一种采用流化床反应器合成氮化硅的系统的制作方法

本发明涉及氮化硅合成领域，具体涉及一种采用流化床反应器合成氮化硅的系统。

背景技术：

氮化硅（Si₃N₄）陶瓷是一种先进的工程陶瓷材料，该材料具有在室温和高温下的高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损和良好的抗热冲击及机械冲击性能等特点，人们已利用它开发制造了轴承、汽轮机叶片、机械密封等机械构件，并已广泛应用于冶金、航空、石油化工、机械、电子等行业。近二、三十年Si₃N₄颇受青睐和重视。因此，制造高质量、低成本的Si₃N₄粉末，已成为行业内共同关注的问题。

氮化硅粉的制备方法有多种，分别是硅粉直接氮化法、SiO₂碳热还原法、化学气相法和热分解法等。各种制备方法，都有其存在的价值及不断开发进步的理由。其中硅粉直接氮化法是一种利用燃烧合成技术来制备Si₃N₄粉的方法。在这种方法上，各国学者、研究人员进行了大量研究，发表了不少论文也申请了许多专利，目的在于开发一种连续化合成Si₃N₄的方法。

硅粉直接氮化法制备Si₃N₄是目前制备Si₃N₄粉末的主要方法，但这种方法的主要缺点是合成的Si₃N₄易团聚、会结块，因此，反应后已生成的Si₃N₄需研磨、均质化；这种方法的另一缺点是生产过程是间断、不连续的。因此有必要提供一种新的Si₃N₄粉末制备方法和系统。

技术实现要素：

本发明的首要目的就是提供一种采用流化床反应器合成氮化硅的系统，其可有效解决上述问题，使硅粉在流化状态下和氮气反应，合成Si₃N₄粉末不会团聚结块，且可实现Si₃N₄粉末的连续生产。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种采用流化床反应器合成氮化硅的系统，包括流化床反应器、氮气供应单元以及硅粉供料单元，其特征在于：流化床反应器包括壳体，壳体的下部腔体用于氮气与硅粉在流态化状态下进行氮化反应，壳体底部的壳壁上设置供气口和供料口，氮气供应单元包括用于加热氮气的加热装置，加热装置的出气口与供气口相连接，硅粉供料单元包括用于盛装硅粉的投料桶和文丘里加料器，投料桶的出料口与文丘里加料器的粉料入口相连接，文丘里加料器的出料口与供料口相连接，壳体顶部的出料口与回收合成氮化硅的旋风分离器相连接。

进一步的方案为：

还包括过滤器和引风机，旋风分离器顶部出风口与过滤器相连接，过滤器的出风口与引风机相连接，引风机的出风口分两路风别连接文丘里加料器的气体入口以及加热装置的进气口。

壳体的上部腔体内设置有管式换热器A，管式换热器A的冷流体入口与文丘里加料器的出料口相连接，管式换热器A的冷流体出口与供料口相连接。

壳体的上部腔体内设置有管式换热器C，管式换热器C的冷流体入口与氮气源相连接，管式换热器C的冷流体出口与加热装置的进气口相连接。

壳体的上部腔体内设置有管式换热器B，管式换热器B的冷流体入口与引风机的出风口相连接，管式换热器B的冷流体出口与加热装置的进气口相连接。

管式换热器A、B、C在壳体的上部腔体内由下至上依次排列设置。

供气口处设置有一排水平布置的供气管，供气管延伸至壳体内腔内，并在此管处设置出气孔，壳体底部内腔内设置有排列状布置的挡板，挡板立状固定在壳体的内壁面上，挡板的下端与壳体的壳底呈分离状布置，供气管与挡板的下端相平齐对应布置，挡板设置在相邻的两供气管之间。

出气孔包括第一、二出气孔，第一、二出气孔沿供气管的管身成对间隔设置，第一、二出气孔处的气体流向均为斜向下且分别指向供气管的两外侧，第一出气孔的中心线与铅垂线的夹角为30°，第二出气孔的中心线与铅垂线的夹角为45°，第一出气孔设置在供气管上靠近供料口一侧的管壁上。

