一种可切换自由/受限式撞击流混合器及其使用方法与流程

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0.01~0.1ms，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。

技术实现要素：

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10.0~15.0mm，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1.0~3.0mm，孔深为8.0~24.0mm；i形通道的内径为6.0~8.0mm，孔深为8.0~10.0mm；两通道的中心间距至少为20mm，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5.0~10.0mm，螺纹采用国标m6~m8型号，与b接头连用；孔二的通道内径为2.0~4.0mm，长度为2.0~4.0mm，该部分为受限式混合腔；液体出口最小孔径为1.0mm，最大孔径为6.0mm，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1.0~1.5mm，径向厚度为1.0mm。

上述的可切换自由/受限式撞击流混合器，a接头的外径为6.0~8.0mm，壁厚1.0~2.0mm，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20.0mm，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5.0mm，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1.5~2.0mm，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10.0mm，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10.0~15.0mm，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1.0~3.0mm，孔深为8.0~24.0mm；i形通道7的内径为6.0~8.0mm，孔深为8.0~10.0mm；两通道的中心间距至少为20mm，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5.0~10.0mm，螺纹采用国标m6~m8型号，与b接头连用；孔二的通道内径为2.0~4.0mm，长度为2.0~4.0mm，该部分为受限式混合腔；液体出口16最小孔径为1.0mm，最大孔径为6.0mm，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1.0~1.5mm，径向厚度为1.0mm。

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6.0~8.0mm，壁厚1.0~2.0mm，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20.0mm，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5.0mm，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1.5~2.0mm，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10.0mm，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。