用于生产粒子的设备和方法技术

本发明专利技术涉及基于惰性气体蒸发用于生产固体粒子的设备和方法，其中方法包括形成含有物质的饱和蒸气的连续气态进料流，和通过进口将连续气态进料流以从进口突出的进料喷射流的形式注入到反应器腔室的自由空间区域，和形成至少一个冷却流体的连续喷射流和将至少一个冷却流体的喷射流注入到反应室，其中进料喷射流以高出反应器腔室压力0.01·105至20·105Pa的范围内的压力使进料流通过充当所述反应器进口的注入喷嘴而形成，并且所述注入喷嘴具有矩形横截面的喷嘴开口，其具有高度A进料和宽度B进料，其中宽高比B进料/A进料≥2:1，且高度A在0.1至40mm的范围内，并且通过以下形成至少一个冷却流体的喷射流中的每一个：使冷却流体通过注入喷嘴，所述注入喷嘴引导冷却流体的喷射流以使之以30至150°的相交角度与进料喷射流相交，并且其中所述至少一个冷却流体的喷射流中的每一个，要么单独地要么组合的，与基本上所有进料喷射流的气体在与用于注入所述进料喷射流的喷嘴开口相隔预定的距离处混合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于基于惰性气体蒸发(evaporation)用于生产微米、亚微米和/或纳米尺度的粒子的设备和方法。
技术介绍
对于具有微米或更小级尺寸的粒子，由于它们的高的表面积和相应的高的化学活性使得它们适合于各种应用，目前存在对它们的浓厚的兴趣。例如，金属亚微米或纳米尺寸的粒子已经在即生物医学、光学和电子领域找到了许多应用。虽然这种尺度的粒子以前已经存在，但是纳米粒子由于不寻常的现象，例如纳米粒子易于展现的量子效应现象，在近年来已经收到了深入的研究工作。亚微米或纳米粒子的合成方法可以分成三个主要的组：第一组基于液相并涉及溶剂中的化学反应以生产粒子，通常作为胶体。第二组基于真空条件下通过使进料材料原子化并使原子向沉积表面扩散的粒子的表面生长。第三组基于气相合成，并且是本专利申请的主题。现有技术存在几种已知生产亚微米和纳米粒子的方法，基于使金属固体转化成其相应的气相的第一步骤，接着是气相的受控冷凝以形成许多小的纳米粒子和/或亚微米粒子的随后的第二步骤。这些方法通过实施其第一和第二步骤的不同方法而相互区分。可以通过例如热蒸发、电感耦合等离子体放电(inductively-coupled plasma discharge)、电弧放电(arc discharge)和电爆(electro-explosion)来实施第一步骤。可以通过例如惰性气体冷凝的方式而进行实施第二步骤。在环境压力下生产纳米粒子的其他实例采用电感耦合等离子体放电和电爆，例如以在WO 01/58625A1、US 2007/0221635、US 2007/0101823中和在US 5665277中描述的方式。当前以几种方式实现温度骤降：(i)通过在冷却的环境中使蒸气局部过热，随后所形成的蒸气向外膨胀到其周围的冷却环境中而由此骤冷；(ii)将冷却流体流引入到其中蒸汽被局部过热的区域，其中气体流携带一些蒸气与它一起，并在冷却气体中发生成核作用以形成纳米粒子；(iii)将过热蒸气，最常见的是以等离子体炬的形式，引入到与过热蒸气的温度相比相对较低温度的骤冷室或区中；和(iv)通过蒸气的绝热膨胀。由WO 03/062146可知一种连续生产纳米管的方法，包括形成等离子体喷射流(plasma jet)，将金属催化剂或金属催化剂前体引入该等离子体喷射流以产生蒸发的(vaporised，气化的)催化剂金属，将一个或多个骤冷气体的流引入至等离子体中以骤冷等离子体并将所得的气态混合物通过熔炉，加入一种或多种形成纳米管的物质而由此在金属催化剂的影响下由其形成纳米管并在通过熔炉的通过期间生长成所需的长度，和收集由此形成的纳米管。一种被描述为连续生产纳米管的方法，包括形成等离子体喷射流、将金属催化剂或金属催化剂前体引入等离子喷射流中以产生蒸发的催化剂金属，将一个或多个骤冷气体的流引入到等离子体中以骤冷等离子体并将所得的气态混合物通过熔炉，加入一种或多种形成纳米管的物质而由此在金属催化剂的影响下由其形成纳米管并在通过熔炉的通过期间生长成所需的长度，和收集由此形成的纳米管。上述生产纳米粒子的已知方法通常使用在5000至10000K的温度范围内的物料蒸气；使物料加热至高温是非常能量密集的。此外，使用这样的高温具有不良的缺点，即任何存在于所采用的原料中的污染物将会转移到相应的所生产的纳米粒子中。换句话说，需要用于生产高纯度纳米粒子的高纯度原料。此外，骤冷过热蒸气发生于静态的体积或区域内，使得产生浓度梯度和/或温度梯度(例如在室壁和由壁围绕的区域中心之间)，室内冷却流体和蒸气的湍流和流动模式的改变。这样的梯度导致不同的成核条件，其倾向于导致粒子尺寸和特性的更宽的谱。Swihart的论文(2003)[1]提供了气相合成方法的综述。该论文教导这些方法的一个共同特征是产生其中使形成粒子的材料的气相相对于形成固相是热力学不稳定的条件。