Способ получения нанодисперсных порошков и устройство для его осуществления


 


Владельцы патента RU 2462332:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" (RU)

Изобретение относится к технологии получения нанодисперсных порошков. Технический результат - повышение производительности получения порошка, снижение энергоемкости. Способ получения нанодисперсных порошков включает подачу и смешивание исходного порошкообразного металла с потоком первичного активного газа, истекающего из сопла эжектора, воспламенение металло-газовой смеси в предкамере, представляющей собой канал с расширением, подачу смеси в основную камеру сгорания, охлаждение высокотемпературных продуктов горения и отбор нанодисперсного порошка. При этом частицы исходного порошка металла переводят в газовую фазу за счет самоподдерживающейся экзотермической реакции с последующей конденсацией из газовой фазы. Причем в основную камеру сгорания подают вторичный активный газ и посредством лопаточного завихрителя формируют в ней центральную тороидальную вихревую зону. Устройство для реализации способа содержит бункер исходного порошка, эжектор с соплом, камеру смешения исходного порошка с потоком первичного активного газа, предкамеру в виде канала с расширением, основную камеру сгорания, канал для охлаждения продуктов горения и бункер отбора порошка. На внешней стенке предкамеры установлен лопаточный завихритель, а в стенке основной камеры сгорания выполнены отверстия для поперечного вдува вторичного активного газа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий и наноматериалов и касается получения нанодисперсных порошков (НП).

Существующие на сегодняшний день методы получения НП (механические, физико-химические и химические) обладают очень существенным недостатком, который заключается в низкой производительности, которая обусловлена как собственной природой, так и конкретными схемами организации рабочих процессов в установках обработки исходного материала, которые не позволяют применять их для создания эффективных технологий промышленного получения НП с заданными свойствами.

Наиболее близким к предлагаемой технологии аналогом решения проблемы синтеза НП материалов с заданным химическим составом и физическими свойствами является способ синтеза НП в плазме сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда [1].

Способ получения НП в плазме СВЧ разряда включает введение исходных реагентов в поток плазмообразующего газа реакционной камеры, плазмохимический синтез реагентов, охлаждение целевого продукта и его выделение из реакционной зоны через фильтр-сборник, при этом исходные реагенты вводят в поток плазмообразующего газа, имеющего среднемассовую температуру 1200-3200 К, в любом агрегатном состоянии: парообразном, порошкообразном, жидкокапельном или в любой их комбинации, при этом реагенты в порошкообразном состоянии вводят в виде аэрозоля с газом-носителем в реакционную камеру через узел ввода с отверстием, открывающимся в объем реакционной камеры под углом 45-60° к оси камеры, реагенты в парообразном или в жидкокапельном состоянии вводят в реакционную камеру через соответствующие узлы ввода с кольцевым коллектором, выполненным с 6-12 отверстиями, открывающимися в объем реакционной камеры под углом 45-60° к оси камеры, каждое из которых обдувается спутным потоком газа через коаксиальные каналы вокруг отверстий, при расходе исходных реагентов, плазмообразующего газа, удельной мощности микроволнового излучения, длины реакционной зоны, позволяющих получать композиционные системы и индивидуальные вещества с заданными свойствами, химическим, фазовым составом и дисперсностью. Для дополнительного охлаждения целевого продукта через коллектор снизу одной из секций реакционной камеры подают закалочный газ с расходом 1,6-2,0 м3/г.

Известна установка синтеза НП, содержащая систему подачи, камеру первичного смешения и воспламенения, камеру вторичного смешения, сжигания и синтеза, и устройство отбора конденсированной фазы из высокотемпературного потока [2].

В указанной установке не предоставляется возможность управлять параметрами рабочего процесса в КС.

К недостаткам способа и устройства получения НП в плазме СВЧ относится низкая производительность, высокие затраты энергии и недостаточное качество синтезируемых НП.

Задачами заявляемого способа является повышение производительности и снижение энергетических затрат при получении НП.

Задачей заявляемого устройства является получение НП заданного гранулометрического состава путем изменения таких параметров как давление, температура в камере сгорания (КС) и время пребывания частиц в зоне горения.

Поставленные задачи для способа получения НП, включающего подачу и смешивание исходного порошкообразного металла (ИПМ) с потоком первичного активного газа, истекающего из сопла эжектора, воспламенение металло-газовой смеси (МГС) в предкамере, представляющей собой канал с расширением, подачу смеси в основную КС, охлаждение высокотемпературных продуктов горения и отбор НП, решаются путем перевода в газовую фазу частиц ИПМ за счет самоподдерживающейся экзотермической реакции с последующей конденсацией из газовой фазы, причем в основную КС подают вторичный активный газ и посредством лопаточного завихрителя формируют в ней центральную тороидальную вихревую зону.

