撞靶式超声速气流加速低热固相反应装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种撞靶式超声速气流加速低热固相反应装置，该装置包括气流输送单元、固体物料颗粒输送单元、反应器，反应器包括超声速喷管、混合加速室、靶头，在超声速喷管内部同轴方向贯穿设置轴向进料管，轴向进料管的入口端连接料斗和送粉器，轴向进料管的出口端延伸至混合加速室。本实用新型专利技术通过控制超声速气流中低热固相化学反应过程，并定量测量相关参数，解决了有关固相合成过程中瞬态中间相的捕捉和确定、瞬态中间相的演化步骤、各步骤速率的确定等问题，具有重要的应用价值。

A target type supersonic airflow accelerated low heat solid state reaction device

The utility model discloses a hit target type supersonic flow acceleration solid-state reaction device, the device comprises a pneumatic conveying unit, solid particle material conveying unit, the reactor, the reactor includes a supersonic nozzle, mixing chamber, the target acceleration head in the supersonic nozzle with internal axial direction through axial feeding pipe. The axial feeding tube entrance end is connected with the hopper and the axial powder feeding device, the outlet end of the feed pipe extends into the mixing chamber to accelerate. The utility model has the advantages of low supersonic flow control by solid phase chemical reaction process and related parameters of quantitative measurement to solve the transient process of solid phase synthesis of intermediate phase capture and determination, step by step, the transient evolution of middle phase of each step rate to determine the problem, which has important application value.

