專利名稱：一種制備納米顆粒的氣相燃燒反應(yīng)器及其工業(yè)應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣相燃燒反應(yīng)器及其在工業(yè)上的應(yīng)用，尤其涉及用于連續(xù)化 制備納米氧化物顆粒的反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
氣相燃燒法制備納米顆粒的生產(chǎn)工藝最早在上世紀(jì)四十年代由德國Degussa 公司首先開發(fā)成功，其相對于傳統(tǒng)的液相制備方法，如，溶膠-凝膠法、共沉淀 法、水熱法、微乳液法等，具有設(shè)備簡單、固定、無后續(xù)工藝等優(yōu)點。經(jīng)過幾十 年的發(fā)展，該生產(chǎn)工藝逐步得到了改進，被廣泛的用于炭黑、Si02、 Ti02、 A1203、 Sn02、 Fe203、 Zr02等單氧化物產(chǎn)品，并逐步擴展到Si02/Ti02、 ITO、 ATO、 V2(VTi02等復(fù)合氧化物以及一些非氧化物(TiN、 TiB、 SiC等)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的 年產(chǎn)量可達幾百萬公噸，生產(chǎn)效率約為每天100公噸。但是到目前為止僅有德國 Degussa、 Wacker、 美國Cabot、 DuPont、 Columbia、 閂本Tokuyama、 烏克蘭卡 路什等幾家公司掌握這一制備技術(shù)，在基礎(chǔ)理論、工藝設(shè)備、產(chǎn)品應(yīng)用等方面都 開展了廣泛深入的研究工作，產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展。目前，國內(nèi)外應(yīng)用較多的為傳統(tǒng)的擴散燃燒式反應(yīng)器，這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單， 制造及維修方便。但這種反應(yīng)器存在溫度場和濃度場不均勻，噴嘴出口處容易結(jié) 疤堵塞噴嘴等缺點，無法長時間連續(xù)運行，限制了這類反應(yīng)器在工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn) 上的應(yīng)用和發(fā)展。因此采用傳統(tǒng)的擴散火焰反應(yīng)器難以滿足多樣化、連續(xù)化納米 顆粒的生產(chǎn)要求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的之一，是提供一種適用于多種納米氧化物顆粒連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn) 的氣相燃燒反應(yīng)器，以克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷。本發(fā)明的目的之二，是提供上述燃燒反應(yīng)器的工業(yè)應(yīng)用方法，即制備包括二氧化鈦、二氧化硅、三氧化二鋁、銻摻雜的二氧化錫等在內(nèi)的多種納米氧化物顆 粒的應(yīng)用方法。本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的-造成反應(yīng)區(qū)濃度場和溫度場不均勻的主要原因火焰內(nèi)部供氧不足和反應(yīng)物 料混合不均勻，而噴嘴出口處容易結(jié)疤堵塞的現(xiàn)象主要是由于各環(huán)出口處氣速過 低，無法及時清理掉燒嘴處形成的粉體所致。