论文报道实现过饱和或许最直接的方法是惰性气体冷凝法，其中固体经过加热直至蒸发并将所蒸发的固体与背景/载体气体混合，而随后将背景/载体气体与冷的气体混合以降低温度。通过形成足够的过饱和度和合适的反应动力学，论文教导有可能获得尺寸低至纳米尺度的粒子的均匀成核。通过高过饱的条件并随后立即骤冷气相，无论是通过消除过饱和源或是减缓动力学以使粒子停止生长，有利于形成更小的粒子。论文指出，这些方法经常迅速发生，以毫秒计而往往以相对非受控的方式发生。由WO2007/103256已知一种用于以高浓度产生纳米粒子的方法和设备，其基于与具有蒸发室和稀释室的炉管连通(in communication with)的固体气溶胶分散体。加热元件包围炉管。加热元件的热量将蒸发室中包含于气体流中的本体物质(大量物质，散状物料，bulk material)加热至足以将本体物质转化成气相的温度。蒸发的本体物质随后移到至稀释室，在那里惰性气体通过稀释气体端口引入。惰性气体通过稀释气体端口流入稀释室足以从稀释室的出口喷射本体物质，从而将本体物质在足以防止纳米尺度粒子聚结的足够体积的气体流中冷凝成纳米粒子。根据Kruis等(1998)[2]的综述论文可知，炉源是用于提供在中间温度(最高达约1700℃)下具有大蒸气压力的物质的饱和蒸气的最简单系统，并且这种系统可以与饱和蒸气的自由膨胀冷却进行组合以形成可冷凝气体。论文指出，在低压流中产生绝热膨胀的渐缩喷嘴已经使得能够形成纳米粒子，但通常的蒸发-冷凝过程会获得相对宽的粒子尺寸分布。然而，特殊设计的喷嘴已经表明能够降低边界层效果，而由此在流动方向上接近一维温度梯度，其获得形成具有窄尺寸分布的纳米粒子的高度均匀骤冷速率。论文并未提供有关这些喷嘴实际设计的信息。US 2006/0165898公开了一种用于降低火焰喷雾反应系统中火焰温度的方法，其中该方法包括以下步骤：提供包含一种组分的前体的前体介质；在有效形成产物粒的群体的条件下火焰喷雾该前体介质；和通过将火焰与冷却介质接触而降低火焰的温度。该专利技术的方法允许控制使用该方法制成的纳米粒子的尺寸、组成和形态。该专利技术还涉及包括基本上纵向延伸的原子化进料喷嘴的喷嘴装置，喷嘴包括原子化介质导管和一个或多个基本纵向延伸的前体介质进料导管。该专利技术的喷嘴装置适用于使用本文所描述的方法生产纳米粒子的火焰喷雾系统。根据US 2004/0013602已知根据该专利技术用于生产纳米粒子的设备可以包括限定其中蒸气区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产物质的固体粒子的方法，其中所述方法包括：‑形成含有所述物质的饱和蒸气的连续气态进料流，和通过进口将所述连续气态进料流以从所述进口突出的进料喷射流的形式注入到反应器腔室的自由空间区域，和‑形成至少一个冷却流体的连续喷射流并将所述至少一个冷却流体的喷射流注入到所述反应室，其中‑所述进料喷射流是通过以在高出所述反应器腔室压力0.01·105至20·105Pa的范围内的压力使所述进料流通过作为所述反应器进口的注入喷嘴形成的，并且所述注入喷嘴具有高度A进料和宽度B进料的矩形横截面的喷嘴开口，其中‑宽高比B进料/A进料为≥2:1，和‑所述高度A进料在0.1至40mm的范围内，并且‑通过以下形成所述至少一个冷却流体的喷射流中的每一个：使所述冷却流体通过注入喷嘴，所述注入喷嘴引导所述冷却流体的喷射流以使之以30至150°的相交角度与所述进料喷射流相交，并且其中所述至少一个冷却流体的喷射流中的每一个，要么单独地要么组合地，与基本上所有所述进料喷射流的气体在与用于注入所述进料喷射流的喷嘴开口相隔预定的距离处混合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.27 NO 201204931.一种用于生产物质的固体粒子的方法，其中所述方法包括：
-形成含有所述物质的饱和蒸气的连续气态进料流，和通过进
口将所述连续气态进料流以从所述进口突出的进料喷射流的形式注
入到反应器腔室的自由空间区域，和
-形成至少一个冷却流体的连续喷射流并将所述至少一个冷却
流体的喷射流注入到所述反应室，
其中
-所述进料喷射流是通过以在高出所述反应器腔室压力
0.01·105至20·105Pa的范围内的压力使所述进料流通过作为所述反
应器进口的注入喷嘴形成的，并且所述注入喷嘴具有高度A进料和宽
度B进料的矩形横截面的喷嘴开口，其中
-宽高比B进料/A进料为≥2:1，和
-所述高度A进料在0.1至40mm的范围内，并且
-通过以下形成所述至少一个冷却流体的喷射流中的每一个：
使所述冷却流体通过注入喷嘴，所述注入喷嘴引导所述冷却流体的
喷射流以使之以30至150°的相交角度与所述进料喷射流相交，并且
其中所述至少一个冷却流体的喷射流中的每一个，要么单独地要么
组合地，与基本上所有所述进料喷射流的气体在与用于注入所述进
料喷射流的喷嘴开口相隔预定的距离处混合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
