一种制备单分散颗粒物的系统及方法
【专利摘要】一种制备单分散颗粒物的系统及方法，具体说涉及一种利用高速碰撞使团聚颗粒物发生解聚弥散并进行粒径分级的装置和方法。该系统含有颗粒发生器、弥散喷嘴、粒径切割器和测控装置；所述颗粒发生器包括密封外壳，以及设置在密封外壳内的储料筒、碰撞管和振动器；储料筒安装于固定架上，内部装有搅拌电机和搅拌针。制备单分散颗粒物的方法包括原料的预处理、参数选取和解聚分级三部分。本发明的装置和方法可获得粒径分布接近单分散特性的颗粒物，并可控制生成均匀连续的含颗粒气流，广泛应用于能源、环保、化工、冶金、制药、生物等领域的科研和生产实践。
【专利说明】一种制备单分散颗粒物的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种制备单分散颗粒物的装置及方法，具体说是一种利用高速碰撞使 团聚颗粒物发生解聚弥散并进行粒径分级的装置和方法，可以制备粒径分布具有单分散特 性的颗粒物，并可控制生成均匀连续的含颗粒气流。
【背景技术】
[0002] 颗粒物因其广泛存在而受到工程界和科学界长期而密切的关注。而含颗粒气流， 或称固体颗粒物气溶胶，其精确可控的制备、发生装置和方法是开展相应研究的基础，尤其 是产生单分散颗粒物及其含颗粒气流的装置和方法，更是实现定量研究的重要条件。当前 国际上含颗粒气流的发生装置，主要有流化床式、链条喷嘴式、刮板卷吸式、刷式等形式。这 些现有方法的适用范围有限，颗粒的质量流量或弥散效果不同程度会受到载气气流条件影 响，不易获得长时间稳定的颗粒质量流量，更难以准确计量含颗粒气流的浓度。特别是由于 颗粒间普遍存在微观相互作用力使不同粒径的颗粒团聚在一起难以分离，由此产生的含颗 粒气流难以达到均匀、单分散特性，极大限制了相应的研究和应用。解决上述问题已经成为 广泛而迫切的需求。
【发明内容】
[0003] 针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种制备单分散颗粒物的装置及方 法；具体来说，该装置和方法基于碰撞解聚机理，利用刚性碰撞作用力远大于颗粒间作用力 并产生高加速度的特点，破坏颗粒的团聚结构从而使其发生解聚，并在高速高频碰撞中将 颗粒均匀对称地弥散到周围气相中去。以此产生稳定均匀的含颗粒气流，进而通过粒径切 割获得单分散颗粒物。该装置及方法可以满足能源、环保、化工、冶金、制药、生物等领域的 基础研究和工业应用。
[0004] 本发明的技术方案如下：
[0005] -种制备单分散颗粒物的系统，其特征在于：该系统含有颗粒发生器、弥散喷嘴、 粒径切割器和测控装置；所述颗粒发生器包括密封外壳，以及设置在密封外壳内的储料筒、 碰撞管和振动器；储料筒安装于固定架上，内部装有搅拌电机和搅拌针；
[0006] 所述弥散喷嘴安装在密封外壳的底部；所述的碰撞管的一端与储料筒的底部连 接，碰撞管的末端插入弥散喷嘴内并与弥散喷嘴保持同心；所述振动器安装在固定架上，并 与碰撞管相连；在密封外壳的顶部装有载气入口，密封外壳通过支撑杆安装在底座上；
[0007] 所述测控装置包括颗粒控制器，以及通过信号线与颗粒控制器相连的质量流量控 制器、脉冲发生器和称重传感器；所述的搅拌电机和振动器分别通过信号线连接至颗粒控 制器和脉冲发生器；所述称重传感器安装在支撑杆和底座之间；所述质量流量控制器通过 气体管路连接至载气入口，弥散喷嘴的出口经过三通阀连接至粒径切割器入口。
[0008] 上述技术方案中，所述振动器采用压电陶瓷式或电磁式振动器。所述碰撞管的内 径d。范围为0.1?20. 0mm。所述弥散碰嘴采用拉瓦尔喷嘴，其入口中心角α为20°? 120°，出口中心角β为0°?90°，喉部直径范围为碰撞管外径d。。的2?50倍，碰撞管 插入弥散喷嘴的长度k的范围为0?（Li+LfO. 5L3)，其中Q为弥散喷嘴入口段长度，L2为 弥散喷嘴喉部长度，1^为弥散喷嘴出口段长度。所述粒径切割器采用低压撞击器或旋风分 离器，且呈单级或多级布置；各级粒径切割器的切割粒径沿气流方向降序排列。
[0009] 本发明所述颗粒控制器包括中央处理单元，以及与其连接的模数转换单元、数模 转换单元、串口通讯单元、脉宽调制单元、显示单元和按键输入单元；颗粒控制器的模数转 换单元分别通过信号线与质量流量控制器和称重传感器连接，数模转换单元通过控制线路 与质量流量控制器相连；颗粒控制器的串口通讯单元和脉宽调制单元通过控制线路分别与 脉冲发生器和搅拌电机连接。
[0010] 本发明提供的一种单分散颗粒物制备方法，其特征在于该方法包含如下步骤：
[0011] 1)预处理：对颗粒原料依次进行干燥和初次筛分，然后基于等效体积直径进行粒 度测试，记录粒径分布的最频值和最大粒径dpmax ;
