DE102018211650A1

DE102018211650A1 - Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln

Info

Publication number: DE102018211650A1
Application number: DE102018211650.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Klaus; Toralf Rensch
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) anschließende Brennkammer (2) zur Erzeugung eines pulsierenden Heißgasstroms (HGS),- einem der Brennkammer (2) nachgeschalteten Reaktionsraumabschnitt (5) und- zumindest einer Druckanordnung (8 bis 11) zur Einstellung eines Resonanzverhalten und somit Schalldrucks innerhalb der Brennkammer (2) und/oder innerhalb des Reaktionsraumabschnitts (5).Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Partikeln (P).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln, insbesondere von feinteiligen, insbesondere nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Partikeln, insbesondere von feinteiligen, insbesondere 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 A2 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 und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Partikeln, insbesondere von feinteiligen, beispielsweise nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln, anzugeben.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale 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 Partikelgröße 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 zumindest eine Druckanordnung zur Einstellung eines Schalldrucks innerhalb der Brennkammer und/oder innerhalb des Reaktionsraumabschnitts.
Mittels der Druckanordnung ist eine Veränderung einer Geometrie innerhalb der Vorrichtung und somit eine Einstellung eines Schallflusses, welcher ein Skalarprodukt aus Schallschnelle und von Schall durchsetzter Querschnittsfläche ist, möglich. Dies ermöglicht die Beeinflussung der Flussimpedanz, welche ein Quotient aus komplexer Amplitude des Schalldruckes und des Schallflusses ist. Ändert sich die Flussimpedanz, so kann eine Welle reflektiert werden und zu Resonanz führen. Beispielsweise wird mittels der Druckanordnung ein Knotenpunkt innerhalb der Vorrichtung gebildet, an welchem es zu Schallreflexionen kommt. Wird dabei beispielsweise ein Resonanzzustand erreicht, entsteht eine stehende Welle, welche gegenüber einer Schallwelle ohne Druckanordnung deutlich größere Amplituden aufweist. Hierdurch bilden sich wiederum deutlich größere Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Heißgas und den Partikeln aus.
Daraus folgend sind mittels der der Druckanordnung der Schalldruck und somit auch die Relativgeschwindigkeit innerhalb der Brennkammer und/oder innerhalb des Reaktionsraumschnitts einstellbar. Da der Schalldruck innerhalb der Brennkammer und des Reaktionsraumabschnitts eine wichtige Steuergröße für innerhalb der Vorrichtung ablaufende Prozesse, insbesondere zur Einstellung eines Wärme- und Stoffüberganges zwischen Material und pulsierenden Heißgasstroms, ist, kann mittels der Druckanordnung eine einfache und präzise Steuerung der Prozesse zur Herstellung und Behandlung der Partikel erfolgen.
Dieser Einfluss des Schalldrucks ergibt sich dabei aus der allgemein bekannten akustischen Wellengleichung, wobei unterschiedliche Schalldrücke, d. h. Wechseldrücke, unterschiedliche Druckschwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden aufweisen und sich daraus folgend unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Heißgasstrom und den Partikeln ergeben. Eine Größe der Relativgeschwindigkeit beeinflusst dabei eine Dicke einer um die Partikel ausgebildeten isolierenden Gasschicht bzw. thermischen Grenzschicht und somit eine Stoff- und Wärmeübertragung zwischen den Partikeln und dem Heißgasstrom und daraus folgend wiederum Eigenschaften der Partikel.
Das heißt, mittels der Druckanordnung wird eine Schwingung des Schalldrucks durch Einstellung einer Geometrie der Brennkammer und/oder des Reaktionsabschnitts und somit einer Länge eines Reaktionsraums der Vorrichtung und/oder eines Querschnitts des Reaktionsraums eingestellt oder angepasst.
Unter dem Reaktionsraum wird dabei 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.
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.
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.
