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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und einen thermischen Reaktor,
insbesondere einen thermischen Reaktor zur Herstellung feinteiliger
Partikel. Solche Partikel weisen typischerweise mittlere Korngrößen
von 10 nm bis 100 μm auf, schließen also auch
nanoskalige Partikel (auch Nanopartikel genannt) mit Korngrößen
kleiner 100 nm mit ein.
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Im
Weiteren wird unter feinteiligen Partikeln eine Partikelgröße
von < 100 μm
verstanden. Definitionsgemäß wird damit der spezielle
Bereich der so genannten Nanopartikel (Partikelgröße < 100 nm) mit eingeschlossen.
Weiterhin werden Pulver mit einem mittlerem Partikeldurchmesser < 100 μm
als feinteilige Pulver bezeichnet.
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Zur
Herstellung von feinteiligen Pulvern haben sich im Wesentlichen
die folgenden Herstellungsverfahren etabliert; chemische Herstellung
in Lösungen (z. B. Sol-Gel-Methode), Herstellung im Plasma,
Herstellung aus der Gasphase (Aerosolprozess). Je nach Einsatzgebiet
der feinteiligen Pulver ist meist eine genau definierte und enge
Partikelgrößenverteilung feinteiligenerforderlich.
Abhängig von der chemischen Natur der gewünschten
Pulver eignet sich das eine oder andere Verfahren besser, um ein
gutes Ergebnis zu erreichen.
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Zur
Herstellung von feinteiligen Oxid- oder Mischoxid- Pulver hat sich
das Pulsationsreaktor-Verfahren aufgrund verfahrenstechnischer Besonderheiten
als besonders geeignet erwiesen. Der Pulsationsreaktor unterscheidet
sich anderen Verfahren grundsätzlich dadurch, dass ein
pulsierender Heißgasstrom erzeugt wird. In diesen Heißgasstrom wird
die Rohstoffmischung eingebracht, wobei diese durch die thermoschockartige
Zersetzungsreaktion in wenigen Millisekunden umgewandelt wird.
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Ein
deutlich erhöhter Wärmeübergang resultiert
aufgrund der hohen Strömungsturbulenzen bedingt durch die
pulsierende Verbrennung. Dieser erhöhte Wärmeübergang
ist entscheidend für den Ablauf der Phasenreaktion im Material
und für einen vollständigen Umsatz innerhalb kurzer
Verweilzeiten ist.
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Das
Wirkprinzip des Pulsationsreaktors gleicht dabei dem eines akustischen
Hohlraumresonators, der aus einem Brennraum, einem Resonanzrohr,
das einen gegenüber dem Brennraum deutlich verminderten
Strömungsquerschnitt aufweist besteht. Aus der
WO 02/072471 bzw. aus
der
DE 10 2004
044 266 A1 sind Pulsationsreaktoren bekannt. Bei den dort
beschriebenen Pulsationsreaktoren ist der Brennraum eingangsseitig
mit einem oder mehreren Aeroventilen zum Eintritt von Brenngasgemischen
ausgestattet. Der Brennstoff sowie die notwendige Verbrennungsluft
gelangen gemeinsam (vorgemischt in einer Vorgeschalteten Mischkammer) über die
Ventile in den Brennraum und werden dort gezündet, verbrennen
sehr schnell und erzeugen eine Druckwelle in Richtung des Resonanzrohres,
da der Gaseintritt durch die aerodynamische Ventile bei Überdruck
weitgehend verschlossen wird. Durch ein infolge der Verbrennung
in das Resonanzrohr ausströmendes Heißgas wird
der Überdruck im Brennraum reduziert, so dass durch die
Ventile neues Brenngasgemisch nachströmt und selbst zündet. Dieser
Vorgang des Schließens und Öffnens der Ventile
durch Druck und Unterdruck erfolgt selbst regelnd periodisch. Der
pulsierende Verbrennungsprozess im Brennraum setzt mit der Ausbreitung
einer Druckwelle im Resonanzrohr Energie frei und regt dort eine
akustische Schwingung an. Derartige pulsierende Strömungen
sind durch einen hohen Turbulenzgrad gekennzeichnet. Die hohen Strömungsturbulenzen
verhindern den Aufbau einer Temperaturhülle um die sich
aus der Rohstoffmischung bildende Partikel, wodurch ein höherer
Wärmeübertrag, d. h. eine schnellere Reaktion
bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, möglich ist.
Die dadurch bedingten kurzen Verweilzeiten der Partikel im Reaktor
führen zu einem besonders hohen Materialdurchsatz. Typischerweise
liegt die Verweilzeit bei we niger als einer Sekunde. Zudem erreicht
ein besonders großer Anteil der gebildeten Partikel eine
gewünschte sphärische Form. Die schnelle Reaktion
führt weiterhin bei der Ausbildung der festen Phase der
Partikel zu einem hohen Anteil an Gitterfehlordnungen und infolgedessen
zu einer hohen Reaktivität der Partikel. Zur Abscheidung
von Reaktionsprodukten aus dem Heißgasstrom dient eine
geeignete Abscheideinrichtung für Feinstpartikel.
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Als
Rohstoffkomponenten für die Herstellung der Partikel kommen
unterschiedliche anorganische und/oder organische Stoffe in Betracht.
Die Rohstoffmischung kann dabei in fester Form oder in Form einer
Rohstofflösung, Rohstoffdispersion oder Rohstoffsuspension
dem Reaktor, zum Beispiel durch feines Verdüsen, zugeführt
werden. Besonders feinteilige Partikel werden bei dem Pulsationsreaktor – Verfahren
beispielsweise erhalten, wenn eine Rohstoffmischung bestehend aus
metallorganischen Verbindungen und organischen Lösungsmitteln
eingesetzt wird. Besonders sphärische Partikel werden erhalten,
wenn eine Emulsion oder Dispersion aus der Rohstoffmischung und
mindestens einer damit nicht mischbaren Phase hergestellt und in
den Pulsationsreaktor aufgegeben wird.
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Nachteil
der bestehenden Pulsationsreaktor–Technologie ist, dass
der Durchsatz von hochkalorischen Rohstoffmischungen limitiert ist.
Als hochkalorische Rohstoffmischungen sollen hier Rohstoffmischungen
verstanden werden, die einen unteren Heizwert von mehr als 4 MJ/kg
beinhalten. Erdöl besitzt beispielsweise einen Heizwert
von ca. 43 MJ/kg. Der (untere) Heizwert ist dabei die bei einer
Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge, bei der es nicht
zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes kommt,
bezogen auf die Menge des eingesetzten Brennstoffs. Bei Einsatz
solcher hochkalorischer Rohstoffmischungen kommt es durch den Verbrennungsprozess
im Reaktor zur Freisetzung der kalorischen Energie. Dies führt
zur Erhöhung der Prozesstemperatur des Heißgasstromes.
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Durch
die Reduzierung der Brennstoffaufgabe (Brenngas) kann dieser Temperaturerhöhung
teilweise entgegengewirkt werden. Da jedoch die pulsierende Heiß gasströmung
aufgrund der pulsierenden Verbrennung basierend auf der Gestaltung
des Brennraumes mit aerodynamischen Ventilen erzeugt wird, führt
eine Reduzierung der Brennstoffmenge zunächst zu einer
reduzierten Amplitude der pulsierenden Heißgasströmung.
Damit verbunden ist die Verringerung des Turbulenzgrades der Heißgasstrom,
welche jedoch gerade die gewünschte Besonderheit des Pulsationsreaktor – Verfahrens
darstellt. Bei Unterschreitung einer notwendigen Brennstoffmenge
bricht die pulsierende Heißgaserzeugung letztlich in sich
zusammen.
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Die
gewünschte Prozesstemperatur (Behandlungstemperatur) ergibt
sich im Pulsationsreaktor entsprechend aus der Erzeugung des pulsierenden
Heißgasstromes (Brennstoffmenge) und des kalorischen Wärmeinhaltes
der Rohstoffmischung. Aus diesem Zusammenhang ergeben sich typische
Aufgabemenge aus dem technischen Betrieb des Pulsationsreaktors
für eine wässrige Salzlösung als Rohstofflösung
von ca. 60 kg/h und einer Rohstoffmischung bestehend aus metallorganischen
Verbindungen in organischen Lösungsmitteln bzw. für
den Einsatz von Rohstoffemulsionen von ca. 15 kg/h. Eine niedrigere
Aufgabemenge (Durchsatz) steigert die spezifischen Produktionskosten.