挡板的上侧边部不与壳体内侧壁面相连接，是悬置状的；挡板的下侧边部与壳体内侧底壁面呈分离状布置，他们之间的距离为25-50mm，并与设备外的供气管相连，挡板两侧边部与壳体内侧壁面相固接。

管式换热器C与氮气源相连接的管道上设置氮气流量控制阀A和鲜氮气控制装置，鲜氮气控制装置调控氮气流量控制阀A的运行状态；引风机的出风口与文丘里加料器气体入口之间的连接管道上设置氮气流量控制阀B和送硅粉氮气控制装置，送硅粉氮气控制装置调控氮气流量控制阀B的运行状态；加热装置与温度控制装置相连接，温度控制装置调控加热装置的出口氮气温度（和氮气升温速率）；壳体顶部的出料口处设置测压装置A（气压）和测温装置A，管式换热器A、B之间设置测温装置B，管式换热器B、C之间设置测温装置C，管式换热器C与挡板之间设置测压装置B和测温装置D，相邻挡板之间夹合形成供物料通过的通道，通道的上端设置测温装置E,通道的下端设置测温装置F，管式换热器B的冷流体入口与引风机的出风口相连接的管道上设置测压装置C和测温装置G，管式换热器A与加热装置相连接的管道上设置测温装置H，并有管道相连。

采用上述系统合成氮化硅的方法为：

将平均粒度20～40mm的Si粉加入投料桶内以备用，打开氮气源出气口处的氮气流量控制阀A，当测压装置B检测到压力为10～20mmH₂O时，检查整个装置的密封性,然后进行热身操作；

热身操作包括：启动加热装置（通过温度控制装置使加热装置的出口N₂温升为10～20℃/min），调控加热装置至出口温度为200℃时，启动引风机，打开氮气流量控制阀B，并通过送硅粉氮气控制装置控制N₂流量在20～120L/h（引风机出口的大部分N₂通过管式换热器B和加热装置返回壳体底部，周而复始的进行循环）。

热身操作结束后，打开投料桶出料口处设置的卸料阀A,使Si粉通过文丘里加料器进入流化床反应器底部参与反应；同时，加快加热装置的升温速度，直到加热装置的出口温度为1250～1380℃，并通过温度控制装置使得加热装置的出口温度维持在该区间范围内，然后逐渐开大卸料阀A，使Si粉的进料流量为50～100kg/h。

因为Si粉的直接氮化反应是个放热反应，在反应过程中有热量放出，会使反应物料体系温度上升15～30℃。为使反应温度不至太高而影响Si₃N₄产品质量，反应温度控制在1300～1380℃（测温装置D测得）。控制方法为：通过调节控制各供气管进气端设置的氮气手动调节阀的开度大小。

氮化反应生成的Si₃N₄，大部分会从壳体上开设的Si₃N₄出料口排出，少量细Si₃N₄粉会随着流态化反应的高温载气N₂继续上升，载气N₂把部分热量传递给管式换热器A、B、C中的冷流体，自身的温度会下降。温度已下降的载气进入旋风分离器，分离下来的细Si₃N₄粉，通过旋风分离器底部的出料口排出，旋风分离器底部的出料口处设置卸料阀B，分离过细Si₃N₄粉的载气N₂进入过滤器进行过滤，再进入高温引风机参与循环。

本发明中提供的生产系统，将硅粉在流化状态下和氮气反应，合成Si₃N₄粉末。由于固体颗粒悬浮在氮气介质中，气固两相接触表面积大，有利于加快传热、传质和化学反应过程的速率。固体颗粒处于强烈搅动状态，反应器内温度易于维持均匀，利于提高合成产品的质量，又由于氮化硅合成反应是个放热反应，通过适当的换热方式可把这部分热量回收回来，用于合成反应所需消耗的热量。反应器中的重要工艺参数全部通过计算机加以显示和控制，使氮化反应器能长期、平稳、安全、低消耗、易控制连续运行，生产出成本低、质量符合要求的Si₃N₄粉末。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为流化床反应器的结构示意图；

