优化和控制炉反应器中纳米颗粒的粒度分布和生产的系统
阅读：799发布：2023-01-25
专利汇可以提供优化和控制炉反应器中纳米颗粒的粒度分布和生产的系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及用于优化和控制炉反应器中纳米颗粒的粒度分布和生产的系统。该方法使用具有程序化的指令的模拟工具在炉反应器中提供具有期望的、优化的和可控的颗粒粒度分布以及 比表面积 的纳米颗粒。所述模拟工具耦合火焰动 力 学模 块 和颗粒群平衡模块以及前体反应动力学模块。，下面是优化和控制炉反应器中纳米颗粒的粒度分布和生产的系统专利的具体信息内容。
1.一种用于优化和控制在集成有过程仪表的炉反应器中的纳米颗粒的粒度分布和生产的系统，所述系统包括：
运行条件模块(10)，该运行条件模块被配置用于提供所述炉反应器的运行数据；
反应器几何结构模块(20)，该反应器几何结构模块被配置用于提供所述炉反应器的几何结构以及设计数据；以及
物理过程模块(30)，该物理过程模块被配置用于提供用于在所述炉反应器中的纳米颗粒的粒度分布和生产的前体的特性；
模拟工具，该模拟工具包括火焰动力学模块(40)、火焰燃烧模块、数值解算器(50)、颗粒群平衡模块(60)以及配置用于确定前体氧化至产物的动力学速度的前体反应动力学模块(70)，其中所述火焰动力学模块(40)通过所述数值解算器(50)耦合至所述颗粒群平衡模块(60)，
其中所述火焰动力学模块(40)包括表示在所述炉反应器内发生的热和物理化学现象的运动方程、连续方程、以及能量方程，以及其中所述火焰动力学模块(40)被配置以至少部分基于所述运行数据、所述几何结构、所述设计数据、以及所述前体的特性确定火焰特性，所述火焰特性包括遍及所述炉反应器的火焰温度和物质的质量分数；
其中所述数值解算器解算在火焰动力学模块中的一组方程，以及其中所述数值解算器将所述火焰特性传送给所述颗粒群平衡模块(60)；
其中所述前体反应动力学模块(70)包括用于前体至产物的转化的动力学的方程；
其中所述颗粒群平衡模块(60)基于所述火焰特性和前体至产物的转化的动力学、通过前体至产物分子的一级反应而进行的颗粒的成核、以及通过凝结和聚并而进行的颗粒的生长来确定纳米颗粒的粒度分布。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述运行数据包括输入至所述模拟工具的所述火焰动力学模块(40)的前体流量、载气流量、载气压力、载体温度、和冷却剂流量中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述炉反应器包括至少一燃烧器、至少一前体或反应物进入流、以及至少一载气流。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述炉反应器还包括电加热器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述前体选自二氧化钛、二氧化硅、炭黑、氧化锌、氧化铝。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述数值解算器管理从火焰动力学模块获得的运行数据，并将所述火焰动力学模块的结果传递给所述颗粒群平衡模块，以及其中所述结果包括遍及所述炉反应器的火焰温度分布、以及反应物和产物浓度分布。
7.根据权利要求1所述的系统，其中具有程序化的指令的用于颗粒群动力学的所述模拟工具是在FORTRAN平台上开发的，以模拟并预测物理过程。
8.根据权利要求3所述的系统，其中所述燃烧器被设计和配置用于与前体或反应物一起提供给所述炉反应器的各种流的输入。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述燃烧器的几何结构在同轴管的数目方面是在具有程序化的指令的所述模拟工具的配合下设计和实施的，每个管具有至少1-25mm的直径，每个所述管之间的间距至少1mm。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述前体包括液体或蒸汽形式的材料。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述前体包括液体或蒸汽形式的四氯化钛、四氯化硅以及乙炔。
