CN112169697A - 一种基于静电雾化的集成式造粒系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于静电雾化的集成式造粒系统及方法，本发明包括稳定供液装置、阵列静电雾化装置以及冷冻成型装置，储液罐通过泵与稳压箱连接，稳压箱内设置有竖直放置的溢流板，共同构成稳定供液装置；高压静电发生器与阵列喷头连接，形成接触式荷电；阵列喷头与环状电极之间设置有一层调整板；冷冻成型装置对静电雾化液滴进行固化处理；本发明特别适用于高品质微米级颗粒材料的高效制备，通过稳压供液系统保证静电雾化过程的稳定性，同时借助于外加电场作用，对颗粒参数进行精确调控，进一步结合多喷头阵列技术，实现了单分散性、球形度、粒径可控性等粉体颗粒品质的改善以及制备效率的提升。

Description

一种基于静电雾化的集成式造粒系统及方法

技术领域

本发明属于超细粉体颗粒制备技术领域，尤其涉及一种基于静电雾化的集成式造粒系统及方法。

背景技术

粉体通常指是指尺度介于10^-9m到10^-3m之间的颗粒集合体，与大块固体相比，具有比表面积大、流动性好、分散度高等诸多特点，使得材料的功能和利用率得到大幅提升。同时，表面效应和尺度效应还可强化粉体颗粒的热、光、磁、化、力等性能，从而在汽车制造、化学化工、复合材料、生物工程、食品工程等领域得到广泛应用。

现有细微颗粒制备技术主要包括挤压法、沸腾法、滚动成球法以及喷雾干燥法等，其中挤压法、沸腾法和滚动成球法存在颗粒强度低、球形度差、表面不光滑等缺点，而传统的喷雾干燥法虽然颗粒球形度能得到保证，但是其粒径分布范围大，且粒径大小难以准确控制。粒度及其分布是粉体颗粒最基本的形态特征，直接决定了粉体的表面特性及综合性能。现阶段，粉末颗粒制备过程中的形貌及粒度分布控制已成为粉体技术领域的重要研究课题。以声学粉体颗粒材料为例，在扬声器后体积箱体内填充换微米级多孔吸声颗粒可有效消除背辐射驻波噪声干扰以提升声学性能，同时可放大扬声器的等效容积以缩小扬声器腔体体积。然而，当填充颗粒存在表面缺陷、强度低、粒径分布不均匀等问题时，不仅填充效果差，甚至还会对扬声器造成严重损坏。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于静电雾化的集成式造粒系统及方法，本发明包括稳定供液装置、阵列静电雾化装置以及冷冻成型装置，特别适用于高品质微米级颗粒材料的高效制备，通过稳压供液系统保证系统的稳定性，进一步借助于外加电场作用，进行颗粒参数进行精确调控，同时结合多喷头阵列技术，实现了单分散性、球形度、粒径可控性等粉体颗粒品质的改善以及制备效率的提升。

本发明的技术方案是：一种基于静电雾化的集成式造粒系统，包括供液装置、阵列静电雾化装置和冷冻成型装置；

所述供液装置包括储液罐、泵、稳压箱、溢流板、回流侧、供液侧和截止阀；所述稳压箱位于储液罐的上方，稳压箱内设有溢流板，所述溢流板将稳压箱分成回流侧和供液侧，所述储液罐与供液侧通过第一管路连接，所述第一管路上设有泵，所述溢流板与储液罐通过第二管路连接；

所述阵列静电雾化装置包括高压静电发生器、整流腔、阵列喷头、调整板、环状电极和电极安装板；所述整流腔与供液侧通过第三管路连接，所述第三管路上设有截止阀；所述阵列喷头位于整流腔的底部，所述电极安装板位于阵列喷头的下方，电极安装板设有阵列布置的环状电极环状电极内设有通孔，所述通孔与阵列喷头的位置对应；所述调整板位于阵列喷头和环状电极之间，阵列喷头、调整板和环状电极之间的距离能够调节；所述阵列喷头与高压静电发生器相连；

