CN106994322A - 一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，该装置包括进料斗(1)、环形进气室(2)、离心流化床体(3)、步进电机(4)、出料斗(5)、床体支撑架(6)、布袋除尘器(7)、发声器(8)、扩声器(9)、出气口(10)、环形布风板(11)、进气口(12)、内出料口(13)、密封垫圈(14)和直角传动齿轮箱(15)。该装置通过离心场和声场强化纳米颗粒流化，能够有效消除纳米颗粒在流化床内出现的沟流、节涌甚至死床等非正常流化现象，加强颗粒聚团的团聚‑破碎过程，强化颗粒间的混合，提高颗粒和主体相间的传热传质能力，且易于实现过程应用及放大，操作可控性强，稳定运行。

Description

一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置
技术领域
本发明涉及一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，属于流化设备领域。
背景技术
纳米颗粒由于粒子尺寸小、比表面积大，具有一系列优异的特性，被广泛应用于化工、电子、陶瓷、生物医学等领域。流态化技术能大幅度提高颗粒粉末间的传热传质效率，纳米颗粒的流态化在许多工业过程中有着重要的作用，主要应用在以下几个方面：
1、纳米颗粒的混合和粉体输送：不少功能材料的制备过程中都需要将不同的纳米颗粒混合均匀或将纳米颗粒均匀分散到其它材料中，流化的纳米颗粒有很好的传质和传热速率，可以实现比机械搅拌等更均匀的混合，并具有设备简单、可连续操作等优点。
2、利用流化床生产、加工纳米材料：纳米颗粒聚团在充分流化下气-固混合度很高，聚团解聚、重聚十分频繁，故流化床技术成为生产、加工先进材料的有效途径。例如碳纳米管、二硫化钨、硅、氮化硅、聚丙烯、石墨烯的化学气相沉积，氧化铝、二氧化硅、二氧化锡、二氧化钛、氧化铁、多晶硅的原子层沉积，材料表面改性(如将亲水性基团改为疏水性基团)，镍颗粒的还原处理等。
3、纳米颗粒的表面改性和包涂：实现散式流态化的纳米颗粒具有聚团尺寸分布均匀、流动性好等优点，在纳米颗粒表面改性方面有很好的应用价值，例如，将表面形状复杂的金属或塑料物件加热至纳米颗粒的熔点后浸入其中，可以实现表面均匀光滑的涂覆。
4、在可持续化学工业中纳米催化剂的流化：气固流化床反应器广泛适用于不同的化学过程，如商用和特种化学品的生产、煤的燃烧和气化、聚合物生产等。在气-固催化过程中催化剂总是以固体形式存在，而纳米级催化剂材料能够快速分散在原料和产品之间，提供了一种新的工艺路线。例如，在利用原料合成天然气(甲烷化)过程中需要除去毒物一氧化碳，纯净的镍/氧化铝催化剂很难被流化，但加入大量氧化铝颗粒后流化性能得到明显提升，催化效果也大大加强。
对于粒径直径较大的颗粒，易于实现较为理想的流态化。而对于原生粒径很小的纳米颗粒，颗粒间具有较强的粘附力，颗粒之间发生相互的粘附而聚结在一起，在合成、输运、存储等过程中形成大且密实的聚团，这些大聚团的存在影响了纳米颗粒的流态化，使其在普通流化过程中容易产生沟流、节涌甚至死床等非正常流化现象，难以实现稳定的流态化，大大降低了气固接触效率，限制了纳米颗粒流化床在工业中的应用。
在传统流化床中纳米颗粒很难实现稳定流化，而外在力场能够很大程度上增强纳米颗粒的流化能力，强化纳米颗粒之间的传热传质能力，从而提高纳米颗粒的利用效率。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，该装置能够通过离心场和声场强化纳米颗粒流化，有效消除纳米颗粒在流化床内出现的沟流、节涌甚至死床等非正常流化现象，加强颗粒聚团的团聚-破碎过程，强化颗粒间的混合，提高颗粒和主体相间的传热传质能力，且易于实现过程应用及放大，操作可控性强，稳定运行。