【技术实现步骤摘要】
撞靶式超声速气流加速低热固相反应装置
本技术涉及低热固相反应合成凝聚态物质的系统，具体涉及基于超声速气流加速和碰撞技术的低热固相反应成套装置及其应用方法。
技术介绍
低热固相反应合成技术是近年来快速发展的材料制备新技术，其特征在于室温或低温下的能量传递，即通过向粉末反应剂体系中引入机械能，并使之转变为反应体系的化学能，从而实现室温或低温下的固相合成。低热固相反应合成技术既不需要高温、也不使用溶剂，而且合成周期短、产率高、工艺流程简便实用。低热固相反应合成技术可合成的材料体系囊括了非晶、纳米晶、准晶、过饱和固溶体、高比表面催化剂、高活性化合物、超细矿物粉体等大量凝聚态物质。以合成NiO纳米粉末为例，如采用室温固相反应合成技术，其制备周期较之传统的高温加热合成工艺可下降两个数量级。因此，低热固相反应合成技术是近年来快速发展的绿色合成领域中的一个重要分支，也是国际范围内研发的前沿和热点，该技术对于降低能耗、绿色生产的意义已成为国际共识，其推广应用将产生巨大的经济和社会效益。目前，低热固相反应合成装备以球磨、研磨为主，包括冲击磨(冲击式粉碎机、锤式磨)、剪切磨(如轧辊磨)、冲击加压剪切磨(包括球管磨、振动磨、行星磨)等。球磨和研磨虽然能进行大量材料体系的低热固相反应合成，但其效率不高，有效馈入能量小于总能耗的5％，能源利用率极低。另外，球磨和研磨反应机制复杂，定量化研究更加困难，长期以来对有关机理停留在主观推测或经验总结上。近期，本技术申请人研究团队经过大量的实验研究，以及在流体力学方面的雄厚研究基础，创造性得将超声速流体技术与固相化学反应合成技术结合起来，形成了一种超声速气流加速低热固相反应新技术，这项技术是在传统的低热固相反应、超声速气流碰撞技术上的飞跃性变革，开启了一种全新的固-固反应、气-固低热反应高效合成技术。研究团队前期在设备搭建和改进方面做了大量研究工作，研制了第一代超声速气流加速低热固相反应合成装置，并申请了技术专利CN102198388B，该专利中披露了采用超声速气流进行固相反应合成的方法和装置，其中，公开的装置包括了固相反应器、载体气流供给装置和微波装置，固相反应器是靶式反应器，由靶头和靶框组成，靶头位于靶框内，固相反应器布置在屏蔽罩内，通过微波装置向屏蔽罩内的固体反应器施加微波场。整体来看，第一代固相反应合成装置为立式反应装置，反应器的形状为直筒结构，超声速气流主进气口位于立式反应器的轴向，反应物进口和出口设置在立式反应器的径向，从试验的情况来看，这种设计方式存在待改进的方面：一是在喷管结构上设计不合理，难以在整个流场内保持超声速气流。二是由于喷管侧壁的静压与来流总压成正比，当上游总压增加时会导致进料口的压力超过大气压导致固体物料颗粒加入气流变得困难。三是由于进料口开在侧壁上，破坏了流场的均匀性，气流紊乱，使得下游的流场难以达到或是维持为超声速状态，导致固体物料颗粒难以获得足够的动能。四是固体物料颗粒通过侧壁加入，固体物料颗粒随紊乱的气流随机分布在整个管道中，没有汇聚到气流中心，使得撞靶概率降低，影响了反应的效率。可见，第一代固相反应合成装置中固相反应器的反应物导入效率和能量利用率有待进一步提高，为了能够实现反应合成，另加了微波辐射场，从而提高反应颗粒的总能量密度。因此，问题的关键在于如何通过装置的改进设计来进一步提高反应固体物料颗粒的能量馈入密度。
技术实现思路
本技术在现有技术的基础上，通过结构设计和实验验证进一步优化现有装置的性能。本技术提供一种撞靶式超声速气流加速低热固相反应装置，该装置能够实现固体反应固体物料颗粒高效率馈入超声速气流，并能定量测量超声速气流中低热固相化学反应相关参数，精确控制反应过程，实现不同材料体系的低温固相反应合成。撞靶式超声速气流加速低热固相反应装置包括固体物料颗粒输送单元、气流输送单元和反应器，所述的固体物料颗粒输送单元包括轴向进料管、料斗、送粉器、循环反应装置，所述循环反应装置一端与送粉器连接，所述送粉器通过自动在线粉末取样器与料斗连接，料斗与轴向进料管连接；所述的反应器包括超声速喷管、混合加速室、靶头、反应器箱体；在超声速喷管内部同轴方向贯穿设置轴向进料管，轴向进料管的入口端连接料斗和送粉器，轴向进料管的出口端延伸至混合加速室。进一步，所述的气流输送单元包括气源装置、过滤及干燥器、储气罐、调压阀、数字阀、流量计，这些部件依次串连，形成一个气体通道，所述的气源装置1可以为空气压缩机或特定气体钢瓶，所述的数字阀由稳定室、12个文丘里管和12个电磁阀组成。所述的反应器包括超声速喷管、混合加速室、靶头、反应器箱体。所述超声速喷管与气流输送单元连接，并由流量计控制气流输送，超声速喷管为拉瓦尔喷管多段结构设计，包括收缩段和加速段，从气流输送单元来的气流经过超声速喷管的收缩段和加速段后形成超声速气流。在超声速喷管进气端轴向设置进料管，进料管中的压力高于混合加速室中的压力，固体物料颗粒被引射入气流，并加速至超声速气流，在靶头处发生低热固相反应，撞靶后固相反应物质沿管道流向循环反应装置，循环反应装置与送粉器连接，实现反应固体颗粒沿整个气流循环撞靶反应，待自动在线粉末取样器收集的样品检测结果显示反应充分后，在循环反应装置一端的产物收集单元收集反应产物。在混合加速室设置气固两相流诊断系统，包括双脉冲激光器、激光输出调制单元、示踪粒子产生及播撒器、图像记录和处理单元，其中，双脉冲激光器与激光输出调制单元连接，实现激光的产生-输出-调制，并将激光导入反应器的反应区域，示踪粒子产生及播撒器与轴向进料管连接，实现示踪粒子馈入反应物，图像记录和处理单元20收集的处理流体的图像信息。在开启反应装置之前，设定气固两相流诊断系统参数，在反应过程中收集气流图像并进行计算机处理。所述的超声速喷管为拉瓦尔喷管，选用聚四氟乙烯或不锈钢材质，或采用内衬聚四氟乙烯的不锈钢材质。所述的靶头材质可以钛、20Cr、碳化钨、Al2O3。撞靶式超声速气流加速低热固相反应装置的运行原理：由气源装置产生高压气体，经过过滤及干燥器对气体进行多级过滤、净化、干燥，进入储气罐，气流依次经过调压阀、数字阀、流量计进入超声速喷管，超声速喷管为多段结构设计，包括收缩段和加速段，从气流输送单元来的气流经过超声速喷管的收缩段和加速段后形成超声速气流。在超声速喷管进气端轴向设置进料管，进料管中的压力高于混合加速室中的压力，固体物料颗粒在环形引射作用下进入加速气流，并随气流加速至超声速，在靶头处发生低热固相反应，撞靶后固相反应物质沿管道流向循环反应装置，经过循环反应装置经过送粉器进入料斗，通过轴向进料管再次进入超声速混合加速反应区域，并在靶头处发生撞靶反应，由此实现反应固体物料颗粒的循环撞靶反应，循环反应持续一定时间后，在循环反应装置一端的产物收集单元分离得到反应产物。在装置持续运作过程中，根据需要开启气固两相流诊断系统，将示踪粒子馈入固相气流中，并借助双脉冲激光器和激光输出与调制单元对反应气流进行示踪检测，通过图像记录和处理单元获得反应气流的模拟特性。自动在线粉末取样器9适时收集反应物质样品，对不同时间段样品的相组成和微观结构分析结果来获得装置运行的最佳时间范围。采用本技术的撞靶式超声速气流加本文档来自技高网...