為了解決以上問題，本發(fā)明在高速 射流火焰出口按一定比例通入前驅(qū)體和燃燒氣體的混合物，并使其突出噴嘴平 面，使得輔助射流同其出口管壁之間形成高速摩擦，這樣一方面保證了高速射流 火焰內(nèi)部供氧充足和反應(yīng)物混合均勻，另一方面通過提高氣速和氣體摩擦的作用 有效的減少了結(jié)疤現(xiàn)象；盡量減小輔助射流出口面積，提高氣速，并且加入循環(huán) 冷卻水降低燒嘴溫度，可以有效的抑制燒嘴的結(jié)疤現(xiàn)象。輔助火焰和冷卻氣體出 口由若干呈環(huán)形陣列排布的小孔構(gòu)成，有效的提高了出口處的氣速。以上通過反 應(yīng)物進料方式的調(diào)整有效的提高了溫度場和濃度場的均勻性，通過提高出口氣速 和循環(huán)冷卻降溫的方法可以解決噴嘴結(jié)疤的問題，從而有效的克服了傳統(tǒng)擴散燃 燒反應(yīng)器的缺陷。本發(fā)明使通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的-一種氣相燃燒反應(yīng)器，包括高速射流燒嘴(l)和燃燒室(2)，燒嘴位于燃燒室 的上部，其特征在于，燒嘴由高速射流火焰出口(l-l)、輔助射流出口(l-2)、熱水 冷卻夾套(1-3)、輔助火焰出口(l-4)及冷卻氣體出口(l-5)以同軸方式從內(nèi)向外依 次排列而成；燃燒室由點火口(2-l)、領(lǐng)!)壓口(2-l)、測溫口(2-3)和熱水冷卻夾套 (2-4)構(gòu)成。高速射流火焰出口(l-l)突出噴嘴平面2 50mm，輔助射流出口的面積與高速 射流火焰出口的面積比介于1: 3 1: IO之間，輔助火焰出口與高速射流火焰出 口的徑向距離不超過5Do (Do高速射流火焰出口直徑)，冷卻氣體出口由陣列排 布的直徑為0.5 2mm小孔構(gòu)成，開孔率為10 40%;燃燒室的直為8 25D0， 燃燒室的長徑比為10 25: 1。本發(fā)明進一步改進的方案為中心管突出噴嘴平面0.5 1.5mm， 二環(huán)三環(huán)間 加有冷卻水，水溫控制在50 80。C之間；三環(huán)和四環(huán)由若干呈環(huán)形陣列排布的 直徑為0.6 1.5mm小孔構(gòu)成。所述的燃燒室和絮凝管道帶有循環(huán)水夾套，循環(huán)水相互流通，溫度控制在70 9(TC之間。另外，本發(fā)明還提供了該擴散燃燒反應(yīng)器在制備納米金屬氧化物中的應(yīng)用方 法，包括如下步驟(1) 在燒嘴的高速射流火焰出口通入完全預(yù)混的前驅(qū)體蒸汽、第一燃料氣體 和氧化氣體，點燃后形成高速射流火焰，由高速射流火焰出口向燃燒室噴出，高 速射流火焰出口的氣速為100 180m/s;其中，前驅(qū)體蒸汽是金屬氯化物、金屬 醇鹽或其他有機相金屬鹽類的一種或幾種的混合物，第一燃料氣體是氫氣、小分 子碳?xì)浠衔餁怏w的一種或幾種的混合物，氧化氣體是空氣、氧氣的一種或二者 的混合物；(2) 經(jīng)凈化干燥的輔助射流氣體由輔助射流出口通入燃燒室、第二燃料氣體 分別和輔助火焰出口通入燃燒室，并點燃形成輔助火焰，輔助射流出口的氣速為 80 150m/s;輔助射流氣體是空氣、氧氣、氮氣、氬氣中的一種或幾種的混合物；輔助火焰的出口氣速為20 50m/s，第二燃料氣體是氫氣和小分子碳?xì)浠?物氣體的一種或幾種與空氣或者氧氣的混合物；(3)以氣速為50 110m/s、經(jīng)冷卻氣體出口通入經(jīng)凈化的冷卻氣體，在火焰 外部形成環(huán)形射流，對反應(yīng)體系進行冷卻；冷卻氣體是空氣、氧氣、氮氣、氬氣 中的一種或幾種；前驅(qū)體蒸汽和燃燒產(chǎn)生的水蒸氣在燃燒室內(nèi)進行高溫水解反應(yīng)器，反應(yīng)溫度 為600 210(TC，反應(yīng)后制備的納米顆粒粒徑在5 100nm范圍內(nèi)可控。