-所述进料喷射流是通过将所述进料流通过具有以下范围之一
的宽高比(B进料/A进料)：10000:1至2:1；2500:1至5:1；1000:1至
5:1；750:1至5:1；400:1至10:1；200:1至10:1；或100:1至2:1，

\t和以下范围之一的高度A进料：0.1至40mm、0.15至35mm、0.2至
30mm、0.25至25mm、0.3至20mm、0.4至15mm、0.4至10mm、
0.5至10mm、0.5至5mm、0.75至5mm、0.75至2,5mm、1至2,5
mm、1至2mm、0.1至2mm或0.1至1mm的注入喷嘴形成的，
并且其中
-所述进料的压力高出所述反应器腔室压力以下范围之一：
0.01·105至20·105Pa、0.015·105至15·105Pa、0.015·105至10·105Pa、
0.02·105至5·105Pa、0.25·105至2.5·105Pa、0.25·105至2.0·105Pa、
0.3·105至1.5·105Pa或0.3·105至1.0·105Pa。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中
-所述至少一个冷却流体的喷射流以30至150°的相交角度α1在距离所述进料喷射喷嘴开口的以下范围之一的距离处与所述进料
喷射流相交：1至30mm、1至20mm、1至10mm、1至6mm和
2至6mm，和
-所述冷却流体和所述进料喷射流的气体之间的温差，ΔΤ，在
以下范围之一：50至3000℃、100至2500℃、200至1800℃、200
至1500℃、300至1400℃或500至1300℃。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中所述冷却流体的喷射流通
过采用具有宽度B骤冷和高度A骤冷的矩形横截面的喷嘴开口的注入喷
嘴而形成，其中宽高比(B骤冷/A骤冷)处于以下范围之一：10000:1
至2:1；2500:1至5:1；1000:1至5:1；750:1至5:1；400:1至10:1；
200:1至10:1；或100:1至2:1；高度A骤冷处于以下范围之一：0.1
至40mm，0.15至35mm，0.2至30mm，0.25至25mm，0.3至20
mm，0.4至15mm，0.4至10mm，0.5至10mm，0.5至5mm，0.75
至5mm，0.75至2,5mm，1至2,5mm，1至2mm，0.1至2mm或
0.1至1mm；并且在排出喷嘴口时所述冷却流体的喷射流中所述冷

\t却流体的压力高出所述反应器腔室压力在以下范围之一内：0.01·105至20·105Pa、0.015·105至15·105Pa、0.015·105至10·105Pa、0.02·105至5·105Pa、0.25·105至2.5·105Pa、0.25·105至2.0·105Pa、0.3·105至
1.5·105Pa或0.3·105至1.0·105Pa。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述进料喷射流和所述冷却流体
的喷射流如此取向以使：
-所述流的对称平面沿着相交线距离形成所述进料喷射流的所
述注入喷嘴开口的距离D1处和距离形成冷却气体的喷射流的所述
注入喷嘴开口的距离D2处彼此相交，
-所述对称平面相对于彼此以角度α1倾斜，和
-所述进料喷射流的流速矢量以角度α2相交于所述相交线而所
述冷却流体的喷射流的流速矢量以角度α3相交于所述相交线。
6.根据权利要求5所述的方法，其中
-所述相交角度α1处于以下范围之一；30至150°、45至135°、
60至120°、75至105°、80至100°或85至95°，和
-所述相交角度α2和α3处于以下范围之一；80至100°、85至
95°、87至93°、88至90°或89至91°。
7.根据权利要求4、5或6所述的方法，其中B骤冷≥B进料。
8.根据权利要求4、5或6所述的方法，其中B骤冷＝B进料+ΔΒ，其中ΔΒ
具有以下值之一：1、2、3、4、5、6、7、8、9或10mm。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述进料气体是蒸发的锌
而所述冷却流体是氮气。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述进料气体是两种或更
多种蒸发的物质的混合物。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述进料气体是以下之一：两种
或更多种金属蒸气的混合物、...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃里克·鲁德，
申请(专利权)人：活性金属粒子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：挪威;NO