撞击流微混合器在化工领域的应用研究

撞击流微混合器在化工领域的应用研究王少梅山东豪迈和技术引言微混合器具有尺寸微小、无效体积小、功耗低、控制精度高、响应速度块、易于小型化和自动化、效率高等特点，决定了他具有比传统设备无法比拟的优越性。撞击流（impingingstreams,IS）的概念首先由Elperin提出，此后Elperin和Tamir进行了一系列基础研究和应用研究，该技术的特点是能够显著强化混合过程。撞击流混合器利用这一技术，强化了热、质传递，并得到了广泛应用[1,2]，传质效果较传统搅拌方法提高了约2-3个数量级。多年来，中外学者对撞击流混合器进行了大量的研究，关于结构对混合效果的影响也做了大量的工作，但由于撞击流混合器内流体混合的复杂性，至今对其研究仍在继续深入和发展[3-5]。1撞击流的基本原理撞击流是一种较新颖的技术方法，最早由白俄罗斯的研究者提出，并以分散体系过程进行了实验验证，随后Tamir等[6-10]对撞击流进行了更加深入的研究，涉及范围遍及几乎所有的化工单元过程，其研究结果表明，撞击流可以大幅度提高相间传递系数。撞击流反应器的基本原理是使两股或多股流体（包括均相和非均相）沿同轴相向流动撞击，由于惯性，粒子穿过撞击面渗入反向流，并来回做减幅震荡运动，直到因粒子间相互碰撞，速度降低等原因被排出系统为止[11]。其过程如图1所示。图1撞击流原理示意图2撞击流微混合器的特点撞击流微混合器内流体间可产生较大的动量传递和相互作用。撞击流混合器中两股或多股均相或非均相流体相向流动做的减幅震荡运动，产生一个高度湍动、物料粒子浓度最高的撞击区，为强化传递过程提供了极好的条件，在撞击流中，传递过程的强化受下述因素影响：（1）渗透粒子与反向流体间的相对速度增大。相对速度公式如下：其中，ua为流体速度，up为流体中物料粒子的速度，ur为撞击面附近的物料粒子与反向流体间的相对速度。一般实验条件下，流体速度视为恒定，物料粒子速度则在往复运动中随时变化。物料粒子刚渗入到反向流体时，其相对速度达到最大，在极端条件下，当粒子刚好进入反向流体时，其速度等于原来流体速度，即：up=ua，相对速度可以达到两倍流速，up=2ua，从而大大减少传递的外阻力。如果连续相流体为气体，在撞击面处可以产生极大的相对速度。当以液体为连续相时，分散相通常可以是固体或液体。由于连续粘度大且分散密度相差很小，相间摩擦力很大，所以撞击流两相间不可能有很大的相对速度，但由于液体密度是气体的倍，两股液体间的动量传递比气相连续相强烈得多。高的动量传递，加上液体处于分子紧密聚集的状态，两股相向撞击的液体间必须发生强烈的相互作用。（2）由于粒子以阻尼震荡方式多次反复渗入反向气流，增加了撞击流区中粒子的平均停留时间或持料量，从而可以缩小装置的几何尺寸。（3）在气-液和液-液体系中，相间或滴粒间碰撞产生的剪切力可导致滴粒破碎，增大其表面积并促进表面更新，从而增大传质速率，增大传递系数。（4）相向流动连续相的碰撞，即射流相互撞击，能产生强烈的径向和轴向湍流速度分量，从而在撞击区造成良好的混合。混合作用还因粒子在浓度最高的撞击区中多次往返渗透而得到加强。良好的混合结果是，连续相发生浓度和温度均化，这又进一步强化了传递过程。如前所述，撞击流中最重要的现象是粒子在相向流体中往返渗透，它导致撞击区持料量增大，平均停留时间增长。如在相同的输入比有效功率下，应用撞击流技术制得的产品粒径更细、粒径分布更窄，反应时间更短，显著提高混合反应器的性质[12]。3撞击流混合器的结构撞击流微混合器装置包括两种主要部件：加速管，即流体进口管；分别设有连续相和分散相出口的撞击流装置本体。其中，最简单、使用最广的撞击流结构形式是T型和Y型。如图2所示。图2T型和Y型撞击流混合器：（a）T型（b）Y型3.1T型撞击流混合器图3T型撞击流微混合器王琦安[13-14]等在T型撞击流混合器基础上对混合器的结构进行改进以促进微观混合效果，将进口管由图3所示的圆柱形（Ⅰ）改为锥形（Ⅱ），流体在锥形体中逐渐被加速，一次涡流撞击流（Ⅲ）的规格与撞击流（Ⅰ）基本相同，只是在进入撞击区时，液体由直接对撞，变为切向进入撞击区，使得两股液体在出口管内形成旋转及涡流；二次涡流反应器（Ⅳ），将进料管分为两段，前后两段连接处的角度为90°，并且溶液通过进料管前段后，切向进入后段，形成第一次涡流，然后在进入撞击区时，同样采用切向进入，从而形成了第二次涡流。如果假设混合过程中，两股流体互不相溶，那么我们将在Ⅳ中看到在出料管内，单股液体发生自转的同时，将与另外的液体缠绕在一起，盘旋下落。3.2Y型撞击流混合器图4Y型撞击流微混合器设计图Y型撞击流混合器通过两个进料泵进行加压，两股反应液从喷嘴喷射而出，以“Y”型进行混合，当两股高速流体碰撞，反应物颗粒/沉淀可以从出口的开放空间内得到。如图4所示，Y型撞击流混合器的两个进口管道之间的夹角为α，夹角的大小影响混合效果，研究发现[15]，采用90°的角度，合成硫酸钡产品粒度小。撞击角度较小时，流体湍动程度较小，在90°以内随着角度的增大，撞击明显加强；当撞击角度大于90°时，随着角度的增大产品粒度趋于稳定。图5为采用CFD流场模拟技术，对Y型撞击流混合器内部的流体混合过程进行在线观察，通过模拟可以清晰的看到两股高速流体的混合均匀状态较佳。