CN104607127B - 超声波强化撞击流反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波强化撞击流反应器，包括反应器机体、超声波装置；所述反应器机体上设有若干进料通道和若干物料出口，所述进料通道设置在反应器内部的撞击腔四周，所述进料通道在反应器内部的撞击腔内交汇处即撞击反应面；所述超声波装置的变幅杆插装在反应器机体内，所述变幅杆的第一端面对准所述撞击腔。本发明利用撞击流和超声波能同时强化物料混合，适用于快速反应过程，特别是反应沉淀过程，能够制得形貌规则、颗粒较小、粒径分布较窄的超细粉体或纳米材料等，结构简单，加工制造容易。

Description

超声波强化撞击流反应器

技术领域

本发明涉及一种超声波强化撞击流反应器装置，用于反应沉淀制备粉体材料。

背景技术

工业上最常用的反应器是带搅拌桨叶的搅拌釜反应器，这种反应器的缺点是物料混合不均匀，混合速率较慢，不适于快速反应。撞击流是强化相间传递和混合的有效手段之一，能明显促进受传递控制的化学反应的进行，利用撞击流原理开发的反应器专利有浸没式循环撞击流反应器CN1463789A、CN2455353Y、CN2696710Y、CN200948420；泵送式外循环撞击流反应器CN100364656C，静态射流混合器DE2900083。其中，浸没式循环撞击流反应器在导流筒内安装螺旋桨驱动流体对撞，容易引起螺旋桨及机轴的震动，导致机械故障。泵送式外循环撞击流反应器解决了浸没式循环撞击流反应器的机械及安全运行问题，但流场并不算均匀，在中心区流体速度较大，而周边流体速度小。此外，无论是浸没式还是泵送式循环撞击流反应器，均需要外部机械驱动大量流体高速对撞，能耗极大。近年来，还出现了利用撞击流原理开发的微型反应器，相关专利有CN101733056B，CN102188943A，微型撞击流反应器较传统撞击流反应器的微观混合速率更快，混合更为均匀，但是由于微通道尺寸小，流动阻力大，并且应用于反应沉淀制备固体颗粒容易引起堵塞。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有撞击流反应器装置的不足，提供一种超声波强化撞击流反应器，利用撞击流和超声波两种强化手段，进一步改善物料混合(特别是微观混合)，加快反应速率，同时抑制颗粒团聚，促进颗粒分散，降低撞击流反应器的故障率，特别适用于反应沉淀制备粉体材料。

本发明采用如下技术方案实现：一种超声波强化撞击流反应器，包括反应器机体2、超声波装置1；所述反应器机体2上设有若干进料通道23和若干物料出口26，所述进料通道23设置在反应器内部的撞击腔221四周，所述进料通道23在反应器内部的撞击腔221内交汇处即撞击反应面；所述超声波装置1的变幅杆13插装在反应器机体内，所述变幅杆13的第一端面131对准所述撞击腔221。

进一步的，所述反应器机体2包括套筒21和反应室22，所述反应室22与套筒21通过连接器25连接，所述反应室22内部与套筒21内腔连通，所述撞击腔221位于反应室22内部，所述变幅杆13固定插装在套筒21内,所述进料通道23固设在反应室上与撞击腔221连通，所述物料出口26设置在所述套筒21上。

进一步的，所述变幅杆13为柱体，包括至少两段不同直径的柱体，其中最大横截面积的柱体与套筒21内壁固定密封；其余部分的柱体插装在套筒21内，截面面积小于套筒截面面积；所述第一端面131为变幅杆为插装在反应器机体内的端面。

优选的，所述变幅杆13侧面与套筒21内壁之间的距离小于10cm。

优选的，所述变幅杆13的第一端面131伸入所述反应室的撞击腔221内，所述进料通道23的出口处与第一端面131的垂直距离小于5cm。

优选的，所述物料出口26位于套筒中上部，与变幅杆与套筒内壁之间的通道连通。

进一步的，所述进料通道23采用同轴对置或交叉对置的方式布置在同一水平面上。

优选的，所述进料通道23的端部部分伸入到反应室22内。

进一步的，所述反应室22和套筒21均为筒状结构，所述连接器25为固定套接在反应室22和套筒21对接接口处的筒体，所述连接器25与反应室和套筒之间通过螺纹固定并密封设置。

