachten, dass die kleinstmögliche Düse auch die maximal mögliche Verweilzeit und das maximal erreichbare Druck/Temperatur-Niveau im Reaktor definiert.Special Difficulties arise in addition when, as in crystallization reactions, suspensions in the be fed continuously working autoclave. From the above establish In principle, it offers a relatively long tube reactor with a relatively small diameter for the continuous hydrothermal Treatment to use, since the long flow time usually a ensures a sufficiently long reaction time. Residence times of several hours are in such, relatively slowly flowed through tubular reactors therefore not uncommon. However, such tubular reactors are suitable with a length of several meters and a diameter of only a few millimeters or only a few centimeters for crystallization processes of solid particles in a liquid medium. Made comprehensible establish it comes easily to the solid particles caused by deposits and blockages. A continuous operation of such a plant is therefore due to a high susceptibility to interference characterized. A particularly prone to failure area of such a continuous autoclave is the product outlet area or nozzle area. Usually the product is over a corresponding opening pumped out of the continuous reactor, the material flow in the area of the opening is throttled. In the nozzle area Therefore, it always exists in the passage of solids containing material the danger of deposits and constipation. The nozzle of a Consequently, continuous autoclave is of diameter not arbitrarily small interpretable. In this context is simultaneous to note that the smallest possible Nozzle too the maximum possible residence time and defines the maximum achievable pressure / temperature level in the reactor.

Angesichts der vorstehend genannten Nachteile wäre es wünschenswert eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinuierlichen hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut bzw. Edukten zur Verfügung zu haben, welche insbesondere auch für Kristallisationssynthesen geeignet sind und welche die oben genannten Nachteile vermeiden.in view of Of the disadvantages mentioned above, it would be desirable to have a device and a method for continuous hydrothermal treatment to have feed or starting materials available, which in particular also for crystallization syntheses are suitable and which avoid the above-mentioned disadvantages.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung zur hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut sowie eines entsprechenden Verfahrens, welches die beschriebenen unerwünschten axialen Vermischungseffekte reduziert, eine radiale Vermischung gewährleistet und gleichzeitig übermäßig lange Verweil- bzw. Haltezeiten, beispielsweise von mehreren Stunden, vermeidet. Darüber hinaus war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine kontinuierlich arbeitende Vorrichtung zur hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut bereitzustellen, bei der auch feststoffhaltiges Beschickungsgut umgesetzt bzw. behandelt werden kann und gleichzeitig unerwünschte Feststoffablagerungen reduziert bzw. vermieden werden. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, welches Partikelsynthesen und insbesondere die Herstellung von Nanopartikeln aus entsprechenden Vorstufen in einer kontinuierlichen hydrothermalen Umsetzung gestattet.An object of the present invention is therefore to provide a continuously operating device for the hydrothermal treatment of feed and a entspre ing process, which reduces the unwanted axial mixing effects described, ensures a radial mixing and at the same time avoids excessively long dwell times, for example of several hours. Moreover, it was an object of the present invention to provide a continuous apparatus for the hydrothermal treatment of feed material, in which also solids-containing feed can be implemented or treated and at the same time reduces or avoids unwanted solid deposits. It is a particular object of the present invention to provide a device and a corresponding method which permits particle syntheses and in particular the production of nanoparticles from corresponding precursors in a continuous hydrothermal reaction.

Vorstehende Aufgaben werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut, das erfindungsgemäße Verfahren zur hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Suspension von kristallinen, teilkristallinen und/oder verdichteten Nanopartikeln gelöst.above Tasks are performed by the inventive device for continuous hydrothermal treatment of feed, the inventive method for the hydrothermal treatment of feed material and the method according to the invention for the preparation of a suspension of crystalline, semi-crystalline and / or compacted nanoparticles dissolved.

Im nachfolgenden Abschnitt werden einige in der vorliegenden Anmeldung verwendete Begriffe näher erläutert:
Eine „hydrothermale Behandlung” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Behandlung einer wässrigen oder nichtwässrigen Lösung oder Suspension unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur (beispielsweise bei einer Temperatur über dem Siedepunkt des Lösungsmittels oder Suspensionsmediums), die zu einer chemischen bzw. stofflichen Umwandlung oder Modifikation des Beschickungsgut bzw. Edukts führt.
Wenn in der vorliegenden Erfindung von „Verweilzeit” gesprochen wird, so ist damit die mittlere Verweilzeit τ gemeint. Die mittlere Verweilzeit τ kann über die Verweilzeitverteilung nach Standardverfahren bzw. über das Gesamtvolumen des Reaktors und den Durchsatz (Gesamtvolumen Reaktor/Volumen pro Minute = τ) experimentell bestimmt werden.
„Nanopartikel” im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser (auch als mittlere Partikelgröße bezeichnet) von nicht mehr als 100 nm oder aber re-dispergierbare Agglomerate solcher Partikel. Unter dem mittleren Partikeldurchmesser wird vorliegend, sofern nicht anders angegeben, der Partikeldurchmesser bezogen auf das Volumenmittel verstanden (D90-Wert). Der D90-Wert wird mittels dynamischer Lichtstreuung, beispielsweise mit einem UPA (Ultrafine Particle Analyser) bestimmt. Das Prinzip der dynamischen Lichtstreuung ist auch unter den Bezeichnungen „Photonenkorrelationsspektroskopie” (PCS) oder „quasielastische Lichtstreuung” (QELS) bekannt. Bei besonders kleinen Partikeln können auch quantitative elektronenmikroskopische Methoden (insbesondere TEM) verwendet werden. Darüber hinaus kann zu Bestimmung der Primärpartikelgröße auch Röntgenbeugung (XRD) verwendet werden.
Der Begriff „Beschickungsgut” im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst die zu behandelnden Edukte, die gegebenenfalls in einem Medium suspendiert, beispielsweise in einem wasserbasierten Medium oder nichtwässrigen Medium, zugeführt werden. Das Beschickungsgut kann aber auch eine die Edukte enthaltende einphasige Flüssigkeit sein.
„Kristalline Partikel” im Sinne der vorliegenden Erfindung bestehen im Wesentlichen vollständig aus kristalliner Phase, d. h. es ist im Wesentlichen kein amorpher Anteil bzw. kein messbarer amorpher Anteil vorhanden.
Als „verdichtete Partikel” werden gemäß der vorliegenden Erfindung Partikel bezeichnet die zum größten Teil oder im Wesentlichen maximal verdichtet sind, also in Bezug auf ihre chemische Struktur nicht weiter verdichtbar sind. Beispielsweise können im äußeren Bereich von Nanopartikeln auftretende weniger geordnete Bereiche durch hydrothermale Behandlung weiter verdichtet werden.
„Teilkristalline Partikel” im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Partikel die sowohl kristalline als auch amorphe Anteile enthalten. Der Anteil an kristalliner bzw. amorpher Phase lässt sich beispielsweise anhand von Röntgenbeugungsdiagrammen bzw. Röntgenstrukturanalyse (XRD) bestimmen.
In the following section, some terms used in the present application are explained in more detail:
For the purposes of the present invention, a "hydrothermal treatment" is a treatment of an aqueous or nonaqueous solution or suspension under elevated pressure and elevated temperature (for example at a temperature above the boiling point of the solvent or suspension medium) leading to a chemical or material transformation or modification of the feedstock or educt leads.
When the term "residence time" is used in the present invention, it means the mean residence time τ. The mean residence time τ can be determined experimentally via the residence time distribution by standard methods or via the total volume of the reactor and the throughput (total volume of reactor / volume per minute = τ).
"Nanoparticles" in the sense of the present invention are particles having an average particle diameter (also referred to as average particle size) of not more than 100 nm or else re-dispersible agglomerates of such particles. Unless stated otherwise, the average particle diameter is taken to mean the particle diameter in relation to the volume average (D 90 value). The D 90 value is determined by means of dynamic light scattering, for example with an UPA (Ultrafine Particle Analyzer). The principle of dynamic light scattering is also known by the terms "photon correlation spectroscopy" (PCS) or "quasi-elastic light scattering" (QELS). For particularly small particles, quantitative electron microscopic methods (in particular TEM) can also be used. In addition, X-ray diffraction (XRD) can also be used to determine primary particle size.
The term "feed material" in the sense of the present invention comprises the educts to be treated, which are optionally suspended in a medium, for example in a water-based medium or nonaqueous medium. The feed material can also be a single-phase liquid containing the educts.
"Crystalline particles" in the sense of the present invention essentially consist entirely of crystalline phase, ie essentially no amorphous portion or no measurable amorphous portion is present.
According to the present invention, "dense particles" are particles which are for the most part or substantially densified to a maximum extent, that is to say they are not further compressible with respect to their chemical structure. For example, less ordered regions occurring in the outer region of nanoparticles can be further densified by hydrothermal treatment.
"Partially crystalline particles" in the sense of the present invention are particles which contain both crystalline and amorphous fractions. The proportion of crystalline or amorphous phase can be determined, for example, by means of X-ray diffraction diagrams or X-ray structure analysis (XRD).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut umfasst wenigstens