图6为我公司自主研发制造的Y型撞击流混合器实物图以及混合实验效果图。图5Y型撞击流微混合器图6Y型撞击流微混合器实物图4撞击流混合器的应用撞击流技术在反应-沉淀制取超细粉体、静态射流混合器等诸多方面，已有成功应用。近几年随着撞击流技术的发展，其应用得到了深入的研究。从事撞击流的研究领域也已扩展到中国、美国、加拿大、德国等国家。4.1吸收领域的应用化学吸收属于气液两相反应，组分存在相间传递过程，气液两相逆流碰撞接触是一种强化其相间传质非常有效的技术方法。在以气液为连续相的撞击流中，通常把液体雾化为小微滴，产生巨大的相界接触面积；加上撞击强化相间传递的特性，能有效地促进化学吸收过程。撞击流强化气液传质效果最常用的领域是废气处理，比如烟气湿法脱硫等。这类体系由于受到平衡限制，气液两相反应在混合强烈的单级GIS装置中难以达到较高的转化率和吸收率。4.2干燥领域的应用气体连续相撞击流传递活性区中流体的相对速度大大地提高，物料在撞击流微混合器内的平均停留时间很短，通常为ms级的，这两股或多股流体碰撞后相间传热、传质强化作用非常显著。由于多相体系中的相间传质和传热普遍存在，这些优点给撞击流技术在多相体系中的应用提供了广阔前景。干燥是典型的热传递过程，也是撞击流最有可能应用的领域之一。循环撞击流干燥机是一种适合于粉粒状物料干燥的装置，已经在千吨级工业装置中取得了良好的干燥效果。4.3超细粉体制备中的应用超细粉体所具有的特殊的表面效应及其优异的力学、电学、光学、化学活性等性能，使其在催化、颜料、复合材料等诸多领域有着广泛的应用。随着科学技术的发展，超细粉体产品朝着进一步精细化的方向发展，对粉体产品的粒度、粒度分布、结构形貌等品质，提出了越来越高的要求。不仅要求粒径微细，而且要求粒径均匀，粒度分布狭窄。撞击流具有强烈的促进微观混合和产生压力波特性，这一特性一方面可以促进超细粉体的化学反应更快地进行，瞬间产生高的过饱和度；另一方面，强烈的微观混合可以保证反应体系过饱和度达到极高的均匀分布状态，从而可以制得粒度更小、分布更窄的产品颗粒。4.4其他领域的应用撞击流微混合器除了上述的应用外，在结晶、乳化、破碎和萃取方面也都有很多应用。5结语撞击流微混合器在其微通道内相互撞击后来回湍动，流体在微通道壁面进行剪切混合，极大地强化了微观混合和传质过程，具有混合尺度可控、混合比例可调以及混合均匀等特点。撞击流微混合器在化工领域得到了广泛的应用，对工艺改进发挥着重要作用。参考文献[1]TamirA.ImpingingStreamsReactor（撞击流反应器：原理与应用）.WUYuan（伍元）.trans（译）.Beijing（北京）:ChemicalInsustryPress（化学工业出版社），.[2]ElperinIT,Heatandmasstransferinopposingcurrents[J].EnergyPhysics,(6):62-68.[3]褚广文，宋韵华，陈建明等.碘-碘化物反应体系离集指数的修正[J].化工学报,,56(10):-.[4]纪利俊，刘海峰，王辅臣等.撞击流反应器停留时间分布的研究[J].华东科技大学学报,,32(1):24-27.[5]焦纬洲，刘有智，祁贵生等.化学耦合法研究IS-RPB反应器微观混合特性[J].化学工程,,35(5):36-.39.[6]TamirA.KitronA.Applicationsofimpingingstreamsinchemicalengineeringprocesses-review[J].ChemicalEngng,Commun,50:-.[7]TamirA.HerkowitsD.AbsorptionofCO2inanewtwoimpingingchemicalstreamabsorber[J].ChemicalEngng,Commun,40:-.[8]TamirA.LuzzattoK.Solid-solidandgas-gasmixingpropertiesofanewimpingingchemicalstreammixer[J].AIChEJ.,31:-.[9]MahajanA,KirwanDJ.Micromixingeffectsinatwoimpingingjetsprecipitator[J].AIChEJ.,42(7):-.[10]DenshchikovVA,Kontrratev,VN,RomashovANIneractionbetweentwoopposedjets[J].FluidDynamics,,6:-.[11]刘海峰，王辅臣，吴韬等.撞击流反应器内微观混合过程的研究[J].化工进展,,23(12):-.[12]禹言芳，张建伟.撞击流反应器流场的有限元分析初探[J].窗体底端化工设备与管道,,(1):54-57.[13]王琦安，王洁欣，余文等.微通道反应器微观混合效率的实验研究[J].北京化工大学学报,,36(3):1-5.[14]向阳，王琦安，杨旷.微通道反应器中反应沉淀过程的工艺研究[J].高效化学工程学报,,23(3):-.[15吴国华，周洪兆，朱慎林.撞击流微反应器制备超细硫酸钡研究[J].华东理工大学学报,,21(5):-.谢谢阅读联系人：任经理移动电话/传真：-工艺室邮箱：hggyb