DE102018211635A1

DE102018211635A1 - Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln

Info

Publication number: DE102018211635A1
Application number: DE102018211635.0A
Authority: DE
Inventors: Marcus Linz; Christian Klaus; Holger Renft
Original assignee: Ibu Tec Advanced Materials AG
Current assignee: Ibu Tec Advanced Materials AG
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2020-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (PR) zur Herstellung von Partikeln (P), insbesondere von feinteiligen, wie nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln (P), beispielsweise mit einer mittleren Partikelgröße von 10 nm bis wenige Millimeter, aus mindestens einem Rohstoffmaterial (RM), mit- mindestens einem Brenner (1) und einer sich an den Brenner (1) anschließenden Brennkammer (2) zur Erzeugung eines pulsierenden Heißgasstroms (HGS),- einem der Brennkammer (2) nachgeschalteten Reaktionsraumabschnitt (5) sowie- einer dem Reaktionsraumabschnitt (5) zumindest mittelbar nachgeschalteten Abscheidevorrichtung (7) zur Abscheidung gebildeter Partikel (P) aus dem Heißgasstrom (HGS), wobei- die Abscheidevorrichtung (7) zumindest einen Hochtemperaturabscheider (7.1) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln, insbesondere von feinteiligen Partikeln, wie nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln.
Solche Partikel weisen typischerweise eine mittlere Korngröße von 10 nm bis wenige Millimeter auf.
Atome oder Moleküle, die Teil einer Oberfläche sind, haben andere elektronische und chemische Eigenschaften als ihre Atome oder Moleküle im Materialinneren. Je kleiner ein Partikel ist, desto höher ist sein Anteil an Oberflächenatomen. Entsprechend können sehr feinteilige Materialien, besonders Nanopartikel, ganz andere mechanische, elektronische, chemische oder optische Eigenschaften haben als chemisch - mineralogisch identische größere Partikel und machen sie deshalb für spezifische Anwendungen besonders interessant.
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 oder Herstellung aus der Gasphase (Aerosolprozess). Je nach Einsatzgebiet der Nanoteilchen ist meist eine genau definierte und enge Partikelgrößenverteilung erforderlich. Abhängig von der chemischen Natur der gewünschten Nanoteilchen eignet sich das eine oder andere Verfahren besser, um ein gutes Ergebnis zu erreichen. Meist liefern Verfahren in Lösung oder Verfahren der Selbstorganisierung die besten Ergebnisse, sind aber großtechnisch nur schwer oder gar nicht durchführbar.
Aus der WO 02/072471 bzw. aus der DE 10 2004 044 266 A1 sind Pulsationsreaktoren zur Herstellung feinteiliger Pulver bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln, insbesondere von feinteiligen Partikeln, wie nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln, anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln, insbesondere von feinteiligen, wie nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln, beispielsweise mit einer mittleren Partikel größe von 10 nm bis wenige Millimeter, aus mindestens einem Rohstoffmaterial umfasst mindestens einen Brenner und eine sich an den Brenner anschließende Brennkammer zur Erzeugung eines pulsierenden Heißgasstroms. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen der Brennkammer nachgeschalteten Reaktionsraumabschnitt, beispielsweise ein Resonanzrohr, und eine dem Reaktionsraumabschnitt zumindest mittelbar nachgeschaltete Abscheidevorrichtung zur Abscheidung gebildeter Partikel aus dem Heißgasstrom, wobei die Abscheidevorrichtung zumindest einen Hochtemperaturabscheider umfasst.
Mittels des Hochtemperaturabscheiders ist eine zumindest weitestgehend hohe Temperaturbeständigkeit der Abscheidevorrichtung erzielbar. Insbesondere ist eine Anpassung der Abscheidevorrichtung und somit der Vorrichtung selbst an hohe Prozesstemperaturen, wobei der Heißgasstrom den Hochtemperaturabscheider zur Abscheidung der gebildeten Partikel durchströmt, möglich. Insbesondere ist der Hochtemperaturabscheider in Abhängigkeit eines gewünschten Abscheidegrades, von Rohstoff- und Heißgaseigenschaften und einer Prozessanforderung der Abscheidevorrichtung, wie zum Beispiel einer benötigten im Wesentlichen Kalt- oder Heißabscheidung der Partikel, anpassbar.
