中國粉體網(wǎng)訊  二十世紀(jì)六十年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家Elperin首次提出了撞擊流這一概念，并被后來的科學(xué)家不斷的完善和發(fā)展。如今撞擊流反應(yīng)技術(shù)因其具有強(qiáng)化微觀混合的優(yōu)異特性，在化學(xué)反應(yīng)、沉淀結(jié)晶、制備超細(xì)粉體等方面迅速發(fā)展。

撞擊流技術(shù)原理

撞擊流的基本構(gòu)想是使兩股氣體帶動固體顆粒/液滴后形成的氣-固/氣-液兩相流在加速管中高速相向運動并于中間位置互相撞擊。

撞擊流原理圖

兩股高速兩相流相互撞擊后形成了一個顆粒濃度最高的劇烈湍動區(qū)，湍動區(qū)中相間相對速度很大，為強(qiáng)化熱、質(zhì)傳遞提供了極好的條件。氣流在撞擊中心面上沿射軸向的分速度趨于0并轉(zhuǎn)為徑向流動，分散相顆粒/液滴在慣性力作用下越過撞擊中心面從而滲入反向流，且在深入瞬間相間相對速度達(dá)到最大，此后經(jīng)歷減速、速度變?yōu)?、反向加速后在兩股相向流體間做往復(fù)滲透振蕩運動，延長了顆粒/液滴在湍動區(qū)的平均停留時間。如此減幅振蕩往復(fù)運動若干次后，顆粒/液滴的射軸向速度趨于0，最終被轉(zhuǎn)為徑向流動的氣流帶出湍動區(qū)。

撞擊流技術(shù)優(yōu)勢

撞擊流的原理及現(xiàn)有研究證明，撞擊流在化學(xué)反應(yīng)中能夠讓兩股相撞的兩相流有效達(dá)到分子級的碰撞，使化學(xué)反應(yīng)快速推進(jìn)，與傳統(tǒng)反應(yīng)釜相比具有更高的混合效率，從而大大節(jié)省了反應(yīng)時間，在實際應(yīng)用中也更有優(yōu)勢。

從結(jié)晶動力學(xué)角度看，溶液的過飽和度對晶核的形成、生長及次生晶核的系列物理化學(xué)變化具有決定性作用。撞擊流技術(shù)高傳質(zhì)特性及強(qiáng)烈的微觀混合特性提供了較高的飽和度，并且保證了均勻的反應(yīng)環(huán)境，在這種條件下誘導(dǎo)時間縮短，成核速率提升，瞬間生成大量晶核，實現(xiàn)均相成核；同時其壓力波動特性使反應(yīng)物混合尺度急速縮小，不同程度的往返碰撞增強(qiáng)了湍動強(qiáng)度及過程中的能量擴(kuò)散，使分子在反應(yīng)時可以達(dá)到更高能級的碰撞，生成大量晶核的同時抑制了晶核的成長，這對超細(xì)單分散微粒的制備也更加有利。

撞擊流反應(yīng)器的種類

受限式撞擊流反應(yīng)器

受限式撞擊流反應(yīng)器（Confined Impinging Jets Reactors，簡稱CIJR）其工作原理為兩股流體在狹小的空間內(nèi)發(fā)生高速撞擊，發(fā)生撞擊后的兩股流體在加速管軸線上方的左右兩側(cè)回流形成兩個回流區(qū)，周圍的流體由于受到漩渦卷吸作用被卷吸而發(fā)生充分的混合。在撞擊過程中由于混合尺度小、撞擊截面小，流體間有效接觸面積大，流體間充分接觸混合，增大了其過飽和度，有利于制備納米級超細(xì)顆粒。

該反應(yīng)器多用于醫(yī)藥、有機(jī)物、聚合電解質(zhì)復(fù)合材料等方面的制備。

開放式撞擊流反應(yīng)器

開放式撞擊流反應(yīng)器（Free Impinging Jets Reactors，簡稱FIJR），由于流體在體積較大的空間內(nèi)進(jìn)行碰撞，碰撞過程不會受到反應(yīng)器器壁的約束。由于流體發(fā)生激烈的碰撞、震蕩，液體會分解成為小液滴從而促進(jìn)了流體間的充分混合。同時該反應(yīng)器可以根據(jù)需要設(shè)計成為兩噴嘴、三噴嘴以及多噴嘴結(jié)構(gòu)以滿足多股物料參與反應(yīng)，其結(jié)構(gòu)簡單。然而該反應(yīng)器也存在著一定的缺點，受到邊界效應(yīng)的影響，流體流動存在著不穩(wěn)定性，其混合和傳遞不夠均勻造成產(chǎn)品中存在一些較大顆粒。

微小型撞擊流反應(yīng)器

微小型撞擊流反應(yīng)器加熱、加壓、冷卻等相應(yīng)的操作比常規(guī)反應(yīng)器更加容易，且反應(yīng)器尺寸小。在亞毫米甚至亞微米級的狹小空間內(nèi)流體受到約束形成極小的流體微團(tuán)，促使流體發(fā)生近乎微觀程度上的混合，促進(jìn)了反應(yīng)充分進(jìn)行也有效抑制了顆粒間的團(tuán)聚。利用微小型撞擊流反應(yīng)器制備出來的產(chǎn)品往往粒徑更小、比表面積更大。該反應(yīng)器安全性高，可擴(kuò)展性較好，在高溫、高壓條件下也能夠正常運行。

