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可燃气驱动多相爆轰制备化物纳米材料的装置及方法

阅读:1015发布:2020-07-21

专利汇可以提供可燃气驱动多相爆轰制备化物纳米材料的装置及方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种可燃气驱动多相前驱体爆轰制备 碳 化物 纳米材料 的装置及方法,属于制备碳化物纳米材料的装置及方法。装置为:设计内径80mm,总长度4m的可用于可燃气体、液体、粉尘等多相的、具有夹层结构、快速化学反应管道式爆轰装置,该装置由五部分组成爆轰激发装置、前驱体混合装置、爆轰波传播装置、辅助测试装置和环保处理装置;便于实现对气、液、固多相混合形成均匀多相前驱体,通过有效的控制 温度 、压 力 、爆速等性能参数实现对目标产物的物相组成、微观结构及高效制备;同时可以实现尾气零排放、绿色环保的特征。该装置及制备方法的优点:结构优化,功能性强,操作简单,控制方便,成本低廉,反应迅速,产率较高。,下面是可燃气驱动多相爆轰制备化物纳米材料的装置及方法专利的具体信息内容。

1.一种可燃气驱动多相爆轰制备化物纳米材料的装置,其特征是:制备碳化物纳米材料的装置由爆轰激发装置、前驱体混合装置、爆轰波传播装置、辅助测试装置和环保处理装置五部分组成;
所述的前驱体混合装置包括空气压缩机、高压气储存器、过滤器、电磁、U型储液管、雾化喷头和气体压控制器;空气压缩机、高压气储存器、过滤器和电磁阀顺序连接,在电磁阀输出端有多路恒压支路,在恒压支路上连接有U型储液管以及安装在爆轰管主体的管壁上的雾化喷头;气体压力控制器与电磁阀的控制端连接,在气体压力控制器和电磁阀之间有气压表;
所述的爆轰激发装置包括高能点火器、放电频率调节器B和电源;所述的电源为交流或者直流电路;交流电经整流后储存在储能电容器中,电压由电压调节旋钮控制,通过放电频率调节器控制输出至高能点火器释放;所述的高能点火器为半导体电极,连接在爆轰管主体的一端;所述的放电频率调节器包括:固态继电器和三极管;并由三极管调节控制固态继电器输出,构成调节控制系统或者防爆起爆器;
所述爆轰波传播装置包括:爆轰管主体、高温液压油及冷循环夹层结构、多通道控制阀、高温液压油机、冷水循环机和高温液压油及冷却水循环进出口;所述的爆轰管主体为耐高压不锈无缝圆管;在爆轰管主体外有高温液压油及冷水循环夹层结构,有内衬管和外套管,内衬管位于外套管内,在外套管上有进液管口和高温液压油及冷却水循环进出口;耐高压不锈钢无缝圆管有起爆段和实验段,内壁抛光,整体强化密封连接,节间为高颈锻件法兰连接;高温液压油机和冷水循环机均通过多通道控制阀与高温液压油及冷却水循环进出口相连;
所述辅助测试装置包括:压力传感器温度传感器、压力、温度显示控制单元和爆轰波速度测试光纤传感器;压力传感器、温度传感器和爆轰波速度测试光纤传感器均连接在爆轰管主体的管壁上,压力传感器、温度传感器和爆轰波速度测试光纤传感器的输出信号通过信号传输线分别与压力、温度显示控制单元的输入端连接;所述的爆轰波速度测试光纤传感器有两对,分别固定于管壁上;所述的压力传感器和温度传感器,间隔15-20cm距离分别固定于管壁上;
所述环保处理装置为尾气处理装置,该尾气处理装置安装在爆轰管主体的另一端,对尾气进行化学吸收净化环保处理,针对不同前驱体爆轰后产生的尾气进行化学吸收净化环保处理,有处理氯气采用的水溶液,处理二化碳采用的氢氧化溶液。

说明书全文

可燃气驱动多相爆轰制备化物纳米材料的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种制备碳化物纳米材料的装置及方法,特别是一种可燃气驱动多相前驱体爆轰制备碳化物纳米材料的装置及方法。

