УСТАНОВКА ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА НАНОРАЗМЕРНЫХ ПОРОШКОВ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ В НЕЙ ЦИКЛОН Российский патент 2019 года по МПК B01J19/08 B04C1/00 B22F9/00 B82B3/00 

Изобретение относится к области получения ультрадисперсных порошков, неорганических соединений и композиций, в частности к плазменному оборудованию для производства материалов.

Среди разнообразных широко известных методов получения нанопорошков веществ и их соединений плазмохимический метод имеет преимущества по высокой производительности и возможности получения широкого спектра материалов.

Известна установка получения углеродных наноматериалов с помощью энергии низкотемпературной плазмы (патент RU № 2488984, опубл. 27.07.2013 Бюл. № 21). Установка содержит совмещенный плазменный реактор, с выполненными из графита цилиндрическим анодом и стержневым катодом, электромагнитную катушку для формирования вращающейся электрической дуги в поперечном сечении камеры реактора, узел подачи угля, камеру разделения, камеру муфеля, скруббер предварительной очистки, компрессор для вытяжки образовавшегося при плазменной обработке угля синтез-газа.

Недостатком устройства является применение графитовой электродной системы. Происходит эрозия электродов, снижающая ресурс их работы и приводящая к загрязнению целевого продукта. Процесс протекает при высокой температуре, что делает его энергетически не выгодным. Требуется тепловая защита устройства. Использование высокой температуры приводит к ухудшению чистоты конечного продукта за счет образования технических примесей.

Из патента RU № 2351535 (опубликовано 10.04.2009 Бюл. № 10) известна установка для осуществления плазменного синтеза нанопорошка оксида металла. Устройство содержит реакционную камеру, имеющую вертикально расположенную трубчатую секцию камеры и конусообразную секцию камеры, предназначенную для сбора синтезированного нанопорошка оксида металла; узел генерирования индукционной плазмы, содержащий камеру смешения реагентов, установленную на верхнем конце трубчатой секции камеры таким образом, чтобы находиться в сообщении текучей средой с реакционной камерой. При этом узел генерирования индукционной плазмы дополнительно содержит индукционную катушку, окружающую камеру смешения реагентов и предназначенную для генерирования высокочастотного магнитного поля в камере смешения реагентов, первый вход для приема первого рабочего газа и второй вход для приема паров соединения металла, причем первый и второй входы соединены с трубчатой камерой смешения реагентов, и множество компланарных сопел для охлаждающего газа, присоединенных к периферии трубчатой секции камеры ниже верхнего ее конца и предназначенных для создания зоны быстрого охлаждения в реакционной камере.

Недостатком установки является сложность аппаратурного обеспечения (дополнительная индукционная катушка, множество компланарных сопел, дополнительные камеры предварительной подготовки исходного сырья, камера смешения). Реакционная камера состоит из несколько секций, различного конструкционного типа (вертикально трубчатая секция и конусообразная секция). Синтез происходит при высокой температуре, превышающей 500 ⁰С, что негативно влияет на химическую чистоту получаемого продукта и сужает возможность получения оксидов с заранее заданной кристаллической решеткой.

Из патента RU № 2252817 (опубликовано 27.05.2005 Бюл. № 15) известна установка для получения наноразмерных порошков в плазме СВЧ-разряда. Установка содержит технологически связанные между собой микроволновый генератор, СВЧ-плазмотрон, формирователь газового потока, разрядную камеру, поглотитель микроволнового излучения, реакционную камеру, теплообменник, фильтр-сборник целевого продукта, устройство для ввода исходных реагентов в порошкообразном или парообразном состоянии. Исходные реагенты вводят в жидкокапельном состоянии.

Этой установке также присущи недостатки, связанные с использованием СВЧ-плазмотронов, такие как небольшой срок службы плазматрона, необходимость применения дорогих высокочастотных источников питания.

Из патента RU № 2593061 (опубликовано 27.03.2011 Бюл. № 9) известна установка для осуществления способа получения нанопорошка с использованием индукционного разряда трансформаторного типа низкого давления. Установка содержит технологически связанные между собой плазмотрон с узлами ввода исходного сырья, камеру охлаждения газов, рукавный фильтр и сборник целевого продукта. В установке в качестве плазмотрона применяется плазмотрон трансформаторного типа с расположенными на противоположных участках его камеры узлами ввода плазмообразующего газа и исходного сырья непосредственно в разряд и узлами вывода плазмы, выполненными в крышке, соединяющей плазмотрон с камерой охлаждения газов.

Недостатком установки является широкий разброс синтезируемых частиц по размерам (10-2000 мкм) и использование индукционного разряда трансформаторного плазмотрона, в котором осуществляется плазмохимический синтез при температуре 3000-5000 ⁰С, что негативно влияет на химическую чистоту получаемого продукта и сужает возможность получения оксидов с заранее заданной кристаллической решеткой.

Из патента RU № 2264888 (опубликовано 27.11.2005 Бюл. № 33) известна установка для получения нанодисперсных порошков оксидов, которая состоит из реактора с патрубком для подачи металлоорганического соединения, патрубком для подачи кислорода, окном для осуществления импульсного энергетического воздействия, окном для сбора порошка, патрубком для вывода побочных продуктов и источника импульсного энергетического воздействия - импульсного электронного ускорителя.

