一种旋环流反应器以及使用其制备微纳米材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种旋环流反应装置系统以及其用于制备微纳米材料的方法，所述微纳米材料选自含有方解石型纳米碳酸钙/白炭黑的复合纳米材料、含有纺锤形纳米碳酸钙/白炭黑的复合纳米材料、含有文石型纳米碳酸钙/白炭黑的复合纳米材料、含有三维“竹荪”状水化纳米硅酸钙的材料、含有二维片状纳米硅酸钙和一维钙基材料中的一种或多种，所述方法使用旋环流反应装置系统，所述旋环流反应装置系统包括反应器主体、流体循环系统、温度控制系统、数据分析控制系统，其中所述流体循环系统包括液体循环泵、旋环流喷头、供气系统。所述旋环流反应装置系统具有结构简单，高效节能，放大效应小，应用范围广的优势，可规模化生产系列适合各种形貌和粒径的产品，反应条件宽范温和，操作简单易于控制。控制。控制。

【技术实现步骤摘要】
一种旋环流反应器以及使用其制备微纳米材料的方法


[0001]本专利技术涉及一种旋环流反应器以及使用其制备微纳米材料的方法。

技术介绍

[0002]微纳米材料指尺寸处于微米量级和纳米量级之间的材料，是微米材料和纳米材料的统称。由于其“体积效应”和“表面效应”使其与普通粉体存在显著性能差异。他们具有很高的表面积和比体积，能够提供较大的接触面积，有利于与其他材料相互作用，提高复合材料的强度和韧性等。近些年来，微纳米材料在复合材料性能提升方面显示巨大的应用潜力，广泛的应用于橡胶，造纸，粘胶剂和塑料等领域。
[0003]碳酸钙是制造成本最低，产能和用量最大，应用领域最为广泛的无机化工产品之一，具有多功能性和生物相容性，因此得到广泛关注。纳米碳酸钙本身的形貌，颗粒尺寸和表面改性剂等都会显著影响微纳米材料的使用效果。传统碳酸钙合成反应装备主要有搅拌釜、鼓泡塔和超重力反应器三类，基本都是通过强制混合、降低反应物浓度，快速反应、抑制晶体生长、提升结晶过程的成核速率，获得尺寸更小的晶型单一的微纳米材料。现有的鼓泡塔和搅拌釜存在放大效应显著，气液传质性能差，气泡分布不均，颗粒碰撞会产生二次成核无法有效分散，导致产品团聚和粒径分布变宽等不足；现有纳米材料合成工艺主要以粒径控制为主，存在晶型单一，颗粒大，粒径分布范围大，使用效果差，生产成本高等系列问题。
[0004]常见的搅拌釜是依靠釜体顶部的电动机和传动装置来驱动笨重的搅拌桨，这种立式布置还需通过减速机调节搅拌转速，存在体积庞大、造价高、能耗高、放大效应显著、占用高空间和混合效果不佳等一系列缺陷。
[0005]本课题组前期曾专利技术了用旋转射流喷头直接进行“物料搅拌物料”的径向旋流混合替代传统机械搅拌(CN104128106A)的高效节能混合装备。并进一步创新了旋转布气喷头，在原有旋流体系中进一步通过射流/旋流同时强化气体分散，并借助气体升力强化了轴向混合(CN108404700A)，优化了气液接触模式(CN111302508A)，使鼓入的原料气在液体射流帮助下沿径向大范围分布，气泡形成的升力可产生轴向环流，大幅延长气液接触时间，整个混合区域呈湍流状态，可减少二次成核，减少粒径，并使其分布变窄。特别值得一提的是，新型旋环流装置取消了影响气升式反应器径向传质的内导流筒，避免了形成“死区”，混合效果更佳，上液区与降液区可以直接接触混合，其比例也可自行调整，可适应更多应用场景，但前期工作尚未进行针对性的微纳米产品的具体工艺研究。将本课题组现有小试及釜式反应器中开发的系列不同原料及不同形貌的微纳米新材料合成工艺在新型反应器中移植放大，开发适合微纳米材料大规模、低成本生产的工业化技术，并对产品的特性和应用效果进行应用评价，将很有经济、社会和环保效益。

