CN109260977B - 一种可切换自由/受限式撞击流混合器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可切换自由/受限式撞击流混合器及其使用方法。该装置包括主体单元、混合单元、连接与固定单元;连接与固定单元包括A接头、B接头、固定盘,A接头、B接头分别穿过固定盘中心的两条通道;混合单元为四棱柱结构,其下底面设有环形凸棱,该凸棱与主体单元嵌套连接,混合单元的内部中心开有不等径的圆形台阶孔;主体单元的整体呈C形结构;主体单元内部分别设有一个L形通道和一个I形通道,L形通道贯穿C形结构的侧面和底部,I形通道与L形通道的顶部平行设置,上端分别与接头连接;C形结构的内部空腔能放置混合单元。本发明通过改变单元组合形式,可实现自由与受限两种混合模式的切换;实现混合器微观混合性能的调控。
Description
技术领域
本发明涉及一种可切换自由/受限式撞击流混合器及其使用方法,属于流体微观混合过程强化领域。
背景技术
微观混合是分子反应进行的前提,借助过程强化技术是提升微观混合效果的重要途径。常见的过程强化技术主要有超重力、微流动、撞击流以及静态混合等技术,利用这些技术可以实现化工过程的高效与集成化。
超重力是一类重要的过程强化技术,其核心设备称为旋转填料床(RPB)或超重力机。通过填料床的高速旋转,可产生远大于地球重力加速度g的离心力场,在该力场内流体受到填料的剪切、碰撞与拉伸等作用而被切割成流体微元,进而极大地强化了流体微观混合以及传质过程。大量研究表明,RPB的微观混合时间为0.01~0.1 ms,微观混合性能明显优于其它过程强化装置。对于早期的RPB,料液未经预混合直接输入填料内进行混合、反应,导致部分反应物混合不足,有些反应物甚至没有接触就已排出,影响了产物的质量。此外,料液在RPB的周向分布状况差,部分填料没被充分利用。针对这些缺陷,中国发明专利(CN1425493)公开了一种撞击流-旋转填料床(IS-RPB),实现了超重力与撞击流技术的耦合,提升了设备的整体性能。撞击流作为另一种重要的过程强化技术,根据流体撞击模式的不同分为自由式撞击流(FIS)和受限式撞击流(CIS)。由于受到壁面及内部压力的作用,CIS设备的微观混合性能明显优于FIS设备。撞击流设备的结构简单,主要采用连续操作方式,但其的停留时间较短,常与其它设备联合使用。IS-RPB一般以FIS装置作为预混合器,一方面使料液进行初步混合,另一方面使料液撞击形成周向分布的液面,提供良好的液体初始分布,而分散的液滴则被旋转填料捕获,进一步完成混合、反应。值得注意的是,流体自由撞击所形成的撞击面仅能覆盖填料中间层,致使大量的填料未被利用。同时,FIS易受流体扰动的影响,撞击面稳定性差。此外,部分飞溅的液滴不易被填料所捕获,特别是在制备超细/纳米粉体过程中,会增大RPB内部管件与壳体的清理、维护难度。
虽然,采用CIS替换FIS可以进一步提高IS-RPB的微观混合性能与填料的利用率,但对于有沉淀生成的快速反应体系,CIS设备长时间运行容易出现堵塞现象,进而导致生产中断。由此可见,CIS和FIS两种模式各有利弊,单一的模式不能满足生产的要求,只有将它们进行有机的结合,才能进一步提高IS-PRB的整体性能,并拓展其应用领域。
发明内容
本发明旨在提供一种可切换自由/受限式撞击流混合器及其使用方法,借鉴集成化的理念,通过简单的组装,构建集受限与自由模式为一体的撞击流混合器;解决了现有单一撞击流模式应用的问题,进一步提升了IS-RPB的微观混合性能,并拓宽其适用范围。