Недостатком устройства является низкая степень технической и технологической проработки, которая не позволяет использовать устройство с производительностью более десяти грамм в минуту, что делает экономически нецелесообразно ее применение в промышленном масштабе.

Наиболее близким к заявляемому устройству плазмохимического синтеза наноразмерных порошков, прототипом, по совокупности признаков является экспериментальная установка синтеза наноразмерного диоксида кремния из тетраэтоксисилана, инициируемого импульсным электронным пучком, содержащая связанный с реакционной камерой ускоритель с энергией электронов до 500 кэВ, систему подачи реагентов в реакционную камеру, вакуумную систему, связанное с реакционной камерой устройство сбора продуктов, приспособленное для разделения твердых и газообразных продуктов плазмохимического синтеза, устройство выделения растворимых побочных продуктов из газообразных продуктов плазмохимического синтеза, при этом корпус реакционной камеры расположен горизонтально и выполнен с возможностью ее нагрева. (Диссертация, Артикул 476677 Автор научной работы Холодная Г.Е., 2013, http://www.dissercat.com/content/plazmokhimicheskii-sintez-nanorazmernogo-dioksida-kremniya-iz-tetraetoksisilana-initsiiruemy#ixzz5OtNC0cm7).

Недостатком известного устройства – является отсутствие технологической проработки обеспечения процесса получения композитов в автоматическом режиме, улавливания твердых и газообразных продуктов реакций, что накладывает ограничения на его технологическое применение.

Из патента RU №2457039 (опубликовано 27.07.2012 Бюл. № 21) известно устройство для очистки газов от пыли, выполненное в виде циклона. Циклон содержит концентрично установленные снабженные крышкой внутреннюю и наружную циклонные камеры, входной тангенциальный патрубок и выхлопную трубу. К нижним частям выхлопной трубы и внутренней циклонной камеры присоединен конфузор. От места подсоединения к циклону входного патрубка на внутренней поверхности наружной циклонной камеры и внешней поверхности внутренней циклонной камеры равномерно по винтовой линии угловой протяженностью 360° размещены лопасти, образующие по ходу движения пылегазовой смеси конструкцию, исключающую унос оседающих частиц пыли во внутреннюю циклонную камеру. Каждая лопасть выполнена в форме участка цилиндрической поверхности, ось которой лежит на стенке внутренней или наружной циклонных камер соответственно, а направляющей является окружность с радиусом, равным радиусу наружной циклонной камеры. Высота лопасти равна высоте сечения входного тангенциального патрубка, а угол наклона винтовой линии, ширина лопасти и расстояние между лопастями выбраны таким образом, что площадь проходного сечения указанной конструкции равна площади проходного сечения входного патрубка.

Недостатком его является наличие большого количества лопастей, которые с одной стороны являются частью конструкции, обеспечивающей эффективное удаление твердых частиц из газового потока, а с другой стороны их форма, размер и расположение будут способствовать налипанию и последующей забивке элементов конструкции скоплениями твердых частиц, в особенности при высоком содержании влаги в исходном газовом потоке.

Наиболее близким устройством для разделения твердых и газообразных продуктов плазмохимического синтеза, прототипом, является известное из патента BY №8482 (опубликовано 30.10. 2006) устройство для сухой очистки газов от пыли, выполненное в виде циклона, содержащего цилиндроконический корпус с тангенциальным входным и центральным патрубками, наклонную винтовую поверхность, примыкающую к центральному патрубку с образованием между ее краями и цилиндроконическим корпусом пылевыводной щели. В нижней части центрального патрубка на уровне окончания последнего витка винтовой поверхности расположено выходное отверстие, к которому со стороны окончания последнего витка примыкает отражательный козырек.

Недостатком устройства является то, что при выводе пыли из спирального канала в зоне спиральных щелей возникают турбулентные пульсации в результате резкого изменения скорости при выходе газа в бункер.

Настоящее изобретение направлено на устранение вышеуказанных проблем и преодоление одного или нескольких рассмотренных недостатков.

Задачей предлагаемого изобретения является создание промышленной установки плазмохимического синтеза со шнековым циклоном для получения наноразмерных порошков высокого качества.

Достигаемый установкой технический результат заключается в обеспечении возможности получения ультрадисперсных порошков с минимальным разбросом размера отдельных частиц за счет идентичности условий реакции по всему объему реактора, обеспечении возможности получения композитов с высокой химической чистотой и вариативной кристаллической структурой за счет технологических возможностей установки, в повышении эффективности за счет улучшения процесса разделения твердых и газообразных продуктов синтеза, расширения номенклатуры получаемых наноразмерных порошков.

Достигаемый шнековым циклоном технический результат заключается в предотвращении процесса конденсации газообразных продуктов на конструктивных элементах циклона путем использования нагрева циклона, оптимизации процесса осаждения взвешенных твердых частиц за счет направления наиболее обогащенного твердыми компонентами слоя газового потока к стенкам циклона и снижения линейной скорости воздушного потока при его выходе.

