專(zhuān)利名稱(chēng)：富勒烯的燃燒合成方法
相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)要求2001年8月31日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?0/316550的權(quán)益，其全文引入本文供參考。
背景技術(shù)：
Nature，352，139-141，1991和US 5 273 729中描述了富勒烯的燃燒合成，均引入本文供參考。給出在不同的壓力、進(jìn)料速度(因而溫度，它取決于進(jìn)料速度)、稀釋劑本性和分壓、碳/氧比、和與燃燒器的距離或停留時(shí)間條件下操作的由低于一大氣壓的預(yù)混層流苯-氧火焰合成富勒烯的收率數(shù)據(jù)。可根據(jù)燃燒器設(shè)計(jì)和可有許多變化的其它工藝特征預(yù)見(jiàn)同一基本方法的不同方案。一般地，所述方法涉及在低于大氣的壓力和為適合生產(chǎn)富勒烯所選的其它條件如碳/氧比、進(jìn)料速度、和惰性稀釋氣的濃度下操作煙灰火焰(sooting flame)。從火焰或流出氣體中收集含富勒烯的可冷凝物。繼涉及使用預(yù)混焰的燃燒合成富勒烯的原著之后，已發(fā)現(xiàn)使用非預(yù)混焰或擴(kuò)散焰也是有效的。
本領(lǐng)域已知的燃燒合成富勒烯的方法利用適用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究的燃燒器穩(wěn)定火焰。用于合成富勒烯的常規(guī)燃燒方法典型地用低壓層流預(yù)混焰燃燒器，其中在水冷爐板上穩(wěn)定火焰。通常在燃燒器上游使燃料和氧化劑預(yù)混，通過(guò)鉆孔或燒結(jié)金屬板中的開(kāi)孔供入。某些情況下，通過(guò)爐板中交替的燃料/氧化劑開(kāi)孔分開(kāi)地供入燃料和氧化劑，在板出口下游立即混合在一起，或者在進(jìn)入火焰之前混合從而得到預(yù)混焰或者部分在進(jìn)入火焰之前混合而部分在進(jìn)入火焰之后混合從而得到部分預(yù)混而部分非預(yù)混的或擴(kuò)散火焰。所有這些情況下，都在距爐板表面的短距離內(nèi)使火焰穩(wěn)定，而水冷燃燒器的熱消耗使火焰溫度下降以致火焰速度(定義為火焰向未燃燒燃料-氧化劑混合物傳播的速度)剛好與供給火焰的混合物輸入速度匹配。在燃燒器內(nèi)的熱消耗剛好是使溫度下降至火焰速度與輸入速度匹配所需量的特定短距離使火焰穩(wěn)定顯著地約束進(jìn)料速度和實(shí)現(xiàn)并保持穩(wěn)定火焰所需其它條件，從而嚴(yán)格限制可針對(duì)富勒烯合成中所要求的性能設(shè)定和優(yōu)化火焰的自由度。而且可供入燃燒器的燃料/氧化劑混合物的比例，因而所述系統(tǒng)的生產(chǎn)量，嚴(yán)格地受混合物的火焰速度限制。使火焰穩(wěn)定作用與產(chǎn)物形成脫離聯(lián)系從而使操作和優(yōu)化所述過(guò)程的靈活性更大同時(shí)還使生產(chǎn)量更大的不同設(shè)計(jì)是非常理想的。
還已用低壓非預(yù)混或擴(kuò)散火焰形成富勒烯。這些火焰中，燃料和氧化劑通過(guò)燃燒器內(nèi)的不同管道或通路分開(kāi)供入，在兩氣流之間保持穩(wěn)定的火焰帶內(nèi)混合在一起。這些火焰的層流和湍流型式都已用于形成富勒烯。雖然可在火焰帶內(nèi)找到富勒烯，但它們趨于在富勒烯通過(guò)火焰帶的氧氣側(cè)排出的火焰中被氧化破壞。在富勒烯通過(guò)火焰帶的氧氣側(cè)排出的火焰中，它們?cè)诟邼舛鹊臒熁液投喹h(huán)芳烴存在下形成并與之反應(yīng)。因此非預(yù)混或擴(kuò)散火焰類(lèi)型都未證明對(duì)于實(shí)際富勒烯生產(chǎn)有任何益處。
有許多改進(jìn)可使這些類(lèi)型的火焰可用于經(jīng)濟(jì)有效地生產(chǎn)工業(yè)量的富勒烯。值得注意的是常規(guī)形成富勒烯的火焰限制流速，對(duì)于給定燃料/氧化劑體系和溫度的最大流速由火焰速度決定，而溫度由火焰的熱消耗決定。反應(yīng)變量特別是溫度的控制有限，因?yàn)樵O(shè)定流速和熱消耗決定溫度及游離(radical)火焰中間體濃度和燃料在氧化區(qū)內(nèi)的時(shí)間。確定關(guān)鍵中間體濃度中氧化區(qū)是重要的。氧化反應(yīng)所需溫度和停留時(shí)間未必是形成富勒烯的最優(yōu)條件，希望對(duì)反應(yīng)條件有一定的控制度以利于富勒烯的形成，也不受火焰穩(wěn)定的需要所約束。現(xiàn)有方法還優(yōu)選實(shí)現(xiàn)較高生產(chǎn)量的反應(yīng)器，因?yàn)槲磥?lái)富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的需要量較大。
本文所用“富勒烯類(lèi)產(chǎn)品”意指包括以下三類(lèi)物質(zhì)、結(jié)構(gòu)或粒子之一或多種的物質(zhì)(1)富勒烯分子如C60、C70、C84等，包含在富勒烯籠之內(nèi)或之外的另外一或多個(gè)原子或一或多個(gè)官能團(tuán)的富勒烯分子；(2)有至少一個(gè)納米尺度的由五元和六元(某些情況下七元)碳環(huán)組成的富勒烯類(lèi)納米結(jié)構(gòu)或閉籠結(jié)構(gòu)，例如但不限于US5 985 232第3和4欄中定義的單或多層納米管和納米粒子；和(3)具有基本富勒烯類(lèi)特征的由彎曲碳片或?qū)訕?gòu)成的碳的球體或小球體組成的富勒烯類(lèi)煙灰。所述小球體有類(lèi)似常規(guī)炭黑和熱裂法炭黑的尺度，即在5～1000nm的范圍內(nèi)。富勒烯類(lèi)特征表示在六元和有時(shí)七元環(huán)中存在五元碳環(huán)形成彎曲的碳片。
富勒烯的工業(yè)生產(chǎn)的另一重要要求是對(duì)于給定的作為燃料供應(yīng)的碳量提高富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的收率。目前，所報(bào)告的最高收率為供給總碳量的～0.5％。對(duì)燃燒反應(yīng)的控制度較大而且更好地保持有利于或促使富勒烯收率較大的條件的燃燒反應(yīng)器將優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)。
從Longwell(Ind.Eng.Chem.，47，1634，1955)開(kāi)始，實(shí)驗(yàn)室燃燒操作中一直廣泛使用近似充分混合燃燒反應(yīng)器的噴射攪拌反應(yīng)器，但從未在充分混合燃燒反應(yīng)器中合成過(guò)富勒烯。Nenniger(Proceedings ofthe Combustion Institute 20473-479，1984)和Dagaut等(J.Phys.E.，Sci.Instrum.19，207-209，1986)是最近的設(shè)計(jì)。目前用于燃燒的噴射攪拌反應(yīng)器設(shè)計(jì)用于有湍流氣體從噴嘴流出的常壓條件和反應(yīng)器內(nèi)的湍流條件。湍流使擴(kuò)散速度顯著提高，從而強(qiáng)化微觀混合。湍流強(qiáng)化的微觀混合是在現(xiàn)有噴射攪拌反應(yīng)器內(nèi)創(chuàng)造充分混合條件所依靠的主要方法。實(shí)際上僅在低壓條件(10-100torr)中發(fā)現(xiàn)大量燃燒產(chǎn)生的富勒烯，以前的噴射攪拌反應(yīng)器設(shè)計(jì)由于在形成富勒烯的低壓下密度很低因而雷諾數(shù)較低導(dǎo)致混合和循環(huán)量不足，所以湍流不足以作為返混或循環(huán)的主要方法。需要能在低壓下達(dá)到充分循環(huán)或返混而不主要依靠湍流強(qiáng)化微觀混合的噴射攪拌反應(yīng)器。
Lam(Proceedings of the Combustion Institute 22323-332，1988)描述一種噴射攪拌反應(yīng)器/活塞流反應(yīng)器系統(tǒng)。該系統(tǒng)作為常壓研究主要用乙烯作燃料的多環(huán)芳烴和煙灰形成的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該系統(tǒng)內(nèi)的總停留時(shí)間是在噴射攪拌反應(yīng)器中約5ms，在活塞流反應(yīng)器中15ms。由于流速高而停留時(shí)間短，活塞流段的流動(dòng)是湍流，由于停留時(shí)間短，假定活塞流段是等溫的則不需外部加熱。此聯(lián)合的充分混合/活塞流反應(yīng)器系統(tǒng)尚未在低壓或大于20ms的停留時(shí)間下使用，因而迄今從未用充分混合/活塞流反應(yīng)器構(gòu)型合成富勒烯。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種克服傳統(tǒng)方法限制的燃燒方式和實(shí)現(xiàn)此燃燒方式的復(fù)合反應(yīng)器。本發(fā)明方法能大規(guī)模地生產(chǎn)富勒烯，可以比傳統(tǒng)方法更高的收率生產(chǎn)富勒烯。