有益效果由以上技術(shù)方案和實施方法可知，本發(fā)明通過改善燃燒反應(yīng)器燒嘴結(jié)構(gòu)和進 料方式，使得反應(yīng)物同燃燒氣體均勻混合后由中心環(huán)噴出，同輔助火焰高速混合， 再加上四環(huán)空氣的穩(wěn)定和保護作用，克服了傳統(tǒng)擴散反應(yīng)器溫度場和濃度場不均 勻的缺陷；并且通過提高縮小各環(huán)出口面積和循環(huán)冷卻降溫的方法，提高了噴嘴 各環(huán)出口的氣速并降低了出口的溫度，避免了燒嘴結(jié)疤現(xiàn)象。利用該燃燒反應(yīng)器， 成功的制備出了粒徑5 40nm，分布較均勻的二氧化鈦、二氧化硅、三氧化二鋁、 銻摻雜的二氧化錫等金屬氧化物，并且可進行連續(xù)生產(chǎn)，滿足工業(yè)化要求。


圖1為本發(fā)明實施例所述的燃燒反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例所述的燃燒反應(yīng)器燒嘴的俯視圖； 圖3為實施例1產(chǎn)物的電鏡照片； 圖4為實施例2產(chǎn)物的電鏡照片； 圖5為實施例3產(chǎn)物的電鏡照片。
具體實施方式
通過以下實施例的說明將有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。實施例1先將20ml/min的TiCl4經(jīng)電加熱的蒸發(fā)器汽化，其蒸汽與經(jīng)干燥、凈化、預(yù) 熱后的空氣和氫氣按一定比例在混合器內(nèi)混合，由高速射流火焰出口向燃燒室高 速噴出，出口氣速為110m/s;另有經(jīng)凈化千燥的空氣和氫氣分別由輔助射流出 口和輔助火焰出口通入燃燒室，并點燃形成輔助火焰，其出口氣速分別為80m/s 和30m/s;在冷卻氣體出口通入經(jīng)凈化的空氣，在火焰外部形成環(huán)形射流，對反 應(yīng)體系進行冷卻，其氣速為50m/s;反應(yīng)溫度為IOO(TC。經(jīng)氣相燃燒形成納米 Ti02顆粒。燃燒室和燒嘴內(nèi)部循環(huán)冷卻水溫控制在8(TC左右。所得Ti02—次顆 粒直徑為15nm左右，粒徑分布較均勻。實施例2先將0.7g/min的異丙醇鋁經(jīng)電加熱的蒸發(fā)器汽化，其蒸汽與經(jīng)干燥、凈化、 預(yù)熱后的空氣和氫氣按一定比例在混合器內(nèi)混合由高速射流火焰出口向燃燒室 高速噴出，出口氣速為140m/s;另有經(jīng)凈化干燥的空氣和氫氣分別由輔助射流 出口和輔助火焰出口通入燃燒室，并點燃形成輔助火焰，其出口氣速分別為 100m/s和40m/s;在冷卻氣體出口通入經(jīng)凈化的空氣，在火焰外部形成環(huán)形射流， 對反應(yīng)體系進行冷卻，其氣速為70m/s;反應(yīng)溫度為120(TC。經(jīng)氣相燃燒形成的 納米Ab03顆粒。燃燒室和燒嘴內(nèi)部循環(huán)冷卻水溫控制在8(TC左右。所得Al203 一次顆粒直徑為10nm左右，粒徑分布較均勻。實施例3先將10ml/min的SnCl4|B SbCl3的乙醇溶液經(jīng)電加熱的蒸發(fā)器汽化，其蒸汽 與經(jīng)干燥、凈化、預(yù)熱后的空氣和氫氣按一定比例在混合器內(nèi)混合由高速射流火 焰出口向燃燒室高速噴出，出口氣速為160m/s;另有經(jīng)凈化干燥的空氣和氫氣 分別由輔助射流出口和輔助火焰出口通入燃燒室，并點燃形成輔助火焰，其出口氣速分別為120m/s和50m/s;在冷卻氣體出口通入經(jīng)凈化的空氣，在火焰外部 形成環(huán)形射流，對反應(yīng)體系進行冷卻，其氣速為90m/s;反應(yīng)溫度為1800'C。經(jīng) 氣相燃燒形成的納米ATO顆粒。燃燒室和燒嘴內(nèi)部循環(huán)冷卻水溫控制在8(TC左 右。所得ATO—次顆粒直徑為20nm左右，粒徑分布較均勻。
