[发明专利]撞击流反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种撞击流反应器。

背景技术

撞击流的科学概念于1961年由前苏联Elperin首先提出，后来以色列Tamir团队进行了较多的应用基础研究。当时的研究者得出这样的结论：化学工程领域中的任何一种过程，几乎都可以用撞击流来实现，而且撞击流比传统的方法效率更高、能耗更低；撞击流技术在化学工程和其它工程领域中必将成为一种通用的技术方法。正如他们所预料，近年来撞击流在干燥、气化、燃烧、催化反应、吸收、萃取和纳米粒子制备等单元操作和工业过程中迅速地得到成功应用，显示出巨大的潜力和应用前景。

撞击流是实现快速混合的一种重要方法，而撞击流反应器就是用于实现撞击流过程的装置。撞击流反应器中的反应过程是两股射流离开喷嘴后相向流动、撞击，在反应器中间形成一个高度湍动的撞击区，轴向速度趋于零，并转为径向流动。由于射流撞击后产生一个高湍动撞击区，能够有效降低传递过程中的外部阻力，强化热质传递，促进混合。

然而，现有的撞击流反应器在应用于高粘流体混合或作为微反应器制备纳米颗粒时，由于流体的射流雷诺数较低，流体的混合效果很差，化学反应很慢，因而迫切需要一种简单可靠的能够进一步提升撞击流反应器对于流体混合和化学反应的促进作用的撞击流反应器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的撞击流反应器但对于流体混合和化学反应的促进作用不够明显，在低雷诺数的流体混合反应等应用中难以取得理想的混合效果的缺陷，提出一种撞击流反应器。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种撞击流反应器，包括一腔室、两个储料罐和两个喷嘴，该两个储料罐分别用于向该两个喷嘴供料，该两个喷嘴相对设置于该腔室的侧壁上，其特点在于，该撞击流反应器还包括一控制单元和两个比例阀，该控制单元用于控制该两个比例阀将向该两个喷嘴供料的流量分别调节为根据第一预设波形和第二预设波形波动，其中第一预设波形和第二预设波形均具有周期性。

普通的撞击流在特定条件下也会偶发周期振荡，但并非普遍现象，同时振荡程度较弱也无法控制。在该撞击流反应器中，通过加入该两个比例阀对该两个喷嘴的物料流量供应进行控制，并且使其以具有周期性的波形波动，也就相当于控制了该两个喷嘴喷出的物料射流的流量，而物料射流的流量的波动会造成该两个喷嘴的气速比的波动变化。上述气速比，即该两个喷嘴的出口处的流体速度之比。物料流量的波动相当于激励源，随着该两个喷嘴喷出的物料射流的流量的周期性波动，两股射流的撞击面就能够产生较强的周期振荡。并且由于撞击面的周期振荡是由物料流量的波动产生的，因此可以通过调整第一预设波形和第二预设波形来对撞击面的周期振荡进行一定的控制。

较佳地，第一预设波形和第二预设波形的形状和/或频率相同，且相位差不为2π的整数倍。

较佳地，第一预设波形和第二预设波形的相位差为π。

上述设置能够使得撞击面的振荡具有较好的周期性，振荡的幅度较为稳定，提升了撞击面的周期振荡的可控性，并且在其他条件相同的情况下，相位差为π的条件下产生的撞击面运动速度最大，效率最高。

较佳地，第一预设波形和第二预设波形的形状均为正弦波或均为方波，频率大于1Hz且小于100Hz。

本发明中各种形状的波形均可适用，但正弦波和方波更易于控制。并且频率大于1Hz且小于100Hz的情况下，撞击面的振荡对于激励信号也就是第一预设波形和第二预设波形的响应良好，此时若第一预设波形和第二预设波形的形状均为方波，则由于方波本身的波动幅度较为稳定，相应的撞击面的振荡速度也会较为稳定。因此，这种情况下，可由公式来估算得到撞击面的振幅A，公式中A₀和f₀分别为第一预设波形和第二预设波形的振幅和频率，d为该两个喷嘴的直径。

较佳地，第一预设波形和第二预设波形的振幅的取值范围为各自对应的喷嘴的平均流量的1～100%。

调节第一预设波形和第二预设波形的振幅和频率，在大幅的低频振荡的情况下能够在撞击面的振荡中产生大的旋涡，有利于强化宏观混合效果，在小幅高频振荡的情况下可产生小尺度旋涡，有利于强化微观混合效果。

在满足上述条件的情况下，撞击流的撞击面驻点对该两个喷嘴的气速比变化较为敏感，气速比的微小变化就可以引起撞击面驻点较大程度的偏移，进而诱导出周期振荡。这意味着，在上述设置下，只需要设置第一预设波形和第二预设波形的振幅较小，就能够引起撞击面较大幅度的振荡。