In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Druckanordnung zumindest ein Element, welches einen Strömungsquerschnitt einer Zuführung zumindest eines Brennstoffs, zumindest eines Verbrennungsgases und/oder zumindest eines Rohstoffmaterials einstellt. Anhand dieser Einstellung oder Änderung des Strömungsquerschnitts gegenüber vor- und nachgeschalteten Bauteilen der Zuführung können in einfacher Weise ein Impedanzsprung, der Schalldruck und somit das Resonanzverhalten in der Brennkammer und dem Reaktionsraumabschnitt eingangsseitig eingestellt werden. Beispielsweise kann bei konstantem Strömungsquerschnitt einer Abscheidevorrichtung zur Abscheidung der erzeugten Partikel durch Erhöhung oder Verringerung des Strömungsquerschnitts der Zuführung der Schalldruck innerhalb der Brennkammer und des Reaktionsraumabschnitts erhöht werden. Bei konstantem Strömungsquerschnitt der Abscheidevorrichtung kann dagegen bei unverändertem Strömungsquerschnitt der Zuführung der Schalldruck innerhalb der Brennkammer und des Reaktionsraumabschnitts verringert werden. Auch ist es möglich, bei variablem Strömungsquerschnitt der Abscheidevorrichtung den Schalldruck und dessen Schwingungsverhalten innerhalb der Brennkammer und des Reaktionsraumabschnitts durch Einstellung des Strömungsquerschnitts der Zuführung zu steuern, da je nach Querschnittsänderung unterschiedlich stark Resonanz auftritt.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Druckanordnung zumindest ein Element, welches einen Strömungsquerschnitt einer Abscheidevorrichtung zur Abscheidung der erzeugten Partikel einstellt und im Ort innerhalb der Zuführung der Abscheidung variabel ist. Auch ist es möglich, bei variablem Strömungsquerschnitt und variablem Ort der Druckanordnung innerhalb der Zuführung den Schalldruck und dessen Schwingungsverhalten innerhalb der Brennkammer und des Reaktionsraumabschnitts durch Einstellung des Strömungsquerschnitts und des Ortes zu steuern.
In einer möglichen Weiterbildung der Vorrichtung umfasst die Druckanordnung zumindest ein Element, welches einen Strömungsquerschnitt der Brennkammer einstellt. Mittels dieses Elements ist eine direkte Beeinflussung des Wellenwiderstandes und somit des Schalldruckes innerhalb der Brennkammer und des gesamten Resonanzsystems möglich.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Druckanordnung zumindest ein Element, welches einen Strömungsquerschnitt des Reaktionsraumabschnitts einstellt. Mittels dieses Elements ist eine direkte Beeinflussung des Wellenwiderstandes und somit des Schalldruckes innerhalb des Reaktionsraums und des gesamten Resonanzsystems möglich. Hierbei ist mittels des Elements insbesondere eine Änderung des Strömungsquerschnitt und/oder einer Länge des Resonanzsystems durchführbar. So kann beispielsweise die Länge des Resonanzsystems auf die der stehenden Welle angepasst werden und so zu höheren Schalldruck führen.
Zusätzlich können durch Einstellung des Strömungsquerschnitts eine Strömungsgeschwindigkeit des Heißgasstroms und somit beispielsweise auch eine Verweilzeit desselben und der im Heißgasstrom transportierten Partikel innerhalb der Vorrichtung beeinflusst werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist in Strömungsrichtung des Heißgasstroms nach dem zumindest einen Element der Druckanordnung zumindest eine Gaszuführung zur Zuführung von Gas, beispielsweise Luft, in den Heißgasstrom vorgesehen. Hierdurch können ein mittels des zumindest einen Elements der Druckanordnung erzielter Impedanzsprung und somit der Schalldruck weiter beeinflusst werden und außerdem Gas zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration oder Kühlung hinzugeführt werden.
Zur Realisierung einer einfachen und zuverlässigen Einstellung des jeweiligen Strömungsquerschnitts ist das zumindest eine Element gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung eine Blende, eine steile Verjüngung oder eine nicht vollständig schließende Klappe oder ein Schieber.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung der Vorrichtung ist das Element in seiner Größe und/oder seiner Position variabel. Hierdurch ist eine einfache und schnelle Änderung des Strömungsquerschnitts, beispielsweise auch während eines Betriebs der Vorrichtung ohne Unterbrechung desselben, möglich.
