中國粉體網(wǎng)訊  近年來，我國對超細(xì)粉體的基礎(chǔ)理論有著較深的研究，使得超細(xì)技術(shù)廣泛應(yīng)用到高科技陶瓷、電子、化工、環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域。而撞擊流技術(shù)作為工業(yè)應(yīng)用上的一種重要流動(dòng)形式，其強(qiáng)烈的微觀混合、較高的傳遞系數(shù)以及有效地提供過飽和狀態(tài)，大大縮短了混合時(shí)間，這在化學(xué)工業(yè)中制備超細(xì)粉體有非常大的應(yīng)用前景。

撞擊流概述

撞擊流（impinging stream，IS）作為一種新型過程強(qiáng)化技術(shù)，最早由Elperin提出，其中心思想是指兩股或多股流體相向撞擊，產(chǎn)生一個(gè)高度的湍動(dòng)區(qū)，實(shí)現(xiàn)過程熱、質(zhì)傳遞的強(qiáng)化，20世紀(jì)90年代以來，實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的發(fā)展，所涌現(xiàn)出的測量技術(shù)和模擬手段日新月異，液體連續(xù)相撞擊流（LIS）能夠顯著強(qiáng)化微觀混合的性質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，極大地拓展了撞擊流的應(yīng)用領(lǐng)域。

撞擊流技術(shù)發(fā)展

撞擊流的基本原理

撞擊流的基本原理是兩股或多股、均相或非均相流體相向高速流動(dòng)，通過撞擊形成一個(gè)高度湍動(dòng)的撞擊區(qū)，大大地強(qiáng)化了傳質(zhì)過程。

撞擊流原理

眾多研究表明，撞擊流其強(qiáng)烈的微觀混合以及壓力波動(dòng)特性可以使化學(xué)反應(yīng)快速進(jìn)行，瞬間產(chǎn)生有效均勻的過飽和度；而且由于混沌流動(dòng)狀態(tài)使混合尺度迅速減小，不同尺度漩渦及彼此折疊碰撞增強(qiáng)了湍動(dòng)強(qiáng)度和能量擴(kuò)散，促使分子在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)達(dá)到更有效的高能級碰撞，瞬間產(chǎn)生大量晶核，抑制晶核成長，生成粒度大小及其分布穩(wěn)定的粉體材料�；�于此設(shè)計(jì)的反應(yīng)器也在眾多領(lǐng)域得到運(yùn)用。與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，撞擊流的引入有效改善了反應(yīng)器內(nèi)的混合及傳質(zhì)效果。

撞擊流反應(yīng)器

根據(jù)反應(yīng)器形式特點(diǎn)以及適用條件，大致將制備超細(xì)粉體的撞擊流反應(yīng)器分為循環(huán)浸沒撞擊流反應(yīng)器、受限撞擊流反應(yīng)器、微小型撞擊流反應(yīng)器和撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床反應(yīng)器等。

循環(huán)浸沒撞擊流反應(yīng)器

浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器（submerged circulative impinging stream reactor，簡稱SCISR），由于其全混流－無混合流串聯(lián)循環(huán)的特殊流動(dòng)結(jié)構(gòu)，腔室內(nèi)溶液反復(fù)循環(huán)撞擊時(shí)，產(chǎn)生極高且均勻的過飽和狀態(tài)，制備的超細(xì)粉體粒徑更小、更均勻。不足之處是更高的撞擊速度導(dǎo)致撞擊面不夠穩(wěn)定，邊緣效應(yīng)較差。

浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

適用特性：

（1）液液反應(yīng)

（2）易團(tuán)聚反應(yīng)：循環(huán)撞擊促使粒子循環(huán)碰撞、破碎，粒徑更細(xì)且穩(wěn)定

（3）部分高粘度反應(yīng)：較大腔室不容易造成堵塞

（4）不適用高流速且對流速精準(zhǔn)的反應(yīng)