本發(fā)明的一方面用稱(chēng)為主區(qū)的反應(yīng)室完成燃燒合成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的初始階段或整個(gè)過(guò)程。在主區(qū)內(nèi)，通過(guò)使較長(zhǎng)(later)停留時(shí)間的燃燒產(chǎn)物(“第一燃燒產(chǎn)物”)與燃料和/或氧化劑、和/或較短(earlier)停留時(shí)間的燃燒產(chǎn)物(“新生成的燃燒產(chǎn)物”)和/或未反應(yīng)殘余混合和反應(yīng)實(shí)現(xiàn)循環(huán)或返混。
所述主區(qū)可和次區(qū)一起操作。在次區(qū)內(nèi)，較長(zhǎng)停留時(shí)間的燃燒產(chǎn)物不與較短停留時(shí)間的燃燒產(chǎn)物混合或反應(yīng)。
本發(fā)明的目的之一是提供一種通過(guò)燃燒生產(chǎn)富勒烯的方法，包括在引入位置向主區(qū)引入含碳燃料和氧化劑使所述燃料與所述氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生第一燃燒產(chǎn)物，所述第一燃燒產(chǎn)物和未反應(yīng)殘余與進(jìn)入的含碳燃料和氧化劑和/或任何新生成的燃燒產(chǎn)物和/或未反應(yīng)殘余混合和反應(yīng)，從而生成燃燒混合物；將所述燃燒混合物引入次區(qū)進(jìn)行收集或進(jìn)一步處理。
本發(fā)明的另一目的是提供一種通過(guò)燃燒生產(chǎn)富勒烯的方法，包括在引入位置向主區(qū)引入含碳燃料和氧化劑使所述燃料與所述氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生第一燃燒產(chǎn)物，所述第一燃燒產(chǎn)物和未反應(yīng)殘余與進(jìn)入的含碳燃料和氧化劑和/或任何新生成的燃燒產(chǎn)物和/或未反應(yīng)殘余混合和反應(yīng)，從而生成燃燒混合物；將所述燃燒混合物引入次區(qū)；和使所述燃燒混合物的成分在所述次區(qū)內(nèi)在促進(jìn)和/或有利于富勒烯生產(chǎn)的條件下經(jīng)歷一定停留時(shí)間的反應(yīng)產(chǎn)生包括第二燃燒產(chǎn)物的物流，所述第二燃燒產(chǎn)物包含富勒烯和其它物質(zhì)，其中所述物流這樣流過(guò)所述次區(qū)以致在所述次區(qū)內(nèi)來(lái)自不同區(qū)域的對(duì)應(yīng)于不同停留時(shí)間的物質(zhì)之間的混合和反應(yīng)最少。在所述次區(qū)的某一位置可引入燃料和/或氧化劑和/或添加劑以促進(jìn)和/或有利于形成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一目的是提供一種通過(guò)燃燒生產(chǎn)富勒烯的方法，包括在引入位置向主區(qū)引入含碳燃料和氧化劑使所述燃料與所述氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生第一燃燒產(chǎn)物，從而生成燃燒混合物；將所述燃燒混合物引入次區(qū)；和使所述燃燒混合物的成分在所述次區(qū)內(nèi)在促進(jìn)和/或有利于富勒烯生產(chǎn)的條件下經(jīng)歷一定停留時(shí)間的反應(yīng)產(chǎn)生包括第二燃燒產(chǎn)物的物流，所述第二燃燒產(chǎn)物包含富勒烯和其它物質(zhì)，其中所述物流這樣流過(guò)所述次區(qū)以致在所述次區(qū)內(nèi)來(lái)自不同區(qū)域的對(duì)應(yīng)于不同停留時(shí)間的物質(zhì)之間的混合和反應(yīng)最少。在所述次區(qū)的某一位置可引入燃料和/或氧化劑和/或添加劑以促進(jìn)和/或有利于形成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品。
本發(fā)明另一目的是提供一種燃燒器，包括一個(gè)室，有用于向室內(nèi)引入第一進(jìn)料的第一引入口和用于向室內(nèi)引入第二進(jìn)料的第二引入口，所述第一引入口這樣設(shè)置以致引入所述第一進(jìn)料與所述第二進(jìn)料部分重疊從而使所述第二進(jìn)料的較長(zhǎng)停留時(shí)間物質(zhì)與所述第一進(jìn)料的較短停留時(shí)間物質(zhì)混合和反應(yīng)。
本發(fā)明另一目的是提供一種燃燒器，包括一個(gè)室，有用于向室內(nèi)引入第一進(jìn)料的第一引入口和用于向室內(nèi)引入第二進(jìn)料的第二引入口，所述第一引入口相對(duì)于所述第二引入口這樣設(shè)置以供應(yīng)所述第一進(jìn)料使較長(zhǎng)停留時(shí)間物質(zhì)被帶入所述第二進(jìn)料的較短停留時(shí)間物質(zhì)中、較短停留時(shí)間物質(zhì)被帶入所述第二進(jìn)料的較長(zhǎng)停留時(shí)間物質(zhì)中、和中等停留時(shí)間物質(zhì)被帶入第二進(jìn)料的中等停留時(shí)間物質(zhì)中。所述第一引入口還可這樣設(shè)置以致所述第一進(jìn)料的流動(dòng)使所述第二進(jìn)料的夾帶量提高。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示出一種主區(qū)反應(yīng)器，其中通過(guò)物理循環(huán)回路實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物(來(lái)自B)與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)(在A處)。
圖2示出一種主區(qū)反應(yīng)器，其中主要通過(guò)射流夾帶實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)。來(lái)自C的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物在A處與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑混合和反應(yīng)，在B處與新生成的燃燒產(chǎn)物和未反應(yīng)殘余混合和反應(yīng)。
圖3示出一種主區(qū)反應(yīng)器，其中主要通過(guò)大規(guī)模循環(huán)模型實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)。來(lái)自B的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物在A處與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余組分混合和反應(yīng)。
圖4示出一種主區(qū)反應(yīng)器，其中主要通過(guò)交叉射流實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)。來(lái)自B的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物在A處與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余組分混合和反應(yīng)。
圖5示出一種主區(qū)反應(yīng)器，其中通過(guò)射流夾帶、大規(guī)模循環(huán)模型、和交叉射流實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)。來(lái)自B的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物與A處進(jìn)入的組分混合和反應(yīng)。
圖6示出一種主區(qū)反應(yīng)器，其中主要通過(guò)非噴射交叉流動(dòng)實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)。來(lái)自B的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物在A處與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余組分混合和反應(yīng)。
圖7示出一種主區(qū)反應(yīng)器，其中主要通過(guò)交叉射流實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)，其效率足以使循環(huán)區(qū)域是一或多種狀態(tài)變量近似恒定的區(qū)域而且占主區(qū)總體積的至少10％、優(yōu)選至少60％、最優(yōu)選至少80％。來(lái)自B的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物在A處與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余組分混合和反應(yīng)。
