一種納米二氧化鈦?zhàn)詣?dòng)化生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)方法
【專利摘要】一種納米二氧化鈦?zhàn)詣?dòng)化生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)方法，裝置包括由帶攪拌功能的原料罐、帶攪拌功能和控溫功能及PH測(cè)試功能的混合罐、帶控溫功能的勻化罐、帶攪拌功能的反應(yīng)罐等主要設(shè)備組成反應(yīng)系統(tǒng)；由帶計(jì)時(shí)和控溫及控壓功能的干燥釜、干燥介質(zhì)罐、冷卻器、可對(duì)氣體進(jìn)行凈化的凈化器等主要設(shè)備組成干燥系統(tǒng)；由球磨機(jī)、可梯度升溫和通入氣體的窯爐、粉體罐、自動(dòng)包裝機(jī)等主要設(shè)備組成熱處理系統(tǒng)；反應(yīng)系統(tǒng)與干燥系統(tǒng)通過(guò)壓力輸送設(shè)備相連，干燥系統(tǒng)與熱處理系統(tǒng)通過(guò)氣流輸送設(shè)備相連，成為一個(gè)密封系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行由自動(dòng)化控制系統(tǒng)完成，能夠確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，以減少勞動(dòng)力使用，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短生產(chǎn)周期。
【專利說(shuō)明】一種納米二氧化鈦?zhàn)詣?dòng)化生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料制作【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種納米二氧化鈦?zhàn)詣?dòng)化生產(chǎn)裝置和使用該裝置生產(chǎn)納米二氧化鈦的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]納米二氧化鈦具有十分寶貴的光學(xué)性質(zhì)，在汽車工業(yè)及諸多領(lǐng)域都顯示出美好的發(fā)展前景。納米二氧化鈦還具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、無(wú)毒性、超親水性、非遷移性，且完全可以與食品接觸，所以被廣泛應(yīng)用于抗紫外材料、紡織、光催化觸媒、自潔玻璃、防曬霜、涂料、油墨、食品包裝材料、造紙工業(yè)、航天工業(yè)中、鋰電池中。由于二氧化鈦高效、穩(wěn)定、無(wú)毒、低成本，因此被稱為是最優(yōu)秀的綠色環(huán)保型光催化劑，并成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，它還與其他納米材料一起被譽(yù)為“21世紀(jì)最有前途的材料”。
[0003]基于納米T12具有的優(yōu)異性能，其用途相當(dāng)廣泛，因而其制備受到國(guó)內(nèi)外的極大關(guān)注。目前制備納米T12粉體的方法主要有兩大類:物理法和化學(xué)法。
[0004]物理法:制備納米T12粉體的物理法主要有濺射，熱蒸發(fā)法及激光蒸發(fā)法。物理法制備納米粒子是最早的方法，它的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，易于操作和易于對(duì)粒子進(jìn)行分析，能制備高純粒子，還可制備薄膜和涂層。它的產(chǎn)量較大，但成本較高。
[0005]化學(xué)法:制備納米T12粉體的化學(xué)方法主要有液相法和氣相法。液相法包括沉淀法、溶膠-凝膠法和W/0微乳液法；氣相法主要有TiCl4(四氯化鈦)氣相氧化法。液相法反應(yīng)周期長(zhǎng)，三廢量較大，雖然能首先得到非晶態(tài)粒子，高溫下發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，但煅燒過(guò)程極易導(dǎo)致粒子燒結(jié)或團(tuán)聚；氣相氧化法具有成本低、原料來(lái)源廣等特點(diǎn)，能快速形成銳鈦型、金紅石型或混合晶型T12粒子，后處理簡(jiǎn)單，連續(xù)化程度高。但此法對(duì)技術(shù)和設(shè)備要求較聞。
[0006]如均勻沉淀法制備納米T12:納米顆粒從液相中析出并形成包括兩個(gè)過(guò)程，一是核的形成過(guò)程，稱為成核過(guò)程；另一是核的長(zhǎng)大過(guò)程，稱為生長(zhǎng)過(guò)程。當(dāng)成核速率小于生長(zhǎng)速率時(shí)，有利于生成大而少的粗粒子；當(dāng)成核速率大于生長(zhǎng)速率時(shí)，有利于納米顆粒的形成。因而，為了獲得納米粒子必須保證成核速率大于生長(zhǎng)速率，即保證反應(yīng)在較高的過(guò)飽和度下進(jìn)行。均勻沉淀法制備納米T12是利用CO(NH2)2在溶液中緩慢地、均勻地釋放出0H-。在這種方法中，不是加入溶液的沉淀劑直接與T1SO4發(fā)生反應(yīng)，而是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使沉淀在整個(gè)溶液中緩慢地生成。向溶液中直接添加沉淀劑，易造成沉淀劑的局部濃度過(guò)高，使沉淀中夾有雜質(zhì)。