DE102018211652A1

DE102018211652A1 - Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln

Info

Publication number: DE102018211652A1
Application number: DE102018211652.0A
Authority: DE
Inventors: Toralf Rensch; Christian Klaus; Claudia Hoffmann; Nina Hack
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Ibu Tec Advanced Materials AG
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; 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), umfassend- mindestens einen Brenner (1) und eine sich an den Brenner (1) anschließende Brennkammer (2) zur Erzeugung eines pulsierenden Heißgasstroms (HGS),- einen der Brennkammer (2) nachgeschalteten Reaktionsraumabschnitt (5) und- zumindest ein Wärmeübertragungselement (WE), welches zur Wärmeübertragung entlang einer Wandung (2.1, 5.1) eines Vorrichtungsabschnittes (PR1 bis PRn) angeordnet ist.

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 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 ein Wärmeübertragungselement, welches zur Wärmeübertragung entlang einer Wandung eines Vorrichtungsabschnittes angeordnet ist. Dabei kann die Brennkammer einen oder mehrere Vorrichtungsabschnitte bilden. Alternativ oder zusätzlich bildet der Reaktionsraumabschnitt jeweils einen oder mehrere Vorrichtungsabschnitte.
Einen Vorrichtungsabschnitt kann dabei die Vorrichtung selbst oder folgende Komponenten der Vorrichtung, auch als Anlagenteile bezeichnet, bilden: Brenner, Brennkammer, Reaktionsraum, Reaktionsraumabschnitt, Resonanzrohr.
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.
Durch die Anordnung des zumindest einen Wärmeübertragungselementes sind unter anderem eine Verbesserung der Produktqualität durch eine Anpassung von Temperaturprofilen entlang des Reaktionsraums, eine Verbesserung einer Anlagenstandzeit bzw. Lebensdauer durch Ableiten der Wärme von thermisch stark beanspruchten Vorrichtungsabschnitten und eine Verbesserung einer energetischen Prozesseffizienz durch eine prozessinterne Wärmenutzung, indem die abgeführte Wärme an anderer Stelle zurück in den Herstellungsprozess eingebracht werden kann, erzielbar.
In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist die mittels des zumindest einen Wärmeübertragungselementes abgeführte Wärme dazu vorgesehen, Betriebsstoffe, beispielsweise auch eine Prozessluft, vorzuwärmen. Hierdurch kann eine signifikante Energieeinsparung erzielt werden.
Insbesondere ist das Wärmeübertragungselement als ein geschlossenes Wärmeübertragungssystem ausgebildet.
Das Wärmeübertragungselement ist beispielsweise als Wärmerohr, Thermosiphon, Heatpipe (mit oder ohne Kapillar- oder Dochtstruktur) oder Loop-Heatpipe (mit oder ohne Kapillar- oder Dochtstruktur) ausgebildet.
Beispielsweise ist das geschlossene Wärmeübertragungssystem ein hermetisch gekapseltes Wärmerohr, welches mit zumindest einem zirkulierenden Arbeitsmedium, insbesondere Wärmeträgermedium, gefüllt ist. Insbesondere erfolgt innerhalb des Wärmeübertragungselementes ein Wärmemengentransport mittels des Wärmeträgermediums passiv, d. h. ohne Zuführung weiterer Hilfsmittel.
In einer Weiterbildung sind mehrere Wärmeübertragungselemente entlang der Wandung des Vorrichtungsabschnittes oder rings um den Umfang des Vorrichtungsabschnittes anordbar oder angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist das Wärmeübertragungselement beispielsweise in Form eines Ringrohres ausgebildet und umläuft den Vorrichtungsabschnitt vollständig.