所述冷冻成型装置包括滤网和容器，所述容器的顶部开口，所述阵列静电雾化装置位于容器上方，所述滤网置于容器内，容器内设有低温制冷剂，低温制冷剂没过滤网底部。

上述方案中，所述阵列喷头、调整板和环状电极之间通过螺栓连接；

所述阵列喷头和调整板之间设有若干垫片，调整板和环状电极之间设有若干垫片。

上述方案中，所述低温制冷剂为液氮，所述滤网和容器为不锈钢材质制成。

进一步的，所述容器内液氮高度不低于20mm，且阵列喷头距液氮液面高度为300mm-500mm，该距离范围内喷淋液滴撞击液氮面的速度较为理想，且该液氮深度有利于浆液充分凝固。

上述方案中，所述供液装置还包括搅拌器；所述搅拌器位于储液罐内。

上述方案中，所述稳压箱中溢流板高度能够调节，通过液位高度调整供液系统流量，且不超过稳压箱高度的2/3，以避免因管路堵塞而引起浆液溢出。

上述方案中，所述环状电极接地。

上述方案中，所述阵列喷头的孔径d为0.2-1.0mm，阵列喷头中相邻喷头的间距D不小于25mm，该孔径范围可以在获得较小的颗粒粒径基础上，避免浆液在喷头内的堵塞，而该喷头间距可以有效避免相邻喷头间的静电干扰，提高造粒系统运行稳定性。

上述方案中，所述滤网与容器内壁间不接触，且存在不小于30mm的间隙，避免浆液液滴在凝固之前打到容器的壁面上，从而影响颗粒球形度。

一种根据所述的基于静电雾化的集成式造粒系统的方法，包括以下步骤：

启动所述泵，将浆液从储液罐输运至上方稳压箱的供液侧，当供液侧内浆液高度上升至溢流板时，超出部分浆液溢流进入回流侧，此时打开截止阀，向阵列静电雾化装置开始供液；

待浆液首先充满整流腔后，再打开高压静电发生器和阵列喷头；

通过调节高压静电发生器外加电压值以及阵列喷头与环状电极之间的距离，来调控雾化液滴粒径参数；

将盛有低温制冷剂的冷冻成型装置置于阵列静电雾化装置正下方，使雾化液滴进入低温制冷剂中进行冷冻成型，收集于滤网中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明包括稳定供液装置、阵列静电雾化装置以及冷冻成型装置；储液罐通泵与稳压箱连接，稳压箱内设置有竖直放置的溢流板，共同构成稳定供液装置；高压静电发生器与阵列喷头连接，形成接触式荷电；阵列喷头孔径在0.2-1.0mm范围内，且相邻阵列喷头间距不小25mm；阵列喷头与环状电极之间设置有一层调整板；冷冻成型装置利用液氮对静电雾化液滴进行固化处理。本发明利用静电雾化技术、采用多喷头阵列方案，实现了单分散性、球形度、粒径可控性等颗粒品质的改善以及制备效率的提升。本发明中采用稳压箱进行供液，不仅节约能耗，而且供液过程稳定，给料速度均匀，为系统的连续生产提供了保障。本发明通过接触式荷电形式引入高压静电作用，改善了粒径分布均匀性。同时通过稳压箱溢流板高度、外加电压、喷头孔径及间距等系统参数调整，可实现颗粒尺寸的精确调控，提升了系统操作灵活性，可满足不同生产需求。本发明采用多喷头阵列方案，在保证产品质量的基础上，进一步提升了系统生产效率。本发明通过设计液氮冷冻装置配合静电雾化过程，进行结构优化调整，精准控制喷淋液滴运动速度，弱化颗粒撞击液氮表面产生的变形，从而提升了颗粒产品的球形度参数。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的静电雾化造粒系统结构示意图；