圖8示出一種主區(qū)反應(yīng)器和一種次區(qū)反應(yīng)器。在主區(qū)反應(yīng)器內(nèi)，通過(guò)射流夾帶、大規(guī)模循環(huán)模型、和交叉射流實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)。來(lái)自B的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物與A處進(jìn)入的組分混合和反應(yīng)。來(lái)自主區(qū)的流出物進(jìn)入所述次區(qū)，其中來(lái)自D的燃燒產(chǎn)物不與C處進(jìn)入的組分混合或反應(yīng)。
圖9是按傳統(tǒng)方法和本發(fā)明方法的游離中間體的摩爾分?jǐn)?shù)--停留時(shí)間的曲線圖。
圖10是按傳統(tǒng)方法和本發(fā)明方法的富勒烯中間體的摩爾分?jǐn)?shù)--停留時(shí)間的曲線圖。
圖11是按傳統(tǒng)方法和本發(fā)明方法的C60富勒烯的摩爾分?jǐn)?shù)--停留時(shí)間的曲線圖。
圖12是按傳統(tǒng)方法和實(shí)施例2中所述方法的C60富勒烯的摩爾分?jǐn)?shù)--停留時(shí)間的曲線圖。
圖13示出一種主區(qū)反應(yīng)器，在兩個(gè)軸向位置A-A/A’-A’和B-B/B’-B’有兩組注射管。A-A/A’-A’截面中的管均與筒的輻射線成約30度角與筒的縱軸成約45度角。從A-A/A’-A’截面內(nèi)的管中排出的進(jìn)料與從截面B-B/B’-B’內(nèi)的管中排出的進(jìn)料相對(duì)而且偏置。
發(fā)明詳述描述本發(fā)明中使用的一些術(shù)語(yǔ)定義如下本文所用“第一燃燒產(chǎn)物”意指氧化作用的中間體如CO、CO2、H2O、O、OH和其它光穩(wěn)定的和游離的氣體物質(zhì)如CH4、C2H2、C2H4、C3H4、C4H2、C4H4、C5H6、CHO、CH3、C2H、HCCO、C3H3、C3H2、CH2CO、C4H3、C5H5以及其它小的烴和含氧基團(tuán)和穩(wěn)定分子；穩(wěn)定和游離的聚乙炔或聚炔(CnH2，n＝5，6，...)和芳族物質(zhì)如C6H5、C6H6、C6H5O、C6H5OH、C6H5CH2和C6H5CH3，和多環(huán)化合物如茚、萘、菲、熒蒽、和更大的此類(lèi)物質(zhì)以及這些和相關(guān)物質(zhì)的基團(tuán)，及煙灰和煙灰前體；第一燃燒產(chǎn)物是成富勒烯或不成富勒烯燃料的燃燒產(chǎn)物。
本文所用“未反應(yīng)殘余”意指未反應(yīng)燃料、未反應(yīng)的第一或早期燃燒產(chǎn)物和由所述燃料或由第一或早期燃燒產(chǎn)物產(chǎn)生的烴或部分氧化的烴類(lèi)產(chǎn)物。未反應(yīng)殘余可包括分子量在所述燃料和所述第一和早期燃燒產(chǎn)物的分子量至更高分子量范圍內(nèi)的脂族、芳族、多環(huán)芳族、和含氧分子和顆粒物質(zhì)。
“新生成的燃燒產(chǎn)物”可以是前面定義第一燃燒產(chǎn)物中提及的任何或所有化合物，但在濃度和比例方面相應(yīng)于比第一燃燒產(chǎn)物更長(zhǎng)的燃燒停留時(shí)間。
本文所用“氧化劑”意指供入燃燒器的氧化劑。一旦在燃燒器內(nèi)，則可假定所述氧化劑直接即作為反應(yīng)物參與氧化反應(yīng)或者可轉(zhuǎn)化成其它氧化物質(zhì)再作為反應(yīng)物參與氧化反應(yīng)。通過(guò)燃燒合成富勒烯中最優(yōu)選的氧化劑是分子氧或O2，可以純O2形式、空氣形式、與一或多種惰性氣體混合的O2形式、富O2空氣形式、其原有氮?dú)獠糠重毣目諝庑问?、或在其它混合物中提供。所述O2可在燃燒器中用作氧化反應(yīng)物，或者可在一定程度上轉(zhuǎn)化成OH、O、HO2、H2O、CO2或其它含氧物質(zhì)再在氧化反應(yīng)中作為反應(yīng)物。在一定條件下作為合成富勒烯的燃燒器的進(jìn)料有些價(jià)值的其它氧化劑是過(guò)氧化氫(H2O2)、臭氧(O2)、及其與惰性氣體和/或一或多種OH、O、HO2、H2O、CO2、或其它含氧基團(tuán)或穩(wěn)定分子。
“成富勒烯燃料”定義為在文獻(xiàn)中已知的適用于在火焰中形成富勒烯的燃燒條件下富勒烯C60和C70的總收率為燃料碳的至少0.00001％的燃料。成富勒烯燃料包括芳族和其它高度不飽和烴例如但不限于以下烴苯、甲苯、二甲苯、萘、聯(lián)苯、菲、蒽、芘和其它單環(huán)芳烴和多環(huán)芳烴；僅有五元環(huán)的化合物如在環(huán)戊二烯中、或有與六元環(huán)組合的五元環(huán)如在茚、苊、富勒烯、熒蒽、環(huán)戊二烯并菲等中；含四元環(huán)的化合物如聯(lián)苯；含氧芳烴、乙炔和聚乙炔或聚炔烴(CnH2，n＝2，3，4，...)；上述有官能團(tuán)或附加官能團(tuán)如甲基、乙烯基、乙炔基、炔丙基、苯基、萘基等的任何燃料；重石油、油母質(zhì)、瀝青、煤和芳烴含量相當(dāng)高的其它礦物燃料；輕油、中間油品、重油或焦油、碳、焦炭、炭黑、和由礦物燃料和生物燃料產(chǎn)生的煙灰；及烴熱解和部分或不完全燃燒產(chǎn)物包括穩(wěn)定物質(zhì)和游離基。
“不成富勒烯燃料”定義為在文獻(xiàn)中已知的適用于在火焰中形成富勒烯的燃燒條件下富勒烯C60和C70的總收率低于燃料碳的0.00001％的燃料。不成富勒烯燃料包括但不限于飽和、部分不飽和和非芳族烴如甲烷、乙烷、丙烷、乙烯等。
本發(fā)明提供一種通過(guò)燃燒生產(chǎn)富勒烯的方法，包括在引入位置向主區(qū)引入含碳燃料和氧化劑使所述燃料與所述氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生第一燃燒產(chǎn)物，所述第一燃燒產(chǎn)物和未反應(yīng)殘余混合并與進(jìn)入的含碳燃料和氧化劑和/或任何新生成的燃燒產(chǎn)物和/或未反應(yīng)殘余反應(yīng)，從而生成燃燒混合物；將所述燃燒混合物引入次區(qū)；和使所述燃燒混合物的成分在所述次區(qū)內(nèi)在促進(jìn)富勒烯生產(chǎn)的條件下經(jīng)歷一定停留時(shí)間的反應(yīng)產(chǎn)生包括第二燃燒產(chǎn)物的物流，所述第二燃燒產(chǎn)物包含富勒烯和其它物質(zhì)，其中所述物流這樣流過(guò)所述次區(qū)以致在所述次區(qū)內(nèi)來(lái)自不同區(qū)域的對(duì)應(yīng)于不同停留時(shí)間的物質(zhì)之間的混合和反應(yīng)最少。在所述次區(qū)的某一位置可引入燃料和/或氧化劑和/或添加劑以促進(jìn)和/或有利于形成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品。真空泵連接在次區(qū)下游位置以保持壓力低于大氣壓。
所述主區(qū)可用于(1)使第一燃燒產(chǎn)物與燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的單個(gè)或多個(gè)相似流混合和反應(yīng)，或(2)實(shí)現(xiàn)一種類(lèi)型的第一燃燒產(chǎn)物(例如不成富勒烯燃料的燃燒中間體)與燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或另一類(lèi)型的未反應(yīng)殘余如成富勒烯燃料的混合和反應(yīng)，反之亦然。不同的輸入物流可以是成富勒烯燃料或不成富勒烯燃料的未反應(yīng)燃料、或燃燒的中間產(chǎn)物如另一燃燒器的流出物。
所述主區(qū)的必要方面在于主區(qū)內(nèi)或可通過(guò)氧化進(jìn)行燃燒的其它地方的成富勒烯燃料和富勒烯中間體和富勒烯中碳的比例使得可通過(guò)使成富勒烯燃料或其產(chǎn)物與燃燒中間體混合和反應(yīng)經(jīng)由更直接的路線進(jìn)行至富勒烯中間體從而進(jìn)行至富勒烯，這些中間體由相同的成富勒烯燃料、另一成富勒烯燃料流、或不成富勒烯燃料流形成。
主區(qū)的另一必要方面在于可使成富勒烯燃料與燃燒中間體如游離基混合和反應(yīng)，從而更有效地通過(guò)控制燃料氧化區(qū)更好地控制火焰的穩(wěn)定。這可使火焰穩(wěn)定性及燃料和氧化劑的通過(guò)量比用于合成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的常規(guī)火焰系統(tǒng)如燃燒器穩(wěn)定火焰或噴嘴型火焰更高。
通過(guò)更好地控制氧化區(qū)，還可更容易獲得促進(jìn)和/或有利于形成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的條件。在此意義上，促進(jìn)形成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品意指富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的形成速率提高，有利于形成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品意指副產(chǎn)物或副產(chǎn)物形成速率降低。