In dem Verfahren zur Herstellung von Partikeln, insbesondere von feinteiligen, nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln, beispielsweise mit einer mittleren Partikelgröße von 10 nm bis wenige Millimeter, aus mindestens einem Rohstoffmaterial mittels der oben genannten Vorrichtung wird mittels der Druckanordnung ein Schalldruck innerhalb der Brennkammer und/oder innerhalb des Reaktionsraumabschnitts eingestellt.
Mittels des Verfahrens ist eine Einstellung eines Wellenwiderstands möglich, wodurch der Schalldruck innerhalb der Brennkammer und/oder innerhalb des Reaktionsraumabschnitts einstellbar ist. Da der Schalldruck innerhalb der Brennkammer und des Reaktionsraumabschnitts eine wichtige Steuergröße für innerhalb der Vorrichtung ablaufende Prozesse, insbesondere zur Einstellung einer Frequenz und Amplitude des pulsierenden Heißgasstroms, ist, kann mittels des Verfahrens eine einfache und präzise Steuerung der Prozesse zur Herstellung der Partikel erfolgen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln,
2 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung,
3 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung,
4 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung,
5 schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung,
6 schematisch ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung,
7 schematisch ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung und
8 schematisch ein siebtes Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung.

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. Der Brenner 1 schließt beispielsweise an die Brennkammer 2 an.
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 Schalldruckwelle in Richtung des Reaktionsraumabschnitts 5, beispielsweise in Richtung eines Resonanzrohres. Durch den geringeren Widerstand in Richtung des Reaktionsraumabschnitts 5 erfolgt die Ausbreitung einer Schalldruckwelle. Während des akustischen Schwingungsverlaufes wird der Schalldruck 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, welcher 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 der Rohstoffmaterial RM, insbesondere eine Rohstoffmischung, bildenden Partikel P, wodurch ein höherer Wärmeübertrag und Stofftransport (zwischen Rohstoff und Heißgas), das heißt eine schnellere Reaktion bei vergleichsweise niedrigeren Temperaturen, möglich ist. Typischerweise liegt die Verweilzeit bei weniger als einer Sekunde bis wenige Sekunden. Zudem erreicht ein besonders großer Anteil der gebildeten Partikel P eine gewünschte sphärische Form. Die schnelle 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.
Der Reaktionsraumabschnitt 5 ist zum Beispiel als ein Resonanzrohr ausgebildet. Die Brennkammer 2 ist beispielsweise als ein Brennraum ausgebildet, dessen Abmessungen, insbesondere dessen Durchmesser, größer ist als die Abmessungen, insbesondere der Durchmesser, des Reaktionsraumabschnitts 5.
Wie die vorherige Beschreibung verdeutlicht, ist der Schalldruck innerhalb der Brennkammer 2 und des Reaktionsraumabschnitts 5 eine wichtige Steuergröße für innerhalb der Vorrichtung PR ablaufende Prozesse, insbesondere zur Einstellung der Frequenz und Amplitude des pulsierenden Heißgasstroms HGS.
Um stets einen hohen Wirkungsgrad der Vorrichtung PR zu erzielen und die Vorrichtung PR an unterschiedliche Anwendungen anzupassen sowie unterschiedliche Betriebsarten derselben zu ermöglichen, umfasst die Vorrichtung PR zumindest eine Druckanordnung 8 bis 11 zur Einstellung des Schalldrucks innerhalb der Brennkammer 2 und/oder innerhalb des Reaktionsraumabschnitts 5. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung PR vier Druckanordnungen 8 bis 11, wobei in nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen auch mehr oder weniger Druckanordnungen 8 bis 11 vorgesehen sein können. Auch können Positionen der Druckanordnungen 8 bis 11 variieren.