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Ein
weiterer bekannter Nachteil der Pulsationsreaktor–Technologie
ist, dass die Frequenz der pulsierenden Heißgasströmung
nicht direkt beeinflusst bzw. eingestellt werden kann. Die wesentlichen Einflussgrößen
auf die Frequenz der pulsierenden Heißgasströmung
sind die Geometrie des Reaktors (Helmholzresonators), Art und Menge
der Rohstoffmischung sowie die Prozesstemperatur. Die Geometrie
des Reaktors ist feststehend. Indirekt kann entsprechend die Frequenz über
die Prozesstemperatur variiert werden, wobei diese im technischen
Betrieb durch die notwendige Behandlungstemperatur im Wesentlichen
vorgegeben ist. De facto kann die Frequenz der pulsierenden Heißgasströmung
derzeit nicht eingestellt werden. Da jedoch gerade dieser pulsierende
Heißgasstrom die besonderen Reaktionsbedingungen im Reaktor
erzeugt, reduziert die nicht variierbare Frequenz der pulsierenden
Heißgasströmung die Leistungsstärke des
Reaktors.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren
und einen thermischen Reaktor zur Herstellung von feinteiligen Partikeln
anzugeben, bei dem ein Rohstoffgemenge in einem pulsierenden Heißgasstrom
behandelt wird, sich im pulsierenden Heißgasstrom aus dem
Rohstoffgemenge die feinteiligen Partikel bilden, wobei die Frequenz
der pulsierenden Heißgasströmung einstellbar ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen thermischen Reaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein
erfindungsgemäßer thermischer Reaktor zur Herstellung
von Partikeln umfasst mindestens einen Reaktionsraum, wobei einem
der Reaktionsräume durch einen Heißgaseinlass
periodisch ein Heißgasstrom zuführbar ist. Zusammen
mit dem Heißgasstrom durch den Heißgaseinlass
oder separat durch einen Zuführungspunkt ist diesem Reaktionsraum ein
Rohstoffgemenge zuführbar, das mindestens eine Rohstoffkomponente
umfasst. Aus mindestens einer der Rohstoffkomponenten werden im
Heißgasstrom Partikel gebildet und durch einen Auslass
aus diesem Reaktionsraum abgeführt oder einem weiteren
der Reaktionsräume zugeführt. Durch mindestens
ein steuerbares erstes Ventil am Heißgaseinlass oder diesem
vorgelagert und/oder durch eine periodische Verbrennung mindestens
eines den Heißgasstrom bildenden Energieträgers
und/oder mindestens einer der als Energieträger verwendeten,
den Heißgasstrom bildenden Rohstoffkomponenten mit steuerbarer
Verbrennungsfrequenz in mindestens einem dem Heißgaseinlass
vorgelagerten Brennraum ist eine Frequenz der periodischen Zuführung
des Heißgasstroms vorgebbar. Eine gegebenenfalls vorhandenen
Verbindung zwischen dem Brennraum und dem Reaktionsraum soll als
Teil des Reaktionsraums betrachtet werden. Ein so gestalteter thermischer Reaktor,
der nach dem beschriebenen Verfahren betrieben wird, vereint die
aus dem Stand der Technik bekannten Vorzüge einer Partikelbildung
in einem pulsierenden Heißgasstrom mit der Mög lichkeit,
eine Frequenz des pulsierenden Heißgasstroms unabhängig
von der Geometrie des Reaktionsraumes und vom kalorischen Inhalt
des Rohstoffgemenges vorzugeben. Durch die vorgegebene periodische
Zuführung des Heißgasstroms in den Reaktionsraum
ist auch der Einsatz hochkalorischer Rohstoffgemenge möglich
ohne dass die Brennstoffzufuhr so gedrosselt werden muss, dass das
Pulsieren des Heißgasstroms wesentlich in seiner Amplitude
beeinflusst wird oder zusammenbricht. Die Partikelbildung kann bereits
im Brennraum beginnen.
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Der
Brennraum ist ein Reaktionsraum, in den der Energieträger
periodisch oder kontinuierlich eingebracht und zur Zündung
gebracht wird. Dabei bildet sich der Heißgasstrom, der
gasförmige Komponenten, aber auch zusätzlich feste
und/oder flüssige Komponenten aufweisen kann.
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Die
gebildeten Partikel werden vorzugsweise in einem Filter, das einem
der Reaktionsräume nachgelagert ist, abgeschieden.
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Als
Energieträger sollen Stoffe mit hohem kalorischem Inhalt
verstanden werden, die bei einer thermischen Umsetzung eine Reaktionswärme
liefern. Darunter zählen beispielsweise typische feste, flüssige
oder gasförmige Brennstoffe. Die dabei freiwerdende Wärmeenergie
erzeugt die Behandlungstemperatur im Heißgas.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform stellt mindestens eine
der Rohstoffkomponenten zumindest teilweise den Energieträger
für den Prozess dar, ist also eine hochkalorische Rohstoffkomponente
z. B. in der Form eines Feststoffes, einer Flüssigkeit oder
eines Gases. Dabei sind zunächst alle zur Bildung der Partikel
notwendigen Rohstoffkomponenten im Rohstoffgemenge enthalten. Zusätzlich
kann das Rohstoffgemenge Hilfskomponenten als Rohstoffkomponenten
enthalten, beispielsweise Lösemittel, insbesondere organische
Lösemittel. Ein Beispiel für ein solches hochkalorisches
Rohstoffgemenge ist die Kombination aus metallorganischen Verbindungen
und organischen Lösungsmitteln, ein anderes Beispiel sind
Rohstoffgemenge in der Form von Rohstoffdispersionen oder -emulsionen, die
als Hilfskomponente ein Dispergens enthalten, das als hochkalorische
organische Komponente ausgebildet sein kann.
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Die
Herstellung einer Rohstoffdispersion, Rohstoffsuspension oder Rohstoffemulsion
ist eine Möglichkeit zur Einstellung der Partikelgröße.
Unter einer Dispersion soll ein Gemenge aus mindestens zwei Stoffen
verstanden werden, die nicht oder kaum miteinander mischbar sind.
Einer der Stoffe (disperse Phase) wird dabei möglichst
fein in einem anderen der Stoffe (Dispergens) verteilt. Eine Suspension
ist eine Dispersion bei der die disperse Phase ein Feststoff und
das Dispergens eine Flüssigkeit ist. Unter einer Emulsion
wird ein fein verteiltes Gemenge zweier verschiedener (normalerweise
nicht miteinander mischbarer) Flüssigkeiten ohne sichtbare
Entmischung verstanden. Die so genannte innere Phase (disperse Phase)
liegt dabei in kleinen Tröpfchen verteilt in der so genannten äußeren
Phase (kontinuierliche Phase, Dispersionsmittel, Dispergens) vor. Emulsionen
gehören somit zu den dispersen Systemen, sind also ein
Spezialfall einer Dispersion. Ein weiterer Bestandteil aller Emulsionen
ist ein Emulgator, der die Energie der Phasengrenze senkt und so einer
Entmischung entgegenwirkt. Zur Stabilisierung nicht mischbarer Flüssigkeiten
können grenzflächenaktive Substanzen, wie Emulgatoren,
Tenside, hinzugegeben werden. Sie verhindern, dass sich das Gemenge
wieder in seine Bestandteile trennt. Weitere Spezialfälle
von Dispersionen sind Gels, Aerosole, Schäume und Kolloide.
Disperse Systeme können auch verschachtelt auftreten. So
kann beispielsweise die disperse Phase einer Dispersion selbst eine
Dispersion sein.
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Der
Einsatz von Rohstoffdispersionen bzw. Rohstoffemulsionen führt
zu feinteiligen Pulvern mit besonders sphärischen Partikeln
und einer besonders engen Partikelgrößenverteilung.
Der Fachmann kann dabei ohne Weiteres aus dem reichhaltigen Angebot
an Hilfsstoffen zur Herstellung von Dispersionen bzw. Emulsionen
bestimmte Gruppen oder einzelne Vertreter für die jeweiligen
Anwendungszweck auswählen und durch Routineversuche die
Anwendung bezüglich der jeweiligen Anforderung optimieren.
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Liegt
die kalorische Energie des Rohstoffgemenges unter dem notwendigen
Wärmeinhalt zum Erreichen der gewünschten Prozesstemperatur
im Reaktionsraum, kann dem Rohstoffgemenge vor oder während
der Aufgabe in den Brennraum durch mindestens eine Brennraumeinlassöffnung
ein zusätzlicher Energieträger in Form eines Gases
oder einer Flüssigkeit zugegeben werden. Als Brenngas eignet
sich grundsätzlich jedes Gas, das zur Heißgaserzeugung
geeignet ist. Vorzugsweise wird Erdgas und/oder Wasserstoff verwendet.
Alternativ kann auch Propan oder Butan oder Gemische aus verschiedenen
Brennstoffen als Energieträger verwendet werden. Die Mischung
des Rohstoffgemenges und des zusätzlichen Energieträgers
kann zum Beispiel in einer der Brennraumeinlassöffnung
vorgeschalteten Mischkammer erfolgen.
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Der
Energieträger (hochkalorische Komponente) gelangt bevorzugt
periodisch in den Brennraum. Dort erfolgt die Zündung des
Energieträgers. Die Zündung kann allein aufgrund
der im Brennraum vorherrschenden hohen Temperaturen, gegebenenfalls
in Kombination mit hohen Drücken (vergleichbar Motoren)
durch Selbstzündung und/oder durch eine zusätzliche
Zündquelle erfolgen. Die Zündquelle kann dabei
kontinuierlich brennen (Zündflamme, Zündbrenner,
Stützflamme) oder periodisch zugeschaltet werden. Neben
einer kontinuierlichen Zündflamme kommen beispielsweise
in Betracht: Glühkerzen, Zündkerzen, elektrisch
beheizte Glühdrähte oder Glühgitter.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird der Energieträger
dem Brennraum über eine als Düse ausgebildete
Brennraumeinlassöffuung zugeführt. Die Art der
Düse ist abhängig von den spezifischen Bedingungen
des Rohstoffgemenges sowie von den gewünschten Prozessparametern.
Durch die Art der Düse können die Tröpfchengröße,
die Tröpfchengrößenverteilung sowie die
Verteilung der Tröpfchen im Brennraum bzw. Reaktionsraum
eingestellt werden. Verwendung finden können zum Beispiel Ein-
und Zweistoffdüsen, Lochdüsen, Mehrloch-Einspritzdüse,
Zapfendüsen. Vorteil der Verwendung einer Düse
ist die Aufgabe von fein verteilten Tröpfchen die Aufgrund
ihrer hohen Oberfläche eine schnelle Reaktionsumsetzung
gewährleisten.