Des Weiteren kann eine Effizienzsteigerung der Partikelabscheidung bei verschiedenen technischen und hoch-thermischen Verfahren zur Partikelherstellung erzielt werden. Dabei ist insbesondere eine Erhöhung einer Verweilzeit der dem Heißgasstrom aufgegebenen Partikel in der Vorrichtung bis hin zur Abscheidevorrichtung und innerhalb des Hochtemperaturabscheiders möglich. Die Erhöhung der Verweilzeit wird insbesondere dadurch erreicht, dass beispielsweise eine Behandlungstemperatur weitestgehend konstant bleiben kann und nicht mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden muss. Eine längere Verweilzeit der Partikel ermöglicht beispielsweise einen längeren Reaktionsweg, innerhalb welchem eine geeignete Umwandlung der Partikel von einer Anfangsform, insbesondere der Kristallmorphologie, in eine gewünschte Endform stattfinden kann. Zudem ist eine Umsatzerhöhung innerhalb der Verweilzeit in Abhängigkeit gewünschter Partikel möglich. Weiterhin kann der Partikel direkt aus dem Heißgasstrom in eine Schutzatmosphäre abgeschieden werden, so dass keine ungewollte Reaktion mit den Komponenten des Kühlmediums hervorgerufen wird.
Insbesondere Fliehkraftabscheider weisen dabei den Vorteil auf, dass diese bereits ohne Belegung eines Filtermediums abscheiden. Unter einer Belegung wird dabei insbesondere eine Menge an Partikeln, welche sich als Schicht auf einem Filtermedium befinden, verstanden.
Unter nanoskaligen Partikeln, die in der zuvor beschriebenen Vorrichtung hergestellt werden, werden insbesondere Partikel im Nanobereich gemäß DIN SPEC 1121 (DIN ISO/TS 27687) verstanden, die beispielsweise Korn- oder Partikelgrößen im Bereich von 10 nm bis 120 nm, insbesondere im Bereich von 20 nm bis 100 nm, beispielsweise von 40 nm bis 80 nm aufweisen. Unter nanokristallinen Partikeln, die in der zuvor beschriebenen Vorrichtung hergestellt werden, werden insbesondere Partikel verstanden, deren Korn aus mehreren kleinen Kristallen gebildet ist und eine Korn- oder Partikelgröße von wenigen Millimetern, insbesondere von kleiner 8 mm, insbesondere kleiner 5 mm oder 3 mm, aufweisen. Auch können unter feinteiligen Partikeln nanokristalline Partikel mit einer Partikelgröße von < 20 µm verstanden werden. Darüber hinaus kann verstanden werden, dass Nanopartikel, insbesondere so genannte nanoskalige Partikel, auf Partikelgrößen im Nanobereich bezogen sind, wobei nanokristalline Partikel eine im Vergleich größere Partikelgröße aufweisen können. Die nanokristallinen Partikel kennzeichnen sich durch beispielsweise eine polykristalline Struktur, bei welcher die Kristalle Größenanordnungen im Nanobereich aufweisen können. Diese Stoffe können ebenso differenzierte Eigenschaften aufweisen. Insbesondere sind beide Partikelarten abhängig vom Eingangsmaterial erzeugbar.
Das Rohstoffmaterial wird insbesondere als Feststoff, beispielsweise als imprägnierter Feststoff aufgegeben. Beispielsweise kann es sich dabei um ein feinteiliges Pulver mit oder ohne Beschichtung handeln. Alternativ kann das Rohstoffmaterial in Form einer Lösung oder Suspension aufgegeben werden. Dabei erfolgt die Aufgabe des Rohstoffmaterials als Lösung oder Suspension beispielsweise in die Brennkammer.
Unter einem Reaktionsraum wird insbesondere jenes Anlagen- oder Reaktorraumvolumen, wie beispielsweise Rohr-, Behälter- und/oder Leitungsvolumen, vom Aufgabeort des Rohstoffmaterials bis hin zur Abkühlung des Materials vor einer Abscheidung oder einem Filtern der hergestellten Partikel verstanden.