Поставленная задача для устройства, включающего бункер ИПМ, эжектор, сопло эжектора, камеру смешения ИПМ с потоком первичного активного газа, предкамеру в виде канала с расширением, основную КС, канал для охлаждения продуктов горения и бункер отбора НП, достигается тем, что на внешней стенке предкамеры установлен лопаточный завихритель, обеспечивающий формирование центральной тороидальной вихревой зоны (ЦТВЗ) в основной КС, а в стенке основной КС выполнены отверстия для поперечного вдува вторичного активного газа.

На фиг.1 схематически изображено предлагаемое устройство для получения НП, включающее эжектор 1, сопло эжектора 2, бункер ИПМ 3, камеру смешения ИПМ с потоком первичного активного газа 4, предкамеру в виде канала с внезапным расширением 5, штуцер подачи активного газа в лопаточный завихритель 6, электрическую свечу зажигания 7, лопаточный завихритель 8, основную КС 9, штуцер подачи вторичного активного газа 10, коллектор 11 с отверстиями 12 для поперечного вдува вторичного активного газа, штуцер 13 для подвода охлаждающей жидкости в канал 14, содержащий форсунки 15, циклонную камеру 16 с каналом выхода газовой фазы 17 и бункером отбора дисперсной фазы 18.

При работе устройства струя первичного активного газа, истекающая из сопла 2 эжектора 1, смешивается с ИПМ 3 в камере смешения 4, образуя МГС. Полученная МГС поступает в предкамеру в виде канала с внезапным расширением 5, в котором происходит надежное воспламенение МГС от электрической свечи зажигания 7 [4]. Воспламенившаяся МГС из предкамеры поступает в основную КС 9, где она перемешивается с воздухом, поступающим через штуцер 6, который, проходя через лопаточный завихритель 8, приобретает закрутку, под действием которой образуется ЦТВЗ, где создается область пониженного давления, увеличивается время пребывания частиц металла и осуществляется основное горение МГС. Интенсификация процесса догорания обеспечивается путем поперечного вдува вторичного активного газа через отверстия 12, поступающего в коллектор 11 через штуцер 10. Высокотемпературные продукты горения поступают в канал 14 для охлаждения, посредством впрыска дистиллированной воды через форсунки 15, подвод воды к которым осуществляется посредством штуцера 13. Охлажденные продукты горения поступают в циклонную камеру 16, в которой газ выходит через штуцер 17, а конденсированные продукты поступают в камеру отбора НП 18.

Описанное устройство позволяет получать порошок оксида алюминия в диапазоне размеров от 10 до 100 нм с производительностью до 60 г/сек при расходе исходного порошка алюминия 300 г/сек. В качестве исходного порошкообразного металла применялся порошок алюминия марки АСД-1 с размером частиц 17,4 мкм. В качестве активного газа использовался воздух. Скорость первичной струи активного газа составляла от 50 до 100 м/с, при этом скорость поперечного вдува вторичного активного газа была сверхзвуковой. Параметр закрутки активного газа лопаточным завихрителем был равен 2,0 [5].

Таким образом, предлагаемый способ и устройство получения нанодиспесных порошков решает поставленные задачи:

1) повышение производительности, осуществляемой за счет высокой интенсивности процессов, включая скорости тепломассообмена, высоких температур (порядка 3000 К) и, как следствие, высоких скоростей протекающих физико-химических процессов;

2) снижение энергоемкости достигается отсутствием необходимости подвода энергии извне, поскольку образование целевого продукта происходит в результате самоподдерживающейся экзотермической реакции;

3) получение НП необходимого гранулометрического состава достигается применением закрутки воздушного потока и созданием ЦТВЗ в КС, а также посредством поперечного вдува активного газа.

Источники информации

1. RU 2252817 С1, В01J 19/08, 27.05.2010.

2. В.Н.Анциферов, В.И.Малинин, С.Е.Порозова, А.Ю.Крюков. Получение нанодисперсных порошков методом сжигания аэровзвесей частиц металлов / Перспективные материалы и технологии: Нанокомпозиты. Том 2. /Под. ред. А.А.Берлина и И.Г.Ассовского. - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2005 - 288 с.: ил. (Космический вызов 21 века).

3. Гупта А. и др. Закрученные потоки: Пер. с англ./ Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. - М.: Мир, 1987. - 588 с.

4. А.Г.Егоров, К.В.Мигалин, А.П.Шайкин. Экспериментальное исследование процессов воспламенения и стабилизации пламени порошкообразного алюминия в камере сгорания с внезапным расширением / Изв. вузов «Авиационная техника», Казань, 1989, №2, стр.85-86.

