CN114308323A

CN114308323A - 一种纳米流体的高剪切制备方法及装置

Info

Publication number: CN114308323A
Application number: CN202111291846.1A
Authority: CN
Inventors: 成尚元; 刘有智; 祁贵生
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2021-11-03
Filing date: 2021-11-03
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-11-03
Also published as: CN114308323B

Abstract

本发明公开了一种纳米流体的高剪切制备方法及装置，包括旋转液体分布装置、超声波发生装置、转轴、电机和机壳；所述旋转液体分布装置包括可独立旋转的上盘和下盘，在上盘和下盘上分别设有若干层半径不同、圆心相同的同心圆筒状液体分布装置，每层同心圆筒状液体分布装置是由若干个均匀分布的液体分布器组成，且液体分布器是通过底部的通孔与上盘或下盘相连通；上盘转轴设在上盘中心并穿过壳体与电机相连，液体由进液管流经上盘后进入同心圆筒状液体分布装置；下盘结构与上盘相似；在旋转液体分布装置两侧分别设有一个超声波发生装置，该装置位于机壳两侧；机壳下端设有液体出口。本发明装置处理量大，能连续进料、出料，可实现大规模生产。

Description

一种纳米流体的高剪切制备方法及装置

技术领域

本发明涉及一种纳米流体的高剪切制备方法及装置，属于纳米流体制备技术领域。

背景技术

纳米流体是一种包含纳米粒子复杂多相体系的胶体悬浮液，是近20年逐渐开发起来的一种新型功能流体，具有高传热、高传质、强润滑特性，能有效强化多相流之间发生的化学反应及传递过程。对于提高热交换系统的经济性、可靠性和小型化有重要的意义，已成为各国科学家高度关注的前沿科技领域。此外，体系所含纳米粒子还具有独特的热、光、电、磁等性质使其在航天航空、能源动力、机械电子、核能系统、生物医学等领域具有十分广阔的应用前景和潜在的经济价值，被称为“未来的冷却散热技术”。

然而，纳米颗粒强烈的表面效应易出现团聚、沉降现象，流体发生失稳，产生沉淀物，致使由纳米颗粒尺度效应带来的强化效果减弱，甚至消失、体系粘度增加、压降变大，更甚产生磨损或堵塞现象，限制微流体装置的运行。纳米流体的各种性能及应用都高度依赖于纳米流体的稳定性，是制约其大规模推广和工业应用的瓶颈难题。

根据制备过程和纳米粒子的分散过程是否一步进行，目前纳米流体的制备方法可分为单步法和两步法。单步法制备的纳米粒子分散均匀、传热性能好，但其制备工艺较为复杂，成本较高，不易实现大规模生产，且单步法制备过程大多在间歇式反应器内进行，不能连续稳定合成。两步法的制备工艺相对简单、成本低，但存在颗粒分散不均匀易导致的稳定性差、传热性能低等缺点。目前常通过机械搅拌、超声震荡、球磨、均质化等物理机械方法破碎纳米粒子团簇，从而增加纳米粒子在基液中的稳定性。然而上述物理机械作用对纳米粒子的分散能力有限，通常需要较长时间制备，存在生产效率低、制备周期长等问题，且对较高的颗粒负载情况下效果不甚明显。因此，急需开发一种低成本规模化制备高分散、高稳定纳米流体的装置及方法。

发明内容

本发明旨在提供一种纳米流体的高剪切制备方法及装置，实现低成本规模化制备高分散、高稳定的纳米流体。

本发明提供了一种纳米流体的高剪切制备装置，包括旋转液体分布装置、超声波发生装置、转轴、电机和机壳；所述旋转液体分布装置包括：可独立旋转的上盘和下盘，在上盘和下盘上分别设有若干层半径不同、圆心相同的同心圆筒状液体分布装置，每层同心圆筒状液体分布装置是由若干个均匀分布的液体分布器组成，且液体分布器是通过底部的通孔与上盘或下盘相连通；上盘转轴设在上盘中心并穿过壳体与第一电机相连，上盘进液管嵌套在上盘转轴并与上盘同心圆筒状液体分布装置相通，液体由进液管流经上盘后进入同心圆筒状液体分布装置；下盘结构与上盘结构相似；下盘转轴设在下盘中心并穿过壳体与第二电机相连，下盘进液管嵌套在下盘转轴内并与下盘同心圆筒状液体分布装置相通；

在旋转液体分布装置两侧分别设有一个超声波发生装置，该装置位于机壳两侧，所述超声波发生装置内分别设有多个振头，超声发生装置的频率为20~80 KHz之间，功率为600~1500W之间；