而在均勻沉淀法中，由于沉淀劑是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)緩慢生成的，因此，只要控制好生成沉淀劑的速度，就可避免濃度不均勻現(xiàn)象，使過(guò)飽和度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，從而控制粒子的生長(zhǎng)速度，獲得粒度均勻、致密、便于洗滌、純度高的納米粒子。該法生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0007]又如溶膠-凝膠法:溶膠-凝膠法是制備納米粉體的一種重要方法。它具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，其反應(yīng)中各組分的混合在分子間進(jìn)行，因而產(chǎn)物的粒徑小、均勻性高；反應(yīng)過(guò)程易于控制，可得到一些用其他方法難以得到的產(chǎn)物，另外反應(yīng)在低溫下進(jìn)行，避免了高溫雜相的出現(xiàn)，使產(chǎn)物的純度高。但缺點(diǎn)是由于溶膠-凝膠法是采用金屬醇鹽作原料，其成本較高，其該工藝流程較長(zhǎng)，而且粉體的后處理過(guò)程中易產(chǎn)生硬團(tuán)聚。采用溶膠-凝膠法制備納米T12粉體，是利用鈦醇鹽為原料。原先通過(guò)水解和縮聚反應(yīng)使其形成透明溶膠，然后加入適量的去離子水后轉(zhuǎn)變成凝膠結(jié)構(gòu)，將凝膠陳放一段時(shí)間后放入烘箱中干燥。待完全變成干凝膠后再進(jìn)行研磨、煅燒即可得到均勻的納米T12粉體。有關(guān)化學(xué)反應(yīng)如下:在溶膠-凝膠法中，最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)在溶液中已初步形成，且后續(xù)工藝與溶膠的性質(zhì)直接相關(guān)，因而溶膠的質(zhì)量是十分重要的。醇鹽的水解和縮聚反應(yīng)是均相溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z的根本原因，控制醇鹽水解縮聚的條件是制備高質(zhì)量溶膠的關(guān)鍵。因此溶劑的選擇是溶膠制備的前提。同時(shí)，溶液的PH值對(duì)膠體的形成和團(tuán)聚狀態(tài)有影響，加水量的多少會(huì)影響醇鹽水解縮聚物的結(jié)構(gòu)，陳化時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)改變晶粒的生長(zhǎng)狀態(tài)，煅燒溫度的變化對(duì)粉體的相結(jié)構(gòu)和晶粒大小的影響?？傊?，在溶膠-凝膠法制備T12粉體的過(guò)程中，有許多因素影響粉體的形成和性能。因此應(yīng)嚴(yán)格控制好工藝條件，以獲得性能優(yōu)良的納米T12粉體。
[0008]再如TiCl4氣相氧化法:氣相法制備納米T12比較典型的是TiCl4 (四氯化鈦)氣相氧化法。該法以氮?dú)庾鱐iCl4的載氣，以氧氣作氧化劑，在高溫管式氣溶膠反應(yīng)器中進(jìn)行氧化反應(yīng)，經(jīng)氣固分離，獲得納米T12粉體。在此過(guò)程中，停留時(shí)間和反應(yīng)溫度對(duì)T12的粒徑和晶型有影響。其反應(yīng)原理:氣相反應(yīng)器中，反應(yīng)物的消耗對(duì)粒子成核速率的影響比對(duì)生長(zhǎng)速率的影響大，因?yàn)槌珊怂俾蕦?duì)體系中產(chǎn)物單體過(guò)飽和度更加敏感。隨著反應(yīng)進(jìn)行,過(guò)飽和度迅速降低。反應(yīng)初期以成核為主，而在反應(yīng)后期成核終止，以表面生長(zhǎng)為主。通常在高溫下反應(yīng)速率極快，延長(zhǎng)停留時(shí)間，只是延長(zhǎng)了粒子生長(zhǎng)時(shí)間，因此產(chǎn)物粒徑增大，比表面積減小。同時(shí)，停留時(shí)間延長(zhǎng)，銳鈦分子簇有足夠時(shí)間轉(zhuǎn)變成金紅石分子簇，使金紅石含量增大。另外，氣相反應(yīng)器中，超微粒子形成過(guò)程包括氣相化學(xué)反應(yīng)、表面反應(yīng)、均相成核、非均相成核、凝并和聚集或燒結(jié)等步驟。在高溫下氣相反應(yīng)速率非?？欤灾聹囟茸兓瘜?duì)成核速率的影響已不顯著，而溫度升高，粒子表面單分子外延和表面反應(yīng)速率加快；同時(shí)氣體分子平均自由度增大， 粒子之間碰撞加劇，顆粒凝并速率增大，粒子間易發(fā)生凝并長(zhǎng)大。另外由于反應(yīng)器中初生粒子相當(dāng)細(xì)小，顆粒邊界表面能很大，小粒子極易逐漸擴(kuò)散，融合形成大粒子，從而降低表面能，反應(yīng)溫度越高，晶界擴(kuò)散速率越快，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力越大。
[0009]綜上可知，目前納米二氧化鈦粉體的制備技術(shù)已經(jīng)有較多研究，但是大都在實(shí)驗(yàn)室水平或小批量工業(yè)生產(chǎn)階段，存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)、人工勞動(dòng)力需求量大、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等諸多不足。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明基于上述溶膠-凝膠法的制備原理，對(duì)現(xiàn)有溶膠-凝膠法生產(chǎn)設(shè)備以及工藝進(jìn)行改進(jìn)，目的在于提供一種納米二氧化鈦的自動(dòng)化設(shè)備及工藝，通過(guò)自動(dòng)控制工藝條件，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，以減少勞動(dòng)力的使用，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短生產(chǎn)周期，避免粉體的后處理過(guò)程中產(chǎn)生硬團(tuán)聚現(xiàn)象。