在本发明中，所述超声波装置1包括超声波发生器11、换能器12和变幅杆13，所述超声波发生器11与换能器12连接，所述换能器12与变幅杆13连接。

本发明的采用超声波和撞击流协同强化化学反应过程，同轴或以一定角度相向对撞的进料通道在撞击腔内形成撞击流，超声波能通过变幅杆传递至撞击流，超声波强化可以促进物料混合、加快化工反应，并且还被用于物料粉碎和颗粒分散等，能够强化反应沉淀过程，促进均匀成核，制备均匀颗粒的纳米材料。本发明在用于反应沉淀结晶时，不仅能够强化混合，促进快速均匀成核；还能够利用超声波能促进颗粒分散，破碎颗粒团聚体，并防止进料通道和出料口堵塞，同时保持反应器内壁面的清洁。本发明结构简单，结构参数便于调整，加工制造及使用便利。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明中的超声波强化撞击流反应器的结构示意图。

图2为图1中的A向局部视图，为本发明中的反应室内部平面示意图。

图3为本发明的撞击流强化反应器在有/无超声波强化下的微观混合性能指标——分隔指数实验结果。

图4为实施例1中制备的硫酸钡超细颗粒扫描电镜。

图5为实施例2中制备的碳酸钙超细颗粒扫描电镜。

图中标号：

1-超声波装置，11-超声波发生器，12-换能器，13-变幅杆，131-第一端面，

2-机体，21-套筒，22-反应室，221-撞击腔，23-进料通道，24-泵，25-连接器，26-物料出口。

具体实施方式

本发明允许有各种实现方式和结构，在本发明范围内的一种具体系统的详细研究将使读者对本发明的整体概念有完整理解，并理解如何应用这些实施方式和结构。

参见图1，本发明的超声波强化撞击流反应器包括反应器机体2、超声波装置1两大部分。其中，反应器机体2上设有若干进料通道23和若干物料出口26，进料通道23设置在反应器内部的撞击腔221四周，进料通道23在反应器内部的撞击腔221内交汇处即撞击反应面；超声波装置1的变幅杆13插装在反应器机体内，变幅杆13的第一端面131对准撞击腔221，超声波装置1包括超声波发生器11、换能器12和变幅杆13，超声波发生器11与换能器12连接，换能器12与变幅杆13连接，第一端面即超声波能量的发射端面，插装在反应器机体内对准撞击腔。

参与反应的物料通过泵24从进料通道23高速射入机体的撞击腔221内，在撞击腔内碰撞并产生湍流，加速化学分子之间的反应，同时，机体内部插装的变幅杆对撞击流反应的区域发射超声波能量，进一步促进物料混合、加快化学反应，并且还可用于物料粉碎和颗粒分散等，能够强化反应沉淀过程，促进均匀成核，最终含有生成沉淀物质的流体从机体的物料出口输出收集。

具体的，反应器机体2包括套筒21和反应室22，反应室22与套筒21通过连接器25连接，反应室22内部与套筒21内腔连通，撞击腔221位于反应室22内部，变幅杆13固定插装在套筒21内,进料通道23固设在反应室上与撞击腔221连通，物料出口26设置在套筒21上。变幅杆13为柱体，包括至少两段不同直径的柱体，其中最大横截面积的柱体与套筒21内壁固定密封；其余部分的柱体插装在套筒21内，截面面积小于套筒截面面积，优选的，变幅杆13侧面与套筒21内壁之间的距离小于10cm，变幅杆与套筒内壁之间的间隙构成输送反应物料的通道，物料出口26设置在套筒中上部，优选上部，与变幅杆与套筒内壁之间的通道连通，物料出口的数量可以为一个或多个。

反应室22和套筒21均为筒状结构，连接器25为固定套接在反应室22和套筒21对接接口处的筒体，连接器25与反应室和套筒之间通过螺纹固定并密封设置，便于反应器机体的拆卸维护。

结合参见图2，进料通道23的数量至少为两条，采用同轴对置或交叉对置的方式布置在同一水平面上，变幅杆13的第一端面131伸入反应室的撞击腔221内，以有效利用超声波能，进料通道23的出口处与第一端面131的垂直距离小于5cm，减少物料进入撞击腔的冲击能量，以保证相互撞击的进料通道出口之间的距离在适当的范围，使撞击流在撞击面处的湍动强度最大；进料通道23的端部部分伸入到反应室22内。