图2是本发明一种实施方式的阵列静电雾化装置；

图3是本发明一种实施方式的喷头阵列方案。

图中：1.储液罐；2.搅拌器；3.泵；4.稳压箱；5.溢流板；6.回流侧；7.供液侧；8.截止阀；9.阵列静电雾化装置；9-1.高压静电发生器；9-2.整流腔；9-3.阵列喷头；9-4.调整板；9-5.环状电极；10.滤网；11.容器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为所述基于静电雾化的集成式材料造粒系统的一种较佳实施方式，所述基于静电雾化的集成式材料造粒系统，包括供液装置、阵列静电雾化装置和冷冻成型装置。

所述供液装置包括储液罐1、搅拌器2、泵3、稳压箱4、溢流板5、回流侧6、供液侧7和截止阀8；所述储液罐1用于盛放浆液，所述搅拌器2位于储液罐1内，对浆液进行搅拌，防止浆液在储液罐1产生沉淀，进而影响最终产品质地均匀性，以及造成阵列喷头、管路等的堵塞；所述稳压箱4设置与一定高度处，稳压箱4位于储液罐1的上方，稳压箱4内设有一块竖直放置的溢流板5，所述溢流板5将稳压箱4分成回流侧6和供液侧7两个部分，所述储液罐1与供液侧7通过第一管路连接，所述第一管路上设有泵3，在本实施例中，考虑浆液的粘度特性所述泵3为蠕动泵；所述溢流板5与储液罐1通过第二管路连接。

如图2和3所示，所述阵列静电雾化装置9包括高压静电发生器9-1、整流腔9-2、阵列喷头9-3、调整板9-4、环状电极9-5和电极安装板；所述整流腔9-2与供液侧7通过第三管路连接，所述第三管路上设有截止阀8，供液侧7通过第三管路对整流腔9-2进行供液；所述整流腔9-2为水平放置，位于整个阵列静电雾化装置9的最上方，所述阵列喷头9-3位于整流腔9-2的底板上，所述阵列喷头9-3采用阵列布置方案，可以消除喷头间的静电干扰，所述电极安装板位于阵列喷头9-3的下方，电极安装板设有阵列布置的环状电极9-5环状电极9-5内设有通孔，所述通孔与阵列喷头9-3的位置对应；所述调整板9-4位于阵列喷头9-3和环状电极9-5之间，阵列喷头9-3、调整板9-4和环状电极9-5之间的距离能够调节；所述阵列喷头9-3采用接触式荷电方式，阵列喷头9-3与高压静电发生器9-2相连。整个管路内密封性良好。

本实施例中，通过蠕动泵抽取的浆液首先从上方对供液侧7进行供液，待供液侧7浆液高度到达溢流板5高度时，多余浆液溢流进入回流侧6，并经管路流回储液罐1；供液侧7中浆液保持有固定的压差，在供液侧7底部设置有开孔连接的第三管路向所述阵列静电雾化装置9进行稳定连续供液。

所述冷冻成型装置包括滤网10和容器11，所述容器11的顶部开口，所述阵列静电雾化装置9位于容器11上方，所述滤网10置于容器11内，容器11内设有低温制冷剂，低温制冷剂没过滤网10底部。

所述阵列喷头9-3、调整板9-4和环状电极9-5之间通过螺栓连接；所述阵列喷头9-3和调整板9-4之间设有若干垫片，调整板9-4和环状电极9-5之间设有若干垫片，通过增加或者减少垫片的数量可以调节阵列喷头9-3、调整板9-4和环状电极9-5之间的距离，所述调整板9-4为绝缘电木材料，通过调整板9-4调整静电雾化过程中的电场分布。所述环状电极9-5接地，其与阵列喷头9-3之间存在一定的电势差，从而诱导浆液产生静电雾化破碎。