背景技术

[0002] 过渡族金属碳化物(TMCs)是由碳和金属所形成的“间充性合金”,一类具有很高的熔点、硬度、极高的热稳定性和机械稳定性、在室温下几乎能耐各种化学腐蚀等特点的物质,还具有与其母体金属相类似的电、磁性质,正是这些性质使得它们被广泛应用于各种耐高温、耐摩擦和耐化学腐蚀等领域,同时被广泛应用于矿物开采、机械切削、石油馏分、高温部件以及核反应堆等领域。此外,还有些具有特殊的光、电、磁、超导、热学、催化等性能,是一类极富潜的非化物高温结构材料、电子材料和催化新材料。
[0003] 过渡族金属一般具有较大的原子半径,可以容纳小原子半径的碳原子,形成过渡族金属碳化物,如过渡金属碳化物,常见的且应用广泛的碳化物主要有碳化、碳化钴、碳化镍、碳化、碳化锆、碳化钨、碳化锰、碳化、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钼及碳化铪等。
[0004] 截至目前,过渡族金属碳化物(TMCs)的合成方法主要有直接碳化法、化学气相沉积法、高温自蔓延合成法、燃烧法、球磨法、微波法、高温反应釜法等;其中,化学方法的产率很高,但得到的纳米粉体纯度不高,或成本高,制备时间长;物理方法产物纯度高,但纳米粉体颗粒分布尺度较宽,同样成本高、制备时间较长。总体上而言,其制备通常需要较高的反应温度和较长的反应时间,而且制得产物颗粒尺寸较大,一般在微米范围,形貌和尺寸难以调控,这种情况严重阻碍了过渡族金属碳化物的广泛应用。
[0005] 目前可燃气体驱动多相前驱体爆轰制备碳化物纳米材料,在国内外研究中实验装置和制备方法尚未见详细报道。