5. В.И.Малинин. Внутрикамерные процессы в установках на порошкообразных металлических горючих. Екатеринбург - Пермь: УрО РАН, 2006.

1. Способ получения нанодисперсных порошков, включающий подачу и смешивание исходного порошка металла с потоком первичного активного газа, истекающего из сопла эжектора, воспламенение металло-газовой смеси в предкамере, представляющей собой канал с расширением, подачу смеси в основную камеру сгорания, охлаждение высокотемпературных продуктов горения и отбор нанодисперсного порошка, при этом для получения нанодисперсных порошков частицы исходного порошка металла переводят в газовую фазу за счет самоподдерживающейся экзотермической реакции с последующей конденсацией из газовой фазы, причем в основную камеру сгорания подают вторичный активный газ и посредством лопаточного завихрителя формируют в ней центральную тороидальную вихревую зону.

2. Устройство получения нанодисперсных порошков, включающее бункер исходного порошка металла, эжектор, сопло эжектора, камеру смешения исходного порошка металла с потоком первичного активного газа, предкамеру в виде канала с расширением, основную камеру сгорания, канал для охлаждения продуктов горения и бункер отбора нанодисперсного порошка, при этом на внешней стенке предкамеры установлен лопаточный завихритель, обеспечивающий формирование центральной тороидальной вихревой зоны в основной камере сгорания, а в стенке основной камеры сгорания выполнены отверстия для поперечного вдува вторичного активного газа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам получения металлических втулок. .

Изобретение относится к катализаторам на основе перфторированного сополимера и мезопористого алюмосиликата, способу приготовления катализатора и способу олигомеризации альфа-олефинов, более конкретно альфа-олефинов с числом атомов углерода, превышающим или равным 6, предпочтительно между 8 и 14.

Изобретение относится к области получения новых сорбционных материалов на основе углеродных нанотрубок и может быть использовано для извлечения актинидных и редкоземельных элементов из растворов.

Изобретение относится к каталитическим производствам нановолокнистых углеродных материалов и водорода и может быть использовано в нанотехнологиях, химической промышленности, водородной энергетике.

Изобретение относится к медицине, а именно к трансплантологии, травматологии, общей хирургии, стоматологии, комбустиологии, пластической хирургии, косметологии. .

Изобретение относится к электронно-измерительной технике и нанотехнологиям и предназначено в том числе для использования со сканирующим зондовым микроскопом (СЗМ) при исследовании микро- и нанорельефа поверхности.

Изобретение относится к способу прогнозирования фотостабильности коллоидных полупроводниковых квантовых точек со структурой ядро-оболочка в кислородсодержащей среде, включающий измерение кинетик фотолюминесцентного сигнала квантовых точек для тестируемой и эталонной партий, определение для указанных партий значений параметра, характеризующего скорость спада фотолюминесцентного сигнала во времени.
Изобретение относится к нанокомпозиту на основе полиэтилена, к способам его получения и может быть использовано в пищевой, химической промышленности, в медицине при производстве новых материалов с улучшенными физико-механическими свойствами и с низкой газопроницаемостью (повышенными барьерными характеристиками).

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии получения нанопорошков металлов с повышенной запасенной энергией, и может быть использовано для повышения реакционной способности нанопорошков при спекании, горении в энергосберегающих технологиях.
Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения чугунных отливок с модифицированным поверхностным слоем. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способу получения нанотрубок оксида вольфрама, и может быть использовано при производстве твердых сплавов.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении разрывных электроконтактов. .

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для получения наноразмерных порошков плазмохимическим методом. .
Изобретение относится к способу получения иридия из тетракис(трифторфосфин)гидрида иридия и может быть использовано для получения порошка металлического иридия высокой чистоты.

Изобретение относится к области нанохимии, конкретно касается способа получения халькогенидов металлов в наноразмерном состоянии. .

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения порошка нестехиометрического гидрида титана с заданными содержанием водорода и удельной поверхностью.

Изобретение относится к гидрометаллургии редкоземельных металлов, а именно к получению кристаллических нанопорошков оксидов лантаноидов. .

Изобретение относится к способам получения изделия из металлического сплава без плавления. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к установке для пиролиза жидкого рабочего состава с получением порошка, в частности нитрида алюминия. .

Изобретение относится к получению порошков оксидных натрий-вольфрамовых бронз химическим способом. .

Изобретение относится к электрохимическому способу получения нанопорошков диборида титана, может быть использовано в получении неоксидной керамики для высокотемпературных агрегатов типа электролизера для производства алюминия
Наверх