所述阵列喷头9-3为金属材料，调整板9-4为绝缘电木板材料。

所述低温制冷剂为液氮，所述滤网10和容器11为不锈钢材质制成。所述滤网10悬挂于容器11内部，且良好接地；所述容器11内液氮高度不低于20mm，且阵列喷头9-3距液氮液面高度为300mm-500mm，该距离范围内喷淋液滴撞击液氮面的速度较为理想，且一定的液氮深度有利于浆液充分凝固。所述不锈钢滤网10和不锈钢容器11，配合液氮的加入共同构成了液氮冷冻成型装置；所述滤网10尺寸略小于容器11，保持容器11中的液氮高度不低于400mm,淹没滤网10底部高度不低于200mm，以控制液滴撞击液氮表面速度，且避免撞击到固壁面从而影响颗粒球形度；所述冷冻成型装置位于静电喷雾装置9下方，在电场力及重力的综合作用下，雾化液滴进入液氮冷冻成型后，被滤网10过滤收集。

所述稳压箱4中溢流板5高度能够调节，通过液位高度调整供液系统流量，且不超过稳压箱4高度的2/3，以避免因管路堵塞而引起浆液溢出，整个稳压箱4为绝缘材料。

所述阵列喷头9-3的孔径d为0.2-1.0mm，阵列喷头9-3中相邻喷头的间距D不小于25mm，该孔径范围可以在获得较小的颗粒粒径基础上，避免浆液在喷头内的堵塞，而该喷头间距可以有效避免相邻针头间的静电干扰，提高造粒系统运行稳定性。

所述滤网10与容器11内壁间不接触，且存在不小于30mm的间隙，避免浆液液滴在凝固之前打到壁面上，从而影响颗粒球形度。

一种根据所述的基于静电雾化的集成式造粒系统的方法，包括以下步骤：

启动搅拌器2，对储液罐1中的材料浆液进行不断搅拌，避免浆液出现沉淀现象；待储液罐1中浆液搅拌均匀后，启动蠕动泵，将浆液从储液罐1输运至上方稳压箱4的供液侧7，当供液侧7内浆液高度上升至溢流板5时，超出部分浆液溢流进入回流侧6，此时打开截止阀8，向阵列静电雾化装置9开始供液；

待浆液首先充满整流腔9-2后，再打开高压静电发生器9-1和阵列喷头9-3，以确保各阵列喷头间的流量均匀；

通过调整垫片的数量以改变阵列喷头9-3与环状电极9-5之间的距离以及调节高压静电发生器9-2外加电压值，从而以精确调控雾化液滴粒径参数。

将盛有低温制冷剂的冷冻成型装置置于阵列静电雾化装置9正下方，使雾化液滴进入低温制冷剂中进行冷冻成型，收集于滤网10中，后经过真空冷冻干燥工艺后形成最终产品。

本发明包括稳定供液装置、阵列静电雾化装置以及冷冻成型装置三部分；储液罐通过蠕动泵与稳压箱连接，稳压箱内设置有竖直放置的溢流板，共同构成稳定供液装置；高压静电发生器与阵列喷头连接，形成接触式荷电；阵列喷头孔径在0.2-1.0mm范围内，且相邻阵列喷头间距不小25mm；阵列喷头与环状电极之间设置有一层绝缘电木材料电场调整板；冷冻成型装置利用液氮对静电雾化液滴进行固化处理。本发明利用静电雾化技术、采用多喷头阵列方案，实现了单分散性、球形度、粒径可控性等颗粒品质的改善以及制备效率的提升。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于静电雾化的集成式造粒系统，其特征在于，包括供液装置、阵列静电雾化装置和冷冻成型装置；

所述供液装置包括储液罐(1)、泵(3)、稳压箱(4)、溢流板(5)、回流侧(6)、供液侧(7)和截止阀(8)；所述稳压箱(4)位于储液罐(1)的上方，稳压箱(4)内设有溢流板(5)，所述溢流板(5)将稳压箱(4)分成回流侧(6)和供液侧(7)，所述储液罐(1)与供液侧(7)通过第一管路连接，所述第一管路上设有泵(3)，所述溢流板(5)与储液罐(1)通过第二管路连接；