Поставленная задача решается тем, что в установке плазмохимического синтеза наноразмерных порошков, содержащей реактор, выполненный с возможностью нагрева корпуса, связанный с реактором ускоритель электронов, систему подачи, по меньшей мере, одного реагента в реактор, вакуумную систему, связанное с реактором устройство разделения твердых и газообразных продуктов плазмохимического синтеза, систему отделения растворимых газообразных продуктов плазмохимического синтеза, корпус реактора расположен вертикально, устройство разделения твердых и газообразных продуктов плазмохимического синтеза выполнено в виде шнекового циклона, корпус которого имеет возможность нагрева, при этом выход реактора и вход шнекового циклона разделены автоматическим выпускным клапаном, система отделения растворимых газообразных продуктов связана со шнековым циклоном через электростатический фильтр, система подачи, по меньшей мере, одного реагента, содержит расходную емкость, дозатор, буферную емкость и запорный клапан, энергия электронов ускорителя лежит в диапазоне от 300 кэВ до 1000 кэВ.

Целесообразно, чтобы вакуумная система обеспечивала в реакторе давление не более 5 Торр.

Желательно, чтобы система отделения растворимых газообразных продуктов содержала, по меньшей мере, один воздушный насос кислотостойкого исполнения и, по меньшей мере, один барботер.

Кроме того, установка предназначена для получения наноразмерных порошков оксида титана, оксида кремния и композиционных материалов на их основе таких, как Ti_xC_yO_z, Si_xC_yO_z, Si_xTi_yO_z, Si_xTi_yC_zO_w, TiO_x@Au, SiO_x@Au, Ti_xC_yO_z@Au, Si_xC_yO_z@Au, Si_xTi_yO_z@Au, Si_xTi_yC_zO_w@ Au.

Поставленная задача решается также созданием используемого в вышеописанной установке циклона, содержащего цилиндрический корпус, патрубок ввода газообразной смеси, конусообразный накопитель твердых частиц, шнек, установленный на центральной отводящей трубе, дефлектор. Новым является то, что в верхней части цилиндрического корпуса установлена гильза с зазором, выбранном из диапазона от 10 мм до 250 мм; патрубок ввода газообразной смеси выполнен в гильзе; с нижним краем гильзы и шнеком жестко связаны установленные с зазором между собой пластины; нижняя часть цилиндрического корпуса выполнена с расширением, причем шнек выполнен с уменьшающимся по ходу потока газа шагом навивки ленты, при этом отводящая труба в нижней части выполнена с раструбом.

Целесообразно, чтобы шаг навивки ленты шнека уменьшался от начального до конечного размера на величину от 30% до 50%.

Желательно, чтобы длина пластины соответствовала длине шнека за вычетом длины гильзы.

Кроме того связь пластины с гильзой и лентой шнека выполнена точечной сваркой.

Целесообразно, чтобы раструб был выполнен с развальцовкой по нижнему краю, при том, что угол развальцовки составляет не более 90° относительно оси шнека циклона.

Кроме того циклон предназначен для использования в установке плазмохимического синтеза наноразмерных порошков и отличается высоким коэффициентом разделения фаз.

Далее настоящее изобретение будет описано в виде примеров со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 схематично иллюстрирует установку согласно изобретению;

Фиг.2. представляет схематично циклон;

Фиг.3. показывает разрез по А-А на фиг.2.

Фиг.4. показывает разрез по Б-Б на фиг.2, иллюстрирующий расположение пластин на шнеке циклона;

Фиг.5. представляет узел В Фиг.4.

Показанная на Фиг.1 установка плазмохимического синтеза наноразмерных порошков содержит реактор 1, головку 2, ускоритель - источник высокоэнергетического излучения 3, а также:

систему продувки плазмохимического реактора, состоящую из компрессора 4, ресирвера 5 (манометры, предохранительный клапан, датчики давления на фигуре не показаны), масляного уловителя 6, воздушного клапана 7, сопла 8, отводного канала 9 реактора 1;

вакуумную систему, состоящую из насоса 10 (например, водокольцевой ВВН-1,25Э) и запорного клапана 11;

систему подачи реагентов в реактор, содержащую расходную емкость 12, дозатор 13, буферную емкость 14, запорный клапан 15; систему отделения растворимых газообразных продуктов, связанную через отводной канал 9 с реактором 1, в нижней части которого установлен автоматический выпускной клапан 16 с механизмом привода клапана 17 и выполненную в виде шнекового циклона 18, имеющего в нижней части разгрузочный люк 19;

систему отделения растворимых газообразных продуктов, связанную со шнековым циклоном 18 электростатическим фильтром 20 и состоящую из воздушных насосов 21 кислотостойкого исполнения, барботеров 22, насосов 23, запорных кислотостойких клапанов 24 и клапанов удаления твердого осадка 25, нейтрализатора 26;

систему нагрева, содержащую установленный на реакторе 1 нагреватель 27, установленный на головке 2 нагреватель 28 и установленный на корпусе циклона 18 нагреватель 29.

Вход от ресивера 5 через клапан 7 реализован в головке 2 реактора 1.

Воздушные насосы 21 установлены на выходе каждого барбатера 22. В нижней части барбатеров 22 установлены трубопроводы с перекачивающими насосами 23, запорными кислотостойкими клапанами 24 и клапанами удаления твердого осадка 25.

