撞击流原理的发展及应用

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(武汉工程大学，湖北 武汉 430073)

•综述与述评•

撞击流原理的发展及应用

朱瑛，陈亮，周玉新，郭嘉

(武汉工程大学，湖北 武汉 430073)

撞击流的优势在于流体在撞击区中高的相对速度和高速碰撞可以增强流体的湍流程度，提高传质系数，从而促进“三传”过程。本文深入介绍了撞击流在纳米材料、结晶、烟气脱硫、细胞破碎等领域的研究进展和工业应用状态，并展望了撞击流工业化的前景。

撞击流反应器；纳米材料；结晶；沉淀

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

0 前言

撞击流反应器技术源自于以Elperin为首的学者对撞击流进行的大量实验和理论研究。实验结果为撞击流这种思路提供了可行性。在这之后反应相从气—气相一直经历了气—液相、液—液相反应的发展，尤其是近几年不仅在反应—沉淀或反应—结晶及反应—吸收过程都显示出优良的性能，同时在纳米或亚微米材料、撞击流干燥、撞击流粉碎和研磨、撞击流吸收等领域获得了广泛应用。撞击流反应器是一种能加大介质间微观混合程度，提高反应速率，从而能提高产物收率的一种新型反应器，在未来工业化上有很大的发展前景。

1 基本原理

撞击流最早的构思是由Elperin[1]提出的，使两股等量气体充分加速固体颗粒后形成的气—固两相流同轴高速相向流动并在两加速管的中间即撞击面上相互撞击，形成一个高速湍流、颗粒浓度最高的撞击区(见图1)，为强化热质传递提供了极好的条件。

图1 撞击流的基本结构和原理

在两相密度相差很大的体系如气—固悬浮体中，颗粒因惯性可从一股流体渗入另一股反向流体，并在开始渗入反向流的瞬间，相间相对速度达到最大值。渗入反向流后，颗粒又因反向气流的摩擦阻力而减速；达到零速度后又被该气流反向加速向撞击面运动，随后渗入原来的气流。如此减幅振荡往复运动若干次后，颗粒的轴向速度逐渐消失，最后被撞击后转为径向流动的气流带出撞击区。

撞击流这种传递方式的优点在于：①相间传递可以通过颗粒与反向气流间的相对速度大幅度增加；②颗粒在相向气流间往复渗透延长了它们在传递活性区中的停留时间，使得强化传递的条件在一定程度上得以延续。而在气—液体系撞击流中，高的相间相对速度和颗粒碰撞促进液相表面更新，减小液膜阻力，从而增大总传质系数。对于液—液连续相向撞击，加上颗粒的往复振荡运动，导致撞击区强烈混合，造成温度和组成均化。这有利于提高平均推动力，促进传递过程[2]。

2 撞击流的研究及应用

2.1撞击流反应制备纳米材料

撞击流最具前景的应用之一是利用撞击流反应沉淀法生产纳米材料。浸没循环撞击流反应器(SCISR)[3-4]由于其体积小、实验流程简单等因素而多被应用于制备纳米材料并取得了很好的效果。撞击流沉淀法制取超细粉体最重要的条件，是为沉淀过程提供高且均匀的过饱和度环境，诱发爆发式核晶，最终生成粒径细小的产品。液体连续相撞击流反应器(LIS)[5]可以促进快速反应，迅速产生大量溶质，达到高过饱和度。

周玉新等[6]利用浸没式撞击流反应器作为反应沉淀装置，采用一步法制取“超细”白炭黑。在浸没循环撞击流反应器中制得粒径2.1 μm的超细白炭黑，反应产物粒径稳定，在后续处理中不发生变化。由于SCISR 微观混合强烈，且具有特定的全混流—无混合流串联循环的特殊流动结构，所以沉淀析出主要在撞击区发生。最终所得产品效果好且凝胶较少。包传平等[7]利用撞击流反应器对制备超细白炭黑进行了中试，其结果显示产品的平均粒径为2～3 μm、比表面积高达322 m2/g，故反应器性能优越，能够进行大量生产。

周玉新等[8]在SCISR中采用沉淀法制取纳米氧化锌，在XRD图谱中表明产品晶型完整，所得纳米氧化锌的纯度较高。X-衍射线的强度和宽度表明氧化锌纳米粒子生长完全，特定方向具有较好的结晶特征。透视电镜表征可以得出，产物平均直径在20～45 nm，产品具有球形或接近球形的外部形状，粒度分布均匀。