  • a) einen das Beschickungsgut aufnehmenden Reaktionsabschnitt;
  • b) eine Heizvorrichtung;
  • c) eine Vorrichtung zur Druckerzeugung; und
  • d) einen Produktaustragungsabschnitt mit einer Kühlvorrichtung, die einer Produktaustrittsöffnung nachgeschaltet ist, wobei der das Beschickungsgut aufnehmende Reaktionsabschnitt wenigstens ein Rührelement und wenigstens ein Strömungswiderstandselement aufweist.
The device according to the invention for the continuous hydrothermal treatment of feed material comprises at least
  • a) a reaction section receiving the feedstock;
  • b) a heating device;
  • c) a device for generating pressure; and
  • d) a Produktaustragungsabschnitt with a cooling device, which is connected downstream of a product outlet opening, wherein the feed material receiving the reaction section comprises at least one stirring element and at least one flow resistance element.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut in einer Vorrichtung mit einem das Beschickungsgut aufnehmenden Reaktionsabschnitt und einem Produktaustragungsabschnitt, der einer Produktaustrittsöffnung nachgeschaltet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

  • a) kontinuierliche Zufuhr des Beschickungsgutes in den Reaktionsabschnitt;
  • b) hydrothermale Behandlung des Beschickungsgutes im Reaktionsabschnitt; und
  • c) kontinuierlicher Austrag des hydrothermal behandelten Beschickungsguts durch die Produktaustrittsöffnung in den Produktaustragungsabschnitt,
wobei das Produkt im Produktaustragungsabschnitt auf Normaldruck gebracht und mit Hilfe einer Kühlvorrichtung abgekühlt wird.Furthermore, the invention relates to a method for the hydrothermal treatment of feed material in a device having a feed section receiving the feedstock and a product discharge section downstream of a product discharge opening, the method comprising the following steps:
  • a) continuous feed of the feedstock in the reaction section;
  • b) hydrothermal treatment of the charge in the reaction section; and
  • c) continuous discharge of the hydrothermally treated feed through the product outlet into the product discharge section,
wherein the product is brought to normal pressure in the product discharge section and cooled by means of a cooling device.

Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Suspension von kristallinen, teilkristallinen und/oder verdichteten Nanopartikeln bzw. entsprechenden re-dispergierbaren Agglomeraten von Nanopartikeln. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Suspension von kristallinen, teilkristallinen und/oder verdichteten Nanopartikeln in einer Vorrichtung mit einem Reaktionsabschnitt und einem Produktaustragungsabschnitt, der einer Produktaustrittsöffnung nachgeschaltet ist, umfasst die folgenden Schritte:

  • a) kontinuierliche Zufuhr einer Suspension amorpher und/oder teilkristalliner Partikel in einem Medium in den Reaktionsabschnitt;
  • b) Kristallisation und/oder Verdichtung der amorphen und/oder teilkristallinen Partikel mittels hydrothermaler Behandlung im Reaktionsabschnitt; und
  • c) kontinuierlicher Austrag der kristallinen, teilkristallinen und/oder verdichteten Nanopartikel und/oder Agglomerate durch die Produktaustrittsöffnung in den Produktaustragungsabschnitt,
wobei das Nanopartikel-haltige Medium im Produktaustragungsabschnitt auf Normaldruck gebracht und mit Hilfe einer Kühlvorrichtung abgekühlt wird.Furthermore, the present invention relates to an apparatus and a method for producing a suspension of crystalline, partially crystalline and / or compacted nanoparticles or corresponding re-dispersible agglomerates of nanoparticles. The inventive method for producing a suspension of crystalline, partially crystalline and / or compressed nanoparticles in a device having a reaction section and a product discharge section, which is connected downstream of a product outlet opening, comprises the following steps:
  • a) continuous supply of a suspension of amorphous and / or partially crystalline particles in a medium in the reaction section;
  • b) crystallization and / or densification of the amorphous and / or semicrystalline particles by means of hydrothermal treatment in the reaction section; and
  • c) continuous discharge of the crystalline, partially crystalline and / or compacted nanoparticles and / or agglomerates through the product discharge opening into the product discharge section,
wherein the nanoparticle-containing medium is brought to normal pressure in the product discharge section and cooled by means of a cooling device.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise gefunden, dass es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist unerwünschte axiale Vermischungen zu reduzieren und gleichzeitig die gewünschte Durchmischung in radialer Richtung sicherzustellen bzw. zu erzeugen. Dies gelingt insbesondere durch die Anbringung von einem oder mehreren Strömungswiderstandselementen und einem oder mehreren Rührelementen im Inneren des Reaktionsabschnitts. Vorgenannter Reaktionsabschnitt ist der Reaktorraum in dem die hydrothermale Behandlung stattfindet. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung kontinuierlich betrieben wird, weist der Reaktionsabschnitt wenigstens eine Zustromöffnung und wenigstens eine Produktaustrittsöffnung bzw. Düse auf. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Reaktionsabschnitt eine im wesentlichen zylindrische Form auf, vorzugsweise mit einer Länge von 1500 mm bis 4000 mm, besonders bevorzugt mit einer Länge von 1600 mm bis 2000 mm und/oder einem Innendurchmesser von 50 bis 250 mm, bevorzugt mit einem Innendurchmesser von 100 bis 150 mm.According to the present Invention was surprisingly found that it is possible with the aid of the device according to the invention undesirable to reduce axial mixing and at the same time the desired mixing ensure or generate in the radial direction. This succeeds in particular by the attachment of one or more flow resistance elements and one or more stirring elements inside the reaction section. The aforementioned reaction section is the reactor space in which the hydrothermal treatment takes place. As the device of the invention is operated continuously, the reaction section at least an inflow opening and at least one product outlet opening or nozzle. According to one advantageous embodiment the reaction section has a substantially cylindrical shape on, preferably with a length from 1500 mm to 4000 mm, particularly preferably with a length of 1600 mm to 2000 mm and / or an inner diameter of 50 to 250 mm, preferably with an inner diameter of 100 to 150 mm.

Grundsätzlich begünstigt Rühren die notwendige vertikale bzw. radiale Mediumsdurchmischung, aber auch die axiale Durchmischung, die jedoch unerwünscht ist, da sich frisch eingepumptes Material zu schnell im gesamten Reaktor verteilt und ein großer Anteil unreagierten Edukts den Autoklav verläßt. Bei Nanopartikelsynthesen wie beispielsweise der ZrO2-Synthese führt dies neben einer zu geringen Produktkristallinität zu einer Erhöhung der Produktviskosität. Dadurch reduziert sich kontinuierlich der Fluss und die Gefahr einer Düsenverstopfung wird signifikant erhöht.In principle, stirring favors the necessary vertical or radial medium mixing, but also the axial mixing, which is undesirable because freshly pumped material spreads too quickly throughout the reactor and a large proportion of unreacted starting material leaves the autoclave. In the case of nanoparticle syntheses such as, for example, the ZrO 2 synthesis, this leads, in addition to a too low product crystallinity, to an increase in the product viscosity. As a result, the flow is continuously reduced and the risk of nozzle clogging is significantly increased.