[0011]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是:一種納米二氧化鈦?zhàn)詣?dòng)化生產(chǎn)裝置，包括反應(yīng)單元、干燥單元、熱處理單元以及控制單元；
[0012]所述反應(yīng)單元包括原料罐A、原料罐B、原料罐C、原料罐D(zhuǎn)、具有攪拌功能和控溫功能以及PH測(cè)試功能的混合罐E、具有控溫功能的勻化罐F、具有攪拌功能和控溫功能的反應(yīng)罐G以及助劑罐H ;所述的各原料罐均具有攪拌功能；所述的原料罐A與所述的勻化罐F串聯(lián)且二者之間管路上設(shè)置計(jì)量泵一；所述的原料罐B、原料罐C及原料罐D(zhuǎn)的出口并聯(lián)所述的混合罐E，且所述原料罐B與所述混合罐E之間管路上設(shè)置計(jì)量泵二，所述原料罐C與混合罐E之間管路上設(shè)置計(jì)量泵三，所述原料罐D(zhuǎn)與混合罐E之間管路上設(shè)置開(kāi)關(guān)閥；所述混合罐E與所述勻化罐F的出口并聯(lián)所述反應(yīng)罐G，且所述混合罐E與所述反應(yīng)罐G之間的管路上設(shè)置計(jì)量泵四，所述勻化罐F與所述反應(yīng)罐G之間的管路上設(shè)置流量泵；所述助劑罐H連接所述反應(yīng)罐G，且二者之間管路上設(shè)置計(jì)量泵五；
[0013]所述干燥單元包括具有計(jì)時(shí)和控溫以及控壓功能的干燥釜1、干燥介質(zhì)罐L、冷卻器J，以及凈化器K ;所述的反應(yīng)罐G通過(guò)壓力輸送設(shè)備連接所述干燥釜I ;所述干燥介質(zhì)罐L、所述冷卻器J并聯(lián)連接所述干燥釜I，且所述干燥介質(zhì)罐L與所述干燥釜I之間管路上設(shè)置計(jì)量泵六；所述冷卻器J上的氣體排出口通過(guò)氣流管連接所述凈化器K，所述凈化器K的排出口連接所述干燥介質(zhì)罐L的輸入口 ；
[0014]所述熱處理單元包括球磨機(jī)M、窯爐N、粉體罐O以及自動(dòng)包裝機(jī)P ;所述干燥釜I的物料出口通過(guò)氣流輸送設(shè)備連接所述球磨機(jī)M的輸入口 ；由所述球磨機(jī)M的輸出口依次串聯(lián)所述窯爐N、所述粉體罐O以及所述自動(dòng)包裝機(jī)P ;
[0015]所述的控制單元分別連接所述的原料罐A、原料罐B、原料罐C、原料罐D(zhuǎn)、混合罐E、勻化罐F、反應(yīng)罐G、干燥釜1、冷卻器J、凈化器K、干燥介質(zhì)罐L、球磨機(jī)M、窯爐N、粉體罐O、自動(dòng)包裝機(jī)P、六個(gè)計(jì)量泵、流量泵以及開(kāi)關(guān)閥。
[0016]利用所述的納米二氧化鈦?zhàn)詣?dòng)化生產(chǎn)裝置生產(chǎn)納米二氧化鈦的方法:
[0017](I)將鈦源與穩(wěn)定劑按體積比1:1~1: 5的比例分別注入原料罐A中，注入過(guò)程中使所述原料罐A對(duì)加入的液體進(jìn)行攪拌,攪拌速度控制在50r/min至80r/min,鈦源與穩(wěn)定劑均完全注入原料罐A中后繼續(xù)攪拌8min至12min使二者充分混合,得混合液I ;
[0018](2)將去離子水、醇或酯、酸分別注入原料罐B、原料罐C、原料罐D(zhuǎn)中，并對(duì)離子水、醇或酯、酸不斷進(jìn)行攪拌；
[0019](3)通過(guò)計(jì)量泵一泵取一定量的混合液I送入勻化罐F，并使混合液I在勻化罐F內(nèi)15°C~50°C的恒溫條件下保持1min~30min ;同時(shí),通過(guò)計(jì)量泵二和計(jì)量泵三分別按體積比1:2~1:6量取一定量的去離子水、醇或酯，送入混合罐E中，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，將原料罐D(zhuǎn)中的酸液加入混合罐E中，并使混合罐E持續(xù)對(duì)其內(nèi)的液體進(jìn)行攪拌,并控制混合罐E的溫度使與勻化罐F內(nèi)的溫度相同；
[0020](4)若送入混合罐E內(nèi)的溶液PH值大于工藝要求設(shè)定的PH值，則再次啟動(dòng)開(kāi)關(guān)閥注入酸液，直至混合罐E內(nèi)的溶液PH值達(dá)到工藝要求設(shè)定的PH值，得混合液II ；
[0021](5)通過(guò)計(jì)量泵四將混合液II注入反應(yīng)罐G中，通過(guò)計(jì)量泵五將配方要求的助劑從助劑罐H注入反應(yīng)罐G中，使反應(yīng)罐G保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)，同時(shí)通過(guò)流量泵將混合液I緩慢加入到反應(yīng)罐G中，混合液I加入完畢15min后反應(yīng)罐G停止攪拌，并使反應(yīng)罐G內(nèi)控制溫度在50±1°C下，保溫10min~200min,得膠體；
[0022](6)通過(guò)壓力輸送設(shè)備將所得膠體移至干燥釜I中；
[0023](7)通過(guò)計(jì)量泵六從干燥介質(zhì)罐L中向干燥釜I中加入一定量的干燥介質(zhì)，然后對(duì)干燥釜I進(jìn)行密封，升溫、升壓至加入的干燥介質(zhì)的超臨界狀態(tài)點(diǎn)，并保持30min~lOOmin，然后使干燥釜I緩慢減壓，此時(shí)送入的膠體變?yōu)榱烁稍锕腆w；
