專(zhuān)利名稱(chēng)：用于優(yōu)化和控制粒度分布的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于優(yōu)化和控制粒度分布以及用于按比例放大在氣溶膠火焰反應(yīng)器中生產(chǎn)納米顆粒的規(guī)模的系統(tǒng)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于優(yōu)化氣溶膠反應(yīng)器中的納米顆粒的平均粒度、比表面積和分布的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，納米技術(shù)已經(jīng)變得重要，由于其基礎(chǔ)的和實(shí)際的應(yīng)用，其已經(jīng)成為主要研究焦點(diǎn)領(lǐng)域之一。顆粒的較小尺寸尤其是小于IOOnm是導(dǎo)致各種性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，各種性質(zhì)諸如為電子的、電氣的、光學(xué)的、磁性的、化學(xué)的和機(jī)械的性質(zhì)，這些性質(zhì)使得納米顆粒適用于在陶瓷、催化、涂料、電子、化學(xué)和機(jī)械拋光、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、燃料電池等領(lǐng)域中的各種應(yīng)用。許多商品和專(zhuān)用化學(xué)品和材料(例如炭黑、二氧化鈦、二氧化硅和氧化鋅)是以細(xì)小顆粒的形式生產(chǎn)的，這些細(xì)小顆粒應(yīng)用于涵蓋了輪胎、印刷油墨、涂料和顏料、塑料、光纖、催化劑、藥物成分和化妝品的范圍的各種工業(yè)產(chǎn)品和家用產(chǎn)品。對(duì)于許多實(shí)際應(yīng)用，期望具有小尺寸的以及窄粒度分布的顆粒，因?yàn)榫哂姓６确植嫉妮^小顆粒導(dǎo)致最終產(chǎn)品的較好的性質(zhì)。例如，催化劑的活性、金屬的硬度和強(qiáng)度、陶瓷的導(dǎo)電性隨著粒度的下降而改善。納米顆粒的這些特殊性質(zhì)能夠明顯不同于類(lèi)似的大塊材料的性質(zhì)。納米材料的物理和化學(xué)性質(zhì)傾向于特別依賴(lài)于它們的大小和形狀或形態(tài)。因此，材料科學(xué)家將他們的精力集中于開(kāi)發(fā)用于生產(chǎn)具有可控粒度和形態(tài)的納米材料的簡(jiǎn)單有效的方法，并因此改善它們的性質(zhì)。已經(jīng)采用了許多技術(shù)和方法來(lái)用于以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模合成納米顆粒。一些公知方法和系統(tǒng)如下a)氣相合成方法其是用于大規(guī)模生產(chǎn)納米粉末的常規(guī)使用技術(shù)之一，因?yàn)槠涫菦](méi)有任何活動(dòng)部分和任何延續(xù)的固液分離過(guò)程的一步法。b)化學(xué)和機(jī)械途徑，例如基于微乳液的合成和研磨。上文提及的方法和技術(shù)中，火焰氣溶膠合成是用于工業(yè)規(guī)模上合成細(xì)粉末的常用并廣泛使用的技術(shù)之一，因?yàn)槠涮峁┰S多控制參數(shù)例如火焰溫度、火焰結(jié)構(gòu)、化學(xué)計(jì)量、壓力水平、停留時(shí)間分布、湍流等。在火焰氣溶膠合成中合成納米顆粒的典型方法如下a)與空氣和燃料一起使用載體氣體以蒸汽或液體的形式將前體或反應(yīng)物注入反應(yīng)器中；b)在高溫條件下，在火焰中的氣相中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并生成產(chǎn)物分子；c)由于反應(yīng)器下游溫度的下降，通過(guò)凝結(jié)和/或表面反應(yīng)進(jìn)行顆粒生長(zhǎng)以形成產(chǎn)物顆粒。反應(yīng)器下游的溫度下降主要通過(guò)凝結(jié)導(dǎo)致顆粒生長(zhǎng)，并導(dǎo)致不規(guī)則結(jié)構(gòu)的顆粒和顆粒分布。而且，在氣溶膠火焰反應(yīng)器中生產(chǎn)的粉末具有相對(duì)大的粒度和寬粒度分布，粒度范圍從幾納米至幾微米，所述寬粒度分布受數(shù)個(gè)因素影響，即，反應(yīng)器內(nèi)的燃燒器幾何結(jié)構(gòu)、火焰性質(zhì)和火焰配置、入口反應(yīng)物流速和其濃度、和湍流性質(zhì)、氣體和顆粒速度、壓力和溫度曲線(xiàn)以及停留時(shí)間分布。另一挑戰(zhàn)性的任務(wù)在于按比例放大工藝以大量生產(chǎn)納米顆粒，同時(shí)保持粒度在納米范圍中。因此，需要通過(guò)控制和設(shè)計(jì)工藝輸入變量以控制產(chǎn)品粒度分布。而且，還需要按比例放大合成具有期望特性的納米顆粒的工藝。一些提出用于合成納米顆粒的系統(tǒng)、方法和放大工藝的現(xiàn)有技術(shù)如下US5498446 (Axelbaum等)教導(dǎo)了一種方法和裝置，該方法和裝置用于將鈉蒸汽與氣態(tài)氯化物在火焰中反應(yīng)以生產(chǎn)未被氧化的金屬、復(fù)合材料和陶瓷的納米級(jí)顆粒?；鹧姹豢刂圃谀軐?dǎo)致NaCl副產(chǎn)品凝結(jié)在顆粒上的條件下。