射流撞击粉碎原理及其关键技术

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1、万方数据王习魁等射流撞击粉碎原理及其关键技术研究·设计文章编号：1005—2895(2004)04—0032—03射流擅啬粉碎原理及其美键拨米王习魁，张裕中(江南大学生化与食品机械研究所，江苏无锡214063)摘要：利用射流撞击粉碎法，不但可以很好地把物料粉碎到亚微米级，而且粉碎后颗粒的粒度分布相当窄，能很好地满足制备高性能医药、食品、化工等产品的要求。本文着重讨论了射流粉碎的原理及影响其粉碎效果的关键因素，分析了相应关键技术的发展趋势。关键词：撞击流；射流；超细粉碎；关键技术中图分类号：TQ029文献标识码：A1序言在医药、化工、生物、食品等领域，对物料进行超细

2、粉碎及均质，常用到胶体磨、高压均质机等湿法粉碎设备。这些设备可以部分地满足生产的需要，但也存在不少问题：一是这些设备处理后的物料粒径多在微米级，难以达到亚微米甚至纳米级，不能满足制备更高性能产品的要求；二是设备对物料的破碎及均质乳化作用是通过调整部件之间的间隙和相对运动来实现的，而这些部件的磨损一方面对加工的产品造成了污染，另一方面使部件之间的间隙发生变化，此间隙虽可以调整但需要经常对产品进行检测，难免影响工效和质量。利用射流撞击粉碎设备，不但可以将物料轻易粉碎到亚微米级且分布离散度小，对特定的物料甚至可以达到纳米级，具有很好的均质乳化效果，而且起关键破碎作用的部

3、件不发生运动，非常耐磨损耐腐蚀，能保证产品效果的稳定。此外，该技术设备还有低温粉碎、调试方便、操作简单等多项优点，这都使得人们开始注意其在有较高性能要求的产品生产中的应用。2射流撞击粉碎原理射流对撞器主要是利用撞击流的原理[1]。撞击流是指两股流体沿轴线高速相向碰撞，是一种很有意义而又很复杂的现象。对撞器采用的具体结构是多样的，集中体现在其内部微孔流道的不同形式，有“十”字型、“Y”型、“T”型等。因该关键结构的差异，其作用机理也有不同，但基本的原理及作用力场还是相似的，都利用了撞击流的作用原理，以色列的A．Tamir有相关专著。其基本原理如图1所示。射流撞击过程

4、中产生两个对粉碎和分散过程起重鼍銎!．格o=--．嘲。●●·_●I嚣’’●’．丽k．o竺竺_．．．··=··圆h．o=o··一··●一··●冒．．’=’’’—————_r。确’—1_—_—_’V丁=虿1俄，％2(1)收稿日期：2004—04—23作者简介：王习魁(1979--)，男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向为生化与食品机械。·32·z神妇如呻胁幽锄哪万方数据王习魁等射流撞击粉碎原理及其关键技术研究·设计洲川pp，IllI⋯l，1．2／图2颗粒之间撞击示意图冲击压力为：Pp=Dc嘶(2)式中P。为颗粒间的冲击压力，f为冲击波波速。由(2)式可知：冲击压力与颗

5、粒速度、冲击波波速、颗粒密度成正比。相关计算和实验表明，颗粒间冲击产生的压缩粉碎以及稀疏波产生的拉伸粉碎是射流粉碎中最主要、最有效的粉碎作用之一。3．2颗粒在微孔内的强剪切粉碎衡量被处理物料在破碎过程中所受到剪切强度的大小的一个重要指标是剪切指数(ShearRate)。图3撞击器微孔流道示意图为简化模型，这里假设孔壁光滑，以水作为被处理物料，在射流撞击器的微孔流道(如图3)内：ShearRate=Vmax／0．5D。对于相同的处理物料，剪切指数可以作为辨别各种粉碎方式产生的剪切力的大小，因一．，对于同种物料，黏度户相同，则剪应力r。。等(剪切速率)，剪切指数为剪切

6、速率的近似表达。对于撞击器微孔流道，由于D的数值在几十到几百微米，Vmax的数值多在300m／s之上，现假设Vmax=300m／sec，D一0．1mm，将孔壁处的流速ywall视为0，则ShearRate一300m／see÷0．05mm一6×106see一1可见，射流高速通过微孔流道一方面产生了极强的剪切力，使物料轻易破碎到亚微米级；另一方面所有被处理物料都必须通过微孔，使颗粒粉碎后粒度分布的离散度较小，保证了物料粉碎的均匀一致。相同外部条件下，对胶体磨、高压均质机等进行剪切指数的计算，发现其结果比射流撞击粉碎算出的要小1到2个数量级，可见射流撞击粉碎具有极强的剪

7、切力，也是粉碎物料的主要作用力。3．3空穴爆炸力冲蚀粉碎[t][5]对于微孔流道内高速流动的液体，由于静压力的突升和突降会导致其中的气泡在瞬时大量生成和破灭，这就形成了“空穴”现象。气泡在溃灭时所形成的冲蚀压力Pi与连续射流的滞止压力P；的关系P9P，一羔[exp(云)](3)只一虿110“2(4)式中：f为气泡中气体的含量，P为液体介质密度，扎为射流的流速。当f在1／6～1／lo的范围时，Pi一(8．6～124)P，，可知，同样条件下，空化冲蚀的冲击压力为连续射流滞止压力的8．6～124倍，为射流粉碎中又一重要的粉碎作用力。4关键技术及发展趋势由上述对射流粉碎作

8、用力场的分