图3为图2的A-A剖视结构示意图；

图4为图2的B-B剖视结构示意图；

图5为供气管的截面的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

本发明采取的技术方案如图1、2、3、4所示，一种采用流化床反应器合成氮化硅的系统，包括流化床反应器11、氮气供应单元以及硅粉供料单元，流化床反应器11包括壳体，壳体的下部腔体用于氮气与硅粉在流态化状态下进行氮化反应，壳体底部的壳壁上设置供气口和供料口，氮气供应单元包括用于加热氮气的加热装置17，加热装置17的出气口与供气口相连接，硅粉供料单元包括用于盛装硅粉的投料桶15和文丘里加料器16，投料桶15的出料口与文丘里加料器16的粉料入口相连接，文丘里加料器16的出料口与供料口相连接，壳体顶部的出料口与回收合成氮化硅的旋风分离器12相连接。

进一步的方案为：还包括过滤器13和引风机14，旋风分离器12顶部出风口与过滤器13相连接，过滤器13的出风口与引风机14相连接，引风机14的出风口分两路风别连接文丘里加料器16的气体入口以及加热装置17的进气口。壳体的上部腔体内设置有管式换热器A，管式换热器A的冷流体入口与文丘里加料器16的出料口相连接，管式换热器A的冷流体出口与供料口相连接。壳体的上部腔体内设置有管式换热器C，管式换热器C的冷流体入口与氮气源相连接，管式换热器C的冷流体出口与加热装置17的进气口相连接。壳体的上部腔体内设置有管式换热器B，管式换热器B的冷流体入口与引风机14的出风口相连接，管式换热器B的冷流体出口与加热装置17的进气口相连接。管式换热器A、B、C在壳体的上部腔体内由下至上依次排列设置。供气口处设置有一排水平布置的供气管116，供气管116延伸至壳体内腔内，管身设置出气孔，壳体底部内腔内设置有排列状布置的挡板115，挡板115立状固定在壳体的内壁面上，挡板115的下端与壳体的壳底呈分离状布置，供气管116与挡板115的下端相平齐对应布置，挡板115设置在相邻的两供气管116之间。出气孔包括第一、二出气孔，第一、二出气孔沿供气管116的管身成对间隔设置，第一、二出气孔处的气体流向均为斜向下且分别指向供气管116的两外侧，第一出气孔的中心线与铅垂线的夹角为30°，第二出气孔的中心线与铅垂线的夹角为45°，第一出气孔设置在供气管116上靠近供料口一侧的管壁上。

挡板115的A侧边部与壳体内侧壁面相连接，挡板115的B侧边部与壳体内侧壁面呈分离状布置，A侧边部和B侧边部为挡板115立状相对布置的两边部，供气管116内的气体流向为B侧边部指向A侧边部。管式换热器C与氮气源相连接的管道上设置氮气流量控制阀A和鲜氮气控制装置，鲜氮气控制装置21调控氮气流量控制阀A的运行状态；引风机14的出风口与文丘里加料器16气体入口之间的连接管道上设置氮气流量控制阀B和送硅粉氮气控制装置，送硅粉氮气控制装置22调控氮气流量控制阀B的运行状态；加热装置17与温度控制装置23相连接，温度控制装置23调控加热装置17的出口氮气温度（和氮气升温速率）；壳体顶部的出料口处设置测压装置A（气压）和测温装置A，管式换热器A、B之间设置测温装置B，管式换热器B、C之间设置测温装置C，管式换热器C与挡板115之间设置测压装置B和测温装置D，相邻挡板115之间夹合形成供物料通过的通道，通道的上端设置测温装置E,通道的下端设置测温装置F，管式换热器B的冷流体入口与引风机14的出风口相连接的管道上设置测压装置C和测温装置G，管式换热器A与加热装置17相连接的管道上设置测温装置H，A与17有管道相连。

