一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)，包括金屬鹽溶液調(diào)制池、蒸汽發(fā)生器、背壓閥、氣液分離器、離心分離器、純水儲(chǔ)箱、回?zé)崞?、加熱爐、混合器、超臨界水熱合成反應(yīng)器和純水泵等。其工作過(guò)程如下：首先金屬鹽溶液和堿液的混合物與加熱爐高溫段出口的高溫水在混合器中混合加熱至反應(yīng)溫度，該混合物與超臨界水熱合成反應(yīng)器連接，超臨界水熱合成反應(yīng)器出口產(chǎn)物進(jìn)入回?zé)崞?；加熱爐低溫段出口的熱水先進(jìn)入回?zé)崞髟龠M(jìn)入加熱爐的高溫段繼續(xù)加熱至設(shè)定溫度；回?zé)崞鞯母邷亓黧w出口的流體分別經(jīng)過(guò)金屬鹽溶液調(diào)制池內(nèi)的換熱盤(pán)管和余熱發(fā)電系統(tǒng)中的蒸汽加熱器進(jìn)行余熱回?zé)?；?jīng)背壓閥降壓后的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)離心分離機(jī)分離出納米產(chǎn)物。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明屬于超臨界水【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)。
【【背景技術(shù)】】
[0002]納米顆粒具有特殊的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如大的比表面、小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等，賦予了其不同于傳統(tǒng)材料的各種獨(dú)特性能以及特異的電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)及力學(xué)性能等最為引人注目，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)過(guò)近幾年深入地研究，現(xiàn)已發(fā)展了一系列納米材料的合成方法。不同納米粉體的制備方法分類(lèi)各不相同，根據(jù)制備原料狀態(tài)可分為固相法、液相法和氣相法。例如，噴霧熱解法、氣相反應(yīng)法、液相反應(yīng)法、微乳液法以及機(jī)械粉碎法等。其中，在工業(yè)生產(chǎn)中較成熟的機(jī)械研磨工藝的生產(chǎn)電耗均較高，并且生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。化學(xué)液相法是近年來(lái)較為活躍的納米顆粒制備方法，但該方法通常需采用大量的有機(jī)溶劑或劇毒的添加劑成分，在生產(chǎn)中造成嚴(yán)重污染，使得其應(yīng)用受到很大限制。因此，探索以水為反應(yīng)介質(zhì)的綠色、高效的納米顆粒制備技術(shù)具有重要意義。
[0003]超臨界水(Supercritical water,簡(jiǎn)稱(chēng)SCW)是指溫度和壓力均高于其臨界點(diǎn)(T=374.15°C, P=22.12MPa)的特殊狀態(tài)的水。超臨界水兼具液態(tài)和氣態(tài)水的性質(zhì)，該狀態(tài)下的水中只有少量的氫鍵存在，介電常數(shù)近似于有機(jī)溶劑，具有高的擴(kuò)散系數(shù)和低的粘度。超臨界水熱合成反應(yīng)是指在密閉的高壓反應(yīng)器中，以超臨界水作為反應(yīng)介質(zhì)，使金屬鹽在水熱介質(zhì)中發(fā)生水解、脫水反應(yīng)，進(jìn)而成核、生長(zhǎng)、最終形成具有一定粒度和結(jié)晶形態(tài)的納米金屬氧化物的反應(yīng)。由于反應(yīng)介質(zhì)為超臨界水，反應(yīng)過(guò)程在密閉的高壓容器中進(jìn)行，因而在反應(yīng)過(guò)程中不會(huì)引入其它污染物，被認(rèn)為是一種綠色環(huán)保的納米制備技術(shù)。
[0004]水熱合成反應(yīng)通常由水解和脫水兩步反應(yīng)機(jī)理組成，分別如下面方程式所示。金屬鹽MLx首先與水電離出的0H_發(fā)生水解反應(yīng)生成金屬氫氧化物M (OH) x，緊接著再發(fā)生脫水反應(yīng)生成金屬氧化物M0x/2:
[0005]水解反應(yīng):MLx+xO!T— M (OH) χ+χL- (I)
[0006]脫水反應(yīng):M(OH) x — M0x/2+x/2H20 (2)