技术方案：本发明提供了一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，其特征在于：该装置包括进料斗、环形进气室、离心流化床体、步进电机、出料斗、床体支撑架、布袋除尘器、发声器、扩声器、环形布风板、进气口、内出料口和出气口，其中离心流化床体为圆柱形，其侧圆周壁具有一圈由密孔板构成的环形布风板，在环形布风板的外围覆盖有环形进气室，且环形进气室外侧对称位置具有对称的进气口；在离心流化床体的顶部正中位置，贯穿离心流化床体的顶部垂直安装有扩声器，扩声器上面连接有发声器，发声器位于离心流化床体外部；在离心流化床体的顶部一侧布置有进料斗，对应的另一侧布置有出气口，出气口位于离心流化床体内部的一端连接有布袋除尘器；在离心流化床体的底部贴近侧圆周壁的位置对称布置有内出料口；离心流化床体的底部与床体支撑架的上部滑动连接，离心流化床体底部的外侧正中位置安装有直角传动齿轮箱，该直角传动齿轮箱受步进电机控制，使得离心流化床体相对床体支撑架转动；出料斗与床体支撑架下部相连，纳米颗粒在离心流化床体内部流化结束后通过内出料口流至出料斗。
其中：
所述的环形布风板与离心流化床体的侧圆周壁的接触部位设置有密封垫圈。
所述的进气口的数量为2个；所述内出料口的数量为2个。
所述组成环形布风板的密孔板上孔的孔径大小在1μm以下。
所述离心流化床体相对床体支撑架转动的转速在500rpm以下。
发声器的声波频率为50～200Hz，发生器的声压为60～135dB，离心流化床体内部声压与发生器的声压一致。
所述纳米颗粒的原生粒径小于500nm。
所述的离心流化床体中流化气体速度为0.01～0.8m/s。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明中的离心流化床具有普通流化床所不能的优势，即高强度传质传热的特点。在离心力场条件下，纳米颗粒的有效重力为普通流化床中的几倍甚至几十、上百倍，因而流化时气固之间的相互剪切力大为增强，足以克服纳米颗粒间的粘附力，使颗粒聚团破碎，较大程度地改善了流化质量，使纳米颗粒能够在离心流化床中表现出良好流化行为。同时能通过调节转速来调节离心流化床中纳米颗粒所受离心力的大小，从而在高气速条件下保持纳米颗粒稳定散式流态化状态，避免因气泡导致大量气体短路出床层，从而提高气固接触效率。
2、本发明中的声波发生装置垂直安装在离心流化床上方，将声波从流化床顶部传入流化床中，可以有效降低流化床中纳米颗粒聚团的尺寸，使之在很低的操作气速下实现稳定流化，显著地改善纳米粉体的流化质量。而且声能还具有不受颗粒物性限制的特点，流化床是离散颗粒与连续流体的混合体具有准连续介质的特性，声波在非连续介质中的传播具有明显的频散效应和强烈衰减特性，低频高强度的声波可以抑制沟流，改善粘附佳颗粒的流化性能。
综上所述，本发明中的一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，能够通过离心场和声场强化纳米颗粒流化，有效消除纳米颗粒在流化床内出现的沟流、节涌甚至死床等非正常流化现象，加强颗粒聚团的团聚-破碎过程，强化颗粒间的混合，提高颗粒和主体相间的传热传质能力，且易于实现过程应用及放大，操作可控性强，稳定运行。
附图说明
图1是本发明的离心场和声场协同增强纳米颗粒流化床的结构示意图；
图中有：进料斗1、环形进气室2、离心流化床体3、步进电机4、出料斗5、床体支撑架6、布袋除尘器7、发声器8、扩声器9、出气口10、环形布风板11、进气口12、内出料口13、密封垫圈14、直角传动齿轮箱15和纳米颗粒16。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的内容进行清楚、完整的描述。所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置该装置包括进料斗1、环形进气室2、离心流化床体3、步进电机4、出料斗5、床体支撑架6、布袋除尘器7、发声器8、扩声器9、出气口10、环形布风板11、进气口12、内出料口13、密封垫圈14、直角传动齿轮箱15，其中离心流化床体3为圆柱形，其侧圆周壁具有一圈由孔径大小在1μm以下的密孔板构成的环形布风板11，环形布风板11与离心流化床体3的侧圆周壁的接触部位设置有密封垫圈14，在环形布风板11的外围覆盖有环形进气室2，且环形进气室2外侧对称位置具有对称的2个进气口12；在离心流化床体3的顶部正中位置，贯穿离心流化床体3的顶部垂直安装有扩声器9，扩声器9上面连接有发声器8，发声器8位于离心流化床体3外部；在离心流化床体3的顶部一侧布置有进料斗1，对应的另一侧布置有出气口10，出气口10位于离心流化床体3内部的一端连接有布袋除尘器7；在离心流化床体3的底部贴近侧圆周壁的位置对称布置有2个内出料口13；离心流化床体3的底部与床体支撑架6的上部滑动连接，相对床体支撑架6转动，离心流化床体底部的外侧正中位置安装有直角传动齿轮箱，离心流化床体3和步进电机4通过直角传动齿轮箱15进行传动；出料斗5与床体支撑架6下部相连，纳米颗粒16在离心流化床体3内部流化结束后通过内出料口13流至出料斗5。