進(jìn)入主區(qū)的物流可以是燃料和氧化劑的預(yù)混物流、分開(kāi)的燃料和氧化劑物流、或預(yù)混或分開(kāi)加入的不同燃料、與預(yù)混或分開(kāi)加入的氧化劑。還可使用惰性稀釋劑或添加劑，與任何燃料和/或氧化劑物流預(yù)混或分開(kāi)加入。
能抑制煙灰的添加劑可用于提高燃燒中富勒烯的生成量。此類(lèi)添加劑的例子是含有金屬錳、鐵或鋇的化合物。
含有這些金屬的某些化合物例如五羰基合鐵既阻止形成煙灰又促進(jìn)形成可作為富勒烯前體的多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)。更通常地，周期表第I和II族金屬及過(guò)渡金屬可作為提高富勒烯生成量的添加劑。
在所述次區(qū)可加入含有低電離電位的金屬如堿金屬和堿土金屬的添加劑。使用這些添加劑可增加煙灰前體和煙灰粒子的電離和減少煙灰前體和煙灰粒子的凝聚，從而使否則將在形成煙灰中消耗的一些碳有更多的機(jī)會(huì)貢獻(xiàn)于形成富勒烯。
可用于提高火焰中富勒烯生成量的另一類(lèi)添加劑是火焰抑制劑例如但不限于HBr、SF6和含鹵素的化合物包括但不限于CXxYyZz，其中x+y+z＝4，X、Y和Z可以是H、F、Cl、Br或I。這些和其它火焰抑制劑可作為促進(jìn)形成富勒烯的添加劑，因?yàn)樗鼈兘档完P(guān)鍵火焰?zhèn)鞑セ鶊F(tuán)如H和OH的濃度。這些基團(tuán)通過(guò)侵蝕和破壞成富勒烯中間體阻止形成富勒烯，因而用添加劑脫除這些基團(tuán)提高富勒烯生成量。
適用的另一類(lèi)添加劑是促進(jìn)形成富勒烯前體的添加劑。例子是促進(jìn)形成富勒烯中所需多環(huán)芳族結(jié)構(gòu)中五元環(huán)形成的環(huán)狀芳族酸酐。
已知某些金屬添加劑如鈷、鐵和鎳提高其它富勒烯類(lèi)產(chǎn)品(別處定義的)包括單壁納米碳管的生成量。這些添加劑在這里是適用的，因?yàn)椴粌H可通過(guò)本發(fā)明方法生產(chǎn)富勒烯而且可生產(chǎn)其它有價(jià)值的富勒烯類(lèi)產(chǎn)品。
可在主區(qū)內(nèi)形成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品或富勒烯類(lèi)產(chǎn)品中間體，以后收集所述富勒烯類(lèi)產(chǎn)品(例如用美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?0/393 494中所述方法，引入本文供參考)或在用于在相同或不同條件下進(jìn)一步反應(yīng)的另一反應(yīng)器例如在不同溫度和壓力或停留時(shí)間下操作的另一主區(qū)或另一類(lèi)型的反應(yīng)區(qū)內(nèi)處理所述富勒烯類(lèi)產(chǎn)品和/或富勒烯類(lèi)產(chǎn)品中間體?；蛘撸谥鲄^(qū)內(nèi)用不成富勒烯燃料生產(chǎn)適用于形成富勒烯的中間體，然后在形成上述富勒烯中間體的主區(qū)后面的區(qū)域內(nèi)使這些中間體與成富勒烯燃料混合和反應(yīng)?；蛘?，用常規(guī)火焰系統(tǒng)為所述主區(qū)提供燃料中間體，向其中加入成富勒烯燃料，使之與所述燃燒中間體混合和反應(yīng)。所述主區(qū)既使給定的進(jìn)入物流有一定程度的循環(huán)或返混，又使不同的物流如一種燃料的中間體與另一種輸入燃料流混合。
在用于生產(chǎn)富勒烯而不使用不成富勒烯燃料的情況下實(shí)現(xiàn)循環(huán)和返混的區(qū)有幾個(gè)作用(1)通過(guò)使進(jìn)入的燃料和/或氧化劑與第一燃燒產(chǎn)物中存在的活性火焰中間體接觸更有效地穩(wěn)定火焰，此安排克服了限制燃燒器穩(wěn)定火焰或噴嘴型火焰中物料通過(guò)量的火焰速度限度；(2)在成富勒烯燃料可以(至少)兩種不同路徑反應(yīng)其中一種產(chǎn)生氧化產(chǎn)物(CO、CO2、H2O、OH、H、和其它產(chǎn)物)而另一種通過(guò)中間體產(chǎn)生富勒烯的情況下，希望提高所述富勒烯路徑而非所述氧化路徑中耗用的燃料量。進(jìn)入的燃料和/或氧化劑和新生成的燃燒產(chǎn)物和未反應(yīng)殘余與第一燃燒產(chǎn)物中存在的燃燒中間體和/或富勒烯混合和反應(yīng)可提高這些形成富勒烯的路徑相對(duì)于氧化和副產(chǎn)物反應(yīng)的速率。
在所述主區(qū)用于使不成富勒烯燃料與成富勒烯燃料混合和反應(yīng)的情況下，所述主區(qū)起火焰穩(wěn)定和混合室的作用，從而所述成富勒烯燃料可加入活性燃燒中間體中而用于形成富勒烯的路徑，用于保持可燃混合物的燃料損失較少，轉(zhuǎn)化成使火焰穩(wěn)定所需氧化產(chǎn)物如H、OH、O等的成富勒烯燃料損失減少。
包括在本發(fā)明范圍內(nèi)從而使第一燃燒產(chǎn)物與燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余混合和反應(yīng)以致所述主區(qū)內(nèi)占主區(qū)總體積至少10％的區(qū)域有一或多種狀態(tài)變量近似恒定，從而所述主區(qū)的至少10％接近充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器是理想的但不是必要的。狀態(tài)變量包括但不限于物質(zhì)濃度、溫度和壓力。充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器是化學(xué)工程中常用的近似法，意指理想的零維反應(yīng)器，即其中各處所有狀態(tài)變量都恒定的反應(yīng)器。由充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器狀態(tài)產(chǎn)生的反應(yīng)條件的改進(jìn)之一是根據(jù)動(dòng)力學(xué)速率定律中的反應(yīng)級(jí)數(shù)一組產(chǎn)品路徑比另一組優(yōu)先。例如，如果燃料濃度中形成富勒烯的級(jí)數(shù)比形成CO高，則提高燃料濃度將有利于形成富勒烯超過(guò)產(chǎn)生CO?；蛘?，如果富勒烯中間體中形成副產(chǎn)物或消耗富勒烯的路徑比形成富勒烯的級(jí)數(shù)更高，則稀釋此富勒烯中間體將有利于富勒烯路徑超過(guò)富勒烯消耗或形成副產(chǎn)物路徑。不必為保持接近所述充分混合而使反應(yīng)器內(nèi)不同區(qū)域強(qiáng)烈混合，因?yàn)楦咚傺h(huán)使循環(huán)物與進(jìn)料充分混合接近充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器((如圖1中所示)。在圖1所示主區(qū)內(nèi)，燃料、氧化劑、稀釋劑和/或其它添加劑在位置100處進(jìn)入，排氣在位置101處排出。通過(guò)物理循環(huán)回路實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物(來(lái)自B)與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)(在A處)。
其中使進(jìn)入的燃料和/或氧化劑與第一燃燒產(chǎn)物混合和反應(yīng)的此類(lèi)循環(huán)反應(yīng)器在本發(fā)明范圍內(nèi)。本領(lǐng)域知道充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器是在任何實(shí)際的具體實(shí)施中無(wú)法完美實(shí)現(xiàn)的理想數(shù)學(xué)構(gòu)造。而且這里所述區(qū)域內(nèi)的狀態(tài)變量不必高精度地接近恒定，而僅在一般來(lái)說(shuō)實(shí)際或?qū)嵱玫某潭壬辖咏愣ā?br> 為獲得其它優(yōu)點(diǎn)，希望這樣構(gòu)造所述主區(qū)使之由有一或多股進(jìn)入物流的容納室組成。這提供一種使火焰穩(wěn)定的有效方法，可利用高速流動(dòng)輸入流動(dòng)物流。在這樣的室內(nèi)穩(wěn)定時(shí)可利用噴射(噴射意指從孔至足以使流動(dòng)擴(kuò)展的大空間的流動(dòng)；參見(jiàn)圖2)，因?yàn)榭煽朔Q定輸入燃料和/或氧化劑的可能速度的由火焰速度決定的常規(guī)限制。在圖2所示主區(qū)內(nèi)，燃料、氧化劑、稀釋劑和/或其它添加劑在位置200處進(jìn)入，排氣在位置203處排出。箭頭201是沒(méi)有周?chē)黧w被夾帶時(shí)的流動(dòng)途徑(非射流)。箭頭201是因夾帶周?chē)黧w所致流動(dòng)途徑(射流)。主要通過(guò)射流夾帶實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)。來(lái)自C的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物在A處與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑混合和反應(yīng)，在B處與新生成的燃燒產(chǎn)物和未反應(yīng)殘余混合和反應(yīng)。