In einer Weiterbildung der Vorrichtung umfasst der Hochtemperaturabscheider zumindest einen Fliehkraftabscheider und/oder einen Elektroabscheider und/oder zumindest einen Schwerkraftabscheider und/oder zumindest ein Filterelement. Mittels des Fliehkraftabscheiders und/oder mittels des Elektroabscheiders ist ein geringer Aufwand zum Ausbringen der Partikel in Abhängigkeit einer Strömungsgeschwindigkeit, einer Beladung und eines Volumen des Heißgasstroms erzielbar. Weiterhin sind der Fliehkraftabscheider und/oder der Elektroabscheider sehr einfach zu reinigen und erfordern kein Filterverbrauchsmaterial.
Bei einer Kombination des Fliehkraftabscheiders und/oder Elektroabscheiders mit dem Filterelement kann ein Abscheidegrad verbessert werden, wobei der Hochtemperaturabscheider auf einfache Weise in Abhängigkeit von Rohstoff- und Heißgaseigenschaften und einer Prozessanforderung der Abscheidevorrichtung einstellbar bzw. anpassbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist dem Fliehkraftabscheider und/oder dem Elektroabscheider das Filterelement nachgeschaltet. Beispielsweise wird im Fliehkraftabscheider eine Hauptmenge der Partikel bereits abgeschieden, wobei mittels des nachgeschalteten Filterelements feinere Partikelfraktionen abgeschieden werden können. Somit können eine Verbesserung eines Materialdurchsatzes und eine Verbesserung des Abscheidewirkungsgrades erzielt werden. Des Weiteren kann die Verweilzeit verbessert werden.
In einer möglichen Ausgestaltung ist das Filterelement hochtemperaturfest ausgebildet. Hierdurch wird ermöglicht, dass beispielsweise eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Filterelements entfallen kann. Beispielsweise wird eine solche Kühlvorrichtung in herkömmlicher Weise zwischen dem Fliehkraftabscheider und einem textilen Gewebefilter angeordnet. Durch den Entfall dieser Kühlvorrichtung ist die Abscheidevorrichtung insbesondere bauraumsparend ausbildbar.
Eine mögliche Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass das hochtemperaturfeste Filterelement zumindest anteilig aus Metall oder Keramik oder teilkristallinem Polymer gebildet ist. Dadurch ist eine Temperaturbeständigkeit des Filterelements gegenüber weitestgehend hohen Prozesstemperaturen, beispielsweise des Heißgases, im Gegensatz zu bereits bekannten Filteranordnungen mit textilen Filtermedien verbessert. Darüber hinaus ist das Filterelement gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen weitestgehend robust ausgebildet.
In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst das das teilkristalline Polymer umfassende Filterelement zumindest anteilig Polytetrafluorethylen (kurz: PTFE). In einer möglichen Weiterbildung ist das Filterelement zumindest anteilig aus Sintermetall, Kornkeramik und/oder Faserkeramik gebildet. Weiterhin kann das Filterelement beispielsweise Hochtemperaturwolle umfassen. Beispielsweise umfasst das Filterelement aus unterschiedlichen Materialien gebildete Schichten und/oder Beschichtungen. Weiterhin kann das Filterelement aus unterschiedlichen Materialien gebildete Abschnitte umfassen.