12.一种用于模拟在炉反应器中纳米颗粒的生产的方法，所述方法包括：
确定
所述炉反应器的运行数据；
所述炉反应器的几何结构和设计数据；
涉及的前体的特性；
至少部分基于所述运行数据、所述几何结构和设计数据、以及所述前体的特性确定火焰特性，所述火焰特性包括遍及所述炉反应器的火焰温度以及物质的质量分数；
将所述火焰特性传递至颗粒群平衡模块(60)；
至少部分基于所述火焰特性以及前体至产物的转化的动力学确定所述前体的纳米颗粒的粒度分布；
由此促进模拟工具优化和控制在所述炉反应器中的纳米颗粒的粒度分布和生产。
优化和控制炉反应器中纳米颗粒的粒度分布和生产的系统
技术领域
[0001] 本发明涉及用于优化在炉反应器中的纳米颗粒的粒度分布和生产的系统。更具体的说，本发明涉及用于生产具有期望颗粒特性的纳米颗粒的系统和方法。
背景技术
[0002] 近年来，纳米技术已经变得重要，由于其基础的和实际的应用，其已经成为研究焦点领域之一。在工业规模中细小颗粒通常在炉反应器中生产，年生产量为数吨每小时。颗粒的较小尺寸尤其是小于100nm是导致各种性质的关键参数之一，各种性质诸如为电子的、电气的、光学的、磁性的、化学的和机械的性质，这些性质使得纳米颗粒适用于在陶瓷、催化、涂料、电子、化学和机械抛光、数据存储、燃料电池等领域中的各种应用。
[0003] 许多商品和专用化学品和材料(例如炭黑、二氧化钛、二氧化硅和氧化锌)是以细小颗粒的形式生产的，这些细小颗粒应用于涵盖了轮胎、印刷油墨、涂料和颜料、塑料、光纤、催化剂、药物粉末和化妆品的范围的各种工业产品和家用产品。
[0004] 对于许多实际应用，期望具有小尺寸的以及窄粒度分布的颗粒，因为具有窄粒度分布的较小颗粒导致最终产品的较好的性质。例如，催化剂的活性、金属的硬度和强度、陶瓷的导电性随着粒度的下降而改善。
[0005] 纳米颗粒的这些特殊性质能够明显不同于类似的大块材料的性质。纳米材料的物理和化学性质倾向于特别依赖于它们的大小和形状或形态。因此，材料科学家将他们的精力集中于开发用于生产具有可控粒度和形态的纳米材料的简单有效的方法，并因此改善它们的性质。用于大规模制造细小颗粒的技术之一是在水平或竖式炉反应器中的火焰气溶胶合成，年生产量为数百万公吨，颗粒生产率高达25公吨每小时。通常，在炉反应器中，细小颗粒通过以下进行生产：
[0006] a.加热炉反应器中的气体；
[0007] b.被加热的气体在离开反应器之前通过冷却区域；
[0009] d.载气稀释，接着在靠近反应器的出口对稀释过的载气进行骤冷以防止颗粒烧结；
[0010] e.降低反应器下流的温度，由于阻止了聚集颗粒的烧结，而增强了较小产物颗粒的形成。
[0011] 当温度下降时，主要通过凝结而进行颗粒生长，并生成不规则结构的颗粒和粒度分布。
[0012] 尽管已经很好地建立了用于生产细小颗粒的方法，具有挑战性的任务是控制用于大规模生产的炉反应器中的产物的颗粒大小和粒度分布。
[0014] 为了控制用于大规模生产的炉反应器中的产物颗粒大小和粒度分布，通常通过使用基于工艺设计工程师和装置操作人员的经验而发展而来的试探法根据反复试验来优化反应器和工艺的设计，这可能或可能不能获得期望的产物特性。
[0015] 与提供用于合成纳米颗粒的方法和放大方法有关的一些发明如下：
[0016] US20060024435公开了一种用于制造纳米尺寸的颗粒的方法和纳米颗粒反应器，该颗粒反应器包括提供反应物的层流的成核和核生长区，其中反应物热分解以产生过饱和蒸汽，该过饱和蒸汽使气溶胶颗粒成核成颗粒核。尽管US20060024435专利申请公开了用于生产纳米颗粒的方法和装置，其并没能公开不使用实验而配置反应器的流的方法。而且，其没有确定工艺参数对粒度分布的影响。