如果用噴嘴作為輸入燃料和/或氧化劑的來(lái)源，則通過(guò)增強(qiáng)射流夾帶效應(yīng)，可用噴射實(shí)現(xiàn)每股輸入物流與主區(qū)內(nèi)存在的第一燃燒產(chǎn)物的混合和反應(yīng)。由于在形成富勒烯所需低壓下，流體密度低導(dǎo)致雷諾數(shù)低，湍流更難實(shí)現(xiàn)，夾帶是用于實(shí)現(xiàn)混合的有用機(jī)理。這里描述為循環(huán)或返混機(jī)理的射流中的流動(dòng)可以是層流或湍流，因?yàn)槊糠N情況下都發(fā)生夾帶。
所述噴嘴還可在主區(qū)內(nèi)這樣布置以形成大規(guī)模的循環(huán)(參見(jiàn)圖3)，也可這樣布置以致輸入物流交會(huì)交叉流使輸入組分與主區(qū)內(nèi)存在的第一燃燒產(chǎn)物混合和反應(yīng)(參見(jiàn)圖4)。在圖3所示主區(qū)內(nèi)，燃料、氧化劑、稀釋劑和/或其它添加劑在位置300處進(jìn)入，排氣在位置302處排出。箭頭301表示大循環(huán)流型。主要通過(guò)大規(guī)模循環(huán)模型實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)。來(lái)自B的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物在A處與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余組分混合和反應(yīng)。在圖4所示主區(qū)內(nèi)，燃料、氧化劑、稀釋劑和/或其它添加劑在位置400處進(jìn)入，排氣在位置401處排出。主要通過(guò)交叉射流實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)。來(lái)自B的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物在A處與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余組分混合和反應(yīng)。
通過(guò)以這樣的方式布置噴嘴以致一個(gè)噴嘴與另一個(gè)噴嘴相對(duì)但不直接相對(duì)導(dǎo)致射流的動(dòng)量損失太大，增強(qiáng)夾帶，強(qiáng)化輸入物流和早期燃料產(chǎn)物與后期燃燒產(chǎn)物的混合和反應(yīng)(參見(jiàn)圖5)。在圖5所示主區(qū)內(nèi)，燃料、氧化劑、稀釋劑和/或其它添加劑在位置500處進(jìn)入，排氣在位置501處排出。通過(guò)射流夾帶、大規(guī)模循環(huán)模型、和交叉射流實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)。來(lái)自B和C的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物與A處進(jìn)入的組分混合和反應(yīng)。
采用如圖5所示相對(duì)而且偏置噴嘴的反應(yīng)室利用大規(guī)模循環(huán)、增強(qiáng)的射流夾帶和較長(zhǎng)和較短停留時(shí)間物質(zhì)的交叉流動(dòng)。圖13示出反應(yīng)室內(nèi)相對(duì)、偏置噴嘴的另一構(gòu)型。
還可這樣布置流動(dòng)使一股氣流交會(huì)另一股氣流，后一氣流由第一燃燒產(chǎn)物組成，第一股氣流由新生成的燃燒產(chǎn)物、燃料和/或氧化劑、和/或未反應(yīng)殘余組成，但所述氣流都不是射流(參見(jiàn)圖6)。在大規(guī)模循環(huán)和/或流動(dòng)交叉足夠的情況下，可能不必使用射流。在圖6所示主區(qū)內(nèi)，燃料、氧化劑、稀釋劑和/或其它添加劑在位置600處進(jìn)入，排氣在位置601處排出。主要通過(guò)非噴射交叉流動(dòng)實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)。來(lái)自B的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物在A處與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余組分混合和反應(yīng)。
為獲得至少10％有近似恒定的狀態(tài)變量的主區(qū)，可能優(yōu)選在反應(yīng)器內(nèi)布置許多交叉或其它流動(dòng)(參見(jiàn)圖7)。在圖7所示主區(qū)內(nèi)，燃料、氧化劑、稀釋劑和/或其它添加劑在位置700處進(jìn)入，排氣在位置702處排出。區(qū)域701是主區(qū)內(nèi)狀態(tài)變量(例如濃度、壓力、溫度)近似恒定的區(qū)域。這些區(qū)域占主區(qū)總體積的至少10％。主要通過(guò)交叉射流實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)，其效率足以使循環(huán)區(qū)域是一或多種狀態(tài)變量近似恒定的區(qū)域而且占主區(qū)總體積的至少10％、優(yōu)選至少60％、最優(yōu)選至少80％。來(lái)自B的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物在A處與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余組分混合和反應(yīng)。
以前獲得充分混合燃燒器的方法主要依靠高流速使反應(yīng)器內(nèi)總流動(dòng)為湍流以實(shí)現(xiàn)高度微觀混合，這在實(shí)現(xiàn)通過(guò)燃燒形成富勒烯所需低壓下不是那樣有效，使上述方法不適用。但本發(fā)明包括有一定程度的湍流或也主要依靠湍流體系的用于燃燒合成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的混合反應(yīng)器系統(tǒng)。
通過(guò)這樣構(gòu)造主室使室體積的大部分有效混合，可用不氣化燃料或添加劑。必須使任何注射燃料或添加劑與第一燃燒產(chǎn)物有效地混合以獲得最有利的反應(yīng)。作為例子，流入主區(qū)的一些物流是以氣態(tài)形式與氧化劑和液態(tài)成富勒烯燃料預(yù)混的不成富勒烯燃料，以與預(yù)混的不成富勒烯燃料和氧化劑的燃燒產(chǎn)物混合和反應(yīng)。
在有效地起容納室作用的封閉主區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)循環(huán)或返混使表面區(qū)域可接觸火焰，從而可比在冷卻燃燒器上穩(wěn)定的不接觸熱表面的常規(guī)火焰更有效地實(shí)現(xiàn)傳熱。本發(fā)明可比傳統(tǒng)富勒烯類(lèi)產(chǎn)品合成系統(tǒng)中更容易地通過(guò)外源和使用保溫實(shí)現(xiàn)加熱或冷卻。通過(guò)用主區(qū)穩(wěn)定火焰和減小通過(guò)主區(qū)的有效保溫或主區(qū)的外部加熱所致熱損失可容易獲得維持熱損失所需條件如用空氣作氧化劑。這樣，還可在用常規(guī)火焰不易獲得的條件下有效控制溫度。例如，考慮給定的實(shí)際情況中使成富勒烯燃料和氧化劑的反應(yīng)保持2100K恒定溫度達(dá)300ms停留時(shí)間的需要。由于常規(guī)火焰在不同停留時(shí)間或距燃燒器的不同距離處有不同的放熱速率，所以常規(guī)系統(tǒng)需要根據(jù)停留時(shí)間或距燃燒器的距離的函數(shù)關(guān)系改變加熱速率的方法。在氧化區(qū)加熱速率應(yīng)較低而在后火焰區(qū)加熱速率應(yīng)較高。用常規(guī)火焰很難實(shí)現(xiàn)此控制，但本發(fā)明很容易提供。
由于所述主區(qū)起穩(wěn)定反應(yīng)性火焰系統(tǒng)的有效方法的作用，所以可與其它反應(yīng)器類(lèi)型一起使用，起穩(wěn)定區(qū)作用和用于通過(guò)使火焰游離基與輸入的燃料和氧化劑混合和反應(yīng)維持火焰自由基鏈反應(yīng)。其中加入成富勒烯燃料和任何其它供入成分如氧化劑、稀釋劑或添加劑的燃燒產(chǎn)物混合物有效地起連續(xù)點(diǎn)火源的作用，使燃料和氧化劑的通過(guò)量可高得多。