凝結(jié)物封裝顆粒并幫助控制期望的粒度以及防止合成期間顆粒之間的不期望的凝聚。合成之后，顆粒的氧化被封裝抑制，產(chǎn)品的操作特性被大大地增強(qiáng)。盡管該USM98446專(zhuān)利公開(kāi)了用于合成納米顆粒的方法和裝置， 但其并未公開(kāi)用于優(yōu)化和控制納米顆粒的粒度分布的裝置。而且，該US5498446專(zhuān)利并沒(méi)有解決放大生產(chǎn)具有期望粒度的納米顆粒的挑戰(zhàn)性方面。EP1122212 (Hendrik等)教導(dǎo)了火焰制成的納米結(jié)構(gòu)粉末的顆粒特性的控制方法，并研究了解決在高生產(chǎn)率下所需要的安全顧慮。對(duì)于在工業(yè)用氧-氫燃燒器中二氧化硅的合成提出了增加燃料和生產(chǎn)率、燃燒器結(jié)構(gòu)和總的氧化劑流量對(duì)顆粒大小形態(tài)和組成的影響。因此，所述專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制火焰制成的納米結(jié)構(gòu)粉末的顆粒特性的方法，其昂貴并耗費(fèi)時(shí)間。Johannessen ^ (2000) StJ "Computational fluid-particle dynamics for the flame synthesis of alumina particles”公開(kāi)了在擴(kuò)散火焰中合成超細(xì)顆粒期間顆粒生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型。所述文獻(xiàn)以解耦的方式結(jié)合了用于氣溶膠顆粒的凝結(jié)和凝聚的簡(jiǎn)單批量模型和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型(Fluent)以模擬火焰反應(yīng)器中的氣體組分、溫度和粘度曲線(xiàn)并僅沿著一組“特性軌跡”而不是整個(gè)火焰結(jié)構(gòu)對(duì)簡(jiǎn)單單分散種群平衡(MPB)模型求積分。而且，所述文獻(xiàn)公開(kāi)了使用特定的具有三個(gè)同軸石英管的燃燒器的火焰合成的計(jì)算流體質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)。而且，所述文獻(xiàn)并沒(méi)有確定全部反應(yīng)器的顆粒特性，沒(méi)有確定使用不同燃燒器的顆粒特性，沒(méi)有解決放大生產(chǎn)具有期望粒度的納米顆粒的挑戰(zhàn)性方面。而且，在該文獻(xiàn)中使用的簡(jiǎn)單動(dòng)力學(xué)僅適用于有限范圍的溫度和粒度。因此，鑒于上述提及的現(xiàn)有技術(shù)，很明顯有著用于優(yōu)化和控制連續(xù)過(guò)程而不是間歇過(guò)程的粒度分布的可定制的解決方案以及放大氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的生產(chǎn)的需求。而且，需要在氣溶膠火焰反應(yīng)器中以耦合的方式(即通過(guò)解決計(jì)算區(qū)域的每一個(gè)單元中的顆粒動(dòng)力學(xué)方程)優(yōu)化和控制粒度分布和放大納米顆粒的生產(chǎn)的可定制的解決方案。還明顯的是工藝設(shè)備設(shè)計(jì)和放大、中試研究是冗長(zhǎng)和昂貴的。因此，有著需要通過(guò)改善工藝設(shè)計(jì)和放大生產(chǎn)以用于合成和放大生產(chǎn)具有期望的粒度和形狀的顆粒的可定制的解決方案的不斷增長(zhǎng)的需求，該解決方案提供火焰反應(yīng)器的基本工藝認(rèn)知和動(dòng)態(tài)特性以減少在用于合成任何材料的中試研究上所花費(fèi)的努力。在本發(fā)明中，我們提出了用于在氣溶膠火焰反應(yīng)器中優(yōu)化和控制粒度分布和放大納米顆粒的生產(chǎn)的新型解決方案，以解決用于合成具有可控制的粒度、形狀和粒度分布的納米顆粒的上述限制。為了解決需要這樣的方案的長(zhǎng)期需求，本發(fā)明提供了用于在氣溶膠火焰反應(yīng)器中優(yōu)化和控制粒度和放大納米顆粒的生產(chǎn)的系統(tǒng)和方法，下文中將更詳細(xì)的描述。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的基本目的是提供用于在氣溶膠火焰反應(yīng)器中優(yōu)化和控制納米顆粒的粒度和比表面積的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的另一目的是提供用于在氣溶膠火焰反應(yīng)器中放大納米顆粒的合成的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的另一目的是提供用于在氣溶膠火焰反應(yīng)器中優(yōu)化和控制納米顆粒的粒度和比表面積的成本效益高的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的另一目的是提供用于在氣溶膠火焰反應(yīng)器中放大納米顆粒的合成的成本效益高的方法。