[0017] US20060159596公开了使用高温方法可控合成纳米颗粒的方法和装置。反应腔包括通过例如等离子体焰炬的部件加热的高温气体和反应室。尽管US20060159596专利申请公开了用于可控合成纳米颗粒的方法和装置，但其并 没能公开不使用实验而配置反应器的流的方法。而且，其没有确定工艺参数对粒度分布的影响。
[0018] Akhtar 等 (1991) 的“Vapor Synthesis of Titania Powder by Titanium Tetrachloride Oxidation”公开了化学反应和凝结以确定在气溶胶火焰反应器中产物二氧化钛颗粒的粒度分布的特性。而且，所述文献公开了通过TiCl4的气相氧化生产TiO2颗粒的方法，以及通过使用分段技术对“化学反应和凝结”的气溶胶动力学反应进行解释而公开了工艺参数对生产方法的影响。该文献主要仅专注于颗粒的粒度分布，而没有解决气相动力学和颗粒群动力学的耦合。而且，所述文献没有确定整个炉反应器的气相和颗粒特性以及使用不同燃烧器的颗粒特性。其也没有解决用于按比例放大具有期望粒度分布的纳米颗粒的生产规模的挑战性方面。
[0019] 根据上述现有技术，很明显需要利用具有成本效益的系统和方法以及较少的试验的用于大规模生产具有期望的颗粒特性(例如颗粒大小、形状和粒度分布)的纳米颗粒的可定制的方案。
[0020] 在本发明中，我们提出了用于生产具有期望颗粒特性的纳米颗粒的新方法，以克服上文提及的用于大规模生产纳米颗粒的限制。
[0021] 为了满足对这样的方案的长期需要，本发明提供了用于在炉反应器中生产纳米颗粒的系统和方法。
发明内容
[0022] 发明目的
[0023] 本发明的主要目的是在炉反应器中生产纳米颗粒。
[0024] 本发明的另一目的是提供用于生产具有期望颗粒特性的纳米颗粒的方法和系统。
[0025] 本发明的又一目的是提供用于在炉反应器中具有可控性质的纳米颗粒的生产的模拟工具。
[0026] 本发明的再一目的是提供需要较少试验和使用较少时间的具有成本效益的 用于纳米颗粒的生产的系统。
[0027] 本发明还有一目的是提供用于纳米颗粒的生产的系统，该系统确定工艺参数对粒度分布的影响，工艺参数例如但不限于温度、压力和输入材料特性。
[0028] 发明概要
[0029] 本发明公开了用于在优化和控制在炉反应器中的纳米颗粒的粒度分布和生产的系统和方法。
[0030] 本发明的方法和系统提供具有期望颗粒特性的纳米颗粒。
[0031] 本发明提供需要较少试验和使用较少时间的具有成本效益的用于具有可控性质的纳米颗粒的生产的模拟工具。
[0032] 用于模拟在炉反应器中纳米颗粒的生产的方法，包括：
[0033] a)确定
[0034] i)来自于与炉反应器集成的过程仪表的物理过程参数的运行数据；
[0035] ii)特定浓度下的前体或反应物与供应给所述炉反应器的燃烧器的流输入的混合特性；
[0036] iii)燃烧器结构和反应器的设计的数据；
[0037] b)将步骤a)的确定的数据提供给具有程序化的指令的模拟工具的火焰动力学模块，以获得遍及所述炉反应器的火焰温度和不同种类物质的质量分数；
[0038] c)通过所述模拟工具的火焰动力学模块将步骤a)和步骤b)的确定的数据传送给数值解算器，以为颗粒群平衡模型提供输入；
[0039] d)将步骤c)的火焰动力学结果传送至颗粒群平衡模块和与所述模拟工具的所述颗粒群平衡模块耦合的前体反应动力学模块(以同时评估前体氧化反应的速度动力学)以确定形成的纳米颗粒的粒度分布；
[0041] 当连同附图一起阅读时，将更好的理解前述概要以及下文的优选实施方式的详细描述。出于阐述本发明的目的，在附图中示出了本发明的示例性构造，然而，本发明不限于所公开的特定的方法。附图中：
[0042] 本发明的图1阐述了用于在炉反应器中的纳米颗粒的生产的具有程序化的指令的模拟工具的结构。
[0043] 图2阐述了Akhtar等(Akhtar，M.K.，Xiong，Y.和Pratsinis，S.E.，1991，“Vapor Synthesis of Titania Powder by Titanium Tetrachloride Oxidation”，AIChE J.，37，1561-1570)所描述的典型的电加热炉反应器结构。