机壳下端设有液体出口。

进一步地，所述旋转液体分布装置的上盘和下盘同心安装，使得两盘上的同心圆筒状液体分布装置相互交替插入、嵌入形成一体，相邻液体分布装置之间留有间隙。

进一步地，上盘固定若干层直径不等的同心圆筒状液体分布装置，且每层同心圆筒状液体分布装置是由若干个均匀分布的液体分布器组成，同心圆筒状液体分布装置与上盘相通，下盘固定若干层直径不等的同心圆筒状液体分布装置，且每层同心圆筒状液体分布装置是由若干个均匀分布的液体分布器组成，同心圆筒状液体分布装置与下盘相通。

更进一步地，所述液体分布器的宏观构型可以是直筒型、锥型、螺旋型等，液体分布器上均匀开孔，开孔形状可以是圆形、矩形、三角形、锯齿形等构型。

进一步地，所述圆筒状液体分布装置的层数以及液体分布器的数量或结构可以方便拆换和搭配组合，构型不同的圆筒状液体分布装置能够影响射流区以及剪切头区域的能量耗散，进而对不同的制备过程起到不同的强化作用。

进一步地，所述上盘和下盘分别与两个不同的转轴相连，可以不等速同向旋转或同步旋转，也可以相反旋转，转速在0~2200 r/min之间。液体经旋转液体分布装置进入装置内部，在上盘与下盘间隙中形成极大的速度梯度，强劲的动能使物料湍动程度增大的同时，提高了物料微元的接触面面积和表面更新频率，使其混合更为快速均匀。

进一步地，所述旋转液体分布装置中的上盘和下盘分别与对应的进液管和液体分布器相连，上盘和下盘为中空结构，物料由进液管输入并经上盘和下盘流向液体分布器，后经液体分布器的开孔喷出。

本发明提供了一种纳米流体的高剪切制备方法，将混有纳米粒子的基液分为两股液体经过加压后分别从上盘进液管和下盘进液管进入旋转液体分布装置由喷射孔喷出，高速旋转的上盘和下盘产生巨大的切线速度，在二者间的狭窄间隙中形成极大的速度梯度，以及由于高频机械效应带来的强劲动能，使物料湍动程度增大的同时提高了物料微元的接触面面积和表面更新频率。同时间歇的超声波空化效应进一步协同促进颗粒分散，破碎颗粒团聚体，并起到防止通道和出料口堵塞的作用。综上所述，物料在纳米流体高剪切设备中受到强烈的剪切、挤压、摩擦、撞击、研磨、湍流和空化等综合作用，最终得到快速均匀、高分散、高稳定的纳米流体。

进一步地，所述纳米流体的高剪切制备装置可以是立式或卧式结构。

进一步地，所述纳米流体是由两种或多种纳米颗粒、基液、分散剂均匀分散形成的。

本发明提供的上述装置同样适用于纳米乳液的制备。纳米乳液又称微乳液，是由水、油、表面活性剂和助表面活性剂均匀分散形成。制备时首先将油相、表面活性剂和助表面活性剂配成混合溶液，然后将混合溶液与水相分别从装置的上盘、下盘进样。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明提供的纳米流体高剪切制备装置，采用超声波和旋转液体分布装置协同强化纳米流体制备过程，高速旋转的上盘和下盘之间形成极大的速度梯度，多层同心圆筒状液体分布装置能够有效调控局部的能量耗散速率，使物料湍动程度增大的同时提高了物料微元的接触面面积和表面更新频率。与此同时，超声波的空化效应进一步协同促进纳米粒子分散，破碎颗粒团聚体，有效避免纳米颗粒的沉积，并起到防止通道和出料口堵塞的作用。两种过程强化技术的耦合使物料在本发明装置中受到强烈的剪切、挤压、摩擦、撞击、研磨、湍流和空化等综合作用，最终得到快速均匀、高分散、高稳定的纳米流体。由于本发明装置处理量大，能连续进料、出料，可实现大规模生产，从而达到低成本高效率的目的。