所述阵列静电雾化装置(9)包括高压静电发生器(9-1)、整流腔(9-2)、阵列喷头(9-3)、调整板(9-4)、环状电极(9-5)和电极安装板；所述整流腔(9-2)与供液侧(7)通过第三管路连接，所述第三管路上设有截止阀(8)；所述阵列喷头(9-3)位于整流腔(9-2)的底部，所述电极安装板位于阵列喷头(9-3)的下方，电极安装板设有阵列布置的环状电极(9-5)环状电极(9-5)内设有通孔，所述通孔与阵列喷头(9-3)的位置对应；所述调整板(9-4)位于阵列喷头(9-3)和环状电极(9-5)之间，阵列喷头(9-3)、调整板(9-4)和环状电极(9-5)之间的距离能够调节；所述阵列喷头(9-3)与高压静电发生器(9-2)相连；

所述冷冻成型装置包括滤网(10)和容器(11)，所述容器(11)的顶部开口，所述阵列静电雾化装置(9)位于容器(11)上方，所述滤网(10)置于容器(11)内，容器(11)内设有低温制冷剂，低温制冷剂没过滤网(10)底部。

2.根据权利要求1所述的基于静电雾化的集成式造粒系统，其特征在于，所述阵列喷头(9-3)、调整板(9-4)和环状电极(9-5)之间通过螺栓连接；

所述阵列喷头(9-3)和调整板(9-4)之间设有若干垫片，调整板(9-4)和环状电极(9-5)之间设有若干垫片。

3.根据权利要求1所述的基于静电雾化的集成式造粒系统，其特征在于，所述低温制冷剂为液氮，所述滤网(10)和容器(11)为不锈钢材质制成。

4.根据权利要求3所述的基于静电雾化的集成式造粒系统，其特征在于，所述容器(11)内液氮高度不低于20mm，且阵列喷头(9-3)距液氮液面高度为300mm-500mm。

5.根据权利要求1所述的基于静电雾化的集成式造粒系统，其特征在于，所述供液装置还包括搅拌器(2)；所述搅拌器(2)位于储液罐(1)内。

6.根据权利要求1所述的基于静电雾化的集成式造粒系统，其特征在于，所述稳压箱(4)中溢流板(5)高度能够调节，且不超过稳压箱(4)高度的2/3。

7.根据权利要求1所述的基于静电雾化的集成式造粒系统，其特征在于，所述环状电极(9-5)接地。

8.根据权利要求1所述的基于静电雾化的集成式造粒系统，其特征在于，所述阵列喷头(9-3)的孔径d为0.2-1.0mm，阵列喷头(9-3)中相邻喷头的间距D不小于25mm。

9.根据权利要求1所述的基于静电雾化的集成式造粒系统，其特征在于，所述滤网(10)与容器(11)内壁间不接触，且存在不小于30mm的间隙。

10.一种根据权利要求1-9任意一项所述的基于静电雾化的集成式造粒系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

启动所述泵(3)，将浆液从储液罐(1)输运至上方稳压箱(4)的供液侧(7)，当供液侧(7)内浆液高度上升至溢流板(5)时，超出部分浆液溢流进入回流侧(6)，此时打开截止阀(8)，向阵列静电雾化装置(9)开始供液；

待浆液首先充满整流腔(9-2)后，再打开高压静电发生器(9-1)和阵列喷头(9-3)；

通过调节高压静电发生器(9-2)外加电压值以及阵列喷头(9-3)与环状电极(9-5)之间的距离，来调控雾化液滴粒径参数；

将盛有低温制冷剂的冷冻成型装置置于阵列静电雾化装置(9)正下方，使雾化液滴进入低温制冷剂中进行冷冻成型，收集于滤网(10)中。

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