中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近年來(lái)，我國(guó)對(duì)超細(xì)粉體的基礎(chǔ)理論有著較深的研究，使得超細(xì)技術(shù)廣泛應(yīng)用到高科技陶瓷、電子、化工、環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域。而撞擊流技術(shù)作為工業(yè)應(yīng)用上的一種重要流動(dòng)形式，其強(qiáng)烈的微觀混合、較高的傳遞系數(shù)以及有效地提供過(guò)飽和狀態(tài)，大大縮短了混合時(shí)間，這在化學(xué)工業(yè)中制備超細(xì)粉體有非常大的應(yīng)用前景。
撞擊流概述
撞擊流（impinging stream，IS）作為一種新型過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)，最早由Elperin提出，其中心思想是指兩股或多股流體相向撞擊，產(chǎn)生一個(gè)高度的湍動(dòng)區(qū)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程熱、質(zhì)傳遞的強(qiáng)化，20世紀(jì)90年代以來(lái)，實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的發(fā)展，所涌現(xiàn)出的測(cè)量技術(shù)和模擬手段日新月異，液體連續(xù)相撞擊流（LIS）能夠顯著強(qiáng)化微觀混合的性質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，極大地拓展了撞擊流的應(yīng)用領(lǐng)域。
撞擊流技術(shù)發(fā)展
撞擊流的基本原理
撞擊流的基本原理是兩股或多股、均相或非均相流體相向高速流動(dòng)，通過(guò)撞擊形成一個(gè)高度湍動(dòng)的撞擊區(qū)，大大地強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程。
撞擊流原理
眾多研究表明，撞擊流其強(qiáng)烈的微觀混合以及壓力波動(dòng)特性可以使化學(xué)反應(yīng)快速進(jìn)行，瞬間產(chǎn)生有效均勻的過(guò)飽和度；而且由于混沌流動(dòng)狀態(tài)使混合尺度迅速減小，不同尺度漩渦及彼此折疊碰撞增強(qiáng)了湍動(dòng)強(qiáng)度和能量擴(kuò)散，促使分子在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)達(dá)到更有效的高能級(jí)碰撞，瞬間產(chǎn)生大量晶核，抑制晶核成長(zhǎng)，生成粒度大小及其分布穩(wěn)定的粉體材料。基于此設(shè)計(jì)的反應(yīng)器也在眾多領(lǐng)域得到運(yùn)用。與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，撞擊流的引入有效改善了反應(yīng)器內(nèi)的混合及傳質(zhì)效果。
撞擊流反應(yīng)器
根據(jù)反應(yīng)器形式特點(diǎn)以及適用條件，大致將制備超細(xì)粉體的撞擊流反應(yīng)器分為循環(huán)浸沒撞擊流反應(yīng)器、受限撞擊流反應(yīng)器、微小型撞擊流反應(yīng)器和撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床反應(yīng)器等。
循環(huán)浸沒撞擊流反應(yīng)器
浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器（submerged circulative impinging stream reactor，簡(jiǎn)稱SCISR），由于其全混流－無(wú)混合流串聯(lián)循環(huán)的特殊流動(dòng)結(jié)構(gòu)，腔室內(nèi)溶液反復(fù)循環(huán)撞擊時(shí)，產(chǎn)生極高且均勻的過(guò)飽和狀態(tài)，制備的超細(xì)粉體粒徑更小、更均勻。不足之處是更高的撞擊速度導(dǎo)致撞擊面不夠穩(wěn)定，邊緣效應(yīng)較差。
浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖
適用特性：
（1）液液反應(yīng)
（2）易團(tuán)聚反應(yīng)：循環(huán)撞擊促使粒子循環(huán)碰撞、破碎，粒徑更細(xì)且穩(wěn)定
（3）部分高粘度反應(yīng)：較大腔室不容易造成堵塞
（4）不適用高流速且對(duì)流速精準(zhǔn)的反應(yīng)
受限撞擊流反應(yīng)器
受限撞擊流反應(yīng)器（confined impinging stream reactor，簡(jiǎn)稱CIJS）超飽和度的特性以及混合速率的精準(zhǔn)控制，結(jié)合閃蒸技術(shù)（flash nanoprecipitation，簡(jiǎn)稱FNP）被廣泛應(yīng)用于制備納米超細(xì)粉體。
受限撞擊流反應(yīng)器
優(yōu)勢(shì)：混合尺度迅速減�。贿吘壭�(yīng)加強(qiáng)；撞擊截面變小，有效接觸面積增大。
不足：一定量的團(tuán)聚沉淀物容易滯留，堵塞通道；系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)流量較敏感。
適用特性：
（1）液液反應(yīng)
（2）萃取反應(yīng)：生物醫(yī)藥、聚合物、有機(jī)物等
（3）多物料反應(yīng)：以此為基礎(chǔ)的三噴嘴、多噴嘴、雙組反應(yīng)器允許多物料同時(shí)反應(yīng)，節(jié)省時(shí)間，空間，增大產(chǎn)率等
（4）易團(tuán)聚反應(yīng)：結(jié)合閃蒸技術(shù)，利用飽和蒸汽壓去除溶劑，防止團(tuán)聚
微小型撞擊流反應(yīng)器
微撞擊流反應(yīng)器（micro impinging stream reactor，簡(jiǎn)稱MISR）。微混合器是近年來(lái)新發(fā)展的一種混合強(qiáng)化方式，主要利用亞微米至亞毫米量級(jí)的受限空間將流體約束成極小的流束或微團(tuán)，從而使混合過(guò)程直接發(fā)生于接近微觀混合尺度，是目前工程技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)研究方向。
優(yōu)勢(shì)：混合過(guò)程接近微觀混合尺度；容易施加加壓、加熱、冷卻等條件；安全性、可靠性、可擴(kuò)展性較好；有效接觸面積增大。
不足：團(tuán)聚現(xiàn)象造成堵塞；脈動(dòng)及腐蝕影響會(huì)成倍放大；檢測(cè)以及清理困難。
適用特性：
（1）液液反應(yīng)
（2）多級(jí)反應(yīng)：如二級(jí)微反應(yīng)器可避免后處理延遲的問題
（3）復(fù)雜條件反應(yīng)：如加壓、加熱、冷卻等條件
（4）不適用與高粘度與部分腐蝕化學(xué)反應(yīng)，難清洗與檢測(cè)
撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床反應(yīng)器
撞擊流－旋轉(zhuǎn)填料床反應(yīng)器（impinging stream-rotating packed bed reactor，簡(jiǎn)稱IS-RPB），是通過(guò)撞擊流反應(yīng)器與旋轉(zhuǎn)填料反應(yīng)器有機(jī)耦合形成的一種新型的過(guò)程強(qiáng)化反應(yīng)設(shè)備。
優(yōu)勢(shì)：將撞擊流技術(shù)旋轉(zhuǎn)填料床技術(shù)有機(jī)耦合；高分散、高湍動(dòng)、強(qiáng)混合、體積小，占地小。
不足：通量小、壓降大；停留時(shí)間短。
適用特性：
（1）液液反應(yīng)
（2）液膜分離反應(yīng)：乳化液膜和廢水處理
（3）萃取反應(yīng)：混合均勻，萃取效率高
（4）不適用大流量、大壓降、反應(yīng)緩慢的反應(yīng)
雙組對(duì)置撞擊流反應(yīng)器
在對(duì)以上撞擊流反應(yīng)器進(jìn)行總結(jié)、改進(jìn)，有學(xué)者研發(fā)了雙組對(duì)置撞擊流反應(yīng)器。其由筒體，橢圓形封頭，錐形封頭三大部分組成。進(jìn)料管采用分層式設(shè)計(jì)，同層進(jìn)料管同軸對(duì)置，不僅滿足多股物料同時(shí)反應(yīng)（混合），而且增加了流場(chǎng)層間的擾動(dòng)，使得上下兩組完成撞擊后所形成的徑向射流，產(chǎn)生新的撞擊，完成動(dòng)量的二次傳遞。