Um unerwünschte axiale Durchmischungen zu reduzieren bzw. zu vermeiden, werden gemäß der vorliegenden Erfindung in geeigneten Abständen ein oder mehrere Strömungswiderstandselemente im Inneren des Reaktionsabschnitts, vorzugsweise an einer den Autoklav bzw. Reaktionsabschnitt durchlaufenden Rührwelle angebracht. Die Strömungswiderstandselemente sind erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass sie unerwünschten Vermischungseffekten, insbesondere Vermischungseffekten in axialer Richtung bzw. Strömungsrichtung entgegenwirken. Es wurde gefunden, dass durch die erfindungsgemäßen Strömungswiderstandselemente die unerwünschte Mischung in axialer Richtung signifikant reduziert werden kann.Around undesirable To reduce or avoid axial mixing, according to the present Invention at appropriate intervals one or more flow resistance elements inside the reaction section, preferably at one of the autoclave or reaction section passing stirrer shaft attached. The flow resistance elements are designed according to the invention that they are unwanted Mixing effects, especially mixing effects in axial Direction or flow direction counteract. It has been found that by the flow resistance elements according to the invention the unwanted mixture can be significantly reduced in the axial direction.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine Strömungswiderstandselement scheibenartig ausgestaltet, wobei die Flächennormale parallel zur Längsachse der Vorrichtung ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens zwei, besonders bevorzugt wenigstens drei und insbesondere bevorzugt wenigstens vier Strömungswiderstandselemente, die vorzugsweise scheibenartig ausgestaltet sind und besonders bevorzugt an einer entlang der Längsachse der Vorrichtung verlaufenden Rührwelle befestigt sind. Die Abstände zwischen den Strömungswiderstandselementen richten sich unter anderem nach der Strömungsgeschwindigkeit mit der der Reaktionsabschnitt von dem Medium durchströmt wird bzw. der mittleren Verweilzeit. Es wurde gefunden, dass bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 bis 0,8 l/min und einer mittleren Verweilzeit im Bereich von 16 bis 26 min, ein Abstand von 50 mm und 150 mm zwischen den Strömungswiderstandselementen vorteilhaft ist. Es wurde weiterhin gefunden, dass bei dünnflüssigen Autoklaviermedien mit tendenziell mehr Strömungswiderstandselementen bessere Trenneffekte erzielt werden können bzw. eine axiale Vermischung besser reduziert wird.According to one particularly preferred embodiment this is at least one flow resistance element designed like a disk, wherein the surface normal parallel to the longitudinal axis the device is. In a particularly preferred embodiment contains the device according to the invention at least two, more preferably at least three, and most preferably at least four flow resistance elements, which are preferably designed disk-like and particularly preferred at one along the longitudinal axis the device running agitator shaft are attached. The distances between the flow resistance elements depend among other things on the flow velocity with the the reaction section is flowed through by the medium or the middle Dwell time. It was found that at a flow rate from 0.5 to 0.8 l / min and a mean residence time in the range from 16 to 26 minutes, a distance of 50 mm and 150 mm between the flow resistance elements is advantageous. It has furthermore been found that in the case of low-viscosity autoclaving media with more tendency to flow resistance elements better separation effects can be achieved or an axial mixing is better reduced.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, weisen die scheibenartig ausgestalteten Strömungswiderstandselemente ein oder mehrere Entlüftungsbohrungen bzw. Entlüftungslöcher, vorzugsweise mit einem Durchmesser von 3 bis 10 mm und besonders bevorzugt mit einem Durchmesser von etwa von 5 mm, auf. Vorgenannte „Löcher” verhindern das Ansammeln von während des Autoklavierprozesses im flüssigen Medium entstehenden Gasblasen an den Strömungswiderstandselementen bzw. reduzieren dieses unerwünschte Ansammeln von Gasbläschen wesentlich. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen den scheibenartig ausgestalteten Strömungswiderstandselementen und der Reaktorwand weniger als 10 mm, vorzugsweise weniger als 5 mm und besonders bevorzugt etwa 1 mm.According to a particularly preferred embodiment, the disk-like flow resistance elements have one or more vent holes or vent holes, preferably with a diameter of 3 to 10 mm and most preferably with a diameter of about 5 mm, on. The aforementioned "holes" prevent the accumulation of gas bubbles generated in the liquid medium during the autoclaving process on the flow resistance elements or substantially reduce this undesirable accumulation of gas bubbles. According to a further advantageous embodiment, the distance between the disk-like designed flow resistance elements and the reactor wall is less than 10 mm, preferably less than 5 mm and particularly preferably about 1 mm.

Das wenigstens eine erfindungsgemäße Rührelement ist so ausgestaltet, das eine ausreichende bzw. vollständige Vermischung in radialer Richtung sichergestellt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden in geeigneten Abständen ein oder mehrere Rührelemente im Inneren des Reaktionsabschnitts, vorzugsweise an einer den Autoklav bzw. Reaktionsabschnitt durchlaufenden Rührwelle angebracht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens zwei, besonders bevorzugt wenigstens fünf und insbesondere bevorzugt wenigstens zehn Rührelemente. Besonders bevorzugt werden gemäß der vorliegenden Erfindung Propellerrührer, vorzugsweise 4-flügelige Propellerrührer als Rührelemente eingesetzt. Alternativ oder zusätzlich können 2-, 3- oder mehr-flügelige Propellerrührer, Flächenrührer oder Ankerrührer verwendet werden, die vorzugsweise an einer entlang der Längsachse der Vorrichtung verlaufenden Rührwelle befestigt sind.The at least one stirring element according to the invention is designed so that a sufficient or complete mixing is ensured in the radial direction. According to the present invention be at appropriate intervals one or more stirring elements inside the reaction section, preferably at one of the autoclave or Reaction section passing stirrer shaft attached. In a particularly preferred embodiment contains the device according to the invention at least two, more preferably at least five, and most preferably at least ten stirring elements. Particularly preferred according to the present Invention propeller stirrer, preferably 4-winged propeller used as stirring elements. Alternatively or in addition can 2-, 3- or multi-leaved propeller, Blade stirrer or anchor are used, preferably at one along the longitudinal axis the device running agitator shaft are attached.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine Strömungswiderstandselement so angeordnet, dass es den Reaktionsabschnitt entlang der Strömungsrichtung in mehrere Segmente unterteilt, wobei die Segmente vorzugsweise eine Länge im Bereich zwischen 50 und 1000 mm aufweisen. Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 1 gezeigt.According to a particularly preferred embodiment, the at least one flow resistance element is arranged such that it divides the reaction section into a plurality of segments along the flow direction, wherein the segments preferably have a length in the range between 50 and 1000 mm. A schematic representation of a device according to the invention is shown in FIG 1 shown.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, erstreckt sich die Heizvorrichtung im wesentlichen über die gesamte Länge des Reaktionsabschnitts und weist vorzugsweise entlang des Reaktionsabschnitts wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 3 unabhängig voneinander temperierbare Heizzonen auf. Die Heizzonen können beispielsweise mittels sogenannter Wickelheizelemente, die an dem den Reaktionsabschnitt umgebenden Reaktormantels angeordnet sind, unabhängig voneinander beheizt werden. Auf diese Weise lässt sich die Temperaturführung entlang des Reaktionsabschnitts über unterschiedlich temperierte Heizzonen steuern. Die Wickelheizungen umschließen vorzugsweise nahezu vollständig den Reaktormantel und können das Autoklaviermedium sehr rasch erwärmen, während es im Reaktor, der vorzugsweise eine schmale bzw. längliche Bauform aufweist, nach unten sinkt. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung gestattet die Durchführung von hydrothermalen Reaktionen mit im Vergleich zu herkömmlichen Autoklaven deutlich kürzeren Verweilzeiten, da durch den Einbau von Strömungswiderstandelementen und Rührern ein verhältnismäßig breiter Reaktionsabschnitt (großer Durchmesser bei zylindrischer Bauart) realisiert werden kann und eine rasche Erwärmung des durchströmenden Mediums möglich ist.According to one another preferred embodiment, the heater extends substantially over the whole length the reaction section and preferably along the reaction section at least 2, preferably at least 3 independently temperature-controlled Heating zones on. The heating zones can For example, by means of so-called winding heating, which on the den Reaction section surrounding reactor shell are arranged independently be heated. In this way, the temperature control can be along of the reaction section over different Control tempered heating zones. The winding heaters preferably enclose almost complete the reactor jacket and can heat the autoclaving medium very rapidly while in the reactor, preferably a narrow or oblong Design has fallen down. The embodiment of the invention the device allows the implementation of hydrothermal reactions with compared to conventional Autoclave significantly shorter Residence times, as through the installation of flow resistance elements and stirrers a relatively wider Reaction section (large diameter in cylindrical design) can be realized and a rapid warming the flowing through Medium possible is.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Temperaturführung mittels mehrerer Thermoelemente überwacht und anhand der gemessenen Temperaturen reguliert. Vorzugsweise misst wenigstens je ein Thermoelement die Temperatur des Beschickungsguts im Reaktionsabschnitt unmittelbar vor der Produktaustrittsöffnung und im Eintrittsbereich des Reaktionsabschnitt und vorzugsweise messen wenigstens zwei Thermoelemente die Temperatur an verschiedenen Stellen des den Reaktionsabschnitt umgebenden Reaktormantels. Die Mediums-Thermoelemente dienen der unmittelbaren Kontrolle der Reaktionsbedingungen.According to one further advantageous embodiment becomes the temperature guide monitored by several thermocouples and regulated by the measured temperatures. Preferably measures at least one thermocouple each the temperature of the feed in the reaction section immediately before the product outlet opening and in the entry region of the reaction section and preferably measure at least two thermocouples the temperature at different points the reactor jacket surrounding the reaction section. The medium thermocouples serve the immediate control of the reaction conditions.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird eine Produktaustrittsöffnung bzw. Düse bereitgestellt, die auch die hydrothermale Behandlung von Suspensionen bzw. die Durchführung von Partikelsynthesen gestattet. Die erfindungsgemäße Produktaustrittsöffnung aus dem Reaktionsabschnitt, welche nachfolgend auch als Düse bezeichnet wird, ist vorzugsweise bezüglich ihrer Geometrie so ausgestaltet, dass eine Ablagerung von Feststoffpartikeln im Bereich der Produktaustrittsöffnung im Wesentlichen verhindert wird. Die erfindungsgemäße Produktaustrittsöffnung kann mit einer Düse versehen sein, wobei die Produktaustrittsöffnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung düsenartig ausgestaltet sein kann oder die Düse als separates Teil an oder in der Produktaustrittsöffnung angebracht werden kann.According to one Another aspect of the present invention, a product outlet opening or Nozzle provided, the hydrothermal treatment of suspensions or the execution allowed by particle syntheses. The product outlet opening according to the invention the reaction section, which is also referred to as a nozzle below is, is preferably with respect their geometry designed so that a deposit of solid particles in the area of the product outlet is essentially prevented. The product outlet opening according to the invention can with a nozzle be provided, wherein the product outlet opening of the device according to the invention designed like a nozzle can be or the nozzle as a separate part attached to or in the product outlet opening can be.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen eine in Strömungsrichtung konisch erweiternd ausgestaltete Düse zu verwenden. Die Produktsaustrittsöffnung hat gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine kegelförmige Form, wobei der Kegel so angeordnet ist, dass seine Spitze entgegen der Strömungsrichtung ins Innere des Reaktionsabschnittes zeigt und der Produktdurchtritt von dem Reaktionsabschnitt in den Produktaustragungsabschnitt durch eine Öffnung in der Spitze des Kegels erfolgt.It has proved to be particularly advantageous in the flow direction to use conically widening designed nozzle. The product outlet has according to a particularly preferred embodiment a cone-shaped Form, wherein the cone is arranged so that its tip against the flow direction into the interior of the reaction section shows and the product passage from the reaction section to the product discharge section an opening done in the top of the cone.