該反應(yīng)器也存在著一定的缺點，對于腐蝕性的化學(xué)反應(yīng)或高黏度的流體則無法使用該類反應(yīng)器。同時，易團(tuán)聚的顆粒對該類反應(yīng)器容易造成堵塞，影響反應(yīng)器的正常使用，清理過程往往較為困難，從而限制了反應(yīng)器的使用。

循環(huán)浸沒撞擊流反應(yīng)器

循環(huán)浸沒撞擊流反應(yīng)器（Submerged Circulative Impinging Stream Reactor，簡稱SCISR）是由伍沅教授提出的，常用于固—液反應(yīng)制備超細(xì)粉體。在其它的撞擊流反應(yīng)器中，由于反應(yīng)物在反應(yīng)器中的停留時間有限，較短的時間一些反應(yīng)未能充分進(jìn)行，產(chǎn)品的顆粒較大。對于停留時間，在循環(huán)浸沒撞擊流反應(yīng)器中可以任意設(shè)置，物料在反應(yīng)器中往復(fù)循環(huán)撞擊，反應(yīng)物在反應(yīng)器中有足夠的時間去反應(yīng)，顆粒間通過反復(fù)的碰撞從而粉碎形成超細(xì)產(chǎn)品。使用循環(huán)浸沒撞擊流反應(yīng)器制備產(chǎn)品，特別是一些易于團(tuán)聚的反應(yīng)，制備的產(chǎn)品粒度更小，分布更均勻。

循環(huán)浸沒撞擊流反應(yīng)器

撞擊流—旋轉(zhuǎn)填料床反應(yīng)器

將撞擊流技術(shù)與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)填料床相結(jié)合，以達(dá)到對反應(yīng)過程的強(qiáng)化，撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床反應(yīng)器是一種新型反應(yīng)設(shè)備。其同時具有撞擊流反應(yīng)器的高強(qiáng)度湍動和快速微觀混合，以及旋轉(zhuǎn)填料床高剪切應(yīng)力、高傳質(zhì)系數(shù)的優(yōu)點。其特別適用于液—液反應(yīng)以及萃取反應(yīng)，對于反應(yīng)速率慢的反應(yīng)則不太適用。反應(yīng)器使用過程中，流體通過加速在碰撞中心發(fā)生碰撞以達(dá)到產(chǎn)品的細(xì)化，同時產(chǎn)品在離心力的作用下進(jìn)入到旋轉(zhuǎn)填料床中發(fā)生二次顆粒細(xì)化。產(chǎn)品經(jīng)過兩次細(xì)化，粒徑更小、分布更加均勻。

應(yīng)用該反應(yīng)器制備產(chǎn)品，其優(yōu)點為反應(yīng)的湍流程度高，制備的產(chǎn)品分散性好，設(shè)備的體積小、占地小。不足之處就是單位時間內(nèi)單位面積的流量較小，流動通量小，同時設(shè)備的壓降大、物料在反應(yīng)器中停留時間短。

撞擊流反應(yīng)器的應(yīng)用

近二十年來撞擊流技術(shù)的研究取得了很大的研究進(jìn)展，該技術(shù)已被應(yīng)用到了各個領(lǐng)域當(dāng)中，如制備超細(xì)粉體、燃燒、干燥等。

撞擊流反應(yīng)器制備超細(xì)粉體

撞擊流反應(yīng)器由于具有強(qiáng)烈的壓力波動和促進(jìn)物料在微觀上充分混合的作用，極大的促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行，強(qiáng)化了傳遞過程，為制備超細(xì)粉體提供了高且均勻的過飽和度。進(jìn)些年來撞擊流反應(yīng)器制備超細(xì)粉體已經(jīng)取得了一系列進(jìn)展。

撞擊流燃燒

撞擊流反應(yīng)具有強(qiáng)化相間傳質(zhì)、促進(jìn)微觀混合的特點，在燃燒過程中，撞擊流燃燒使燃料于空氣充分接觸充分燃燒。如撞擊流反應(yīng)器中煤粉的燃燒過程，該過程煤粉被氧氣和水蒸氣兩股物流帶入在撞擊區(qū)撞擊發(fā)生氣化反應(yīng)。煤粉在不到一秒的時間既燃燒待盡。張和平等人將撞擊流技術(shù)應(yīng)用到煤粉燃燒中，設(shè)計了Koppers-Totzek煤氣化裝置，該裝置很好地解決了煤燃燒不充分的問題。

撞擊流干燥

干燥過程為傳質(zhì)、傳熱同時進(jìn)行的過程。干燥速率、干燥效果好壞直接取決于傳質(zhì)、傳熱過程速率的快慢。撞擊流過程減小了相間傳遞的阻力，強(qiáng)化了傳遞過程，增大了傳遞速率，該技術(shù)應(yīng)用到干燥過程中已取得了一定的成果。最具有代表性的為伍沅設(shè)計的撞擊流噴霧干燥器、顆粒物料撞擊流干燥器及組合作用撞擊流干燥器等。該項裝置已應(yīng)用到實際工業(yè)當(dāng)中。

小結(jié)

撞擊流技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)上的一種重要流體流動形式，其具有強(qiáng)烈的微觀混合特性、較高的傳質(zhì)系數(shù)、較短的微觀混合均勻化特征時間，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。

參考資料：

袁雪松.撞擊流反應(yīng)器制備超細(xì)磷酸鋅

王雨菲.氣相連續(xù)撞擊流法制備氫氧化鎂微球及其對染料吸附性能研究 

石淋淋.撞擊流技術(shù)用于擬薄水鋁石合成工藝的研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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