参见图3，采用本发明的超声波强化撞击流反应器，在启动和不启动超声波的操作工况下，对去离子水体系的微观混合的试验结果。结果表明，本发明的反应器系统在启动超声波的情况下，撞击流的微观混合速率明显增强，分隔指数减小；特别是在低流速情况下，分隔指数减小了50％。

以下结合两个具体生产实例对本发明的超声波强化撞击流反应器进行说明。

实施例1

硫酸钡制备

1配置摩尔浓度为0.4mol/L的氯化钡溶液；以及配置摩尔浓度为0.04mol/L的硫酸钾溶液，将配置好的溶液放置于储液槽中；

2在本实施例中，超声波强化撞击流反应器的反应气体和液体进料管径为3mm。将两台连接进料通道的泵流量均设置为100ml/min。同时启动两台泵，并开启超声波发生器，两种反应液流体经过强烈撞击并在超声波能的作用下连续制备硫酸钡；

(3)反应产物经过洗涤、抽滤后，在80℃条件下干燥12小时，产物经过充分研磨后保存；

(4制备的硫酸钡粉体如图4所示，粒径在50-100nm。

实施例2

碳酸钙制备

1配置氢氧化钙饱和溶液，并放置于储液槽中；

2在本实验中，超声波强化撞击流反应器的反应气体和液体进料管径为3mm。调节流量计使二氧化碳反应气体的流量为400ml/min；设置饱和氢氧化钙饱和溶液进料泵的流量为260ml/min；开启超声波发生器，气体和液体经过强烈撞击并在超声能的作用下连续制备碳酸钙；

3反应产物经过洗涤、抽滤后，在80℃条件下干燥12小时，产物经过充分研磨后保存；

4制备的碳酸钙粉体如图5所示，粒径在50-100nm。

以上仅为本发明的优选实施例而已，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.超声波强化撞击流反应器，其特征在于：包括反应器机体(2)、超声波装置(1)；

所述反应器机体(2)上设有若干进料通道(23)和若干物料出口(26)，所述进料通道(23)设置在反应器内部的撞击腔(221)四周，所述进料通道(23)在反应器内部的撞击腔(221)内交汇处即撞击反应面；

所述超声波装置(1)的变幅杆(13)插装在反应器机体内，所述变幅杆(13)的第一端面(131)对准所述撞击腔(221)；

所述反应器机体(2)包括套筒(21)和反应室(22)，所述反应室(22)与套筒(21)通过连接器(25)连接，所述反应室(22)内部与套筒(21)内腔连通，所述撞击腔(221)位于反应室(22)内部，所述变幅杆(13)固定插装在套筒(21)内,所述进料通道(23)固设在反应室上与撞击腔(221)连通，所述物料出口(26)设置在所述套筒(21)上。

2.根据权利要求1所述的超声波强化撞击流反应器，所述变幅杆(13)为柱体，包括至少两段不同直径的柱体，其中最大横截面积的柱体与套筒(21)内壁固定密封；其余部分的柱体插装在套筒(21)内，截面面积小于套筒截面面积；所述第一端面(131)为变幅杆为插装在反应器机体内的端面。

3.根据权利要求2所述的超声波强化撞击流反应器，所述变幅杆(13)侧面与套筒(21)内壁之间的距离小于10cm。

4.根据权利要求3所述的超声波强化撞击流反应器，所述变幅杆(13)的第一端面(131)伸入所述反应室的撞击腔(221)内，所述进料通道(23)的出口处与第一端面(131)的垂直距离小于5cm。

5.根据权利要求4所述的超声波强化撞击流反应器，所述物料出口(26)位于套筒中上部。

6.根据权利要求1所述的超声波强化撞击流反应器，所述进料通道(23)采用同轴对置或交叉对置的方式布置在同一水平面上。

7.根据权利要求5所述的超声波强化撞击流反应器，所述进料通道(23)的端部部分伸入到反应室(22)内。

8.根据权利要求1所述的超声波强化撞击流反应器，所述反应室(22)和套筒(21)均为筒状结构，所述连接器(25)为固定套接在反应室(22)和套筒(21)对接接口处的筒体，所述连接器(25)与反应室和套筒之间通过螺纹固定并密封设置。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的超声波强化撞击流反应器，所述超声波装置(1)包括超声波发生器(11)、换能器(12)和变幅杆(13)，所述超声波发生器(11)与换能器(12)连接，所述换能器(12)与变幅杆(13)连接。