发明内容

[0006] 本发明的目的是要提供一种目标产物的生产效率高,成本低廉,绿色无污染的可燃气驱动多相爆轰制备碳化物纳米材料的装置及方法。
[0007] 本发明的目的通过以下所述的技术方案实现:制备碳化物纳米材料的装置由爆轰激发装置、前驱体混合装置、爆轰波传播装置、辅助测试装置和环保处理装置五部分组成。
[0008] 所述的前驱体混合装置包括空气压缩机、高压气储存器、过滤器、电磁、U型储液管、雾化喷头和气体压力控制器;空气压缩机、高压气储存器、过滤器和电磁阀顺序连接,在电磁阀输出端有多路恒压支路中,在恒压支路上连接有U型储液管以及安装在爆轰管主体的管壁上的雾化喷头;气体压力控制器与电磁阀的控制端连接,在气体压力控制器和电磁阀之间有气压表。
[0009] 所述的爆轰激发装置包括高能点火器、放电频率调节器B和电源;所述的电源为交流或者直流电路;交流电经整流后储存在储能电容器中,电压由电压调节旋钮控制,通过放电频率调节器控制输出至高能点火器释放;所述的高能点火器为半导体电极,连接在爆轰管主体的一端;所述的放电频率调节包括:固态继电器和三极管;并由三极管调节控制固态继电器输出,构成调节控制系统或者防爆起爆器。
[0010] 所述爆轰波传播装置包括:爆轰管主体、高温液压油及冷循环夹层结构、多通道控制阀、高温液压油机、冷水循环机和高温液压油及冷却水循环进出口;所述的爆轰管主体为耐高压不锈无缝圆管;在爆轰管主体外有高温液压油及冷水循环夹层结构,有内衬管和外套管,内衬管位于外套管内,在外套上有进液管口和高温液压油及冷却水循环进出口;耐高压不锈钢无缝圆管有起爆段和实验段,内壁抛光,整体强化密封连接,节间为高颈锻件法兰连接;高温液压油机和冷水循环机均通过多通道控制阀与高温液压油及冷却水循环进出口相连。
[0011] 所述辅助测试装置包括:压力传感器、温度传感器、压力、温度显示控制单元和爆轰波速度测试光纤传感器;压力传感器、温度传感器和爆轰波速度测试光纤传感器均连接在爆轰管主体的管壁上,压力传感器、温度传感器和爆轰波速度测试光纤传感器的输出信号通过信号传输线分别与压力、温度显示控制单元的输入端连接;所述的爆轰波速度测试光纤传感器有两对,分别固定于管壁上;所述的压力传感器和温度传感器,间隔15-20cm距离分别固定于管壁上;压力、温度显示控制单元为数控电子信号显示;对爆轰过程参数压力、温度、爆速进行实时监测。
[0012] 所述环保处理装置为尾气处理装置,该尾气处理装置安装在爆轰管主体的另一端,对尾气进行化学吸收净化环保处理,针对不同前驱体爆轰后产生的尾气进行化学吸收净化环保处理,有处理氯气采用的水溶液,处理二氧化碳采用的氢氧化溶液。
[0013] 制备碳化物纳米材料的方法:首先将爆轰管中可燃气体加热至100~180℃温度;然后通过前驱体混合装置调整气体输入量、液体或者混合物的配比;开启辅助测试装置对爆轰反应温度、压力、爆轰参数准备实时动态监测;接通电源后通过爆轰激发装置引爆可燃气体,所述的电源是通过电池组单元串并联接入直流电路或者通过小型电源转换器接入交流电路,与此同步开启电磁阀对液相混合物或者液固混合相前驱体使之在爆轰管内进行雾化并反应;爆轰反应五分钟后,开启尾气处理阀,净化尾气;最后收集管内产物。
[0014] 有益效果,由于采用了上述方案,利用可燃气驱动前驱体多相爆轰化学快速反应提供了生成游离原子或分子的环境,在高压、高温和快速反应等环境中发生成核、结晶、相变和聚集等一系列变化,由于采用了价廉的前驱体原材料、制备装置设计合理、工艺控制过程简单及巧妙处理多种尾气,最终可以实现高效、控制开发多品种、高质量、易于规模化生产途径的过渡族金属碳化物(TMCs)纳米材料将为国民经济许多行业带来新的发展机遇和契机。
[0015] 实现了生产效率高,成本低廉,绿色无污染,达到了本发明的目的。
[0016] 控制装置可实现高效的、同步控制气液、气液固多相混合,可实现连续爆轰的特点。
[0017] 可以实现多点、实时监测压力、温度、爆速特征。
[0018] 该装置及制备方法的优点:结构优化,功能性强,操作简单,控制方便,成本低廉,反应迅速,产率较高。附图说明:
[0019] 图1为本发明的可燃气体驱动多相爆轰化学反应装置示意图;
[0020] 图2为五个装置之间的连接关系及工作流程图
[0021] 图3为本发明制备碳化铁纳米材料的TEM图谱;
[0022] 图4为本发明制备碳化铁纳米材料的XRD图谱。
[0023] 图中:1、爆轰管主体;2、高能点火装置;3、气体压力控制器;4、雾化喷头;5、压力传感器;6、温度传感器;7、U形储液管;8、电磁阀;9、过滤器;10、高压气储存器;11、压力、温度显示控制单元;12、高温液压油及冷水循环夹层结构;13、空气压缩机;14、多通道控制阀;15、高温液压油机;16、冷水循环机;17、爆轰波速度测试光纤传感器;18、尾气处理装置。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的说明:
[0025] 如图1所示,制备碳化物纳米材料的装置由爆轰激发装置、前驱体混合装置、爆轰波传播装置、辅助测试装置和环保处理装置五部分组成。
[0026] 所述的前驱体混合装置包括空气压缩机13、高压气储存器10、过滤器9、电磁阀8、U型储液管7、雾化喷头4和气体压力控制器3;空气压缩机13、高压气储存器10、过滤器9和电磁阀8顺序连接,在电磁阀8输出端有多路恒压支路中,在恒压支路上连接有U型储液管7以及安装在爆轰管主体2的管壁上的雾化喷头4;气体压力控制器3与电磁阀8的控制端连接,在气体压力控制器3和电磁阀8之间有气压表C。