受限撞擊流反應(yīng)器

受限撞擊流反應(yīng)器（confined impinging stream reactor，簡稱CIJS）超飽和度的特性以及混合速率的精準(zhǔn)控制，結(jié)合閃蒸技術(shù)（flash nanoprecipitation，簡稱FNP）被廣泛應(yīng)用于制備納米超細(xì)粉體。

受限撞擊流反應(yīng)器

優(yōu)勢：混合尺度迅速減��；邊緣效應(yīng)加強(qiáng)；撞擊截面變小，有效接觸面積增大。

不足：一定量的團(tuán)聚沉淀物容易滯留，堵塞通道；系統(tǒng)穩(wěn)定性對流量較敏感。

適用特性：

（1）液液反應(yīng)

（2）萃取反應(yīng)：生物醫(yī)藥、聚合物、有機(jī)物等

（3）多物料反應(yīng)：以此為基礎(chǔ)的三噴嘴、多噴嘴、雙組反應(yīng)器允許多物料同時(shí)反應(yīng)，節(jié)省時(shí)間，空間，增大產(chǎn)率等

（4）易團(tuán)聚反應(yīng)：結(jié)合閃蒸技術(shù)，利用飽和蒸汽壓去除溶劑，防止團(tuán)聚

微小型撞擊流反應(yīng)器

微撞擊流反應(yīng)器（micro impinging stream reactor，簡稱MISR）。微混合器是近年來新發(fā)展的一種混合強(qiáng)化方式，主要利用亞微米至亞毫米量級的受限空間將流體約束成極小的流束或微團(tuán)，從而使混合過程直接發(fā)生于接近微觀混合尺度，是目前工程技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)研究方向。

優(yōu)勢：混合過程接近微觀混合尺度；容易施加加壓、加熱、冷卻等條件；安全性、可靠性、可擴(kuò)展性較好；有效接觸面積增大。

不足：團(tuán)聚現(xiàn)象造成堵塞；脈動(dòng)及腐蝕影響會(huì)成倍放大；檢測以及清理困難。

適用特性：

（1）液液反應(yīng)

（2）多級反應(yīng)：如二級微反應(yīng)器可避免后處理延遲的問題

（3）復(fù)雜條件反應(yīng)：如加壓、加熱、冷卻等條件

（4）不適用與高粘度與部分腐蝕化學(xué)反應(yīng)，難清洗與檢測

撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床反應(yīng)器

撞擊流－旋轉(zhuǎn)填料床反應(yīng)器（impinging stream-rotating packed bed reactor，簡稱IS-RPB），是通過撞擊流反應(yīng)器與旋轉(zhuǎn)填料反應(yīng)器有機(jī)耦合形成的一種新型的過程強(qiáng)化反應(yīng)設(shè)備。

優(yōu)勢：將撞擊流技術(shù)旋轉(zhuǎn)填料床技術(shù)有機(jī)耦合；高分散、高湍動(dòng)、強(qiáng)混合、體積小，占地小。

不足：通量小、壓降大；停留時(shí)間短。

適用特性：

（1）液液反應(yīng)

（2）液膜分離反應(yīng)：乳化液膜和廢水處理

（3）萃取反應(yīng)：混合均勻，萃取效率高

（4）不適用大流量、大壓降、反應(yīng)緩慢的反應(yīng)

雙組對置撞擊流反應(yīng)器

在對以上撞擊流反應(yīng)器進(jìn)行總結(jié)、改進(jìn)，有學(xué)者研發(fā)了雙組對置撞擊流反應(yīng)器。其由筒體，橢圓形封頭，錐形封頭三大部分組成。進(jìn)料管采用分層式設(shè)計(jì)，同層進(jìn)料管同軸對置，不僅滿足多股物料同時(shí)反應(yīng)（混合），而且增加了流場層間的擾動(dòng)，使得上下兩組完成撞擊后所形成的徑向射流，產(chǎn)生新的撞擊，完成動(dòng)量的二次傳遞。

雙組分層撞擊流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

用此新型撞擊流反應(yīng)器制備Mg(OH)2的方法，為沉淀法制備超細(xì)粉體提供一種新的反應(yīng)技術(shù)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單，操作彈性大、占地面積小等優(yōu)勢。