图2 纳米氧化锌透视电镜图

袁军等[9]又研究了磷酸氢铵和硝酸钙在氨水溶液中反应—沉淀法制取纳米羟基磷灰石。在适宜操作条件下制得直径约15 nm、长50～70 nm，形状非常规整的产品。

图3 纳米羟基磷灰石透视电镜图

在纳米材料领域还有很多类似研究如碳酸锶、二氧化钛、钛酸钡、磷酸锌[10-13]，均取得了理想的粒径规整的产品。因此，在工业中，其优越的微观混合状况使得过饱和度极为均匀，且采用的循环流动方式能抑制晶体长大和表面的钝化。从而能够产生直径小、不凝胶的纳米级别产品。故撞击流在纳米级产品的实际生产中具有极大的潜力。

2.2撞击流在结晶中的应用

在SCISR中，其撞击区微观混合非常强烈。在快速反应—沉淀过程中，强烈的微观混合可以产生高、且均匀的过饱和度环境。这不仅有利于制取超细粉体，对于结晶过程还可以创造适当且均匀的过饱和度，使得最终产品粗大均匀。此外，这种微观混合还将影响结晶成长速度。新近研究结果[14-16]发现，SCISR中存在频率约1 kHz、最大波幅达1.6 kPa的压力波动。这种微观混合和压力波动推测有利于结晶动力学研究。为了检验上述推测的合理性，周玉新等[17]分别在撞击流结晶器(ISC)和流化床结晶器(FBC)中对工业磷酸氢二钠结晶进行了比较研究。结果表明：在32.7～39 ℃温度下SCISR 中测定的水合Na2HPO4结晶成长速度系数KIS值在(6.61～25.32)×10-6m/s，比流化床结晶器中同条件下相应的测定值KFB系统高15%～20%；而二者的表观活化能未发现明显差异。这说明结晶成长速度不仅取决于物质本性和温度、过饱和度条件，还与结晶器中的流动结构有关。与此同时，活化能差异很小，晶体成长速度很快，这是由于分子碰撞提供能量使更多的分子达到高能级。

因此，在应用于工业生产时，撞击流结晶器能够很大程度上减少能耗，加快结晶反应速率，提高效率，生产高品质产品,具有较高的经济效益。如山西阳煤丰喜化工集团公司乙二酸生产中使用到了撞击流结晶器，使其产品有效含量提高到99.8%；沙洋天一药业有限公司的牛磺酸生产采用了撞击流结晶器后，其产品粗品含量达90%以上，满足JBB标准；江西高信有机化工有限公司其运用LIS技术后，TMP产品收率提高，质量更稳定，纯度达到99%；在湖北宜化集团有限责任公司季四戊醇工业生产系统中替代原有的外循环反应器后，产品收率由91%提高到92%；关键组分乙醛统计单耗降低1.1%，显著提高了产品质量。单台装机容量由原来的70 kW降为15 kW。可见循环撞击流反应器技术达到国际先进水平，值得加大推广。

2.3烟气脱硫中的研究

随着环境污染的恶化，酸雨对环境的影响越来越被人们所重视，而工业废气是二氧化硫的主要来源。对于撞击流反应器发现撞击区具有很高的传质系数、流体阻力不大等优点，在撞击混合区分散相可以认为是理想混合。因此，撞击流反应器在脱除工业废气中的二氧化硫方面具有绝对的优势。

周玉新等[18]针对环境污染这一问题分别用稀氨水和钠—钙双碱法在撞击流反应器中进行燃煤烟气和硫酸尾气中二氧化硫的吸收。实验结果表明，在液气比为0.23 m3/L，二氧化硫含量为3 000 mg/m3，氨硫比为2.4 的条件下，脱硫率达98.6%，此时尾气中二氧化硫含量为45 mg/m3，远小于国家工业废气中二氧化硫排放标准值(≤400 mg/m3)。

广东联发化工有限公司将一级二层撞击流反应器(该反应器采用武汉工程大学的专利技术[19-20]，由湖北恒信石化设备有限公司承建)应用于钠钙双碱法脱除硫酸尾气中二氧化硫项目，成功将110 000 m3/h硫酸尾气中的SO2含量由860～1 500 mg/m3脱除至200 mg/m3以下，且系统阻力很小，仅300～500 Pa；唐山三友集团化纤厂在化纤生产过程中，产生的60 000 m3/h工业废气中的H2S含量高达2 000 mg/m3，该公司采用NaOH为吸收剂，运用二级四层撞击流气液反应器，使其H2S含量脱除至10 mg/m3以下，达到了国家排放标准。