Mittels des Wärmeübertragungselementes ist eine Einstellung einer auf die Vorrichtungsabschnitte wirkenden Temperatur möglich. Insbesondere ist eine Abkühlung eines Vorrichtungsabschnittes und eine Vorwärmung eines weiteren Vorrichtungsabschnittes und/oder eines dem weiteren Vorrichtungsabschnitt zugeführten Prozessmediums einstellbar bzw. regulierbar. Hierdurch kann mittels der einleitbaren Wärmeübertragung insbesondere eine Verlustleistung, insbesondere Verlustwärme, der Vorrichtungsabschnitte weitestgehend reduziert werden. Ein Wärmekopplungsbereich des Wärmeübertragungselementes temperiert, insbesondere kühlt, einen der Vorrichtungsabschnitte, indem beispielsweise dem Vorrichtungsabschnitt Wärme entzogen wird. Gleichzeitig ist eines der Wärmekopplungsbereiche des Wärmeübertragungselementes zur Vorwärmung eines weiteren Vorrichtungsabschnittes und zur Wärmeisolierung der jeweiligen Vorrichtungsabschnitte vorgesehen. Dabei kann eine weitestgehend konstante Behandlungstemperatur des Reaktionsraumes erzeugt werden, wobei die konstante Behandlungstemperatur den Prozess der Partikelherstellung innerhalb der Verweilzeit verbessert. Beispielsweise können sich Vorrichtungsabschnitte, insbesondere Wandungen der jeweiligen Vorrichtungsabschnitte, aufgrund eines innerhalb der Vorrichtungsabschnitte durchgeführten Prozesses, beispielsweise zur Erzeugung des Heißgasstromes und zur Herstellung der Partikel, stark erhitzen. Dabei kann sich die Erhitzung der Vorrichtungsabschnitte negativ auf eine Standzeit und auf eine Prozessbehandlung auswirken.
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 beispielsweise in einem Bogenbereich zwischen Brennkammer und Reaktionsraumabschnitt, in einen Applikationsraum oder in die Brennkammer.
Zur Erhöhung der Standzeit und zur Verbesserung der Prozessbehandlung, insbesondere der Brennkammer und/oder des beispielsweise als Resonanzrohr ausgebildeten Reaktionsraumabschnitts, ist das Wärmeübertragungselement zumindest zur teilweisen Temperierung der Brennkammer und/oder des Reaktionsraumabschnitts vorgesehen. Dabei umfasst das Wärmeübertragungselement zumindest einen Fluidinnenraum, welcher mit dem zirkulierenden Wärmeträgermedium gefüllt ist. Mittels des hermetisch gekapselten Wärmeübertragungselementes, insbesondere des Wärmerohrs oder der Heatpipe, werden unter Nutzung von beispielsweise Verdampfungswärme des Wärmeträgermediums Wärmemengen transportiert. Insbesondere erfolgt der Transport der Wärmemengen mittels des Wärmeträgermediums passiv, d. h. ohne Zuführung weiterer Hilfsmittel. Dabei entsteht ein Wärmetransport, wodurch unterschiedliche Vorrichtungsabschnitte gekühlt und gleichzeitig aufgewärmt werden können. Dies wird durch innerhalb des Wärmeübertragungselementes erzeugte thermisch abhängige Phasenwechsel erzielt.
In einer möglichen Weiterbildung der Vorrichtung temperiert, insbesondere kühlt, das zirkulierende Wärmeträgermedium einen Hochtemperaturbereich eines vorgelagerten Vorrichtungsabschnittes und strömt in Richtung eines dem vorgelagerten Vorrichtungsabschnitt nachgelagerten Vorrichtungsabschnittes. Weiterhin temperiert, insbesondere wärmt, das Wärmeträgermedium einen Niedertemperaturbereich des nachgelagerten Vorrichtungsabschnittes. Zunächst weist das Wärmeträgermedium einen flüssigen Aggregatzustand auf. Das Wärmeträgermedium verdampft unter Aufnahme von Wärme im Hochtemperaturbereich und bewegt sich anschließend zum Niedertemperaturbereich, wo es unter Abgabe der Wärme wieder kondensiert. D. h., dass im Hochtemperaturbereich eines Vorrichtungsabschnittes das Wärmeträgermedium innerhalb des Wärmeübertragungselementes verdampft und im Niedertemperaturbereich des weiteren Vorrichtungsabschnittes kondensiert und in flüssiger Form wieder zu einem anderen Ende des Wärmeübertragungselementes strömt, wodurch eine Zirkulation des Wärmeträgermediums erfolgt. Die selbstständige Rückströmung des kondensierten Wärmeträgermediums kann schwerkraftgetrieben bei senkrechter oder geneigter Anordnung oder kapillarkraftgetrieben auch bei einer rein waagerechten Anordnung erfolgen. Hierzu umfasst der Fluidinnenraum des Wärmeübertragungselementes dampfförmige und flüssige Phasen des Wärmeträgermediums, wobei insbesondere eine latente Wärme, wie zum Beispiel eine Verdampfungswärme und Kondensationswärme, transportiert wird. Insbesondere sind mittels des als Wärmerohr ausgebildeten Wärmeübertragungselementes höhere Behandlungstemperaturen schneller übertragbar. Beispielsweise umfasst das Wärmeübertragungselement als Wärmeträgermedium bzw. Arbeitsmedium Natrium, Kalium, Quecksilber, Wasser, Stickstoff, Ammoniak, so genanntes Thermoöl oder andere Stoffe oder Stoffmischungen, welche im vorliegenden Temperaturbereich sieden. Wird im Folgenden von Wärmeträgermedium oder Arbeitsmedium gesprochen, so sind alle genannten Stoffe hierfür einsetzbar.