雙組分層撞擊流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)
用此新型撞擊流反應(yīng)器制備Mg(OH)2的方法，為沉淀法制備超細(xì)粉體提供一種新的反應(yīng)技術(shù)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作彈性大、占地面積小等優(yōu)勢(shì)。
撞擊流反應(yīng)器在超細(xì)粉體制備中的應(yīng)用
撞擊流反應(yīng)器在能源、化工、醫(yī)藥及材料制備等眾多領(lǐng)域已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。
陽(yáng)慧芳以ZrOCl2•8H2O為鋯源，Y(NO3)3•6H2O為釔源，PEG4000為分散劑，碳酸氫銨為沉淀劑，采用撞擊流反應(yīng)-沉淀法制備5%釔穩(wěn)定氧化鋯前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)濾、洗滌、干燥、研磨、焙燒等工序制備出釔穩(wěn)定氧化鋯超細(xì)粉體。
撞擊流反應(yīng)-沉淀法制備釔穩(wěn)定氧化鋯超細(xì)粉體的工藝
周玉新等運(yùn)用新穎的撞擊流反應(yīng)器作為主要反應(yīng)器，研究各種相關(guān)因子對(duì)產(chǎn)品磷酸鐵的純度和粒徑的影響，確定適宜的工藝條件，并制取合格的電池級(jí)磷酸鐵。
撞擊流反應(yīng)器制備電池級(jí)超細(xì)磷酸鐵工藝流程圖
張麗等采用撞擊流反應(yīng)器，在撞擊流反應(yīng)器中，鎂鹽與沉淀劑在20~90℃下發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鎂沉淀，所得沉淀在50~120℃下陳化1~10小時(shí)，再經(jīng)過(guò)濾、烘干，最終得到氫氧化鎂產(chǎn)品。
一種基于撞擊流的連續(xù)式氫氧化鎂生產(chǎn)工藝
郭嘉等利用撞擊流反應(yīng)器制備白炭黑的平均粒徑為 1~2 μm ，且粒徑分布很窄；利用撞擊流反應(yīng)器制備了不同形狀的納米銅粉，平均粒徑約為 5μm 。
利用撞擊流反應(yīng)器制備的不同形狀納米銅粉的 TEM 照片
宋興福等主要采用撞擊流‑旋轉(zhuǎn)填料床的超重力作用促使反應(yīng)物料在多孔介質(zhì)中流動(dòng)接觸，從而產(chǎn)生巨大剪切力將液體撕裂成納米級(jí)的液膜、液絲或液滴，強(qiáng)化內(nèi)部微觀混合與反應(yīng)傳質(zhì)作用，同時(shí)結(jié)合反應(yīng)結(jié)晶過(guò)程控制技術(shù)制備電池級(jí)超細(xì)碳酸鋰粉體。
一種電池級(jí)超細(xì)碳酸鋰的超重力制備方法和系統(tǒng)
小結(jié)
撞擊流作為一種有效強(qiáng)化相間傳熱傳質(zhì)、促進(jìn)微觀混合的新技術(shù)，在吸收、結(jié)晶、超細(xì)粉體制備等領(lǐng)域均展示出良好的應(yīng)用前景。目前制備超細(xì)粉體的撞擊流反應(yīng)器多以小型或微小型為主，具有物料出口堵塞，腐蝕效果放大，難清洗等劣勢(shì)，因此探究與其他先進(jìn)技術(shù)（超高壓、超臨界等）協(xié)同增效的復(fù)合型撞擊流反應(yīng)（混合）器，成為未來(lái)研究發(fā)展一大方向。
參考資料：
張建偉等.撞擊流強(qiáng)化混合特性及用于制備超細(xì)粉體研究進(jìn)展
張建偉等.撞擊流反應(yīng)器混合性能研究進(jìn)展
郭嘉.撞擊流法制備納米無(wú)機(jī)粉體新技術(shù)
張建偉，沙新力等.撞擊流技術(shù)研究進(jìn)展及新型反應(yīng)裝置研發(fā)
周玉新等.撞擊流反應(yīng)器制備電池級(jí)超細(xì)磷酸鐵
許鑫磊.撞擊流反應(yīng)器內(nèi)吞噬流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬
陽(yáng)慧芳.撞擊流反應(yīng)-沉淀法制備 釔穩(wěn)定氧化鋯超細(xì)粉體
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/三昧）
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