某些情況下希望控制游離中間體的濃度，因?yàn)樗鼈儤O大地影響或甚至控制富勒烯中間體和產(chǎn)品和其它富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的形成和破壞。使用主區(qū)可使氧化區(qū)(它是高游離基濃度的區(qū)域和決定關(guān)鍵中間體濃度的區(qū)域)與后火焰區(qū)脫離聯(lián)系，通過(guò)使氧化反應(yīng)在更長(zhǎng)的停留時(shí)間或不同的恒溫下發(fā)生，用不同的停留時(shí)間或可變的加熱或冷卻速率控制游離基濃度。在燃燒合成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的傳統(tǒng)方法中，氧化區(qū)的環(huán)境由火焰穩(wěn)定的需要決定。這樣構(gòu)造所述主區(qū)使循環(huán)或返混足以使所述全部體積接近充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器時(shí)，主區(qū)內(nèi)游離基的濃度充分降低從而避免高峰濃度(參見(jiàn)圖8)。圖8中，主區(qū)800與次區(qū)801相連。在主區(qū)800內(nèi)，燃料、氧化劑、稀釋劑和/或其它添加劑在位置802處進(jìn)入。區(qū)域803是主區(qū)內(nèi)狀態(tài)變量(例如濃度、壓力、溫度)近似恒定的區(qū)域。次區(qū)組分沿箭頭804所示方向移動(dòng)至收集處。在主區(qū)反應(yīng)器內(nèi)，通過(guò)射流夾帶、大規(guī)模循環(huán)模型和交叉射流實(shí)現(xiàn)第一燃燒產(chǎn)物與進(jìn)入的燃料和/或氧化劑、和/或新生成的燃燒產(chǎn)物、和/或未反應(yīng)殘余的混合和反應(yīng)。來(lái)自B的主區(qū)第一燃燒產(chǎn)物與A處進(jìn)入的組分混合和反應(yīng)。來(lái)自主區(qū)的流出物進(jìn)入所述次區(qū)，其中來(lái)自D的燃燒產(chǎn)物不與C處進(jìn)入的組分混合或反應(yīng)。
而且，可提高富勒烯中間體的濃度并比常規(guī)系統(tǒng)保持更長(zhǎng)的停留時(shí)間(參見(jiàn)圖9)。控制游離基和富勒烯中間體濃度可有利于形成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的路徑超過(guò)競(jìng)爭(zhēng)路徑，并促進(jìn)形成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品。
而且，由于氧化區(qū)的溫度和停留時(shí)間受合成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的傳統(tǒng)燃燒法的火焰穩(wěn)定極限約束，用傳統(tǒng)合成方法不可能使促進(jìn)形成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的條件與穩(wěn)定火焰系統(tǒng)所需條件脫離聯(lián)系。隨著溫度升高，火焰速度顯著增加，在火焰速度較低的低溫下，可供給火焰的燃料和氧化劑少得多。氧化所需停留時(shí)間取決于溫度和其它條件。使用主區(qū)使得可用反應(yīng)器體積和加熱或冷卻速率作為可變參數(shù)獨(dú)立地改變溫度、停留時(shí)間、和氧化區(qū)的燃料和氧化劑加料速度。從而對(duì)于給定加料速度，可改變反應(yīng)器體積和加熱或冷卻速度獲得促進(jìn)和/或有利于形成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的條件。
本發(fā)明另一方面是采用富勒烯類(lèi)產(chǎn)品或主區(qū)產(chǎn)物的收集裝置(如美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?0/393 494)或使主區(qū)的流出物進(jìn)一步反應(yīng)的反應(yīng)器段組成的次區(qū)。
在優(yōu)選進(jìn)一步反應(yīng)的情況下，希望避免來(lái)自次區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的對(duì)應(yīng)于不同停留時(shí)間的物質(zhì)相互混合和反應(yīng)。實(shí)際上可通過(guò)使流動(dòng)充分地湍流和有足夠高的速度以致所述次反應(yīng)器近似活塞流反應(yīng)器而無(wú)軸向混合、或保持層流以致關(guān)鍵中間體或富勒烯類(lèi)產(chǎn)品的軸向擴(kuò)散速度不足以產(chǎn)生大量返混實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，次區(qū)內(nèi)由濃度梯度引起的軸向擴(kuò)散或返混速度相對(duì)于反應(yīng)速率而言很低足以被忽略，甚至在有充分成型(不平)的速度分布圖的層流情況下也可假定為活塞流。本發(fā)明包括所述次區(qū)有層流或湍流的情況。在所述次區(qū)的某一位置可引入燃料和/或氧化劑和/或添加劑以促進(jìn)和/或有利于形成富勒烯類(lèi)產(chǎn)品。所述次區(qū)優(yōu)選具體表現(xiàn)為管段，優(yōu)選有保溫且能根據(jù)需要被加熱或冷卻，在次區(qū)的起始端有用于注射燃料和/或氧化劑和/或添加劑的區(qū)域如提高流速的窄喉管段。所述次區(qū)可使燃燒器的氣態(tài)流出物在可控制的溫度下流動(dòng)要求的停留時(shí)間。
所述次區(qū)可使用于發(fā)生形成富勒烯反應(yīng)的停留時(shí)間比用于合成富勒烯產(chǎn)品的常規(guī)系統(tǒng)所提供的長(zhǎng)得多。典型地，用于合成富勒烯產(chǎn)品的常規(guī)系統(tǒng)有100-300ms的總反應(yīng)停留時(shí)間，然后因熱損失導(dǎo)致溫度降至無(wú)法支持反應(yīng)的低水平。所述次區(qū)可用次區(qū)的保溫、加熱或冷卻使燃燒混合物無(wú)限期地維持在足以支持反應(yīng)的溫度，優(yōu)選在1至10s的范圍內(nèi)。也可用常規(guī)火焰系統(tǒng)給所述次區(qū)供應(yīng)燃燒和富勒烯中間體，使之可在一定溫度下反應(yīng)要求的停留時(shí)間。
操作參數(shù)的優(yōu)選范圍如下在主區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間優(yōu)選在2～500ms的范圍內(nèi)，在次區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間在5ms～10s的范圍內(nèi)，總當(dāng)量比優(yōu)選在1.8～4.0的范圍內(nèi)，壓力在10～400torr的范圍內(nèi)、優(yōu)選在20～200torr的范圍內(nèi)、最優(yōu)選在20～80torr的范圍內(nèi)，主區(qū)和次區(qū)的溫度在1500～2500K的范圍內(nèi)。苯是優(yōu)選的成富勒烯燃料。任何不成富勒烯燃料均可使用，因成本和可用性優(yōu)選使用甲烷。
以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明的精神但不限制其范圍。例如，可使用不同的當(dāng)量比、壓力、停留時(shí)間、燃料、加料方法、收集方法等，仍在本發(fā)明范圍內(nèi)。
實(shí)施例實(shí)施例1使用與次區(qū)相連的主區(qū)，其流出物送入美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?0/393494中所述收集裝置。主區(qū)由短的圓筒形室組成，其中所述圓筒的相對(duì)端或面設(shè)置有34個(gè)允許加入氣體的0.02”開(kāi)孔從而形成噴嘴，每個(gè)噴嘴都指向另一面。每面的噴嘴這樣布置使之與對(duì)面相鄰噴嘴的中心等距，換言之偏離對(duì)面噴嘴的中心線，以減小進(jìn)入流體的動(dòng)量損失和增強(qiáng)相對(duì)射流的夾帶。使用當(dāng)量比為2.4的預(yù)混苯(成富勒烯燃料)、O2、Ar混合物(Ar＝總進(jìn)入物流的10％)，在90℃的溫度和40torr的壓力下以133m/s的速度離開(kāi)噴嘴。主區(qū)的體積為460cc，從而在主區(qū)內(nèi)的平均停留時(shí)間為約30ms。用外部加熱使主區(qū)的溫度保持在1700K。
射流的流動(dòng)狀態(tài)是層流，主區(qū)的總體積使主區(qū)的雷諾數(shù)小于2000。但夾帶程度足以使主區(qū)內(nèi)有足夠的恒定狀態(tài)變量的區(qū)域以致可近似為充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器。
燃燒在主區(qū)內(nèi)進(jìn)行，形成燃燒中間體和一定量的富勒烯類(lèi)產(chǎn)品。主區(qū)的流出物進(jìn)入次區(qū)，次區(qū)由直徑2”、長(zhǎng)4”的保溫喉管段組成，與直徑6”、長(zhǎng)4’的保溫管相連，加熱以保持1700K的恒溫。由富勒烯產(chǎn)品和燃燒副產(chǎn)物組成的次區(qū)流出物進(jìn)入美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?0/393 494中所述收集裝置。收集之前燃燒反應(yīng)的總停留時(shí)間為約1s。圖10示出該系統(tǒng)及傳統(tǒng)燃燒合成法的C60濃度隨停留時(shí)間變化函數(shù)的研究結(jié)果?？梢?jiàn)該實(shí)施例中富勒烯濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)合成方法。此改進(jìn)是因主區(qū)的充分混合特性和在控制溫度下更長(zhǎng)的停留時(shí)間所致。