Реактор 1 представляет собой цилиндрический корпус из коррозионностойких материалов и должен выдерживать циклические нагрузки давления до 100 атм. и температуры до 500⁰ С.

Наиболее оптимальное расположение реактора – вертикальное, что значительно облегчает удаление продуктов реакции из его реакционной камеры.

Реактор 1 в своей верхней части соединен с источником высокоэнергетического излучения 3 посредством головки 2 реактора. Конструкция головки 2 реактора 1 обеспечивает подвод воздуха в нескольких местах к тороидальному каналу (на чертеже не указан) за счет тангенциально расположенных отверстий. Тангенциальное расположение отверстий для подвода воздуха приводит к спиралевидному движению воздуха в головке реактора.

Движение воздуха по спирали обеспечивает эффективную очистку внутренней поверхности головки 2 реактора 1 и реактора 1 от продуктов реакций (порошка). Тороидальный канал определяет форму внутренней поверхности (полости) головки реактора.

В качестве источника высокоэнергетического излучения 3 ускоритель с энергией электронов 300 - 1000 кэВ. Диапазон энергии электронов обоснован оптимальными условиями инициации плазмохимических реакций посредством процессов ионизации, возбуждения электронных подсистем атомов, возбуждения колебательных и вращательных степеней свободы атомов в молекулах и нагревом газовой среды. При энергии электронов менее 300 кэВ инициация плазмохимической реакции в настоящих условиях невозможна. При энергии электронов более 1000 кэВ синтез энергетически не выгоден.

Система продувки плазмохимического реактора обеспечивает нормальный режим работы, при котором обеспечивается своевременный вынос продуктов реакций из реактора и очистка внутренней поверхности реактора, а также режимов работы всей установки.

Вакуумная система обеспечивает в реакторе давление не более 5 Торр. Остаточное давление более 5 Торр приведет к ухудшению свойств (размер, агрегируемость) конечного продукта, либо к невозможности реализации плазмохимического процесса. Полное протекание реакции определяется по давлению, фиксируемому в реакторе в результате химической реакции - часть газообразных реагентов превращается в твердые продукты, за счет чего давление в системе снижается.

Система подачи реагентов (прекурсоров) в реакционную камеру в показанном на Фиг.1 исполнении представлена одним каналом подачи одного реагента и содержит для размещения исходного реагента расходную емкость 12, дозатор 13, буферную емкость 14, предназначенную для кратковременного хранения отмеренного количества исходного реагента, и запорный клапан 15.

Прекурсоры могут находиться в разном состоянии, например, кислород, водород, метан в газовом состоянии; а тетрахлорид титана и кремний – в виде жидкости; тетрахлорид золота – твердый.

Количество каналов подачи исходных реагентов может варьироваться исходя из технологической карты процесса, учитывающей рецептуру и условия синтеза, осуществляемого на установке. В случае использования нескольких исходных реагентов система подачи реагентов будет представлять собой необходимое количество соединенных трубами узлов 12, 13, 14 и 15. Вводы в реактор 1 будет реализованы, также как и в случае использования одного реагента, через головку 2 реактора 1 и будут работать параллельно независимо друг от друга.

Запорный клапан 15 в открытом положении обеспечивает подачу реагентов в реактор 1, а в закрытом положении - отсекает систему подачи от реактора, что не позволяет воздуху во время продувки и полезным продуктам во время протекания цепных реакций попасть в буферную емкость 14.

Барботеры 22 системы отделения растворимых газообразных продуктов установлены после электростатического фильтра 20. В нижней своей части барботеры 22 соединены с трубопроводами, а в верхней – с нейтрализатором 26. Количество ступеней очистки определяется требованием технологического процесса и степенью растворения паров кислоты. Количество барботеров зависит от произведения растворимости полезного газообразного продукта реакции в воде и требований экологической безопасности к содержанию газообразного продукта в воздухе и составляет по меньшей мере один барботер. Концентрация содержания полезных газообразных продуктов в водном растворе на каждой ступени определяется производительностью технологической линии и произведением растворимости полезных продуктов реакции в воде.

Нейтрализатор 26 приспособлен для очистки отходящего воздуха и в качестве него может быть использован закрытый объем с раствором щелочи.

Нагреватели 27, 28 и 29 системы нагрева могут быть выполнены полухомутовыми, т.к. они удобны в эксплуатации, или иными.

Температура нагрева реактора 1 и головки реактора 2 соответствует технологической карте процесса и может быть различной: от 20 ⁰С до 500 ⁰С. Экспериментальным методом определяются места недопустимой конденсации продуктов реакции, приводящих к закупорке технологической линии. Обогрев реактора 1 и головки реактора 2 позволяет значительно расширить номенклатуру синтезированных материалов за счёт увеличения вариативности исходных реагентов.

Нагрев циклона 18 осуществляется для предотвращения процесса конденсации газообразных продуктов на конструктивные элементы циклона, а также предотвращения забивки воздушных каналов. Нагревание циклона 18 целесообразно осуществлять в диапазоне температур от 22⁰С до температуры реактора при соответствующем технологическом процессе.