[0044] 图3阐述了炉反应器中的模拟温度曲线。
[0045] 图4阐述了本发明的模拟工具所预测的炉反应器中的轴向温度曲线与Akhtar等(Akhtar，M.K.，Xiong，Y.和Pratsinis，S.E.，1991，“Vapor Synthesis of Titania Powder by Titanium Tetrachloride Oxidation”，AIChE J.，37，1561-1570)的实验数据的比较。
[0046] 图5阐述了通过本发明的模拟工具所预测的在1723K的炉温下以1.16×10-5mol/l的前体(TiCl4)浓度获得的二氧化钛颗粒的粒度分布曲线与Akhtar等(Akhtar，M.K.，Xiong，Y.和Pratsinis，S.E.，1991，“Vapor Synthesis of Titania Powder by Titanium Tetrachloride Oxidation”，AIChE J.，37，1561-1570)的实验数据的比较。
[0047] 图6阐述了通过本发明的模拟工具所预测的在1400K的炉温下以1.56×10-5mol/l的前体(TiCl4)浓度获得的二氧化钛颗粒的粒度分布曲线与Akhtar等(Akhtar，M.K.，Xiong，Y.和Pratsinis，S.E.，1991，“Vapor Synthesis of Titania Powder by Titanium Tetrachloride Oxidation”，AIChE J.，37，1561-1570)的实验数据的比较。
具体实施方式
[0048] 在描述本方法和系统实现之前，要理解的是本发明不限于所描述的特定的方法和装置，因为它们可以不同。还要理解的是在本说明书中使用的术语仅是 为了描述特定的版本或实施方式的目的，而不是用于限制本发明的范围，本发明的范围仅被所附的权利要求限制。词语“包含”、“具有”、“含有”和“包括”及其其它形式在意思上等同，并且是开放式的，接在这些词语中的任一词语之后的一项或多项不意味着是对该项或多项的穷尽性列举或仅限于所列举的一项或多项。公开的实施方式是本发明的示例，其可能以不同的形式体现。
[0049] 在重要实施方式之一中，本发明提供用于在炉反应器中的纳米颗粒的生产的系统。用于优化和控制在炉反应器中的纳米颗粒的粒度分布和生产的系统，包括：
[0050] 集成有过程仪表的炉反应器；其中所述反应器还包括：
[0051] 至少一燃烧器；
[0052] 至少一前体或反应物；
[0053] 与至少一前体或反应物一起输入的至少一流；
[0054] 可选的，电加热器；
[0055] 模拟工具，该模拟工具具有程序化的指令以使得处理器耦合火焰动力学模块、数值解算器和颗粒群平衡模块，以便优化和控制在炉反应器中的纳米颗粒的粒度分布和生产。
[0056] 根据本发明的另一实施方式，用于优化和控制炉反应器中的纳米颗粒的粒度分布的系统可选地包括电加热器和用于进出冷却剂的设备。
[0057] 本发明的图1阐述了用于在炉反应器中的纳米颗粒的生产的具有程序化的指令的模拟工具的流程图。
[0058] 在本发明的优选实施方式中，炉反应器可以是集成有过程仪表的预混火焰或者扩散火焰或者电加热反应器。
[0059] 根据本发明的实施方式之一，模拟工具包括下列组件：
[0060] 1.耦合至火焰燃烧模块的火焰动力学模块(40)；
[0061] 2.数值解算器(50)；
[0062] 3.耦合至前体反应动力学模块(70)的颗粒群模块(60)。
[0063] 根据本发明的实施方式之一，模拟工具耦合火焰动力学模块(40)和颗粒 群平衡模块(60)以优化和控制粒度分布以及按比例放大具有期望特性的纳米颗粒的生产规模。
[0065] 与炉反应器集成的过程仪表提供诸如前体流量、前体压力、空气流量、空气压力、载气流量、载气压力、冷却剂流量的变量的运行数据，以管理工艺。