本發(fā)明的另一目的是提供用于在氣溶膠火焰反應(yīng)器中優(yōu)化和控制納米顆粒的粒度和比表面積的需要較少實(shí)驗(yàn)和使用較少時(shí)間的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的另一目的是提供用于在氣溶膠火焰反應(yīng)器中放大納米顆粒的合成的需要較少實(shí)驗(yàn)的方法。本發(fā)明的另一目的是提供用于生產(chǎn)具有可控性質(zhì)的納米顆粒的具有程序化的指令的模擬工具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)了用于優(yōu)化和控制在氣溶膠火焰反應(yīng)器中納米顆粒的平均粒度和比表面積以及擴(kuò)大在氣溶膠火焰反應(yīng)器中生產(chǎn)納米顆粒的規(guī)模的系統(tǒng)和方法。用于優(yōu)化和控制在氣溶膠火焰反應(yīng)器中納米顆粒的平均粒度和比表面積以及擴(kuò)大在氣溶膠火焰反應(yīng)器中生產(chǎn)納米顆粒的規(guī)模的系統(tǒng)，包括集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)器還包括至少一燃燒器；供應(yīng)給所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的至少一前體或反應(yīng)物；與至少一前體或反應(yīng)物一起供應(yīng)給所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的至少一流體輸入；模擬工具，該模擬工具具有程序化指令以導(dǎo)致處理器耦合火焰動(dòng)力學(xué)模型和顆粒群平衡模型，以便優(yōu)化和控制在氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的平均粒度和比表面積以及放大氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)規(guī)模。一種用于優(yōu)化和控制在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的平均粒度和比表面積以及按比例放大在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)模的方法，其中所述方法包括下列步驟
a)確定i)從與氣溶膠火焰反應(yīng)器集成的所述處理儀表獲取的物理過(guò)程參數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)；ii)特定濃度的前體或反應(yīng)物與供應(yīng)給具有所述處理儀表的所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的所述流體輸入的混合特性；iii)使用與具有程序化指令的模擬工具耦合的火焰動(dòng)態(tài)模型確定的遍及所述反應(yīng)器的火焰溫度和不同種類(lèi)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；iv)燃燒器配置和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)對(duì)納米顆粒的性質(zhì)的影響的數(shù)據(jù)；b)將步驟i)的確定的數(shù)據(jù)提供給具有程序化的指令的所述模擬工具，以獲得用于優(yōu)化和控制在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的平均粒度和比表面積以及按比例放大在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)模的模擬數(shù)據(jù)；c)實(shí)施從所述具有程序化的指令的模擬工具獲得的用于優(yōu)化和控制在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的平均粒度和比表面積以及按比例放大在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)模的所述模擬數(shù)據(jù)；d)使用與所述具有程序化的指令的模擬工具的顆粒群平衡模型相耦合的所述前體至產(chǎn)物的轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)來(lái)評(píng)估所述前體氧化反應(yīng)的速度動(dòng)力學(xué)；e)從所述具有程序化的指令的模擬工具獲取作為所述反應(yīng)器的產(chǎn)品粒度和比表面積的輸出，以?xún)?yōu)化和控制在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的粒度分布和按比例放大在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)模。


當(dāng)與附圖一起閱讀時(shí)，將更好地理解前述的發(fā)明內(nèi)容以及下文的具體實(shí)施方式