Die Form der Produktsaustrittsöffnung bzw. Düse ist bei Partikelsynthesen von besonderer Bedeutung. Verwendet man beispielsweise eine „klassische” Hohlkegelform mit in Strömungsrichtung zeigender Spitze, so lagert sich auf der Schräge der inneren Wandung des Hohlkegels innerhalb von kurzer Zeit Material ab. Dieses wird dann durch den Flüssigkeitsstrom in den zylindrischen Abschnitt der eigentlichen Öffnung gedrückt und verstopft die Düse. Eine wesentliche Vergrößerung des Durchmessers der Produktaustrittsöffnung würde möglicherweise Verstopfungen vermeiden, jedoch würde soviel Material ausströmen, dass weder die benötigte Temperatur noch die benötigte Verweilzeit für beispielsweise eine Nanopartikelsynthese erreicht wird. Bei einem mit der Spitze in Strömungsrichtung ausgerichteten Kegel der als erfindungsgemäße Düse dient, wirkt die Düsenspitze bzw. Düsenbohrung als Abrisskante, auf der sich kein bzw. wenig Material ablagern kann. Eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düse ist in 2 gezeigt.The shape of the product outlet or nozzle is of particular importance in particle syntheses. If, for example, a "classic" hollow cone shape is used, with the tip pointing in the direction of flow, the slope of the in neren wall of the hollow cone within a short time material from. This is then pressed by the liquid flow in the cylindrical portion of the actual opening and clogged the nozzle. A substantial increase in the diameter of the product outlet opening would possibly avoid blockages, but would discharge so much material that neither the required temperature nor the required residence time for example, a nanoparticle synthesis is achieved. In a cone which is aligned with the tip in the direction of flow and serves as the nozzle according to the invention, the nozzle tip or nozzle bore acts as a tear-off edge on which no or little material can be deposited. A schematic representation of a preferred embodiment of the nozzle according to the invention is shown in FIG 2 shown.

Die erfindungsgemäße Düse besteht vorzugsweise aus rostfreiem Hartmaterial, besonders bevorzugt aus CrNiMo-Stahl (1,4435) mit einer Hartmetallspitze. Die Düse hat vorzugsweise eine Gesamtlänge im Bereich von 50 mm bis 150 mm, besonders bevorzugt zwischen 80 und 100 mm. Die Länge der vorzugsweise zylindrischen Durchtrittsöffnung Z (siehe 2) beträgt vorzugsweise zwischen 1 bis 5 mm und besonders bevorzugt 3 mm. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Produktaustrittsöffnung bzw. Düse mit einem Material beschichtet werden welches der Ablagerung von Partikeln entgegenwirkt. Die Produktaustrittsöffnung bzw. Düse weist vorzugsweise eine im wesentlichen kreisförmige Öffnung mit einem Durchmesser im Bereich von 0,2 bis 1,5 mm, mehr bevorzugt von 0,4 bis 1 mm und insbesondere bevorzugt von 0,6 bis 0,8 mm auf. Bei der hydrothermalen Behandlung von gelösten Edukten können auch noch deutlich kleinere Öffnungen verwendet werden.The nozzle according to the invention preferably consists of hard stainless material, more preferably of CrNiMo steel (1.4435) with a hard metal tip. The nozzle preferably has an overall length in the range of 50 mm to 150 mm, more preferably between 80 and 100 mm. The length of the preferably cylindrical passage opening Z (see 2 ) is preferably between 1 to 5 mm and more preferably 3 mm. In a further preferred embodiment, the product outlet opening or nozzle can be coated with a material which counteracts the deposition of particles. The product outlet orifice preferably has a substantially circular opening with a diameter in the range of 0.2 to 1.5 mm, more preferably 0.4 to 1 mm, and particularly preferably 0.6 to 0.8 mm. In the hydrothermal treatment of dissolved educts even significantly smaller openings can be used.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Füllstands-Messsonde zur Regulierung von Zustrom und Abstrom. Die Beschickungsgut- bzw. Eduktzuführung erfolgt über eine Hochdruckpumpe welche das Medium als Suspension oder Lösung in den Reaktionsabschnitt des Autoklaven kontinuierlich einspeist. Die Pumpleistung wird durch den im Reaktionsabschnitt herrschenden Druck und die Ausflussgeschwindigkeit durch die Produktaustrittsöffnung (Düse) bestimmt. Zur Steuerung der Pumpleistung kann der Füllstand im Reaktorraum ständig mit Hilfe einer Füllstandssonde gemessen werden. Die Füllstandssonde übermittelt elektrische Signale an eine Steuereinheit welche die Pumpleistung entsprechend dem Füllstand absenkt oder erhöht (bei sinkendem Füllstand wird die Pumpleistung erhöht, bei steigendem Füllstand erniedrigt). Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine hochtemperaturstabile, vorzugsweise teflonbeschichtete oder Zirkoniumoxid-umwandete Widerstandssonde bzw. Hochdruckstabsonde verwendet.According to one further advantageous embodiment contains the inventive device a Level sensor to regulate inflow and outflow. The Feickgutgut- or Eduktzuführung via a High pressure pump which the medium as a suspension or solution in the Reaction section of the autoclave continuously fed. The Pumping power is determined by the pressure prevailing in the reaction section and the flow rate through the product outlet (nozzle) determined. To control the pump power, the level in the reactor room can constantly with Help of a level probe be measured. The level probe is transmitted electrical signals to a control unit which the pump power according to the level lowered or raised (with decreasing level the pump power is increased, at rising level decreased). According to a preferred embodiment is a high-temperature stable, preferably Teflon-coated or zirconia-walled resistive probe or high pressure rod probe used.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut in einer Vorrichtung mit einem das Beschickungsgut aufnehmenden Reaktionsabschnitt und einem Produktaustragungsabschnitt, der einer Produktaustrittsöffnung nachgeschaltet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst wenigstens die folgenden Schritte:

  • a) kontinuierliche Zufuhr des Beschickungsgutes in den Reaktionsabschnitt;
  • b) hydrothermale Behandlung des Beschickungsgutes im Reaktionsabschnitt; und
  • c) kontinuierlicher Austrag des hydrothermal behandelten Beschickungsguts durch die Produktaustrittsöffnung in den Produktaustragungsabschnitt. Das Produkt bzw. das Produkt-haltige Medium wird erfindungsgemäß im Produktaustragungsabschnitt auf Normaldruck gebracht und mit Hilfe einer Kühlvorrichtung abgekühlt. Die Abkühlung des Produkts im Produktaustragungsabschnitt erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, indem der Produktstrom durch ein Rohr geführt wird, welches über einen das Rohr umgebenden kühlmittelhaltigem Kühlmantel gekühlt wird, wobei die Kühlmitteltemperatur vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 15°C liegt.
Another object of the present invention relates to a method for the hydrothermal treatment of feed material in a device with a receiving portion receiving the feed and a product discharge section, which is connected downstream of a product outlet opening. The method according to the invention comprises at least the following steps:
  • a) continuous feed of the feedstock in the reaction section;
  • b) hydrothermal treatment of the charge in the reaction section; and
  • c) continuous discharge of the hydrothermally treated feed through the product discharge opening into the product discharge section. According to the invention, the product or the product-containing medium is brought to normal pressure in the product discharge section and cooled with the aid of a cooling device. The cooling of the product in the Produktaustragungsabschnitt is carried out according to a preferred embodiment by the product stream is passed through a tube which is cooled by a surrounding the tube coolant cooling jacket, wherein the coolant temperature is preferably in the range between 5 and 15 ° C.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zufuhr des Beschickungsguts in den Reaktionsabschnitt mit Hilfe einer Hochdruckpumpe, die in der Lage ist das Beschickungsgut gegen einen Druck im Bereich von 20 bis 100 bar und gegen eine Temperatur von 100 bis 300°C in den Reaktionsabschnitt zu pumpen. Typische Druck- und Temperaturbereiche liegen bei 40 bis 60 bar und 230 bis 250°C.According to one advantageous embodiment of the method according to the invention is carried out Feed the feed into the reaction section using a high-pressure pump, which is capable of the load against a pressure in the range of 20 to 100 bar and against a temperature from 100 to 300 ° C pump into the reaction section. Typical pressure and temperature ranges are at 40 to 60 bar and 230 to 250 ° C.