[0066] 而且，火焰动力学模块(40)从运行条件模块(10)接收运行数据形式的输入，例如但不限于前体流量、前体压力、空气流量、空气压力、载气流量、载气压力以及冷却剂流量，并管理通过运行条件模块(10)从火焰气溶胶反应器的各种过程仪表获得的运行数据。
[0067] 而且，火焰动力学模块(40)从反应器几何结构模块(20)接收燃烧器结构的输入，该燃烧器结构的输入与燃烧器中管的数目、每个管之间的间隔、管的直径有关但不限于这些。
[0068] 与具有程序化的指令的模拟工具耦合的火焰动力学模块(40)确定遍及炉反应器的火焰温度和不同种类物质的质量分数，还模拟和确定物理过程参数(30)，物理过程参数(30)例如但不限于流体速率和压力。
[0069] 而且，火焰动力学模块(40)与数值解算器(50)耦合用于管理从炉反应器的各种过程仪表获得的运行数据。
[0070] 根据本发明的实施方式之一，与在炉反应器中模拟纳米颗粒的生产有关的步骤包括：
[0071] a)将运行数据变量、反应器的几何结构和物理常数以及材料性质提供给火焰模块；
[0072] b)通过火焰模块将从炉反应器的各种过程仪表获得的运行数据传送给数值解算器；
[0073] c)通过输入步骤b)的传输的运行数据变量确定火焰温度和不同种类物质的质量分数以及物理过程参数；
[0074] d)管理通过数值解算器从火焰模块获得的运行数据；
[0075] e)将步骤d)的经过管理的运行数据变量传输给与前体动力学反应模型耦合的颗粒群平衡模块，以预测完整的粒度分布的进展。
[0076] 用于火焰动力学模块(40)的控制方程如下：
[0077] 根据Bird等(2002)的运动方程
[0078]
[0081]
[0082]
[0083] 其中Pk是由于粘性力和浮力导致的湍流生成项(kg/s3)，其通过以下方程获得：
[0084]
[0086] 组分i的连续方程如下(CFX11.0用户手册(CFX 11.0 User’s Manual))：
[0087]
[0088] 其中Ri是通过化学反应的种类i的净生产率，Si是通过从分散相加成的种类i的产生率，Yi是组分i的质量分数，以及Ji是种类i的扩散通量，其是由于浓度梯度引起的。
[0090]
[0092] 根据Siegel和Howell(1992)的P-1辐射模型被合并到焓平衡中以解释辐射能量吸收和放射。辐射通量通过在该模型中以一系列正交谐波扩展辐射强度而表达。然后将辐射通量直接并入到焓平衡以解释辐射热传递过程。
[0093] 如前文所提及的，炉反应器可以具有电加热器或者诸如为甲烷的燃料输入流，以提供工艺所需要的能量。在使用燃料而不是使用电加热器的情况下，燃料燃烧率是通过使用由Magnussen和Hjertager提出的涡团耗散模型(EDM)计算的，其假设化学反应相对于输运过程是快速的。燃料燃烧模型由两个速率公式(下面的方程7和8)组成。方程7表3
示反应速率R1(kmol/m/s)，其解释在湍流涡流中的反应物的混合。
示反应速率R1(kmol/m/s)，其解释在湍流涡流中的反应物的混合。
[0094]
[0095] 其中[I](kmol/m3)是反应物I的浓度，vI是组分I的化学计量系数，以及AEDM是数值常数。
[0096] 方程8表示反应速率R2(kmol/m3/s)，其解释当热传递至未反应气体是限制因素时热产物气体与冷反应物气体的混合。
[0097]
[0098] 其中，P在反应中的所有产物组分中循环。在方程8中，WI(kg/kgmol)是组分i的摩尔质量，BEDM是数值常数。燃烧率是通过两个速率R1和R2中的较小者确定的。
[0099] 与具有程序化的指令的模拟工具耦合的颗粒群平衡模块(60)通过利用分段方法对气溶胶动力学方程求解来确定完整的粒度分布。
[0100] 用于颗粒群平衡模块(60)的控制方程如下：
[0101] 在第一分段N1中的单体或者初始颗粒浓度的变化率为：
[0102]
[0103] 其中ρg是气体密度。
[0104] 这里使用Hounslow等(1988)提出的离散的以及在几何学上分段的群平衡方程来模拟通过凝结而导致的聚集体的生长。
[0105] 仅由于凝结而导致的颗粒或者聚集体浓度的变化率如下：
