專利名稱：制備納米二氧化鈦的擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制備納米二氧化鈦(TiO2)的擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器及其應(yīng)用，具體地說，涉及一種采用擴(kuò)散燃燒火焰的反應(yīng)器及其在制備氣相法納米二氧化鈦中的應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
氣相法制備的納米TiO2是一種高科技的無機(jī)精細(xì)化工產(chǎn)品，除了納米材料所特有的性質(zhì)，還具有反應(yīng)活性高、可見光透過性好、吸收紫外線性能強(qiáng)等特點(diǎn)，在催化、磁性材料、傳感器、醫(yī)學(xué)、生物工程等領(lǐng)域顯示出廣泛的應(yīng)用前景廣泛。
氣相法制備納米TiO2一般由四氯化鈦(TiCl4)氣相燃燒水解反應(yīng)得到，反應(yīng)式如下
或氣相燃燒制備納米TiO2由于技術(shù)復(fù)雜國(guó)內(nèi)還沒有工業(yè)化報(bào)道，國(guó)外研究使用的反應(yīng)器歸納起主要有兩類，一類是擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器，另一類是預(yù)混合燃燒火焰反應(yīng)器?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)擴(kuò)散燃燒火焰反應(yīng)器(見附圖2)是將四氯化鈦、空氣和氫氣分別通入不同管道(俗稱噴嘴)中噴射出來進(jìn)行燃燒，這類反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造及維修方便，燃燒安全。但這種反應(yīng)器存在溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)非常不均及噴嘴出口處容易結(jié)疤等缺陷，因此，采用現(xiàn)有的傳統(tǒng)擴(kuò)散燃燒火焰反應(yīng)器很難制備出高質(zhì)量的納米二氧化鈦產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一，是提供一種新型的擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器，以此克服現(xiàn)有傳統(tǒng)擴(kuò)散燃燒火焰反應(yīng)器的缺陷。
本發(fā)明的目的之二，提供上述反應(yīng)器的應(yīng)用方法，具體地說在制備納米TiO2中的應(yīng)用。
本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的造成現(xiàn)有擴(kuò)散燃燒火焰反應(yīng)器中燃燒反應(yīng)區(qū)內(nèi)溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)不均及噴嘴出口處容易結(jié)疤堵塞等現(xiàn)象的原因是多方面的，通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)除了與反應(yīng)物料(TiCl4和輔助燃燒氣體)的混合程度有關(guān)外，還和反應(yīng)器的噴嘴和進(jìn)料方式有關(guān)系?，F(xiàn)有傳統(tǒng)擴(kuò)散燃燒火焰反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)一般為雙套管，中心管進(jìn)氫氣，二環(huán)進(jìn)空氣和TiCl4，溫度場(chǎng)之所以不均勻主要是因?yàn)榛鹧鎯?nèi)部供氧不足，溫度較低造成的。濃度場(chǎng)之所以不均勻主要是由于反應(yīng)物料在火焰外部混合，未能實(shí)現(xiàn)H2與O2的快速微觀混合所致。為解決該問題，發(fā)明人經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)明了同軸多重射流噴嘴，其中心管按一定的配比通入反應(yīng)物TiCl4及輔助燃燒氣體的混合氣體，既可保證火焰內(nèi)部供氧充足又可調(diào)節(jié)不同溫度的需要；二環(huán)通入純的氫氣，燃燒的火焰和中心管的反應(yīng)物在火焰的中心處快速混合；再加上三環(huán)和位于燃燒室上部的切向進(jìn)入的空氣導(dǎo)管通入的保護(hù)空氣的作用，充分的混合使火焰內(nèi)部各處的H2、O2和反應(yīng)物的濃度場(chǎng)均一，不存在供氧不足的問題，溫度場(chǎng)自然便隨之均勻了。而由于中心管和二環(huán)的高氣速產(chǎn)生較大的動(dòng)量，可吹掉附著在中心管出口處的TiO2顆粒，使噴嘴出口處容易結(jié)疤堵塞等現(xiàn)象也得到了消除。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所提供的擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器包括噴嘴和燃燒室，噴嘴設(shè)置于燃燒室上部并在噴嘴各管道的出口處與燃燒室相連通，燃燒室的反應(yīng)段15包括點(diǎn)火口4、測(cè)溫測(cè)壓口5、膨脹節(jié)9，燃燒室下部的出料段16有反應(yīng)物出口11，其特征在于，所說的噴嘴由中心管1、二環(huán)管2和三環(huán)管3以同軸方式由內(nèi)向外依次排列而成；所說的燃燒室反應(yīng)段15上部有一個(gè)切向進(jìn)入的空氣導(dǎo)管6。