In einer weiteren möglichen Ausbildung der Vorrichtung umfasst das Wärmeübertragungselement zumindest einen Wärmekopplungsbereich, welcher mit den Vorrichtungsabschnitten zur Wärmeübertragung gekoppelt ist. Beispielsweise ist der Wärmekopplungsbereich aus einem wärmeleitenden Material gebildet. Hierfür weist der Wärmekopplungsbereich zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Edelstahl sowie temperaturbeständige Materialien wie beispielsweise Keramik oder Glas auf.
In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umgibt der Wärmekopplungsbereich den jeweiligen Vorrichtungsabschnitt zumindest teilweise. Weiterhin korrespondiert eine Form des Wärmeübertragungselementes mit einer Form des jeweiligen Vorrichtungsabschnittes. Insbesondere ist das Wärmeübertragungselement entlang einer Oberfläche der Brennkammer und/oder des Reaktionsraumabschnitts angeordnet. Dabei ist die Anordnung des Wärmeübertragungselementes entlang der Vorrichtungsabschnitte auch in beengten Einbausituationen möglich. Zudem ist eine Wärmeableitung über vorgegebene Distanzen und in Abhängigkeit der Ausbildung der Brennkammer und des Reaktionsraumabschnitts möglich. Zum Beispiel ist das Wärmeübertragungselement rohrförmig und/oder weitestgehend flach ausbildbar.
In einer möglichen Weiterbildung der Vorrichtung ist der Wärmeübergang zwischen dem Wärmeübertragungselement und dem Vorrichtungsabschnitt durch eine Oberflächenvergrößerung, beispielsweise durch das Vorsehen einer Rippenstruktur oder durch ein Hineinragen des zumindest einen Wärmeübertragungselementes in den Vorrichtungsabschnitt, erhöht.
In einer weiteren möglichen Ausbildung der Vorrichtung ist das zumindest eine Wärmeübertragungselement eingerichtet, in seiner Wärmeübertragungsleistung gesteuert oder reguliert zu werden. Das heißt, dass eine Wärmemenge, die durch das Wärmeübertragungselement aus einem heißen Bereich abgeführt und in einen kälteren Bereich übertragen wird, eingestellt werden kann. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Anpassung einer Menge des Arbeitsmediums innerhalb des Wärmeübertragungselementes oder durch Anpassung einer aktiven Länge des Wärmeübertragungselementes, indem zum Beispiel ein variables Gaspolster einstellbar ist. Für diese Funktion ist der Vorrichtungsabschnitt beispielsweise mit einer thermischen Isolierung versehen und das zumindest eine Wärmeübertragungselement ist beispielsweise in der Isolierung oder unter der Isolierung angeordnet. Durch die Möglichkeit der Leistungsregulierung des zumindest einen Wärmeübertragungselementes können je nach Produkt Reaktionsbedingungen von Charge zu Charge eingestellt und optimiert werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist das zumindest eine Wärmeübertragungselement nicht längs der Brennkammer, sondern radial zu dieser angeordnet. Dabei ist das zumindest eine Wärmeübertragungselement beispielsweise gebogen ausgebildet, so dass beispielsweise ein wärmeaufnehmender Teil des Wärmeübertragungselementes längs an der Brennkammer angeordnet ist und eine große Kontaktfläche erzielt wird. Ein wärmeabgebender Teil des Wärmeübertragungselementes ist von der Brennkammer weggeführt angeordnet. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn an einer Position des Vorrichtungsabschnittes dieser gekühlt werden soll, aber die Wärme nicht an einem anderen Vorrichtungsabschnitt wieder eingebracht werden soll.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln mit einer Anzahl von hermetisch gekapselten Wärmeübertragungselementen,
2 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragungselementes und
3 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragungselementes.

