中國粉體網訊  二十世紀六十年代，前蘇聯科學家Elperin首次提出了撞擊流這一概念，并被后來的科學家不斷的完善和發展。如今撞擊流反應技術因其具有強化微觀混合的優異特性，在化學反應、沉淀結晶、制備超細粉體等方面迅速發展。

撞擊流技術原理

撞擊流的基本構想是使兩股氣體帶動固體顆粒/液滴后形成的氣-固/氣-液兩相流在加速管中高速相向運動并于中間位置互相撞擊。

撞擊流原理圖

兩股高速兩相流相互撞擊后形成了一個顆粒濃度最高的劇烈湍動區，湍動區中相間相對速度很大，為強化熱、質傳遞提供了極好的條件。氣流在撞擊中心面上沿射軸向的分速度趨于0并轉為徑向流動，分散相顆粒/液滴在慣性力作用下越過撞擊中心面從而滲入反向流，且在深入瞬間相間相對速度達到最大，此后經歷減速、速度變為0、反向加速后在兩股相向流體間做往復滲透振蕩運動，延長了顆粒/液滴在湍動區的平均停留時間。如此減幅振蕩往復運動若干次后，顆粒/液滴的射軸向速度趨于0，最終被轉為徑向流動的氣流帶出湍動區。

撞擊流技術優勢

撞擊流的原理及現有研究證明，撞擊流在化學反應中能夠讓兩股相撞的兩相流有效達到分子級的碰撞，使化學反應快速推進，與傳統反應釜相比具有更高的混合效率，從而大大節省了反應時間，在實際應用中也更有優勢。

從結晶動力學角度看，溶液的過飽和度對晶核的形成、生長及次生晶核的系列物理化學變化具有決定性作用。撞擊流技術高傳質特性及強烈的微觀混合特性提供了較高的飽和度，并且保證了均勻的反應環境，在這種條件下誘導時間縮短，成核速率提升，瞬間生成大量晶核，實現均相成核；同時其壓力波動特性使反應物混合尺度急速縮小，不同程度的往返碰撞增強了湍動強度及過程中的能量擴散，使分子在反應時可以達到更高能級的碰撞，生成大量晶核的同時抑制了晶核的成長，這對超細單分散微粒的制備也更加有利。

撞擊流反應器的種類

受限式撞擊流反應器

受限式撞擊流反應器（Confined Impinging Jets Reactors，簡稱CIJR）其工作原理為兩股流體在狹小的空間內發生高速撞擊，發生撞擊后的兩股流體在加速管軸線上方的左右兩側回流形成兩個回流區，周圍的流體由于受到漩渦卷吸作用被卷吸而發生充分的混合。在撞擊過程中由于混合尺度小、撞擊截面小，流體間有效接觸面積大，流體間充分接觸混合，增大了其過飽和度，有利于制備納米級超細顆粒。

該反應器多用于醫藥、有機物、聚合電解質復合材料等方面的制備。

開放式撞擊流反應器

開放式撞擊流反應器（Free Impinging Jets Reactors，簡稱FIJR），由于流體在體積較大的空間內進行碰撞，碰撞過程不會受到反應器器壁的約束。由于流體發生激烈的碰撞、震蕩，液體會分解成為小液滴從而促進了流體間的充分混合。同時該反應器可以根據需要設計成為兩噴嘴、三噴嘴以及多噴嘴結構以滿足多股物料參與反應，其結構簡單。然而該反應器也存在著一定的缺點，受到邊界效應的影響，流體流動存在著不穩定性，其混合和傳遞不夠均勻造成產品中存在一些較大顆粒。

微小型撞擊流反應器

微小型撞擊流反應器加熱、加壓、冷卻等相應的操作比常規反應器更加容易，且反應器尺寸小。在亞毫米甚至亞微米級的狹小空間內流體受到約束形成極小的流體微團，促使流體發生近乎微觀程度上的混合，促進了反應充分進行也有效抑制了顆粒間的團聚。利用微小型撞擊流反應器制備出來的產品往往粒徑更小、比表面積更大。該反應器安全性高，可擴展性較好，在高溫、高壓條件下也能夠正常運行。