撞擊流反應(yīng)器在超細(xì)粉體制備中的應(yīng)用

撞擊流反應(yīng)器在能源、化工、醫(yī)藥及材料制備等眾多領(lǐng)域已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。

陽慧芳以ZrOCl2•8H2O為鋯源，Y(NO3)3•6H2O為釔源，PEG4000為分散劑，碳酸氫銨為沉淀劑，采用撞擊流反應(yīng)-沉淀法制備5%釔穩(wěn)定氧化鋯前驅(qū)體，經(jīng)過濾、洗滌、干燥、研磨、焙燒等工序制備出釔穩(wěn)定氧化鋯超細(xì)粉體。

撞擊流反應(yīng)-沉淀法制備釔穩(wěn)定氧化鋯超細(xì)粉體的工藝

周玉新等運(yùn)用新穎的撞擊流反應(yīng)器作為主要反應(yīng)器，研究各種相關(guān)因子對產(chǎn)品磷酸鐵的純度和粒徑的影響，確定適宜的工藝條件，并制取合格的電池級磷酸鐵。

撞擊流反應(yīng)器制備電池級超細(xì)磷酸鐵工藝流程圖

張麗等采用撞擊流反應(yīng)器，在撞擊流反應(yīng)器中，鎂鹽與沉淀劑在20~90℃下發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鎂沉淀，所得沉淀在50~120℃下陳化1~10小時(shí)，再經(jīng)過濾、烘干，最終得到氫氧化鎂產(chǎn)品。

一種基于撞擊流的連續(xù)式氫氧化鎂生產(chǎn)工藝

郭嘉等利用撞擊流反應(yīng)器制備白炭黑的平均粒徑為 1~2 μm ，且粒徑分布很窄；利用撞擊流反應(yīng)器制備了不同形狀的納米銅粉，平均粒徑約為 5μm 。

利用撞擊流反應(yīng)器制備的不同形狀納米銅粉的 TEM 照片

宋興福等主要采用撞擊流‑旋轉(zhuǎn)填料床的超重力作用促使反應(yīng)物料在多孔介質(zhì)中流動(dòng)接觸，從而產(chǎn)生巨大剪切力將液體撕裂成納米級的液膜、液絲或液滴，強(qiáng)化內(nèi)部微觀混合與反應(yīng)傳質(zhì)作用，同時(shí)結(jié)合反應(yīng)結(jié)晶過程控制技術(shù)制備電池級超細(xì)碳酸鋰粉體。

一種電池級超細(xì)碳酸鋰的超重力制備方法和系統(tǒng)

小結(jié)

撞擊流作為一種有效強(qiáng)化相間傳熱傳質(zhì)、促進(jìn)微觀混合的新技術(shù)，在吸收、結(jié)晶、超細(xì)粉體制備等領(lǐng)域均展示出良好的應(yīng)用前景。目前制備超細(xì)粉體的撞擊流反應(yīng)器多以小型或微小型為主，具有物料出口堵塞，腐蝕效果放大，難清洗等劣勢，因此探究與其他先進(jìn)技術(shù)（超高壓、超臨界等）協(xié)同增效的復(fù)合型撞擊流反應(yīng)（混合）器，成為未來研究發(fā)展一大方向。

參考資料：

張建偉等.撞擊流強(qiáng)化混合特性及用于制備超細(xì)粉體研究進(jìn)展

張建偉等.撞擊流反應(yīng)器混合性能研究進(jìn)展

郭嘉.撞擊流法制備納米無機(jī)粉體新技術(shù)

張建偉，沙新力等.撞擊流技術(shù)研究進(jìn)展及新型反應(yīng)裝置研發(fā)

周玉新等.撞擊流反應(yīng)器制備電池級超細(xì)磷酸鐵

許鑫磊.撞擊流反應(yīng)器內(nèi)吞噬流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬

陽慧芳.撞擊流反應(yīng)-沉淀法制備 釔穩(wěn)定氧化鋯超細(xì)粉體

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/三昧）

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