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, welcher durch einen hohen Turbulenzgrad gekennzeichnet ist. Die hohe Strömungsturbulenz und die 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 Reaktionsraum 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.
Beispielsweise sind die Brennkammer 2 und der Reaktionsraumabschnitt 5 im Wesentlichen senkrecht zueinander und in Längsrichtung X versetzt zueinander angeordnet. Dabei ist die Brennkammer 2 beispielsweise im Wesentlichen vertikal angeordnet und der Reaktionsraumabschnitt 5 beispielsweise ist horizontal zur Brennkammer 2 angeordnet. Es ist aber auch jede andere geeignete Anordnung möglich.
Zwischen der Brennkammer 2 und dem Reaktionsraum 5 kann ein Bogenelement angeordnet sein, welches die Brennkammer 2 und den Reaktionsraumabschnitt 5 strömungstechnisch verbindet.
Darüber hinaus ist mindestens ein Aufgabeort AO1 zur Aufgabe von Rohstoffmaterial RM, im Folgenden als Rohstoffmaterialaufgabe bezeichnet, vorgesehen. Zum Beispiel können in einem Bogenbereich einer Eingangsleitung E Rohstoffmaterialien RM in Form von festen, gasförmigen und/oder flüssigen Rohstoffen und/oder Rohstoffmischungen, als Rohstofflösung oder Rohstoffdispersion eingebracht werden. Der Reaktionsraumabschnitt 5 kann optional gegenüber der Eingangsleitung E und einer Ausgangsleitung A für den Heißgasstrom HGS aufgeweitet ausgebildet sein. Die Eingangsleitung E ist als eine ein- oder mehrteilige Rohranordnung ausgebildet und verbindet die Brennkammer 2 mit dem Reaktionsraumabschnitt 5. Der Bogenbereich ist insbesondere Teil der Eingangsleitung E. Die Ausgangsleitung A ist als eine ein- oder mehrteilige Rohranordnung ausgebildet und verbindet den Reaktionsraumabschnitt 5 mit der Abscheidevorrichtung 7.
Alternativ oder zusätzlich 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 strömungseingangsseitigen 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, brennerseitig 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 mittelbar mittels der Ausgangsleitung A 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.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der thermische Reaktor heißgasströmungsausgangsseitig der Brennkammer 2 zumindest mit einem Strömungselement S versehen sein. Dies unterstützt eine Verwirbelung des pulsierenden Heißgasstroms HGS, wodurch eine bessere Durchmischung der Rohstoffe bzw. Rohstoffmischungen der Rohstoffmaterialaufgabe ermöglicht ist.
Wie die vorherige Beschreibung verdeutlicht, sind die Verbrennungstemperatur innerhalb der Brennkammer 2 zur Erzeugung des Heißgasstroms HGS und die Temperatur innerhalb des Reaktionsraumabschnitts 5 wichtige Steuergrößen für innerhalb der Vorrichtung PR ablaufende Prozesse, insbesondere zur Einstellung einer Prozesstemperatur 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 eine Anzahl von, insbesondere hermetisch gekapselten Wärmeübertragungselementen WE zur Wärmeübertragung, insbesondere Übertragung einer Wärmemenge Q, zwischen wenigstens zwei Vorrichtungsabschnitten PR1 bis PRn.
Das Wärmeübertragungselement WE ist beispielsweise als ein Wärmerohr, insbesondere als ein Ringrohr oder als eine Doppelwandung im Bereich eines oder mehrerer der betreffenden Vorrichtungsabschnitte PR1 bis PRn ausgebildet. Dabei kann das hermetisch gekapselte Wärmeübertragungselement WE beispielsweise als eine so genannte Heatpipe oder als so genanntes Zwei-Phasen-Thermosiphon ausgebildet sein. In einer Weiterbildung kann die Vorrichtung PR mehrere Wärmeübertragungselemente WE umfassen, welche jeweils separat oder gemeinsam die Brennkammer 2 und/oder den Reaktionsraum 5 temperieren.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung PR ein im Bereich der Brennkammer 2 und des Reaktionsraumabschnitts 5 angeordnetes Wärmeübertragungselement WE. Beispielsweise bildet jeweils die Brennkammer 2 einen zu temperierenden Vorrichtungsabschnitt PR1 und der Reaktionsraumabschnitt 5 einen zu temperierenden Vorrichtungsabschnitt PR2. Alternativ oder zusätzlich können die Brennkammer 2 und der Reaktionsraumabschnitt 5 jeweils zwei oder mehrere zu temperierende Vorrichtungsabschnitte PR1 bis PRn umfassen.
