专论与综述  Monogra ph a nd Review
撞击流性质及其应用*
伍 沅
(武工学院化工系，武汉,430073)
提 要 撞击流已被证明是强化相间热质传递最有效的方法之一；但不可能是一种万能的工具，因为它也有其本身的局限性。在回顾前人和本文作者一系列研究结果的基础上，综合评价了撞击流的基本特性，包括优点和缺点，诸如气固系统阻力不大、传递系数大、混合强烈、活性区停留时间很短以及难以安排多级系统等。简要介绍了撞击流工业应用现状和某些有希望成功的开发研究，包括本文作者所作的循环撞击流干燥过程和撞击流反应制 超细 白炭黑研究的主要结果。
关键词 撞击流，特性，应用，干燥，超细白炭黑
1 撞击流的基本原理
撞击流(Impinging Streams，简记为IS)的概念由Elperin[1]首先提出，但其应用可追溯到20世纪50年代初开发的Koppers-Totze煤气化炉[2,3]。以气-固两相体系为例，撞击流的基本原理如图1所示。两股两相流
相向高速( 20m/s)流动撞击，结果在两加速管之间造成一个高度湍动的撞击区。气流在撞击面上轴向速度趋于0并转为径向流动。颗粒可藉惯性渗入反向流并在开始渗入的瞬间相间相对速度达到极大值；随后在摩擦阻力作用下减速直到轴向速度衰减为0，随后又被反向加速向撞击面运动，并可能再次渗入原来气流。在轴线附近的颗粒在两股相向流体间往复渗透可多达6次。于是，撞击区高度湍动和很大的相间相对速度提供了极佳的传递条件。已经证明[3]，撞击流是强化相间传递尤其是外扩散控制的传递过程最有效的方法之一，传递系数可比一般方法提高数倍到十几倍，这一特性受到普遍关注。撞击造成的另一结果是极大地促进混合，尤其是微观混合。近几年来，人们开始将这一特性用于通过化学反应制取超细粉体等，已显示出巨大的应用潜力。该领域的研究有迅速增长的趋势。
图1所示单相或多相流之间的撞击是 软性 的。其流动结构显然不同于射流冲击固定表面的冲击射流(Impinging jet)，虽然在英语中它们都使用impinging一词。后者也具有高度强化传递和混合的特性，在快速加热、冷却、涂层干燥、反应和表面清理等方面有重要的应用。近十多年来该领域的研究也非常活跃,亚成reactor
但它不属于本文讨论的范畴。
图1 撞击流原理
撞击流的特殊流动结构适合于处理至少包含一个连续相的多相体系如气-液、液-液、液-固体系；当然，流体相向高速流动撞击的构思也可以外推用于均相或均相-多相体系。
2 撞击流的主要特性
了解撞击流的基本性质，对于开发应用具有指导意义。从撞击流工作原理及其可能的应用途径的观点来看，下述性质显然是重要的。
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国家自然科学基金(29276260,20176043)、浙江省科学基金、中国科学院化工冶金研究所多相反应开放研究实验室资助项目。
2.1 流体阻力
因涉及高速流动，流体阻力是人们关注的问题之一[4]。吴高安和伍沅[5]对气-固体系在一水平两流撞击流接触器中进行了研究。结果表明:(1)只要装置结构设计合理，阻力并不大;(2)压降主要消耗在加速固体颗粒，对于粒径约1mm的油菜籽或黍粒-空气体系，采用1m长加速管，气速在20~30m/s之间，总压降仅400~500Pa；加速颗粒引起的压降约占总压降的80%。因此，对于粉粒状物料，流体阻力不应当成为撞击流应用的障碍。当然，过大、过重颗粒采用撞击流处理显然是不恰当的，因为加速需要的能量将会相当高。
2.2 传递系数
强化相间传递是撞击流极具吸引力的重要性质。20世纪90年代中期以前的30多年间，撞击流领域有关传
