CN110756375B - 一种双层连续式超声雾化分级装置及分级方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双层连续式超声雾化分级装置及分级方法，分级装置包括第一容器，第一容器底部连接雾化管道的一端，雾化管道的另一端连接至第二容器，第二容器通过循环管道连接至第一容器；雾化管道具有水平段，其内部沿水平方向设有多个压电陶瓷超声雾化器，水平段的雾化管道通过多个连通器与水雾输送管道连接，所述水雾输送管道的一端为气体入口端，另一端连接气液分离器；位于多个连通器下游的雾化管道中设有水位溢流装。本发明的双层连续式超声雾化分级方法的分级精度较高，能满足亚粉体颗粒的分级要求，可进行连续化的超声雾化分级，分级精度可达亚微米级，生产效率高。

Description

一种双层连续式超声雾化分级装置及分级方法

技术领域

本发明涉及粉体分级设备技术领域，尤其是一种双层连续式超声雾化分级装置及分级方法。

背景技术

微细粉末作为一类重要的工业原料，在轻工业、食品、化工、能源、宇航等领域的应用日益扩大。随着对微细粉体材料的粒度大小、纯净度、形貌等方面的性能要求逐渐提高，进而推动粉末制备技术朝着窄粒度、高精度、低成本和亚微米级的方向发展。

超声雾化是利用超声能量使液体在气相中形成微细雾滴的过程，超声波雾化法是将超细粉末目标体溶解于特定的溶剂中，并配成一定浓度的母液，然后经超声雾化器产生微米级的雾滴，该雾滴被载气带走后可得到均匀粒径的超细粉体材料。由于工艺方法决定的粉体特性诸如颗粒尺寸大小、粒径分布、粉末几何形状等方面难以满足某些领域对高性能粉末的使用要求。在公告号为CN 209189103U《超声波雾化器》的专利中提供了一种新型超声雾化器，主要包括外壳体以及雾化发生单元，雾化后气体能够快速散开，提高了出雾量，但是本装置不能对雾化液体进行连续雾化，也无法调节雾化量。在公告号为CN109647639A《一种亚微米级粉末的超声波雾化分级装置及其应用》提供的超声波雾化分级装置不能有效控制超声悬浮液的液位高度，不能适应不同浓度的悬浮液。传统的粉体分级最小颗粒粒径一般在微米级范围，还缺乏亚微米级颗粒分级技术。超声雾化技术可应用于亚微米颗粒分级。本发明专利的目的是开发一种满足亚微米级颗粒分级要求、能实现连续化分级的超声雾化分级装置。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种双层连续式超声雾化分级装置及分级方法，可实现亚微米级颗粒的分级，同时可以使悬浮液进行连续的颗粒分级，调节悬浮液高度，适应不同浓度溶液的悬浮液超声雾化。

本发明所采用的技术方案如下：

一种双层连续式超声雾化分级装置，包括第一容器，第一容器侧方位连接雾化管道的一端，雾化管道的另一端连接至第二容器，第二容器通过循环管道连接至第一容器；雾化管道具有水平段，其内部沿水平方向设有多个压电陶瓷超声雾化器，水平段的雾化管道通过多个连通器与水雾输送管道连接，所述水雾输送管道的一端为气体入口端，另一端连接气液分离器；位于多个连通器下游的雾化管道中设有水位溢流装置。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述压电陶瓷超声雾化器的结构为：包括金属基片，金属基片中部设有圆形凹槽，圆形凹槽中均匀密布有多个微型锥孔，金属基片的上表面粘接有压电陶瓷片，压电陶瓷片上开有与所述凹槽同轴设置的圆形通孔，微型锥孔的小径端位于靠近圆形通孔的一侧；压电陶瓷片的上表面及下表面焊接有导线，导线与水声功率放大器连接。