Das hermetisch gekapselte Wärmeübertragungselement WE umfasst einen Wärmekopplungsbereich 8, welcher mit den Vorrichtungsabschnitten PR1 bis PRn zur Wärmeübertragung thermisch gekoppelt ist.
In einer Weiterbildung ist das jeweilige Wärmeübertragungselement WE zumindest zur teilweisen Temperierung der Brennkammer 2 und/oder des Reaktionsraumabschnitts 5 vorgesehen. Hierfür erstreckt sich der Wärmekopplungsbereich 8 nur im Bereich der Brennkammer 2 oder nur im Bereich des Reaktionsraumabschnitts 5 zur einstellbaren Temperierung der gewünschten Vorrichtungsabschnitte PR1 bis PRn der Brennkammer 2 oder des Reaktionsraumabschnitts 5. Insbesondere umfasst der Wärmekopplungsbereich 8 eine mit einer Wandung 2.1, 5.1 der Brennkammer 2 und des Reaktionsraumabschnitts 5 verbundene, nach innen gerichtete Wandung 8.1. Insbesondere ist die nach innen gerichtete Wandung 8.1 mit den Vorrichtungsabschnitten PR1 bis PRn zur Wärmeübertragung thermisch gekoppelt. Alternativ oder zusätzlich kann die nach innen gerichtete Wandung 8.1 des Wärmekopplungsbereiches 8 zumindest bereichsweise von der jeweiligen Wandung 2.1, 5.1 der Brennkammer 2 und/oder des Reaktionsraumabschnitts 5 in Abhängigkeit einer gewünschten Wärmeübertragung beabstandet sein. Insbesondere ist das hermetisch gekapselte Wärmeübertragungselement WE rohrförmig und/oder weitestgehend flach ausbildbar.
Beispielsweise umgibt der Wärmekopplungsbereich 8 den jeweiligen Vorrichtungsabschnitt PR1 bis PRn zumindest teilweise. Insbesondere korrespondiert eine Form des Wärmekopplungsbereiches 8 mit einer Form des jeweiligen Vorrichtungsabschnittes PR1 bis PRn. Zum Beispiel ist der Wärmekopplungsbereich 8 zumindest aus einem wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Edelstahl, Aluminium, Kupfer oder einem temperaturbeständigen Material wie beispielsweise Glas oder Keramik, gebildet.
Eine Abmessung, insbesondere eine Länge, Breite und/oder ein Durchmesser, des Wärmeübertragungselementes WE kann je nach Abmessung der Brennkammer 2 und/oder des Reaktionsraumabschnitts 5 variieren.
Des Weiteren umfasst das hermetisch gekapselte Wärmeübertragungselement WE zumindest einen Fluidinnenraum 8.2, welcher mit zumindest einem zirkulierenden Wärmeträgermedium TM gefüllt ist. Beispielsweise umfasst das Wärmeübertragungselement WE ein Wärmeträgermedium TM bzw. ein Arbeitsmedium. Weiterhin kann der Fluidinnenraum 8.2 eine rillenförmige Struktur, wie zum Beispiel eine Kapillar- oder Dochtstruktur, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Fluidinnenraum 8.2 Ausformungen, wie zum Beispiel feinmaschige Drahtgeflechte oder gesinterte Metallstrukturen, aufweisen. Dabei ist der Fluidinnenraum 8.2 derart ausgebildet, dass zumindest eine sichere Rückführung des kondensierten Wärmeträgermediums TM und eine Ausdehnung des dampfförmigen Wärmeträgermediums TM sichergestellt sind.