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Der
an der Düse anliegende Druck ist, wie die Bauart der Düse
selber, eine maßgebliche Einflussgröße
auf die Tröpfchengröße, die Tröpfchengrößenverteilung
sowie die Verteilung der Tröpfchen im Brennraum bzw. Reaktionsraum.
Bei höheren Drücken werden beispielsweise prinzipiell
kleinere Tropfengrößen erreicht. Der Druck wird
durch eine Pumpe oder ein Pumpensystem erzeugt und ist vorzugsweise
variabel einstellbar.
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Der
Brennraum ist typischerweise als ein geschlossenes Gefäß gebildet,
welches mindestens eine Brennraumeinlassöffnung für
den Energieträger und/oder für das Rohstoffgemenge
und/oder für mindestens eine weitere gasförmige
Komponente (z. B. Reaktionsgase) aufweist. Ausgangsseitig weist
der Brennraum eine Öffnung für das Ausströmen
des Heißgasgemisches auf, die den Heißgaseinlass
des Reaktionsraums bildet oder zu diesem führt.
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Der
Brennraum weist vorzugsweise Strömungselemente auf, die
zur zusätzlichen Verwirbelung der Reaktionskomponenten
im Brennraum und endlich zu homogeneren Reaktionsbedingungen über
den Brennkammerquerschnitt betragen.
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Die
Form des Brennraumes beeinflusst den Verbrennungsprozess und damit
die resultierenden Eigenschaften der Partikel. Für eine
geringe Schwankungsbreite in der Partikelqualität muss
der Brennraum derartig gestaltet werden, dass nahezu gleiche Reaktionsbedingungen
an jedem Punkt im Innenraum vorliegen. Dabei ist die Abstimmung
der Brennkammergeometrie mit der eingesetzten Düse sowie
weiteren angewandten Reaktionsparametern (zum Beispiel Düsendruck)
erforderlich.
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Die
ausgangsseitige Öffnung des Brennraumes zum Entweichen
des Heißgasstroms, d. h. der Heißgaseinlass des
Reaktionsraums, kann unverschlossen, aber auch periodisch verschließbar
sein, beispielsweise durch ein steuerbares erstes Ventil.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform stellt der Brennraum
einen zylindrischen Raum dar. Die Brennraumeinlassöffnung
oder die Brennraumeinlassöffnungen, zum Beispiel Magnetventile,
wird bzw. werden periodisch geöffnet und geschlossen. Ausgangsseitig
ermöglicht eine konische Öffnung den Heißgasaustritt,
wobei dieser nicht verschließbar ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Brennraum
der Brennraum eines Zylinders eines herkömmlichen Verbrennungsmotors,
beispielsweise eines Hubkolbenmotors oder eines Rotationskolbenmotors.
Er weist neben den eingangsseitigen Brennraumeinlassöffnungen
für Energieträger und/oder Rohstoffgemenge und/oder
zusätzliche gasförmige Komponenten (beispielsweise
als zweites Ventil gebildet) einen beweglichen Kolben auf. Der Heißgasaustritt
erfolgt periodisch, ebenfalls über ein als Heißgaseinlass
des Reaktionsraums fungierendes erstes Ventil. Die Arbeitsweise
eines solchen Motor ist typischerweise zyklisch, bei einem Hubkolbenmotor
beispielsweise in mehreren, z. B. zwei oder meist vier Takten. Es
können mehrere dieser Brennräume in der Form mehrerer
Zylinder des Verbrennungsmotors parallel angeordnet sein, deren
Heißgase gegebenenfalls über ein jeweils eigenes
erstes Ventil ausgestoßen, in einer Art Abgaskrümmer
zusammengeführt und dem Reaktionsraum zugeführt werden.
Die Strecke von den ersten Ventilen über den Abgaskrümmer
bis zum Reaktionsraum kann dabei als Heißgaseinlass betrachtet
werden.
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Im
Folgenden ist ein typischer Ablauf der Vorgänge in einem
Zylinder eines solchen Verbrennungsmotors dargestellt, der in dieser
bevorzugten Ausführungsform gleichfalls im Brennraum des
thermischen Reaktors abläuft. Es existieren eine Reihe unterschiedlicher
Verbrennungsmotoren, die sich prinzipiell ebenfalls für
das Verfahren zur Herstellung der Partikel eignen. Beim 1. Takt
erfolgt das Ansaugen von Verbrennungsluft als einer weiteren gasförmigen
Komponente, gegebenenfalls in Kombination mit weiteren gasförmigen
Komponenten (Prozessgasen). Dazu steht der Kolben im oberen Totpunkt
und beginnt sich abwärts zu bewegen. Das als zweites Ventil
dienende Einlassventil an der Brennraumeinlassöffnung öffnet
und die Verbrennungsluft wird in den Zylinder (hier Brennraum) gesaugt.
Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird das zweite Ventil
geschlossen. Beim 2. Takt wird das sich im Zylinder (hier Brennraum)
befindliche Gas bzw. Gasgemisch durch die Aufwärtsbewegung
des Kolbens verdichtet. Ist der Kolben nahe am oberen Totpunkt angelangt,
wird der Energieträger mit dem Rohstoffgemenge eingespritzt,
beispielsweise durch eine als Düse gebildete Brennraumeinlassöffnung.
Der Energieträger entzündet sich, gegebenenfalls
mit Hilfe einer Zündkerze. Beim 3. Takt erfolgen die Ausdehnung
des durch die Verbrennung entstehenden Heißgases und damit
die Abwärtsbewegung des Kolbens. Im 4. Takt wird zunächst
das als erstes Ventil dienende Auslassventil geöffnet und
durch eine erneute Aufwärtsbewegung des Kolbens strömt
des Heißgas aus. Das Auslassventil schließt, kurz
nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat. Bei einem derart
konstruierten Brennraum können besonders feinteilige Partikel
hergestellt werden, da durch den hohen Druck im Brennraum besonders
feinteilige Tröpfchen gebildet werden, aus denen im Weiteren die
feinteiligen Partikel gebildet werden. Es wurde festgestellt, dass
die gezielte Produktion von feinteiligen Pulvern mit einer sehr
homogenen Produktqualität technologisch möglich
ist, wenn die Brennraumeinlassöffnung (zweites Ventil),
der Brennraum sowie der Kolben an den im Vergleich zu Benzin oder Diesel äußerst
hohen Feststoffanteil angepasst werden.
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Als
Verbrennungsluft wird beispielsweise Umgebungsluft verwendet, alternativ
kann Sauerstoff oder ein Gemisch aus beiden eingesetzt werden. Daneben
kann die Gasatmosphäre im Brennraum durch Zugabe weiterer
gasförmiger Komponenten, zum Beispiel CO2,
gezielt eingestellt werden und bietet damit eine weitere Steuerungsgröße
zum Einstellen der Reaktionsparameter bei der thermischen Herstellung
und Behandlung der feinteiligen Partikel. Die gasförmigen
Komponenten können dem Brennraum separat und/oder gemeinsam
mit dem Energieträger und/oder dem Rohstoffgemenge zugeführt
werden. Bei gemeinsamer Aufgabe des Rohstoffgemenges und/oder des
Energieträgers kann deren Vermischung beispielsweise in
einer vorgeschalteten Mischkammer oder einer Mischdüse
erfolgen.
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Die
periodische Zuführung des Energieträgers in den
Brennraum, die folgende Zündung des Energieträgers,
die anschließende zumindest partielle thermische Umsetzung
des Energieträgers (Verbrennung) mit der damit verbundenen
Entstehung des Heißgasgemisches (Volumenzunahme) und das anschließende
Ausströmen des Heißgasgemisches führt
zu einem pulsierenden Heißgasstrom im Reaktionsraum.
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Die
Verbrennungsfrequenz im Brennraum liegt vorzugsweise in einem Bereich
von 3 Hz bis 200 Hz, insbesondere 10 Hz bis 100 Hz und kann beispielsweise über
die Steuerung der periodischen Zuführung des Energieträgers
variiert werden. In diesem Frequenzbereich können die verfahrenstechnischen
Parameter besonders stabil über längere Zeit gesteuert
und damit eine gleich bleibende Produktqualität sichergestellt
werden.
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Der
pulsierende Heißgasstrom wird aus dem Brennraum durch den
Heißgaseinlass in mindestens einen sich an den Brennraum
anschließenden Reaktionsraum eingeleitet. Unter einem Reaktionsraum soll
hierbei jedes Gebilde verstanden werden, welches zumindest eine
Verweilzeit des im Brennraum erzeugten Heißgasstroms von
der Erzeugung bis zum Filter verlängert. Die Gestaltung
des Reaktionsraumes hängt dabei von der Art der gewünschten thermischen
Behandlung des Rohstoffgemenges bzw. der sich daraus bildenden feinteiligen
Pulver ab. Dabei kann eine Kopplung mehrer verschiedener Reaktionsräume
für eine stufige thermische Behandlung vorteilhaft sein.
Bedingt durch die gewählte Geometrie in Verbindung mit
der gewählten Prozessführung kann einer der Reaktionsräume
auch als Trocknungsraum, als Kalzinationsraum und/oder als Phasenumwandlungsraumraum
benutzt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist der angeschlossene
Reaktionsraum ein rohrähnliches Gebilde, wobei Auslass
und/oder Heißgaseinlass konisch ausgeführt werden
können. Der Durchmesser sowie die Rohrlänge bestimmen
dabei im Wesentlichen die Verweilzeit des Heißgasstromes
in diesem Reaktionsraum und können entsprechend an die
notwendigen Reaktionsbedingungen angepasst werden.