[0024](8)通過(guò)冷卻器J對(duì)析出液體進(jìn)行冷卻，然后對(duì)分離的液體收集進(jìn)行集中處理，析出的氣體送入到凈化器K中進(jìn)行凈化并回收存儲(chǔ)，待下一生產(chǎn)流程時(shí)使用；
[0025](9)將干燥釜I中得到的干燥固體通過(guò)氣流輸送設(shè)備送至球磨機(jī)M進(jìn)行球磨處理；
[0026](10)球磨機(jī)M將得到的均勻無(wú)團(tuán)聚的粉體通過(guò)管道輸送至窯爐N中；
[0027](11)粉體被送入窯爐N中后，在有氧氣氛中被升溫至300°C~800°C且保溫50min~200min,而得到具有特定晶型的納米二氧化鈦；
[0028](12)待得到的納米二氧化鈦冷卻后，將其移至粉體罐O收集；最終待檢測(cè)合格后通過(guò)自動(dòng)包裝機(jī)P進(jìn)行包裝。
[0029]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種連續(xù)的、自動(dòng)化的、所得產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性更好的、更節(jié)省勞動(dòng)力的納米二氧化鈦生產(chǎn)裝置和基于該裝置的方法工藝。該納米二氧化鈦?zhàn)詣?dòng)化生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)是對(duì)反應(yīng)單元、干燥單元、熱處理單元進(jìn)行了合理、有效的集成，并通過(guò)控制單元使反應(yīng)單元、干燥單元、熱處理單元相互之間以及它們本身構(gòu)成的各部件單元之間相互協(xié)調(diào)、穩(wěn)定運(yùn)行，不但避免了外界環(huán)境對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的干擾和人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的干擾，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性，而且節(jié)省了勞動(dòng)力資源，并且在很大程度上保護(hù)了勞動(dòng)人員免受有機(jī)試劑等物質(zhì)的侵害。
[0030]本發(fā)明在反應(yīng)單元與熱處理單元之間加入干燥單元，并利用超臨界流體干燥的原理，可使二氧化鈦凝膠以較快的速度干燥脫膠，較之傳統(tǒng)的加熱烘干等方式可以大大節(jié)省時(shí)間、降低能耗并控制二氧化鈦顆粒尺寸的增長(zhǎng)，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量有顯著效果。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1為本發(fā)明所涉及的生產(chǎn)裝置的連接關(guān)系示意；
[0032]圖中:1反應(yīng)單兀 11原料iip A 12原料iip B 13原料iip C 14原料iip D15混合罐E 16勻化罐F 17反應(yīng)罐G 18助劑罐H 111計(jì)量泵一 112計(jì)量泵二113計(jì)量泵三 114計(jì)量泵四 115計(jì)量泵五 116流量泵 117開(kāi)關(guān)閥 2干燥單元 21干燥釜I 22冷卻器J 23凈化器K 24干燥介質(zhì)罐L211計(jì)量泵六 3熱處理單元 31球磨機(jī)M 32窯爐N 33粉體罐O 34自動(dòng)包裝機(jī)P 4控制單元 5壓力輸送設(shè)備 6氣流輸送設(shè)備。

【具體實(shí)施方式】
[0033]為便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對(duì)其中所涉及的技術(shù)內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0034]在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接，可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。
[0035]如圖1所示，一種納米二氧化鈦?zhàn)詣?dòng)化生產(chǎn)裝置，包括反應(yīng)單元1、干燥單元2、熱處理單元3以及控制單元4。
[0036]所述反應(yīng)單元I包括盛裝鈦源與穩(wěn)定劑的原料罐All、盛裝去離子水的原料罐B12、盛裝醇或者脂的原料罐C13、盛裝酸的原料罐D(zhuǎn)14、具有攪拌功能和控溫功能以及PH測(cè)試功能的混合罐E15、具有控溫功能的勻化罐F16、具有攪拌功能和控溫功能的反應(yīng)罐G17以及助劑罐H18 ;所述的各原料罐11、12、13、14均具有攪拌功能；所述的原料罐All與所述的勻化罐F16串聯(lián)且二者之間管路上設(shè)置計(jì)量泵一 111 ;所述的原料罐B12、原料罐C13及原料罐D(zhuǎn)14的出口并聯(lián)所述的混合罐E15，且所述原料罐B12與所述混合罐E15之間管路上設(shè)置計(jì)量泵二 112，所述原料罐C13與混合罐E15之間管路上設(shè)置計(jì)量泵三113，所述原料罐D(zhuǎn)14與混合罐E15之間管路上設(shè)置開(kāi)關(guān)閥117 ;所述混合罐E15與所述勻化罐F16的出口并聯(lián)所述反應(yīng)罐G17，且所述混合罐E15與所述反應(yīng)罐G17之間的管路上設(shè)置計(jì)量泵四114，所述勻化罐F16與所述反應(yīng)罐G17之間的管路上設(shè)置流量泵116 ;所述助劑罐H18連接所述反應(yīng)罐G17，且二者之間管路上設(shè)置計(jì)量泵五115。