2.4细胞破碎的研究

目前，国内外破碎酵母菌的方法主要有自溶法、超声法和冻融法等[21]，都存在着技术条件要求高、工艺复杂、处理量少、破碎率相对较低等缺点，难以大规模生产应用。而皱文敏等[22]利用立式撞击流反应器破碎酵母菌，通过两股相向流动的流体微团相互作用，增大酵母菌和流体间的相互作用从而实现破碎的效果。通过测得酵母菌的破碎率可以获知反应器的混合程度。由分光光度计观察可知，在对转速的调控下可以使得酵母菌破解率增大，从而成功从酵母菌中提取大量活性物质。

投入工业生产时，由于LIS 流体间强烈的相互作用，破碎酵母菌不仅可以节能，而且产品不易变性、不受污染、容易分离和处理。采用该方法破碎酵母菌有效、可行，如应用到细胞破碎及生物质深加工领域，可望产生显著的经济效益和社会效益。该技术还可以破除其它细胞的细胞壁，如应用于破壁灵芝孢子方向的研究[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。

综上所述，撞击流有以下几个特点：从微观上加强微观混合程度，产生强烈的压力波动，促进过程动力学；宏观上能减少反应时间，改善产品品质，提高设备生产强度。

3 结束语

从撞击流反应器的发展趋势来看，液体连续相反应器(LIS)因其有效的微观混合和强烈的压力波动等特性对在液相或以液体为连续相的体系中分子尺度上进行的过程非常有利而逐渐成为研究的主力。日后撞击流的发展将会在LIS方面继续深入，并且，LIS也具有值得研究的潜质。已经研究成熟的撞击流结晶器与撞击流蒸发器都相较于同类产品要更经济高效，也证实了撞击流的确是一类具有优越性能的技术方法。与此同时，在另一方面，撞击流的发展也必将向着工业需求的方向发展。主要体现在以下几个方面：①纳米材料。现如今就纳米材料的研究呈上升趋势，而撞击流反应器因其独特的微观特性满足了纳米材料的精度要求，提高了产品性能。相信其在未来纳米材料的工业生产中具有更广阔的应用。②结晶。强烈的压力波动使得结晶反应在撞击流反应器中更容易发生，且产品纯度高，这些优点使得撞击流反应器在结晶领域有着极大的优势。因此撞击流反应器受到广大公司的青睐并在工业上得到广泛使用。③烟气脱硫。而撞击流反应器应运而生，它能很好的处理二氧化硫尾气，抑制大气污染，节约企业的成本，在环境污染日益严重的背景下，撞击流反应器将在空气污染治理上扮演很重要的角色。④细胞破碎。该课题是生物技术的热点课题之一，如前文所述的撞击流所存在的有效的微观混合和强烈的压力波动等特性将会使撞击区存在相当强的剪切力场，而该剪切力可用于细胞破碎。当然，撞击流不可能应用于所有种类细胞的破碎，但是，这仍是一个可以更加深入研究的领域。⑤乳化。乳化操作在化妆品的研究、生产、保存、使用方面都具有重要意义，乳状液分散性能、微粒大小都直接影响产品质量。而利用LIS两流体间强烈的相互作用，就有可能在较低能耗下达到同样的乳化要求，这对化妆品的工业生产意义重大。⑥溶剂萃取。在化学、冶金、食品、原子能等工业，溶剂萃取的精度要求越来越高，而LIS两流体间强烈的相互作用将提高两种互不混溶液体的相互分散程度，将有利于提高萃取过程的效果和降低该过程的能耗。

但是，我们也应当注意，撞击流并不是万能的工具，它并不能适用于所有体系，它本身也具有某些固有的缺点。最后，随着微观混合领域的发展，撞击流将焕发出更强大的生命力。

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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

国家自然科学基金资助项目(407615)；武汉工程大学第八届校长基金立项资助。

朱 瑛(1992-)，女，本科生；联系人，周玉新(1957-)，教授，从事新型反应器及化工新材料的研究工作，电话：1397423090？。

TQ052

A

1003-3467(2014)01-0017-04