На Фиг. 2. показан схематично шнековый циклон 18 фильтрационной системы с вертикальным цилиндрическим корпусом 30, гильзой 31, впускным патрубком 32 (патрубок ввода газообразной смеси), крышкой гильзы 33; центральной отводящей трубой 34, на которой смонтирован шнек 35 переменного (уменьшающегося к низу) шага; пластинами 36, коническим раструбом 37, дефлектором 38 и разгрузочным люком 19.

Нижняя часть корпуса 30 выполнена расширенной для снижения линейной скорости содержащего наноразмерные частицы продукта синтеза воздушного потока, который переходит в конусообразный накопитель.

Установленная в верхней части шнека 35 гильза 31 приспособлена для формирования со шнеком 35 закрытого с боковых сторон спирального канала движения продуктов реакции и воздуха на один два оборота.

Внутри верхней части корпуса 30 циклона 18 установлена гильза 31 с зазором, выбранным из диапазона от 10 до 250 мм. При использовании зазора менее 10 мм происходит закупорка зазора продуктами плазмохимического синтеза. Более 250 мм происходит неэффективное отделение твердой фазы от газообразной. Впускной патрубок 32, в который поступает газовый поток из реактора, установлен тангенциально в верхней, выступающей из корпуса 30 части гильзы 31. Сверху гильза 31 закрыта крышкой 33, в которую установлена центральная отводящая труба 34. На трубе 34 смонтирован шнек 35, наружный диаметр которого соответствует внутреннему размеру гильзы 31, а внутренний диаметр - наружному размеру центральной отводящей трубы 34. Шнек 35 жестко связан с трубой 34, например, сваркой. Шнек имеет конусное расположение ленты с уклоном к периферии, то есть в сечении вдоль оси шнека имеется наклон к наружной части вниз (например, не менее 15⁰) и переменный, равномерно уменьшающийся по ходу потока газа шаг навивки ленты шнека на 30%-50% от начального до конечного размера шага. При шаге навивки ленты отличном от указанного диапазона эффективность отделение твердой фазы от газообразной снижается.

Шаг шнека зависит от скорости потока продуктов реакции и воздуха и размера синтезируемого конечного продукта и определяется экспериментально с учётом требований к конечной продукции (размер и агломерируемость).

Равномерно уменьшающийся шаг в указанном диапазоне 30%-50% оптимально сохраняет скорость газового потока и продуктов плазмохимического синтеза по мере прохождения им циклона сверху вниз и обеспечивает эффективное их разделение.

При этом между центральной отводящей трубой 34, шнеком 35 и гильзой 31 образуется замкнутый канал на один – два оборота для обеспечения формирования оптимального потока.

Установленные между собой с зазором 39 пластины 36 используются в качестве газодинамического барьера и связаны с нижним краем гильзы 31 и наружной частью шнека 35. Пластины тангенциально жестко закреплены (приварены) к краю гильзы 31 и нижней части шнека для эффективного отделения порошкообразных продуктов реакции от газообразных. Пластины 36 могут быть приварены к наружному диаметру шнека и нижнему краю гильзы электросваркой. Связь пластины с гильзой и лентой шнека выполнена точечной сваркой.

Длина пластины 36 соответствует длине шнека 35 за вычетом длины гильзы. 31

Угловая ширина пластины составляет 15⁰ ±30 % в зависимости от размера и массы конечного продукта и линейной скорости воздуха. При угловой ширине отличной от указанного диапазона эффективность отделение твердой фазы от газообразной снижается.

Угол между пластиной и диаметром шнека составляет 90⁰ ±30 % в зависимости от размера и массы конечного продукта и линейной скорости газового потока. При угле между пластиной и диаметром шнека отличном от указанного диапазона эффективность отделение твердой фазы от газообразной снижается.

Зазор между пластинами составляет от 1мм до 50 мм в зависимости от скорости газового потока, размера, массы и агломерируемости, получаемых композитов. При использовании зазора менее 1 мм происходит закупорка зазора продуктами плазмохимического синтеза. Более 50 мм происходит неэффективное отделение твердой фазы от газообразной.

Угловой размер установки края пластины относительно диаметра шнека составляет 5° ±30 % и зависит от размера и массы конечного продукта и линейной скорости газового потока. При угловом размере установки края пластины относительно диаметра шнека отличном от указанного диапазона эффективность отделение твердой фазы от газообразной снижается.

Для предотвращения перемешивания газовых потоков, обогащенных и обедненных твердой фазы, на центральной отводящей трубе 34 имеется конический раструб 37 с развальцовкой по нижнему краю. Угол развальцовки не должен превышать 90° относительно оси шнека циклона, что обеспечивает отсутствие застойных зон накопления продуктов. Дефлектор 38 препятствует прямому попаданию осажденных частиц в выпускную трубу 34.

Размеры дефлектора 38 и раструба 37 и соотношение между ними зависят от скорости потоков газа, массы и размера порошкообразного продукта и подбираются экспериментально.

Система контроля хода и безопасности технологического процесса представлена следующими элементами: манометрами, датчиками давления, датчиками уровня, расходомерами, газоанализаторами (контроль предельно допустимой концентрации (ПДК) в воздухе рабочей зоны. Выбор обусловлен принципом работы установки. Установка в целом, весь технологический процесс управляется по программе центральным компьютерным пультом. О состоянии протекания технологического процесса на центральный компьютерный пульт сообщают датчики, которыми оснащены все агрегаты устройства.