[0037]所述鈦源可以為鈦酸四丁酯和/或鈦酸異丙酯和/或硫酸氧鈦等。所述穩(wěn)定劑可以選用甲醇、乙醇、丙醇等。穩(wěn)定劑能夠有效地減緩鈦源在存儲(chǔ)過(guò)程中發(fā)生水解，穩(wěn)定劑與鈦源按一定比例混合，以乙醇為例，鈦源與乙醇的體積比范圍為1:1~1:5，按比例混合后再注入原料罐All中。所述的醇可以選擇甲醇、乙醇、丙醇等，酯為乙酸乙酯或乙酸丁酯等，酸為醋酸、鹽酸、硫酸等。助劑罐H18中的助劑為聚乙二醇或油酸或乙二胺等，相對(duì)反應(yīng)罐G17中注入的液體重量，按質(zhì)量比0.1%~I %加入助劑。
[0038]所述干燥單元2包括具有計(jì)時(shí)和控溫以及控壓功能的干燥釜121、干燥介質(zhì)罐L24、冷卻器J22，以及凈化器K23 ;所述的反應(yīng)罐G17通過(guò)壓力輸送設(shè)備5連接所述干燥釜121 ;所述干燥介質(zhì)罐L24、所述冷卻器J22并聯(lián)連接所述干燥釜121，且所述干燥介質(zhì)罐L24與所述干燥釜121之間管路上設(shè)置計(jì)量泵六211 ;所述冷卻器J22上的氣體排出口通過(guò)氣流管連接所述凈化器K23，所述凈化器K23的排出口連接所述干燥介質(zhì)罐L24的輸入口。
[0039]所述熱處理單元3包括球磨機(jī)M31、窯爐N32、粉體罐033以及自動(dòng)包裝機(jī)P4 ;所述干燥釜121的物料出口通過(guò)氣流輸送設(shè)備6連接所述球磨機(jī)M31的輸入口 ；由所述球磨機(jī)M31的輸出口與所述窯爐N32、所述粉體罐033以及所述自動(dòng)包裝機(jī)P34依次串聯(lián)。
[0040]所述的控制單元4分別連接所述的原料罐All、原料罐B12、原料罐C13、原料罐D(zhuǎn)14、混合罐E15、勻化罐F16、反應(yīng)罐G17、干燥釜121、冷卻器J22、凈化器K23、干燥介質(zhì)罐L24、球磨機(jī)M31、窯爐N32、粉體罐033、自動(dòng)包裝機(jī)P34、六個(gè)計(jì)量泵(111、112、113、114、115,211)、流量泵116以及開(kāi)關(guān)閥117。
[0041]所述的控制單元4能夠?qū)崿F(xiàn)控制各個(gè)原料罐11、12、13、14的攪拌時(shí)間及攪拌速度，實(shí)現(xiàn)控制混合罐E15的攪拌時(shí)間、攪拌速度及罐內(nèi)溫度，以及通過(guò)控制與原料罐B12、原料罐Cl3、原料罐D(zhuǎn)14對(duì)應(yīng)的計(jì)量泵111、112、113或開(kāi)關(guān)閥117，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合罐E15中液體PH值的調(diào)整，所述的控制單元4能夠?qū)崿F(xiàn)控制勻化罐F16的溫度，實(shí)現(xiàn)控制反應(yīng)罐G17的攪拌時(shí)間及速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量泵116、計(jì)量泵四114以及計(jì)量泵五115泵入反應(yīng)罐G17中液體量的控制，能夠控制壓力輸送設(shè)備5的動(dòng)作，能夠控制干燥釜121的反應(yīng)時(shí)間、內(nèi)部溫度及壓強(qiáng)，能夠控制計(jì)量泵六211泵入干燥釜121中的干燥介質(zhì)的量，能夠控制凈化器K23、球磨機(jī)M31、窯爐N32、粉體罐033、自動(dòng)包裝機(jī)P34的開(kāi)啟及動(dòng)作。對(duì)溫度參數(shù)、壓強(qiáng)參數(shù)、時(shí)間參數(shù)、流量參數(shù)等的控制，所述控制單元4是通過(guò)其中的編程控制器預(yù)設(shè)額定參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0042] 需要說(shuō)明的是，所述的四個(gè)原料罐(11、12、13、14)、混合罐E15、勻化罐F16、反應(yīng)罐G17、助劑罐H18以及干燥釜121、冷卻器J22、凈化器K23、干燥介質(zhì)罐L24、球磨機(jī)M31、窯爐N32、粉體罐033和自動(dòng)包裝機(jī)P34等為現(xiàn)有設(shè)備或者是在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上根據(jù)本發(fā)明的使用要求進(jìn)行的相應(yīng)調(diào)整。此外所述的壓力輸送設(shè)備5以及所述的氣流輸送設(shè)備6也均為現(xiàn)有設(shè)備。所以對(duì)于各種罐體的具體結(jié)構(gòu)形式不再贅述，即有攪拌功能的罐必然包括驅(qū)動(dòng)部分和攪拌葉片，具有控溫、控壓功能的罐必然包括溫感元件或壓感元件。且每一個(gè)溫感元件、壓感元件分別連接控制單元中的編程控制器上，具有PH測(cè)試功能的罐必然包括PH值測(cè)量傳感器，且其也與控制單元的編程控制器連接。本發(fā)明的貢獻(xiàn)之處在于對(duì)各個(gè)罐體自身應(yīng)具有功能的選擇限定、各個(gè)罐體相互之間的連接關(guān)系、各個(gè)罐體、泵以及干燥釜121、冷卻器J22、凈化器K23、干燥介質(zhì)罐L24、球磨機(jī)M31、窯爐N32、粉體罐033和自動(dòng)包裝機(jī)P34等與所述控制單元4的連接關(guān)系以及通過(guò)控制單元4使它們各自具有功能發(fā)揮的相互聯(lián)系及協(xié)調(diào)關(guān)系。