實(shí)施例2采用與實(shí)施例1中所述相同的系統(tǒng)和條件，但用US 5 273 729中所述火焰系統(tǒng)代替所述主區(qū)。圖11示出該系統(tǒng)的C60濃度隨停留時(shí)間變化函數(shù)的研究結(jié)果。可見(jiàn)該實(shí)施例中富勒烯的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)合成方法。此性能改進(jìn)是由在控制溫度下保持更長(zhǎng)停留時(shí)間的能力帶來(lái)的。由于進(jìn)入次區(qū)的常規(guī)火焰的穩(wěn)定性限制，該實(shí)施例限于比實(shí)施例1更低的物料通過(guò)量。
實(shí)施例3使用與實(shí)施例1中所述相同的系統(tǒng)，但主區(qū)的流出物進(jìn)入美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?0/393 494中所述收集裝置。
實(shí)施例4使用與實(shí)施例1中所述相同的系統(tǒng)，但主區(qū)在2.0的當(dāng)量比下操作，在喉管段加入附加的氣態(tài)苯使系統(tǒng)的總當(dāng)量比為2.4。
實(shí)施例5使用與實(shí)施例1中所述相同的系統(tǒng)，但用常規(guī)燃燒器在1.0的當(dāng)量比和1atm的壓力下穩(wěn)定甲烷/O2/Ar火焰，產(chǎn)生不含富勒烯的燃料中間體，供入主區(qū)。苯以氣態(tài)加入主區(qū)使主區(qū)的總當(dāng)量比為2.4。
實(shí)施例6使用與實(shí)施例3中所述相同的系統(tǒng)，但用#6燃料油代替苯，以液態(tài)供入。
實(shí)施例7使用與實(shí)施例1中所述相同的系統(tǒng)，但在喉管段引入鹵化物質(zhì)以提高次區(qū)的富勒烯生成量。
實(shí)施例8使用與實(shí)施例1中所述相同的系統(tǒng)，但用空氣代替O2。
實(shí)施例9使用與實(shí)施例1中所述相同的系統(tǒng)，但使鹵化物質(zhì)與所述苯、O2、Ar混合物一起預(yù)混。
實(shí)施例10使用與實(shí)施例1中所述相同的系統(tǒng)，但苯、O2、Ar通過(guò)不同的噴嘴分開(kāi)地供入主區(qū)。
實(shí)施例11使用與實(shí)施例1中所述相同的系統(tǒng)，但主區(qū)由一個(gè)向保持在100torr的室內(nèi)加料的噴嘴組成，來(lái)自噴嘴的氣流產(chǎn)生夾帶周?chē)黧w的層流射流，從而造成循環(huán)，所述周?chē)黧w含有第一燃燒產(chǎn)物。主區(qū)內(nèi)的流動(dòng)是層流。在此情況下該主區(qū)不能準(zhǔn)確地近似為充分混合，但此布置使預(yù)混燃料和氧化劑的流速比主區(qū)內(nèi)不設(shè)置噴嘴時(shí)高。流速高是因主區(qū)的第一燃燒產(chǎn)物中存在的活性火焰中間體循環(huán)所致。
實(shí)施例12用有端部穩(wěn)定的甲烷/O2/Ar(甲烷是不成富勒烯燃料)火焰的開(kāi)式管組成噴嘴型火焰系統(tǒng)生產(chǎn)燃燒中間體，供入由室組成主區(qū)，所述室有用于以層狀射流引入上述燃燒中間體的開(kāi)口和用于引入煤焦油(成富勒烯燃料)的另一開(kāi)口。所述煤焦油以液態(tài)供入主區(qū)。在主區(qū)內(nèi)形成燃燒產(chǎn)物和富勒烯類(lèi)產(chǎn)品。然后將主區(qū)的流出物供入由過(guò)濾器組成的收集系統(tǒng)。所述甲烷火焰在1atm下操作，主區(qū)在100torr的壓力下操作。
實(shí)施例13用有端部穩(wěn)定的甲烷/O2/Ar(甲烷是不成富勒烯燃料)火焰的開(kāi)式管組成噴嘴型火焰系統(tǒng)生產(chǎn)燃燒中間體，供入由室組成主區(qū)，所述室有用于以層狀射流引入上述燃燒中間體的開(kāi)口和用于引入石油衍生的中間油品(成富勒烯燃料)的另一開(kāi)口。所述石油衍生的中間油品以液態(tài)供入主區(qū)。在主區(qū)內(nèi)形成燃燒產(chǎn)物和富勒烯類(lèi)產(chǎn)品。然后將主區(qū)的流出物供入由過(guò)濾器組成的收集系統(tǒng)。所述甲烷火焰在1atm下操作，主區(qū)在100torr的壓力下操作。
實(shí)施例14使用與實(shí)施例12中相同的系統(tǒng)，但由甲烷火焰形成的燃燒中間體和煤焦油通過(guò)同一開(kāi)口進(jìn)入主區(qū)。
實(shí)施例15使用與實(shí)施例12中所述相同的系統(tǒng)，但主區(qū)的流出物進(jìn)入由管段組成的次區(qū)，在其中進(jìn)一步反應(yīng)，停留時(shí)間為1s，然后次區(qū)的流出物進(jìn)入過(guò)濾器收集裝置。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)燃燒生產(chǎn)富勒烯的方法，包括在引入位置向主區(qū)引入含碳燃料和氧化劑使所述燃料與所述氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生第一燃燒產(chǎn)物，所述第一燃燒產(chǎn)物和未反應(yīng)殘余與進(jìn)入的含碳燃料和氧化劑和/或任何新生成的燃燒產(chǎn)物和/或未反應(yīng)殘余混合和反應(yīng)，從而生成燃燒混合物；和將所述燃燒混合物引入次區(qū)用于收集或進(jìn)一步處理。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述燃燒混合物包含富勒烯和/或富勒烯中間體和其它物質(zhì)。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述主區(qū)有至少一個(gè)明確定義的區(qū)域，其中所述燃料、氧化劑和燃燒混合物都有至少一種作為空間函數(shù)的近似恒定的狀態(tài)變量。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所述主區(qū)的至少10％處于所述明確定義的區(qū)域。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述含碳燃料和所述氧化劑在多個(gè)引入位置引入所述主區(qū)。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述含碳燃料包含成富勒烯燃料。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述成富勒烯燃料包含不飽和烴。
8.權(quán)利要求7的方法，其中所述不飽和烴選自乙炔、聚乙炔、芳族和高芳族物質(zhì)及其組合。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述含碳燃料包含苯。
10.權(quán)利要求1的方法，還包括向所述主區(qū)引入惰性氣體、含鹵素的化合物、含堿金屬或堿土金屬的化合物、含金屬錳、鐵或鋇的化合物、含環(huán)狀芳族酸酐的化合物、和含鈷、鐵或鎳的化合物、及其組合。
12.權(quán)利要求1的方法，其中所述主區(qū)的壓力在10～400torr的范圍內(nèi)。
13.權(quán)利要求1的方法，其中總當(dāng)量比在1.8～4.0的范圍內(nèi)。
14.權(quán)利要求12的方法，其中總當(dāng)量比在1.8～4.0的范圍內(nèi)。
15.權(quán)利要求1的方法，其中所述主區(qū)的溫度在1500～2500K的范圍內(nèi)。
16.權(quán)利要求14的方法，其中所述主區(qū)的溫度在1500～2500K的范圍內(nèi)。
17.權(quán)利要求1的方法，其中所述主區(qū)的停留時(shí)間在2～500ms的范圍內(nèi)。
18.權(quán)利要求14的方法，其中所述主區(qū)的停留時(shí)間在2～500ms的范圍內(nèi)。
19.一種通過(guò)燃燒生產(chǎn)富勒烯的方法，包括在引入位置向主區(qū)引入含碳燃料和氧化劑使所述燃料與所述氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生第一燃燒產(chǎn)物，所述第一燃燒產(chǎn)物和未反應(yīng)殘余與進(jìn)入的含碳燃料和氧化劑和/或任何新生成的燃燒產(chǎn)物和/或未反應(yīng)殘余混合和反應(yīng)，從而生成燃燒混合物；將所述燃燒混合物引入次區(qū)；和使所述燃燒混合物的成分在所述次區(qū)內(nèi)在促進(jìn)富勒烯生產(chǎn)的條件下經(jīng)歷一定停留時(shí)間的反應(yīng)產(chǎn)生包括第二燃燒產(chǎn)物的物流，所述第二燃燒產(chǎn)物包含富勒烯和其它物質(zhì)，其中所述物流這樣流過(guò)所述次區(qū)以致在所述次區(qū)內(nèi)來(lái)自不同區(qū)域的對(duì)應(yīng)于不同停留時(shí)間的物質(zhì)之間的混合和反應(yīng)最少。
