CN110833805B - 一种制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及化工反应技术装备领域，具体涉及一种制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器，其特征在于，包括主体，所述主体上依次相互连通地设置有：用于为反应提供高速射流的进料通道、使高速射流形成涡流流动和作为颗粒反应场所的反应腔体、使颗粒聚并和破碎的收缩段腔体以及用于输出细微颗粒的出料通道，所述进料通道出料端的射流流动初始方向与反应腔的中轴线异面垂直并与反应腔内壁相切。本发明提供的快速、可控制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器，该设备具有结构简单、操作安全、反应快速、低能耗，同时能够满足微细颗粒粉体材料的工业标准和需求。

Description

一种制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器
技术领域
本发明涉及化工反应技术装备领域，具体的涉及一种制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器。
背景技术
微细颗粒材料广泛应用于高分子复合材料、电子封装材料、精密陶瓷材料、橡胶、造纸、塑料、粘结剂、高档填料、涂料、光导纤维、精密铸造、制药，导电涂层、医疗、绿色家电、催化材料、新能源、电镀等领域。超细化使其晶体结构和表面电子结构发生变化，伴随较高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性等特性，在诸多领域应用潜力巨大，是重要的战略新兴材料，其前景备受人们的关注。
微细颗粒制备包括物理和化学两种方法，物理方法包括机械粉碎法，蒸发凝聚法，和离子溅射法等，往往伴随大量能量消耗，且不适用于连续生产。化学液相法是目前实验室和工业上应用最广泛的制备微细颗粒材料的方法，与其他方法相比，液相法具有反应条件温和，易控制，可精准控制化学组成，易于添加微量有效成分，工业化成本低的特点。
化学液相法包括溶胶-凝胶法，沉淀法，水热法和微乳液法。溶胶-凝胶法和微乳液法易于得到高纯度产品，但都存在不易控制，且不易连续生产的缺点。水热法是在高温高压的条件下，以水作为反应介质，使物质在溶液中进行反应的一种无机制备方法，但高温高压条件不易控制，且需要大量能量输入。沉淀法是目前化学液项制备中最为普遍的方法，是将沉淀剂加入金属盐中进行沉淀后加热分解得到粉体的方法。此方法反映成本低，过程简单，但反应时间较长，颗粒均一性差。
针对上述不足，需要研发一种快速制备微细颗粒材料的设备，该设备应具有结构简单、操作安全、反应快速、低能耗等特点，同时能够满足微细颗粒粉体材料制备的工业化需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种快速、可控制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器，该设备具有结构简单、操作安全、反应快速、低能耗，同时能够满足微细颗粒粉体材料的工业标准和需求，以解决背景技术中提出的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器，其特征在于，包括主体，所述主体上依次相互连通地设置有：用于为反应提供高速射流的进料通道、使高速射流形成涡流流动和作为颗粒反应场所的反应腔体、使颗粒聚并和破碎的收缩段腔体以及用于输出细微颗粒的出料通道，所述反应腔体和收缩段腔体的横截面为圆形，且反应腔体和收缩段腔体的中轴线重合，所述收缩段腔体的直径从进料端往出料端方向逐渐减小，所述反应腔体的直径大于或等于收缩段腔体的最大直径，所述进料通道出料端的射流流动初始方向与反应腔的中轴线异面垂直并与反应腔内壁相切。
进一步的，所述进料通道设有两个，且两个进料通道呈中心对称布置。
进一步的，所述反应腔体的高度与进料通道的直径相等。