[0027] 通过空气压缩机将工作气体压缩成高压气体,存放在高压气体储存器中,然后经过滤器,同步控制电磁阀释放高压气体将U型储液管中的液体或者混合物经过安装在爆轰管主体2的管壁上的雾化喷头将其瞬态雾化,用于气、液混合及高压雾化混合物,以利于反应组分充分爆轰反应;采用空压机将一定配比的气体充入管体内,达到一定压力,关闭气阀;液态燃料混合后存储在U型管路中,将喷雾装置沿管壁在管体壁面均匀分布、对称开孔,其优点:雾滴主要集中在喷孔周围,均匀状态保持在管内;打开电磁阀,在气流压力作用下压入喷雾装置进行雾化,经喷头二次雾化进入管体。
[0028] 所述的爆轰激发装置包括高能点火器2、放电频率调节器B和电源;所述的电源为交流或者直流电路;交流电经整流后储存在储能电容器中,电压由电压调节旋钮控制,通过放电频率调节器控制输出至高能点火器释放;所述的高能点火器为半导体电极,连接在爆轰管主体的一端,产生火花放电引爆爆轰前驱体混合物;所述的放电频率调节包括:固态继电器和三极管;并由三极管调节控制固态继电器输出,构成调节控制系统或者防爆起爆器,型号:MFB-500。瞬态产生高压电火花能量激发可燃气体驱动高压雾化混合物;
[0029] 爆轰激发装置采用北京特种设备工程公司产GDH高能点火器,可用于各种燃气、燃油、粉尘的点火实验,电源为220V、50Hz交流电,输出电压2000~3000V,放电火花的频率1~30Hz。交流电经整流后储存在储能电容器中,电压由电压调节旋钮控制,通过放电频率调节控制,输出至半导体电极释放,产生火花放电引爆爆轰前驱体混合物。
[0030] 所述爆轰波传播装置包括:爆轰管主体1、高温液压油及冷水循环夹层结构12、多通道控制阀14、高温液压油机15、冷水循环机16和高温液压油及冷却水循环进出口A;所述的爆轰管主体1为耐高压不锈钢无缝圆管;在爆轰管主体1外有高温液压油及冷水循环夹层结构12,有内衬管和外套管,内衬管位于外套管内,在外套上有进液管口和高温液压油及冷却水循环进出口A;耐高压不锈钢无缝圆管有起爆段和实验段,内壁抛光,整体强化密封连接,节间为高颈锻件法兰连接;高温液压油机15和冷水循环机16均通过多通道控制阀14与高温液压油及冷却水循环进出口A相连。
[0031] 爆轰波传播装置选用GB8163-2008无缝钢管,内径分别100mm,80mm,长度4m,由0.2m起爆段、3.8m实验段组成,内壁抛光处理,整体采用强化密封连接方式,节间采用高颈锻件法兰连接,确保管道密封性能。将两种不同内径的无缝管两头焊接,形成夹心层结构用于输入高温导热油循环用于爆轰管内壁控制加热,设计温度低于300℃。
[0032] 所述辅助测试装置包括:压力传感器5、温度传感器6、压力、温度显示控制单元11和爆轰波速度测试光纤传感器17;压力传感器5、温度传感器6和爆轰波速度测试光纤传感器17均连接在爆轰管主体1的管壁上,压力传感器5、温度传感器6和爆轰波速度测试光纤传感器17的输出信号通过信号传输线分别与压力、温度显示控制单元11的输入端连接。
[0033] 辅助测试装置的压力传感器、温度传感器、爆轰波速度测试光纤传感器分别布置于爆轰实验段的管壁处;压力、温度显示控制单元为数控电子信号显示;对爆轰过程参数压力、温度、爆速等进行实时监测;所述的爆轰波速度测试光纤传感器17有两对,分别固定于管壁上;所述的压力传感器和温度传感器,间隔15-20cm距离分别固定于管壁上。
[0034] 所述环保处理装置为尾气处理装置18,该尾气处理装置18安装在爆轰管主体的另一端,对尾气进行化学吸收净化环保处理,针对不同前驱体爆轰后产生的尾气进行化学吸收净化环保处理,有处理氯气采用的氨水溶液,处理二氧化碳采用的氢氧化钙溶液。
[0035] 制备碳化物纳米材料的方法:首先将爆轰管中可燃气体加热至100~180℃温度;然后通过前驱体混合装置调整气体输入量、液体或者混合物的配比;开启辅助测试装置对爆轰反应温度、压力、爆轰参数准备实时动态监测;接通电源后通过爆轰激发装置引爆可燃气体,所述的电源是通过电池组单元串并联接入直流电路或者通过小型电源转换器接入交流电路,与此同步开启电磁阀对液相混合物或者液固混合相前驱体使之在爆轰管内进行雾化;爆轰反应5~10分钟后,将尾气通入尾气处理装置吸收、净化,最后收集管内产物。
[0036] 结合图3和图4基于发明的实验装置,采用可燃气驱动多相爆轰技术成功制备碳化铁纳米材料为例对发明进一步阐述:
[0037] 实施例1:将爆轰管加热到100~150℃左右后,抽真空并注入纯净甲烷、氧气按照一定比例充分混合(纯度达到99.5%以上),压强达到0.1~0.5MPa;将醋酸铁溶解到苯或甲苯中,使其在苯中均匀溶解制成溶液,采用喷雾装置将溶液雾化后注入爆轰管内,同时将引爆爆轰管内气体,等爆炸产物沉积5分钟后,打开爆轰管收集附着在管壁的产物,可获得100nm以内的碳化铁纳米材料。
[0038] 实施例2:将爆轰管加热到100~150℃左右后,抽真空并注入纯净乙炔、氧气按照一定比例充分混合(纯度达到99.5%以上),压强达到0.03~0.1MPa;分别将二茂铁、苯、乙二醇等放入在60℃的热水中水浴加热使得二茂铁在苯中充分均匀溶解,采用喷雾装置将该溶液雾化后注入爆轰管内,同时引爆爆轰管,等爆炸产物沉积5分钟后,打开爆轰管收集附着在管壁的产物,可获得100nm以内的碳化铁纳米材料。
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