[0106] (Hounslow等，1988)
[0107]
[0108] 其中Ni是在分段i中每单位质量气体的颗粒或聚集体的计数浓度。碰撞率因子α是颗粒间相互作用力的函数，但是在本文中被假设为一致的。右边的第一项解释由于属于除了直接相邻的较小分段外的较小分段的群集的聚集而导致的生长，直接相邻的较小分段在第二项中解释。第三项描述了由于聚集体与属于较小分段的实体的相互作用而导致的聚集体的减少，第四项表示由于相互聚集以及与属于较大分段的聚集体的相互作用而导致的聚集体的减少。
[0109] 这里使用用于在自由分子和连续体状态中的Brownian凝结的Fuchs插值函数来估计凝结速率常数(Seinfeld，1986)：
[0110]
[0111] 其中Di是在分段i中的聚集体扩散系数，gi，j是转换参数，ci，j是平均颗粒速度。
[0112] 在分段i的聚集体的碰撞直径 如下(Matsoukas和Friedlander，1996)：
[0113]
[0114] 其中Df是聚集体的质量分形维数， 和 分别是聚集体中的初始颗粒的直径和体积。
[0115] 颗粒群平衡模块（60）基于上述讨论的方程预测颗粒的完整粒度分布。
[0116] 颗粒群平衡模块（60）还与前体动力学反应模块（70）耦合，前体动力学反应模块为群平衡模块提供前体氧化反应的速度动力学。
[0117] 使用在CFX11.0中可获得的联合涡流耗散-有限速度化学模型来捕捉前体至产物分子的氧化。氧化速率被认为是使用下面给出的Arrhenius表达式和涡团耗散模型（方程7和8）获得的速率的最小值。
[0118]3
[0119] 其中A是指前因子，E(J/kmol-K)是活化能，Cprecursor(kmol/m)是前体的浓度，3 -1 -1
(kmol/m)是氧气的浓度，R(J.kmol .K )是通用气体常数。
(kmol/m)是氧气的浓度，R(J.kmol .K )是通用气体常数。
[0120] 颗粒群平衡模块解释了前体的一级反应、颗粒的凝结和聚并。
[0121] 颗粒群平衡模块是在FORTRAN平台上开发的，以模拟和预测物理过程。
[0122] 从数值解算器获得的例如为但不限于温度、压力、产物浓度的变量的值被提供给在FORTRAN平台上开发的颗粒群平衡模块。
[0123] 在设定各种优化的运行条件的条件下,在气溶胶火焰反应器中产生了具有期望粒度和形状的纳米颗粒，优化的运行条件例如但不限于火焰温度、压力、最佳气体流量和反应物或前体浓度。
[0124] 提供各种优化的运行条件的值至具有程序化的指令的模拟工具以便模拟和确定这些各种运行参数对纳米颗粒的粒度分布的影响。
[0125] 而且，根据本发明的另一实施方式，反应器和燃烧器的几何结构和设计（20）也影响纳米颗粒的粒度、粒度分布和形状。燃烧器的各种尺寸、燃烧器的同轴管的数目、在每个管之间的间距、燃烧器的管的直径都输入至具有程序化的指令的模拟工具，以便模拟和确定燃烧器和反应器的炉的几何结构和设计对纳米颗粒的粒度分布的影响。
[0126] 还根据本发明的实施方式之一，燃烧器被设计和配置，用于各种流体输入至炉反应器。
[0127] 还根据本发明的实施方式之一，在同轴管的数目、每个管的直径和每个管之间的间距方面，在具有程序化的指令的模拟工具的配合下设计和实施燃烧器的几何结构。
[0128] 根据本发明的另一实施方式，将各种物理常数和材料的特性和性质(30)输入至具有程序化的指令的模拟工具，以便模拟和确定材料的特性和性质(30)对纳米颗粒的粒度分布的影响。
[0129] 具有程序化的指令的模拟工具提供作为产物粉末的粒度分布和比表面积的输出(80)。
[0130] 根据本发明的实施方式之一，图2阐述了Akhtar等(1991)描述的典型的电加热炉反应器配置。
[0131] 根据Akhtar等，冷却氮气从外部环形部分进入反应器，与反应器流出物混合，冷却的气体通过内部管离开反应器。初始稀释器使反应产物骤冷，并抑制了由在反应区域外部的烧结所导致的颗粒生长。此外，其降低了从产物流到冷却稀释器的壁上的热泳损失。
[0132] 图3阐述了在炉反应器中在1400K的设定炉温下的模拟温度曲线。