将Si粉加入上述系统中的投料桶15中以备氮化反应之用，只要开动投料桶15出料口处设置的星形加料阀和氮气流量控制阀B，就可以给反应器11加Si粉原料。N₂通过鲜氮气控制装置21调控，并通过加热装置17加热后给反应器11通入N₂。进入反应器11底部的N₂和Si粉，在流态化状态进行氮化反应，反应所放出的热量将传递给反应产物，主要是Si₃N₄和起流化作用的载气N₂，使其温度升高。反应产物经过三个叠加其上的管式换热器A（图2中标号113的部件）、管式换热器B（图2中标号112的部件）、管式换热器C（图3中标号111的部件），将把部分热量传递给和其换热的冷流体。而其本身的温度将会有所下降，同时其所携带的部分产物Si₃N₄将会降落在反应器11底部，随成品Si₃N₄通过成品出料管排出反应器11。这部分所谓的反应产物其实是载气，载气的作用是帮助原料Si粉和产物Si₃N₄粉进行流态化的。载气在通过旋风分离器12时，其中的绝大部分细Si₃N₄都回收在旋风分离器12的底部，通过打开旋风分离器12底部出料口处的星形阀，细Si₃N₄就可以回收了。通过旋风分离器12顶部排出的载气会含有少量的极细Si₃N₄，通过过滤器13载气进入高温引风机14。基本无杂质的载气经过引风机14加压后，分为两股外流，一股少量的载气作为输送Si粉的介质之用；一股大量的载气经过管式换热器B，并与管式换热器B、C中出来的N₂汇成一股，进入加热装置17（电加热炉），加热到所需的温度，又返回反应器11的底部。少部分作为反应所需的N₂，大部分作为流态化的载气。

反应集中在反应器11下部，反应器11下部的壳体横截面为长方形，在长度方向设置垂直排列布置的挡板115将反应器11内部分为5个腔室。挡板115下侧边部与反应器11壳底之间留有一定的间隙，使粉体颗粒能逐室通过，最后通过出口卸出反应器11。这种结构的特点是，把N₂分别通入各室，各室的通N₂的速度可以调节，因而反应器11各室的反应温度也可以进行调节，物料在反应器11内的停留时间可以适当调节。N₂通过5根氮气供气管116分别通入5个室，进行粉料的流态化。

换热系统集中在反应器11上部，按照布置从下到上分别为管式换热器A、B、C，这三个换热器类似于蒸笼，叠加在反应器11上部，组成一个有反应功能，又有换热功能的综合反应器11。管式换热器A热流侧是流化床反应的循环载气，冷流侧是Si粉和气流输送Si粉N₂的混合物。管式换热器B热流侧是流化床反应的循环载气，冷流侧是流化载气。管式换热器C热流侧是流化床反应的循环载气，冷流侧是新鲜N₂。产品回收主要来自反应器11的Si₃N₄颗粒，以及流化反应载气N₂所携带的通过旋风分离器127所回收的细Si₃N₄颗粒。

控制系统包括鲜氮气控制装置21、送硅粉氮气控制装置22、温度控制装置23以及一些温度、压力指示等人工控制系统。

反应器11的结构大致可分为四个部件组成：一为下壳体a；二为中壳体b，三为上壳体c，其顶部为顶盖d。下壳体a是三个壳体连接而成的。其壳体上部是长方体上壳体部，中部是菱台形壳体部、下部是长方体下壳体部，菱台形壳体部的上部和长方体上壳体部下部连接，菱台形壳体部的下部和长方体下壳体部的上部连接，下壳体a的上端面是法兰连接件，可通过紧固件螺栓和螺母和中壳体b的下部连接法兰互相密封连接。下壳体a的内部焊有管式换热器A，管式换热器A的换热管穿过下壳体a的侧壁，其上部为冷流体的进口，其下部为冷流体的出口。菱台形壳体部中部壳壁上焊有压力表接口和温度计接口。下壳体a的底部是法兰连接件，可通过紧固件螺栓和螺母和底板密封连接。在其下部横截面长方形的长侧开有5个接管孔，孔里串有N₂供气管5根。每根管子开5对孔如图5所示，共10个孔，孔径为Ф2mm，每对孔之间的距离是相等的，目的是让N₂分布尽量均匀。其下部有携带Si粉的输送N₂的进口，在其下部的中间处还设有成品Si₃N₄粉末的出口。在反应器11内部的下面，还设有4块垂直挡板115，挡板115与底板之间的距离为25～50mm之间，挡板115高度为40～90mm之间。在侧壁、挡板115的高度范围内上、下各开一个温度计接口如图2所示，以便测试温度，可进行调节。