Es ist bevorzugt, die kontinuierliche Zufuhr in den Reaktionsabschnitt und den kontinuierlichen Austrag aus dem Reaktionsabschnitt mit Hilfe einer Füllstands-Messsonde zu überwachen und über eine entsprechende, mit der Sonde verbundene Steuerungseinheit zu regulieren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Verweilzeiten von nicht mehr als 60 min, vorzugsweise nicht mehr als 30 min und besonders bevorzugt von nicht mehr als 20 min erzielt. Der Umsetzungsgrad bei einer Kristallisationsreaktion (entspricht dem kristallinen Anteil im Produkt) liegt typischerweise zwischen 70 und 90% und vorzugsweise über 75%.It is preferred, the continuous feed into the reaction section and the continuous discharge from the reaction section with Monitoring the help of a level probe and over a corresponding control unit connected to the probe regulate. According to one preferred embodiment be with the inventive method Residence times of not more than 60 minutes, preferably not more achieved as 30 min and more preferably of not more than 20 min. The degree of conversion in a crystallization reaction (corresponds the crystalline fraction in the product) is typically between 70 and 90% and preferably over 75%.

Die Erwärmung des Beschickungsguts im Reaktionsabschnitt erfolgt vorzugsweise über die Erwärmung des den Reaktionsabschnitt umgebenden Reaktormantels. Das Medium wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kalt (Raumtemperatur) oder aber vorgewärmt in den Reaktor eingespeist und über die beheizte Reaktorwandung beim Durchströmen des Reaktionsabschnitts auf Reaktionstemperatur erwärmt. Vorzugsweise wird das Beschickungsgut von oben mittels einer Hochdruckpumpe in den Reaktionsabschnitt gepresst. Die Erwärmung kann in wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei um den Reaktormantel angeordneten Heizzonen erfolgen, wobei die Heizzonen unterschiedliche Temperaturen aufweisen können.The heating of the feed material in the reaction section preferably takes place via the heating of the reactor jacket surrounding the reaction section. The medium is fed according to an advantageous embodiment, cold (room temperature) or preheated in the reactor and heated to the reaction temperature via the heated reactor wall when flowing through the reaction section. Preferably, the feed is pressed from above by means of a high pressure pump in the reaction section. The heating may take place in at least two, preferably at least three, heating zones arranged around the reactor jacket, wherein the heating zones may have different temperatures.

Die hydrothermale Behandlung des Beschickungsgutes im Reaktionsabschnitt erfolgt vorzugsweise unter Rühren mit Rührgeschwindigkeiten im Bereich von 50 bis 200 U/min. Die mittlere Verweilzeit des zu behandelnden Beschickungsguts im Reaktionsabschnitt beträgt vorzugsweise maximal 3600 s, mehr bevorzugt maximal 1800 s und besonders maximal 1500 s. Die mittlere Verweilzeit wird hauptsächlich durch den aufgebauten Druck (der unmittelbar mit der Mediumstemperatur zusammenhängt), die Länge des Reaktionsabschnitts und den Durchmesser der Produktaustrittsöffnung bzw. Düse bestimmt. Das für die jeweilige hydrothermale Umsetzung optimale Ergebnis lässt sich durch entsprechende Versuchsreihen bestimmen.The hydrothermal treatment of the feed in the reaction section preferably with stirring with stirring speeds in the range of 50 to 200 rpm. The mean residence time of the too treated feed in the reaction section is preferably a maximum of 3600 s, more preferably a maximum of 1800 s and especially a maximum 1500 s. The mean residence time is mainly built up by the Pressure (which is directly related to the medium temperature), the length of the Reaction section and the diameter of the product outlet opening or Nozzle determined. The for the respective hydrothermal conversion optimum result can be determine by appropriate test series.

Die praktische Bedienung bzw. Steuerung der Anlage kann über eine Steuereinheit bzw. über eine auf einem separaten Rechner installierte Anwendersoftware erfolgen. Die eigentliche Steuerungssoftware der Vorrichtung ist vorzugsweise in der Steuereinheit installiert.The Practical operation or control of the system can be done via a Control unit or via a user software installed on a separate computer. The actual control software of the device is preferably installed in the control unit.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur hydrothermalen Behandlung in der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt.According to one Another aspect of the present invention is the inventive method for the hydrothermal treatment in the device according to the invention described above.

Ein geeignetes Einsatzfeld für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung liegt aber auch im Bereich einphasiger Umwandlungen (Flüssigkeit A → Flüssigkeit B) wie beispielsweise organische Synthesen. Insbesondere in Bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit langsam ablaufender hydrothermaler Umsetzungen lassen sich gemäß der vorliegenden Erfindung durchführen, da in einem reinem Flüssigkeitssystem die Produktaustragsöffnung bzw. Düse sehr klein gewählt werden kann und somit auch längere Verweilzeiten im Reaktor erzielt werden können. Auch Umsetzungen, die eine Begasung erfordern, wie z. B. katalytische Hydrierungen lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem Verfahren verwirklichen. Die Begasung erfolgt bei derartigen Reaktionen vorzugsweise von oben (Gasspeiseanschluss im Reaktordeckel), oder mittels Begasungsrührern, die vorzugsweise das gesamte Mediumsvolumen durchdringen.One suitable field of application for the inventive method and the device according to the invention but is also in the range of single-phase transformations (liquid A → liquid B) such as organic syntheses. In particular in relation on the reaction rate slowly running hydrothermal Reactions can be according to the present Perform invention, since in a pure fluid system the product discharge opening or nozzle chosen very small can be and thus longer Residence times in the reactor can be achieved. Also implementations that require a fumigation, such. B. let catalytic hydrogenations with the device according to the invention or implement the method. The fumigation takes place in such Reactions preferably from above (gas feed connection in the reactor cover), or by means of gassing stirrers, which preferably penetrate the entire medium volume.

Prinzipiell können alle Partikelsynthesen, die in einem Batch-Reaktor realisierbar sind, auch auf kontinuierlichem Weg in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.in principle can all particle syntheses that can be realized in a batch reactor are, also on a continuous way in the device according to the invention or produced by the method according to the invention become.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Suspension von kristallinen, teilkristallinen und/oder verdichteten Nanopartikeln und/oder Agglomeraten vorgenannter Partikel, wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte umfasst:

  • a) kontinuierliche Zufuhr einer Suspension amorpher und/oder teilkristalliner Partikel in einem Medium in den Reaktionsabschnitt;
  • b) Kristallisation und/oder Verdichtung der amorphen und/oder teilkristallinen Partikel mittels hydrothermaler Behandlung im Reaktionsabschnitt; und
  • c) kontinuierlicher Austrag der kristallinen, teilkristallinen und/oder verdichteten Nanopartikel durch die Produktaustrittsöffnung in den Produktaustragungsabschnitt, wobei das Nanopartikel-haltige Medium im Produktaustragungsabschnitt auf Normaldruck gebracht und mit Hilfe einer Kühlvorrichtung abgekühlt wird.
The invention further relates to a process for producing a suspension of crystalline, partially crystalline and / or compacted nanoparticles and / or agglomerates of the abovementioned particles, the process comprising at least the following steps:
  • a) continuous supply of a suspension of amorphous and / or partially crystalline particles in a medium in the reaction section;
  • b) crystallization and / or densification of the amorphous and / or semicrystalline particles by means of hydrothermal treatment in the reaction section; and
  • c) continuous discharge of the crystalline, partially crystalline and / or compacted nanoparticles through the product outlet opening into the product discharge section, wherein the nanoparticle-containing medium is brought to normal pressure in the product discharge section and cooled by means of a cooling device.

Die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut beschriebenen Ausführungsformen, sind auch in Kombination in entsprechender Weise auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Suspension von kristallinen, teilkristallinen und/oder verdichteten Nanopartikeln bzw. Agglomeraten von Nanopartikeln anwendbar.The above in connection with the device according to the invention for hydrothermal Treatment of feed and the method according to the invention described for the hydrothermal treatment of feed Embodiments, are also in combination in a corresponding manner to the inventive method for the preparation of a suspension of crystalline, semi-crystalline and / or compacted nanoparticles or agglomerates of nanoparticles applicable.

