撞擊流原理的發展及應用

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(武漢工程大學，湖北 武漢 430073)

?綜述與述評?

撞擊流原理的發展及應用

朱瑛，陳亮，周玉新，郭嘉

(武漢工程大學，湖北 武漢 430073)

撞擊流的優勢在于流體在撞擊區中高的相對速度和高速碰撞可以增強流體的湍流程度，提高傳質系數，從而促進“三傳”過程。本文深入介紹了撞擊流在納米材料、結晶、煙氣脫硫、細胞破碎等領域的研究進展和工業應用狀態，并展望了撞擊流工業化的前景。

撞擊流反應器；納米材料；結晶；沉淀

Keywords:impact flow reactor;namometer material;crystallization;precipitation

0 前言

撞擊流反應器技術源自于以Elperin為首的學者對撞擊流進行的大量實驗和理論研究。實驗結果為撞擊流這種思路提供了可行性。在這之后反應相從氣—氣相一直經歷了氣—液相、液—液相反應的發展，尤其是近幾年不僅在反應—沉淀或反應—結晶及反應—吸收過程都顯示出優良的性能，同時在納米或亞微米材料、撞擊流干燥、撞擊流粉碎和研磨、撞擊流吸收等領域獲得了廣泛應用。撞擊流反應器是一種能加大介質間微觀混合程度，提高反應速率，從而能提高產物收率的一種新型反應器，在未來工業化上有很大的發展前景。

1 基本原理

撞擊流最早的構思是由Elperin[1]提出的，使兩股等量氣體充分加速固體顆粒后形成的氣—固兩相流同軸高速相向流動并在兩加速管的中間即撞擊面上相互撞擊，形成一個高速湍流、顆粒濃度最高的撞擊區(見圖1)，為強化熱質傳遞提供了極好的條件。

圖1 撞擊流的基本結構和原理

在兩相密度相差很大的體系如氣—固懸浮體中，顆粒因慣性可從一股流體滲入另一股反向流體，并在開始滲入反向流的瞬間，相間相對速度達到最大值。滲入反向流后，顆粒又因反向氣流的摩擦阻力而減速；達到零速度后又被該氣流反向加速向撞擊面運動，隨后滲入原來的氣流。如此減幅振蕩往復運動若干次后，顆粒的軸向速度逐漸消失，最后被撞擊后轉為徑向流動的氣流帶出撞擊區。

撞擊流這種傳遞方式的優點在于：①相間傳遞可以通過顆粒與反向氣流間的相對速度大幅度增加；②顆粒在相向氣流間往復滲透延長了它們在傳遞活性區中的停留時間，使得強化傳遞的條件在一定程度上得以延續。而在氣—液體系撞擊流中，高的相間相對速度和顆粒碰撞促進液相表面更新，減小液膜阻力，從而增大總傳質系數。對于液—液連續相向撞擊，加上顆粒的往復振蕩運動，導致撞擊區強烈混合，造成溫度和組成均化。這有利于提高平均推動力，促進傳遞過程[2]。

2 撞擊流的研究及應用

2.1撞擊流反應制備納米材料

撞擊流最具前景的應用之一是利用撞擊流反應沉淀法生產納米材料。浸沒循環撞擊流反應器(SCISR)[3-4]由于其體積小、實驗流程簡單等因素而多被應用于制備納米材料并取得了很好的效果。撞擊流沉淀法制取超細粉體最重要的條件，是為沉淀過程提供高且均勻的過飽和度環境，誘發爆發式核晶，最終生成粒徑細小的產品。液體連續相撞擊流反應器(LIS)[5]可以促進快速反應，迅速產生大量溶質，達到高過飽和度。

周玉新等[6]利用浸沒式撞擊流反應器作為反應沉淀裝置，采用一步法制取“超細”白炭黑。在浸沒循環撞擊流反應器中制得粒徑2.1 μm的超細白炭黑，反應產物粒徑穩定，在后續處理中不發生變化。由于SCISR 微觀混合強烈，且具有特定的全混流—無混合流串聯循環的特殊流動結構，所以沉淀析出主要在撞擊區發生。最終所得產品效果好且凝膠較少。包傳平等[7]利用撞擊流反應器對制備超細白炭黑進行了中試，其結果顯示產品的平均粒徑為2～3 μm、比表面積高達322 m2/g，故反應器性能優越，能夠進行大量生產。

周玉新等[8]在SCISR中采用沉淀法制取納米氧化鋅，在XRD圖譜中表明產品晶型完整，所得納米氧化鋅的純度較高。X-衍射線的強度和寬度表明氧化鋅納米粒子生長完全，特定方向具有較好的結晶特征。透視電鏡表征可以得出，產物平均直徑在20～45 nm，產品具有球形或接近球形的外部形狀，粒度分布均勻。