本发明的原理为:通过选用不同的单元进行组装,能够使自由与受限两种撞击流模式相互切换;通过改变混合单元的结构以及操作条件,可以调节设备的微观混合性能。
本发明提供了一种可切换自由/受限式撞击流混合器,包括主体单元、混合单元、连接与固定单元;
连接与固定单元包括A接头、B接头、固定盘,A接头、B接头的一端为塔型结构,用于连接液体入口管,另一端设有外螺纹,其中A接头的外螺纹用于连接主体单元,B接头的外螺纹用于连接混合单元,接头中部为方棱柱结构,方便旋转接头;固定盘为圆盘形结构,圆盘的上端设有椭圆形凸台,圆盘下端为圆形凸台,固定盘的中心平行设有两条通道,管件分别穿过该两条通道与A、B接头连接;
固定盘用于支撑管件,该固定盘可将混合器固定于RPB内部。
混合单元为四棱柱结构,其下底面设有环形凸棱,该凸棱与主体单元嵌套连接,混合单元的内部中心开有不等径的圆形台阶孔,可实现单元之间的密封;圆形台阶孔从上到下依次为孔一、孔二、孔三,孔一内设有螺纹,与接头连接,孔二侧面与液体出口垂直连通,孔二与液体出口呈垂直设置,液体出口为渐扩形结构,利于液体的分布,孔三的直径比孔二大,孔三与主体单元的下部孔道相通;
主体单元的整体呈C形结构;主体单元内部分别设有一个L形通道和一个I形通道,L形通道贯穿C形结构的侧面和底部,I形通道与L形通道的顶部平行设置,其中L形通道上端与A接头连接,液体分别从主体L形通道和B接头流出并对撞,在一定条件下形成撞击流,强化微观混合过程;
C形结构的内部空腔能放置混合单元;该单元底部上表面设有环形凹槽,该凹槽与混合单元的底部凸棱嵌套,便于固定、密封混合单元;环形凹槽的中心设有孔,该孔与L形通道的底部连通;主体单元底部垂直向下设有冲洗孔,用于清洗装置。
上述的可切换自由/受限式撞击流混合器,混合单元通过螺栓固定在主体单元的内部空腔处,空腔下底面,即主体单元底部的上表面设有环形凹槽,该表面的外沿设计有倒角。
上述的可切换自由/受限式撞击流混合器,主体单元的L形通道内径为6.0~8.0mm,其通道上部螺纹长度为10.0~15.0 mm,螺纹采用国标M6~M8型号,与A接头连用;环形凹槽中心孔的孔径为1.0~3.0 mm,孔深为8.0~24.0 mm;I形通道的内径为6.0~8.0 mm,孔深为8.0~10.0 mm;两通道的中心间距至少为20 mm,便于安装、维护连接装置。
上述的可切换自由/受限式撞击流混合器,混合单元中孔一的通道内径为6.0~8.0mm,长度为5.0~10.0 mm,螺纹采用国标M6~M8型号,与B接头连用;孔二的通道内径为2.0~4.0 mm,长度为2.0~4.0 mm,该部分为受限式混合腔;液体出口最小孔径为1.0 mm,最大孔径为6.0 mm,液体出口为渐扩形结构,其渐扩角度为30~60°;混合单元下底面的环形凸棱的棱高为1.0~1.5 mm,径向厚度为1.0 mm。
上述的可切换自由/受限式撞击流混合器,A接头的外径为6.0~8.0 mm,壁厚1.0~2.0 mm,四方结构的边长与接头的外径相同;与A接头不同,B接头的外径小于I形通道内径,确保其能穿过I形通道而与混合单元连接,其外部设有45~60°的倒角;B接头螺纹段内部为细孔,其与主体单元环形凹槽中心的细孔结构一致,且两者的中心正对设置。