多个连通器间隔设置，分别与多个压电陶瓷超声雾化器的位置上下对应，每个连通器的结构为：包括相互连通的下法兰盘和上法兰盘，所述下法兰盘和上法兰盘分别设置在雾化管道及水雾输送管道的侧壁，下法兰盘下侧设有与雾化管道连通的水雾入口，下法兰盘上侧设有与水雾输送管道连通的水雾出口。

金属基片为直径为20mm、厚度0.1mm的合金金属片，所述圆形凹槽的外径为2.5mm；每个微型锥孔小径端的直径为10μm，大径端的直径为47μm；圆形通孔的直径为8mm。

所述气液分离器的结构：包括细液滴收集器，其具有盛放液体的腔体，所述腔体顶面与水雾输送管道的末端连通，所述腔体底面连接气体出口管的一端，所述气体出口管的端部高出腔体底面，并且与水雾输送管道的末端之间留有间距；水雾输送管道中设有与其同轴的中心体，所述中心体呈柱状结构，其外壁上均布有多个沿轴向螺旋状延伸的导流叶片，中心体同时贯穿于水雾输送管道、细液滴收集器及气体出口管中。

所述水位溢流装置的结构：水位溢流装置包括用法兰盘固定在管道中的溢流板，所述溢流板为PVC材料，悬浮液通过溢流孔流至第二容器中，防止大颗粒物料的累计，溢流板底部开有底流孔。

第一容器与雾化管道的连接管路上设有压力表和流量阀；循环管道上设有循环泵；水雾输送管道为文丘里管道结构。

一种双层连续式超声雾化分级装置的分级方法，具体流程如下：

选择具有合适开口高度的溢流孔的溢流板，安装好；

第一容器中盛有混合均匀的悬浮液，开启压电陶瓷超声雾化器及水声功率放大器，从气体入口端向水雾输送管道中通入氮气；

开启流量阀控制悬浮液流量，确保悬浮液在雾化管道内流经压电陶瓷超声雾化器，且悬浮液在雾化管道内为非满流状态；

压电陶瓷超声雾化器产生振动，悬浮液流经微型锥孔、圆形通孔，其中含有细径固态颗粒的液滴从密布的多个微型锥孔的小径端排出，形成细小雾化液滴；首次无法雾化的悬浮液流入第二容器中，通过循环管道及循环泵回流至第一容器中，参与下次雾化；

雾化液滴在压强差的作用下，通过多个连通器从雾化管道向水雾输送管道中流动，在氮气气流作用下流向气液分离器；细小雾化液滴流经气液分离器，通过导流叶片的阻挡，在导流叶片上富集并沿导流叶片流动至细液滴收集器中，氮气则通过气体出口管流出。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过压电陶瓷超声雾化器实现不同粒径液滴的雾化，利用伯努利原理，将雾化后的细小液滴通过水雾输送管道经气液分离器进行液滴分离，同时通过循环管道和实现连续分级，大大提高了分级效率，可使分级精度可达亚微米级。同时，本发明还具有如下优点：

(1)利用循环泵对悬浮液进行循环处理，提高利用率。

(2)压电陶瓷超声雾化器由于空化作用，会使其内部温度升高，但超声所雾化的溶液(雾滴)处于不断流动的状态，故可以解决超声作用过程中温度过高的问题。

(3)雾化管道和水雾输送管道通过连通器连接，所用水雾输送管道为丘文里结构，根据伯努利原理，水雾输送管道气流速度快，压强小，雾化管道水流速度小，压强大，故雾化的液滴在压力差的作用下由雾化管道向水雾输送管道流动，可以实现溶液的有效雾化，提高其分级效率。

(4)雾化后的液滴进入装有导流叶片的气液分离器后，可以有效实现气液分离，由于液体与气体的质量与密度不同，液滴会在导流叶片阻挡及重力作用下进入细液滴收集器，而氮气则从出口排出。

(5)可以调节流量阀来控制入水口的流量，同时针对不同的物料悬浮液，更换不同溢流板，该不同的溢流板上的溢流孔开设高度不同，确保悬浮液在雾化管道内流经压电陶瓷超声雾化器同时控制水位，且悬浮液在雾化管道内为非满流状态，确保超声雾化效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中A部放大图。