附图说明

图1是本发明旋转液体分布装置的结构示意图；

图2是本发明上盘、下盘连接的多层同心圆筒状液体分布装置结构示意图；

图3是上盘连接的单层圆筒状液体分布装置示意图；

图4是用本发明装置制备纳米流体的工艺流程图。

其中，101-旋转液体分布装置；1-下盘转轴；2-轴密封；3-下盘；4-下盘液体分布器；5-第一超声波发生装置；6-上盘；7-上盘液体分布器；8-上盘转轴；9-上盘进液管；10-轴密封；11-机壳；12-液体分布器开孔；13-第二超声波发生装置；14-液体出口；15-下盘进液管；16-下盘同心圆筒状液体分布装置；17-上盘同心圆筒状液体分布装置；18-液体分布器；19-A组分储液槽；20-离心泵；21-阀门；22-液体流量计；23-第一电机；24-纳米流体高剪切装置；25-第二电机；26-B组分储液槽；27-产品槽；28-连接环；A为液体。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~4所示，一种纳米流体的高剪切制备装置，包括旋转液体分布装置101、超声波发生装置、转轴、电机和机壳；所述旋转液体分布装置包括：可独立旋转的上盘6和下盘3，在上盘6和下盘3上分别设有若干层半径不同、圆心相同的同心圆筒状液体分布装置，每层同心圆筒状液体分布装置是由若干个均匀分布的液体分布器18组成，且液体分布器18是通过底部的通孔与上盘6或下盘3相连通；上盘转轴8设在上盘6中心并穿过壳体与第一电机23相连，上盘进液管9嵌套在上盘转轴8并与上盘同心圆筒状液体分布装置17相通，液体由进液管流经上盘后进入同心圆筒状液体分布装置；下盘3结构与上盘结构相似；下盘转轴1设在下盘中心并穿过壳体与第二电机25相连，下盘进液管15嵌套在下盘转轴1内并与下盘同心圆筒状液体分布装置16相通；

在旋转液体分布装置101两侧分别设有一个超声波发生装置，该装置位于机壳11两侧，所述超声波发生装置内分别设有多个振头，超声发生装置的频率为20~80 KHz之间，功率为600~1500W之间；

机壳11下端设有液体出口14。

进一步地，所述旋转液体分布装置101的上盘6和下盘3同心安装，使得两盘上的同心圆筒状液体分布装置相互交替插入、嵌入形成一体，相邻液体分布装置之间留有间隙。

进一步地，上盘6固定若干层直径不等的同心圆筒状液体分布装置，且每层同心圆筒状液体分布装置是由若干个均匀分布的液体分布器18组成，同心圆筒状液体分布装置与上盘相通，下盘固定若干层直径不等的同心圆筒状液体分布装置，且每层同心圆筒状液体分布装置是由若干个均匀分布的液体分布器组成，同心圆筒状液体分布装置与下盘相通。

更进一步地，所述液体分布器18的宏观构型可以是直筒型、锥型、螺旋型等，液体分布器上均匀开孔，开孔形状可以是圆形、矩形、三角形、锯齿形等构型。

如图3所示，单层圆筒状液体分布装置包括若干个环状均匀分布的液体分布器，所述液体分布器与连接环相接，连接环上设有若干个与液体分布器对应的通孔，连接环上方与上盘连接（上盘的进液管设在轴中央，贯穿转轴设置，液体由进液管进入旋转液体分布装置）。

进一步地，所述上盘6和下盘3分别与两个不同的转轴相连，可以不等速同向旋转或同步旋转，也可以相反旋转，转速在0~2200 r/min之间。液体经旋转液体分布装置进入装置内部，在上盘与下盘间隙中形成极大的速度梯度，强劲的动能使物料湍动程度增大的同时，提高了物料微元的接触面面积和表面更新频率，使其混合更为快速均匀。

进一步地，所述旋转液体分布装置中的上盘6和下盘3分别与对应的进液管和液体分布器相连，上盘和下盘为中空结构，物料由进液管输入并经上盘和下盘流向液体分布器，后经液体分布器的开孔喷出。

如图4所示，使用上述纳米流体的高剪切制备装置的使用方法是：在液体中添加纳米颗粒、分散剂，纳米颗粒浓度范围在0.01wt%~10%。将混有纳米粒子的基液分为两股液体加入A组分储液槽19和B组分储液槽26中，分别经过离心泵20从上盘进液管9和下盘进液管15进入旋转液体分布装置由液体分布器开孔12喷出，撞击初速可在5~20 m/s调节。在0~2200r/min范围内调节转速，高速旋转的上盘6和下盘3产生巨大的切线速度，在二者间的狭窄间隙中形成极大的速度梯度，以及由于高频机械效应带来的强劲动能，使物料湍动程度增大的同时提高了物料微元的接触面面积和表面更新频率。同时第一超声波发生装置5和第二超声波发生装置13进一步协同促进颗粒分散，破碎颗粒团聚体，并起到防止通道和出料口堵塞的作用。最终制备的纳米流体汇于液体出口14排出至产品槽27，获得的纳米流体Zeta电位绝对值在40 mv以上，稳定性好且静置两个月不发生团聚沉降现象。