中壳体b是个长方体，上部焊有法兰连接件，可通过紧固件螺栓和螺母和上壳体c的下法兰密封连接。中壳体b的内部焊有管式换热器B，管式换热器B的上部设置冷流体的进口,管式换热器B的下部设置冷流体的出口，在管式换热器B下侧的中壳体b的侧壁上开有一个测温接口。

上壳体c是个长方体，长方体侧壁上部焊有法兰连接件，可通过紧固件螺栓和螺母和顶盖d的法兰密封连接。上壳体c的内部焊有管式换热器C，管式换热器C的上部设置冷流体的进口,管式换热器C的下部设置冷流体的出口，在管式换热器C下侧的上壳体c的侧壁上开有一个测温接口。

顶盖d是个菱锥形，其侧面上开有一个温度计接口和一个压力测试接口。

具体的生产操作为：

将平均粒度为20～40mm的Si粉加入投料桶15以备用。

高纯N₂通过氮气流量控制阀A连续不断的进入整个反应装置，当反应器11内腔的显示压力为10～20mmH₂O时，认真检查整个装置的密封点，当检查处理结束，所有密封点都不漏且整个装置完好，装置就可以进入预热阶段。

启动加热装置17，通过操作温度控制装置23,使加热装置17出口N₂温升为10～20℃/min。当加热装置17出口温度为200℃时，启动高温引风机14，打开气流输送氮气流量控制阀B，并通过送硅粉氮气控制装置22调控N₂流量在20～120L/h，高温引风机14出口的大部分N₂通过反应器11上部的管式换热器B和加热装置17返回反应器11底部，周而复始的进行循环。

当整个装置热身结束后约10～20min，启动星形加料伐，使少量Si粉通过文丘里加料器16进入反应器11底部参与反应。同时，加快加热装置17的升温速度，约30～50℃/min，直到加热装置17出口温度为1250～1380℃，并通过温度控制装置23控制住该温度。当该温度能有效控制后，逐渐开大星形加料伐，使Si粉的流量为50～100kg/h。因为Si粉的直接氮化反应是个放热反应，在反应过程中有热量放出，会使反应物料体系温度上升15～30℃。为使反应温度不至太高而影响Si₃N₄产品质量，反应温度控制在1300～1380℃。控制方法为：通过调节控制五个供气管116进气端设置氮气手动调节阀的开度大小。

氮化反应生成的Si₃N₄，大部分会从Si₃N₄出料口排出，少量细Si₃N₄粉会随着流态化反应的高温载气N₂继续上升。载气N₂把部分热量传递给管式换热器A（图2中标号113的部件）、管式换热器B（图2中标号112的部件）、管式换热器C（图3中标号111的部件）中的冷流体，本身的温度也会下降。温度已下降的载气进入旋风分离器12，分离下来的细Si₃N₄粉通过底部出料口排出，分离过细Si₃N₄粉的载气N₂进入过滤器13进行过滤，再进入高温引风机14参与循环。

本发明中由于采用了如上所述的技术方案，反应物Si粉和N₂的量都能控制，流态化载气N₂的流量也可控制，反应温度和反应时间在一定范围内都能调节，所以连续化生产是可能的，并且产品质量容易保证。

另外换热器和反应器11结合为一体，能最大限度的把物料的化学能转化为热能，供给反应所需要的热消耗，在一定程度上降低了生产的能耗。这种节能方案是可取的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。