进一步的，所述进料通道为直管，进料通道的中轴线与反应腔体的中轴线异面垂直，并与反应腔体内壁的同心圆相切，所述出料通道为直管，所述出料通道和反应腔体、收缩段腔体的中轴线重合，出料通道的直径大于收缩段腔体出料端的直径。
进一步的，所述反应腔体为圆柱形，所述收缩段腔体的旋转母线为弧形。
进一步的，所述进料通道的进料端设有进料口，所述出料通道的出料端设有出料口，所述进料口和出料口上均通过螺纹连接带有变径装置的圆管件。
进一步的，还包括与主体密封连接的上盖，所述主体上端面开设有与反应腔连通的连接口，该连接口边缘设有内密封槽，所述主体上端面在内密封槽外开设有外密封槽，所述内密封槽和外密封槽内设有密封圈。
进一步的，所述上盖开设有定位孔，所述主体上开设有与定位孔匹配的螺纹孔，所述上盖和主体间通过穿过定位孔和螺纹孔的紧固螺栓固定连接。
进一步的，所述上盖靠近反应腔体一侧设有设备连接端头，该设备连接端头直径与连接口相配合，所述设备连接端头与超声波发生装置连接。
进一步的，所述上盖和主体通过超声波焊接。
由上述描述可知，本发明提供的制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器具有如下有益效果：采用两股高速射流相互混合形成涡流流动。有效利用涡流流动强化混合表现和相间传递特性，达到液体进行快速反应过程不受传递限制的目的，总过程强度高，小设备大生产；结构简单，设备成本低，能量消耗少，当上盖和本体采用螺栓连接时，便于清洗和维护。本反应器具有以下特点：(1)反应物溶液经进料管道进入反应腔体，并受反应腔体几何结构的影响，形成类似兰金涡的涡流流动。该涡流流动具有宏观混合和微观混合强烈的特点，有利于加快化学反应速率。(2)当上盖接入超声波发生装置后，腔体中的涡流流动形成的均匀强剪切场受超声作用影响进一步增加湍流强度，特别是超声的空化作用在微观尺度下更加有利于强化相间传质过程，有效抑制产物颗粒的长大，从而快速生成大量微小晶核。(3)收缩段腔体直径减小，腔体内压强随直径减小而增大，从而增大流体驱动力，实现对入口流体的再次加速，此时生成的产物仍处在流场控制下,小颗粒聚并大颗粒破碎，从而使其平均粒径分布更加均匀。(4)流体在流场中的旋转加强局部湍流动能和局部剪切应力，形成大量湍流涡旋。与固体颗粒尺度相近的湍流涡旋对初生态微晶产生强烈剪切作用，有利于固体表面钝化和稳定。(5)本反应器可加快反应过程，特别是反应沉淀过程，得到形貌规则、颗粒较小、粒径分布较窄的微细粉体材料。
附图说明
图1为本发明制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器的立体结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为图1的前视图。
图5为图4的B-B剖视图。
图6为图1的半剖立体结构示意图。
图7为主体的立体结构示意图。
图8为上盖的立体结构示意图。
图9为本发明制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器的的车间布局示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
如图所示，本发明的制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器，包括主体1，主体1上依次相互连通地设置有：用于为反应提供高速射流的进料通道2、使高速射流形成涡流流动和作为颗粒反应场所的反应腔体3、使颗粒聚并和破碎的收缩段腔体4以及用于输出细微颗粒的出料通道5；反应物溶液在反应器中的流向依次为进料通道2、反应腔体3、收缩段腔体4和出料通道5。
反应腔体3和收缩段腔体4的横截面为圆形，且反应腔体3和收缩段腔体4的中轴线重合，收缩段腔体4的直径从进料端往出料端方向逐渐减小，反应腔体3的直径大于或等于收缩段腔体4的最大直径。优选的，反应腔体3为圆柱形，收缩段腔体4的旋转母线为弧形。
