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1、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:100522895(2004)0420032203射流撞击粉碎原理及其关键技术王习魁,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
2、细粉碎及均质,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图1射流撞击粉碎原理示意图产品的要求;二是设备对物料的破碎及均质乳化作用要作用的因素:第一,相间及颗粒之间的碰撞、互磨产是通过调整部件之间的间隙和相对运动来实现的,而生的冲击压力和剪切力造成颗粒的破碎;第二,相向流这些部件的磨损一方面对加工的产品造成了污染,另动连续相的碰撞,即射流相互撞击,产生强烈的径向和一方面使部件之间的间隙发生变化,此间隙虽可以调轴向湍流速度分
3、量,从而使撞击区造成良好的混合[2]。整但需要经常对产品进行检测,难免影响工效和质量。射流撞击器的设计就是要充分利用多种力场的作用,利用射流撞击粉碎设备,不但可以将物料轻易粉碎到以达到均匀一致的良好粉碎效果。亚微米级且分布离散度小,对特定的物料甚至可以达3射流撞击粉碎的主要作用力场到纳米级,具有很好的均质乳化效果,而且起关键破碎3.1颗粒之间的撞击粉碎[3]作用的部件不发生运动,非常耐磨损耐腐蚀,能保证产设颗粒间的撞击粉碎作用只在撞击面发生,并假品效果的稳定。此外,该技术设备还有低温粉碎、调试设颗粒撞击后在轴向瞬间静止。若颗粒的质量为mp,方便、操作简单
4、等多项优点,这都使得人们开始注意其密度为znp,冲击速度为up。则颗粒之间冲击前所具有在有较高性能要求的产品生产中的应用。动能为2射流撞击粉碎原理12[1]T=mpup(1)射流对撞器主要是利用撞击流的原理。撞击流2是指两股流体沿轴线高速相向碰撞,是一种很有意义由于颗粒形状以及撞击时颗粒的姿态相当复杂,而又很复杂的现象。对撞器采用的具体结构是多样的,且因撞击器具体形式的不同还有多种撞击角度,因此集中体现在其内部微孔流道的不同形式,有“十”字型、为了简化模型,假设颗粒形状为柱形,进行正碰撞,如“Y”型、“T”型等。因该关键结构的差异,其作用机理也图2所示。
5、撞击发生时,在撞击面产生一强扰动,这个有不同,但基本的原理及作用力场还是相似的,都利用扰动在颗粒1上是逆x方向传播的冲击波,在颗粒2了撞击流的作用原理,以色列的A.Tamir有相关专中是顺x方向传播的冲击波。著。其基本原理如图1所示。根据连续性条件可知,在撞击面上两颗粒的波后射流撞击过程中产生两个对粉碎和分散过程起重质点速度相同且为零。根据动量守恒条件可得颗粒的收稿日期:2004204223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·LightIndustryMachinery王习魁等射流撞击粉碎原理及其
6、关键技术研究·设计级,可见射流撞击粉碎具有极强的剪切力,也是粉碎物料的主要作用力。[4][5]3.3空穴爆炸力冲蚀粉碎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图2颗粒之间撞击示意图蚀压力Pi与连续射流的滞止压力Ps的关系冲击压力为:Ps2Pi=[exp()](3)pp=Qpcup(2)6353c式中Pp为颗粒间的冲击压力,c为冲击波波速。12Ps=Qu(4)由(2)式可知:冲击压力与颗粒速度、冲击波波速、2颗粒密度成正比。相关计算和实验表明,颗粒间冲击产式中:
7、c为气泡中气体的含量,Q为液体介质密度,u为生的压缩粉碎以及稀疏波产生的拉伸粉碎是射流粉碎射流的流速。当c在1ö6～1ö10的范围时,Pi=(8.6～中最主要、最有效的粉碎作用之一。124)Ps,可知,同样条件下,空化冲蚀的冲击压力为连3.2颗粒在微孔内的强剪切粉碎续射流滞止压力的8.6～124倍,为射流粉碎中又一重衡量被处理物料在破碎过程中所受到剪切强度的要的粉碎作用力。大小的一个重要指标是剪切指数(ShearRate)。4关键技术及发展趋势由上述对射流粉碎作用力场的分析,可以知道,影响粉碎效果的两个关键技术参数是:射流速度u和微孔流道孔径D。射流的高
8、速流动是通过外加的高压来实现的,相应的提供足够的高压和确保系统的完好密封是其关键