Die Herstellung der Eduktpartikel kann auf übliche Weise erfolgen, z. B. durch Gasphasenkondensationsverfahren, Sol-Gel-Prozesse, Präzipitationsverfahren, Kolloidtechniken, Plasmaverfahren, Flammpyrolyse, MOCVD-Verfahren, etc. Vorgenannte Verfahren sind in der Literatur ausführlich beschrieben. Besonders bevorzugt werden gemäß der vorliegenden Erfindung nach Sol-Gel-Verfahren oder Präzipitationsverfahren hergestellte Partikel eingesetzt. Bei den erfindungsgemäß einsetzbaren Suspensionen handelt es sich um in einem flüssigen Medium suspendierte feste Partikel bzw. Feststoffpartikel aus jedem beliebigen geeigneten Material. Bevorzugt werden anorganische Partikel und besonders bevorzugt Partikel aus Metallverbindungen eingesetzt.The Preparation of the educt particles can be carried out in the usual manner, for. B. by gas-phase condensation processes, sol-gel processes, precipitation processes, Colloid techniques, plasma processes, flame pyrolysis, MOCVD processes, etc. The aforementioned methods are described in detail in the literature. Particularly preferred according to the present Invention prepared by sol-gel method or precipitation method Particles used. In the suspensions used according to the invention is it in a liquid Medium suspended solid particles or solid particles from each any suitable material. Preference is given to inorganic particles and particularly preferably used particles of metal compounds.

Besonders bevorzugte Materialien für das erfindungsgemäße Verfahren sind Oxidpartikel oder hydratisierte Oxidpartikel, insbesondere Metall oder Halbmetalloxide, hydratisierte Metall oder Halbmetalloxide oder Mischungen davon. Besonders bevorzugt werden Oxide oder hydratisierte Oxide aus Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Si, Sn, Sb, Pb, Bi, Ti, Zr, V, Mn, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ru, Zn, Ce, Y, Sc, Eu, In, und La oder Mischungen davon. Besonders bevorzugte Beispiele sind ZrO2, TiO2, SnO2, In2O3, Al2O3, Indiumzinnoxid (ITO) und Antimonzinnoxid (ATO).Particularly preferred materials for the process according to the invention are oxide particles or hydrated oxide particles, in particular metal or semimetal oxides, hydrated metal or semimetal oxides or mixtures thereof. Especially before oxides or hydrated oxides of Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Si, Sn, Sb, Pb, Bi, Ti, Zr, V, Mn, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ru , Zn, Ce, Y, Sc, Eu, In, and La or mixtures thereof. Particularly preferred examples are ZrO 2 , TiO 2 , SnO 2 , In 2 O 3 , Al 2 O 3 , indium tin oxide (ITO) and antimony tin oxide (ATO).

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich aus den vorgenannten vorzugsweise amorphen oder teilkristallinen Edukten oder Vorstufen kristalline, teilkristalline oder verdichtete anorganische Nanoteilchen herstellen, wie beispielsweise Nanoteilchen aus Al2O3, AlO(OH), ZrO2, TiO2, SiO2, Fe3O4 und SnO2 sowie Mischungen davon.With the process according to the invention, it is possible to prepare crystalline, partially crystalline or compacted inorganic nanoparticles from the abovementioned, preferably amorphous or semicrystalline starting materials or precursors, such as, for example, nanoparticles of Al 2 O 3 , AlO (OH), ZrO 2 , TiO 2 , SiO 2 , Fe 3 O 4 and SnO 2 and mixtures thereof.

Erfindungsgemäß erhaltene Agglomerate von Nanopartikeln lassen sich beispielsweise durch mechanische Behandlung (z. B. in einer Kugelmühle) einer Suspension der Agglomerate in einem Dispergiermedium, insbesondere Carbonsäuren oder Oxoxcarbonsäuren, re-dispergieren. Beispielsweise können 3,6,9-Trioxadekansäure oder Essigsäure als Dispergiermedium verwendet werden.Obtained according to the invention Agglomerates of nanoparticles can be, for example, by mechanical Treatment (eg in a ball mill) of a suspension of the agglomerates in a dispersing medium, in particular carboxylic acids or Oxoxcarbonsäuren re-disperse. For example, you can 3,6,9-trioxadecanoic or acetic acid be used as a dispersing medium.

BEISPIELEXAMPLE

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehend von einer amorphen Vorstufe kristalline bzw. teilkristalline Zirkoniumoxid-Nanopartikel hergestellt.In the device according to the invention were according to the method of the invention starting from an amorphous precursor crystalline or partially crystalline Zirconia nanoparticles produced.

a) Herstellung der amorphen Vorstufea) Preparation of the amorphous precursor

Zu 3800 g einer 70%-igen Lösung von Zirkonium(IV)-propylat in Isopropanol (kommerzielles Produkt der Firma Lehmann&Voss) wird unter Rühren ein 4-facher molarer Überschuss an Wasser (585 g) zugegeben. Bei der Fällungsreaktion entstehen 1293 g Zirkonium(IV)hydroxid, Zr(OH)4 und 1949 g Propanol. Die Fällung erfolgt praktisch vollständig. Die resultierende wässrige Lösung enthält das Zr(OH)4 in einer Konzentration von 18 Gew.-%. Die erhaltene wässrige Zirkoniumhydroxid-Lösung wird im zweiten Prozessschritt einer erfindungsgemäßen hydrothermalen Behandlung im erfindungsgemäßen kontinuierlich arbeitenden Reaktor unterworfen.To 3800 g of a 70% solution of zirconium (IV) propylate in isopropanol (commercial product from Lehmann & Voss) is added with stirring a 4-fold molar excess of water (585 g). The precipitation reaction produces 1293 g of zirconium (IV) hydroxide, Zr (OH) 4 and 1949 g of propanol. The precipitation is almost complete. The resulting aqueous solution contains the Zr (OH) 4 in a concentration of 18% by weight. The aqueous zirconium hydroxide solution obtained is subjected in the second process step to a hydrothermal treatment according to the invention in the continuous reactor according to the invention.

b) Behandlung der amorphen Vorstufe im kontinuierlich arbeitenden Autoklavb) Treatment of the amorphous precursor in continuously working autoclave

Die gemäß Schritt a) erhaltene amorphe Vorstufe wird in einem erfindungsgemäßen Autoklauen in kristalline nanopartikuläre Zirkoniumoxid-Partikel bzw. entsprechende re-dispergierbare Agglomerate umgewandelt.The according to step a) obtained amorphous precursor is in an autoclave according to the invention in crystalline nanoparticulate Zirconium oxide particles or corresponding re-dispersible agglomerates converted.

Vorrichtungcontraption

Die Beschickungsgut- bzw. die Eduktzuführung erfolgt mit Hilfe einer Hochdruckpumpe welche die wässrige Lösung von Zirkoniumhydroxid in den Reaktionsraum des Autoklauen von oben kontinuierlich einspeist. Die Pumpleistung wird durch den im Reaktor herrschenden Druck und die Ausflussgeschwindigkeit durch die Produktaustrittsöffnung (Düse) bestimmt. Zur Steuerung der Pumpleistung wird der Füllstand im Reaktorraum ständig mit Hilfe einer Füllstandssonde gemessen. Die Füllstandssonde übermittelt elektrische Signale an eine Steuereinheit welche die Pumpleistung entsprechend dem Füllstand absenkt oder erhöht (bei sinkendem Füllstand wird die Pumpleistung erhöht, bei steigendem Füllstand erniedrigt). Als Füllstandssonde wird eine hochtemperaturstabile teflonbeschichtete bzw. Zirkoniumoxid-umwandete Widerstandssonde verwendet.The Beschickungsgut- or Eduktzuführung carried out using a High pressure pump which the aqueous solution of zirconium hydroxide in the reaction space of the autoclave from above fed continuously. The pumping power is through the in the reactor prevailing pressure and the outflow velocity through the product outlet opening (nozzle) determined. To control the pump power, the level in the reactor room is constantly with Help of a level probe measured. The level probe is transmitted electrical signals to a control unit which the pump power according to the level lowered or raised (when the level drops increases pumping power, with increasing filling level decreased). As a level probe is a high temperature stable Teflon-coated or zirconium oxide-walled Resistance probe used.

Der eigentliche Reaktionsabschnitt, d. h. der Autoklav hat eine Länge von 1600 mm und einen Innendurchmesser von 110 mm. Der Reaktor besteht aus rostfreiem Edelstahl (1.4435, CrNiMo-Stahl). Die im Inneren des Reaktionsraums der Länge nach angeordnete Welle besteht ebenfalls aus 1.4435-Stahl. Entlang der Welle sind acht Stahltrennscheiben im Abstand von etwa 110 mm als Strömungswiderstandselemente und elf 4-flügelige Propellerrührer im Abstand von etwa 110 mm angebracht (siehe 1). Die scheibenartig ausgestalteten Strömungswiderstandselemente weisen je zwei gegenüberliegende Entlüftungslöcher mit einem Durchmesser von etwa 5 mm auf. Der Abstand zwischen den scheibenartig ausgestalteten Strömungswiderstandselementen und der Reaktorwand beträgt jeweils etwa 1 mm. Die Welle mit den Scheiben und 4-flügeligen Propellerrührern wird durch einen oben auf der Apparatur aufsitzenden Rührmotor mit etwa 100 rpm angetrieben.The actual reaction section, ie the autoclave has a length of 1600 mm and an inner diameter of 110 mm. The reactor is made of stainless steel (1.4435, CrNiMo steel). The shaft arranged lengthwise inside the reaction space also consists of 1.4435 steel. Along the shaft there are eight steel cutting discs at a distance of about 110 mm as flow resistance elements and eleven four-bladed propeller stirrers at a distance of about 110 mm (see 1 ). The disk-like flow resistance elements each have two opposite vent holes with a diameter of about 5 mm. The distance between the disk-like designed flow resistance elements and the reactor wall is in each case about 1 mm. The shaft with the discs and 4-bladed propeller stirrers is driven by a stirrer motor mounted on top of the apparatus at about 100 rpm.