进料通道2出料端的射流流动初始方向与反应腔的中轴线异面垂直并与反应腔内壁相切。优选的，进料通道2为直管，进料通道2的中轴线与反应腔体3的中轴线异面垂直，并与反应腔体3内壁的同心圆相切，出料通道5为直管，出料通道5和反应腔体3、收缩段腔体4的中轴线重合，出料通道5的直径大于收缩段腔体4出料端的直径。
本实例中，进料通道2设有两个，且两个进料通道2呈中心对称布置；在其他实施例中，进料通道2可以为大于二的整数个，各进料通道2以反应腔体3的中轴等角度圆周阵列布置。
优选的，反应腔体3的高度与进料通道2的直径相等。
进料通道2的进料端设有进料口21，出料通道5的出料端设有出料口51，如图9所示，进料口21和出料口51上还可通过螺纹连接带有变径装置的圆管件6，进料口21和出料口51设有内螺纹，圆管件6设有与内螺纹配合的外螺纹，内螺纹和外螺纹在附图中未进行图示，变径装置为可为变径接头。
本发明的制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器还包括与主体1密封连接的上盖7，主体1和上盖7的连接面之间设有密封槽和密封圈14，主体1上端面开设有与反应腔连通的连接口11。本实施例中，连接口11边缘设有内密封槽12，主体1上端面在内密封槽12外侧开设有外密封槽13，内密封槽12和外密封槽13内设有密封圈14，内密封圈14和内密封槽12的俯视投影形状为圆形，外密封圈14和外密封槽13的俯视投影形状为正方型；在其他实施例中，密封槽和密封圈14的数量和形状可为其他形式，比如密封槽和密封圈14的数量可为1个或大于2的整数个，密封槽和密封圈14的形状可为其他形状(密封槽和密封圈14的形状需与主体1形状相适配)。
本实施例中，上盖7开设有定位孔71，主体1上开设有与定位孔71匹配的螺纹孔15，上盖7和主体1间通过穿过定位孔71和螺纹孔15的紧固螺栓固定连接，螺纹孔15的螺纹和紧固螺栓在附图中未进行图示，本实施例中，定位孔71和螺纹孔15的数量均为8个，主体1和上盖7闭合后呈矩形，定位孔71和螺纹孔15分布于四个角和边线中间，在其他实施例中，定位孔71和螺纹孔15的数量可为其他整数个；此外，在其他实施例中，上盖7和主体1还可通过超声波进行焊接固定连接，或是焊接和螺栓连接相结合实现固定固定连接，上盖7和主体1的连接方式包括但不限于上述连接方式。
上盖7靠近反应腔体3一侧还可设有设备连接端头72，该设备连接端头72为与连接口11形状配合的圆柱形，该设备连接端头72直径与连接口11相配合，设备连接端头72与超声波发生装置连接，设备连接端头72的内部结构未在附图中进行图示。当无需使用超声波发生装置时仍旧以同样大小和形状的上盖7密封。
主体1和上盖7可通过对金属材料进行钻孔、铣削等加工工艺获得，也可通过模具的压铸、锻压成型、冲压，并结合焊接等工艺加工成型，主体1和上盖7的加工工艺包括但不限于上述加工工艺。
本发明提供的制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器在实际生产应用中，既能以单独的单元作为生产设备，也可采用多个单元串联工作，串联工作时，上级单元的出料口51连接下一级单元的进料口21，可根据工程实际需要控制最终成形的颗粒尺寸。
本发明提供的制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器具有如下有益效果：采用两股高速射流相互混合形成涡流流动。有效利用涡流流动强化混合表现和相间传递特性，达到液体进行快速反应过程不受传递限制的目的，总过程强度高，小设备大生产；结构简单，设备成本低，能量消耗少，当上盖7和本体采用螺栓连接时，便于清洗和维护。本反应器具有以下特点：(1)反应物溶液经进料管道进入反应腔体3，并受反应腔体3几何结构的影响，形成类似兰金涡的涡流流动。该涡流流动具有宏观混合和微观混合强烈的特点，有利于加快化学反应速率。(2)当上盖7接入超声波发生装置后，腔体中的涡流流动形成的均匀强剪切场受超声作用影响进一步增加湍流强度，特别是超声的空化作用在微观尺度下更加有利于强化相间传质过程，有效抑制产物颗粒的长大，从而快速生成大量微小晶核。