专利名称：气相法生产高品质纳米氧化物的方法
技术领域：
本发明涉及一种气相法生产高品质纳米氧化物的方法，属于纳米材料技术领域。
背景技术：
气相法是一种制备各种高品质的纳米颗粒的化学工艺，自从超细粉体特别是纳米 颗粒在高性能应用方面的潜力被发掘之后，其科学和商业价值大大增加，气相法已成为 纳米氧化物粉体制备中一个非常重要的技术。尽管各种气相法合成工艺存在许多的差 异，但纳米颗粒在生成时都有一个共同的生成机制，且纳米颗粒的产品质量及应用性能 主要是由其粒径分布及聚集形态，即颗粒大小和由初级纳米粒子数定义的团聚程度所共 同决定的。在用气相法生产纳米氧化物的过程中，纳米产品的最终性能主要是由合成工 艺前期几毫秒时间内的流体力学和质点动力学所决定，—— 一旦初级粒子在火焰区形成以 后，它的基本特质就已经确定了。 一般来说，火焰区形成的纳米粒子与气体混合物共同 形成了气溶胶物质，如何将纳米初级颗粒进行有效控制和将纳米粉体进行有效分离是目 前气相法生产纳米粉体较为关注的热点问题。
目前使用气相法生产纳米粉体时，气固的分离主要采用过滤技术，而现有的过滤 技术存在着下列问题(1)滤布易堵塞；(2)滤饼形成之前粒子逃逸过多；(3)因反应 区压力场不稳定而带来的产品质量问题；(4)需要频繁地清洗与反吹。此外，由于喷嘴 是单孔结构，燃烧火焰从喷嘴中心喷出，但是由于火焰一般为"纺锤形"，火焰区存在 较大的温度梯度，必然导致纳米初级粒子经历的轨迹不同；这些问题导致现有气相法纳 米氧化物粉体粒径分布宽、工艺不连续、能耗大、过滤设备负荷过重以及产品质量不稳 定。因此，完全有必要对现有技术加以改进。
发明内容
为克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种气相法生产高品质纳米氧化物的 方法，使之能够连续生产，生产的产品纯度高、活性高、粒径分布均匀、比表面积大、 团聚少、分散性好的高品质纳米氧化物粉体，尤其适合纳米氧化锆粉体的生产。
本发明的第二个目的在于提供一种在气相法生产高品质纳米氧化物中使用的气相
法燃烧反应喷嘴，该喷嘴为预混式，使通过该喷嘴的火焰呈现层状，该火焰区的温度梯
度很小，可以使初级粒子经过的轨迹大致相当，可以通过控制气体流速和原料气的比例， 达到控制纳米粒子生长的效果。
本发明的第三个目的在于提供一种在气相法生产高品质纳米氧化物中使用的气溶 胶絮凝装置。
本发明的第一个目的通过下列技术方案完成 一种气相法生产高品质纳米氧化物 的方法，其特征在于经过下列步骤
A、 原料输送利用氮气或空气作为载气，将稳定剂及金属卤盐在蒸发器中加热到
50-40(TC成为原料蒸汽，用压力为O. l-0.3Mpa的载气，将原料蒸汽输送至喷嘴预混腔， 其中载气量与原料蒸汽量的摩尔比为1 3:1，稳定剂与金属卤盐的摩尔比例为1: 20-100;
B、 原料及燃料的混合将温度为350 50(TC的氢气以及氧气或者空气输送至燃烧 喷嘴的预混腔用作燃料气，其中氢气量与金属卤盐的摩尔比控制在3 10 : 1，氧气量与
金属卤盐的摩尔比控制在i io : i，原料蒸汽与燃料气的混合物在燃烧喷嘴预混腔内高
速预混，并燃烧产生水解反应；
C、 燃烧反应后的初级粒子及混合气体经燃烧喷嘴，以20 40m/s的速度喷入水解 炉炉膛中，燃烧水解形成气溶胶物质，并放出大量的热，使炉膛反应区温度达1400-2000 'C，水解产物即为初级粒子，都在4-20纳米之间，初级粒子经炉膛火焰区自然煅烧得 到稳定的晶相反应产物和气体混合物；