[0007]目前還沒(méi)有完整的超臨界水熱合成制備納米金屬材料的系統(tǒng)工藝方案，它涉及的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題為實(shí) 現(xiàn)金屬鹽溶液快速、均勻升溫。連續(xù)式超臨界水熱合成納米顆粒的工藝流程，通常采用常溫金屬鹽溶液與超臨界水在混合器中直接混合，迅速被加熱至超臨界狀態(tài)。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是升溫速度快、大量晶核同時(shí)迅速生成、停留時(shí)間短以及晶粒的生長(zhǎng)和團(tuán)聚可得到有效抑制等。在反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)，兩股流體的混合方式是決定系統(tǒng)能否良好運(yùn)行的關(guān)鍵。在工程領(lǐng)域，采用靜態(tài)混合器將高溫高壓流體混合已進(jìn)行了大量研究，但是如何在混合的極短時(shí)間域內(nèi)通過(guò)控制混合來(lái)控制固體顆粒生成反應(yīng)則是個(gè)技術(shù)難題。良好的混合器的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是能夠?qū)崿F(xiàn)兩股流體快速、對(duì)稱(chēng)混合，以實(shí)現(xiàn)快速、均勻成核，從而控制產(chǎn)物的品質(zhì)?！?br/>【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0008]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0010]一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)，包括金屬鹽溶液調(diào)制池、蒸汽發(fā)生器、背壓閥、氣液分離器、離心分離器、余熱發(fā)電系統(tǒng)、純水儲(chǔ)箱、回?zé)崞鳌⒓訜釥t、物料泵、混合器、超臨界水熱合成反應(yīng)器和純水泵；
[0011]其中，金屬鹽溶液調(diào)制池的出口連接物料泵的入口，物料泵的出口連接混合器的垂直入口，混合器的垂直出口連接超臨界水熱合成反應(yīng)器的入口，超臨界水熱合成反應(yīng)器的出口連接回?zé)崞鞯母邷亓黧w入口，純水儲(chǔ)箱的出口連接純水泵的入口，純水泵的出口連接加熱爐的低溫段入口，加熱爐的低溫段出口連接回?zé)崞鞯牡蜏亓黧w入口，回?zé)崞鞯牡蜏亓黧w出口連接加熱爐的高 溫段入口，加熱爐的高溫段出口連接混合器的高溫水入口，回?zé)崞鞯母邷亓黧w出口分為兩股，一股與金屬鹽溶液調(diào)制池內(nèi)的換熱盤(pán)管的入口連接，一股與換熱盤(pán)管的出口合并后再與余熱發(fā)電系統(tǒng)中蒸汽發(fā)生器的入口連接，蒸汽發(fā)生器的出口連接背壓閥的入口，背壓閥的出口連接氣液分離器的入口，氣液分離器的出口連接離心分離器的入口，離心分離器的出口連接回收池。
[0012]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，還包括設(shè)置在蒸汽發(fā)生器與背壓閥之間的管道過(guò)濾器。
[0013]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，還包括預(yù)混合器、堿液儲(chǔ)池和堿液泵，其中，物料泵的出口連接預(yù)混合器的第一入口，堿液儲(chǔ)池出口連接堿液泵的入口，堿液泵的出口連接預(yù)混合器的第二入口。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，混合器的高溫水入口包括三個(gè)的側(cè)面入口，三個(gè)的側(cè)面入口均勻分布在混合器的垂直入口段的周向。
[0015]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，回?zé)崞?的高溫流體出口管路上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥。
[0016]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0017](I)本發(fā)明采用常溫下的金屬鹽溶液與加熱水直接混合的方式實(shí)現(xiàn)快速升溫；
(2)本發(fā)明采用對(duì)稱(chēng)式混合器結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)金屬鹽溶液與加熱水均勻、快速混合、升溫，從而保證大量晶核同時(shí)迅速生成，有利于得到超細(xì)顆粒；(3)本發(fā)明系統(tǒng)采用反應(yīng)后高溫流體對(duì)加熱爐中溫段工質(zhì)進(jìn)行回?zé)岬姆绞剑畲笙薅壤昧讼到y(tǒng)回?zé)?，提高了系統(tǒng)能量利用效率。