Der Reaktionsabschnitt ist in drei Heizzonen unterteilt, die unabhängig voneinander temperiert bzw. reguliert werden können. Die Reaktortemperatur wird mit fünf Thermoelementen gemessen. Eines befindet sich an jeder Heizung, zwei weitere messen die Temperatur oben und unten im Medium. Die Mediums-Thermoelemente dienen der unmittelbaren Kontrolle der Reaktionsbedingungen.Of the Reaction section is divided into three heating zones, which are independent of each other can be tempered or regulated. The reactor temperature comes with five thermocouples measured. One is on each heater, two others measure the Temperature above and below in the medium. The medium thermocouples serve the immediate control of the reaction conditions.

Die Produktsaustrittsöffnung besteht in der verwendeten Apparatur aus einer Düse die aus rostfreiem CrNiMo-Stahl (1.4435) mit einer harten Metallspitze gefertigt ist. Die in Strömungsrichtung konisch erweiternd ausgestaltete Düse (Kegelform) hat eine Gesamtlänge von 91 mm und einen Durchmesser von 0,65 mm. Nach Durchfluss durch den Reaktor passiert das Autoklaviermedium zunächst ein pneumatisch gesteuertes Ventil bevor es mittels der Auslassdüse kontinuierlich aus dem Autoklauen ausgetragen wird.The Product outlet opening The apparatus used consists of a nozzle made of stainless CrNiMo steel (1.4435) is made with a hard metal tip. The in the flow direction conically widening configured nozzle (conical shape) has a total length of 91 mm and a diameter of 0.65 mm. After flow through the Reactor passes through the autoclaving initially a pneumatically controlled Valve before it by means of the outlet nozzle continuously from the autoclave is discharged.

Die im Produktsaustragungsabschnitt installierte Kühlvorrichtung besteht aus einem Kühlmantel und einem darin gewundenen Kühlrohr mit einer Gesamtlänge von 495 mm und einem Durchmesser von 10 mm. Der Kühlmantel als auch das Kühlrohr sind aus 1,4435-Stahl gefertigt. Der Kühlmantel wird über eine Kühlflüssigkeit und ein externes Kühlaggregat auf 10°C gekühlt. Dadurch wird die Temperatur des Produkts beim Austritt aus der Kühlvorrichtung auf 35–60°C gekühlt.The cooling device installed in the product discharge section is composed of a cooling jacket and a cooling pipe wound therein with a Ge total length of 495 mm and a diameter of 10 mm. The cooling jacket and the cooling tube are made of 1.4435 steel. The cooling jacket is cooled to 10 ° C via a coolant and an external cooling unit. This cools the temperature of the product to 35-60 ° C as it exits the cooler.

Kristallisationcrystallization

Bei der Durchführung der hydrothermalen Behandlung wird die in Schritt a) erhaltene Vorstufe mit Hilfe der Hochdruckpumpe kontinuierlich der Reaktionszone zugeführt. Für die Erzeugung der Zirkoniumoxid-Nanopartikel wird die Manteltemperatur auf 320°C eingestellt. Die Mediumstemperatur (gemessen mittelbar vor der Produktsaustrittsöffnung) beträgt etwa 240°C. Der aus der Mediumstemperatur resultierende Reaktionsdruck liegt etwa im Bereich von 45 bar. Nachdem das heiße Medium die Auslassdüse passiert hat, wird es durch den Druck der nachströmenden Masse direkt in einen Kondensor (Kühlvorrichtung) geschoben, in dem auf ca. 40°C abgekühlt wird.at the implementation the hydrothermal treatment is the precursor obtained in step a) with Help the high-pressure pump fed continuously to the reaction zone. For the generation the zirconia nanoparticles, the jacket temperature is set to 320 ° C. The medium temperature (measured indirectly before the product outlet opening) is about 240 ° C. The resulting from the medium temperature reaction pressure is approximately in the range of 45 bar. After the hot medium passes the outlet nozzle has, by the pressure of the flowing mass directly into one Condenser (cooling device) pushed, in which to about 40 ° C. chilled becomes.

Die mittlere Verweilzeit wurde mittels Markierung (Farbstoffzugabe) bzw. Auslitern bestimmt. Diese beträgt im Betriebszustand des Reaktors ca. 20 Minuten und ergibt sich aus einem Gesamtvolumen des Reaktors von etwa 13 1 und einem Volumenstrom von 0,65 l/min.The average residence time was determined by labeling (dye addition) or Auslitern determined. This is in the operating state of the reactor about 20 minutes and results from a total volume of the reactor of about 13 liters and a flow rate of 0.65 l / min.

Die hydrothermale Behandlung der Vorstufe a) in dem kontinuierlichen Autoklauen führt zum Erhalt von Zirkoniumdioxid mit folgender Zusammensetzung:
75–85% kristalline Phase, davon 25–35% monoklin und 65–75% Tetragonal; und
15–25% amorpher Anteil. Der kristalline Anteil und der amorphe Anteil wurden mittels Röntgenstrukturanalyse (XRD) bestimmt.
The hydrothermal treatment of precursor a) in the continuous autoclave results in the formation of zirconia having the following composition:
75-85% crystalline phase, of which 25-35% monoclinic and 65-75% tetragonal; and
15-25% amorphous fraction. The crystalline portion and the amorphous portion were determined by X-ray diffraction analysis (XRD).

Die Partikelgröße der als re-dispergierbares Agglomerat erhaltenen Nanopartikel liegt im Bereich zwischen 20 bis 30 nm. Das erhaltene Agglomerat aus Nanopartikeln besitzt eine Partikelgröße zwischen 200 und 300 nm. Die Partikelgröße bzw. der Partikeldurchmesser wurde mittels dynamischer Lichtstreuung mit Hilfe eines UPA der Fa. Grimm ermittelt.The Particle size of the as re-dispersible agglomerate nanoparticles is in the range between 20 to 30 nm. The resulting agglomerate of nanoparticles has a particle size between 200 and 300 nm. The particle size or the particle diameter was determined by dynamic light scattering determined with the help of a UPA of the company Grimm.

Claims (27)