递过程的研究最为集中。Ta mir等[3]对多种物系和多种单元过程实验研究的结果表明，撞击流中相间传递系数，特别是两相密度差很大和外扩散控制过程的传质系数，可以比传统过程提高数倍到十几倍。作者重复Tamir用碱溶液吸收CO2等实验，得到相近的结果；黄凯等[6]所作循环撞击流干燥研究，根据测定容积蒸发系数推算传递系数，也得到相同的结论。Matthias等[7]较近测定了撞击流反应器中的容积传质系数，得出：在输入功率 0.6kW/m3范围内反应器各部分对传质的贡献相似，但在 0.7kW/m3范围内传质系数主要受撞击区及其下面传质过程的影响。李发勇[8]等进行水吸收CO2和H2S的实验研究，也证明撞击流吸收器中的容积传质系数明显高于喷射吸收器和鼓泡塔。2.3 混合性质
对于固相、液相和液-固相体系，混合状况对加工过程往往有重大影响。下述研究结果值得注意。
2.3.1 固体混合 Ta mir利用撞击流使固体颗粒混合[3]。实验装置类似带中心导流筒的喷动床，但导流筒操作气速更高，且其上方引入一股反向同轴高速纯气流，与通过导流筒向上运动的气-固两相流撞击。导流筒两侧分别装入密度粒径相同但颜不同的颗粒进行实验，结果数十秒内即可均匀混合，而在上部不引入空气流即无撞击的情况下，操作10mim后仍基本上没有混合。这说明撞击流大大增强了颗粒运动的随机性，使得撞击区成为颗粒的理想混合区。当然，利用气固撞击流进行粉体混合必须不断排出气体，这会带来气固分离等附加的工程问题。
2.3.2 液相和液固相混合 对于在液相或以液相为连续相的多相体系中进行的过程，混合状况有重大影响。
B rauer[9]提出的静态射流混合器(stagna-tion jet mixer)实质上具有循环撞击流结构，已证明对液体混合很有效。然而，其 混合效果大大优于传统搅拌槽 的结论有显著的偏差。该流动结构用于反应、沉淀等过程的潜力也远没有被开发。陈煜等[10,11]用电导响应法对浸没循环撞击流反应器(submerged circulative impinging stream reactor，简记为SCISR)和搅拌槽反应器(STR)中液体混合进行了比较研究，所用SCISR与Brauer混合器流动结构相似。结果表明，在输入相同比有效功率的情况下,SCISR的混合时间比STR要长20%~50%。换言之，在宏观混合尺度上,SCISR的混合性质与STR相比还处劣势。事实上，强烈的混合仅仅发生在撞击区，而SCISR中除强烈混合的撞击区外，还包含导流筒和环室两个基本上没有混合的平推流区。流动结构分析和停留时间分布实验测定结果证明了上述结论[10]。
近30年来，微观混合问题引起人们普遍关注，因为有很多加工过程在分子尺度上进行，而良好的微观混合是这类过程进行的必要条件。当然，撞击流的微观混合性质也引起研究者的广泛兴趣。Ma-hajan等[12]实验研究了无循环两流自由撞击流和浸没撞击流中的微观混合。利用已知速度常数的平行竞争反应，通过生成较慢反应产物的选择性测定反应时间来界定微观混合时间常数。得到结果是：在Re>700范围内微观混合时间<200ms。所谓 界定 ，是指测定的反应时间必定大于微观混合时间常数，后者尚不能直接测量。Fric等[13]用相似的方法研究了撞击流反应器中微观混合程度与进料流量和位置的关系及能量耗散速率，得出微观混合特征时间随进料流量增大而减小，最小可达4ms。刘海峰等[14]也用相似的方法研究了撞击流反应器中的微观混合。Lee等[15]研究了两种液体雾炬射流相向撞击时的混合行为。所
有这些研究结果都表明撞击流可以有效地促进微观混合，这是极有应用潜力的特性。该领域存在的问题是促进微观混合的机理尚不清楚。例如沉淀法制取白炭黑和某有机物结晶实验都显示SCISR的反应性能显著优于STR，其优越的程度很难用现有的微观混合理论解释，有待进一步的研究。