图3为本发明压电陶瓷超声雾化器的结构示意图。

图4为本发明气液分离器的安装结构示意图。

图5为本发明溢流板的结构示意图。

图中：1、第一容器；2、循环管道；3、循环泵；4、第二容器；5、压电陶瓷超声雾化器；51、压电陶瓷片；52、金属基片；53、微型锥孔；54、圆形通孔；6、雾化管道；7、流量阀；8、压力表；9、气体入口端；10、水雾输送管道；11、连通器；111、上法兰盘；112、水雾入口；113、水雾出口；114、下法兰盘；12、水位溢流装置；121、溢流孔；122、溢流板；123、底流孔；13、气液分离器；131、中心体；132、导流叶片；134、细液滴收集器；135、气体出口管。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实施例的双层连续式超声雾化分级装置，包括第一容器1，第一容器1侧方位连接雾化管道6的一端，雾化管道6的另一端连接至第二容器4，第二容器4通过循环管道2连接至第一容器1；雾化管道6具有水平段，其内部沿水平方向设有多个压电陶瓷超声雾化器5，水平段的雾化管道6通过多个连通器11与水雾输送管道10连接，水雾输送管道10的一端为气体入口端9，另一端连接气液分离器13；位于多个连通器11下游的雾化管道6 中设有水位溢流装置12。

如图3所示，压电陶瓷超声雾化器5的结构为：包括金属基片52，金属基片52中部设有圆形凹槽，圆形凹槽中均匀密布有多个微型锥孔53，金属基片 52的上表面粘接有压电陶瓷片51，压电陶瓷片51上开有与凹槽同轴设置的圆形通孔54，微型锥孔53的小径端位于靠近圆形通孔54的一侧；压电陶瓷片51 的上表面及下表面焊接有导线，导线与水声功率放大器连接(图中未示出，为本领域常用技术手段，因此不再赘述)。

多个连通器11间隔设置，分别与多个压电陶瓷超声雾化器5的位置上下对应，每个连通器11的结构为：包括相互连通的下法兰盘114和上法兰盘111，下法兰盘114和上法兰盘111分别设置在雾化管道6及水雾输送管道10的侧壁，下法兰盘114下侧设有与雾化管道6连通的水雾入口113，下法兰盘114上侧设有与水雾输送管道10连通的水雾出口112。

金属基片52为直径为20mm、厚度0.1mm的合金金属片，圆形凹槽的外径为 2.5mm；每个微型锥孔53小径端的直径为10μm，大径端的直径为47μm；圆形通孔54的直径为8mm。

如图4所示，气液分离器13的结构：包括细液滴收集器134，其具有盛放液体的腔体，腔体顶部与水雾输送管道10的末端连通，腔体底部连接气体出口管135的一端，气体出口管135的顶部高出腔体底部，并且与水雾输送管道10 的末端之间留有间距；水雾输送管道10中设有与其同轴的中心体131，中心体 131呈柱状结构，其外壁上均布有多个沿轴向螺旋状延伸的导流叶片132，中心体131同时贯穿于水雾输送管道10、细液滴收集器134及气体出口管135中。

如图5所示，水位溢流装置12用法兰结构固定在雾化管道6中，包括溢流板122，所述溢流板122为PVC材料，溢流板122的中部开有溢流孔121和底流孔123，悬浮液从溢流孔121流至第二容器4中，所述溢流孔121为矩形，为防止颗粒物料的沉积，开有底流孔123。

水位溢流装置12的工作原理：针对需要分级的不同悬浮液，更换具有不同高度溢流孔121的溢流板122(或者更换具有沿高度方向开口尺寸不同的溢流孔的溢流板)，同时结合调节流量阀7来控制悬浮液水位高低，从而控制悬浮液在雾化管道6内的高度，防止悬浮液水位过高导致超声雾化效率下降甚至失效。合适的悬浮液水位高度可使压电陶瓷超声雾化器5发挥最大作用，同时开有底流孔123，防止颗粒物料在雾化管道6底部沉积。