【【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】】
[0018]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的流程示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中混合器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3是圖2的A-A向視圖。
[0021]圖中:1.金屬鹽溶液的調(diào)制池，2.蒸汽發(fā)生器，3.管道過(guò)濾器，4.背壓閥，5.氣液分離器，6.離心分離機(jī)，7.余熱發(fā)電系統(tǒng)，8.純水儲(chǔ)箱，9.回?zé)崞鳎?0.加熱爐，11.物料泵，12.預(yù)混合器，13.混合器，14.超臨界水熱合成反應(yīng)器，15.堿液儲(chǔ)池，16.堿液泵，17.純水栗?！尽揪唧w實(shí)施方式】】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]參見(jiàn)圖1，本發(fā)明一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)，包括金屬鹽溶液調(diào)制池1、蒸汽發(fā)生器2、背壓閥4、氣液分離器5、離心分離器6、余熱發(fā)電系統(tǒng)7、純水儲(chǔ)箱8、回?zé)崞?、加熱爐10、物料泵11、混合器13、超臨界水熱合成反應(yīng)器14和純水泵17。
[0024]其中，金屬鹽溶液調(diào)制池I的出口連接物料泵11的入口，物料泵11的出口連接混合器13的垂直入口，混合器13的垂直出口連接超臨界水熱合成反應(yīng)器14的入口，超臨界水熱合成反應(yīng)器14的出口連接回?zé)崞?的高溫流體入口，純水儲(chǔ)箱8的出口連接純水泵17的入口，純水泵 17的出口連接加熱爐10的低溫段入口，加熱爐10的低溫段出口連接回?zé)崞?的低溫流體入口，回?zé)崞?的低溫流體出口連接加熱爐10的高溫段入口，加熱爐10的高溫段出口連接混合器13的高溫水入口，回?zé)崞?的高溫流體出口分為兩股，一股與金屬鹽溶液調(diào)制池I內(nèi)的換熱盤(pán)管的入口連接，一股與換熱盤(pán)管的出口合并后再與余熱發(fā)電系統(tǒng)中蒸汽發(fā)生器2的入口連接，蒸汽發(fā)生器2的出口連接管道過(guò)濾器3的入口，管道過(guò)濾器3的出口連接背壓閥4的入口，背壓閥4的出口連接氣液分離器5的入口，氣液分離器5的出口連接離心分離器6的入口，離心分離器6的出口連接回收池。
[0025]本發(fā)明還可以包括預(yù)混合器12、堿液儲(chǔ)池15和堿液泵16，其中，物料泵11的出口連接預(yù)混合器12的第一入口，堿液儲(chǔ)池15出口連接堿液泵16的入口，堿液泵16的出口連接預(yù)混合器12的第二入口。
[0026]參見(jiàn)圖2和3，本發(fā)明混合器13的高溫水入口包括三個(gè)的側(cè)面入口，三個(gè)的側(cè)面入口均勻分布在混合器13的垂直入口段的周向；其結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于加熱水從三個(gè)的側(cè)面入口進(jìn)入混合器13，可避免反應(yīng)物接觸混合器13壁面，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物均勻快速升溫。
[0027]為了對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步了解，現(xiàn)對(duì)其工作過(guò)程做一詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]本發(fā)明納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)，主要包括:物料泵11和堿液泵16分別將常溫下的金屬鹽溶液和堿液泵入預(yù)混合器12進(jìn)行混合，預(yù)混合器12的出口與加熱爐10出口的預(yù)熱的超臨界水在混合器13中直接混合，迅速將混合反應(yīng)物加熱至反應(yīng)溫度，該混合器13與超臨界水熱合成反應(yīng)器14連接；超臨界水熱合成反應(yīng)器14的出口連接回?zé)崞?的高溫流體入口，加熱爐10的低溫段出口與回?zé)崞?的低溫流體入口連接，回?zé)崞?的低溫流體出口連接加熱爐10的高溫段進(jìn)口 ；回?zé)崞?的高溫流體出口管路分為兩股，可通過(guò)管道上的調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)兩股流量之間的分配，一股與金屬鹽溶液調(diào)制池I內(nèi)的換熱盤(pán)管的入口連接，一股與余熱發(fā)電系統(tǒng)中蒸汽發(fā)生器2的入口連接；該蒸汽發(fā)生器2的出口與背壓閥4之間連接管道過(guò)濾器3，背壓閥4出口與氣液分離器5連接，液相產(chǎn)物出口與離心分離機(jī)6的入口連接，離心分離機(jī)6出口的液相產(chǎn)物可達(dá)標(biāo)排放，經(jīng)過(guò)背壓閥降壓后的脫鹽后流體依次經(jīng)過(guò)氣液分離器和離心分離機(jī)，分別脫除氣相產(chǎn)物和納米顆粒產(chǎn)物。