的詳細(xì)描述。出于闡述本發(fā)明的目的，附圖中所顯示的是本發(fā)明的示例性的構(gòu)造，然而本發(fā)明不限于所公開(kāi)的特定的方法。附圖中本發(fā)明的圖1闡述了具有程序化的指令的模擬工具的結(jié)構(gòu)。圖2闡述了典型的擴(kuò)散火焰燃燒器。圖3闡述了典型的氣溶膠火焰燃燒器的配置(圖片源T. Johannessen, S-I^pratsinisfpiLLivbjergjComputational fluid-particle dynamics for the flame synthesis of alumina particles,Chemical Engineering Science,55,177-191 (2000))。圖4闡述了具有燃燒器配置B的火焰反應(yīng)器內(nèi)的等溫線(xiàn)和氧化鋁粒料的粒度的值(火焰 B 圖片源T. Johannessen， S. Ε. Pratsinis 禾口 H. Livbjerg，Computational fluid-particle dynamics for the flame synthesis of alumina particles， Chemical Engineering Science，55，177-191 (2000))。圖5闡述了具有燃燒器配置C的火焰反應(yīng)器內(nèi)的等溫線(xiàn)和氧化鋁粒料的粒度的值(火焰 C 圖片源T. Johannessen， S. Ε. Pratsinis 禾口 H. Livbjerg, Computational fluid-particle dynamics for the flame synthesis of alumina particles， Chemical Engineering Science，55，177-191 (2000))。圖6闡述了通過(guò)本發(fā)明的模擬工具確定的在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的火焰反應(yīng)器中的軸向溫度曲線(xiàn)與Johanessen等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的比較(T. Johannessen, S. E. Pratsinis和 H. Livbjerg, Computational fluid-particle dynamics for the flame synthesis of alumina particles, Chemical Engineering Science,55,177-191 (2000))。圖7闡述了通過(guò)本發(fā)明的模擬工具確定的氧化鋁粒料的粒度與Johanessen等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較(T. Johannessen, S. E. Pratsinis 禾口 H. Livbjerg, Computational fluid-particle dynamics for the flame synthesis of alumina particles, Chemical Engineering Science,55,177-191 (2000))。圖8闡述了 Jang等的用于氧化硅納米顆粒合成的具有五個(gè)同軸管的燃燒器的配置(H. D. Jang,2001, "Experimental study of synthesis of silica nanoparticles by a bench-scale diffusion flame reactor，，，Powder Technol·，119，102-108)。圖9闡述了 TEOS(前體)濃度對(duì)氧化硅顆粒比表面積的影響，并比較了通過(guò)本發(fā)明的模擬工具所確定的數(shù)據(jù)和Jmg等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(H.D. Jmg，2001，“hperimental study of synthesis of silica nanoparticles by a bench-scale diffusion flame reactor", Powder Technol. ，119，102-108)。圖10闡述了二氧化鈦粒徑與不同的燃燒器設(shè)計(jì)的氧氣和燃料速度之間的差值之間的函數(shù)關(guān)系，并對(duì)通過(guò)本發(fā)明的模擬工具所確定的數(shù)據(jù)和Wegner和I^atsinis的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn) 亍了 t匕較(K. Wegner 禾口 S. E. Pratsinis，Scale—up of nanoparticle synthesis in diffusion flame reactors，Chemical Engineering Science，58 (20)，4581-4589 (2003))。圖11闡述了二氧化硅粒徑與不同的燃燒器設(shè)計(jì)的氧氣和燃料速度之間的差值之間的函數(shù)關(guān)系，并對(duì)通過(guò)本發(fā)明的模擬工具所確定的數(shù)據(jù)和Wegner和I^atsinis的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn) 亍了 t匕較(K. Wegner 禾口 S. E. Pratsinis，Scale—up of nanoparticle synthesis in diffusion flame reactors，Chemical Engineering Science，58 (20)，4581-4589 (2003))。圖12闡述了在氧化劑和燃料的速度方面的不同燃燒器設(shè)計(jì)對(duì)炭黑粒度的影響。