Eine erste Druckanordnung 8 ist an der Zuführung 3 des Brennstoffs BS und des Verbrennungsgases VG angeordnet und umfasst ein Element 8.1, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt der Zuführung 3 und somit der Differenzdruck und auch der Wellenwiderstand eingestellt werden. Durch Variation des Querschnitts der Zuführung 3 kann eine Größe der Schalldruckwelle, insbesondere die Amplitude der Schwingung, gegen die Strömungsrichtung minimiert und in Richtung der Brennkammer 2 und des Reaktionsraumabschnitts 5 und somit der Schalldruck innerhalb desselben verstärkt werden.
Eine zweite Druckanordnung 9 ist innerhalb der Brennkammer 2 angeordnet und umfasst ein Element 9.1, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt und Strömungswiderstand der Brennkammer 2 und somit der Wellenwiderstand am Übergang von Brennkammer 2 zu Reaktionsraumabschnitt 5 und insbesondere die Amplitude und/oder Frequenz der Schwingung eingestellt werden. Somit kann ebenfalls der Schalldruck innerhalb des Reaktionsraumabschnitts 5 eingestellt werden.
Eine dritte Druckanordnung 10 ist innerhalb des Reaktionsraumabschnitts 5 angeordnet und umfasst ein Element 10.1, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt und Strömungswiderstand des Reaktionsraumabschnitts 5 und somit der Wellenwiderstand im Reaktionsraumabschnitt 5 und dadurch die Amplitude und/oder Frequenz des Heißgasstroms und der in diesem befindlichen Partikel P eingestellt werden.
Je geringer der Strömungsquerschnitt und damit je höher der Strömungswiderstand ist, umso größer ist ein sich bildender Staudruck innerhalb des Reaktionsraumabschnitts 5. Somit kann ebenfalls ein mittlerer Totaldruck innerhalb des Reaktionsraumabschnitts 5 eingestellt werden. Durch die Variation des mittleren Totaldrucks kann die Menge an Gasen, welche über einen Unterdruck in den Reaktor gelangen, eingestellt werden.
Eine vierte Druckanordnung 11 ist innerhalb der Abscheidevorrichtung 7 angeordnet und umfasst ein Element 11.1, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt und Strömungswiderstand und somit der Wellenwiderstand am Übergang zwischen Reaktionsraumabschnitt 5 und Abscheidevorrichtung 7 und dadurch die Amplitude und/oder Frequenz des Heißgasstromes und der in diesem befindlichen Partikel P eingestellt werden.
Zu einer Erfassung und Überwachung des Schalldrucks im Reaktionsraumabschnitt 5 ist in einer nicht näher dargestellten Ausgestaltung der Vorrichtung PR ein Schalldrucksensor, beispielsweise ein piezoresistiver oder ein piezoelektrischer Schalldrucksensor, mit dem Reaktionsraumabschnitt 5 gekoppelt.
In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung PR ist in Strömungsrichtung des Heißgasstroms HGS nach zumindest einer der Druckanordnungen 8 bis 11 zumindest eine Gaszuführung zur Zuführung von Gas, beispielsweise Luft, in den Heißgasstrom HGS vorgesehen. Hierdurch können ein mittels der zumindest einen Druckanordnung 8 bis 11 erzielter Impedanzsprung und somit der Schalldruck und zusätzlich die Atmosphärenzusammensetzung oder die Temperatur des Heißgasstroms HGS mit den darin befindlichen Partikel P weiter beeinflusst werden.
Darüber hinaus ist mindestens ein Aufgabeort AO1 zur Aufgabe von Rohstoffmaterial RM, im Folgenden als Rohstoffmaterialaufgabe bezeichnet, vorgesehen. Zum Beispiel können über diesen Aufgabeort AO1 Rohstoffmaterialien RM in Form von festen, gasförmigen und/oder flüssigen Rohstoffen und/oder Rohstoffmischungen, als Rohstofflösung oder Rohstoffdispersion eingebracht werden. Beispielsweise kann das Rohstoffmaterial RM in die Brennkammer 2 und/oder in den sich daran anschließenden Reaktionsraumabschnitt 5, insbesondere in das Resonanzrohr, eingebracht werden. Hierzu kann die Vorrichtung PR weitere Aufgabeorte AO2 bis AOn im Bereich der Brennkammer 2, insbesondere am strömungsausgangsseitigen Ende, und/oder entlang des Reaktionsraumabschnitts 5 aufweisen.