水位溢流装置12的设计初衷：在超声功率一定的条件下，雾化管道6内液位提高，被超声处理的液体体积增加，导致单位液体的超声功率密度下降超声雾化效果下降。同时，在液位一定、超声功率一定的条件下，如果悬浮液浓度增加，单位时间内需要雾化的液滴数量增加，因此只能降低液位高度，减少被超声处理的悬浮液体积，保持超声雾化效果。例如在采用本发明装置进行分级过程中：在悬浮液质量浓度为0.1％时，水声功率放大器为200W时，通过溢流孔121调节悬浮液位高度为10mm；在悬浮液质量浓度为1％时，水声功率放大器为200W时，通过溢流孔121调节悬浮液位高度为2mm。从而保证超声雾化效果。

第一容器1与雾化管道6的连接管路上设有压力表8和流量阀7；循环管道2上设有循环泵3；水雾输送管道10为文丘里管道结构。

本实施例的双层连续式超声雾化分级装置的分级方法，具体流程如下：

第一容器1中盛有混合均匀的悬浮液，开启压电陶瓷超声雾化器5及水声功率放大器，从气体入口端9向水雾输送管道10中通入氮气；

通过调节螺栓控制弹性止水块升降，从而控制溢流闸板位于雾化管道6中的高度；开启流量阀7控制悬浮液流量，确保悬浮液在雾化管道 6内流经压电陶瓷超声雾化器5，且悬浮液在雾化管道6内为非满流状态；

压电陶瓷超声雾化器5产生振动，悬浮液流经微型锥孔53、圆形通孔54，其中含有细径固态颗粒的液滴从密布的多个微型锥孔53的小径端排出，形成细小雾化液滴；首次无法雾化的悬浮液流入第二容器4中，通过循环管道2及循环泵3回流至第一容器1中，参与下次雾化；

细小雾化液滴在压强差的作用下，通过多个连通器11从雾化管道6向水雾输送管道10中流动，在氮气气流作用下流向气液分离器13；

细小雾化液滴流经气液分离器13，通过导流叶片132的阻挡，在导流叶片 132上富集并沿导流叶片132流动至细液滴收集器134中，氮气则通过气体出口管135流出。

上述过程中，最初盛放在第一容器1中的悬浮液的质量浓度为0.1～1％，颗粒的中值粒径为0.108μm；循环泵3的流量为1～5m³/h；氮气的流速为5～ 15L/min；超声雾化器的频率介于800kHz～1.72MHz。

本实施例中采用西安安泰电子ATA-L系列水声功率放大器。

本发明通过气液分离器13将细小液滴与气体进行分离，通过细液滴收集器 134不断收集含有细颗粒的液滴，检测细液滴收集器134中溶液的颗粒中值粒径为0.069μm，从而实现颗粒的连续分级，极大提高了分级效率。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种双层连续式超声雾化分级装置，其特征在于：包括第一容器（1），第一容器（1）左侧连接雾化管道（6）的一端，雾化管道（6）的另一端连接至第二容器（4），第二容器（4）通过循环管道（2）连接至第一容器（1）；雾化管道（6）具有水平段，其内部沿水平方向设有多个压电陶瓷超声雾化器（5），水平段的雾化管道（6）通过多个连通器（11）与水雾输送管道（10）连接，所述水雾输送管道（10）的一端为气体入口端（9），另一端连接气液分离器（13）；位于多个连通器（11）下游的雾化管道（6）中设有水位溢流装置（12）；