[0012] 2)参数选取：以dpf的2?100倍选取碰撞管内径d。，并确保4>(1 ΡΜΧ ;按式⑴和式 (2)分别计算碰撞管在共振基频及倍频条件下的颗粒碰撞次数Ν。和最大碰撞加速度a"ax :
【权利要求】
1. 一种制备单分散颗粒物的系统，其特征在于：该系统含有颗粒发生器、弥散喷嘴 (7)、粒径切割器（17)和测控装置；所述颗粒发生器包括密封外壳（14)，以及设置在密封外 壳内的储料筒（11)、碰撞管（9)和振动器（8);储料筒安装于固定架（12)上，内部装有搅拌 电机（13)和搅拌针（10); 所述弥散喷嘴（7)安装在密封外壳的底部；所述的碰撞管（9)的一端与储料筒的底部 连接，碰撞管的末端插入弥散喷嘴内并与弥散喷嘴保持同心；所述振动器（8)安装在固定 架上，并与碰撞管相连；在密封外壳的顶部装有载气入口（15)，密封外壳通过支撑杆（6)安 装在底座⑷上； 所述测控装置包括颗粒控制器（2)，以及通过信号线与颗粒控制器相连的质量流量控 制器（1)、脉冲发生器（3)和称重传感器（5);所述的搅拌电机和振动器分别通过信号线连 接至颗粒控制器（2)和脉冲发生器（3);所述称重传感器安装在支撑杆和底座之间；所述质 量流量控制器通过气体管路连接至载气入口，弥散喷嘴的出口经过三通阀（19)连接至粒 径切割器入口（16)。
2. 根据权利要求1所述的一种制备单分散颗粒物的系统，其特征在于：所述振动器采 用压电陶瓷式或电磁式振动器。
3. 根据权利要求1所述的一种制备单分散颗粒物的系统，其特征在于：所述碰撞管的 内径dc范围为0· 1?20. 0mm。
4. 根据权利要求1所述的一种制备单分散颗粒物的系统，其特征在于：所述弥散碰 嘴采用拉瓦尔喷嘴，其入口中心角α为20°?120°，出口中心角β为0°?90°，喉 部直径范围为碰撞管外径d。。的2?50倍，碰撞管插入弥散喷嘴的长度k的范围为0? (Li+I^+0. 5L3)，其中U为弥散喷嘴入口段长度，L2为弥散喷嘴喉部长度，L3为弥散喷嘴出口 段长度。
5. 根据权利要求1所述的一种制备单分散颗粒物的系统，其特征在于：所述粒径切割 器采用低压撞击器或旋风分离器，且呈单级或多级布置；各级粒径切割器的切割粒径沿气 流方向降序排列。
6. 根据权利要求1所述的一种制备单分散颗粒物的系统，其特征在于：所述颗粒控制 器（2)包括中央处理单元，以及与其连接的模数转换单元、数模转换单元、串口通讯单元、 脉宽调制单元、显示单元和按键输入单元；颗粒控制器的模数转换单元分别通过信号线与 质量流量控制器（1)和称重传感器（5)连接，数模转换单元通过控制线路与质量流量控制 器相连；颗粒控制器的串口通讯单元和脉宽调制单元通过控制线路分别与脉冲发生器（3) 和搅拌电机（13)连接。
7. -种采用如权利要求1所述系统的单分散颗粒物制备方法，其特征在于该方法包含 如下步骤： 1) 预处理：对颗粒原料依次进行干燥和初次筛分，然后基于等效体积直径进行粒度测 试，记录粒径分布的最频值dpf和最大粒径d pmax ; 2) 参数选取：以dpf的2?100倍选取碰撞管内径d。，并确保4>(1ΡΜΧ ;按式⑴和式（2) 分别计算碰撞管在共振基频及倍频条件下的颗粒碰撞次数Ν。和最大碰撞加速度a_x : (1) (2)
式中，g为重力加速度，单位m/s2 ;f；，x为振动器振动频率，单位Hz，下标x表示共振基 频的倍频数；Lw为碰撞管长度，单位m ; P p为颗粒密度，单位kg/m3 ;EW和Ep分别为碰撞管和 颗粒的弹性模量，单位Pa，dpf为颗粒的粒径分布的最频值，单位m ; 在满足碰撞管振幅Ax>d。的前提下，选取最大N。和a_x所对应的f；x作为振动器工作 频率，振动器驱动电压U,范围为0〈U, = 240V ; 3)解聚分级：首先切换三通阀使弥散喷嘴出口直通大气，将预处理后的颗粒物装入储 料桶并开启质量流量控制器使载气流入颗粒发生器；然后启动颗粒发生器进行预振，使颗 粒物从储料桶内连续下落，使其在碰撞管中发生解聚，并在弥散喷嘴中与载气均匀混合，预 振10?60s后，切换三通阀使弥散喷嘴出口连接至粒径切割器，颗粒在粒径切割器中被分 离和收集；将粒径切割器中收集的颗粒物再次放入储料桶进行重复处理，直至收集的颗粒 粒径满足单分散特性要求。
8. 根据权利要求7所述的一种单分散颗粒物制备方法，其特征在于：所述振动器工作 频率的范围为1?15000Hz。
9. 根据权利要求7所述的一种单分散颗粒物制备方法，其特征在于：所述载气采用干 燥空气或惰性气体，载气流量满足使生成的含颗粒气流中颗粒数浓度小于（5d pr3/m3。
【文档编号】G05B19/418GK104122860SQ201410321500
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】吴宁, 李水清, 姚强 申请人:清华大学