權(quán)利要求
1. 一種氣相燃燒反應(yīng)器，包括高速射流燒嘴和燃燒室，燒嘴位于燃燒室的上部，其特征在于，所述燒嘴由高速射流火焰出口，輔助射流出口和熱水冷卻夾套a、輔助火焰出口及冷卻氣體出口以同軸方式從內(nèi)向外依次排列而成；所述燃燒室包括點火口、測壓口、測溫口和熱水冷卻夾套b構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣相燃燒反應(yīng)器，其特征在于，所述高速射流火焰出口 突出噴嘴平面2 50mm，所述輔助射流出口的面積與所述高速射流火焰出口的面積比為1: 3 1: 10;所述輔助火焰出口與所述高速射流火焰出口的徑向距離不超過5D0;所述冷卻氣體出口由陣列排布的直徑為0.5 2mm的小孔構(gòu)成，其開孔率為 10 40%;所述燃燒室的直徑為8 25DQ、長徑比為10 25: 1;所述Do是所述 高速射流火焰出口的直徑。
3、 權(quán)利要求1或2所述的氣相燃燒反應(yīng)器在制備納米顆粒中的應(yīng)用方法，其特征在于(1) 在燒嘴的高速射流火焰出口通入完全預(yù)混的前驅(qū)體蒸汽、第一燃料氣體和 氧化氣體，點燃后形成高速射流火焰，由高速射流火焰出口向燃燒室噴出，高速射流火焰出口的氣速為100 180m/s;其中，前驅(qū)體蒸汽是金屬氯化物、金屬醇鹽或 其他有機相金屬鹽類的一種或幾種的混合物，第一燃料氣體是氫氣、小分子碳?xì)浠?合物氣體的一種或幾種的混合物，氧化氣體是空氣、氧氣的一種或二者的混合物；(2) 經(jīng)凈化干燥的輔助射流氣體由輔助射流出口通入燃燒室、第二燃料氣體由 輔助火焰出口通入燃燒室，并點燃形成輔助火焰，輔助射流出口的氣速為80 150m/s;輔助射流氣體是空氣、氧氣、氮氣、氬氣中的一種或幾種的混合物；輔助火焰的出口氣速為20 50m/s，第二燃料氣體是選自氫氣和小分子碳?xì)浠?合物氣體的一種或幾種與助燃?xì)怏w的混合物，所述助燃?xì)怏w是空氣或氧氣;(3)以氣速為50 110m/s、經(jīng)冷卻氣體出口通入經(jīng)凈化的冷卻氣體，在火焰 外部形成環(huán)形射流，對反應(yīng)體系進行冷卻；冷卻氣體是空氣、氧氣、氮氣、氬氣中 的一種或幾種；前驅(qū)體蒸汽和燃燒產(chǎn)生的水蒸氣在燃燒室內(nèi)進行高溫水解反應(yīng)，反應(yīng)溫度為600 2100°C，反應(yīng)制備的納米顆粒粒徑在5 100nm范圍內(nèi)可控。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于制備納米顆粒的氣相燃燒反應(yīng)器及其工業(yè)應(yīng)用方法。該反應(yīng)器通過改變傳統(tǒng)燃燒反應(yīng)器噴嘴結(jié)構(gòu)，使反應(yīng)物料和燃燒氣體均勻混合后形成超高速射流火焰，在輔助射流和輔助火焰及冷卻氣體的穩(wěn)定和保護的作用下，克服了傳統(tǒng)燃燒反應(yīng)器溫度場和濃度場不均、反應(yīng)噴嘴容易結(jié)疤等缺陷，可以長時間連續(xù)化生產(chǎn)。可用于工業(yè)化連續(xù)制備納米二氧化鈦、二氧化硅、三氧化二鋁、銻摻雜的二氧化錫等多種氧化物納米顆粒。
文檔編號B01J19/24GK101264433SQ20081003701
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月6日
發(fā)明者杰 劉, 李春忠, 胡彥杰 申請人:華東理工大學(xué)