[0029]需要補(bǔ)充的是，純水首先進(jìn)入加熱爐10的低溫段，加熱爐10的低溫段出口與回?zé)崞?的低溫流體入口連接，回?zé)崞?的低溫流體出口連接加熱爐10的高溫段進(jìn)口，反應(yīng)后的脫鹽流體進(jìn)入回?zé)崞?的高溫流體入口，與低溫段的冷流體進(jìn)行換熱；回?zé)崞鞯母邷亓黧w出口連接金屬鹽溶液的調(diào)制池中的加熱盤(pán)管。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于既可以降低加熱爐10的出口鹽溫，又可以充分利用系統(tǒng)回?zé)幔唤饘冫}溶液調(diào)制池中I的加熱盤(pán)管可利用反應(yīng)產(chǎn)物低溫余熱對(duì)金屬鹽溶液進(jìn)行預(yù)熱，提高金屬鹽的溶解度。
[0030]需要說(shuō)明的 是，在具體實(shí)施中，堿液儲(chǔ)池15和堿液泵16可不投入使用。
【權(quán)利要求】
1.一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)，其特征在于，包括金屬鹽溶液調(diào)制池(I)、蒸汽發(fā)生器(2)、背壓閥(4)、氣液分離器(5)、離心分離器(6)、余熱發(fā)電系統(tǒng)(7)、純水儲(chǔ)箱(8)、回?zé)崞?9)、加熱爐(10)、物料泵(11)、混合器(13)、超臨界水熱合成反應(yīng)器(14)和純水泵(17)； 其中，金屬鹽溶液調(diào)制池(1)的出口連接物料泵(11)的入口，物料泵(11)的出口連接混合器(13)的垂直入口，混合器(13)的垂直出口連接超臨界水熱合成反應(yīng)器(14)的入口，超臨界水熱合成反應(yīng)器(14)的出口連接回?zé)崞?9)的高溫流體入口，純水儲(chǔ)箱(8)的出口連接純水泵(17 )的入口，純水泵(17 )的出口連接加熱爐(10 )的低溫段入口，加熱爐(10 )的低溫段出口連接回?zé)崞?9)的低溫流體入口，回?zé)崞?9)的低溫流體出口連接加熱爐(10)的高溫段入口，加熱爐(10)的高溫段出口連接混合器(13)的高溫水入口，回?zé)崞?9)的高溫流體出口分為兩股，一股與金屬鹽溶液調(diào)制池(I)內(nèi)的換熱盤(pán)管的入口連接，一股與換熱盤(pán)管的出口合并后再與余熱發(fā)電系統(tǒng)中蒸汽發(fā)生器(2)的入口連接，蒸汽發(fā)生器(2)的出口連接背壓閥(4)的入口，背壓閥(4)的出口連接氣液分離器(5)的入口，氣液分離器(5)的出口連接離心分離器(6)的入口，離心分離器(6)的出口連接回收池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在蒸汽發(fā)生器(2)與背壓閥(4)之間的管道過(guò)濾器(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)，其特征在于，還包括預(yù)混合器(12)、堿液儲(chǔ)池(15)和堿液泵(16)，其中，物料泵(11)的出口連接預(yù)混合器(12)的第一入口，堿液儲(chǔ)池(15)出口連接堿液泵(16)的入口，堿液泵(16)的出口連接預(yù)混合器(12)的第二入口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)，其特征在于，混合器(13)的高溫水入口包括三個(gè)的側(cè)面入口，三個(gè)的側(cè)面入口均勻分布在混合器(13)的垂直入口段的周向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)，其特征在于，回?zé)崞?的高溫流體出口管路上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK103935962SQ201410131796
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】王樹(shù)眾, 周璐, 唐興穎, 錢(qián)黎黎, 任萌萌, 李艷輝 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué), 西安市萬(wàn)豐能源環(huán)?？萍加邢薰?br>