Die Aufgabe des Rohstoffmaterials RM erfolgt in einer möglichen Ausführungsform am oberen Ende der Brennkammer 2, insbesondere am Übergang von Brennkammer 2 zum Reaktionsraumabschnitt 5. Insbesondere erfolgt die Aufgabe des Rohstoffmaterials RM in den Heißgasstrom HGS in Strömungsrichtung R und parallel zu dieser.
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 zumindest mittelbar die Abscheidevorrichtung 7 nachgeschaltet. Das Rohstoffmaterial RM wird mittels des Heißgasstroms HGS vom Aufgabeort AO1 bis AOn über den Reaktionsraumabschnitt 5 unter Bildung der Partikel P zu der Abscheidevorrichtung 7 geführt und transportiert. Die Abscheidevorrichtung 7 ist beispielsweise ein Fliehkraftabscheider und/oder Schwerkraftabscheider und/oder ein Filter, insbesondere ein Heißgasfilter. Aus der Abscheidevorrichtung 7 werden die gefertigten Partikel P abgeschieden.
2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung 8 mit einem Element 8.1, wobei die Ausführungen im Folgenden auch für die Druckanordnungen 9 bis 11 und die zugehörigen Elemente 9.1 bis 11.1 anwendbar sind.
Im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Druckanordnung 8 ist diese beispielsweise rohrförmig ausgebildet und weist ein als Verjüngung des Strömungsquerschnitts ausgebildetes Element 8.1 auf. Bei dieser Ausbildung der Druckanordnung 8 sind der mittels des Elements 8.1 eingestellte Strömungsquerschnitt und Strömungswiderstand der Druckanordnung 8 fest vorgegeben. In einer möglichen Ausgestaltung ist die Druckanordnung 8 derart ausgebildet, dass diese in einfacher Weise an der Vorrichtung PR montierbar und wieder von dieser demontierbar ist. Somit ist es möglich, je nach Anwendungsfall und gewünschtem Betriebsverhalten der Vorrichtung PR Druckanordnungen 8 mit unterschiedlichem Strömungsquerschnitt und somit unterschiedliche Wellenwiderstände bzw. Resonanzstärken zu verwenden.
3 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung 8 mit einem Element 8.1, wobei die Ausführungen im Folgenden auch für die Druckanordnungen 9 bis 11 und die zugehörigen Elemente 9.1 bis 11.1 anwendbar sind.
Im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Druckanordnung 8 ist diese beispielsweise rohrförmig ausgebildet und weist ein als Blende ausgebildetes Element 8.1 auf, dessen Strömungsquerschnitt geringer ist als der des Rohrs. Bei dieser Ausbildung der Druckanordnung 8 sind der mittels des Elements 8.1 eingestellte Strömungsquerschnitt und Strömungswiderstand der Druckanordnung 8 ebenfalls fest vorgegeben. In einer möglichen Ausgestaltung ist die Druckanordnung 8 derart ausgebildet, dass diese in einfacher Weise an der Vorrichtung PR montierbar und wieder von dieser demontierbar ist. Somit ist es möglich, je nach Anwendungsfall und gewünschtem Betriebsverhalten der Vorrichtung PR Druckanordnungen 8 mit unterschiedlichem Strömungsquerschnitt und somit unterschiedliche Wellenwiderstände bzw. Resonanzstärken zu verwenden.