[0043]利用所述的納米二氧化鈦?zhàn)詣?dòng)化生產(chǎn)裝置生產(chǎn)納米二氧化鈦的方法:
[0044](I)將鈦源與穩(wěn)定劑按體積比1:1~1:5的比例分別注入原料罐Al I中，注入過(guò)程中使所述原料罐All對(duì)加入的液體進(jìn)行攪拌,攪拌速度控制在50r/min至80r/min,鈦源與穩(wěn)定劑均完全注入原料罐All中后繼續(xù)攪拌8min至12min使二者充分混合,得混合液I ;
[0045](2)將去離子水、醇或酯、酸分別注入原料罐B12、原料罐C13、原料罐D(zhuǎn)14中，并對(duì)離子水、醇或酯、酸不斷進(jìn)行攪拌；
[0046](3)通過(guò)計(jì)量泵一 111泵取一定量的混合液I送入勻化罐F16，并使混合液I在勻化罐F16內(nèi)15°C~50°C的恒溫條件下保持1min~30min ;同時(shí),通過(guò)計(jì)量泵二 112和計(jì)量泵三113分別按體積比1:2~1:6量取一定量的去離子水、醇或酯，送入混合罐E15中，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)閥117，將原料罐D(zhuǎn)14中的酸液加入混合罐E15中，并使混合罐E15持續(xù)對(duì)其內(nèi)的液體進(jìn)行攪拌，并控制混合罐E15的溫度使與勻化罐F16內(nèi)的溫度相同；
[0047](4)若送入混合罐E15內(nèi)的溶液PH值大于工藝要求設(shè)定的PH值(要求的PH值的取值范圍是I~5)，則再次啟動(dòng)開(kāi)關(guān)閥117注入酸液，直至混合罐E15內(nèi)的溶液PH值達(dá)到工藝要求設(shè)定的PH值，得混合液II ；
[0048](5)通過(guò)計(jì)量泵四114將混合液II注入反應(yīng)罐G17中，通過(guò)計(jì)量泵五115將配方要求的助劑從助劑罐H18注入反應(yīng)罐G17中，使反應(yīng)罐G17保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)，同時(shí)通過(guò)流量泵116將混合液I緩慢加入到反應(yīng)罐G17中，混合液I加入完畢15min后反應(yīng)罐G17停止攪拌，并使反應(yīng)罐G17內(nèi)控制溫度在50±1°C下，保溫10min~200min，得膠體；
[0049](6)通過(guò)壓力輸送設(shè)備5將所得膠體移至干燥釜121中；
[0050](7)通過(guò)計(jì)量泵六211從干燥介質(zhì)罐L24中向干燥釜121中加入一定量的干燥介質(zhì)，然后對(duì)干燥釜121進(jìn)行密封，升溫、升壓至加入的干燥介質(zhì)的超臨界狀態(tài)點(diǎn)，并保持30min~lOOmin，然后使干燥釜121緩慢減壓，此時(shí)送入的膠體變?yōu)榱烁稍锕腆w；
[0051](8)通過(guò)冷卻器J22對(duì)析出液體進(jìn)行冷卻，然后對(duì)分離的液體收集進(jìn)行集中處理；析出的氣體送入到凈化器K23中進(jìn)行凈化并回收存儲(chǔ)，待下一生產(chǎn)流程時(shí)使用；
[0052](9)將干燥釜121中得到的干燥固體通過(guò)氣流輸送設(shè)備6送至球磨機(jī)M31進(jìn)行球磨處理；
[0053](10)球磨機(jī)M31將得到的均勻無(wú)團(tuán)聚的粉體通過(guò)管道輸送至窯爐N32中；
[0054](11)粉體被送入窯爐N32中后，在有氧氣氛中被升溫至300°C~800°C且保溫50min~200min,而得到具有特定晶型的納米二氧化鈦；
[0055](12)待得到的納米二氧化鈦冷卻后，將其移至粉體罐033收集；最終待檢測(cè)合格后通過(guò)自動(dòng)包裝機(jī)P34進(jìn)行包裝。
[0056]本發(fā)明提供了一種連續(xù)的、自動(dòng)化的、所得產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性更好的、更節(jié)省勞動(dòng)力的納米二氧化鈦生產(chǎn)裝置和基于該裝置的方法工藝。該納米二氧化鈦?zhàn)詣?dòng)化生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)是對(duì)反應(yīng)單元、干燥單元、熱處理單元進(jìn)行了合理、有效的集成，并通過(guò)控制單元使反應(yīng)單元、干燥單元、熱處理單元相互之間以及它們本身構(gòu)成的各部件單元之間相互協(xié)調(diào)、穩(wěn)定運(yùn)行，不但避免了外界環(huán)境對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的干擾和人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的干擾，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性，而且節(jié)省了勞動(dòng)力資源，并且在很大程度上保護(hù)了勞動(dòng)人員免受有機(jī)試劑等物質(zhì)的侵害。
[0057]本發(fā)明在反應(yīng)單元與熱處理單元之間加入干燥單元，并利用超臨界流體干燥的原理，可使二氧化鈦凝膠以較快的速度干燥脫膠，較之傳統(tǒng)的加熱烘干等方式可以大大節(jié)省時(shí)間、降低能耗并控制二氧化鈦顆粒尺寸的增長(zhǎng)，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量有顯著效果。
[0058]【具體實(shí)施方式】1:
[0059]將鈦酸四丁酯(鈦源)10L和乙醇(穩(wěn)定劑)50L分別同時(shí)注入原料罐All中，并使原料罐All以60r/min的速度攪拌1min,得混合液I。
[0060]通過(guò)計(jì)量泵一 111將得到的混合液I送入勻化罐F16，并使混合液I在勻化罐F16內(nèi)45°C的恒溫條件下保持20min ;同時(shí)將原料罐B12中的去離子水8L、原料罐C13中的乙醇30L、原料罐D(zhuǎn)14中的醋酸5L分別注入混合罐E15中，當(dāng)PH值沒(méi)有達(dá)到要求時(shí)，再繼續(xù)注入原料罐D(zhuǎn)14中的醋酸直至調(diào)節(jié)PH值至3.8，得混合液II。
[0061]將混合液I和II分別升溫至50°C。然后將混合液II注入反應(yīng)罐G17中，啟動(dòng)反應(yīng)罐G17對(duì)注入的混合液II攪拌，并控制溫度在50± I°C。通過(guò)計(jì)量泵五115將10g聚乙二醇從助劑罐H18注入反應(yīng)罐G17中，然后通過(guò)流量泵116將勻化罐F16中升溫至50°C的混合液I緩慢地加入到反應(yīng)罐G17中，混合液I加入完畢15min后停止反應(yīng)罐G17的攪拌，并保溫150min,得膠體。
[0062]用壓力輸送設(shè)備5將膠體送至干燥釜121中后，通過(guò)計(jì)量泵六211從干燥介質(zhì)罐L24中向干燥釜121中加入50L乙醇(干燥介質(zhì))后，將干燥釜121密封并升溫、升壓至2430C >6.3PMa，保溫、保壓50min，然后緩慢減壓，對(duì)析出的液體通過(guò)冷卻器J22進(jìn)行冷卻，對(duì)該析出液體收集后集中處理。
[0063]用氣流輸送設(shè)備6將干燥后干燥釜121內(nèi)存留的固體移至球磨機(jī)M31中球磨20min ;然后通過(guò)管道輸送至窯爐N32中，向窯爐N32中通入壓縮空氣，并將窯爐N32內(nèi)升溫至420°C，且保溫lOOmin，而得銳鈦型納米二氧化鈦，平均粒徑達(dá)到15nm。待得到的銳鈦型納米二氧化鈦冷卻后，將其移至粉體罐033收集；最終待檢測(cè)合格后通過(guò)自動(dòng)包裝機(jī)P34進(jìn)行包裝。
[0064]【具體實(shí)施方式】2:
[0065] 將鈦酸異丙酯(鈦源)10L和乙醇(穩(wěn)定劑)20L分別同時(shí)注入原料罐Al I中并使原料罐All以65r/min的速度攪拌1min,得混合液I。
[0066]通過(guò)計(jì)量泵一 111將得到的混合液I送入勻化罐F16，并使混合液I在勻化罐F16內(nèi)46°C的恒溫條件下保持25min ;同時(shí)將原料罐B12中的去離子水10L、原料罐C13中的乙醇40L、原料罐D(zhuǎn)14中的鹽酸2L分別注入混合罐E15中，當(dāng)PH值沒(méi)有達(dá)到要求時(shí)，再繼續(xù)注入原料罐D(zhuǎn)14中的鹽酸直至調(diào)節(jié)PH值至1.8，得混合液II。
[0067]將混合液I和II分別升溫至50°C。將混合液II注入反應(yīng)罐G17中，啟動(dòng)反應(yīng)罐G17對(duì)注入的混合液II攪拌，控制溫度在50± 1°C。通過(guò)計(jì)量泵五115將200g油酸從助劑罐H18注入反應(yīng)罐G17中，然后通過(guò)流量泵116將勻化罐F16中升溫至50°C的混合液I緩慢地加入到反應(yīng)罐G17中，混合液I加入完畢15min后停止反應(yīng)罐G17的攪拌，并保溫200min，得膠體。
[0068]用壓力輸送設(shè)備5將膠體移至干燥釜121中，通過(guò)計(jì)量泵六211從干燥介質(zhì)罐L24中向干燥釜121中通入二氧化碳(干燥介質(zhì))，壓力達(dá)到3MPa，將干燥釜121密封并升溫、升壓至31°C、7.3PMa，保持90min，然后緩慢減壓，對(duì)析出的液體通過(guò)冷卻器J22進(jìn)行冷卻，對(duì)該析出液體收集后集中處理，二氧化碳送往凈化器K23中凈化并回收存儲(chǔ)，待下一工序時(shí)送入干燥介質(zhì)罐L24中繼續(xù)使用。
[0069]用氣流輸送設(shè)備6將干燥后干燥釜121內(nèi)存留的的固體移至球磨機(jī)M31球磨20min ;然后通過(guò)管道輸送至窯爐N32，向窯爐N32中通入壓縮空氣，并將窯爐N32內(nèi)升溫至700°C，且保溫150min，而得金紅石型納米二氧化鈦，平均粒徑達(dá)到60nm。待得到的金紅石型納米二氧化鈦冷卻后，將其移至粉體罐033收集；最終待檢測(cè)合格后通過(guò)自動(dòng)包裝機(jī)P34進(jìn)行包裝。
[0070]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0071]除說(shuō)明書(shū)所述的技術(shù)特征外，均為本專業(yè)技術(shù)人員的已知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種納米二氧化鈦?zhàn)詣?dòng)化生產(chǎn)裝置，其特征是: 包括反應(yīng)單元、干燥單元、熱處理單元以及控制單元； 所述反應(yīng)單元包括原料罐A、原料罐B、原料罐C、原料罐D(zhuǎn)、具有攪拌功能和控溫功能以及PH測(cè)試功能的混合罐E、具有控溫功能的勻化罐F、具有攪拌功能和控溫功能的反應(yīng)罐G以及助劑罐H ;所述的各原料罐均具有攪拌功能；所述的原料罐A與所述的勻化罐F串聯(lián)且二者之間管路上設(shè)置計(jì)量泵一；所述的原料罐B、原料罐C及原料罐D(zhuǎn)的出口并聯(lián)所述的混合罐E，且所述原料罐B與所述混合罐E之間管路上設(shè)置計(jì)量泵二，所述原料罐C與混合罐E之間管路上設(shè)置計(jì)量泵三，所述原料罐D(zhuǎn)與混合罐E之間管路上設(shè)置開(kāi)關(guān)閥；所述混合罐E與所述勻化罐F的出口并聯(lián)所述反應(yīng)罐G，且所述混合罐E與所述反應(yīng)罐G之間的管路上設(shè)置計(jì)量泵四，所述勻化罐F與所述反應(yīng)罐G之間的管路上設(shè)置流量泵；所述助劑罐H連接所述反應(yīng)罐G，且二者之間管路上設(shè)置計(jì)量泵五； 所述干燥單元包括具有計(jì)時(shí)和控溫以及控壓功能的干燥釜1、干燥介質(zhì)罐L、冷卻器J，以及凈化器K ;所述的反應(yīng)罐G通過(guò)壓力輸送設(shè)備連接所述干燥釜I ;所述干燥介質(zhì)罐L、所述冷卻器J并聯(lián)連接所述干燥釜I，且所述干燥介質(zhì)罐L與所述干燥釜I之間管路上設(shè)置計(jì)量泵六；所述冷卻器J上的氣體排出口通過(guò)氣流管連接所述凈化器K，所述凈化器K的排出口連接所述干燥介質(zhì)罐L的輸入口 ； 所述熱處理單元包括球磨機(jī)M、窯爐N、粉體罐O以及自動(dòng)包裝機(jī)P ;所述干燥爸I的物料出口通過(guò)氣流輸送設(shè)備連接所述球磨機(jī)M的輸入口 ；由所述球磨機(jī)M的輸出口依次串聯(lián)所述窯爐N、所述粉體罐O以及所述自動(dòng)包裝機(jī)P ； 所述的控制單元分別連接所述的原料罐A、原料罐B、原料罐C、原料罐D(zhuǎn)、混合罐E、勻化罐F、反應(yīng)罐G、干燥釜1、冷卻器J、凈化器K、干燥介質(zhì)罐L、球磨機(jī)M、窯爐N、粉體罐O、自動(dòng)包裝機(jī)P、六個(gè)計(jì)量泵、流量泵以及開(kāi)關(guān)閥。
2.基于權(quán)利要求1所述的納米二氧化鈦?zhàn)詣?dòng)化生產(chǎn)裝置生產(chǎn)納米二氧化鈦的方法，包括以下連續(xù)步驟: (1)將鈦源與穩(wěn)定劑按體積比1:1~1:5的比例分別注入原料罐A中，注入過(guò)程中使所述原料罐A對(duì)加入的液體進(jìn)行攪拌,攪拌速度控制在50r/min至80r/min,鈦源與穩(wěn)定劑均完全注入原料罐A中后繼續(xù)攪拌Smin至12min使二者充分混合，得混合液I ; (2)將去離子水、醇或酯、酸分別注入原料罐B、原料罐C、原料罐D(zhuǎn)中，并對(duì)離子水、醇或酯、酸不斷進(jìn)行攪拌； (3)通過(guò)計(jì)量泵一泵取一定量的混合液I送入勻化罐F，并使混合液I在勻化罐F內(nèi)15°C~50°C的恒溫條件下保持1min~30min ;同時(shí),通過(guò)計(jì)量泵二和計(jì)量泵三分別按體積比1:2~1:6量取一定量的去離子水、醇或酯，送入混合罐E中，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，將原料罐D(zhuǎn)中的酸液加入混合罐E中，并使混合罐E持續(xù)對(duì)其內(nèi)的液體進(jìn)行攪拌,并控制混合罐E的溫度使與勻化罐F內(nèi)的溫度相同； (4)若送入混合罐E內(nèi)的溶液PH值大于工藝要求設(shè)定的PH值，則再次啟動(dòng)開(kāi)關(guān)閥注入酸液，直至混合罐E內(nèi)的溶液PH值達(dá)到工藝要求設(shè)定的PH值，得混合液II ； (5)通過(guò)計(jì)量泵四將混合液II注入反應(yīng)罐G中，通過(guò)計(jì)量泵五將配方要求的助劑從助劑罐H注入反應(yīng)罐G中，使反應(yīng)罐G保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)，同時(shí)通過(guò)流量泵將混合液I緩慢加入到反應(yīng)iil G中，混合液I加入完畢15min后反應(yīng)G停止攬祥，并使反應(yīng)iiS G內(nèi)控制溫度在50±1°C下，保溫10min~200min,得膠體； (6)通過(guò)壓力輸送設(shè)備將所得膠體移至干燥釜I中； (7)通過(guò)計(jì)量泵六從干燥介質(zhì)罐L中向干燥釜I中加入一定量的干燥介質(zhì)，然后對(duì)干燥釜I進(jìn)行密封，升溫、升壓至加入的干燥介質(zhì)的超臨界狀態(tài)點(diǎn)，并保持30min~lOOmin，然后使干燥釜I緩慢減壓，此時(shí)送入的膠體變?yōu)榱烁稍锕腆w； (8)通過(guò)冷卻器J對(duì)析出液體進(jìn)行冷卻，然后對(duì)分離的液體收集進(jìn)行集中處理，析出的氣體送入到凈化器K中進(jìn)行凈化并回收存儲(chǔ)，待下一生產(chǎn)流程時(shí)使用； (9)將干燥釜I中得到的干燥固體通過(guò)氣流輸送設(shè)備送至球磨機(jī)M進(jìn)行球磨處理； (10)球磨機(jī)M將得到的均勻無(wú)團(tuán)聚的粉體通過(guò)管道輸送至窯爐N中； (11)粉體被送入窯爐N中后，在有氧氣氛中被升溫至300°C~800°C且保溫50min~200min,而得到具有特定晶型的納米二氧化鈦； (12)待得到的納米二氧化鈦冷卻后，將其移至粉體罐O收集；最終待檢測(cè)合格后通過(guò)自動(dòng)包裝機(jī)P進(jìn)行 包裝。
【文檔編號(hào)】C01G23/053GK104071834SQ201410268636
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】郭壽鵬, 李曉桐, 王向陽(yáng), 叢紅梅, 賀軍, 呂海晶 申請(qǐng)人:山東省冶金科學(xué)研究院, 山東魯冶瑞寶電氣自動(dòng)化有限公司