上述的可切换自由/受限式撞击流混合器,固定盘内两通道的中心间距至少为20.0 mm,且与主体单元的L形通道、I形通道分别对齐;混合单元与主体单元空腔的高度差至少为5.0 mm,便于安装、拆卸;混合单元的环形凸棱与主体单元的凹槽相匹配,并通过主体单元上侧的螺栓紧固,螺栓规格为M2~M3;凹槽内配有密封垫圈,凹槽深度为1.5~2.0 mm,槽宽大于凸棱厚度。
上述的可切换自由/受限式撞击流混合器,所有部件采用树脂、尼龙中的一种材料制成,并通过3D打印成型。混合器与RPB组合使用时,主体单元外缘与RPB填料内缘间距应大于10.0 mm,避免两者发生碰撞。
本发明提供了上述可切换自由/受限式撞击流混合器的使用方法,包括以下内容:
(1)选用主体单元、混合单元、连接与固定单元,按顺序组装为受限式撞击流混合器,具体组装过程为:首先,将混合单元嵌入主体单元的空腔内,并采用螺栓固定;然后,将B接头穿过I通道并与混合单元连接;接着,将A接头与L形通道连接;最后,将液体入口管件穿过固定盘的通道,分别与A、B两接头连接;形成受限式撞击流混合器。
通过改变孔二的内径、长度、液体出口的渐扩角度等结构参数,加工一系列具有不同结构的混合单元,通过选配不同的混合单元,或者调节液体流量,即实现设备整体微观混合效果的调控;通过固定盘将该混合器置于RPB内部,主要用于强化均相快速反应过程。
(2)将上述受限式撞击流混合器内的混合单元移除,即切换为自由式撞击流混合器;通过调整B接头的位置,改变B接头与环形凹槽中心孔的间距,或者调节液体流量,即实现设备微观混合效果的优化;固定于RPB内部,可强化快速沉淀反应过程,应用于超细/纳米材料制备领域。
本发明提供了一种可切换式撞击流混合器,通过调节单元组合形式即可进行自由与受限混合模式的切换,与RPB耦合可用强化于均相以及快速沉淀反应过程。本发明带来的有益效果:
(1)组成单元的结构简单,每个单元都配有一系列不同的规格,且单元成型材料易得、清理维护方便,因此该混合器既可用于理论研究,又可以用于实际生产;
(2)通过改变单元的组合形式,可实现自由与受限两种混合模式的切换;通过改变单元的内部结构,则可实现混合器微观混合性能的调控;
(3)该撞击流混合器结构简单,组装方便,可与RPB进行耦合,即能提升IS-RPB的微观混合性能,又能而极大地拓展IS-RPB的应用范围。
附图说明
图1为本发明主体单元的立体结构图;
图2为本发明主体单元的主视图;
图3为图2中A-A剖视图;
图4为本发明混合单元的立体结构图;
图5为本发明混合单元的主视图;
图6为图5中B-B剖视图;
图7为本发明A接头的立体结构图;
图8为本发明A接头的主视图
图9为图8中C-C剖视图;
图10为本发明B接头的立体结构图;
图11为本发明B接头的主视图;
图12为图11中D-D剖视图;
图13为本发明固定盘的立体结构图;
图14为本发明固定盘的主视图;
图15为图14中E-E剖视图;
图16为本发明受限式撞击流混合器的装配图;
图17为本发明自由式撞击流混合器的装配图;
图18为自由式撞击流-旋转填料床(FIS-RPB)制备电极材料工艺流程图;
图中:1—主体单元;2—混合单元;3—A接头;4—B接头;5—固定盘;6—L形通道;7—I形通道;8—第一螺纹孔;9—第二螺纹孔;10第三螺纹孔;11—空腔;12—环形凹槽;13—冲洗孔;14—环形凸棱;15—混合腔;16—液体出口;17—凸台;18—平行通道;19—第一储液槽;20—泵;21—流量调节阀;22—流量计;23—第二储液槽;24—电机及控制器;25—产品收集器;26—水热釜;27—自由式撞击流混合器;28—自由式撞击流-旋转填料床。具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明,但不局限于以下实施例。