In einem nicht nähergestellten Ausführungsbeispiel ist das Element 8.1 als so genannte Irisblende oder Lamellenblende ausgebildet, wobei eine variable Einstellung eines Blendendurchmessers möglich ist. Bei dieser Ausbildung der Druckanordnung 8 sind der mittels des Elements 8.1 eingestellte Strömungsquerschnitt und Strömungswiderstand der Druckanordnung 8 variabel. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, im montierten Zustand der Druckanordnung 8 den Strömungsquerschnitt zu verstellen und somit je nach Anwendungsfall und gewünschtem Resonanzverhalten der Vorrichtung PR anzupassen. In einer möglichen Ausgestaltung ist die Einstellung des Strömungsquerschnitts während eines Betriebs der Vorrichtung PR ohne Unterbrechung desselben möglich.
4 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung 8 mit einem Element 8.1, wobei die Ausführungen im Folgenden auch für die Druckanordnungen 9 bis 11 und die zugehörigen Elemente 9.1 bis 11.1 anwendbar sind.
Im dargestellten dritten Ausführungsbeispiel der Druckanordnung 8 ist diese beispielsweise rohrförmig ausgebildet und weist ein als Blende ausgebildetes Element 8.1 auf, welches derart ausgebildet ist, dass dieses einen ringförmigen Strömungsquerschnitt innerhalb des Rohrs freigibt. Bei dieser Ausbildung der Druckanordnung 8 sind der mittels des Elements 8.1 eingestellte Strömungsquerschnitt und Strömungswiderstand der Druckanordnung 8 ebenfalls fest vorgegeben. In einer möglichen Ausgestaltung ist die Druckanordnung 8 derart ausgebildet, dass diese in einfacher Weise an der Vorrichtung PR montierbar und wieder von dieser demontierbar ist. Somit ist es möglich, je nach Anwendungsfall und gewünschtem Betriebsverhalten der Vorrichtung PR Druckanordnungen 8 mit unterschiedlichem Strömungsquerschnitt und somit unterschiedliche Wellenwiderstände bzw. Resonanzstärken zu verwenden.
5 zeigt schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung 8 mit einem Element 8.1, wobei die Ausführungen im Folgenden auch für die Druckanordnungen 9 bis 11 und die zugehörigen Elemente 9.1 bis 11.1 anwendbar sind.
Im dargestellten vierten Ausführungsbeispiel der Druckanordnung 8 ist diese beispielsweise rohrförmig ausgebildet und weist ein als Klappe ausgebildetes Element 8.1 auf, welches um eine Achse X innerhalb des Rohrs schwenkbar ist. Bei dieser Ausbildung der Druckanordnung 8 sind der mittels des Elements 8.1 eingestellte Strömungsquerschnitt und Strömungswiderstand der Druckanordnung 8 variabel. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, im montierten Zustand der Druckanordnung 8 den Strömungsquerschnitt zu verstellen und somit je nach Anwendungsfall und gewünschtem Betriebsverhalten der Vorrichtung PR anzupassen. In einer möglichen Ausgestaltung ist die Einstellung des Strömungsquerschnitts während eines Betriebs der Vorrichtung PR ohne Unterbrechung desselben möglich. In einer weiteren Ausführungsform ist die im Winkel verstellbare Klappe als Lochblende ausgeführt.
6 zeigt schematisch ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung 8 mit einem Element 8.1, wobei die Ausführungen im Folgenden auch für die Druckanordnungen 9 bis 11 und die zugehörigen Elemente 9.1 bis 11.1 anwendbar sind.
Im dargestellten fünften Ausführungsbeispiel der Druckanordnung 8 ist diese beispielsweise rohrförmig ausgebildet und weist ein als Schieber ausgebildetes Element 8.1 auf, welches in radialer Richtung innerhalb des Rohrs verschiebbar ist. Bei dieser Ausbildung der Druckanordnung 8 sind der mittels des Elements 8.1 eingestellte Strömungsquerschnitt und Strömungswiderstand der Druckanordnung 8 variabel. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, im montierten Zustand der Druckanordnung 8 den Strömungsquerschnitt zu verstellen und somit je nach Anwendungsfall und gewünschtem Resonanzverhalten der Vorrichtung PR anzupassen. In einer möglichen Ausgestaltung ist die Einstellung des Strömungsquerschnitts während eines Betriebs der Vorrichtung PR ohne Unterbrechung desselben möglich. In einer weiteren Ausführungsform ist der verschiebbare Schieber als Lochblende ausgeführt.