具體實(shí)施例方式在描述本方法和硬件實(shí)現(xiàn)之前，要理解的是本發(fā)明不限于所描述的特定的方法和硬件，因?yàn)樗鼈兛梢圆煌?。還要理解的是在本說(shuō)明書(shū)中使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述特定的版本或?qū)嵤┓绞降哪康?，而不是用于限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍僅被所附的權(quán)利要求限制。詞語(yǔ)“包含”、“具有”、“含有”和“包括”及其其它形式在意思上等同，并且是開(kāi)放式的，接在這些詞語(yǔ)中的任一詞語(yǔ)之后的一項(xiàng)或多項(xiàng)不意味著是對(duì)該項(xiàng)或多項(xiàng)的窮盡性列舉或僅限于所列舉的一項(xiàng)或多項(xiàng)。公開(kāi)的實(shí)施方式是本發(fā)明的示例，其可能以不同的形式體現(xiàn)。本發(fā)明提供用于優(yōu)化和控制在氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的粒度分布以及用于按比例放大在氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)模的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)器還包括至少一燃燒器；供應(yīng)給所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的至少一前體或反應(yīng)物；與至少一前體或反應(yīng)物一起供應(yīng)給所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的至少一流體輸入；模擬工具，該模擬工具具有程序化指令以使處理器耦合火焰動(dòng)力學(xué)模型和顆粒群平衡模型，以便優(yōu)化和控制在氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的平均粒度和比表面積以及 按比例放大在氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)摸。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式之一，處理儀表包括前體流速計(jì)量器、前體壓カ計(jì)量器、空 氣流速計(jì)量器、空氣壓カ計(jì)量器、燃料流速計(jì)量器、燃料壓カ計(jì)量器、載氣流速計(jì)量器、載氣 壓カ計(jì)量器和溫度傳感器。與氣溶膠火焰反應(yīng)器集成的處理儀表為具有程序化的指令的模擬工具提供諸如 前體流速、前體壓力、空氣流速、空氣壓力、載氣流速、載氣壓カ的變量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以管理 エ藝。本發(fā)明的圖1闡述了具有程序化的指令的模擬工具的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式之一，具有程序化的指令(10)的模擬工具耦合火焰動(dòng)態(tài) 模型00)和顆粒群平衡模型(30)，以?xún)?yōu)化和控制平均粒度和比表面積以及按比例放大具 有期望特性的納米顆粒的生產(chǎn)規(guī)摸。與具有程序化的指令的模擬工具耦合的火焰動(dòng)態(tài)模型00)確定遍及反應(yīng)器的火 焰溫度和不同種類(lèi)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，還確定和模擬物理過(guò)程參數(shù)，物理過(guò)程參數(shù)例如但不 限于流體流速、傳熱速率等。而且，火焰動(dòng)態(tài)模型00)與燃料燃燒動(dòng)力學(xué)(70)耦合，以管理從氣溶膠火焰反應(yīng) 器的各種處理儀表獲得的運(yùn)行數(shù)據(jù)。用于火焰動(dòng)態(tài)模型的控制方程如下根據(jù)Bird等Q002)的運(yùn)動(dòng)方程
權(quán)利要求
1.一種用于優(yōu)化和控制在氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的粒度分布以及按比例放大在氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)模的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)器還包括至少一燃燒器；供應(yīng)給所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的至少一前體或反應(yīng)物；和與至少一前體或反應(yīng)物一起供應(yīng)給所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的至少一流體輸入；和模擬工具，該模擬工具具有程序化的指令以使處理器耦合火焰動(dòng)態(tài)模型和顆粒群平衡模型，以便優(yōu)化和控制在氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的平均粒度和比表面積以及按比例放大在氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中與所述氣溶膠火焰反應(yīng)器集成的所述處理儀表包括前體流速計(jì)量器、前體壓力計(jì)量器、空氣流速計(jì)量器、空氣壓力計(jì)量器、載氣流速計(jì)量器、 