D、 将C步骤的晶相反应产物和气体混合物，以20 40m/s的速度，由炉膛送至絮 凝器中，控制气体温度为105-150°C，让反应产物依次经过絮凝器中的加速区、湍流区 絮凝后，依靠重力沉积作用沉降到沉降区，以收集大部分粉体粒子，其余粉体粒子随气 流流出；
E、 随气流流出的剩余粉体粒子再依次经旋风分离器、布袋收集器过滤后，即得气 固分离后的粉体；
F、 将D步骤和E步骤得到的粉体粒子，以气流输送的方式送入流化床脱酸塔后， 用温度为100°C 350°C，绝对湿度为30-100g/n^的湿热空气对粉体进行0. 5 2小时的
脱酸处理，得到PH值为4-6的脱酸产品；
G、从D步骤絮凝器、E步骤气固过滤分离设备、F步骤脱酸塔出来的含酸气体收 集后， 一并送入尾气处理系统，用降膜吸收器高效吸收其中的氯化氢后，用现有技术中 的常规技术和设备将氯化氢制备成工业用盐酸，达标的净化气体则排空。
所述稳定剂为氧化硫、氧化硼、氧化钛或氧化钙中的一种或几种的混合，其加入 量为金属卤盐摩尔比的1/20 1/100。
所述A步骤的蒸发器为现有技术中的常规设备。
所述C步骤的水解炉，E步骤的旋风分离器、布袋收集器，F步骤的流化床脱酸塔， G步骤的降膜吸收器均为现有技术中的常规设备。
本发明的第二个目的通过下列技术方案实现 一种气相法燃烧反应喷嘴，其特征 在于包括其上带原料入口、燃气入口的腔体，腔体下部的喷嘴由外壁，设于外壁中部的 堵头，位于堵头与外壁之间的环状通道所组成。以便原料、燃气、氧化剂等气体混合物 从喷嘴的环状通道向外喷出。
所述喷嘴的环状通道距离为lmm-5mm之间，通过喷嘴的气体流速在15m/s-50m/s。
本发明的第三个目的通过下列技术方案实现 一种气溶胶絮凝装置，其特征在于 在其上设有进料口、出气口、出料口的壳体内，间隔设有交错排列的隔板组，隔板组之 间的空隙下方设置出料口。
所述壳体设为圆柱体，或者正方或长方体，或者多边柱体，最佳为长方体，壳体 上的进料口和出气口设置在壳体的上部，且进料口和出气口分开设置，以延长物料在壳 体内的通道长度为宜。
所述壳体内交错排列的隔板组至少由二块隔板组成，其中一块的一端固定在壳体 上部，另一端悬于壳体内，而另一块的一端固定在壳体下部，另一端则悬于壳体中，从 而形成交错排列的隔板组，使物料通道形成较长的弯曲道，使物料在隔板间形成长距离、 高速度湍流，以便于絮凝。
所述壳体内交错排列的隔板组之间的间隙距离设为等距或不等距，以降低通过该 间隙区的物料流速，便于长大的颗粒物料在此区域沉降。
所述壳体下部各出料口下方分别设有由其上带进料口、出料口、进气口的机壳，
以及设于机壳内的旋转叶片所构成的物料输送器，物料输送器的出料口与物料输送道连 通。
所述物料输送器的机壳为圆柱体，其上的进料口与位于上方的壳体出料口连通， 机壳上侧设有平衡气流入口，机壳上的出料口设在圆柱体下部，通过倾斜设置的出料通 道与物料输送主管相连，物料输送主管的一端与输送气流入口连通，以便絮凝沉降后的 物料经物料输送器进入主管后，由输送气流送出。
所述物料输送器机壳内的旋转叶片设置在机壳轴心线上的轴上，叶片数量至少为2
片，以便来自上部的物料在上、下两股气流的联合作用下，推动叶片运动，通过叶片的 转动送往下部的主管内，从而实现连续化输送物料。
本发明工艺与现有技术相比具有下列优点和效果本发明工艺连续化程度高，技 术先进，能耗低，无污染，投资规模小，适合于规模化工业化生产，生产的纳米氧化物 粒子具有纯度高，比表面禾哭大—，活性高，无团聚，分散性好，—粒径分布窄等特点。尤其 是气溶胶絮凝装置的设置，可使气相法生产出的纳米初级粒子在此装置内完成凝并长 大，使绝大部分粉体粒子等效尺寸大于50微米，从而轻松实现重力分离，大大减轻后 序过滤设备工作负荷，保证产品质量稳定，降低生产成本。本发明工艺流程短，所用设 备的结构简单，工作可靠性高，稳定性好，从根本上解决了工业上大规模生产高品质纳 米氧化物存在的气固分离难的问题。