另一方面，良好的混合往往意味着强烈的返
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混、推动力降低。对于某些过程，特别是受平衡限制的过程如吸收等，撞击流促进相间传递的优越性可能被推动力降低所掩盖，因为它很难像塔器那样安排多级逆流系统。
2.4 停留时间
Luzzatto等[16]和吴高安、伍沅[17]采用不同的方法研究了气-固撞击流接触器中颗粒停留时间分布。一致的结果是：撞击区中颗粒平均停留时间很短，仅约1s。通过流动结构分析不难推知，液-液或液-固体系物料在撞击区中的停留时间也很有限。由于有很多过程即使在强化传递和混合的条件下也需要较长时间，这一特性使得撞击流的单独应用受到限制。
2.5 破碎、分散和雾化
气固撞击流装置中气流携带被加速的颗粒相向撞击可导致颗粒间或(和)颗粒与壁间剧烈的碰撞，产生粉碎和研磨作用。这一特性可用来制取亚微米级超细粉体。事实上已成功开发了撞击流研磨机，例如Trost射流磨机[18]。张小宁等[19,20]研究认为颗粒间的冲击压力是引起粉碎的主要原因，并用以制取，测定了粒度和颗粒形貌。
伍沅等人研究了两雾炬撞击流对气-液体系中液体分散度的影响。有意义的发现是：撞击具有均化雾滴的倾向，使粒径分布变窄；但平均粒径基本不变。这意味着在撞击过程中细小滴粒倾向于并聚，而大滴粒倾向分裂。这一观察结果对处理气-液体系可能是有价值的。Saito等[21]新近进行了类似的研究，获得的结果稍有不同：发现滴粒间很少碰撞，并聚的机会比破碎少,Sauter平均直径减小。这两项研究结果差异的原因尚不清楚。
3 撞击流应用现状和主要开发研究方向
3.1 应用现状
撞击流已成功应用的例子就是前面提到的K-T 粉煤气化炉、静态射流混合器和Trost射流磨机。除此以外，尽管已进行众多的研究，工业应用的程度还相当低[22]。应用迟缓主要有两方面的原因。一是认识的偏颇误导了研究方向。此前撞击流的主要研究者认为: 几乎任何化工过程都可以用撞击流来实施 [2]。相应地，其研究工作几乎遍及所有化工单元操作，分散了时间和精力。此外，在研究内容和方法上没有
注意解决工程问题，以致不能提供成套应用技术，这也延误了撞击流的工业应用。事实上，撞击流既有突出的优点，也存在其固有的弱点。和任何其他技术方法一样，不能指望它成为万能的工具。只有充分把握其性质特征，扬其所长、避其所短，恰当选择应用对象，并在开发研究中充分注意解决相关的工程技术问题，才有可能迅速推进撞击流的工业应用。幸而，近十年来撞击流技术已引起各国学者的重视。有理由相信，今后会不断地有应用撞击流的技术在多种加工过程中出现。
3.2 开发应用的主要方向
最近十多年来，国内外有关撞击流应用的开发研究有增长的趋势。其中最有希望获得成功、因而也最值得注意的有下述几个领域。
3.2.1 撞击流反应制取超细粉体 通过反应-沉淀制取超细粉体需要提供很高而且均匀的过饱和度环境。由于撞击流具有促进微观混合的特性，可以创造上述条件，近十多年来倍受重视。瞬间完成的反应沉淀过程可以单独在撞击流中完成。Mahajan 等[12]和Liu等[23]研究多种药物在两流撞击流反应器中的快速沉淀，获得了良好的效果。反应器的基本结构是在一容器中直接使两股射流水平或稍微倾斜地相向撞击，自由撞击流反应器中的微观混合显然比浸没撞击流更强，因为两股相向流体可以采用非常高的操作速度。Fric等[13]和刘海峰等[14]的研究也是以制取超细粉体为应用背景。值得关注的是：这种反应器可用以制取纳米材料。当然，这类技术要成功地用于工业还必须解决抑制细微粒子并聚和长大的助剂，以及