实施例:
如图1~17所示,一种可切换自由/受限式撞击流混合器,包括主体单元1、混合单元2、连接与固定单元;
连接与固定单元包括A接头3、B接头4、固定盘5,A接头3、B接头4的一端为塔型结构,用于连接液体入口管,另一端设有外螺纹,A接头3的外螺纹用于连接主体单元1,B接头4的外螺纹用于连接混合单元2,A接头3、B接头4的中部为方棱柱结构,方便旋转接头;固定盘5为圆盘形结构,圆盘的上端设有椭圆形凸台17,圆盘下端为圆形凸台,固定盘5的中心设有两条平行通道18,管件分别穿过该两条通道与A、B接头连接;
固定盘5用于支撑管件,该固定盘可将混合器固定于RPB内部。
混合单元2为四棱柱结构,其下底面设有环形凸棱14,该环形凸棱14与主体单元1嵌套连接,混合单元2的内部中心开有不等径的圆形台阶孔,可实现单元之间的密封;圆形台阶孔从上到下依次为孔一、孔二、孔三,孔一内设有螺纹,与接头连接,孔二侧面与液体出口16垂直连通,孔二为混合腔15,与液体出口16呈T形设置,液体出口16为渐扩形结构,利于液体的分布,孔三的直径比孔二大,孔三与主体单元的下部孔道相通;
主体单元1的整体呈C形结构;主体单元1内部分别设有一个L形通道6和一个I形通道7,L形通道6贯穿C形结构的侧面和底部,I形通道7与L形通道6的顶部平行设置,其中L形通道6上端与A接头3连接,B接头4穿过I形通道7与混合单元2连接,液体分别从主体L形通道6和B接头4流出并对撞,在一定条件下形成撞击流,强化微观混合过程;
C形结构的内部空腔11能放置混合单元2;C形结构的底部上表面设有环形凹槽12,环形凹槽12与混合单元2的底部凸棱嵌套,便于固定、密封混合单元2;环形凹槽12的中心设有孔,该孔与L形通道的底部连通;主体单元1底部垂直向下设有冲洗孔13,用于清洗装置。
上述的可切换自由/受限式撞击流混合器,混合单元2通过螺栓固定在主体单元1的内部空腔11处,空腔11下底面,即主体单元1底部的上表面设有环形凹槽12,该表面的外沿设计有倒角。
上述的可切换自由/受限式撞击流混合器,主体单元的L形通道6内径为6.0~8.0mm,其通道上部螺纹长度为10.0~15.0 mm,螺纹采用国标M6~M8型号,与A接头3连用;环形凹槽12中心孔的孔径为1.0~3.0 mm,孔深为8.0~24.0 mm;I形通道7的内径为6.0~8.0 mm,孔深为8.0~10.0 mm;两通道的中心间距至少为20 mm,便于安装、维护连接装置。
上述的可切换自由/受限式撞击流混合器,混合单元中孔一的通道内径为6.0~8.0mm,长度为5.0~10.0 mm,螺纹采用国标M6~M8型号,与B接头连用;孔二的通道内径为2.0~4.0 mm,长度为2.0~4.0 mm,该部分为受限式混合腔;液体出口16最小孔径为1.0 mm,最大孔径为6.0 mm,液体出口16为渐扩形结构,其渐扩角度为30~60°;混合单元2下底面的环形凸棱14的棱高为1.0~1.5 mm,径向厚度为1.0 mm。