本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的方案為所述的燃燒室?guī)в醒h(huán)冷卻水夾套8，并在燃燒室一側(cè)和底部分別設(shè)有循環(huán)冷卻水入口7和循環(huán)冷卻水出口10。
所述的擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器的噴嘴和燃燒室反應(yīng)段的直徑之比D1∶D2＝1∶2～6。
另外，本發(fā)明還提供擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器在制備納米TiO2中的應(yīng)用，包括如下步驟1、在擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器的中心管1中通入預(yù)先混合好的四氯化鈦和輔助燃燒氣體的混合氣體，由中心管向燃燒室高速噴出；2、在二環(huán)2通入氫氣，由燃燒反應(yīng)室點(diǎn)火口4點(diǎn)火，經(jīng)點(diǎn)燃高速噴出，和中心管的反應(yīng)物料在火焰的中心快速混合；3、三環(huán)3和切向空氣導(dǎo)入管6通入空氣，經(jīng)氣相燃燒后形成TiO2粉末，由反應(yīng)產(chǎn)物出口11收集；其中中心管出口總氣速為50-90m/s；二環(huán)出口氣速為20-70m/s三環(huán)出口氣速為20-50m/s；切向空氣導(dǎo)入管出口氣速為10-40m/s反應(yīng)溫度為800-1600℃。
所述中心管1)輔助燃燒氣體為選自O(shè)2、N2、空氣、氬氣中的一種或幾種；在燃燒反應(yīng)室有冷卻水存在的條件下，步驟2為在二環(huán)2通入氫氣，由燃燒反應(yīng)室點(diǎn)火口4點(diǎn)火，進(jìn)行氣相燃燒水解反應(yīng)后噴出，和中心管的反應(yīng)物料在火焰的中心快速混合，冷卻水的溫度為80-100℃。
有益效果由以上的技術(shù)方案和實(shí)施方法可知，本發(fā)明通過改變傳統(tǒng)擴(kuò)散反應(yīng)器的噴嘴結(jié)構(gòu)和進(jìn)料方式，使反應(yīng)物料和輔助燃燒氣體均勻混合后從中心管高速噴出，在二環(huán)的燃燒氣體的火焰中心快速混合，再加上三環(huán)和切向空氣導(dǎo)入管進(jìn)入的保護(hù)空氣的作用，比較好地克服了傳統(tǒng)擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)不均、反應(yīng)噴嘴容易結(jié)疤等缺陷，生成二氧化鈦的原生粒徑在10～40nm、具有較高的催化活性，制備出了粒度小、催化活性高的納米二氧化鈦。


附圖1為傳統(tǒng)的擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖其中11、反應(yīng)產(chǎn)物出口，12、四氯化鈦入口，13，燃料入口，14、氧化劑入口；附圖2為擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖其中1、中心管；2、二環(huán)管；3、三環(huán)管；4、點(diǎn)火口；5、測(cè)溫測(cè)壓口，6、切向空氣導(dǎo)入管，9，膨脹節(jié)，11、反應(yīng)產(chǎn)物出口，15、燃燒室反應(yīng)段，16、燃燒室出料段，D2、燃燒室反應(yīng)段直徑；附圖3為進(jìn)一步改進(jìn)的擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖其中1、中心管；2、二環(huán)管；3、三環(huán)管；4、點(diǎn)火口；5、測(cè)溫測(cè)壓口，6、切向空氣導(dǎo)入管，7、循環(huán)冷卻水入口，8，循環(huán)冷卻水夾套，9，膨脹節(jié)，10、循環(huán)冷卻水出口，11、反應(yīng)產(chǎn)物出口，15、燃燒室反應(yīng)段，16、燃燒室出料段、D2、燃燒室反應(yīng)段直徑；附圖4為噴嘴的A-A向結(jié)構(gòu)剖面圖其中1、中心管；2、二環(huán)管；3、三環(huán)管；D1、噴嘴直徑；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，所舉之例并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍實(shí)施例本發(fā)明的燃燒擴(kuò)散反應(yīng)器用于制備納米TiO2先將液體四氯化鈦用電加熱汽化，其蒸汽與經(jīng)干燥、凈化和預(yù)熱后的空氣通過三通混合進(jìn)入混和器，同時(shí)另有O2和N2的混合氣體經(jīng)干燥凈化也通入混合器。