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Die
Zuführung des Rohstoffgemenges in den thermischen Reaktor
erfolgt entweder
- – periodisch (pulsierend)
in den Brennraum, dabei kann eine Rohstoffkomponente selbst als
wesentlicher Energieträger dienen, gegebenenfalls gemeinsam
mit einem oder mehreren zusätzlichen Energieträgern,
wie beispielsweise Erdgas, Diesel, Petroleumbenzin etc. oder
- – kontinuierlich in den Brennraum und/oder den angeschlossenen
Reaktionsraum, zum Beispiel durch feines Einsprühen, dabei
wird mindestens ein Energieträger, wie beispielsweise Erdgas, Diesel,
Petroleumbenzin etc., periodisch dem Brennraum zur Erzeugung der
pulsierenden Verbrennung zugeführt.
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Zur
Zuführung des Rohstoffgemenges an unterschiedlichen Positionen
des thermischen Reaktors (Brennraum, Reaktionsraum) weist diese
verschiedene Zuführungspunkte auf. Die Wahl des Zuführungspunktes
beeinflusst maßgeblich die thermische Behandlung des Rohstoffgemenges
bzw. der sich daraus bildenden feinteiligen Partikel und somit die Eigenschaften
der feinteiligen Pulver. Damit stellt die Wahl des Zuführungspunktes
eine maßgebliche Steuergröße für
die Produkteigenschaften dar.
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Das
Rohstoffgemenge kann in Form von festen Rohstoffen, als Rohstofflösung,
Rohstoffsuspension, Rohstoffdispersion oder Rohstoffemulsion eingebracht,
beispielsweise gesprüht oder zerstäubt werden.
Zudem können die Rohstoffe oder Rohstoffmischungen in gasförmiger
Form in den thermischen Reaktor eingeleitet werden. Dazu werden
die Rohstoffe bzw. das Rohstoffgemenge zunächst außerhalb
des beschriebenen thermischen Reaktors in die Gasphase überführt,
z. B. durch einen Verdampfer und dem thermischen Reaktor zugeführt.
Es besteht dabei auch die Möglichkeit der Kombination verschiedener
Zuführungsformen.
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Im
Falle eines Feststoffes oder Gels als Rohstoff oder Rohstoffgemenge
wird das Material bevorzugt über ein Fallrohr von oben
in den Reaktionsraum zugeführt. Beispielsweise werden der
Feststoff und/oder das Gel entgegen dem Strömungssinn des Heißgasstroms
aufgegeben. Durch die Länge des Fallrohres kann der Aufgabeort
und somit die Verweilzeit des Feststoffes variiert werden.
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Im
Falle einer Rohstofflösung, Rohstoffsuspension, Rohstoffdispersion
oder Rohstoffemulsion als Rohstoffgemenge erfolgt die Produktaufgabe
bevorzugt mittels einer Düse, beispielsweise durch eine Zweistoffdüse
oder Hochdruckeinspritzdüse. Die Art der Düse
beeinflusst die Töpfchenausbildung und somit die resultierende
Partikelform bzw. Partikelgrößenverteilung. Die
Einsprührichtung bezüglich des pulsierenden Heißgasstroms
kann zum Beispiel Prozessparameter, wie Verweilzeit und Turbulenzgrad, beeinflussen.
Ebenfalls wird das Sprühbild, insbesondere die Tröpfchengrößenverteilung
beeinflusst. Damit stellt die Wahl der Einsprührichtung
eine bedeutende Steuergröße für die Verweilzeit,
Turbolenzgrad und Partikelgrößenverteilung dar.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Einsprührichtung
im Strömungssinn des Heißgasstromes, beispielsweise
bei einem Zuführungspunkt im Brennraum oder im Reaktionsraum,
gewählt. Damit wird der pulsierende Heißgasstrom
am geringsten beeinflusst.
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In
einer anderen bevorzugten Ausfürungsform wird das Rohstoffgemenge
durch die Düse gegen die Strömungsrichtung des
Mittelstroms des pulsierenden Heißgases, insbesondere in
den Reaktionsraum eingesprüht. Die Aufgabe kann weiter
in jedem beliebigen Winkel zum Strömungssinn des Heißgasstroms
erfolgen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Rohstoffgemenge
periodisch in den Brennraum des thermischen Reaktors aufgegeben. Mindestens
eine der Rohstoffkomponenten dient dabei als wesentlicher Energieträger
für den Pro zess. Gegebenenfalls können dem Rohstoffgemenge
weitere Energieträger beigemischt werden.
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Zur
Bildung des Rohstoffgemenges werden zunächst Rohstoffkomponenten
im entsprechenden stöchiometrischen Verhältnis
kombiniert. Als Rohstoffkomponenten für die Herstellung
der Partikel kommen beispielsweise anorganische und/oder organische
Stoffe wie Nitrate, Chlorite, Carbonate, Hydrogencarbonate, Carboxylate,
Alkoholate, Acetate, Oxalate, Citrate, Halogenide, Sulfate, metallorganische
Verbindungen, Hydroxide oder Kombinationen dieser Stoffe in Betracht.
Diese Stoffe sind die Basiskomponenten des Rohstoffgemenges. Einsatz
können feste und/oder flüssige Rohstoffkomponenten finden.
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Zur
Herstellung von Rohstoffmischungen in Form von Lösungen
bzw. Suspensionen werden gegebenenfalls Hilfskomponenten als weitere
Rohstoffkomponenten benötigt. Zur Bildung einer Lösung wird
ein Lösungsmittel als Hilfskomponente hinzugefügt,
in dem die beispielsweise feste Basiskomponente gelöst
wird.
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Es
können weitere Hilfskomponenten, wie beispielsweise Tenside,
zu Reduzierung der Oberflächenenergie zu flüssigen
Rohstoffgemengen zugegeben werden. Damit kann die Tropfengröße
beim Einsprühen des Rohstoffgemenges in den thermischen
Reaktor beeinflusst und eingestellt werden.
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Weiterhin
kann eine organische und/oder anorganische kalorische Komponente
als Rohstoffkomponente bzw. Hilfskomponente zugegeben werden. Damit
ist eine Komponente gemeint, die in einem thermischen Prozess zusätzlich
kalorische Energie innerhalb des sich bildenden Partikels und/oder
im Bereich zwischen den Partikeln freisetzt und damit beispielsweise
eine Phasenbildung beschleunigt oder durch eine explosionsartige
thermische Umsetzung zum Zerreißen der aufgegebenen Tröpfchen führt.
Durch die Aufgabe bzw. thermische Behandlung kleinerer Tröpfchen
bilden sich zunächst Partikel mit kleinerem Partikeldurchmesser.
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Eine
besonders enge und definierte Kornverteilung der Partikel kann beispielsweise
durch einen ein- oder mehrstufigen nasschemischen Zwischenschritt
vor der thermischen Behandlung im thermischen Reaktor erreicht werden.
Dazu kann über die Art und Weise und die Prozessführung
des nasschemischen Zwischenschritts, beispielsweise über
eine so genannte Cofällung, die Partikelgröße
zunächst im Rohstoffgemenge eingestellt werden. Bei der
Einstellung der Partikelgröße ist zu beachten,
dass sie durch den folgenden thermischen Prozess verändert werden
kann. Für den nasschemischen Zwischenschritt eines wässrigen
und/oder alkoholischen Rohstoffgemenges können bekannte
Methoden wie beispielsweise Cofällung oder Hydroxidfällung
angewandt werden.
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Die
notwendige thermische Behandlungstemperatur des Rohstoffgemenges
bzw. der sich daraus bildenden feinteiligen Partikel ist grundsätzlich spezifisch
für die herzustellenden feinteiligen Pulver. Der thermische
Reaktor weist deshalb zumindest in Teilen ein variables und beeinflussbares
Temperaturprofil mit einer großen Variationsbreite auf.
Die maximale Temperatur des Heißgases liegt dabei vorzugsweise
im Bereich zwischen 200 und 2000°C, vorzugsweise zwischen
400°C und 1500°C. Die Einstellung und Steuerung
der Temperatur kann beispielsweise über die Art und Menge
des Energieträgers, über prozesstechnische Parameter
wie Volumenstrom oder durch Zuführung definierter Mengen
an Kühlmedien (Kühlgas/Kühlflüssigkeit)
an mindestens einem weiteren Zuführungspunkt erfolgen.
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Vorzugsweise
ist das Temperaturprofil des Heißgasstromes über
den gesamten thermischen Reaktor (Brennraum, Reaktionsraum sowie
im Bereich vor und im Filter) einstellbar. Dazu weist der thermische
Reaktor die Möglichkeit der zusätzlichen Aufgabe
von Energieträgern (Zweitfeuerung) oder der Aufgabe von
Kühlgas oder Kühlflüssigkeit an verschiedenen
Zuführungspunkten auf.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Prozesstemperatur
am Zuführungspunkt des Rohstoffgemenges durch einen reduzierten
Energieeintrag limitiert und wird durch Zuführung eines
zusätzlichen Energieträgers (Zweitfeuerung) nachträglich
erhöht. Damit wird das Problem gelöst, dass es
durch die thermoschock artige Behandlung bestimmter Rohstoffgemenge,
speziell bei Verwendung von wässrigen Rohstoffgemengen
(Nitratlösungen), zu einer Krustenbildung bei den eingesprühten
Rohstofftröpfchen durch Verdampfung an der Tröpfchenoberfläche
und der damit verbundenen Aufkonzentration der Inhaltsstoffe an
der Tröpfchenoberfläche, kommen kann. Diese Kruste
steht zunächst dem Entweichen von gebildeten gasförmigen
Stoffen (z. B. thermische Zersetzung der Lösungsmittel
oder Abspaltung von Nitrat) aus dem Inneren der Rohstofftröpfchen
entgegen. Durch den Gasdruck werden jedoch letztlich die Krusten
aufgebrochen und es bilden sich Partikel mit so genannter Hohlkugelstruktur.