图l为本发明工艺流程图2为本发明提供的气溶胶絮凝装置结构示意图3为本发明提供的气相法燃烧反应喷嘴结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明装置做进一步描述。
如图2，本发明提供的气溶胶絮凝装置的壳体为长方体9，壳体9上设有进料口 1、 出气口 8及三个出料口 19、 10、 ll，进料口 1设置在壳体9上部一侧，出气口8设置在 壳体9上部另一侧，出料口19、 10、 ll设为锥形，锥角为20度，每个出料口的上方对 应为隔板组之间的空隙，即无隔板区(也即沉降区)3、 5、 7，长方形壳体9内部间隔 设有交错排列的隔板组2、 4和6，隔板组2与4， 4与6之间的间距设为不等距，其中 几块的一端固定在壳体9顶部，另一端悬于壳体内，而另几块的一端固定在壳体9底部， 另一端则悬于壳体中，从而形成交错排列的隔板组，每块隔板之间的间距为10cm，各出 料口 19、 11、 10下方分别设有一个螺旋物料输送装置，用来连续地将无隔板区的粉体 输送出去。其中螺旋物料输送装置包含一个圆柱形机壳17，圆柱形机壳17内部设有一 组螺旋叶片16，叶片16活动固定在机壳17中心处的转轴上，在圆柱形机壳17的侧上 方设有一个平衡气流入口 18，在圆柱形机壳17下方设有倾斜的出料通道15，该通道与 送料主管12相连，送料主管12的一端与一个输送气流入口 14相连，以便在来自平衡 气流口 18和输送气流入口 14两股气流的作用下，推动叶片16运动，从而将来自上部 出料口 19的物料通过叶片16的转动送往下部的送料主管12内，从而实现连续化物料 输送。同样出料口ll、 IO的下方连接有相同的螺旋物料输送装置，在此省略。
如图3，本发明提供的气相法燃烧反应喷嘴，包括其上带原料蒸汽、稳定剂入口 103、燃气入口 101、空气入口 104——的腔体102，腔体102内即为预混腔，腔体102-下部 的喷嘴由外壁105，设于外壁105中部的堵头106，位于堵头106与外壁105之间的环 状通道107所组成，环状通道107的距离为2mm。以便原料、燃气、氧化剂等气体混合 物从喷嘴的环状通道向外喷出。
下面结合实施例对本发明之工艺方法做进一步描述。
实施例1
本发明提供的气相法生产高品质纳米氧化物的方法，经过下列步骤
A、 将蒸发器温度加热到40(TC，将纯度为99.6%的四氯化锆以10摩尔/小时、纯 度为99%的氧化硼以0. 03摩尔/小时的流量送入蒸发器中，送入四氯化锆和氧化硼时， 是用工业氮气作为载气，载气量为25摩尔/小时，并在0. 15Mpa的压力下从燃烧反应喷 嘴的入口 103送至预混腔102内；
B、 同时将温度为45(TC的氢气以60摩尔/小时，将温度为45(TC的氧气以80摩尔 /小时的流量，在0. 15Mpa的压力下，分别通过保温管道从燃烧反应喷嘴入口 101和104 进入喷嘴预混腔102内；
C、 上述原料气和燃气经喷嘴预混腔102混合后经喷嘴环状通道107层流至喷嘴出 口后点燃，并在水解炉炉膛中燃烧水解，此水解反应放出大量的热，使反应区温度达1500 'C左右，经火焰区自然煅烧即得稳定的晶相反应产物和气体混合物，形成气溶胶；
D、 将C步骤的反应产物和气体混合物，经炉膛送至絮凝器中，控制气体温度为120 °C，让粒子依次经过絮凝器中的加速区、湍流区絮凝后，依靠重力沉积作用沉降到沉降 区，以收集大部分粉体粒子，其余粉体粒子随气流流出；