将上述纳米颗粒流化装置进行如下试验：采用原生粒径直径为200nm的未改性氧化钛颗粒进行流化实验。该物料具有很强的粘附性，是典型的粘附性纳米颗粒物。打开进料斗，将氧化钛纳米颗粒放入离心流化床体中，离心流化床体转速为350rpm，声波发生装置发出频率为120Hz、声压为110dB。流化气体从环形进气室左右两侧对称进气口进入，经过环形布风板将离心流化床体内的纳米氧化钛颗粒流化起来，最终的气体通过布袋除尘器后排放。床内流化气体速度为0.01～0.8m/s，实现了典型的粘附性颗粒纳米氧化钛的稳定流态化。

Claims (8)

1.一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，其特征在于：该装置包括进料斗(1)、环形进气室(2)、离心流化床体(3)、步进电机(4)、出料斗(5)、床体支撑架(6)、布袋除尘器(7)、发声器(8)、扩声器(9)、出气口(10)、环形布风板(11)、进气口(12)、内出料口(13)和直角传动齿轮箱(15)，其中离心流化床体(3)为圆柱形，其侧圆周壁具有一圈由密孔板构成的环形布风板(11)，在环形布风板(11)的外围覆盖有环形进气室(2)，且环形进气室(2)外侧对称位置具有对称的进气口(12)；在离心流化床体(3)的顶部正中位置，贯穿离心流化床体(3)的顶部垂直安装有扩声器(9)，扩声器(9)上部连接有发声器(8)，发声器(8)位于离心流化床体(3)外部；在离心流化床体(3)的顶部一侧布置有进料斗(1)，对应的另一侧布置有出气口(10)，出气口(10)位于离心流化床体(3)内部的一端连接有布袋除尘器(7)；在离心流化床体(3)的底部贴近侧圆周壁的位置对称布置有内出料口(13)；离心流化床体(3)的底部与床体支撑架(6)的上部滑动连接，离心流化床体(3)底部的外侧正中位置安装有直角传动齿轮箱(15)，该直角传动齿轮箱(15)受步进电机(4)控制，使得离心流化床体(3)相对床体支撑架(6)转动；出料斗(5)与床体支撑架(6)下部相连，纳米颗粒(16)在离心流化床体(3)内部流化结束后通过内出料口(13)流至出料斗(5)。
2.如权利要求1所述的一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，其特征在于：所述的环形布风板(11)与离心流化床体(3)侧圆周壁的接触部位设置有密封垫圈(14)。
3.如权利要求1所述的一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，其特征在于：所述的进气口(12)的数量为2个；所述内出料口(13)的数量为2个。
4.如权利要求1所述的一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，其特征在于：所述组成环形布风板(11)的密孔板上孔的孔径在1μm以下。
5.如权利要求1所述的一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，其特征在于：所述离心流化床体(3)相对床体支撑架(6)转动的转速在500rpm以下。
6.如权利要求1所述的一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，其特征在于：发声器(8)的声波频率为50～200Hz，发生器(8)的声压为60～135dB。
7.如权利要求1所述的一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，其特征在于：所述纳米颗粒(14)的原生粒径小于500nm。
8.如权利要求1所述的一种离心场和声场协同增强纳米颗粒流化的装置，其特征在于：所述的离心流化床体(3)中流化气体速度为0.01～0.8米/秒。
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