該反應器也存在著一定的缺點，對于腐蝕性的化學反應或高黏度的流體則無法使用該類反應器。同時，易團聚的顆粒對該類反應器容易造成堵塞，影響反應器的正常使用，清理過程往往較為困難，從而限制了反應器的使用。

循環浸沒撞擊流反應器

循環浸沒撞擊流反應器（Submerged Circulative Impinging Stream Reactor，簡稱SCISR）是由伍沅教授提出的，常用于固—液反應制備超細粉體。在其它的撞擊流反應器中，由于反應物在反應器中的停留時間有限，較短的時間一些反應未能充分進行，產品的顆粒較大。對于停留時間，在循環浸沒撞擊流反應器中可以任意設置，物料在反應器中往復循環撞擊，反應物在反應器中有足夠的時間去反應，顆粒間通過反復的碰撞從而粉碎形成超細產品。使用循環浸沒撞擊流反應器制備產品，特別是一些易于團聚的反應，制備的產品粒度更小，分布更均勻。

循環浸沒撞擊流反應器

撞擊流—旋轉填料床反應器

將撞擊流技術與傳統的旋轉填料床相結合，以達到對反應過程的強化，撞擊流-旋轉填料床反應器是一種新型反應設備。其同時具有撞擊流反應器的高強度湍動和快速微觀混合，以及旋轉填料床高剪切應力、高傳質系數的優點。其特別適用于液—液反應以及萃取反應，對于反應速率慢的反應則不太適用。反應器使用過程中，流體通過加速在碰撞中心發生碰撞以達到產品的細化，同時產品在離心力的作用下進入到旋轉填料床中發生二次顆粒細化。產品經過兩次細化，粒徑更小、分布更加均勻。

應用該反應器制備產品，其優點為反應的湍流程度高，制備的產品分散性好，設備的體積小、占地小。不足之處就是單位時間內單位面積的流量較小，流動通量小，同時設備的壓降大、物料在反應器中停留時間短。

撞擊流反應器的應用

近二十年來撞擊流技術的研究取得了很大的研究進展，該技術已被應用到了各個領域當中，如制備超細粉體、燃燒、干燥等。

撞擊流反應器制備超細粉體

撞擊流反應器由于具有強烈的壓力波動和促進物料在微觀上充分混合的作用，極大的促進了反應的進行，強化了傳遞過程，為制備超細粉體提供了高且均勻的過飽和度。進些年來撞擊流反應器制備超細粉體已經取得了一系列進展。

撞擊流燃燒

撞擊流反應具有強化相間傳質、促進微觀混合的特點，在燃燒過程中，撞擊流燃燒使燃料于空氣充分接觸充分燃燒。如撞擊流反應器中煤粉的燃燒過程，該過程煤粉被氧氣和水蒸氣兩股物流帶入在撞擊區撞擊發生氣化反應。煤粉在不到一秒的時間既燃燒待盡。張和平等人將撞擊流技術應用到煤粉燃燒中，設計了Koppers-Totzek煤氣化裝置，該裝置很好地解決了煤燃燒不充分的問題。

撞擊流干燥

干燥過程為傳質、傳熱同時進行的過程。干燥速率、干燥效果好壞直接取決于傳質、傳熱過程速率的快慢。撞擊流過程減小了相間傳遞的阻力，強化了傳遞過程，增大了傳遞速率，該技術應用到干燥過程中已取得了一定的成果。最具有代表性的為伍沅設計的撞擊流噴霧干燥器、顆粒物料撞擊流干燥器及組合作用撞擊流干燥器等。該項裝置已應用到實際工業當中。

小結

撞擊流技術是工業生產上的一種重要流體流動形式，其具有強烈的微觀混合特性、較高的傳質系數、較短的微觀混合均勻化特征時間，這在化學工業中制備超細粉體有非常大的應用前景。

參考資料：

袁雪松.撞擊流反應器制備超細磷酸鋅

王雨菲.氣相連續撞擊流法制備氫氧化鎂微球及其對染料吸附性能研究 

石淋淋.撞擊流技術用于擬薄水鋁石合成工藝的研究

（中國粉體網編輯整理/黑金）

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