[发明专利]一种制备纳米颗粒的气相燃烧反应器及其工业应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种气相燃烧反应器及其在工业上的应用，尤其涉及用于连续化制备纳米氧化物颗粒的反应器。

背景技术

气相燃烧法制备纳米颗粒的生产工艺最早在上世纪四十年代由德国Degussa公司首先开发成功，其相对于传统的液相制备方法，如，溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法、微乳液法等，具有设备简单、固定、无后续工艺等优点。经过几十年的发展，该生产工艺逐步得到了改进，被广泛的用于炭黑、SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、SnO₂、Fe₂O₃、ZrO₂等单氧化物产品，并逐步扩展到SiO₂/TiO₂、ITO、ATO、V₂O₅/TiO₂等复合氧化物以及一些非氧化物(TiN、TiB、SiC等)产品。这些产品的年产量可达几百万公吨，生产效率约为每天100公吨。但是到目前为止仅有德国Degussa、Wacker、美国Cabot、DuPont、Columbia、日本Tokuyama、乌克兰卡路什等几家公司掌握这一制备技术，在基础理论、工艺设备、产品应用等方面都开展了广泛深入的研究工作，产品的应用领域不断扩展。

目前，国内外应用较多的为传统的扩散燃烧式反应器，这种反应器结构简单，制造及维修方便。但这种反应器存在温度场和浓度场不均匀，喷嘴出口处容易结疤堵塞喷嘴等缺点，无法长时间连续运行，限制了这类反应器在工业连续化生产上的应用和发展。因此采用传统的扩散火焰反应器难以满足多样化、连续化纳米颗粒的生产要求。

发明内容

本发明的目的之一，是提供一种适用于多种纳米氧化物颗粒连续化工业生产的气相燃烧反应器，以克服现有技术所存在的缺陷。

本发明的目的之二，是提供上述燃烧反应器的工业应用方法，即制备包括二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、锑掺杂的二氧化锡等在内的多种纳米氧化物颗粒的应用方法。

本发明的构思是这样的：

造成反应区浓度场和温度场不均匀的主要原因火焰内部供氧不足和反应物料混合不均匀，而喷嘴出口处容易结疤堵塞的现象主要是由于各环出口处气速过低，无法及时清理掉烧嘴处形成的粉体所致。为了解决以上问题，本发明在高速射流火焰出口按一定比例通入前驱体和燃烧气体的混合物，并使其突出喷嘴平面，使得辅助射流同其出口管壁之间形成高速摩擦，这样一方面保证了高速射流火焰内部供氧充足和反应物混合均匀，另一方面通过提高气速和气体摩擦的作用有效的减少了结疤现象；尽量减小辅助射流出口面积，提高气速，并且加入循环冷却水降低烧嘴温度，可以有效的抑制烧嘴的结疤现象。辅助火焰和冷却气体出口由若干呈环形阵列排布的小孔构成，有效的提高了出口处的气速。以上通过反应物进料方式的调整有效的提高了温度场和浓度场的均匀性，通过提高出口气速和循环冷却降温的方法可以解决喷嘴结疤的问题，从而有效的克服了传统扩散燃烧反应器的缺陷。

本发明使通过以下技术方案实现的：

一种气相燃烧反应器，包括高速射流烧嘴1和燃烧室2，烧嘴位于燃烧室的上部，其特征在于，烧嘴由高速射流火焰出口1-1、辅助射流出口1-2、热水冷却夹套1-3、辅助火焰出口1-4及冷却气体出口1-5以同轴方式从内向外依次排列而成；燃烧室由点火口2-1、测压口2-2、测温口2-3和热水冷却夹套2-4构成。

高速射流火焰出口1-1突出喷嘴平面2～50mm，辅助射流出口的面积与高速射流火焰出口的面积比介于1∶3～1∶10之间，辅助火焰出口与高速射流火焰出口的径向距离不超过5D₀(D₀高速射流火焰出口直径)，冷却气体出口由阵列排布的直径为0.5～2mm小孔构成，开孔率为10～40％；燃烧室的直为8～25D₀，燃烧室的长径比为10～25∶1。

本发明进一步改进的方案为：中心管突出喷嘴平面0.5～1.5mm，二环三环间加有冷却水，水温控制在50～80℃之间；三环和四环由若干呈环形阵列排布的直径为0.6～1.5mm小孔构成。所述的燃烧室和絮凝管道带有循环水夹套，循环水相互流通，温度控制在70～90℃之间。水相互流通，温度控制在70～90℃之间。

另外，本发明还提供了该扩散燃烧反应器在制备纳米金属氧化物中的应用方法，包括如下步骤：