Vorrichtung zur kontinuierlichen hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut, wobei die Vorrichtung wenigstens a) einen das Beschickungsgut aufnehmenden Reaktionsabschnitt; b) eine Heizvorrichtung; c) eine Vorrichtung zur Druckerzeugung; und d) einen Produktaustragungsabschnitt mit einer Kühlvorrichtung, die einer Produktaustrittsöffnung nachgeschaltet ist, umfasst, wobei der das Beschickungsgut aufnehmende Reaktionsabschnitt wenigstens ein Rührelement und wenigstens ein Strömungswiderstandselement aufweist.Apparatus for continuous hydrothermal Treatment of feed, the device at least a) a reaction section receiving the charge; b) a heater; c) a device for generating pressure; and d) a product discharge section with a cooling device, that of a product outlet downstream, comprises, where the the feed receiving reaction section at least one stirring element and at least one Flow resistance element having. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Heizvorrichtung im wesentlichen über die gesamte Länge des Reaktionsabschnitts erstreckt.Device according to claim 1, characterized in that the heater substantially over the whole length of the reaction section. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung entlang des Reaktionsabschnitts wenigstens 2, vorzugsweise 3 unabhängig voneinander temperierbare Heizzonen aufweist.Device according to claim 2, characterized in that that the heating device along the reaction section at least 2, preferably 3 independently has heating zones that can be temperature-controlled by one another. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung außerhalb des den Reaktionsabschnitt umgebenden Reaktormantels angeordnet ist und vorzugsweise Wickelheizelemente aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device is outside the area surrounding the reaction section Reactor shell is arranged and preferably wound heating elements having. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Produktaustrittsöffnung mit einer Düse versehen ist.Device according to one of the preceding claims in that the product outlet opening is provided with a nozzle is. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Düse so gestaltet ist, dass eine Ablagerung von Feststoffpartikeln im Bereich der Produktaustrittsöffnung im wesentlichen verhindert wird.Device according to claim 5, characterized in that that the geometry of the nozzle is designed so that a deposit of solid particles in the Area of the product outlet is essentially prevented. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse in Strömungsrichtung konisch erweiternd ausgestaltet ist.Device according to one of claims 5 or 6, characterized that the nozzle in the flow direction is conically widening designed. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Produktaustrittsöffnung eine im wesentlichen kreisförmige Öffnung mit einem Durchmesser im Bereich von 0,2 bis 1,5 mm, mehr bevorzugt von 0,4 bis 1 mm und insbesondere bevorzugt von 0,6 bis 0,8 mm aufweist.Device according to one of the preceding claims characterized in that the product outlet opening is a substantially circular opening with a diameter in the range of 0.2 to 1.5 mm, more preferably from 0.4 to 1 mm, and more preferably from 0.6 to 0.8 mm. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rührelement und/oder das wenigstens eine Strömungswiderstandselement an einer entlang der Längsachse der Vorrichtung verlaufenden Rührwelle befestigt ist/sind.Device according to one of the preceding claims in that the at least one stirring element and / or the at least one Flow resistance element at one along the longitudinal axis the device running agitator shaft is attached / are. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rührelement ein Propellerrührer ist.Device according to one of the preceding claims characterized in that the at least one stirring element is a propeller stirrer. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Strömungswiderstandselement so ausgestaltet ist, dass es einer Durchmischung in axialer Richtung entgegenwirkt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one flow resistance element from so is designed to counteract mixing in the axial direction. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das wenigstens eine Strömungswiderstandselement scheibenartig ausgestaltet ist, wobei die Flächennormale parallel zur Längsachse der Vorrichtung ist.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the at least one flow resistance element disc-like is configured, the surface normal parallel to the longitudinal axis the device is. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Strömungswiderstandselement so angeordnet ist, dass es den Reaktionsabschnitt entlang der Strömungsrichtung in mehrere Segmente unterteilt, wobei die Segmente vorzugsweise eine Länge im Bereich zwischen 50 und 1000 mm aufweisen.Device according to one of the preceding claims characterized in that the at least one flow resistance element so is arranged so that it is the reaction section along the flow direction divided into several segments, the segments preferably a length in the Range between 50 and 1000 mm. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsabschnitt der Vorrichtung im wesentlichen vertikal, vorzugsweise von oben nach unten durchströmt wird.Device according to one of the preceding claims characterized in that the reaction section of the device substantially vertically, preferably flows through from top to bottom. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Füllstands-Messsonde zur Regulierung von Zustrom und Abstrom aufweist.Device according to one of the preceding claims in that the device comprises a level measuring probe for regulating Having inflow and outflow. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsabschnitt eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist, vorzugsweise mit einer Länge von 1500 mm bis 4000 mm, besonders bevorzugt mit einer Länge von 1600 mm bis 2000 mm und/oder einem Innendurchmesser von 50 bis 250 mm, besonders bevorzugt mit einem Innendurchmesser von 100 bis 150 mmDevice according to one of the preceding claims characterized in that the reaction section is a substantially cylindrical shape, preferably with a length of 1500 mm to 4000 mm, more preferably with a length of 1600 mm to 2000 mm and / or an inner diameter of 50 to 250 mm, more preferably with an inner diameter of 100 to 150 mm Verfahren zur hydrothermalen Behandlung von Beschickungsgut in einer Vorrichtung mit einem das Beschickungsgut aufnehmenden Reaktionsabschnitt und einem Produktaustragungsabschnitt, der einer Produktaustrittsöffnung nachgeschaltet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) kontinuierliche Zufuhr des Beschickungsgutes in den Reaktionsabschnitt; b) hydrothermale Behandlung des Beschickungsgutes im Reaktionsabschnitt; und c) kontinuierlicher Austrag des hydrothermal behandelten Beschickungsguts durch die Produktaustrittsöffnung in den Produktaustragungsabschnitt, wobei das Produkt im Produktaustragungsabschnitt auf Normaldruck gebracht und mit Hilfe einer Kühlvorrichtung abgekühlt wird.Process for the hydrothermal treatment of feed material in a device with a charge receiving the Reaction section and a Produktaustragungsabschnitt, the one Product outlet opening downstream, the method comprising the following steps: a) continuous feeding of the feed into the reaction section; b) hydrothermal treatment of the charge in the reaction section; and c) continuous discharge of the hydrothermally treated Feed through the product outlet into the product discharge section, in which the product is brought to normal pressure in the product discharge section and with the help of a cooling device chilled becomes. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Beschickungsguts in den Reaktionsabschnitt mit Hilfe einer Vorrichtung zur Druckerzeugung erfolgt.Method according to the preceding claim 17, characterized characterized in that the feed of the feed into the reaction section with the aid of a device for generating pressure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 oder 18 dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche Zufuhr und der kontinuierliche Austrag mit Hilfe einer Füllstands-Messsonde überwacht und über eine entsprechende, mit der Sonde verbundene Steuerungseinheit reguliert wird.Method according to one of the preceding claims 17 or 18 characterized in that the continuous supply and the continuous discharge monitored by means of a level probe and over regulates a corresponding control unit connected to the probe becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Beschickungsguts im Reaktionsabschnitt über die Erwärmung des den Reaktionsabschnitt umgebenden Reaktormantels erfolgt.Method according to one of the preceding claims 17 to 19, characterized in that the heating of the feed in the reaction section over the warming the reactor jacket surrounding the reaction section takes place. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung in wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei um den Reaktormantel angeordneten Heizzonen erfolgt, wobei die Heizzonen unterschiedliche Temperaturen aufweisen können.Method according to one of the preceding claims 17 to 20, characterized in that the heating in at least two, preferably at least three arranged around the reactor jacket heating zones takes place, wherein the heating zones may have different temperatures. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrothermale Behandlung des Beschickungsgutes im Reaktionsabschnitt unter Rühren erfolgt.Method according to one of the preceding claims 17 to 21, characterized in that the hydrothermal treatment of the Charged material in the reaction section is carried out with stirring. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des zu behandelnden Beschickungsguts im Reaktionsabschnitt maximal 12 h, vorzugsweise maximal 3600 s, mehr bevorzugt maximal 1800 s und besonders bevorzugt maximal 1500 s beträgt.Method according to one of the preceding claims 17 to 22, characterized in that the residence time of the treated Feed in the reaction section a maximum of 12 h, preferably not more than 3600 seconds, more preferably not more than 1800 seconds and more preferably maximum 1500 s. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Produkts im Produktaustragungsabschnitt erfolgt, indem der Produktstrom durch ein Rohr geführt wird, welches vorzugsweise über einen das Rohr umgebenden kühlmittelhaltigen Kühlmantel gekühlt wird, wobei die Kühlmitteltemperatur vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 15°C liegt.Method according to one of the preceding claims 17 to 23, characterized in that the cooling of the product in the product discharge section takes place by passing the product stream through a tube, which preferably over a coolant containing the tube Cooling jacket is cooled, where the coolant temperature preferably in the range between 5 and 15 ° C. Verfahren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturführung mittels mehrerer Thermoelemente überwacht und gegebenenfalls reguliert wird, wobei vorzugsweise wenigstens je ein Thermoelement die Temperatur des Beschickungsguts im Reaktionsabschnitt unmittelbar vor der Produktaustrittsöffnung und im oberen Bereich des Reaktionsabschnitt misst und vorzugsweise wenigstens zwei Thermoelemente die Temperatur an verschiedenen Stellen des den Reaktionsabschnitt umgebenden Reaktormantels messen.Method according to one of the preceding claims 17 to 24, characterized in that the temperature control monitored by means of several thermocouples and optionally regulated, preferably at least each thermocouple the temperature of the feed in the reaction section immediately before the product outlet and in the upper part of the Reaction section measures and preferably at least two thermocouples the temperature at different points of the reaction section measure surrounding reactor jacket. Verfahren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims characterized in that the method is used in a device according to the claims 1 to 16 performed becomes. Verfahren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) kontinuierliche Zufuhr einer Suspension amorpher und/oder teilkristalliner Partikel in einem Medium in den Reaktionsabschnitt; b) Kristallisation und/oder Verdichtung der amorphen und/oder teilkristallinen Partikel mittels hydrothermaler Behandlung im Reaktionsabschnitt; und c) kontinuierlicher Austrag der kristallinen, teilkristallinen und/oder verdichteten Nanopartikel und/oder entsprechender Agglomerate durch die Produktaustrittsöffnung in den Produktaustragungsabschnitt, wobei das Nanopartikel-haltige Medium im Produktaustragungsabschnitt auf Normaldruck gebracht und mit Hilfe einer Kühlvorrichtung abgekühlt wird.Method according to one of the preceding claims, thereby characterized in that the method comprises the following steps: a) continuous supply of a suspension of amorphous and / or partially crystalline Particles in a medium in the reaction section; b) crystallization and / or densification of the amorphous and / or semi-crystalline particles by hydrothermal treatment in the reaction section; and c) continuous discharge of the crystalline, semi-crystalline and / or densified nanoparticles and / or corresponding agglomerates the product outlet in the product discharge section, where the nanoparticle-containing Medium in the product discharge section brought to normal pressure and with Help a cooler chilled becomes.
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