E、 随气流流出的剩余粉体粒子再依次经旋风分离器、布袋收集器，即得气固分离 后的粉体；通过絮凝、气固过滤分离后粉体收集率可达到96%以上；
F、 将D步骤和E步骤得到的粉体粒子，以气流输送方式送入流化床脱酸塔后，用 温度为300°C，绝对湿度为50g/立方米的热湿热空气对粉体进行50分钟时间脱酸，得 纯度为99. 4%，比表面积小于150m7g的高品质气相法纳米氧化物粉体；
G、 从D步骤絮凝器、E步骤气固过滤分离设备、F步骤脱酸塔出来的含酸气体收 集后， 一并送入尾气处理系统，用降膜吸收器高效吸收其中的氯化氢后制备成工业用盐 酸，达标的净化气体排空。
实施例2
本发明提供的气相法生产高品质纳米氧化物的方法，包括
A、 汽化器温度加热到IOO'C,将纯度为99.6%的四氯化硅100摩尔/小时，用干燥 空气作为载气(干燥空气露点-2(TC)，载气量为150摩尔/小时，在0.2Mpa的压力下从 燃烧反应喷嘴的入口 103送至预混腔102内；
B、 同时将氢气量为500摩尔/小时，将干燥空气1000摩尔/小时的流量，将氢气和 干燥空气分别加热至40(TC，在0.2Mpa的压力下，分别通过保温管道从燃烧反应喷嘴入 口 101和104进入喷嘴预混腔102内；
C、 上述原料气和燃气经喷嘴预混腔102混合后经喷嘴环状通道107层流至喷嘴出 口后点燃，并在水解炉炉膛中燃烧水解，此水解反应放出大量的热，使炉膛反应区温度 达在145(TC左右，经火焰区自然煅烧得到稳定的晶相反应产物和气体混合物，形成气溶 胶；
D、 将C步骤的反应产物和气体混合物，经炉膛输送至絮凝器中，控制气体温度为 13(TC，让粒子依次经过絮凝器中的加速区、湍流区絮凝后，依靠重力沉积作用沉降到 沉降区，以收集大部分粉体粒子，其余粉体粒子随气流流出；
E、 随气流流出的剩余粉体粒子再依次经旋风分离器、布袋收集器，即得气固分离
后的粉体；通过絮凝、气固过滤分离后粉体收集率可达到98%以上；
F、 将D步骤和E步骤得到的粉体粒子，以气流输送方式送入流化床脱酸塔后，用 温度为40(TC，绝对湿度为80g/立方米的热湿热空气对粉体进行100分钟时间脱酸，得 纯度为99. 8%，比表面积不小于380m7g的高品质气相法纳米氧化硅粉体；
G、 从D步骤絮凝器、E步骤气固过滤分离设备、F步骤脱酸塔出来的含酸气体收 集后， 一并送入尾气处理系统，用降膜吸收器高效吸收其中的氯化氢后制备成工业用盐 酸，达标的净化气体排空。
权利要求
1.一种气相法生产高品质纳米氧化物的方法，其特征在于经过下列步骤A、原料输送利用氮气或空气作为载气，将稳定剂及金属卤盐在蒸发器中加热到50-400℃成为原料蒸汽，用压力为0.1-0.3Mpa的载气，将原料蒸汽输送至喷嘴预混腔，其中载气量与原料蒸汽量的摩尔比为1～3∶1，稳定剂与金属卤盐的摩尔比例为1∶20-100B、原料及燃料的混合将温度为350～500℃的氢气以及氧气或者空气输送至燃烧喷嘴的预混腔用作燃料气，其中氢气量与金属卤盐的摩尔比控制在3～10∶1，氧气量与金属卤盐的摩尔比控制在1～10∶1，原料蒸汽与燃料气的混合物在燃烧喷嘴预混腔内高速预混，并燃烧产生水解反应；C、燃烧反应后的初级粒子及混合气体经燃烧喷嘴，以20～40m/s的速度喷入水解炉炉膛中，燃烧水解形成气溶胶物质，并放出大量的热，使炉膛反应区温度达1400℃-2000℃，水解产物即为初级粒子，都在4-20纳米之间，初级粒子经炉膛火焰区自然煅烧得到稳定的晶相反应产物和气体混合物；D、将C步骤的晶相反应产物和气体混合物，以20～40m/s的速度，由炉膛送至絮凝器中，控制气体温度为105-150℃，使反应产物依次经过絮凝器中的加速区、湍流区絮凝后，依靠重力沉积作用沉