Die Bildung von Partikeln mit Hohlkugelstruktur ist jedoch für
bestimmte Anwendungen unerwünscht. Hier wird eine sphärische
Form bevorzugt. Bei einer reduzierten Prozesstemperatur erfolgt
nicht in jedem Fall eine vollständige Stoffumwandlung.
Es gelingt jedoch durch Einbringen einer zusätzlichen Menge
eines Energieträgers (zum Beispiel Erdgas oder Wasserstoff),
den Energieeintrag zu dem Zeitpunkt zu erhöhen, an dem
zum Beispiel kein Lösungsmittel mehr im Inneren der Partikel
vorhanden ist (Zweitfeuerung). Diese Energie dient zum Beispiel
dazu, noch vorhandene Salzreste thermisch zu zersetzen und die Stoffwandlung,
zum Beispiel Phasenbildung, zu beschleunigen bzw. abzuschließen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Prozesstemperatur
im an den Brennraum angeschlossenen Reaktionsraum deutlich reduziert gegenüber
der Prozesstemperatur im Brennraum. Dies erschließt die
Möglichkeit der thermischen Behandlung des Rohstoffgemenges
bzw. der sich daraus bildenden feinteiligen Partikel bei Prozesstemperaturen
im Bereich von 100°C bis 750°C bei ausreichenden
Verweilzeiten (abhängig von der Geometrie des Reaktionsraumes).
Dadurch gelingt beispielsweise die Bildung von feinteiligen Hydroxid-
bzw. Hydratpulvern, wie zum Beispiel Ca-Phosphat-Hydrate. Zur Einstellung
einer gegenüber dem Brennraum geringeren Prozesstemperatur
im Reaktionsraum wird der Heißgasstrom durch Zuführen
eines Kühlmediums, insbesondere von Kühlgas und/oder
Kühlflüssigkeit gekühlt. Die Kühlung
kann dabei beispielsweise zwischen dem Brennraum und dem Reaktionsraum
bzw. am Anfang des Reaktionsraumes erfolgen. In vorteilhafter Weise
wird die Kühlung derart realisiert, dass der Heißgasstrom
nicht in seiner grundsätzlichen Strömungsrichtung
verändert bzw. die Pulsierung der Heißgasströmung
nicht vollständig unterbunden wird.
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Nach
der Bildung der Partikel im thermischen Reaktor kann eine zumindest
partielle ein- oder mehrstufige In-Situ-Beschichtung (der Spezialfall
der Imprägnierung wird hier unter dem Begriff der Beschichtung
mit eingeschlossen) der Partikel im pulsierenden Heißgasstrom
erfolgen. Dazu wird mindestens ein Beschichtungsgemenge an einem
im pulsierenden Heißgasstrom einem Ort der Partikelbildung
nachgelagerten Ort aufgegeben. Dabei ist bei einer geeigneten Wahl
des Prozessablaufes sowohl eine rein anorganische Beschichtung als
auch eine organische Beschichtung bzw. eine Kombination aus beiden
möglich. Die Flexibilität in der pulsierenden Heißgaserzeugung
und der Gestaltung des Reaktionsraumes bietet umfangreiche Einstellmöglichkeiten
der Prozessparameter und somit die Möglichkeit unterschiedliche
Beschichtungsformen, beispielsweise Schichtdicke oder Modifikation
der Beschichtung, zu realisieren. Durch die Prozesssteuerung, beispielsweise
durch die Prozesstemperatur am Zufürungspunkt, der Verweilzeit
und/oder durch die Wahl der Edukte des Beschichtungsgemenges, kann die
gewünschte Beschichtungsform realisiert werden.
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Vorteil
der In-Situ–Beschichtung an diesem thermischen Reaktor
ist, dass die gebildeten feinteiligen Partikel zunächst
im pulsierenden Heißgasstrom weitestgehend deagglomeriert
vorliegen und damit eine einfache Beschichtung erfolgen kann. Eine
Beschichtung der hergestellten feinteiligen Pulver in einem separaten
Behandlungsschritt (außerhalb des thermischen Reaktors)
ist weitaus schwieriger, da die feinteiligen Partikel außerhalb
des thermischen Reaktors bzw. des Heißgasstromes allein
aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche deagglomeriert
vorliegen.
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Die
Beschichtung der Partikel kann beispielsweise dazu dienen, dass
die Agglomerationsneigung der feinteiligen Partikel herabgesetzt
wird, die beschichteten Partikel leichter in Flüssigkeiten einarbeitbar
sind und/oder die Produkteigenschaften der feinteiligen Pulver an
anwendungsspezifische Gegebenheiten ange passt werden. Dazu kann
das Beschichtungsgemenge gasförmig und/oder flüssig dem
pulsierenden Heißgasstrom zugegeben werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform werden die gebildeten
feinteiligen Partikel mit organischen Substanzen beschichtet. Dabei
wird das organische Beschichtungsgemenge in flüssiger Form durch
feines Einsprühen an einem Zuführungspunkt in
den thermischen Reaktor aufgegeben, an dem die Prozesstemperaturen
kleiner als 300°C ist. Gegebenenfalls wird die Temperatur
des pulsierenden Heißgasstroms zuvor durch Zuführung
eines Kühlmediums reduziert.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine anorganische
Beschichtung dadurch realisiert, dass dem pulsierenden Heißgasstrom
ein Beschichtungsgemenge in gasförmiger Form zugegeben
wird. Die gasförmigen Komponenten des Beschichtungsgemenges
lagern sich dabei in Folge der thermischen Behandlung auf der Oberfläche
der gebildeten Partikel ab und beschichten diese zumindest teilweise.
Eine derartige Ablagerung der Beschichtungskomponenten an der Oberfläche
der Partikel kann zum Beispiel durch Kondensation in Folge reduzierter
Temperatur des pulsierenden Heißgasstroms erfolgen.
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Die
im thermischen Reaktor erzeugten feinteiligen Partikel werden mit
einem geeigneten Filter, wie beispielsweise einem Gaszyklon, Heißgasfilter einem
Oberflächenfilter, einem Elektrofilter oder einem Schlauchfilter,
von dem Heißgasstrom abgetrennt.
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Das
Heißgas wird vor seinem Eintritt in das Filter auf die
je nach dem Typ des Filters erforderliche Temperatur abgekühlt.
Dies erfolgt zum Beispiel durch einen Wärmetauscher und/oder
durch Einleiten von Kühlgasen in den Heißgasstrom.
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Die
Partikel können einer zusätzlichen einstufigen
oder mehrstufigen thermischen Nachbehandlung unterzogen werden,
um ihre Oberfläche zumindest teilweise zu modifizieren
und/oder gegebenenfalls verbliebene flüchtige Komponenten
(zum Beispiel Carbonate, Nitrate, etc.) zumindest teilweise zu entfernen.
Für die ther mische Nachbehandlung kommt vorzugsweise ein
weiterer thermischer Reaktor, insbesondere ein Drehrohrofen oder
eine Wirbelschichtanlage zum Einsatz.
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Die
feinteiligen Partikel werden in einer weiteren Ausführungsform
vor und/oder während mindestens einer der thermischen Nachbehandlungen zumindest
teilweise beschichtet oder imprägniert. Dabei können
mögliche Agglomerationen der beschichteten Partikel vorzugsweise
durch eine Trockenmahlung zumindest teilweise reduziert werden.
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Die
feinteiligen Partikel, beschichtet oder unbeschichtet, können
in eine Suspension überführt werden, wobei eine
Agglomeration der Partikel in der Suspension durch eine zusätzliche
Nassmahlung zumindest teilweise reduziert werden und/oder die Suspension
getrocknet werden kann, beispielsweise zu einem Granulat.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
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Darin
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines thermischen Reaktors mit einem Reaktionsraum,
-
2 eine
schematische Darstellung des thermischen Reaktors mit einem Reaktionsraum
und einem ersten Ventil,
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3 eine
schematische Darstellung eines thermischen Reaktors mit einem Brennraum,
-
4 eine
schematische Darstellung eines thermischen Reaktors mit einem Brennraum,
einem Kolben und einem als Auslassventil dienenden ersten Ventil,
und
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5 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines thermischen Reaktors für längere Verweilzeiten.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
einen thermischen Reaktor 1 zur Herstellung von Partikeln
P. Der thermische Reaktor 1 umfasst einen Reaktionsraum 2,
dem über einen Heißgaseinlass 3 ein Heißgasstrom
HGS periodisch zugeführt wird. Eine Frequenz dieser periodischen Zuführung
wird durch ein steuerbares erstes Ventil 4, das am Heißgaseinlass 3 oder
diesem vorgelagert angeordnet ist, vorgegeben. Zur Bildung von Partikeln
P wird dem Reaktionsraum 2 ein Rohstoffgemenge RG zugeführt.
Dieses umfasst Rohstoffkomponenten RK. Aus mindestens einer dieser
Rohstoffkomponenten RK werden die Partikel P gebildet. Die Zuführung
des Rohstoffgemenges RG kann zusammen mit dem Heißgasstrom
HGS durch den Heißgaseinlass 3 oder separat durch
einen von gegebenenfalls mehreren Zuführungspunkten 5 erfolgen.