Система датчиков, контролирующих протекание технологического процесса и его безопасность на чертежах не показана.

Для получения высококачественного целевого продукта предусматривается заданная последовательность, т.е. очередность технологических операций, обеспечивающих эффективную и безопасную работу технологической линии - установки в целом. Процесс синтеза наноразмерных порошков происходит дискретно.

Установка работает следующим образом.

При запуске процесса синтеза наноразмерных порошков с помощью системы нагрева доводят до требуемой величины и поддерживают температуру реактора 1 с головкой реактора 2 и подлежащих нагреву деталей системы подачи прекурсоров (позиции 12, 13, 14) в реактор 1. Осуществляют нагревание корпуса циклона 18.

Компрессором 4 создают в ресивере 5 давление, соответствующее требованиям технологического процесса. Вакуумная система обеспечивает в реакторе 1 давление не более 5 Торр. Остаточное давление более 5 Торр приведет к ухудшению свойств (размер, агрегируемость) конечного продукта, либо к невозможности реализации плазмохимического процесса. Компрессор создает в ресивере 5 давление, соответствующее требованиям технологического процесса.

При поступлении на центральный пульт управления сигналов о готовности всех систем устройства, на которых установлены соответствующие их функциям датчики, система подачи прекурсоров плазмохимической реакции в реактор 1 производит в заданной последовательности впрыск прекурсоров (например, TiCl4, CH4, O2) из емкостей 12, 13 и 14.

После получения центральным пультом управления сигналов датчиков о готовности реактора 1 (достижение нужной температуры и давления) производится включение ускорителя 3.

Пучок высокоэнергетических электронов (500 кэВ) из источника 3 инициирует цепную химическую реакцию в реакторе 1. Реакция происходит с легким взрывом – технологический хлопок (10-15 атм.) Скачок давления воздействует на выпускной клапан 16. При этом инерционность системы обеспечивает время на полное протекание реакции (от 1 мксек до 10 сек и регулируется в зависимости от технологической необходимости).

Клапан 16 открывается и удерживается в открытом состоянии с помощью механизма привода клапана 17 (электромагнита). Одновременно подается команда на продувку реактора 1, что позволяет упростить синхронизацию команд, управляющих технологическим процессом. После падения давления в реакторе 1 открывается клапан продувки 16. Поток воздуха с давлением – свыше 15 атм. из продувочного кольцевого сопла головки 2 выходит из реактора 1 и удаляет продукты реакции через отводной канал 9 в циклон 18.

В циклоне 18, подогреваемом нагревателем 29, происходит разделение нанопорошка и газа.

На фиг.3 показан подвод газа от реактора через впускной патрубок 32 в циклон 18; а также направление движение газа по шнеку 35 циклона 18.

В циклоне 18 поток смеси газов и твердых взвешенных частиц, полученных в процессе реакции, совершает несколько оборотов, (не менее 3-х, например, четыре или пять – в зависимости от скорости потоков газа, массы и размера порошкообразного продукта, определяемых экспериментально. При этом твердые компоненты потока перемещаются к периферии боковой поверхности корпуса циклона. Поток с высокой концентрацией твердых частиц всегда будет ближе к корпусу циклона за счет центробежных сил, что обеспечивается законами газодинамики.

Скорость потока газов в закрытом с боковых сторон спиральном канале поддерживается на заданной величине за счет уменьшения шага шнека и потери отведенного газа.

Далее поток газа, минуя полость шнека 35, попадает в корпус циклона 18, где происходит окончательное осаждение взвешенных частиц продуктов реакции.

Пластины 36 отсекают наиболее обогащенный твердыми компонентами слой газового потока и направляют его в зазор между пластинами и корпусом циклона. В зазоре между шнеком и корпусом циклона твердые компоненты потока осаждаются и перемещаются в накопитель циклона.

Несмотря на отвод части газового потока в зазор между шнеком и корпусом циклона, при наличии уменьшающейся площади газового потока, удается сохранять высокую скорость его, осаждать твердые частицы, взвешенные в потоке смеси газов и перемещать их в накопитель циклона.

Поток газа, обтекая раструб 37, направляется к стенкам корпуса циклона 18, разделяется нисходящий и восходящий потоки. Целевой продукт реакции (наночастицы) оседает на внутренней поверхности корпуса 18 и опускается в конусообразный накопитель для перехода в разгрузочный люк 19. Отходящий (частично очищенный) газ выводится через центральную отводящую трубу 34 корпуса 18, направляясь снизу вверх на дальнейшую его очистку. Далее поток смеси газов поступает в кислотостойкий воздушный насос 21, который придает ему необходимую скорость, зависящую от производительности технологической линии.

После чего поток газов поступает в электростатический фильтр 20 для осаждения оставшихся после циклона 18 твердых компонентов газа реакции реактора 1.

Далее газ, содержащий растворимые компоненты (в зависимости от процесса это могут быть HCl, NO, NO₂, HF и др.), поступает при помощи насосов 21 в нижнюю часть барботера 22 первой ступени очистки, куда с помощью перекачивающихся насосов 23 и запорных кислотостойких клапанов 24 подается растворитель – вода.