技术实现思路

[0006]本专利技术基于前期新型装备及新产品研发基础，为克服现有釜式及气升式反应器合成出的微纳米材料品质及生产工艺的不足，基于可大规模、低成本，产业化及产品应用效果
好的要求，经过反复实验和优化专利技术了用旋环流反应器进行系列微纳米晶体材料合成及晶型控制的工艺方法。
[0007]具体而言，本专利技术提出了一种新型旋环流反应器中控制工艺合成不同形貌和粒径尺寸的微纳米材料的方法，开发了可合成多种形貌和粒径大小的钙基微纳米晶体材料的新工艺。具体地，本专利技术基于旋环流反应器中反应物料浓度、气液相流速、反应温度、旋流速度、反应时间等工艺条件对微纳米材料晶型和晶粒尺寸的影响规律研究，建立了与普通搅拌釜优化工艺条件关键参数的对应关系，开发出了在新型旋环流反应器中，优化工艺条件下合成系列颗粒、纺锤形、立方型、晶须、片状及“竹荪”状等不同形貌钙基微纳米材料及可产业化的生产工艺。
[0008]具体而言，本专利技术提供了一种制备微纳米材料的方法，所述微纳米材料选自含有方解石型纳米碳酸钙/白炭黑的复合纳米材料、含有纺锤形纳米碳酸钙/白炭黑的复合纳米材料、含有文石型纳米碳酸钙/白炭黑的复合纳米材料、含有三维“竹荪”状水化纳米硅酸钙的材料、含有二维片状纳米硅酸钙和一维钙基材料中的一种或多种，其特征在于：
[0009]所述方法使用旋环流反应装置系统，所述旋环流反应装置系统包括反应器主体、流体循环系统、温度控制系统、数据分析控制系统，其中所述流体循环系统包括液体循环泵、旋环流喷头、供气系统，
[0010]所述方法包括如下步骤：
[0011]开启温度控制系统和供气系统中的气体流量阀，投入水，开启液体循环泵，加入水泥或水泥熟料或石灰或电石渣或氢氧化钙溶液，混合形成悬浮体系，经由旋环流喷头通入二氧化碳原料气、烟道气或空气中的一种或多种、或加入可溶性碳酸盐或硫酸或硫酸盐，任选加入改性剂进行原位改性，在pH值6
‑
8范围内停止反应，通过形成硅凝胶、中和沉淀、复分解及脱水缩合反应制备含有不同形貌的纳米碳酸钙、或纳米硅酸钙或硫酸钙的微纳米材料。
[0012]优选地，旋环流反应装置系统采用电磁式液体流量计；
[0013]优选地，所述旋环流反应装置系统包括主反应器、双通道液体喷射及布气旋环流喷头、二氧化碳原料气或烟道气或压缩空气的供气及气体循环系统、气体流量阀和气体流量计监控系统、由液体循环泵形成的液相混合动力系统、液体流量计和液体流量阀门控制系统，循环加热冷却器控温系统、数据记录及控制系统以及由传感器组成的监控平台。
[0014]优选地，流体循环系统由液体循环泵提供动力，将反应液体自反应器内送入旋环流喷头中，供气系统由气柜或空压机提供反应气体，送入旋环流喷头，在出口处与液体碰撞；电磁式液体流量计和气体流量计监测这一过程，控制液体阀门和气体阀门调节流量，将数据上传至电脑；温度控制系统维持反应器内温度稳定。
[0015]优选地，旋环流喷头包括定子、转子、滑动塑料轴承、液体导流管、气体导流管和气体环形出口；所述转子内部设置有流体腔和液体喷嘴，所述液体喷嘴用来自流体腔的一部分带压液体推动所述转子相对于定子旋转，所述流体腔里的另外一部分流体通过其他喷嘴喷出形成射流；所述气体环形出口用于来自气体导流管的气体喷出，结合射流形成径向气泡分布以及轴向环流扰动；
[0016]优选地，优选地，所述液体循环泵选自离心泵、螺杆泵或软管泵。对于颗粒含量较高，黏度较大的流体体系，更优选，使用软管泵或螺杆泵。
[0017]优选地，温度控制在20
‑
110℃；
[0018]优选地，水泥为硅酸盐水泥，水泥熟料为硅酸盐水泥熟料；
[0019]优选地，改性剂选自高分子改性剂，优选苯丙乳液、木质素钠或硬质酸钠。
[0020]采用如下方法确定旋环流反应装置系统的生产控制条件：
[0021](1)对于液
‑
液混合反应过程，进料量不超过容积的三分之二，罐内液体每小时循环流量按反应器中物料量体积的0.5
‑
150倍选择，或者根据液相射流距离与反应器直径比值的0.4
‑
0.6确定液相循环流量；
[0022](2)对于气