Eine mögliche Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass zumindest ein Teil des Filterelements als beispielsweise temperaturfest ausgebildeter Einsatz ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausbildung der Vorrichtung ist der Einsatz in Form einer Filterzelle oder in Form eines Patronen-, Schlauch- oder Gewebefilters ausgebildet. Des Weiteren kann der Einsatz in Form einer Filterkassette, eines Taschen- oder Lamellenfilters oder in Form einer Filterkerze gebildet sein. Eine geometrische Form des Einsatzes ist beispielsweise an eine Form des Hochtemperaturabscheiders und beispielsweise eines Filtergehäuses angepasst. Dabei kann der Einsatz beispielsweise innerhalb des Filtergehäuses Stoff-, kraft- und/oder formschlüssig befestigt werden. Weiterhin ist die Ausbildung des Einsatzes in Abhängigkeit einer Behandlungstemperatur, eines Behandlungsprozesses und/oder eines zu behandelnden Rohstoffmaterials anpassbar. Des Weiteren kann der Einsatz als Tiefenfilter verwendet werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Filteranordnung zumindest einen strömungstechnisch mit dem Heißgasstrom verbundenen Filterraum zur Aufnahme zumindest des Fliehkraftabscheiders und/oder des zumindest einen Filterelements, beispielsweise eines Einsatzes. In einer Weiterbildung umfasst der Hochtemperaturabscheider eine Mehrzahl von Filterräumen, welche strömungstechnisch miteinander oder zumindest mittelbar, beispielsweise über eine Ausgangsleitung, jeweils mit dem Reaktionsraumabschnitt gekoppelt sind. Beispielsweise kann mittels der Anzahl oder Mehrzahl von Filterräumen der Wirkungsgrad, insbesondere der Abscheidegrad des Hochtemperaturabscheiders, beeinflusst werden. Zum Beispiel unterscheiden sich die jeweiligen temperaturfesten Einsätze innerhalb des jeweiligen oder gemeinsamen Filterraumes in ihrer Permeabilität voneinander.
Eine mögliche Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass die Filterräume in Reihe oder parallel geschaltet sind. Beispielsweise sind die jeweiligen Filterräume in Abhängigkeit einer gewünschten Partikelgrößenverteilung, Strömungsgeschwindigkeit und Partikelform in Reihe oder parallel geschaltet. Beispielsweise erfolgt eine Reihenschaltung, wenn es sich um verschiedene Abscheider handelt. Eine Parallelschaltung erfolgt beispielsweise, wenn mehrere gleiche Abscheider verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weisen bzw. weist der Fliehkraftabscheider und/oder der Elektroabscheider und/oder das Filterelement, beispielsweise der temperaturfeste Einsatz, eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 250 °C bis mindestens 1000 °C auf, beispielsweise im Gegensatz zu bereits bekannten textilen Filtermedien. Zudem ist der Hochtemperaturabscheider mittels des hochtemperaturfesten Fliehkraftabscheiders und/oder der Elektroabscheiders und/oder dem aus Metall, Keramik oder teilkristallinem Polymer gebildeten temperaturfesten Filterelements gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen weitestgehend robust ausgebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln mit einer Abscheidevorrichtung,
2A schematisch ein Ausführungsbeispiel der Abscheidevorrichtung mit einem Fliehkraftabscheider gemäß 1 und
2B schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Abscheidevorrichtung mit einem Filterelement gemäß 1.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Vorrichtung PR, insbesondere einen thermischen Reaktor zur Herstellung von feinteiligen Partikeln P, insbesondere von nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln P. Beispielsweise weisen die aus mindestens einem Rohstoffmaterial RM hergestellten Partikel P im Endprodukt eine mittlere Partikel- oder Korngröße von kleiner 10 nm bis wenige Millimeter, auf.
Der thermische Reaktor ist beispielhaft als ein Pulsationsreaktor ausgebildet, in welchem in einem pulsierenden, schwingenden Heißgasstrom HGS die Partikel P gebildet werden. Hierzu umfasst der thermische Reaktor einen Brenner 1 und eine sich an den Brenner 1 anschließende Brennkammer 2 zur Erzeugung des pulsierenden Heißgasstroms HGS. Dabei werden Verbrennungsgase VG und zumindest ein Brennstoff BS über eine Zuführung 3 gemeinsam oder separat in den Brenner 1 und über diesen in die Brennkammer 2 eingebracht.
Als Brennstoff BS wird insbesondere ein brennbares Gas, wie zum Beispiel Wasserstoff, zugeführt. Auch kann ein anderes geeignetes Gas als Brenngas zugeführt werden.
Als Verbrennungsgas VG wird zum Beispiel Umgebungsluft, Sauerstoff, etc. verwendet. Die zugeführten Verbrennungsgase VG und Brennstoffe BS werden beispielsweise in der Brennkammer 2 gezündet. Die daraus resultierende Flamme pulsiert aufgrund einer selbsterregten periodisch-instationären Verbrennung und erzeugt einen pulsierenden Heißgasstrom HGS in der Brennkammer 2. Der pulsierende Heißgasstrom HGS strömt von der Brennkammer 2 strömungsausgangsseitig in einen Reaktionsraumabschnitt 5, beispielsweise ein Resonanzrohr.