Beide Möglichkeiten sind dargestellt. Bei Zuführung
des Rohstoffgemenges RG mit dem Heißgasstrom HGS kann die
Partikelbildung bereits vor dem Erreichen des Reaktionsraumes 2 im
Heißgasstrom HGS beginnen. Die aus dem Rohstoffgemenge
RG bzw. mindestens einer seiner Rohstoffkomponenten RK gebildeten
Partikel werden durch einen Auslass 6 aus dem Reaktionsraum 2 abgeführt.
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Zusätzlich
können dem Reaktionsraum 2 über die Zuführungspunkte 5 weitere
Prozessgase zur Einstellung einer definierten Reaktionsatmosphäre
zugeführt werden. Über die Zuführungspunkte 5 können
auch Kühlmedien KM, wie Kühlwasser oder Kühlluft,
oder weitere Energieträger ET zur gezielten Einstellung
eines Temperaturprofils bzw. Beschichtungskomponenten oder Beschichtungsmischungen BM
zur Beschichtung der bereits gebildeten feinteiligen Partikel P
zugeführt werden.
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Es
können im Anschluss an den Reaktionsraum 2 weitere
Reaktionsräume 2' für weitere Verfahrensschritte
vorgesehen sein, bevor die Partikel P mittels eines Filters 7 (nicht
dargestellt) aus dem Heißgasstrom HGS abgeschieden werden.
Es können mehrere erste Ventile 4 parallel so
angeordnet sein, dass sie Heißgasströme HGS aus
verschiedenen Quellen zusammenführen.
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2 zeigt
eine alternative Ausführungsform des thermischen Reaktors 1,
bei der der Heißgaseinlass 3 nicht durch ein erstes
Ventil 4 verschließbar ist. Die periodische Zuführung
des Heißgasstroms HGS in den Reaktionsraum 2 kann
hier durch eine periodische Verbrennung eines Energieträgers
ET oder einer als Energieträger verwendeten der Rohstoffkomponenten
RK mit steuerbarer Verbrennungsfrequenz in einem dem Reaktionsraum 2 vorgelagerten
Brennraum 8 erfolgen. Eine Kombination mit einem ersten
Ventil 4 am Heißgaseinlass 3 oder diesem
vorgelagert ist allerdings auch möglich. Rohstoffgemenge
RG und/oder Energieträger ET und/oder gegebenenfalls weitere
gasförmige Komponenten GK, wie beispielsweise Verbrennungsluft werden
dem Brennraum 8 durch mindestens eine Brennraumeinlassöffnung 9 getrennt
oder gemeinsam zugeführt.
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3 zeigt
eine Ausführungsform eines thermischen Reaktors 1 zur
Herstellung von feinteiligen Partikeln P mit einer mittleren Partikelgröße
von 10 nm bis 100 μm. Die Geometrie des thermischen Reaktors 1 entspricht
im Beispiel der eines herkömmlichen Pulsationsreaktors.
Hierzu umfasst der thermische Reaktor 1 einen Brennraum 8 zur
Erzeugung eines pulsierenden Heißgasstroms HGS. Ein Energieträger
ET wird periodisch in den Brennraum 8 über eine
Brennraumeinlassöffnung 9.3 oder 9.4 aufgegeben.
Im dargestellten Beispiel ist der Energieträger eine von
mehreren Rohstoffkomponenten RK eines Rohstoffgemenges RG. Als Rohstoffkomponenten RK
sind organische Metallverbindungen und Lösungsmittel vorgesehen.
Das Rohstoffgemenge RG wird mittels einer in einer der Brennraumeinlassöffnungen 9.1 bis 9.n vorgesehenen
Düse periodisch fein in den Brennraum 8 eingesprüht.
Als Energieträger ET können dem Brennraum 8 aber
auch brennbares Gas, z. B. Wasserstoff, oder flüssiger
Brennstoff, wie z. B. Benzin, zugeführt werden.
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Weitere
gasförmige Komponenten GK, wie Verbrennungsluft VL und
gegebenenfalls weitere Prozessgase, werden über eine weitere
Brennraumeinlassöffnung 9.1 in den Brennraum 8 aufgegeben,
im dargestellten Beispiel separat von der Zuführung des
Energieträgers ET. Die Zuführung der weiteren
gasförmigen Komponenten GK kann jedoch auch gemeinsam mit
dem Energieträger ET erfolgen. Dazu kann eine vorgesehaltete
Mischkammer zur Mischung dienen (nicht dargestellt). Im dargestellten Beispiel
wird dem Brennraum 8 Umgebungsluft als Verbrennungsluft
VL über die Brennraumeinlassöffnung 9.1 kontinuierlich
zugeführt.
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Die
Brennraumeinlassöffnung 9.1 und 9.2 können
dabei in einen Boden des Brennraumes 8 oder oberhalb des
Bodens in den Brennraum 8 münden. Vorzugsweise
mündet die Brennraumeinlassöfffnung 9.2 in
einen öffnenden Konus im Boden des Brennraumes 8.
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Der
periodisch aufgegebene Energieträger ET, im dargestellten
Beispiel eine hochkalorische von mehreren Rohstoffkomponenten RK
eines Rohstoffgemenges RG, wird im Brennraum 8 mit den
an der Verbrennung beteiligten der weiteren gasförmigen Komponenten
GK, wie der Verbrennungsluft VL, gezündet. Dies erfolgt
beispielsweise über eine periodisch oder kontinuierlich
brennende Zündquelle 10, im dargestellten Beispiel über
einen kontinuierlich brennenden Zündbrenner (Zündflamme).
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Der
Energieträger ET und die weiteren gasförmigen
Komponenten GK (z. B. die Verbrennungsluft VL) verbrennen sehr schnell
und erzeugen eine Druckwelle. Ausgangsseitig weist der Brennraum 8 eine Öffnung
auf, im dargestellten Beispiel eine nicht verschließbare Öffnung
in Form eines Loches. Diese bildet den Heißgaseinlass 3 des
Reaktionsraumes 2 bzw. führt zu diesem hin. Die
erzeugte Druckwelle kann sich nur in Richtung der ausgangsseitigen Öffnung
ausbreiten, da in Richtung der Brennraumeinlassöffnungen 9.1 bis 9.n Maßnahmen
zur Vermeidung des Gasaustritts getroffen sind. Beispielsweise können
in den Brenn raumeinlassöffnungen 9.1 bis 9.n zweite
Ventile 12 in der Art von Einlassventilen vorgesehen sein.
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An
die Öffnung des Brennraumes 8 schließt sich
der Reaktionsraum 2 an. Im dargestellten Beispiel entspricht
der Reaktionsraum 2 einem Resonanzrohr. Das Resonanzrohr
kann dabei auch eine Biegung, zum Beispiel um 90°, aufweisen.
Durch das Ausströmen des erzeugten Heißgasstromes
HGS aus dem Brennraum 8 in den Reaktionsraum 2 reduziert
sich der Überdruck im Brennraum 8 deutlich. Dadurch
dass die Zuführung des Energieträgers ET sowie
die sich daran anschließende schlagartige Verbrennung periodisch
ablaufen, wiederholt sich der Vorgang des Ausströmens von
Heißgas aus dem Brennraum 8 in den Reaktionsraum 2 ebenfalls
periodisch. Der Heißgasstrom HGS pulsiert.
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Im
Reaktionsraum 2 sind verschiedene Zuführungspunkte 5.1 bis 5.n vorgesehen.
Die Zuführungspunkte 5.1 bis 5.n sind
beispielsweise als Düsen ausgebildet. Darüber
können das Rohstoffgemenge RG, ein weiterer Energieträger
ET zum Zwecke der Zweitfeuerung, ein Beschichtungsgemenge BG, Hilfsstoffe
oder Kühlmedien KM in den Heißgasstrom HGS eingebracht
werden. Im dargestellten Beispiel wird das Rohstoffgemenge RG mit
einer als Energieträger ET dienenden Rohstoffkomponente RK
periodisch bereits in den Brennraum 8 geführt, der
Zuführungspunkt 5.2 dient zur Einleitung von Kühlluft
als Kühlmedium KM, um die Temperatur des pulsierenden Heißgasstroms
HGS ab dieser Stelle deutlich zu reduzieren. Dies dient in diesem
Falle dazu, um Sintereffekte, wie Partikelwachstum oder „Sinterhalsbildung"
zu unterbinden.
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In
dem Heißgasstrom HGS erfolgt die Partikelbildung aus dem
Rohstoffgemenge RG. Der erzeugte Heißgasstrom HGS weist
vorzugsweise eine Verbrennungsfrequenz von 5 Hz bis 200 Hz auf. Durch
die Wahl des Zuführungspunktes 5.1 bis 5.n bzw.
der Brennraumeinlassöffnungen 9.1 bis 9.n für die
Aufgabe von Rohstoffgemisch RG und anderen Stoffen ist sowohl eine
Reaktionstemperatur, die im Verlauf des Heißgasstroms HGS
einem bestimmten Profil folgt, als auch die Reihenfolge der Reaktionen zur
Partikelbildung und/oder Beschichtung bei aufeinan der folgenden
Verfahrensschritten im thermischen Reaktor 1 beeinflussbar.