Растворимые компоненты переходят в раствор (система противотока). Нерастворимые компоненты будут в минимальном количестве (то, что не смогли поймать циклоном и электростатическим фильтром). Эти компоненты также будут присутствовать в продукте барботажа и удаляется через клапан 25. Оставшаяся часть газа перемещается в последующий барботер.

Поскольку в системе очистки использован принцип противотока, а барботеров несколько, то вода перекачивается из каждого последующего барботера 22 в предыдущий. Затем раствор сливают в накопительную емкость (на фигуре не показан), а в барботер 22 первой ступени перекачивается раствор из барботера 22 второй ступени и так далее. В барботер 22 последней ступени очистки заканчивается свежий растворитель - вода. Контроль концентрации раствора в барботерах 22 осуществляют с помощью рН-датчиков (на фигурах не показаны). После полной очистки газа от полезных компонентов газ направляют в нейтрализатор 26, где нейтрализуются все возникшие в процессе реакции побочные вещества и полупродукты. Вывод соляной кислоты (NO, NO₂, HF и др.) осуществляют через клапан 24. Полностью очищенный воздух выбрасывается в атмосферу.

Весь технологический процесс плазмохимического синтеза наноразмерных порошков управляется по программе центральным компьютерным пультом, на который поступает информация от соответствующих приборов, которыми оснащены все агрегаты устройства.

Примеры практического осуществления.

Предлагаемая установка предназначена для получения наноразмерных порошков оксида титана, оксида кремния и композиционных материалов на их основе: Ti_xC_yO_z, Si_xC_yO_z, Si_xTi_yO_z, Si_xTi_yC_zO_w, TiO_x@Au, SiO_x@Au, Ti_xC_yO_z@Au, Si_xC_yO_z@Au, Si_xTi_yO_z@Au, Si_xTi_yC_zO_w@Au.

В таблице 1 приведены примеры синтезированных наноразмерных композитов с указанными физико-химическими свойствами (размер, химическая чистота, тип кристаллической решетки).

Таблица 1. Примеры синтезируемых наноразмерных композитов.

Наименование Размер, нм Химическая чистота, % Кристаллическая решетка Порошок Ti_xC_yO_z 10-200 (зависит от рецептуры) 99,9 (зависит от химической чистоты исходных реагентов) рутил, анатаз, аморф. процентное соотношение зависит от рецептуры
. Порошок Si_xC_yO_z 10-200 (зависит от рецептуры) 99,9 (зависит от химической чистоты исходных реагентов) аморф. Порошок Si_xTi_yO_z 10-200 (зависит от рецептуры) 99,9 (зависит от химической чистоты исходных реагентов) рутил, анатаз, аморф. процентное соотношение зависит от рецептуры Порошок Si_xTi_yC_zO_w 10-200 (зависит от рецептуры) 99,9 (зависит от химической чистоты исходных реагентов) рутил, анатаз, аморф. процентное соотношение зависит от рецептуры Порошок TiO_x@Au 10-200 (зависит от рецептуры) 99,9 (зависит от химической чистоты исходных реагентов) рутил, анатаз, аморф. процентное соотношение зависит от рецептуры Порошок SiO_x@Au 10-200 (зависит от рецептуры) 99,9 (зависит от химической чистоты исходных реагентов) рутил, анатаз, аморф. процентное соотношение зависит от рецептуры Порошок Ti_xC_yO_z@Au 10-200 (зависит от рецептуры) 99,9 (зависит от химической чистоты исходных реагентов) рутил, анатаз, аморф. процентное соотношение зависит от рецептуры Порошок Si_xC_yO_z@Au 10-200 (зависит от рецептуры) 99,9 (зависит от химической чистоты исходных реагентов) рутил, анатаз, аморф. процентное соотношение зависит от рецептуры Порошок Si_xTi_yO_z@Au 10-200 (зависит от рецептуры) 99,9 (зависит от химической чистоты исходных реагентов) рутил, анатаз, аморф. процентное соотношение зависит от рецептуры Порошок Si_xTi_yC_zO_w@Au 10-200 (зависит от рецептуры) 99,9 (зависит от химической чистоты исходных реагентов) рутил, анатаз, аморф. процентное соотношение зависит от рецептуры

Проведенные эксперименты показали, что размер наночастиц зависит от концентраций исходных реагентов, суммарного давления в реакторе, температуры реактора, энергии введенной в реактор импульсным электронным пучком. Изменение этих параметров технологического процесса дает возможность регулировать размер частиц в партии в указанном в таблице диапазоне. Химическая чистота синтезируемых наноразмерных композитов зависела от химической чистоты исходных реагентов и определялась методом рентгенофлюоресцентного анализа. Кристаллическая решетка полученного продукта может быть различна и определялась условиями его синтеза (концентрацией исходных реагентов, величинами суммарного давления в реакторе, температуры реактора, энергии, введенной в реактор импульсным электронным пучком).