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备微纳米材料的方法，所述微纳米材料选自含有方解石型纳米碳酸钙/白炭黑的复合纳米材料、含有纺锤形纳米碳酸钙/白炭黑的复合纳米材料、含有文石型纳米碳酸钙/白炭黑的复合纳米材料、含有三维“竹荪”状水化纳米硅酸钙的材料、含有二维片状纳米硅酸钙和一维钙基材料中的一种或多种，其特征在于：所述方法使用旋环流反应装置系统，所述旋环流反应装置系统包括反应器主体、流体循环系统、温度控制系统、数据分析控制系统，其中所述流体循环系统包括液体循环泵、旋环流喷头、供气系统，所述方法包括如下步骤：开启温度控制系统和供气系统中的气体流量阀，投入水，开启液体循环泵，加入水泥或水泥熟料或石灰或电石渣或氢氧化钙溶液，混合形成悬浮体系，经由旋环流喷头通入二氧化碳原料气、烟道气或空气中的一种或多种、或加入可溶性碳酸盐或硫酸或硫酸盐，任选加入改性剂进行原位改性，在pH值6
‑
8范围内停止反应，通过形成硅凝胶、中和沉淀、复分解及脱水缩合反应制备含有不同形貌的纳米碳酸钙、或纳米硅酸钙或硫酸钙微纳米材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中，旋环流反应装置系统采用电磁式液体流量计；优选地，所述旋环流反应装置系统包括主反应器、双通道液体喷射及布气旋环流喷头、二氧化碳原料气或烟道气或压缩空气的供气及气体循环系统、气体流量阀和气体流量计监控系统、由液体循环泵形成的液相混合动力系统、液体流量计和液体流量阀门控制系统，循环加热冷却器控温系统、数据记录及控制系统以及由传感器组成的监控平台；优选地，流体循环系统由液体循环泵提供动力，将反应液体自反应器内送入旋环流喷头中，供气系统由气柜或空压机提供反应气体，送入旋环流喷头，在出口处与液体碰撞；电磁式液体流量计和气体流量计监测这一过程，控制液体阀门和气体阀门调节流量，将数据上传至电脑；温度控制系统维持反应器内温度稳定；优选地，旋环流喷头包括定子、转子、滑动塑料轴承、液体导流管、气体导流管和气体环形出口；所述转子内部设置有流体腔和液体喷嘴，所述液体喷嘴用来自流体腔的一部分带压液体推动所述转子相对于定子旋转，所述流体腔里的另外一部分流体通过其他喷嘴喷出形成射流；所述气体环形出口用于来自气体导流管的气体喷出，结合射流形成径向气泡分布以及轴向环流扰动；优选地，所述液体循环泵选自离心泵、螺杆泵或软管泵。3.根据权利要求1所述的方法，其中，温度控制在20
‑
110℃；优选地，水泥为硅酸盐水泥，水泥熟料为硅酸盐水泥熟料；优选地，改性剂选自高分子改性剂，优选苯丙乳液、木质素钠或硬质酸钠。4.根据权利要求1所述的方法，其中，采用如下方法确定旋环流反应装置系统的生产控制条件：(1)对于液
‑
液混合反应过程，进料量不超过容积的三分之二，罐内液体每小时循环流量按反应器中物料量体积的0.5
‑
150倍选择，或者根据液相射流距离与反应器直径比值的0.4
‑
0.6确定液相循环流量；(2)对于气
‑
液混合过程，考察气体分布距离与气液传质系数，根据压力和流量形成的射流距离，确定通入气体体积流量为循环液体体积流量1
‑
5倍，依据旋环流混合装置液体体积传质系数的数学模型公式，通过液体输入功率P
L
，单位气体输入功率P
G
和射流穿透距离与
反应器直径的比值测算；5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法具体为：(1)生产原位改性方解石型纳米碳酸钙/白炭黑复合纳米材料的方法：反应温度20
‑
60℃，氢氧化钙浓度为0.5
‑
1.5mol/L，加入苯丙乳液、木质素钠或硬质酸钠中的一种或多种作为改性剂，通入二氧化碳或烟道气的体积流量为循环液体流量1
‑
5倍，液体循环体积流量为反应器物料体积量的50
‑
100倍/小时，反应终点pH值为6
‑
8；优选地，反应温度为30
‑
60℃，更优选40
‑
60℃；优选地，通入二氧化碳或烟道气的体积流量为循环液体流量1
‑
4倍，更优选2
‑
4倍；优选地，液体循环体积流量为反应器物料体积量的60
‑
100倍/小时，更优选80
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：尹应武，王策，陈学云，尹政清，程东海，杨少梅，胡利贤，张海双，
申请(专利权)人：北京紫光英力化工技术有限公司，
类型：发明
国别省市：