上述的可切换自由/受限式撞击流混合器,A接头3的外径为6.0~8.0 mm,壁厚1.0~2.0 mm,四方结构的边长与接头的外径相同;与A接头3不同,B接头4的外部设有45~60°的倒角,其外径小于I形通道的内径,确保其能穿过I形通道7而与混合单元2连接;B接头螺纹段内部为细孔,其与主体单元环形凹槽中心的细孔结构一致,且两者的中心正对设置。
上述的可切换自由/受限式撞击流混合器,固定盘5内两通道的中心间距至少为20.0 mm,且与主体单元的L形通道6、I形通道7分别对齐;混合单元2与主体单元1空腔的高度差至少为5.0 mm,便于安装、拆卸;混合单元2的环形凸棱14与主体单元的环形凹槽12相匹配,并通过主体单元上侧的螺栓紧固,螺栓规格为M2~M3;环形凹槽12内配有密封垫圈,环形凹槽12的深度为1.5~2.0 mm,槽宽大于环形凸棱14的厚度。
上述的可切换自由/受限式撞击流混合器,所有部件可采用树脂、尼龙中的一种材料,并通过3D打印成型。混合器与RPB组合使用时,主体单元外缘与RPB填料内缘间距应大于10.0 mm,避免两者发生碰撞。
图18列出了自由式撞击流-旋转填料床(FIS-RPB)制备电极材料的工艺流程图。
本发明提供了上述可切换自由/受限式撞击流混合器的使用方法,包括以下内容:
(1)选用主体单元、混合单元、连接与固定单元,按顺序组装为受限式撞击流混合器,具体组装过程为:首先,将混合单元嵌入主体单元的空腔内,并采用螺栓固定;然后,将B接头穿过I通道并与混合单元连接;接着,将A接头与L形通道连接;最后,将液体入口管件穿过固定盘的通道,分别与A、B两接头连接;形成受限式撞击流混合器。
通过改变孔二的内径、长度、液体出口的渐扩角度等结构参数,加工一系列具有不同结构的混合单元,通过选配不同的混合单元,或者调节液体流量,即实现设备整体微观混合效果的调控;通过固定盘将该混合器置于RPB内部,主要用于强化均相快速反应过程。
(2)将上述受限式撞击流混合器内的混合单元移除,即切换为自由式撞击流混合器;通过调整B接头的位置,改变B接头与环形凹槽中心孔的间距,或者调节液体流量,即可实现设备微观混合效果的优化;固定于RPB内部,可强化快速沉淀反应过程,应用于超细/纳米材料制备领域。
Claims (8)
1.一种可切换自由/受限式撞击流混合器,其特征在于:包括主体单元、混合单元、连接与固定单元;
连接与固定单元包括A接头、B接头、固定盘,A接头、B接头的一端为塔型结构,用于连接液体入口管件,另一端设有外螺纹,其中A接头的外螺纹用于连接主体单元,B接头的外螺纹用于连接混合单元,接头中部为方棱柱结构,方便旋转接头;固定盘为圆盘形结构,圆盘的上端设有椭圆形凸台,圆盘下端为圆形凸台,固定盘的中心平行设有两条通道,管件分别穿过该两条通道与A、B接头连接;
混合单元为四棱柱结构,其下底面设有环形凸棱,该凸棱与主体单元嵌套连接,混合单元的内部中心开有不等径的圆形台阶孔;圆形台阶孔从上到下依次为孔一、孔二、孔三,孔一内设有螺纹,与B接头连接,孔二侧面与液体出口垂直连通,孔二与液体出口呈垂直设置,液体出口为渐扩形结构,利于液体的分布,孔三的直径比孔二大;
主体单元的整体呈C形结构;主体单元内部分别设有一个L形通道和一个I形通道,L形通道贯穿C形结构的侧面和底部,I形通道与L形通道的顶部平行设置,其中L形通道上端与A接头连接;C形结构的内部空腔能放置混合单元;B接头穿过I形通道与混合单元连接;C形结构的底部上表面设有环形凹槽,该凹槽与混合单元的底部凸棱嵌套,便于固定、密封混合单元;环形凹槽的中心设有孔,该孔平行于I形通道,且与L形通道的底部连通,孔三与主体单元的下部环形凹槽中心孔相通;主体单元底部垂直向下设有冲洗孔。