(3)收缩段腔体4直径减小，腔体内压强随直径减小而增大，从而增大流体驱动力，实现对入口流体的再次加速，此时生成的产物仍处在流场控制下,小颗粒聚并大颗粒破碎，从而使其平均粒径分布更加均匀。(4)流体在流场中的旋转加强局部湍流动能和局部剪切应力，形成大量湍流涡旋。与固体颗粒尺度相近的湍流涡旋对初生态微晶产生强烈剪切作用，有利于固体表面钝化和稳定。(5)本反应器可加快反应过程，特别是反应沉淀过程，得到形貌规则、颗粒较小、粒径分布较窄的微细粉体材料。
上述仅为本发明的若干具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器，其特征在于，包括主体，所述主体上依次相互连通地设置有：用于为反应提供高速射流的进料通道、使高速射流形成涡流流动和作为颗粒反应场所的反应腔体、使颗粒聚并和破碎的收缩段腔体以及用于输出细微颗粒的出料通道，
所述反应腔体和收缩段腔体的横截面为圆形，且反应腔体和收缩段腔体的中轴线重合，所述收缩段腔体的直径从进料端往出料端方向逐渐减小，所述反应腔体的直径大于或等于收缩段腔体的最大直径，所述进料通道出料端的射流流动初始方向与反应腔的中轴线异面垂直并与反应腔内壁相切；
所述反应腔体的高度与进料通道的直径相等；
还包括与主体密封连接的上盖，所述主体上端面开设有与反应腔连通的连接口，该连接口边缘设有内密封槽，所述主体上端面在内密封槽外开设有外密封槽，所述内密封槽和外密封槽内设有密封圈；
所述上盖开设有定位孔，所述主体上开设有与定位孔匹配的螺纹孔，所述上盖和主体间通过穿过定位孔和螺纹孔的紧固螺栓固定连接；
所述上盖靠近反应腔体一侧设有设备连接端头，该设备连接端头直径与连接口相配合，所述设备连接端头与超声波发生装置连接；
反应物溶液经进料管道进入反应腔体，并受反应腔体几何结构的影响，形成类似兰金涡的涡流流动；当上盖接入超声波发生装置后，腔体中的涡流流动形成的均匀强剪切场受超声作用影响进一步增加湍流强度，超声的空化作用在微观尺度下更加有利于强化相间传质过程，有效抑制产物颗粒的长大，从而快速生成大量微小晶核；收缩段腔体直径减小，腔体内压强随直径减小而增大，从而增大流体驱动力，实现对入口流体的再次加速，此时生成的产物仍处在流场控制下,小颗粒聚并大颗粒破碎，从而使其平均粒径分布更加均匀；流体在流场中的旋转加强局部湍流动能和局部剪切应力，形成大量湍流涡旋，与固体颗粒尺度相近的湍流涡旋对初生态微晶产生强烈剪切作用，使固体表面钝化和稳定。
2.根据权利要求1所述的制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器，其特征在于：所述进料通道设有两个，且两个进料通道呈中心对称布置。
3.根据权利要求1所述的制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器，其特征在于：所述进料通道为直管，进料通道的中轴线与反应腔体的中轴线异面垂直，并与反应腔体内壁的同心圆相切，所述出料通道为直管，所述出料通道和反应腔体、收缩段腔体的中轴线重合，出料通道的直径大于收缩段腔体出料端的直径。
4.根据权利要求1所述的制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器，其特征在于：所述反应腔体为圆柱形，所述收缩段腔体的旋转母线为弧形。
5.根据权利要求1所述的制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器，其特征在于：所述进料通道的进料端设有进料口，所述出料通道的出料端设有出料口，所述进料口和出料口上均通过螺纹连接带有变径装置的圆管件。
6.根据权利要求1所述的制备微细颗粒的超声辅助强化湍流旋流反应器，其特征在于：所述上盖和主体通过超声波焊接。
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