20.權(quán)利要求19的方法，其中所述主區(qū)有至少一個(gè)明確定義的區(qū)域，其中所述燃料、氧化劑和燃燒混合物都有至少一種作為空間函數(shù)的近似恒定的狀態(tài)變量。
21.權(quán)利要求20的方法，其中所述主區(qū)的至少10％處于所述明確定義的區(qū)域。
22.權(quán)利要求19的方法，其中所述含碳燃料和所述氧化劑在多個(gè)引入位置引入所述主區(qū)。
23.權(quán)利要求19的方法，其中在所述次區(qū)內(nèi)使所述物流中的所述物質(zhì)在有利于富勒烯生產(chǎn)的條件下經(jīng)歷反應(yīng)。
24.權(quán)利要求19的方法，其中所述含碳燃料包含成富勒烯燃料、不成富勒烯燃料或其組合。
25.權(quán)利要求24的方法，其中所述成富勒烯燃料包含不飽和烴。
26.權(quán)利要求25的方法，其中所述不飽和烴選自乙炔、聚乙炔、芳族和高芳族物質(zhì)及其組合。
27.權(quán)利要求24的方法，其中所述成富勒烯燃料包含苯。
28.權(quán)利要求19的方法，還包括向所述次區(qū)引入添加劑。
29.權(quán)利要求28的方法，其中所述添加劑選自含鹵素的化合物、含堿金屬或堿土金屬的化合物、含金屬錳、鐵或鋇的化合物、含環(huán)狀芳族酸酐的化合物、和含鈷、鐵或鎳的化合物、及其組合。
30.權(quán)利要求19的方法，其中所述主區(qū)的壓力在10～400torr的范圍內(nèi)。
31.權(quán)利要求19的方法，其中總當(dāng)量比在1.8～4.0的范圍內(nèi)。
32.權(quán)利要求30的方法，其中總當(dāng)量比在1.8～4.0的范圍內(nèi)。
33.權(quán)利要求19的方法，其中所述主區(qū)的溫度在1500～2500K的范圍內(nèi)。
34.權(quán)利要求32的方法，其中所述主區(qū)的溫度在1500～2500K的范圍內(nèi)。
35.權(quán)利要求19的方法，其中所述次區(qū)的溫度在1500～2500K的范圍內(nèi)。
36.權(quán)利要求34的方法，其中所述次區(qū)的溫度在1500～2500K的范圍內(nèi)。
37.權(quán)利要求19的方法，其中所述主區(qū)的停留時(shí)間在2～500ms的范圍內(nèi)。
38.權(quán)利要求36的方法，其中所述主區(qū)的停留時(shí)間在2～500ms的范圍內(nèi)。
39.權(quán)利要求19的方法，其中所述次區(qū)的停留時(shí)間在5ms～10s的范圍內(nèi)。
40.權(quán)利要求38的方法，其中所述次區(qū)的停留時(shí)間在5ms～10s的范圍內(nèi)。
41.一種通過(guò)燃燒生產(chǎn)富勒烯的方法，包括在引入位置向主區(qū)引入含碳燃料和氧化劑使所述燃料與所述氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生第一燃燒產(chǎn)物，從而生成燃燒混合物；將所述燃燒混合物引入次區(qū)；和使所述燃燒混合物的成分在所述次區(qū)內(nèi)在促進(jìn)富勒烯生產(chǎn)的條件下經(jīng)歷一定停留時(shí)間的反應(yīng)產(chǎn)生包括第二燃燒產(chǎn)物的物流，所述第二燃燒產(chǎn)物包含富勒烯和其它物質(zhì)，其中所述物流這樣流過(guò)所述次區(qū)以致在所述次區(qū)內(nèi)來(lái)自不同區(qū)域的對(duì)應(yīng)于不同停留時(shí)間的物質(zhì)之間的混合和反應(yīng)最少。
42.權(quán)利要求41的方法，其中所述含碳燃料和所述氧化劑在多個(gè)引入位置引入所述主區(qū)。
43.權(quán)利要求41的方法，其中在所述次區(qū)內(nèi)使所述物流中的所述物質(zhì)在有利于富勒烯生產(chǎn)的條件下經(jīng)歷反應(yīng)。
44.權(quán)利要求41的方法，其中所述含碳燃料包含成富勒烯燃料、不成富勒烯燃料或其組合。
45.權(quán)利要求44的方法，其中所述成富勒烯燃料包含不飽和烴。
46.權(quán)利要求45的方法，其中所述不飽和烴選自乙炔、聚乙炔、芳族和高芳族物質(zhì)及其組合。
47.權(quán)利要求44的方法，其中所述成富勒烯燃料包含苯。
48.權(quán)利要求41的方法，還包括向所述次區(qū)引入添加劑。
49.權(quán)利要求48的方法，其中所述添加劑選自含鹵素的化合物、含堿金屬或堿土金屬的化合物、含金屬錳、鐵或鋇的化合物、含環(huán)狀芳族酸酐的化合物、和含鈷、鐵或鎳的化合物、及其組合。
50.權(quán)利要求41的方法，其中所述主區(qū)的壓力在10～400torr的范圍內(nèi)。
51.權(quán)利要求41的方法，其中總當(dāng)量比在1.8～4.0的范圍內(nèi)。
52.權(quán)利要求50的方法，其中總當(dāng)量比在1.8～4.0的范圍內(nèi)。
53.權(quán)利要求41的方法，其中所述主區(qū)的溫度在1500～2500K的范圍內(nèi)。
54.權(quán)利要求52的方法，其中所述主區(qū)的溫度在1500～2500K的范圍內(nèi)。
55.權(quán)利要求41的方法，其中所述次區(qū)的溫度在1500～2500K的范圍內(nèi)。
56.權(quán)利要求54的方法，其中所述次區(qū)的溫度在1500～2500K的范圍內(nèi)。
57.權(quán)利要求41的方法，其中所述主區(qū)的停留時(shí)間在2～500ms的范圍內(nèi)。
58.權(quán)利要求56的方法，其中所述主區(qū)的停留時(shí)間在2～500ms的范圍內(nèi)。
59.權(quán)利要求41的方法，其中所述次區(qū)的停留時(shí)間在5ms～10s的范圍內(nèi)。
60.權(quán)利要求58的方法，其中所述次區(qū)的停留時(shí)間在5ms～10s的范圍內(nèi)。
61.一種燃燒器，包括一個(gè)室，有用于向所述室內(nèi)引入第一進(jìn)料的第一引入口和用于向所述室內(nèi)引入第二進(jìn)料的第二引入口，所述第一引入口這樣設(shè)置以致引入所述第一進(jìn)料與所述第二進(jìn)料部分重疊從而使所述第二進(jìn)料的較長(zhǎng)停留時(shí)間物質(zhì)與所述第一進(jìn)料的較短停留時(shí)間物質(zhì)混合和反應(yīng)。
62.一種燃燒器，包括一個(gè)室，有用于向所述室內(nèi)引入第一進(jìn)料的第一引入口和用于向所述室內(nèi)引入第二進(jìn)料的第二引入口，所述第一引入口相對(duì)于所述第二引入口這樣設(shè)置以供應(yīng)所述第一進(jìn)料使較長(zhǎng)停留時(shí)間物質(zhì)被帶入所述第二進(jìn)料的較短停留時(shí)間物質(zhì)中、較短停留時(shí)間物質(zhì)被帶入所述第二進(jìn)料的較長(zhǎng)停留時(shí)間物質(zhì)中、和中等停留時(shí)間物質(zhì)被帶入第二進(jìn)料的中等停留時(shí)間物質(zhì)中。
63.權(quán)利要求62的燃燒器，其中所述第一引入口還這樣設(shè)置以致所述第一進(jìn)料的流動(dòng)使所述第二進(jìn)料的夾帶量提高。
全文摘要
公開(kāi)一種燃燒方式和實(shí)現(xiàn)此燃燒方式的復(fù)合反應(yīng)器，通過(guò)燃燒生產(chǎn)富勒烯和富勒烯類(lèi)物質(zhì)。此方式使火焰的氧化區(qū)與后火焰區(qū)脫離聯(lián)系，從而獲得對(duì)操作參數(shù)如當(dāng)量比、溫度和壓力的更大控制；可獲得傳統(tǒng)方法不易獲得的燃燒反應(yīng)操作參數(shù)條件；和提供更容易穩(wěn)定燃燒反應(yīng)允許燃料和氧化劑的通過(guò)量更高的能力。還公開(kāi)了復(fù)合反應(yīng)器主區(qū)的幾種實(shí)施方案。所述主區(qū)作為氧化區(qū)，按照使反應(yīng)燃燒混合物循環(huán)的原則操作，可以近似充分混合反應(yīng)器形式操作。還公開(kāi)了次區(qū)，它提供更多的反應(yīng)停留時(shí)間和控制操作參數(shù)的能力，按照減少反應(yīng)燃燒混合物的循環(huán)的原則操作。所述次區(qū)可以近似活塞流反應(yīng)器形式操作。所述主區(qū)和次區(qū)可一起或單獨(dú)操作。
文檔編號(hào)C01B31/02GK1556876SQ02818368
公開(kāi)日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2002年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月31日
發(fā)明者J·B·霍華德, J B 霍華德, D·F·克朗霍爾姆, 克朗霍爾姆, A·J·莫德斯蒂諾, 莫德斯蒂諾, H·里克特, 頌 申請(qǐng)人:Nano-C公司