In 7 ist schematisch ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung 8 mit einem Element 8.1 dargestellt, wobei die Ausführungen im Folgenden auch für die Druckanordnungen 9 bis 11 und die zugehörigen Elemente 9.1 bis 11.1 anwendbar sind.
Im dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel der Druckanordnung 8 ist das Element 8.1 durch einen Durchmessersprung gebildet, bei welchem sich der Durchmesser der Druckanordnung 8 in Strömungsrichtung R abrupt verringert.
8 zeigt schematisch ein siebtes Ausführungsbeispiel einer Druckanordnung 8 mit einem Element 8.1 dargestellt, wobei die Ausführungen im Folgenden auch für die Druckanordnungen 9 bis 11 und die zugehörigen Elemente 9.1 bis 11.1 anwendbar sind.
Im dargestellten siebten Ausführungsbeispiel der Druckanordnung 8 ist das Element 8.1 durch einen Durchmessersprung gebildet, bei welchem sich der Durchmesser der Druckanordnung 8 in Strömungsrichtung R abrupt erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Brenner
2: Brennkammer
3: Zuführung
5: Reaktionsraumabschnitt
7: Abscheidevorrichtung
8: Druckanordnung
8.1: Element
9: Druckanordnung
9.1: Element
10: Druckanordnung
10.1: Element
11: Druckanordnung
11.1: Element
AO1 bis AOn: Aufgabeort
BS: Brennstoff
HGS: Heißgasstrom
PR: Vorrichtung
R: Strömungsrichtung
RM: Rohstoffmaterial
VG: Verbrennungsgas
X: Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/072471 A2 [0006]
DE 102004044266 A1 [0006]

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) anschließende Brennkammer (2) zur Erzeugung eines pulsierenden Heißgasstroms (HGS), - einem der Brennkammer (2) nachgeschalteten Reaktionsraumabschnitt (5) und - zumindest einer Druckanordnung (8 bis 11) zur Einstellung eines Resonanzverhaltens und somit des Schalldrucks innerhalb der Brennkammer (2) und/oder innerhalb des Reaktionsraumabschnitts (5).
Vorrichtung (PR) nach Anspruch 1, wobei die Druckanordnung (8) zumindest ein Element (8.1) umfasst, welches einen Strömungsquerschnitt einer Zuführung (3) zumindest eines Brennstoffs (BS), zumindest eines Verbrennungsgases (VG) und/oder zumindest eines Rohstoffmaterials (RM) einstellt.
Vorrichtung (PR) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Druckanordnung (11) zumindest ein Element (11.1) umfasst, welches einen Strömungsquerschnitt einer Zuführung zur Abscheidevorrichtung (7) der erzeugten Partikel (P) einstellt.
Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckanordnung (9) zumindest ein Element (9.1) umfasst, welches einen Strömungsquerschnitt der Brennkammer (2) einstellt.
Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckanordnung (10) zumindest ein Element (10.1) umfasst, welches einen Strömungsquerschnitt des Reaktionsraumabschnitts (5) einstellt.
Vorrichtung (PR) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das zumindest eine Element (8.1 bis 11.1) eine Blende, eine Verjüngung, eine Klappe oder ein Schieber ist.
Vorrichtung (PR) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Element (8.1 bis 11.1) in seiner Größe und/oder seiner Position variabel ist.
Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Strömungsrichtung des Heißgasstroms (HGS) nach zumindest einer Druckanordnung (8 bis 11) zumindest eine Gaszuführung zur Zuführung von Gas in den Heißgasstrom (HGS) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung von Partikeln (P), insbesondere von feinteiligen, nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln (P), beispielsweise mit einer mittleren Partikel größe von 10 nm bis wenige Millimeter, aus mindestens einem Rohstoffmaterial (RM) mittels einer Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der Druckanordnung (8 bis 11) ein Schalldruck innerhalb der Brennkammer (2) und/oder innerhalb des Reaktionsraumabschnitts (5) eingestellt wird.