載氣壓力計(jì)量器、燃料流速計(jì)量器、燃料壓力計(jì)量器和溫度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中與所述氣溶膠火焰反應(yīng)器集成的所述處理儀表為具有程序化的指令的所述模擬工具提供包括前體流速、前體壓力、空氣流速、空氣壓力、載氣流速、載氣壓力的變量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以控制納米顆粒的生產(chǎn)過(guò)程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述火焰動(dòng)態(tài)模型確定遍及所述氣溶膠火焰反應(yīng)器中的火焰溫度和不同種類(lèi)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述顆粒群平衡模型確定形成的納米顆粒的粒度和比表面積，包括用于優(yōu)化和控制在氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的平均粒度和比表面積以及按比例放大在氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的生產(chǎn)的規(guī)模的性質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述火焰動(dòng)態(tài)模型確定和模擬包括液流、熱傳遞、 化學(xué)反應(yīng)和顆粒成核與生長(zhǎng)的物理過(guò)程。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述火焰動(dòng)態(tài)模型還與燃料燃燒動(dòng)力學(xué)耦合，以管理從所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的所述處理儀表獲得的運(yùn)行數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述顆粒群平衡模型還與前體至產(chǎn)物的轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)耦合，用以檢查和控制納米顆粒的粒度分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中具有程序化指令的所述模擬工具還控制所述燃燒器點(diǎn)火，由此控制在所述氣溶膠火焰反應(yīng)器中的火焰。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中為供應(yīng)至所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的各種流體輸入設(shè)計(jì)和配置一種或多種燃燒器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中與所述模擬工具配合在同軸管的數(shù)目方面設(shè)計(jì)和實(shí)施一種或多種燃燒器的幾何結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述管的直徑為至少l-25nm，以及每個(gè)所述管之間的間距為至少1mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述前體或反應(yīng)物包括液相或氣相的例如四氯化鈦、四氯化硅、乙炔的材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中與所述前體或反應(yīng)物一起供應(yīng)的所述流體輸入包括載氣、空氣、燃料。
14.一種模擬工具，所述模擬工具具有程序化的指令，以使處理器用于優(yōu)化和控制在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的平均粒度和比表面積以及按比例放大在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)模，其中所述模擬工具的改進(jìn)包括耦合火焰動(dòng)態(tài)模型和顆粒群平衡模型。
