[发明专利]优化和控制炉反应器中纳米颗粒的粒度分布和生产的系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于优化在炉反应器中的纳米颗粒的粒度分布和生产的系统。更具体的说，本发明涉及用于生产具有期望颗粒特性的纳米颗粒的系统和方法。

背景技术

近年来，纳米技术已经变得重要，由于其基础的和实际的应用，其已经成为研究焦点领域之一。在工业规模中细小颗粒通常在炉反应器中生产，年生产量为数吨每小时。颗粒的较小尺寸尤其是小于100nm是导致各种性质的关键参数之一，各种性质诸如为电子的、电气的、光学的、磁性的、化学的和机械的性质，这些性质使得纳米颗粒适用于在陶瓷、催化、涂料、电子、化学和机械抛光、数据存储、燃料电池等领域中的各种应用。

许多商品和专用化学品和材料(例如炭黑、二氧化钛、二氧化硅和氧化锌)是以细小颗粒的形式生产的，这些细小颗粒应用于涵盖了轮胎、印刷油墨、涂料和颜料、塑料、光纤、催化剂、药物粉末和化妆品的范围的各种工业产品和家用产品。

对于许多实际应用，期望具有小尺寸的以及窄粒度分布的颗粒，因为具有窄粒度分布的较小颗粒导致最终产品的较好的性质。例如，催化剂的活性、金属的硬度和强度、陶瓷的导电性随着粒度的下降而改善。

纳米颗粒的这些特殊性质能够明显不同于类似的大块材料的性质。纳米材料的物理和化学性质倾向于特别依赖于它们的大小和形状或形态。因此，材料科学家将他们的精力集中于开发用于生产具有可控粒度和形态的纳米材料的简单有效的方法，并因此改善它们的性质。用于大规模制造细小颗粒的技术之一是在水平或竖式炉反应器中的火焰气溶胶合成，年生产量为数百万公吨，颗粒生产率高达25公吨每小时。通常，在炉反应器中，细小颗粒通过以下进行生产：

a.加热炉反应器中的气体；

b.被加热的气体在离开反应器之前通过冷却区域；

c.通过均相成核形成颗粒，通过凝结和聚并生长；

d.载气稀释，接着在靠近反应器的出口对稀释过的载气进行骤冷以防止颗粒烧结；

e.降低反应器下流的温度，由于阻止了聚集颗粒的烧结，而增强了较小产物颗粒的形成。

当温度下降时，主要通过凝结而进行颗粒生长，并生成不规则结构的颗粒和粒度分布。

尽管已经很好地建立了用于生产细小颗粒的方法，具有挑战性的任务是控制用于大规模生产的炉反应器中的产物的颗粒大小和粒度分布。

产物粒度分布受多个因素影响，即燃烧器几何结构、火焰的性质和其形状、入口反应物流量和其浓度、湍流特性、气体和颗粒速度、反应器内的压力和温度曲线以及停留时间分布。

为了控制用于大规模生产的炉反应器中的产物颗粒大小和粒度分布，通常通过使用基于工艺设计工程师和装置操作人员的经验而发展而来的试探法根据反复试验来优化反应器和工艺的设计，这可能或可能不能获得期望的产物特性。

与提供用于合成纳米颗粒的方法和放大方法有关的一些发明如下：

US20060024435公开了一种用于制造纳米尺寸的颗粒的方法和纳米颗粒反应器，该颗粒反应器包括提供反应物的层流的成核和核生长区，其中反应物热分解以产生过饱和蒸汽，该过饱和蒸汽使气溶胶颗粒成核成颗粒核。尽管US20060024435专利申请公开了用于生产纳米颗粒的方法和装置，其并没能公开不使用实验而配置反应器的流的方法。而且，其没有确定工艺参数对粒度分布的影响。

US20060159596公开了使用高温方法可控合成纳米颗粒的方法和装置。反应腔包括通过例如等离子体焰炬的部件加热的高温气体和反应室。尽管US20060159596专利申请公开了用于可控合成纳米颗粒的方法和装置，但其并没能公开不使用实验而配置反应器的流的方法。而且，其没有确定工艺参数对粒度分布的影响。

Akhtar等(1991)的“Vapor Synthesis of Titania Powder by Titanium Tetrachloride Oxidation”公开了化学反应和凝结以确定在气溶胶火焰反应器中产物二氧化钛颗粒的粒度分布的特性。而且，所述文献公开了通过TiCl₄的气相氧化生产TiO₂颗粒的方法，以及通过使用分段技术对“化学反应和凝结”的气溶胶动力学反应进行解释而公开了工艺参数对生产方法的影响。该文献主要仅专注于颗粒的粒度分布，而没有解决气相动力学和颗粒群动力学的耦合。而且，所述文献没有确定整个炉反应器的气相和颗粒特性以及使用不同燃烧器的颗粒特性。其也没有解决用于按比例放大具有期望粒度分布的纳米颗粒的生产规模的挑战性方面。