上述混合氣體原則上按一定比例進(jìn)行配比后(考慮到一次混合不一定均勻，故串聯(lián)兩只混合器)，引入反應(yīng)器中心管1高速噴出，中心管出口總氣速62m/s(氧氣、氮?dú)夂退穆然枵羝椿瘜W(xué)理論比)。另有經(jīng)凈化并過量的氫氣通入反應(yīng)器二環(huán)2，經(jīng)點(diǎn)燃高速噴出，二環(huán)出口總氣速45m/s，和中心管1的反應(yīng)物料在火焰的中心快速混合。反應(yīng)器的三環(huán)3和切向空氣導(dǎo)入管6分別通入經(jīng)凈化的空氣，對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行急冷，三環(huán)空氣出口氣速29m/s，保護(hù)空氣的切向?qū)Ч艹隹跉馑?4m/s，反應(yīng)溫度為1000℃。經(jīng)氣相燃燒后形成TiO2粉末隨高速氣流吹出；而后通過由多段管道制成的絮凝器絮凝和冷卻，最終進(jìn)入收集脫酸塔脫酸，經(jīng)料倉進(jìn)入包裝機(jī)包裝。
整個(gè)反應(yīng)器、反應(yīng)器出口管、絮凝器管道及絮凝器出口管全部由夾套或水箱恒溫冷卻。恒溫水浴有單獨(dú)的循環(huán)系統(tǒng)并控制在100℃左右。此恒溫水浴開車時(shí)需蒸汽預(yù)熱，一經(jīng)反應(yīng)開始，反應(yīng)熱可維持水溫有余，必要時(shí)可以由冷凝器移出多余熱量，以防止水份蒸發(fā)，冷卻水應(yīng)采用去離子水。
所得氣相納米二氧化鈦產(chǎn)品TiO2純度99.8％，BET比表面積56m2/g；加熱損失(105℃去除的游離水分)小于2％；灼燒損失(1000℃去除的結(jié)構(gòu)水份)小于2％，原生粒徑在15nm，經(jīng)催化活性測(cè)定不低于商品P25。
權(quán)利要求
1.一種燃燒擴(kuò)散反應(yīng)器，包括噴嘴和燃燒室，噴嘴設(shè)置于燃燒室上部并在噴嘴的各管道出口處與燃燒室相連通，燃燒室的反應(yīng)段(15)包括點(diǎn)火口(4)、測(cè)溫測(cè)壓口(5)，膨脹節(jié)(9)，燃燒室下部的出料段(16)有反應(yīng)物出口(11)，其特征在于，所說的噴嘴由中心管(1)、二環(huán)管(2)和三環(huán)管(3)以同軸方式由內(nèi)向外依次排列而成；所說的燃燒室反應(yīng)段(15)上部有一個(gè)切向進(jìn)入的空氣導(dǎo)管(6)。
2.如權(quán)利要求1所述的燃燒擴(kuò)散反應(yīng)器，其特征在于，所述的燃燒室?guī)в醒h(huán)冷卻水夾套(8)，并在燃燒室一側(cè)和底部分別設(shè)有循環(huán)冷卻水入口(7)和循環(huán)冷卻水出口(10)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃燒擴(kuò)散反應(yīng)器，其特征在于所述的擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器的噴嘴和燃燒室反應(yīng)段(15)的直徑之比為D1∶D2＝1∶2～6。
4.如權(quán)利要求1或2所述的燃燒擴(kuò)散反應(yīng)器在制備納米TiO2中的應(yīng)用方法，其特征在于，所述的方法包括如下步驟1)、在擴(kuò)散燃燒反應(yīng)器的中心管(1)中通入預(yù)先混合好的四氯化鈦和輔助燃燒氣體，由中心管(1)向燃燒室高速噴出；2)、在二環(huán)(2)通入氫氣，由燃燒反應(yīng)室點(diǎn)火口(4)點(diǎn)火，經(jīng)點(diǎn)燃高速噴出，和中心管(1)的反應(yīng)物料在火焰的中心快速混合；3)、三環(huán)(3)和切向空氣導(dǎo)入管(6)通入空氣，經(jīng)氣相燃燒后形成TiO2粉末，由反應(yīng)產(chǎn)物出口(11)收集；其中中心管(1)出口總氣速為50-90m/s；二環(huán)(2)出口氣速為20-70m/s三環(huán)(3)出口氣速為20-50m/s；切向空氣導(dǎo)入管(6)出口氣速為10-40m/s反應(yīng)溫度為800-1600℃。
5.如權(quán)利要求4所述的燃燒擴(kuò)散反應(yīng)器的應(yīng)用方法，其特征在于，在燃燒反應(yīng)室有冷卻水存在的條件下，冷卻水的溫度為80-100℃。
6.如權(quán)利要求4所述的燃燒擴(kuò)散反應(yīng)器的應(yīng)用方法，其特征在于，所述中心管(1)的輔助燃燒氣體為選自O(shè)2、N2、空氣、氬氣中的一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于制備納米二氧化鈦(TiO
文檔編號(hào)C01G23/07GK1743271SQ20051002796
公開日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月21日
發(fā)明者蔡平雄, 胡彥杰, 李春忠, 叢德滋, 干路平 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)