一種制備單分散顆粒物的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種制備單分散顆粒物的系統(tǒng)及方法，具體說涉及一種利用高速碰撞使團(tuán)聚顆粒物發(fā)生解聚彌散并進(jìn)行粒徑分級的裝置和方法。該系統(tǒng)含有顆粒發(fā)生器、彌散噴嘴、粒徑切割器和測控裝置；所述顆粒發(fā)生器包括密封外殼，以及設(shè)置在密封外殼內(nèi)的儲料筒、碰撞管和振動器；儲料筒安裝于固定架上，內(nèi)部裝有攪拌電機(jī)和攪拌針。制備單分散顆粒物的方法包括原料的預(yù)處理、參數(shù)選取和解聚分級三部分。本發(fā)明的裝置和方法可獲得粒徑分布接近單分散特性的顆粒物，并可控制生成均勻連續(xù)的含顆粒氣流，廣泛應(yīng)用于能源、環(huán)保、化工、冶金、制藥、生物等領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)實(shí)踐。
【專利說明】一種制備單分散顆粒物的系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種制備單分散顆粒物的裝置及方法，具體說是一種利用高速碰撞使 團(tuán)聚顆粒物發(fā)生解聚彌散并進(jìn)行粒徑分級的裝置和方法，可以制備粒徑分布具有單分散特 性的顆粒物，并可控制生成均勻連續(xù)的含顆粒氣流。

【背景技術(shù)】
[0002] 顆粒物因其廣泛存在而受到工程界和科學(xué)界長期而密切的關(guān)注。而含顆粒氣流， 或稱固體顆粒物氣溶膠，其精確可控的制備、發(fā)生裝置和方法是開展相應(yīng)研究的基礎(chǔ)，尤其 是產(chǎn)生單分散顆粒物及其含顆粒氣流的裝置和方法，更是實(shí)現(xiàn)定量研究的重要條件。當(dāng)前 國際上含顆粒氣流的發(fā)生裝置，主要有流化床式、鏈條噴嘴式、刮板卷吸式、刷式等形式。這 些現(xiàn)有方法的適用范圍有限，顆粒的質(zhì)量流量或彌散效果不同程度會受到載氣氣流條件影 響，不易獲得長時間穩(wěn)定的顆粒質(zhì)量流量，更難以準(zhǔn)確計量含顆粒氣流的濃度。特別是由于 顆粒間普遍存在微觀相互作用力使不同粒徑的顆粒團(tuán)聚在一起難以分離，由此產(chǎn)生的含顆 粒氣流難以達(dá)到均勻、單分散特性，極大限制了相應(yīng)的研究和應(yīng)用。解決上述問題已經(jīng)成為 廣泛而迫切的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種制備單分散顆粒物的裝置及方 法；具體來說，該裝置和方法基于碰撞解聚機(jī)理，利用剛性碰撞作用力遠(yuǎn)大于顆粒間作用力 并產(chǎn)生高加速度的特點(diǎn)，破壞顆粒的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)從而使其發(fā)生解聚，并在高速高頻碰撞中將 顆粒均勻?qū)ΨQ地彌散到周圍氣相中去。以此產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的含顆粒氣流，進(jìn)而通過粒徑切 割獲得單分散顆粒物。該裝置及方法可以滿足能源、環(huán)保、化工、冶金、制藥、生物等領(lǐng)域的 基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0005] -種制備單分散顆粒物的系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)含有顆粒發(fā)生器、彌散噴嘴、 粒徑切割器和測控裝置；所述顆粒發(fā)生器包括密封外殼，以及設(shè)置在密封外殼內(nèi)的儲料筒、 碰撞管和振動器；儲料筒安裝于固定架上，內(nèi)部裝有攪拌電機(jī)和攪拌針；
[0006] 所述彌散噴嘴安裝在密封外殼的底部；所述的碰撞管的一端與儲料筒的底部連 接，碰撞管的末端插入彌散噴嘴內(nèi)并與彌散噴嘴保持同心；所述振動器安裝在固定架上，并 與碰撞管相連；在密封外殼的頂部裝有載氣入口，密封外殼通過支撐桿安裝在底座上；