Mittels des zirkulierenden Wärmeträgermediums TM wird ein Hochtemperaturbereich eines vorgelagerten Vorrichtungsabschnittes PR1 temperiert, insbesondere gekühlt, anschließend strömt das Wärmeträgermedium TM in Richtung eines dem vorgelagerten Vorrichtungsabschnitt PR1 nachgelagerten Vorrichtungsabschnittes PR2, PRn. Weiterhin temperiert, insbesondere wärmt, das Wärmeträgermedium TM einen Niedertemperaturbereich des nachgelagerten Vorrichtungsabschnittes PR2, PRn. Dabei weist das Wärmeträgermedium TM zunächst einen flüssigen Aggregatzustand auf. Das Wärmeträgermedium TM verdampft unter Aufnahme einer Wärmemenge Q im Hochtemperaturbereich und bewegt sich anschließend zum Niedertemperaturbereich, wo es unter Abgabe der Wärme wieder kondensiert. D. h., dass im Hochtemperaturbereich des vorgelagerten Vorrichtungsabschnittes PR1 das Wärmeträgermedium TM innerhalb des Wärmeübertragungselementes WE verdampft und im Niedertemperaturbereich des weiteren Vorrichtungsabschnittes PR2, PRn kondensiert und in flüssiger Form wieder zu einem anderen Ende des Wärmeübertragungselementes WE strömt. Dadurch erfolgt die Zirkulation des Wärmeträgermediums TM. Hierzu umfasst der Fluidinnenraum 8.2 des Wärmeübertragungselementes WE dampfförmige und flüssige Phasen des Wärmeträgermediums TM, wobei insbesondere eine latente Wärme, wie zum Beispiel eine Verdampfungswärme und Kondensationswärme, transportierbar ist.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Wärmeübertragungselementes WE, welches beispielsweise entlang der Wandung 5.1 des beispielsweise als Resonanzrohr ausgebildeten Reaktionsraumabschnitts 5 verläuft und an diesem angeordnet ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird insbesondere jeweils einer der Vorrichtungsabschnitte PR3, PR4 des Reaktionsraumabschnitts 5 temperiert. Beispielsweise ist der vorgelagerte Vorrichtungsabschnitt PR3 ein der Brennkammer 2 nachgelagerter Bereich. Insbesondere umfasst der vorgelagerte Vorrichtungsabschnitt PR3 einen Hochtemperaturbereich, welcher beispielsweise aufgrund der Beaufschlagung des Heißgasstroms HGS in den Reaktionsraumabschnitt 5 entsteht. Eine Wärmemenge Q wird an das Wärmeträgermedium TM über die wärmeleitende Wandung 8.1 übertragen. Das Wärmeträgermedium TM verdampft und strömt zur Wärmeübertragung in Richtung des nachgelagerten Vorrichtungsabschnittes PR4. Dadurch wird ein Niedertemperaturbereich des Vorrichtungsabschnittes PR4 temperiert, insbesondere vorgewärmt, wodurch das Wärmeträgermedium TM kondensiert und zurückströmt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wärmeübertragungselementes WE, welches entlang der Wandung 2.1 der Brennkammer 2 und der Wandung 5.1 des beispielsweise als Resonanzrohr ausgebildeten Reaktionsraumabschnitts 5 verläuft.
Zum Beispiel ist das hermetisch gekapselte Wärmeübertragungselement WE als geschlossenes Zirkulationssystem, insbesondere Wärmerohr, zur Wärmeübertragung ausgebildet. Mittels des Wärmeübertragungselementes WE können mit einer beispielsweise minimalen Temperaturdifferenz beträchtliche Wärmemengen Q über eine gewisse Distanz transportiert werden. Beispielsweise wird eine Verdampfungsenthalpie und Kondensationsenthalpie des Wärmeträgermediums TM bzw. Arbeitsmediums zur Wärmeübertragung genutzt, um hohe Wärmeströme zu bewegen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmekopplungsbereich 8 des Wärmeübertragungselementes WE zur gleichzeitigen Temperierung der Brennkammer 2 und des Reaktionsraumabschnitts 5 vorgesehen. Dabei ist der Wärmekopplungsbereich 8 entlang der jeweiligen Wandung 2.1, 5.1 der Brennkammer 2 und des Reaktionsraumabschnitts 5 angeordnet. Insbesondere bilden die Brennkammer 2 und der Reaktionsraumabschnitt 5 jeweils einen zu temperierenden Vorrichtungsabschnitt PR5, PR6.