圖2 納米氧化鋅透視電鏡圖

袁軍等[9]又研究了磷酸氫銨和硝酸鈣在氨水溶液中反應—沉淀法制取納米羥基磷灰石。在適宜操作條件下制得直徑約15 nm、長50～70 nm，形狀非常規整的產品。

圖3 納米羥基磷灰石透視電鏡圖

在納米材料領域還有很多類似研究如碳酸鍶、二氧化鈦、鈦酸鋇、磷酸鋅[10-13]，均取得了理想的粒徑規整的產品。因此，在工業中，其優越的微觀混合狀況使得過飽和度極為均勻，且采用的循環流動方式能抑制晶體長大和表面的鈍化。從而能夠產生直徑小、不凝膠的納米級別產品。故撞擊流在納米級產品的實際生產中具有極大的潛力。

2.2撞擊流在結晶中的應用

在SCISR中，其撞擊區微觀混合非常強烈。在快速反應—沉淀過程中，強烈的微觀混合可以產生高、且均勻的過飽和度環境。這不僅有利于制取超細粉體，對于結晶過程還可以創造適當且均勻的過飽和度，使得最終產品粗大均勻。此外，這種微觀混合還將影響結晶成長速度。新近研究結果[14-16]發現，SCISR中存在頻率約1 kHz、最大波幅達1.6 kPa的壓力波動。這種微觀混合和壓力波動推測有利于結晶動力學研究。為了檢驗上述推測的合理性，周玉新等[17]分別在撞擊流結晶器(ISC)和流化床結晶器(FBC)中對工業磷酸氫二鈉結晶進行了比較研究。結果表明：在32.7～39 ℃溫度下SCISR 中測定的水合Na2HPO4結晶成長速度系數KIS值在(6.61～25.32)×10-6m/s，比流化床結晶器中同條件下相應的測定值KFB系統高15%～20%；而二者的表觀活化能未發現明顯差異。這說明結晶成長速度不僅取決于物質本性和溫度、過飽和度條件，還與結晶器中的流動結構有關。與此同時，活化能差異很小，晶體成長速度很快，這是由于分子碰撞提供能量使更多的分子達到高能級。

因此，在應用于工業生產時，撞擊流結晶器能夠很大程度上減少能耗，加快結晶反應速率，提高效率，生產高品質產品,具有較高的經濟效益。如山西陽煤豐喜化工集團公司乙二酸生產中使用到了撞擊流結晶器，使其產品有效含量提高到99.8%；沙洋天一藥業有限公司的牛磺酸生產采用了撞擊流結晶器后，其產品粗品含量達90%以上，滿足JBB標準；江西高信有機化工有限公司其運用LIS技術后，TMP產品收率提高，質量更穩定，純度達到99%；在湖北宜化集團有限責任公司季四戊醇工業生產系統中替代原有的外循環反應器后，產品收率由91%提高到92%；關鍵組分乙醛統計單耗降低1.1%，顯著提高了產品質量。單臺裝機容量由原來的70 kW降為15 kW。可見循環撞擊流反應器技術達到國際先進水平，值得加大推廣。

2.3煙氣脫硫中的研究

隨著環境污染的惡化，酸雨對環境的影響越來越被人們所重視，而工業廢氣是二氧化硫的主要來源。對于撞擊流反應器發現撞擊區具有很高的傳質系數、流體阻力不大等優點，在撞擊混合區分散相可以認為是理想混合。因此，撞擊流反應器在脫除工業廢氣中的二氧化硫方面具有絕對的優勢。

周玉新等[18]針對環境污染這一問題分別用稀氨水和鈉—鈣雙堿法在撞擊流反應器中進行燃煤煙氣和硫酸尾氣中二氧化硫的吸收。實驗結果表明，在液氣比為0.23 m3/L，二氧化硫含量為3 000 mg/m3，氨硫比為2.4 的條件下，脫硫率達98.6%，此時尾氣中二氧化硫含量為45 mg/m3，遠小于國家工業廢氣中二氧化硫排放標準值(≤400 mg/m3)。

廣東聯發化工有限公司將一級二層撞擊流反應器(該反應器采用武漢工程大學的專利技術[19-20]，由湖北恒信石化設備有限公司承建)應用于鈉鈣雙堿法脫除硫酸尾氣中二氧化硫項目，成功將110 000 m3/h硫酸尾氣中的SO2含量由860～1 500 mg/m3脫除至200 mg/m3以下，且系統阻力很小，僅300～500 Pa；唐山三友集團化纖廠在化纖生產過程中，產生的60 000 m3/h工業廢氣中的H2S含量高達2 000 mg/m3，該公司采用NaOH為吸收劑，運用二級四層撞擊流氣液反應器，使其H2S含量脫除至10 mg/m3以下，達到了國家排放標準。