2.根据权利要求1所述的可切换自由/受限式撞击流混合器,其特征在于:混合单元通过螺栓固定在主体单元的内部空腔处,空腔下底面,即主体单元底部的上表面设有环形凹槽,该表面的外沿设计有倒角。
3.根据权利要求1所述的可切换自由/受限式撞击流混合器,其特征在于:主体单元的L形通道内径为6.0~8.0 mm,其通道上部螺纹长度为10.0~15.0 mm,螺纹采用国标M6~M8型号,与A接头连用;环形凹槽中心孔的内径为1.0~3.0 mm,孔深为8.0~24.0 mm;I形通道的内径为6.0~8.0 mm,孔深为8.0~10.0 mm;两通道的中心间距至少为20 mm,便于安装、维护连接装置。
4.根据权利要求1所述的可切换自由/受限式撞击流混合器,其特征在于:混合单元中孔一的通道内径为6.0~8.0 mm,长度为5.0~10.0 mm,螺纹采用国标M6~M8型号,与B接头连用;孔二的通道内径为2.0~4.0 mm,长度为2.0~4.0 mm,该部分为受限式混合腔;液体出口最小孔径为1.0 mm,最大孔径为6.0 mm,液体出口为渐扩形结构,其渐扩角度为30~60°;混合单元下底面的凸棱的棱高为1.0~1.5 mm,径向厚度为1.0 mm。
5.根据权利要求1所述的可切换自由/受限式撞击流混合器,其特征在于:A接头的外径为6.0~8.0 mm,壁厚1.0~2.0 mm,四方结构的边长与接头的外径相同;与A接头不同,B接头的外径小于I形通道内径,确保其能穿过I形通道而与混合单元连接,其外部设有45~60°的倒角;B接头螺纹段内部为细孔,其与主体单元环形凹槽中心的细孔结构一致,且两者的中心正对设置。
6.根据权利要求1所述的可切换自由/受限式撞击流混合器,其特征在于:固定盘内两通道的中心间距至少为20.0 mm,且与主体单元的L形通道、I形通道分别对齐;混合单元与主体单元空腔的高度差至少为5.0 mm,便于安装、拆卸;混合单元的环形凸棱与主体单元的凹槽相匹配,并通过主体单元上侧的螺栓紧固,螺栓规格为M2~M3;凹槽内配有密封垫圈,凹槽深度为1.5~2.0 mm,槽宽大于凸棱厚度。
7.根据权利要求1所述的可切换自由/受限式撞击流混合器,其特征在于:所有部件采用树脂、尼龙中的一种材料制成。
8.一种权利要求1~7任一项所述的可切换自由/受限式撞击流混合器的使用方法,其特征在于包括以下内容:
(1)选用主体单元、混合单元、连接与固定单元,按顺序组装为受限式撞击流混合器,具体组装过程为:首先,将混合单元嵌入主体单元的空腔内,并采用螺栓固定;然后,将B接头穿过I通道并与混合单元连接;接着,将A接头与L形通道连接;最后,将液体入口管件穿过固定盘的通道,分别与A、B两接头连接;形成受限式撞击流混合器;
通过改变孔二的内径、长度、液体出口的渐扩角度,能加工出一系列具有不同结构的混合单元,通过选配不同的混合单元,或者调节液体流量,即实现设备整体微观混合效果的调控;通过固定盘将该混合器置于RPB内部,用于强化均相快速反应过程;
(2)将上述受限式撞击流混合器内的混合单元移除,即切换为自由式撞击流混合器;通过调整B接头的位置,改变B接头与环形凹槽中心孔的间距,或者调节液体流量,即实现设备微观混合效果的优化;固定于RPB内部,强化沉淀反应过程,用于超细/纳米材料制备领域。
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