[0007] 所述測控裝置包括顆?？刂破?，以及通過信號線與顆粒控制器相連的質(zhì)量流量控 制器、脈沖發(fā)生器和稱重傳感器；所述的攪拌電機(jī)和振動器分別通過信號線連接至顆?？?制器和脈沖發(fā)生器；所述稱重傳感器安裝在支撐桿和底座之間；所述質(zhì)量流量控制器通過 氣體管路連接至載氣入口，彌散噴嘴的出口經(jīng)過三通閥連接至粒徑切割器入口。
[0008] 上述技術(shù)方案中，所述振動器采用壓電陶瓷式或電磁式振動器。所述碰撞管的內(nèi) 徑d。范圍為0.1?20. 0mm。所述彌散碰嘴采用拉瓦爾噴嘴，其入口中心角α為20°? 120°，出口中心角β為0°?90°，喉部直徑范圍為碰撞管外徑d。。的2?50倍，碰撞管 插入彌散噴嘴的長度k的范圍為0?（Li+LfO. 5L3)，其中Q為彌散噴嘴入口段長度，L2為 彌散噴嘴喉部長度，1^為彌散噴嘴出口段長度。所述粒徑切割器采用低壓撞擊器或旋風(fēng)分 離器，且呈單級或多級布置；各級粒徑切割器的切割粒徑沿氣流方向降序排列。
[0009] 本發(fā)明所述顆?？刂破靼ㄖ醒胩幚韱卧?，以及與其連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)模 轉(zhuǎn)換單元、串口通訊單元、脈寬調(diào)制單元、顯示單元和按鍵輸入單元；顆?？刂破鞯哪?shù)轉(zhuǎn) 換單元分別通過信號線與質(zhì)量流量控制器和稱重傳感器連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元通過控制線路 與質(zhì)量流量控制器相連；顆粒控制器的串口通訊單元和脈寬調(diào)制單元通過控制線路分別與 脈沖發(fā)生器和攪拌電機(jī)連接。
[0010] 本發(fā)明提供的一種單分散顆粒物制備方法，其特征在于該方法包含如下步驟：
[0011] 1)預(yù)處理：對顆粒原料依次進(jìn)行干燥和初次篩分，然后基于等效體積直徑進(jìn)行粒 度測試，記錄粒徑分布的最頻值和最大粒徑dpmax ;
[0012] 2)參數(shù)選?。阂詃pf的2?100倍選取碰撞管內(nèi)徑d。，并確保4>(1 ΡΜΧ ;按式⑴和式 (2)分別計算碰撞管在共振基頻及倍頻條件下的顆粒碰撞次數(shù)Ν。和最大碰撞加速度a"ax :

【權(quán)利要求】
1. 一種制備單分散顆粒物的系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)含有顆粒發(fā)生器、彌散噴嘴 (7)、粒徑切割器（17)和測控裝置；所述顆粒發(fā)生器包括密封外殼（14)，以及設(shè)置在密封外 殼內(nèi)的儲料筒（11)、碰撞管（9)和振動器（8);儲料筒安裝于固定架（12)上，內(nèi)部裝有攪拌 電機(jī)（13)和攪拌針（10); 所述彌散噴嘴（7)安裝在密封外殼的底部；所述的碰撞管（9)的一端與儲料筒的底部 連接，碰撞管的末端插入彌散噴嘴內(nèi)并與彌散噴嘴保持同心；所述振動器（8)安裝在固定 架上，并與碰撞管相連；在密封外殼的頂部裝有載氣入口（15)，密封外殼通過支撐桿（6)安 裝在底座⑷上； 所述測控裝置包括顆?？刂破鳎?)，以及通過信號線與顆粒控制器相連的質(zhì)量流量控 制器（1)、脈沖發(fā)生器（3)和稱重傳感器（5);所述的攪拌電機(jī)和振動器分別通過信號線連 接至顆?？刂破鳎?)和脈沖發(fā)生器（3);所述稱重傳感器安裝在支撐桿和底座之間；所述質(zhì) 量流量控制器通過氣體管路連接至載氣入口，彌散噴嘴的出口經(jīng)過三通閥（19)連接至粒 徑切割器入口（16)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備單分散顆粒物的系統(tǒng)，其特征在于：所述振動器采 用壓電陶瓷式或電磁式振動器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備單分散顆粒物的系統(tǒng)，其特征在于：所述碰撞管的 內(nèi)徑dc范圍為0· 1?20. 0mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備單分散顆粒物的系統(tǒng)，其特征在于：所述彌散碰 嘴采用拉瓦爾噴嘴，其入口中心角α為20°?120°，出口中心角β為0°?90°，喉 部直徑范圍為碰撞管外徑d。。的2?50倍，碰撞管插入彌散噴嘴的長度k的范圍為0? (Li+I^+0. 5L3)，其中U為彌散噴嘴入口段長度，L2為彌散噴嘴喉部長度，L3為彌散噴嘴出口 段長度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備單分散顆粒物的系統(tǒng)，其特征在于：所述粒徑切割 器采用低壓撞擊器或旋風(fēng)分離器，且呈單級或多級布置；各級粒徑切割器的切割粒徑沿氣 流方向降序排列。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備單分散顆粒物的系統(tǒng)，其特征在于：所述顆?？刂?器（2)包括中央處理單元，以及與其連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、串口通訊單元、 脈寬調(diào)制單元、顯示單元和按鍵輸入單元；顆?？刂破鞯哪?shù)轉(zhuǎn)換單元分別通過信號線與 質(zhì)量流量控制器（1)和稱重傳感器（5)連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元通過控制線路與質(zhì)量流量控制 器相連；顆?？刂破鞯拇谕ㄓ崋卧兔}寬調(diào)制單元通過控制線路分別與脈沖發(fā)生器（3) 和攪拌電機(jī)（13)連接。
7. -種采用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的單分散顆粒物制備方法，其特征在于該方法包含 如下步驟： 1) 預(yù)處理：對顆粒原料依次進(jìn)行干燥和初次篩分，然后基于等效體積直徑進(jìn)行粒度測 試，記錄粒徑分布的最頻值dpf和最大粒徑d pmax ; 2) 參數(shù)選?。阂詃pf的2?100倍選取碰撞管內(nèi)徑d。，并確保4>(1ΡΜΧ ;按式⑴和式（2) 分別計算碰撞管在共振基頻及倍頻條件下的顆粒碰撞次數(shù)Ν。和最大碰撞加速度a_x : (1) (2)
式中，g為重力加速度，單位m/s2 ;f；，x為振動器振動頻率，單位Hz，下標(biāo)x表示共振基 頻的倍頻數(shù)；Lw為碰撞管長度，單位m ; P p為顆粒密度，單位kg/m3 ;EW和Ep分別為碰撞管和 顆粒的彈性模量，單位Pa，dpf為顆粒的粒徑分布的最頻值，單位m ; 在滿足碰撞管振幅Ax>d。的前提下，選取最大N。和a_x所對應(yīng)的f；x作為振動器工作 頻率，振動器驅(qū)動電壓U,范圍為0〈U, = 240V ; 3)解聚分級：首先切換三通閥使彌散噴嘴出口直通大氣，將預(yù)處理后的顆粒物裝入儲 料桶并開啟質(zhì)量流量控制器使載氣流入顆粒發(fā)生器；然后啟動顆粒發(fā)生器進(jìn)行預(yù)振，使顆 粒物從儲料桶內(nèi)連續(xù)下落，使其在碰撞管中發(fā)生解聚，并在彌散噴嘴中與載氣均勻混合，預(yù) 振10?60s后，切換三通閥使彌散噴嘴出口連接至粒徑切割器，顆粒在粒徑切割器中被分 離和收集；將粒徑切割器中收集的顆粒物再次放入儲料桶進(jìn)行重復(fù)處理，直至收集的顆粒 粒徑滿足單分散特性要求。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種單分散顆粒物制備方法，其特征在于：所述振動器工作 頻率的范圍為1?15000Hz。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種單分散顆粒物制備方法，其特征在于：所述載氣采用干 燥空氣或惰性氣體，載氣流量滿足使生成的含顆粒氣流中顆粒數(shù)濃度小于（5d pr3/m3。
【文檔編號】G05B19/418GK104122860SQ201410321500
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】吳寧, 李水清, 姚強(qiáng) 申請人:清華大學(xué)