Im Detail werden der Brennstoff BS sowie das notwendige Verbrennungsgas VG gemeinsam, beispielsweise vorgemischt, oder getrennt über den Brenner 1 der Brennkammer 2 zugeführt und dort gezündet. Dabei verbrennen der Brennstoff BS und das Verbrennungsgas VG sehr schnell und erzeugen eine Druckwelle in Richtung des Reaktionsraumabschnitts 5, beispielsweise in Richtung eines Resonanzrohres. Durch den geringeren Strömungswiderstand in Richtung des Reaktionsraumabschnitts 5 erfolgt die Ausbreitung einer Druckwelle. Während des akustischen Schwingungsverlaufes wird der Druck in der Brennkammer 2 reduziert, so dass neues Brenngasgemisch oder neuer Brennstoff BS und Verbrennungsgas VG nachströmen kann bzw. können. Dieser Vorgang des Nachströmens durch Druckschwankungen erfolgt selbstregelnd periodisch. Der pulsierende Verbrennungsprozess in der Brennkammer 2 erzeugt den pulsierenden Heißgasstrom HGS, welche durch einen hohen Turbulenzgrad gekennzeichnet ist. Die hohe Strömungsturbulenz und die sich stetig wechselnde Strömungsgeschwindigkeit verhindern den Aufbau einer isolierenden Gashülle (Grenzschicht) um die sich aus dem Rohstoffmaterial RM, insbesondere eine Rohstoffmischung, bildenden Partikel P, wodurch ein höherer Wärmeübertrag und Stofftransport (zwischen Rohstoff und Heißgas) möglich ist. Typischerweise liegt die Verweilzeit bei weniger als einer Sekunde bis wenige Sekunden. Zudem erreicht ein besonders großer Anteil der gebildeten Partikel P mit beispielsweise ansteigender Verweilzeit der Partikel eine gewünschte sphärische Form. Diese Reaktion führt weiterhin bei der Ausbildung der festen Phase der Partikel P zu einem hohen Anteil an Gitterfehlordnungen (zum Beispiel zu einer nanokristallinen Form) und infolgedessen zu einer hohen Reaktivität der hergestellten Partikel P. Zur Abscheidung der Partikel P als Reaktionsprodukt aus dem Heißgasstrom HGS schließt sich an den Reaktionsraumabschnitt 5 zumindest mittelbar eine geeignete Abscheidevorrichtung 7 für feinteilige Partikel P oder Feinstpartikel an.
Die Frequenz des pulsierenden Heißgasstroms HGS liegt dabei im Hertz-Bereich, insbesondere in einem Bereich von wenigen Hertz, beispielsweise von größer 5 Hz, insbesondere größer 50 Hz, beispielsweise in einem Bereich von 5 Hz bis 350 Hz. Parameter des Heißgasstroms HGS, wie Amplitude und/oder Frequenz der Schwingung, sind dabei einstellbar. Dies kann über die Verbrennungsparameter, wie Brennstoffmenge, Luftmenge, Lufttemperatur, Brennstofftemperatur und/oder Flammentemperatur, Ort der Brennstoff-/Luftaufgabe und/oder über Proportionen und/oder Änderungen dieser von Brennkammer 2, Brenner 1 und/oder Reaktionsraumabschnitt 5 erfolgen.
Die Brennkammer 2 ist als ein Brennraum ausgebildet, dessen Abmessungen, insbesondere dessen Durchmesser, größer ist als die Abmessungen, insbesondere der Durchmesser, des Reaktionsraumabschnitts 5.
Darüber hinaus ist mindestens ein Aufgabeort AO zur Aufgabe von Rohstoffmaterial RM, im Folgenden als Rohstoffmaterialaufgabe bezeichnet, vorgesehen. Zum Beispiel können an dem Aufgabeort AO Rohstoffmaterialien RM in Form von festen, gasförmigen und/oder flüssigen Rohstoffen und/oder Rohstoffmischungen, als Rohstofflösung oder Rohstoffdispersion eingebracht werden.