15.一種用于優(yōu)化和控制在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的平均粒度和比表面積以及按比例放大在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)模的方法，其中所述方法包括下列步驟f)確定ν)從與氣溶膠火焰反應(yīng)器集成的所述處理儀表獲取的物理過(guò)程參數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)；vi)特定濃度的前體或反應(yīng)物與供應(yīng)給具有處理儀表的所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的流體輸入的混合特性；vii)使用與具有程序化指令的模擬工具耦合的火焰動(dòng)態(tài)模型確定的遍及所述反應(yīng)器的火焰溫度和不同種類(lèi)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；viii)燃燒器配置和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)對(duì)納米顆粒的性質(zhì)的影響的數(shù)據(jù)；g)將步驟i)的確定的數(shù)據(jù)提供至具有程序化的指令的所述模擬工具，以獲得用于優(yōu)化和控制在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的平均粒度和比表面積以及按比例放大在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)模的模擬數(shù)據(jù)；h)實(shí)施從所述具有程序化的指令的模擬工具獲得的用于優(yōu)化和控制在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的平均粒度和比表面積以及按比例放大在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)模的所述模擬數(shù)據(jù)；i)使用與所述具有程序化的指令的模擬工具的顆粒群平衡模型相耦合的前體至產(chǎn)物的轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)來(lái)評(píng)估所述前體氧化反應(yīng)的速度動(dòng)力學(xué)；j)從所述具有程序化的指令的模擬工具獲取作為所述反應(yīng)器的產(chǎn)品粒度和比表面積的輸出，以?xún)?yōu)化和控制在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒的粒度分布和按比例放大在集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器中的納米顆粒生產(chǎn)的規(guī)模。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述集成有處理儀表的氣溶膠火焰反應(yīng)器還包括至少一燃燒器、供應(yīng)給所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的至少一前體或反應(yīng)物；以及與至少一前體或反應(yīng)物一起供應(yīng)給所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的至少一流體輸入。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中與所述氣溶膠火焰反應(yīng)器集成的所述處理儀表包括前體流速計(jì)量器、前體壓力計(jì)量器、空氣流速計(jì)量器、空氣壓力計(jì)量器、載氣流速計(jì)量器、載氣壓力計(jì)量器、燃料流速計(jì)量器、燃料壓力計(jì)量器和溫度傳感器。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中與所述氣溶膠火焰反應(yīng)器集成的所述處理儀表為具有程序化的指令的所述模擬工具提供包括前體流速、前體壓力、空氣流速、空氣壓力、 載氣流速、載氣壓力的物理過(guò)程參數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以控制納米顆粒的生產(chǎn)過(guò)程。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述火焰動(dòng)態(tài)模型確定和模擬例如但不限于液流、熱傳遞、化學(xué)反應(yīng)和顆粒成核與生長(zhǎng)的物理過(guò)程。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述火焰動(dòng)態(tài)模型與燃料燃燒動(dòng)力學(xué)耦合，以管理從所述氣溶膠火焰反應(yīng)器的所述處理儀表獲得的物理過(guò)程參數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于優(yōu)化和控制粒度分布的系統(tǒng)。該系統(tǒng)還用于放大在氣溶膠火焰反應(yīng)器中納米顆粒生產(chǎn)規(guī)模。方法為使用具有程序化的指令的模擬工具在氣溶膠反應(yīng)器中提供具有期望的、優(yōu)化的和可控制的粒度和比表面積的納米顆粒。所述模擬工具耦合火焰動(dòng)態(tài)模型和顆粒群平衡模型。
文檔編號(hào)C01B33/18GK102380331SQ20111019629
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月12日
發(fā)明者N·K·瓦爾瑪·納迪姆帕里, V·S·布迪拉朱, V·倫卡納 申請(qǐng)人:塔塔咨詢(xún)服務(wù)有限公司