Die im Heißgasstrom HGS gebildeten feinteiligen Partikel
P gelangen anschließend in ein Filter 7, das sich
an den Reaktionsraum 2 anschließt. Im Filter 7 werden
die gebildeten Partikel P vom Heißgasstrom HGS abgetrennt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der thermische
Reaktor 1 im Bereich eines sich schließenden Konus
des Brennraumes 8 in dessen ausgangsseitigem Bereich zumindest
mit einem Strömungselement versehen sein. Dies unterstützt eine
Verwirbelung des pulsierenden Heißgasstroms HGS, wodurch
eine bessere Durchmischung der Rohstoffe bzw. des Rohstoffgemenges
RG möglich ist. In einer besonders einfachen Ausführungsform ragt
das Resonanzrohr (hier Reaktionsraum 2) zumindest teilweise
in den schließenden Konus hinein.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform eines thermischen Reaktors 1 zur
Herstellung von feinteiligen Partikeln P mit einer mittleren Partikelgröße
von 10 nm bis 100 μm. Der thermische Reaktor 1 weist
einen Brennraum 8 zur Erzeugung des pulsierenden Heißgasstroms
HGS auf. Der Brennraum 8 umfasst einen Kolben 11,
der mechanisch angetrieben eine reversierende translatorische Bewegung
ausführen kann. Weiterhin umfasst der Brennraum 8 eingangsseitig
eine Brennraumeinlassöffnung 9.1, in dem dargestellten
Beispiel zur Zuführung der Verbrennungsluft VL mit einem
zweiten Ventil 12, eine Brennraumeinlassöffnung 9.2 für
das Rohstoffgemenge RG, in dem dargestellten Beispiel in Form einer
Düse sowie ausgangsseitig einen als Heißgaseinlass 3 des
Reaktionsraumes 2 dienenden Brennraumauslass für
den erzeugten Heißgasstrom HGS, im dargestellten Beispiel
mit einem steuerbaren ersten Ventil 4 verschließbar.
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Der
in 4 dargestellte Brennraum 8 arbeitet dabei
nach dem Funktionsprinzips eines Viertakt–Motors (im dargestellten
Beispiel in Form eines Motors mit innerer Gemischbildung, wie z.
B. bei Dieselmotor oder Benzin-Direkteinspritzer). Der Kolben 11 steht
im oberen Totpunkt und beginnt, sich abwärts zu bewegen.
Das Einlassventil (zweites Ventil 12 an der Brennraumeinlassöffnung 9.1) öffnet
und Verbrennungsluft VL wird in den Brennraum 8 gesaugt.
Wenn der Kolben 11 den unteren Totpunkt erreicht, wird
die Brennraumeinlassöffnung 9.1 geschlossen. Der
Kolben 11 bewegt sich nun nach oben und verdichtet dabei
die im Brennraum 8 befindliche Verbrennungsluft VL. Über
die Brennraumeinlassöffnung 9.2 wird das Rohstoffgemenge
RG mit metallorganischen Verbindungen und organischen Lösungsmitteln
als Rohstoffkomponenten RK eingespritzt. Mindestens eine der Rohstoffkomponenten
RK, beispielsweise das Lösungsmittel, dient dabei als Energieträger
ET. Der Energieträger ET entzündet sich in Verbindung
mit der Verbrennungsluft VL aufgrund des hohen Drucks und der hohen
Temperatur. Alternativ kann das Gemisch auch durch zum Beispiel eine
Zündkerze gezündet werden. Das verbrennende Gemisch
dehnt sich aus und schiebt den Kolben 11 nach unten. Wenn
der Kolben 11 den unteren Totpunkt erreicht, wird das erste
Ventil 4 geöffnet. Durch die Aufwärtsbewegung
des Kolbens 11 wird der erzeugte Heißgasstrom
HGS aus dem Brennraum 8 geschoben. Das erste Ventil 4 schließt,
kurz nachdem der Kolben 11 den oberen Totpunkt erreicht
hat.
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Der
in 4 dargestellte Brennraum 8 mit dem Funktionsprinzips
eines Motors mit innerer Gemischbildung ist eine bevorzugte Ausführungsform und
kann alternativ durch andere Ausführungsformen, zum Beispiel
durch Funktionsprinzipien vergleichbar von Motoren mit äußerer
Gemischbildung, z. B. Vergaser-Ottomotor oder indirekter Benzineinspritzer,
ersetzt werden.
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Durch
das erste Ventil 4 verlasst der erzeugte Heißgasstrom
HGS den Brennraum 8 und gelangt über den Heißgaseinlass 3 in
den angeschlossenen Reaktionsraum 2, hier in Form eines
Resonanzrohrs. Alternativ kann der Reaktionsraum 2 andere
geometrische Formen aufweisen in Abhängigkeit vom gewünschten
thermischen Behandlungsprofil des Rohstoffgemenges RG bzw. der daraus
zu bildenden feinteiligen Partikel P. Durch den periodisch ablaufenden
Verbrennungsprozess pulsiert der erzeugte Heißgasstrom
HGS.
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Im
Reaktionsraum 2 existieren verschiedene Zuführungspunkte 5.1 bis 5.n.
Die Zuführungspunkte 5.1 bis 5.n sind
beispielsweise als Düsen ausgebildet. Darüber
können das Rohstoffgemenge RG, ein weiterer Energieträger
ET, Beschichtungs gemenge BG, Hilfsstoffe oder Kühlmedien
KM in den Heißgasstrom HGS eingeführt werden.
Im dargestellten Beispiel wird das Rohstoffgemenge RG mit der als
Energieträger ET dienenden Rohstoffkomponente RK periodisch
bereits dem Brennraum 8 über die Brennraumeinlassöffnung 9.2 zugeführt,
der Zuführungspunkt 5.4 dient zur Einleitung von
Kühlluft als Kühlmedium KM, um die Temperatur
des pulsierenden Heißgasstroms HGS ab dieser Stelle deutlich
zu reduzieren. Dies dient in diesem Falle dazu, um Sintereffekte,
wie Partikelwachstum oder „Sinterhalsbildung" zu unterbinden.
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In
dem Heißgasstrom HGS erfolgt die Partikelbildung aus dem
Rohstoffgemenge RG. Der erzeugte Heißgasstrom HGS weist
vorzugsweise eine Verbrennungsfrequenz von 5 Hz bis 200 Hz auf. Durch
die Wahl des Zuführungspunktes 5.1 bis 5.n ist sowohl
eine Reaktionstemperatur, die im Verlauf des Heißgasstroms
HGS einem bestimmten Profil folgt, als auch die Reihenfolge der
Reaktionen zur Partikelbildung und/oder Beschichtung bei aufeinander
folgenden Verfahrensschritten im thermischen Reaktor 1 beeinflussbar.
Die im Heißgasstrom HGS gebildeten feinteiligen Partikel
P gelangen anschließend in das Filter 7, das sich
an den Reaktionsraum 2 anschließt. Im Filter 7 erfolgt
die Pulverabscheidung, indem die gebildeten Partikel P vom Heißgasstrom HGS
abgetrennt werden.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform für einen thermischen
Reaktor 1 zur Herstellung von feinteiligen Partikeln P
mit einer mittleren Partikelgröße von 10 nm bis
100 μm. Hierzu umfasst der thermische Reaktor 1 einen
Brennraum 8 zur Erzeugung des pulsierenden Heißgasstrom
HGS analog zum in 3 gezeigten Brennraum 8.
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An
die ausgangsseitige Öffnung des Brennraumes 8 schließt
sich ein Reaktionsraum 2 an, der anders als in 3 gebildet
ist. Der Reaktionsraum 2 hat die Form eines zylindrischen
Gefäßes, wobei der Heißgaseinlass 3,
d. h. die Verbindung zwischen Brennraum 8 und Reaktionsraum 2 konisch
in den Reaktionsraum 2 einläuft.
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Im
dargestellten Beispiel wird dem Brennraum 8 ein Energieträger
ET in Form von herkömmlichem Dieselkraftstoff über
die Brennraumeinlassöffnung 9.2 periodisch zugeführt. Über
die Brennraumeinlassöffnung 9.1 erfolgt die Zuführung
von Verbrennungsluft VL in Form von Umgebungsluft.
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Über
den Zuführungspunkt 5.1 erfolgt das Einführen
von Kühlluft als Kühlmedium KM in den Heißgaseinlass 3,
der als Teil des Reaktionsraums 2 betrachtet werden soll.
Dadurch wird die Temperatur des pulsierenden Heißgasstroms
HGS, welcher aus dem Brennraum 8 ausströmt, reduziert.
Damit kann die Prozesstemperatur im Reaktionsraum 2 zwischen
200°C bis 800°C eingestellt werden. Dies ist beispielsweise
dann vorteilhaft, wenn die hergestellten feinteiligen Partikel P
Phasen aufweisen sollen, die bei diesen Temperaturen stabil sind,
also gebildet werden können.
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Das
Rohstoffgemenge RG wird in dem dargestellten Beispiel über
den Zuführungspunkt 5.2 dem Reaktionsraum 2 und
damit dem pulsierendem Heißgasstrom HGS durch feines Zerstäuben
mittels einer im Zuführungspunkt 5.2 angeordneten
Zweistoffdüse zugeführt. Die feinteiligen Partikel
P bilden sich in der Folgezeit im pulsierenden Heißgasstrom HGS.
Vorteil des verglichen mit 3 vergrößerten Reaktionsraum 2 ist
die verlängerte Verweilzeit des Heißgasstromes
HGS und damit des Rohstoffgemenges RG bzw. der sich daraus bildenden
feinteiligen Partikel P.
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Die
im Heißgasstrom HGS gebildeten feinteiligen Partikel P
gelangen anschließend in ein Filter 7, das sich
an den Reaktionsraum 2 anschließt. Im Filter 7 erfolgt
die Pulverabscheidung, indem die gebildeten Partikel P vom Heißgasstrom
HGS abgetrennt werden.
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Die
folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung verdeutlichen.