Im Fall einer Aufgabe des Rohstoffmaterials RM, insbesondere einer Lösung oder einer Suspension, bereits in der Brennkammer 2 kann die Brennkammer 2 selbst einen Reaktionsraum bilden. Im Allgemeinen findet in der Brennkammer 2 die Verbrennung statt und die Erzeugung des pulsierenden Heißgasstroms HGS. Demgegenüber findet im Reaktionsraumabschnitt 5 üblicherweise keine Verbrennung des Brennstoffes BS mehr statt. Es ist aber auch möglich, insbesondere am Eingang des Reaktionsraumabschnitts 5 und somit im Bereich des oberen Endes der Brennkammer 2 zusätzlich Brennstoff BS und/oder Verbrennungsgas VG als Zwischenfeuerung zuzuführen. Ebenso ist es möglich, am oberen Ende der Brennkammer 2 Rohstoffmaterial zuzuführen. In diesem Fall bildet die Brennkammer 2 auch einen Reaktionsraum, da dort ebenfalls Material behandelt wird.
Dem Reaktionsraumabschnitt 5 ist die Abscheidevorrichtung 7 zumindest mittelbar, beispielsweise über eine Ausgangsleitung, nachgeschaltet. Das Rohstoffmaterial RM wird mittels des Heißgasstroms HGS vom Aufgabeort AO über den Reaktionsraumabschnitt 5 unter Bildung der Partikel P zu der Abscheidevorrichtung 7 geführt und transportiert.
Die Abscheidevorrichtung 7 umfasst einen Hochtemperaturabscheider 7.1, aus welchem die gefertigten Partikel P abgeschieden werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Hochtemperaturabscheider 7.1 ein Filtergehäuse 7.2 mit zwei Filterräumen 7.3, 7.4, die beispielsweise durch eine Innentrennwand 7.2.1 voneinander getrennt sind. In einer nicht näher dargestellten Ausführungsform kann die Anzahl oder Mehrzahl der Filterräume 7.3, 7.4 variieren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Filterräume 7.3, 7.4 beispielsweise rohrförmig ausgebildet.
Zur Abführung eines Transportmediums TM, wie zum Beispiel Heißgas und/oder Abgas, aus der Abscheidevorrichtung 7 umfasst der Hochtemperaturabscheider 7.1 zumindest ein Leitungselement 7.5, wie zum Beispiel eine Schleuse oder eine Rohrleitung.
Die Filterräume 7.3, 7.4 sind strömungstechnisch miteinander gekoppelt, wobei einer der Filterräume 7.3 über eine Ausgangsleitung mit dem Reaktionsraumabschnitt 5 und somit strömungstechnisch mit dem Heißgasstrom HGS verbunden ist. Dabei sind die Filterräume 7.3, 7.4 in Reihe geschaltet. In einer nicht gezeigten Weiterbildung sind die Filterräume 7.3, 7.4 jeweils über eine Ausgangsleitung mit dem Reaktionsraumabschnitt 5 strömungstechnisch gekoppelt. Dabei sind die Filterräume 7.3, 7.4 parallel geschaltet.
Dabei sind die Filterräume 7.3, 7.4 jeweils zur Aufnahme zumindest eines Filters ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Hochtemperaturabscheider 7.1 einen Fliehkraftabscheider 9 und ein Filterelement 10 zur Abscheidung der gefertigten Partikel P. In einer weiteren Ausführungsform der Abscheidevorrichtung 7 können mehrere Fliehkraftabscheider 9 und/oder Filterelemente 10 parallel oder in Reihe geschaltet werden. Auch ist es möglich, dass alternativ oder zusätzlich zum zumindest einen Fliehkraftabscheider 9 zumindest ein Elektroabscheider vorgesehen ist. Der Fliehkraftabscheider 9 und/oder der Elektroabscheider und/oder das Filterelement 10 müssen dabei nicht in Filterräumen 7.3, 7.4 angeordnet sein, sondern können auch direkt mit dem Reaktionsraumabschnitt 5 gekoppelt sein.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Filterraum 7.3 beispielsweise den Fliehkraftabscheider 9, welcher auch Zyklonabscheider oder Wirbler genannt wird. Dabei dient der Fliehkraftabscheider 9 als Massenkraftabscheider zur Abtrennung von in strömenden Fluiden enthaltener Partikel P. Beispielsweise werden als Trennmechanismus Zentrifugalkräfte verwendet, die beispielsweise durch Erzeugung einer Wirbelströmung innerhalb des Filterraumes 7.3 entstehen.