降到沉降区，以收集大部分粉体粒子，其余粉体粒子随气流流出；E、随气流流出的剩余粉体粒子再依次经旋风分离器、布袋收集器过滤后，即得气固分离后的粉体；F、将D步骤和E步骤得到的粉体粒子，以气流输送的方式送入流化床脱酸塔后，用温度为100℃～350℃，绝对湿度为30-100g/m3的湿热空气对粉体进行0.5～2小时的脱酸处理，得PH值为4-6的脱酸产品；G、从D步骤絮凝器、E步骤气固过滤分离设备、F步骤脱酸塔出来的含酸气体收集后，一并送入尾气处理系统，用降膜吸收器高效吸收其中的氯化氢后，用现有技术中的常规技术和设备将氯化氢制备成工业用盐酸，达标的净化气体则排空。
2、 根据权利要求1所述的气相法生产高品质纳米氧化物的方法，其特征在于所述稳定剂为氧化硫、氧化硼、氧化钛或氧化钙中的一种或几种的混合，其加入量为 金属卤盐摩尔比的1/20 1/100。
3、 一种气相法燃烧反应喷嘴，其特征在于包括其上带原料入口、燃气入口的腔体， 腔体下部的喷嘴由外壁，设于外壁中部的堵头，位于堵头与外壁之间的环状通道所组成， 所述喷嘴的环状通道距离为lmm-5mm之间，通过喷嘴的气体流速在15m/s-50m/s。
4、 一种气溶胶絮凝装置，其特征在于在其上设有进料口、出气口、出料口的壳体 内，间隔设有交错排列的隔板组，隔板组之间的空隙下方设置出料口。
5、 根据权利要求4所述的气溶胶絮凝装置，其特征在于所述壳体设为圆柱体，或 者正方或长方体，或者多边柱体，壳体上的进料口和出气口设置在壳体的上部，且进料 口和出气口分开设置。
6、 根据权利要求4所述的气溶胶絮凝装置，其特征在于所述壳体内交错排列的隔 板组至歹S3块，—板短1—「—中一—±炎的—一端固—定在壳体上都—「另一一端悬于—壳涵，而另 一块的一端固定在壳体下部，另一端则悬于壳体中，从而形成交错排列的隔板组，且隔 板组之间的间隙距离设为等距或不等距。
7、 根据权利要求4所述的气溶胶絮凝装置，其特征在于所述壳体下部各出料口下 方分别设有由其上带进料口、出料口、进气口的机壳，以及设于机壳内的旋转叶片所构 成的物料输送器，物料输送器的出料口与物料输送道连通。
8、 根据权利要求7所述的气溶胶絮凝装置，其特征在于所述物料输送器的机壳为 圆柱体，其上的进料口与位于上部的壳体出料口连通，机壳上侧设平衡气流入口，机壳 上的出料口设在圆柱体下部，通过倾斜设置的通道与物料输送主管相连，物料输送主管 的一端与输送气流入口连通，以便絮凝沉降后的物料经物料输送器送入主管后送出。
9、 根据权利要求7所述的气溶胶絮凝装置，其特征在于所述物料输送器机壳内的 旋转叶片活动设置在机壳内轴心线上的轴上，叶片数量至少为2片，以便来自上部的物 料在上、下两股气流的联合作用下，推动叶片运动，通过叶片的转动送往下部的主管内， 从而实现连续化输送物料。
全文摘要
本发明提供一种气相法生产高品质纳米氧化物粉体的新工艺，其主要工艺流程是将金属卤盐与晶型稳定剂在高温下汽化，与氢气、空气等预混后在喷嘴处燃烧反应生成纳米粒子，经三级絮凝、三级气固分离、表面脱酸、尾气净化等工序制备氧化物粉体。本工艺连续化程度高、技术先进、能耗低、无污染、工作可靠性高，稳定性好、投资规模小，生产的纳米氧化物粒子具有高纯度、比表面积大、活性高、无团聚、分散性好、粒径分布窄等特点，从根本上解决了工业上大规模生产高品质纳米氧化物的难题。
文档编号C01B13/14GK101372317SQ20081023340
公开日2009年2月25日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者王剑华, 劲 胡, 郭玉忠, 陈冬华 申请人:昆明理工大学