有效的超细固液分离技术等。较慢的反应不可能单独在撞击流中完成。伍沅开发的浸没循环撞击流反应器[24]可以有效地解决单纯撞击流停留时间短的问题。
3.2.2 撞击流燃烧 撞击流强烈的微观混合对气体燃料燃烧以及强化传质对液体或固体燃料的燃烧都是十分有利的。前面提到的K-T粉煤汽化炉就是应用撞击流的典型例子，并已证明是成功的。多股火焰相互倾斜撞击的方式已用于较新型的民用燃气灶具。最近的研究主要集中在改进燃烧室结构和喷燃器的安排方面，以期进一步提高燃烧效率，例如刘海峰等[26]的研究。
3.2.3 撞击流干燥 粉粒状物料干燥是典型的相间热质传递并行过程，是撞击流应用最有可能成功的领域之一。事实上，从20世纪70年代以来，这方面已进行了大量的研究与开发，但工业应用尚未取得实质性进展[23]，主要原因就是没有解决好相关的工程问题。大多数需要干燥的粉粒状物料同时
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含有游离水和孔隙水或结合水。前者在强化传递的条件下几乎可以瞬间脱除，后者则因涉及孔隙扩散尤其是液体的扩散，需要相当长的时间。显然，单独使用撞击流不可能完成干燥任务，设计多级撞击流又会使系统变得非常复杂，且大大增加动力消耗。作者领导开发的循环撞击流干燥装置[6]中利用了撞击流强化传递的特性，又通过循环可以任意设置物料停留时间，较好地解决了这一问题，可望在今后不长的时间内实现工业应用。
3.2.4 撞击流粉碎和研磨 利用气固两相撞击流破碎和研磨固体颗粒的突出优点是装置中没有研磨部件，可以有效地防止摩擦产生热而损坏热敏性物料，并避免磨料污染产品。如前述,Trost射流磨机国外在20世纪70年代就已应用[18]；国内近十年来应用开发研究有增长趋势[19,20]，这也是撞击流的一个有应用价值的特性。
4 研究与开发
近几年来，本文作者及其项目组还进行了多项将撞击流用于化工过程的研究。其中下述项目获得了令人满意的、具有开发应用价值的结果。
4.1 循环撞击流干燥
4.1.1 过程和设备的基本构思 对PVC等同时含有游离水和孔隙水的多孔粉粒状物料，传统工艺采用气流-流化床两级干燥，在设备投资、占用空间、能耗和操作费用等方面都不经济。作者研究的目标是开发一种既有较高蒸发强度，又可在同一装置中脱除游离水和孔隙水的方法和设备。设计的循环撞击流干燥机可以看作撞击流与带中心导流筒的喷动床相结合(图2)，但中心(加速)管操作气速更高。它利用撞击流强化传递的性质快速脱除游离水，同时安排了物料通过环室循环的流动结构，实际上可以任意设置总平均停留时间，满足脱除孔隙水的要求。另外，物料在沿环室向下缓慢运动的过程中经历外部传递较弱的条件，有利于颗粒内部水分向表面扩散、消除颗粒内部浓度和温度梯度，相当于谷物干燥中的 缓疏 作用。
4.1.2 主要结果 黄凯等[6]在年处理约50t PVC 的小型装置上进行热态连续干燥实验，获得下列主要结果: 证明了该干燥机结构用于单机脱除游离水和孔隙水是可行的; 对于悬浮法PVC，在较宽的操作条件范围内产品湿含量均可达到规定要求，即 0.4%; 单位温度差下的容积蒸发系数可达16 10-4kg s-1 m-3 K-1，为喷雾干燥塔的10倍以上; 确定了主要结构参数最优范围和某些操作
参数影响的基本规律。
图2 循环撞击流干燥机示意
由图2还可以看出，干燥产品主要从干燥机底部卸出，从而大大减轻了粉体收集系统的负荷。与我国某厂从德国引进用于PVC的旋风干燥机相比，至少在这方面具有明显的优越性。目前研究工作已转向工业装置的开发。
4.2 浸没循环撞击流反应器