Beispielsweise ist dem Fliehkraftabscheider 9 das Filterelement 10 nachgeschaltet. Eine Anzahl von nachgeschalteten Filterelementen 10 kann je nach Prozessanforderung variieren. Dabei wird im Fliehkraftabscheider 9 beispielsweise eine Hauptmenge der Partikel P bereits abgeschieden. Mittels des nachgeschalteten Filterelements 10 werden feinere Partikelfraktionen abgeschieden. Somit können eine Verbesserung eines Materialdurchsatzes und eine Verbesserung des Abscheidewirkungsgrades erzielt werden. Weiterhin können bereits nach kurzer Zeit Proben des Produkts entnommen werden, um eine Qualität desselben zu überprüfen und eine Einhaltung von Qualitätsanforderungen sicherzustellen.
In einer möglichen Ausgestaltung ist das zumindest eine Filterelement 10 hochtemperaturfest ausgebildet und beispielsweise zumindest anteilig aus Metall und/oder Keramik und/oder teilkristallinem Polymer gebildet. Zum Beispiel umfasst das Filterelement 10 Polytetrafluorethylen (kurz: PTFE). Des Weiteren kann das Filterelement 10 aus Sintermetall, Kornkeramik und/oder Faserkeramik oder anderen zur Hochtemperatur- und/oder Heißgasfilterung geeigneten Materialien gebildet sein. Dabei ist eine weitestgehend hohe Temperaturbeständigkeit in dem Hochtemperaturabscheider 7.1 erzielbar. Insbesondere weist der Hochtemperaturabscheider 7.1 eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 250 °C bis mindestens 1000 °C auf. Zudem ist das aus Metall, Keramik oder teilkristallinem Polymer gebildete temperaturfeste Filterelement 10 gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen weitestgehend robust ausgebildet.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausbildung ist zumindest ein Teil des Filterelements 10 als Einsatz, beispielsweise temperaturfester Einsatz, in Form einer Filterzelle oder in Form eines Patronen-, Schlauch- oder Gewebefilters ausgebildet. Des Weiteren kann das Filterelement 10 in Form einer Filterkassette, einer Filtermatte, eines Taschen- oder Lamellenfilters oder in Form einer Filterkerze gebildet sein. Eine geometrische Form des Filterelements 10 ist beispielsweise an eine Form des jeweiligen Filterraumes 7.3, 7.4 und/oder des Filtergehäuses 7.2 anpassbar. Dabei kann das Filterelement 10 beispielsweise innerhalb des Filtergehäuses 7.2 und an der Innentrennwand 7.2.1 stoff-, kraft- und/oder formschlüssig befestigt werden. Beispielsweise ist das Filterelement 10 mittels einer Niet-, Kleb-, Schraub-, Rast-, Klemm- und/oder Schweißverbindung innerhalb des Filtergehäuses 7.2 befestigt.
2A zeigt ein Ausführungsbeispiel der Abscheidevorrichtung 7 mit einem Fliehkraftabscheider 9 gemäß 1.
Beispielsweise wird im Fliehkraftabscheider 9 eine Hauptmenge der Partikel P abgeschieden.
2B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Abscheidevorrichtung 7 mit einem Filterelement 10 gemäß 1.
Beispielsweise umfasst das Filterelement 10 eine Mehrzahl von temperaturfesten Einsätzen zur Anpassung der Abscheidung der Partikel P an eine Belegung und/oder ein Volumen des Heißgasstroms HGS. Unter der Belegung wird dabei insbesondere eine Menge an Partikeln P verstanden, welche sich als Schicht auf dem Filtermedium befinden. Nach einer ersten Belegung, insbesondere unter Nutzung der Schwerkraft, können besonders schnell Partikel P aus der Abscheidevorrichtung 7 ausgetragen werden.
Durch die Abscheidung der Partikel P im Heißgasstrom HGS ergibt sich, dass keine Verdünnung des Heißgasstromes HGS mit einem Kühlmedium erforderlich ist. Daher ist der gesamte Reingasvolumenstrom nach der Abscheidung der Partikel sehr klein und ein Gebläse zur Absaugung kann kleiner ausgelegt werden. Wird keine Kühlluft benötigt, ist kein Kühlluft-Gebläse erforderlich.