Im Fluidinnenraum 8.2 des Wärmekopplungsbereiches 8 ist das Wärmeträgermedium TM angeordnet, welches sich beispielsweise in einer gasförmigen und in einer flüssigen Phase befindet. Zum Beispiel kann die zu übertragende Wärmemenge Q ohne weitere Hilfsenergie, beispielsweise einer Pumpe, übertragen werden. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei beispielsweise ausschließlich durch Ausdehnung eines aufgrund des Hochtemperaturbereichs der Brennkammer 2 erzeugten Dampfes und im Fluidinnenraum 8.2 erzeugbare Kapillarkräfte der flüssigen Phase des Wärmeträgermediums TM. In Abhängigkeit der Prozesstemperatur der Vorrichtung PR kann das Wärmeträgermedium TM beispielsweise Quecksilber, Kalium, Natrium, Wasser oder ein anderer zum Wärmetransport innerhalb eines geschlossenen Systems geeigneter Stoff sein.
Bezugszeichenliste

1: Brenner
2: Brennkammer
2.1: Wandung
3: Zuführung
5: Reaktionsraumabschnitt
5.1: Wandung
6: Bogenelement
6.1: Bogenbereich
7: Abscheidevorrichtung
8: Wärmekopplungsbereich
8.1: Wandung
8.2: Fluidinnenraum
A: Ausgangsleitung
AO1 bis AOn: Aufgabeort
BS: Brennstoff
E: Eingangsleitung
HGS: Heißgasstrom
P: Partikel
PR: Vorrichtung
PR1 bis PRn: Vorrichtungsabschnitt
Q: Wärmemenge
R: Strömungsrichtung
RM: Rohstoffmaterial
S: Strömungselement
TM: Wärmeträgermedium
VG: Verbrennungsgas
WE: Wärmeübertragungselement
X: Längsrichtung

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), umfassend - mindestens einen Brenner (1) und eine sich an den Brenner (1) anschließende Brennkammer (2) zur Erzeugung eines pulsierenden Heißgasstroms (HGS), - einen der Brennkammer (2) nachgeschalteten Reaktionsraumabschnitt (5) und - zumindest ein Wärmeübertragungselement (WE), welches zur Wärmeübertragung entlang einer Wandung (2.1, 5.1) eines Vorrichtungsabschnittes (PR1 bis PRn) angeordnet ist.
Vorrichtung (PR) nach Anspruch 1, wobei die Brennkammer (2) einen oder mehrere Vorrichtungsabschnitte (PR1 bis PRn) bildet.
Vorrichtung (PR) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Reaktionsraumabschnitt (5) einen oder mehrere Vorrichtungsabschnitte (PR1 bis PRn) bildet.
Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktionsraumabschnitt (5) ein Resonanzrohr ist.
Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeübertragungselement (WE) als ein geschlossenes Wärmeübertragungssystem, insbesondere als Wärmerohr oder Heatpipe, ausgebildet ist.
Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeübertragungselement (WE) in Form eines Ringrohres oder einer Doppelwandung ausgebildet ist.
Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeübertragungselement (WE) zumindest zur teilweisen Temperierung der Brennkammer (2) und/oder des Reaktionsraumabschnitts (5) vorgesehen ist.
Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeübertragungselement (WE) zumindest einen Fluidinnenraum (8.2) umfasst, welcher mit zumindest einem zirkulierenden Wärmeträgermedium (TM) gefüllt ist.
Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zirkulierende Wärmeträgermedium (TM) - einen Hochtemperaturbereich eines vorgelagerten Vorrichtungsabschnittes (PR1, PR3, PR5) temperiert, - zu einem Niedertemperaturbereich eines dem vorgelagerten Vorrichtungsabschnitt (PR1, PR3, PR5) nachgelagerten Vorrichtungsabschnittes (PR2, PR4, PR6) strömt und den Niedertemperaturbereich temperiert.
Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeübertragungselement (WE) den jeweiligen Vorrichtungsabschnitt (PR1 bis PRn) zumindest teilweise umgibt.
Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Form des Wärmeübertragungselementes (WE) mit einer Form des jeweiligen Vorrichtungsabschnittes (PR1 bis PRn) korrespondiert.
Vorrichtung (PR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Wärmekopplungsbereich (8) des Wärmeübertragungselementes (WE) aus wärmeleitendem Material gebildet ist.