[0133] 如图2所描述的，气体在室温下从外部环形部分进入反应器，当其通过炉反应器的加热元件所在的区域时被加热。该热气体在反应后被从顶部进入的氮气冷却，并由此冷却朝着炉的出口方向的气体。
[0134] 实施例
[0135] 以下列实施例来描述本发明，这些实施例仅用于阐述本发明而提供，因此不应当被理解成限制本发明的范围。
[0136] 实施例1
[0137] 图4阐述了在1400K的设定炉温下本发明的模拟工具所确定的炉反应器中的轴向温度曲线与Akhtar等(1911)的实验数据的比较。
[0138] 根据本发明的实施方式之一，对本发明的模拟工具进行测试以比较炉反应器中的轴向温度曲线。将本发明的模拟工具所确定的温度曲线与通过实验获得 的温度曲线进行比较。使用Akhtar等(1991)的实验数据来比较本发明的模拟工具所确定的温度曲线。
[0139] 而且，下表1提供了通过具有程序化的指令的模拟工具确定的用于炉反应器中的轴向温度曲线的模拟数据，并将其和Akhtar等(1991)公开的实验数据进行了比较。
[0140] 从图4能够观察到通过本发明的模拟工具所确定的趋势与实验测量值相差很小，而且表明了本发明的模拟工具所确定的数据的准确性。
[0141] 表1：
[0142]
[0143] 实施例2
[0144] 图5阐述了通过本发明的模拟工具所确定的在1723K的炉温下以1.16×10-5mol/l的前体(TiCl4)浓度获得的二氧化钛颗粒的粒度分布曲线与Akhtar等(1991)的实验数据的比较。
[0145] 根据本发明的示例性实施方式之一，对本发明的模拟工具进行测试以确定 在-51723K的设定炉温下TiCl4浓度为1.16×10 mol/l的情况下的二氧化钛颗粒的粒度分布曲线。
[0146] 而且，下列的表2(a)和表2(b)提供了具有程序化的指令的模拟工具所确定的在-51723K的炉温下在TiCl4浓度为1.16×10 mol/l的情况下关于二氧化钛颗粒的粒度分布曲线的模拟数据，同时将其与Akhtar等(1991)的实验数据进行了比较。
[0147] 表2(a) 表2(b)
[0148]
[0149] 从图5能够观察到通过本发明的模拟工具所确定的趋势与实验测量值相差 很小，进一步表明了本发明的模拟工具所确定的数据的准确性。
[0150] 实施例3
[0151] 图6阐述了通过本发明的模拟工具所确定的在1400K的炉温下以1.56X10-5mol/l的TiCl4浓度获得的二氧化钛颗粒的粒度分布曲线与Akhtar等(1991)的实验数据的比较。
[0152] 根据本发明的示例性实施方式之一，对本发明的模拟工具进行进一步测试以预测-5在1400K的炉温下TiCl4浓度为1.56×10 mol/l的情况下的二氧化钛颗粒的粒度分布曲线。
[0153] 而且，下列的表3(a)和表3(b)提供了具有程序化的指令的模拟工具所确定的在-51400K的炉温下在TiCl4浓度为1.56×10 mol/l的情况下关于二氧化钛颗粒的粒度分布曲线的模拟数据，同时将其与Akhtar等(1991)的实验数据进行了比较。
[0154] 表3(a) 表3(b)
[0155]
[0156] 而且，从图6能够观察到通过本发明的模拟工具所确定的趋势与实验测量值相差很小，进一步表明了本发明的模拟工具所确定的数据的准确性。
[0157] 发明优势
[0158] ●提供了用于优化和控制炉反应器中纳米颗粒的完整粒度分布的系统和方法。
[0159] ●提供预测燃烧器几何结构和设计以及工艺运行条件对颗粒粒度分布的影响的系统和方法
[0160] ●提供了用于优化和控制炉反应器中纳米颗粒的粒度分布和生产的具有成本效益以及节省时间的系统和方法。
[0161] ●如果不能完全避免，那么也减少了用于确定最优工艺条件和燃烧器设计和几何结构以获得期望颗粒特性所进行的试验或者实验的数目。
[0162] ●提供了与工艺设备的内部条件相关的细节和对在工艺期间发生的现象的深刻理解。
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