Bezugszeichenliste

1: Brenner
2: Brennkammer
3: Zuführung
5: Reaktionsraumabschnitt
7: Abscheidevorrichtung
7.1: Hochtemperaturabscheider
7.2: Filtergehäuse
7.2.1: Innentrennwand
7.3, 7.4: Filterraum
7.5: Leitungselement
9: Fliehkraftabscheider
10: Filterelement
AO: Aufgabeort
BS: Brennstoff
HGS: Heißgasstrom
PR: Vorrichtung
R: Strömungsrichtung
RM: Rohstoffmaterial
TM: Transportmedium
VG: Verbrennungsgas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/072471 [0005]
DE 102004044266 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung (PR) zur Herstellung von Partikeln (P), insbesondere von feinteiligen, wie nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln (P), beispielsweise mit einer mittleren Partikelgröße von 10 nm bis wenige Millimeter, aus mindestens einem Rohstoffmaterial (RM), mit - mindestens einem Brenner (1) und einer sich an den Brenner (1) anschließenden Brennkammer (2) zur Erzeugung eines pulsierenden Heißgasstroms (HGS), - einem der Brennkammer (2) nachgeschalteten Reaktionsraumabschnitt (5) sowie - einer dem Reaktionsraumabschnitt (5) zumindest mittelbar nachgeschalteten Abscheidevorrichtung (7) zur Abscheidung gebildeter Partikel (P) aus dem Heißgasstrom (HGS), wobei - die Abscheidevorrichtung (7) zumindest einen Hochtemperaturabscheider (7.1) umfasst.
Vorrichtung (PR) nach Anspruch 1, wobei der Hochtemperaturabscheider (7.1) - zumindest einen Fliehkraftabscheider (9) und/oder - zumindest einen Elektroabscheider und/oder - zumindest ein Filterelement (10) umfasst.
Vorrichtung (PR) nach Anspruch 2, wobei dem Fliehkraftabscheider (9) und/oder dem Elektroabscheider das Filterelement (10) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung (PR) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Filterelement (10) zumindest einen hochtemperaturfesten Filter umfasst.
Vorrichtung (PR) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Filterelement (10) zumindest anteilig aus Metall oder Keramik oder teilkristallinem Polymer gebildet ist.
Vorrichtung (PR) nach Anspruch 5, wobei das das teilkristalline Polymer umfassende Filterelement (10) zumindest anteilig Polytetrafluorethylen umfasst.
Vorrichtung (PR) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei zumindest ein Teil des Filterelements (10) als insbesondere temperaturfest ausgebildeter Einsatz ausgebildet ist.
Vorrichtung (PR) nach Anspruch 7, wobei der Einsatz in Form einer Filterzelle oder in Form eines Patronen-, Schlauch-, Kerzen- oder Gewebefilters ausgebildet ist.
Vorrichtung (PR) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der Hochtemperaturabscheider (7.1) zumindest einen strömungstechnisch mit dem Heißgasstrom (HGS) verbundenen Filterraum (7.3, 7.4) zur Aufnahme zumindest des Fliehkraftabscheiders (9) und/oder des Elektroabscheiders und/oder des Filterelements (10) umfasst oder der Fliehkraftabscheider (9) und/oder der Elektroabscheider und/oder das Filterelement (10) direkt strömungstechnisch mit dem Reaktionsraumabschnitt (5) verbunden sind.
Vorrichtung (PR) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei der Hochtemperaturabscheider (7.1) eine Mehrzahl von Filterräumen (7.3, 7.4) umfasst, welche strömungstechnisch miteinander oder zumindest mittels strömungstechnisch jeweils mit dem Reaktionsraumabschnitt (5) gekoppelt sind.
Vorrichtung (PR) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Filterräume (7.3, 7.4) in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Vorrichtung (PR) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei der Fliehkraftabscheider (9) und/oder der Elektroabscheider und/oder das Filterelement (10) eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 250°C bis mindestens 1000°C aufweisen bzw. aufweist.