Sie sind jedoch keinesfalls als limitierend zu betrachten. Alle
Verbindungen oder Komponenten, die in den Zubereitungen verwendet
werden können, sind entweder bekannt und käuflich
erhältlich oder können nach bekannten Methoden
synthetisiert werden. Die in den Beispielen angegebenen Temperaturen
gelten immer in °C. Es versteht sich weiterhin von selbst,
dass sich sowohl in der Beschreibung als auch in den Beispielen
die zugegebenen Mengen der Komponenten in den Zusammensetzungen
immer zu insgesamt 100% addieren. Gegebene Prozentangaben sind immer
im gegebenen Zusammenhang zu sehen. Sie beziehen sich üblicherweise
aber immer auf die Masse der angegebenen Teil- oder Gesamtmenge.
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Beispiel 1)
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Die
Rohstoffkomponente RK Tetraisopropylorthotitanat wird in handelsüblichem
Benzin (ROZ 95) als Rohstoffkomponente RK gelöst. Das so
gebildete Rohstoffgemenge RG in Form einer Rohstofflösung
weist einen Metallgehalt von 5% Titan auf. Das Rohstoffgemenge RG
wird bei einem Durchsatz von 10 kg/h mit Hilfe einer Schlauchpumpe
in die Brennraumeinlassöffnung 9.4 des in 3 gezeigten
thermischen Reaktors 1 oder in den Zuführungspunkt 5.2 des
in 4 gezeigten thermischen Reaktors 1 gepumpt
und dort über ein Ventil periodisch mit einer Frequenz
von 40 Hz in den Heißgasstrom HGS fein eingestäubt
und im thermischen Reaktor 1 thermisch behandelt. Zusätzlich
erfolgt die Aufgabe von Verbrennungsluft VL über die Brennraumeinlassöffnung 9.1 in
den Brennraum 8. Der Heißgasstrom HGS wird durch
Zugabe des Kühlmediums KM Kühlluft am Zuführungspunkt 5.3 oder 5.4 (4)
im vorderen bzw. mittleren Teil des Reaktionsraumes 2 derart
gekühlt, dass die Temperatur hinter dem Zuführungspunkt 5.3 oder 5.4 der
Kühlluft (bezogen auf den Heißgasstrom) auf 300°C
reduziert wird.
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Reaktor-Parameter:
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- – Temperatur im Brennraum 8:
750°C
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Als
Filter 7 zum Abtrennen der feinteiligen Partikel P aus
dem Heißgasstrom HGS wird ein Kassettenfilter verwendet.
Die TiO2-Partikel P weisen eine Korngröße
von d50 = 30 nm, eine kugelförmige Partikelform und eine
spezifische Oberfläche (BET) von 37 m2/g
auf.
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Beispiel 2)
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Die
Rohstoffkomponente RK Zinkacetat wird in der Rohstoffkomponente
RK Wasser als Lösungsmittel unter Erwärmen (30–50°C)
gelöst, so dass das resultierende Rohstoffgemenge RG in
Form einer Rohstofflösung einen Metallgehalt von 12% ZnO
aufweist. Zur definierten Einstellung der resultierenden Pulvereigenschaften,
wie zum Beispiel UV-Absorptionsvermögen, kann das Rohstoffgemenge
RG weitere übliche Dotierungselemente als Rohstoffkomponenten
RK aufweisen. Dieses warme Rohstoffgemenge RG wird bei einem Durchsatz
von 100 kg/h mit Hilfe einer Schlauchpumpe in den Reaktionsraum 2 am
Zuführungspunkt 5.2 des in 5 gezeigten Reaktors 1 gepumpt
und dort über eine 1,8 mm Titandüse in den Heißgasstrom
HGS kontinuierlich fein eingestäubt und thermisch behandelt.
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Der
pulsierende Heißgasstrom HGS (20 Hz) wird durch die diskontinuierliche
Aufgabe von Erdgas als Energieträger ET in den Brennraum 8 an
der Brennraumeinlassöffnung 9.2 erzeugt. Die Temperatur
des erzeugten Heißgasstroms HGS wird durch Zuführung
von Kühlluft als Kühlmedium KM am Zuführungspunkt 5.1 derart
reduziert, dass sich im Reaktionsraum 2 eine Prozesstemperatur
von 600°C einstellt.
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Reaktor-Parameter:
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- – Temperatur im Brennraum 8:
1000°C
- – Temperatur im Reaktionsraum 2: 600°C
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Als
Filter 7 zum Abtrennen der feinteiligen Partikel P aus
dem Heißgasstrom HGS wird ein Kassettenfilter verwendet.
Die ZnO-Partikel P weisen eine Korngröße von d50
= 25 nm, eine kugelförmige Partikelform und eine spezifische
Oberfläche (BET) von 44 m2/g auf.
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Beispiel 3)
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Analog
zum Ausführungsbeispiel 2 wird feinteiliges ZnO – Pulver
aus in Wasser als Rohstoffkomponente RK gelöstem Zn-Acetat
als Rohstoffkomponente RK hergestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird
jedoch der Heißgasstrom HGS mit den darin gebildeten Partikel
P aus dem Reaktionsraum 2 in einen weiteren Reaktionsraum 2' (nicht
gezeigt) geleitet.
-
Am
Zuführungspunkt 5.2' (nicht gezeigt) wird zusätzlich
gasförmiges Tetraethoxyorthosilicat (TEOS) als Beschichtungsgemenge
BG eingedüst in den Reaktionsraum 2' eingeleitet.
Das eingedüste Volumen an gasförmigen TEOS wird
dabei so gewählt, dass das molare Verhältnis TEOS
zu eingedüstem Zinkacetat 1/10 beträgt. Das entstehende
Siliziumdioxid ummantelt die Zinkoxidpartikel P im Heißgasstrom
HGS. Als Produkt entsteht neben den ummantelten Zinkoxidpartikeln
P zusätzlich ein geringer Anteil an reinen SiO2-Partikeln
P.
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Reaktor-Parameter:
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- – Temperatur im Brennraum 8:
1000°C
- – Temperatur im Reaktionsraum 2: 600°C
- – Temperatur im Reaktionsraum 2'. 575°C
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Als
Filter 7 zum Abtrennen der feinteiligen Partikel P aus
dem Heißgasstrom HGS wird ein Kassettenfilter verwendet.
Die mit SiO2 beschichteten ZnO Partikel
P (Komposit Material) weisen eine Korngröße von
d50 = 50 nm, eine kugelförmige
Partikelform und eine spezifische Oberfläche (BET) von
25 m2/g auf.
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Beispiel 4)
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Zur
Vorbereitung des Ausführungsbeispiels wird zunächst
Aluminiumtri-sec.-butylat als Rohstoffkomponente RK in Isopropanol
als Rohstoffkomponente RK unter Rühren gelöst
(Lösung A). Separat erfolgt das Lösen von getrocknetem
Yttriumacetat als Rohstoffkomponente RK und Cer(III)nitrat als Rohstoffkomponente
RK unter Rühren in der Rohstoffkomponenten RK DMSO (Lösung
B). Alternativ können weitere Dotierungselemente als Rohstoffkomponenten
RK zugegeben werden bzw. die eingesetzten Elemente ersetzen. Lösung
A wird unter Rühren in Lösung B gegeben. Die Y-Al-Ce-Mischnitratlösung (Lösung
C) entspricht dem molaren Verhältnis 2,91:5:0,09 für
die Elemente Y, Al und Ce.
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Dieser
Lösung C wird Petroleumbenzin als Rohstoffkomponente RK
in einem Verhältnis 1:1 zugegeben. Zur Stabilisierung erfolgte
die Zugabe von Hilfskomponenten (Span 80, Span 40). Aus dieser Mischung
wird durch die Behandlung in einem Homogenisator ein Rohstoffgemenge
RG in Form eine Emulsion hergestellt Das Rohstoffgemenge RG wird dann
in einem Hochdruck-Homogenisator bei 200 kbar zehnmal homogenisiert.
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Das
Rohstoffgemenge RG wird bei einem Durchsatz von 50 kg/h mit Hilfe
einer Schlauchpumpe in die Brennraumeinlassöffnung 9.4 des
in 3 gezeigten thermischen Reaktors 1 gepumpt
und dort über ein Ventil periodisch mit einer Frequenz
von 50 Hz in den Heißgasstrom HGS fein eingestäubt
und im Reaktor 1 thermisch behandelt. Zusätzlich
erfolgt die Aufgabe von Verbrennungsluft VL über den Zuführungspunkt 9.1 in
den Brennraum 8.
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Reaktor-Parameter:
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- – Temperatur im Brennraum 8:
900°C
- – Temperatur im Reaktionsraum 2: 850°C
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Als
Filter 7 zum Abtrennen der feinteiligen Partikel P aus
dem Heißgasstrom HGS wird ein Schlauchfilter verwendet.
Die YAG:Ce-Partikel P weisen eine besonders hohe homogene Elementverteilung
auf. Die Korngröße ist d50 =
700 nm, bei einer kugelförmige Partikelform und eine spezifische
Oberfläche (BET) von 6 m2/g.
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- 1
- Thermischer
Reaktor
- 2,
2'
- Reaktionsraum
- 3
- Heißgaseinlass
- 4
- Erstes
Ventil
- 5
- Zuführungspunkt
- 6
- Auslass
- 7
- Filter
- 8
- Brennraum
- 9
- Brennraumeinlassöffnung
- 10
- Zündquelle
- 11
- Kolben
- 12
- Zweites
Ventil
- BG
- Beschichtungsgemenge
- ET
- Energieträger
- GK
- weitere
gasförmige Komponente
- HGS
- Heißgasstrom
- KM
- Kühlmedium
- P
- Partikel
- RG
- Rohstoffgemenge
- RK
- Rohstoffkomponente
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 02/072471 [0006]
- - DE 102004044266 A1 [0006]