【技术保护点】
撞靶式超声速气流加速低热固相反应装置，其特征在于，包括固体物料颗粒输送单元、气流输送单元和反应器，所述的固体物料颗粒输送单元包括轴向进料管(7)、料斗(8)、送粉器(10)、循环反应装置(11)，所述循环反应装置(11)一端与送粉器(10)连接，所述送粉器(10)通过自动在线粉末取样器(9)与料斗(8)连接，料斗(8)与轴向进料管(7)连接；所述的反应器包括超声速喷管(13)、混合加速室(14)、靶头(15)、反应器箱体(16)；在超声速喷管(13)内部同轴方向贯穿设置轴向进料管(7)，轴向进料管(7)的入口端连接料斗(8)和送粉器(10)，轴向进料管(7)的出口端延伸至混合加速室(14)。

【技术特征摘要】
1.撞靶式超声速气流加速低热固相反应装置，其特征在于，包括固体物料颗粒输送单元、气流输送单元和反应器，所述的固体物料颗粒输送单元包括轴向进料管(7)、料斗(8)、送粉器(10)、循环反应装置(11)，所述循环反应装置(11)一端与送粉器(10)连接，所述送粉器(10)通过自动在线粉末取样器(9)与料斗(8)连接，料斗(8)与轴向进料管(7)连接；所述的反应器包括超声速喷管(13)、混合加速室(14)、靶头(15)、反应器箱体(16)；在超声速喷管(13)内部同轴方向贯穿设置轴向进料管(7)，轴向进料管(7)的入口端连接料斗(8)和送粉器(10)，轴向进料管(7)的出口端延伸至混合加速室(14)。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的气流输送单元由气源装置(1)、过滤及干燥器(2)、储气罐(3)、调压阀(4)、数字阀(5)、流量...

【专利技术属性】
技术研发人员：路波，林俊，左金，彭汝芳，李江涛，楚士晋，郭秋亭，林学东，陶洋，张兆，范长海，叶坤，杜宁，杨可，周洪，刘刚，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：新型
国别省市：四川,51