2.4細胞破碎的研究

目前，國內外破碎酵母菌的方法主要有自溶法、超聲法和凍融法等[21]，都存在著技術條件要求高、工藝復雜、處理量少、破碎率相對較低等缺點，難以大規模生產應用。而皺文敏等[22]利用立式撞擊流反應器破碎酵母菌，通過兩股相向流動的流體微團相互作用，增大酵母菌和流體間的相互作用從而實現破碎的效果。通過測得酵母菌的破碎率可以獲知反應器的混合程度。由分光光度計觀察可知，在對轉速的調控下可以使得酵母菌破解率增大，從而成功從酵母菌中提取大量活性物質。

投入工業生產時，由于LIS 流體間強烈的相互作用，破碎酵母菌不僅可以節能，而且產品不易變性、不受污染、容易分離和處理。采用該方法破碎酵母菌有效、可行，如應用到細胞破碎及生物質深加工領域，可望產生顯著的經濟效益和社會效益。該技術還可以破除其它細胞的細胞壁，如應用于破壁靈芝孢子方向的研究[23]和在南京大地水刀有限公司螺旋藻加工破壁[24]，效果良好。

綜上所述，撞擊流有以下幾個特點：從微觀上加強微觀混合程度，產生強烈的壓力波動，促進過程動力學；宏觀上能減少反應時間，改善產品品質，提高設備生產強度。

3 結束語

從撞擊流反應器的發展趨勢來看，液體連續相反應器(LIS)因其有效的微觀混合和強烈的壓力波動等特性對在液相或以液體為連續相的體系中分子尺度上進行的過程非常有利而逐漸成為研究的主力。日后撞擊流的發展將會在LIS方面繼續深入，并且，LIS也具有值得研究的潛質。已經研究成熟的撞擊流結晶器與撞擊流蒸發器都相較于同類產品要更經濟高效，也證實了撞擊流的確是一類具有優越性能的技術方法。與此同時，在另一方面，撞擊流的發展也必將向著工業需求的方向發展。主要體現在以下幾個方面：①納米材料。現如今就納米材料的研究呈上升趨勢，而撞擊流反應器因其獨特的微觀特性滿足了納米材料的精度要求，提高了產品性能。相信其在未來納米材料的工業生產中具有更廣闊的應用。②結晶。強烈的壓力波動使得結晶反應在撞擊流反應器中更容易發生，且產品純度高，這些優點使得撞擊流反應器在結晶領域有著極大的優勢。因此撞擊流反應器受到廣大公司的青睞并在工業上得到廣泛使用。③煙氣脫硫。而撞擊流反應器應運而生，它能很好的處理二氧化硫尾氣，抑制大氣污染，節約企業的成本，在環境污染日益嚴重的背景下，撞擊流反應器將在空氣污染治理上扮演很重要的角色。④細胞破碎。該課題是生物技術的熱點課題之一，如前文所述的撞擊流所存在的有效的微觀混合和強烈的壓力波動等特性將會使撞擊區存在相當強的剪切力場，而該剪切力可用于細胞破碎。當然，撞擊流不可能應用于所有種類細胞的破碎，但是，這仍是一個可以更加深入研究的領域。⑤乳化。乳化操作在化妝品的研究、生產、保存、使用方面都具有重要意義，乳狀液分散性能、微粒大小都直接影響產品質量。而利用LIS兩流體間強烈的相互作用，就有可能在較低能耗下達到同樣的乳化要求，這對化妝品的工業生產意義重大。⑥溶劑萃取。在化學、冶金、食品、原子能等工業，溶劑萃取的精度要求越來越高，而LIS兩流體間強烈的相互作用將提高兩種互不混溶液體的相互分散程度，將有利于提高萃取過程的效果和降低該過程的能耗。

但是，我們也應當注意，撞擊流并不是萬能的工具，它并不能適用于所有體系，它本身也具有某些固有的缺點。最后，隨著微觀混合領域的發展，撞擊流將煥發出更強大的生命力。

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DevelopmentandApplicationofImpactFlowPrinciple

ZHUYing,CHENLiang,ZHOUYu-xin,GUOJia

(Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430073,China)

The advantages of impact flow is its high relative velocity and high velocity impact can reinfore the turbulent extent of fluid,increase mass transfer coefficient,so as to promote “three transfer”process.In this paper,the research progress and industrial application of impact flow at nanometer materid,crystallization,flue gas desulfarization,cell disruption,et al,the industrialization prospect of impact flow are prospected.

2013-12-16

國家自然科學基金資助項目(407615)；武漢工程大學第八屆校長基金立項資助。

朱 瑛(1992-)，女，本科生；聯系人，周玉新(1957-)，教授，從事新型反應器及化工新材料的研究工作，電話：1397423090？。

TQ052

A

1003-3467(2014)01-0017-04