多个连通器（11）间隔设置，分别与多个压电陶瓷超声雾化器（5）的位置上下对应，每个连通器（11）的结构为：包括相互连通的下法兰盘（114）和上法兰盘（111），所述下法兰盘（114）和上法兰盘（111）分别设置在雾化管道（6）及水雾输送管道（10）的侧壁，下法兰盘（114）下侧设有与雾化管道（6）连通的水雾入口（113），下法兰盘（114）上侧设有与水雾输送管道（10）连通的水雾出口（112）；

所述水位溢流装置（12）的结构：包括溢流板（122），其通过法兰装置垂向安装在雾化管道（6）中，溢流板（122）的横截面中部开有溢流孔（121），底部与雾化管道（6）管壁之间形成有底流孔（123）；溢流板（122）采用PVC材质。

2.如权利要求1所述的双层连续式超声雾化分级装置，其特征在于：所述压电陶瓷超声雾化器（5）的结构为：包括金属基片（52），金属基片（52）中部设有圆形凹槽，圆形凹槽中均匀密布有多个微型锥孔（53），金属基片（52）的上表面粘接有压电陶瓷片（51），压电陶瓷片（51）上开有与所述凹槽同轴设置的圆形通孔（54），微型锥孔（53）的小径端位于靠近圆形通孔（54）的一侧；压电陶瓷片（51）的上表面及下表面焊接有导线，导线与水声功率放大器连接。

3.如权利要求2所述的双层连续式超声雾化分级装置，其特征在于：金属基片（52）为直径为20 mm、厚度0.1 mm的合金金属片，所述圆形凹槽的外径为2.5 mm；每个微型锥孔（53）小径端的直径为10 μm，大径端的直径为47 μm；圆形通孔（54）的直径为 8 mm。

4.如权利要求1所述的双层连续式超声雾化分级装置，其特征在于：所述气液分离器（13）的结构：包括细液滴收集器（134），其具有盛放液体的腔体，所述腔体顶面与水雾输送管道（10）的末端连通，所述腔体底面连接气体出口管（135）的一端，所述气体出口管（135）的端部高出腔体底面，并且与水雾输送管道（10）的末端之间留有间距；水雾输送管道（10）中设有与其同轴的中心体（131），所述中心体（131）呈柱状结构，其外壁上均布有多个沿轴向螺旋状延伸的导流叶片（132），中心体（131）同时贯穿于水雾输送管道（10）、细液滴收集器（134）及气体出口管（135）中。

5.如权利要求1所述的双层连续式超声雾化分级装置，其特征在于：第一容器（1）与雾化管道（6）的连接管路上设有压力表（8）和流量阀（7）；循环管道（2）上设有循环泵（3）；水雾输送管道（10）为文丘里管道结构。

6.一种利用权利要求1所述的双层连续式超声雾化分级装置的分级方法，其特征在于：具体流程如下：

选择具有合适开口高度溢流孔（121）的溢流板（122），通过法兰装置安装在雾化管道（6）中；

第一容器（1）中盛有混合均匀的悬浮液，开启压电陶瓷超声雾化器（5）及水声功率放大器，从气体入口端（9）向水雾输送管道（10）中通入氮气；

开启流量阀（7）控制悬浮液流量，确保悬浮液在雾化管道（6）内流经压电陶瓷超声雾化器（5），且悬浮液在雾化管道（6）内为非满流状态；

压电陶瓷超声雾化器（5）产生振动，悬浮液流经微型锥孔（53）、圆形通孔（54），其中含有细径固态颗粒的液滴从密布的多个微型锥孔（53）的小径端排出，形成细小雾化液滴；首次无法雾化的悬浮液流入第二容器（4）中，通过循环管道（2）及循环泵（3）回流至第一容器（1）中，参与下次雾化；

细小雾化液滴在压强差的作用下，通过多个连通器（11）从雾化管道（6）向水雾输送管道（10）中流动，在氮气气流作用下流向气液分离器（13）；

细小雾化液滴流经气液分离器（13），通过导流叶片（132）的阻挡，在导流叶片（132）上富集并沿导流叶片（132）流动至细液滴收集器（134）中，氮气则通过气体出口管（135）流出。

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