4.2.1 过程和设备的基本构思 浸没循环撞击流反应器[24]是为考查利用撞击流强化微观混合特性，通过液相反应-沉淀法制取 超细 固体产品的可行性设计的。反应-沉淀(结晶)过程包括晶核和晶体生长，主要在分子尺度上进行。要获得细微粒径的产品，必须满足两个基本条件: 有足够高的过饱和度，促使产生大量晶核。 过饱和度必须均匀，才能得到窄分布的产品；否则，即使平均过饱和度很高，也可能在某些局部生长成粗大结晶，导致粒径分布变宽、平均粒径增大，因为大颗粒在平均粒径中 权 很大。平均过饱和度的大小，原则上总可以通过采用适当的进料浓度、流量和配比等条件来控制；而均匀程度则与装置混合性能有关。推测撞击流促进微观混合的优良性质对保证达到均匀的过饱和度环境是有利的。另一方面，绝大多数反应-沉淀过程不可能瞬间完成，必须使反应混合物有足够的停留时间。因此确定采用循环撞击流，反应器结构示意见图3。它实际上可以任意设置平均停留时间。由于物料循环，使得两流体撞
击在浸没条件下进行，因此，称为浸没循环撞击流反应器(SCISR)。
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图3 循环撞击流反应器结构示意
用SCISR 研究的第一个物系对象是无机酸与硅酸钠反应  沉淀法制取白炭黑，获得了令人满意的结果。之后又将它用于某有机物结晶和硬脂酸与石灰反应制取硬脂酸钙、以及纳米钛酸锶的制取。结果都证明循环撞击流反应器具有优越的反应性能。
4.2.2 制取 超细 白炭黑的主要结果 采用沉淀法中最简单的一次溶胶法，以硫酸与硅酸钠溶液反应，实验获得下列主要结果: 在3.6 10-3m 3SCISR 中间歇操作，获得聚集体粒径范围0.5~
5.0，平均粒径为1.1~1.6 m 的产物。数据重现性和规律性都非常好。 同一反应器中连续操作也获得相同的结果。 在0.6 10-3m 3STR 中间歇操作进行比较实验结果表明,SCISR 产物粒径更细、分布更窄，如图4所示。注意到反应器规模对SCISR 稍为不利，上述差异应当说是比较明显的。
详细数据将另文报告。
图4 SCISR 和STR 制得白炭黑粒径分布比较
0.6 10-3m 3STR
3.6 10-3m 3SCISR
4.2.3 其他应用SCISR 的主要结果 除制取白炭黑外，本文作者还获得下述几项初步研究中获得有意义的结果: 某有机物结晶，在搅拌槽反应器中需要24h 以上。改用SCISR，结晶时间可以缩短到10h 。 硬脂酸与石灰乳反应制取硬脂酸钙，与采用强化搅拌槽反应器进行比较，试验结果表明，采用SCISR 可以大大提高反应物浓度，且反应时间由5h 缩短到约1h 。这意味着可以较大幅度地提高单位容积生产能力。 湿法制取纳米钛酸锶，电子显微镜测定用SCISR 制得产品平均粒径17~25nm；用STR 对比实验获得产品平均粒径100nm 。
5 结 语
撞击流具有显著强化相间传递和微观混合的特性，因而具有较高的开发应用价值。虽然目前已成功地工业应用的实例只有Koppers -Totzek 粉煤汽化炉、静态射流混合器和Trost 射流研磨机等为数不多的几种，但用于化学反应  沉淀或结晶、干燥等过程的研究已取得重要进展并显示出巨大的潜力，其中用以制取无机纳米或亚微米材料是一个较新的极有希望的领域。此外，预计撞击流还有可能应用于其他化工
单元过程如乳化等并产生良好的效果。另一方面，撞击流存在活性区停留时间很短的突出缺点，且难以安排多级系统，应用也有其局限性。只要把握其基本特性，恰当选择应用方向，用其所长，避其所短，并在开发研究中注意解决相关工程问题，可望今后不断地有应用撞击流的技术在多种加工过程中出现。
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