上述纳米流体的高剪切制备装置可以是立式或卧式结构。

本发明提供的上述装置同样适用于纳米乳液的制备，纳米乳液又称微乳液是由水、油、表面活性剂和助表面活性剂均匀分散形成。

Claims

1.一种纳米流体的高剪切制备装置，其特征在于：包括旋转液体分布装置、超声波发生装置、转轴、电机和机壳；所述旋转液体分布装置包括：可独立旋转的上盘和下盘，在上盘和下盘上分别设有若干层半径不同、圆心相同的同心圆筒状液体分布装置，每层同心圆筒状液体分布装置是由若干个均匀分布的液体分布器组成，且液体分布器是通过底部的通孔与上盘或下盘相连通；上盘转轴设在上盘中心并穿过壳体与第一电机相连，上盘进液管嵌套在上盘转轴并与上盘同心圆筒状液体分布装置相通，液体由进液管流经上盘后进入同心圆筒状液体分布装置；下盘结构与上盘结构相似；下盘转轴设在下盘中心并穿过壳体与第二电机相连，下盘进液管嵌套在下盘转轴内并与下盘同心圆筒状液体分布装置相通；

在旋转液体分布装置两侧分别设有一个超声波发生装置，该装置位于机壳两侧；机壳下端设有液体出口。

2.根据权利要求1所述的纳米流体的高剪切制备装置，其特征在于：所述旋转液体分布装置的上盘和下盘同心安装，使得两盘上的同心圆筒状液体分布装置相互交替插入、嵌入形成一体，相邻液体分布装置之间留有间隙；所述上盘和下盘分别与两个不同的转轴相连，能不等速同向旋转或同步旋转，也能相反旋转，转速在0~2200 r/min之间。

3.根据权利要求2所述的纳米流体的高剪切制备装置，其特征在于：上盘固定若干层直径不等的同心圆筒状液体分布装置，且每层同心圆筒状液体分布装置是由若干个均匀分布的液体分布器组成，同心圆筒状液体分布装置与上盘相通，下盘固定若干层直径不等的同心圆筒状液体分布装置，且每层同心圆筒状液体分布装置是由若干个均匀分布的液体分布器组成，同心圆筒状液体分布装置与下盘相通。

4.根据权利要求3所述的纳米流体的高剪切制备装置，其特征在于：所述液体分布器的构型是直筒型、锥型或螺旋型；液体分布器上均匀开孔，开孔形状是圆形、矩形、三角形或锯齿形。

5.根据权利要求3所述的纳米流体的高剪切制备装置，其特征在于：所述圆筒状液体分布装置的层数以及液体分布器的数量或结构方便拆换和搭配组合，构型不同的圆筒状液体分布装置能够影响射流区以及剪切头区域的能量耗散，进而对不同的制备过程起到不同的强化作用。

6.根据权利要求1所述的纳米流体的高剪切制备装置，其特征在于：所述超声波发生装置内分别设有多个振头，超声发生装置的频率为20~80 KHz之间，功率为600~1500W之间。

7.根据权利要求1所述的纳米流体的高剪切制备装置，其特征在于：所述旋转液体分布装置中的上盘和下盘分别与对应的进液管和液体分布器相连，上盘和下盘为中空结构，物料由进液管输入并经上盘和下盘流向液体分布器，后经液体分布器的开孔喷出。

8.一种纳米流体的高剪切制备方法，采用权利要求1~7任一项所述的纳米流体的高剪切制备装置，其特征在于包括以下步骤：将混有纳米粒子的基液分为两股液体经过加压后分别从上盘进液管和下盘进液管进入旋转液体分布装置由喷射孔喷出，高速旋转的上盘和下盘产生巨大的切线速度，在二者间的狭窄间隙中形成极大的速度梯度，以及由于高频机械效应带来的强劲动能，使物料湍动程度增大的同时提高了物料微元的接触面面积和表面更新频率；同时间歇的超声波空化效应进一步协同促进颗粒分散，破碎颗粒团聚体，并起到防止通道和出料口堵塞的作用。

9.根据权利要求8所述的纳米流体的高剪切制备方法，其特征在于：所述纳米流体是由两种或多种纳米颗粒、基液、分散剂均匀分散形成的。

10.根据权利要求8所述的纳米流体的高剪切制备方法，其特征在于：所述纳米流体是纳米乳液，是由水、油、表面活性剂和助表面活性剂均匀分散形成；制备时首先将油相、表面活性剂和助表面活性剂配成混合溶液，然后将混合溶液与水相分别从装置的上盘、下盘进样。