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает:

1) высокую химическую чистоту синтезированного продукта за счёт отсутствия возможности внесения технологических загрязнений за счет высоких температур. Процесс реализуется при температуре не более 500 ⁰С;

2) унификацию установки плазмохимического синтеза наноразмерных порошков, т.е. используя одно и тоже оборудование, можно получать различную конечную продукцию - наноразмерные порошки оксида титана, оксида кремния и композиционных материалов на их основе: Ti_xC_yO_z, Si_xC_yO_z, Si_xTi_yO_z, Si_xTi_yC_zO_w, TiO_x@Au, SiO_x@Au, Ti_xC_yO_z@Au, Si_xC_yO_z@Au, Si_xTi_yO_z@Au, Si_xTi_yC_zO_w@Au;

3) уменьшение времени технологического передела (перехода от одного технологического процесса к другому) за счёт высокой технологической проработки, обеспечивающей возможность автоматизации процесса синтеза;

4) высокий экономический эффект за счёт повышенной энергоэффективности и возможности использования побочного продукта реакции (соляная кислота) в качестве самостоятельного экономического продукта.

Изобретение относится к оборудованию плазмохимического синтеза ультрадисперсных порошков, неорганических соединений и композиций, в частности к установке плазмохимического синтеза наноразмерных порошков и шнековому циклону, используемому в ней. Установка содержит реактор, корпус которого расположен вертикально и выполнен с возможностью нагрева, ускоритель электронов с энергией электронов 300 - 1000 кэВ, систему подачи реагента в реактор, содержащую расходную емкость, дозатор, буферную емкость и запорный клапан, вакуумную систему, устройство разделения твердых и газообразных продуктов плазмохимического синтеза, выполненное в виде шнекового циклона с возможностью нагрева его корпуса, и систему отделения растворимых газообразных продуктов плазмохимического синтеза, связанную со шнековым циклоном через электростатический фильтр, при этом выход реактора и вход шнекового циклона разделены автоматическим выпускным клапаном. Изобретение обеспечивает возможность получения различных видов продукции наноразмерных порошков и композиционных материалов на их основе с высокой химической чистотой на одном и том же оборудовании, а также уменьшение времени технологического перехода от одного процесса к другому и высокий экономический эффект. 2 н.з. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Установка плазмохимического синтеза наноразмерных порошков, содержащая реактор, выполненный с возможностью нагрева корпуса, связанный с реактором ускоритель электронов, систему подачи, по меньшей мере, одного реагента в реактор, вакуумную систему, связанное с реактором устройство разделения твердых и газообразных продуктов плазмохимического синтеза, систему отделения растворимых газообразных продуктов плазмохимического синтеза, отличающаяся тем, что корпус реактора расположен вертикально, устройство разделения твердых и газообразных продуктов плазмохимического синтеза выполнено в виде шнекового циклона с возможностью нагрева его корпуса, при этом выход реактора и вход шнекового циклона разделены автоматическим выпускным клапаном, система отделения растворимых газообразных продуктов связана со шнековым циклоном через электростатический фильтр, система подачи, по меньшей мере, одного реагента, содержит расходную емкость, дозатор, буферную емкость и запорный клапан, энергия электронов ускорителя лежит в диапазоне от 300 кэВ до 1000 кэВ.

2. Установка плазмохимического синтеза по п.1, характеризующаяся тем, что вакуумная система обеспечивает в реакторе давление не более 5 Торр.

3. Установка плазмохимического синтеза по п.1, характеризующаяся тем, что система отделения растворимых газообразных продуктов содержит, по меньшей мере, один воздушный насос кислотостойкого исполнения и, по меньшей мере, один барботер.

4. Установка плазмохимического синтеза по п.1, характеризующаяся тем, что предназначена для получения наноразмерных порошков оксида титана, оксида кремния и композиционных материалов на их основе, таких как Ti_xC_yO_z, Si_xC_yO_z, Si_xTi_yO_z, Si_xTi_yC_zO_w, TiO_x@Au, SiO_x@Au, Ti_xC_yO_z@Au, Si_xC_yO_z@Au, Si_xTi_yO_z@Au, Si_xTi_yC_zO_w@ Au.

5. Циклон, содержащий цилиндрический корпус, патрубок ввода газообразной смеси, конусообразный накопитель твердых частиц, шнек, установленный на центральной отводящей трубе, дефлектор, отличающийся тем, что в верхней части цилиндрического корпуса установлена гильза с зазором, выбранным из диапазона от 10 мм до 250 мм; патрубок ввода газообразной смеси выполнен в гильзе; с нижним краем гильзы и шнеком жестко связаны установленные с зазором между собой пластины; нижняя часть цилиндрического корпуса выполнена с расширением, причем шнек выполнен с уменьшающимся по ходу потока газа шагом навивки ленты, при этом отводящая труба в нижней части выполнена с раструбом.

6. Циклон по п.5, отличающийся тем, что шаг навивки ленты шнека уменьшается от начального до конечного размера на величину от 30% до 50%.

7. Циклон по п.5, отличающийся тем, что длина пластины соответствует длине шнека за вычетом длины гильзы.

8. Циклон по п.5 отличающийся тем, что связь пластины с гильзой и лентой шнека выполнена точечной сваркой.

9. Циклон по п.5, отличающийся тем, что раструб выполнен с развальцовкой по нижнему краю, при том, что угол развальцовки составляет не более 90° относительно оси шнека циклона.

10. Циклон по п.5, отличающийся тем, что предназначен для использования в установке плазмохимического синтеза наноразмерных порошков по любому из пп.1-4.