撞击流强化混合特性及用于制备超细粉体研究进展
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细粉体的中试研究，并展望了撞击流技术用于制备超细粉体的前景。
关键词：撞击流；粉体；混合；结晶；反应器
中图分类号：TQ 052
文献标志码：A
文章编号：1000-6613 （2020） 03-0824-10
Advances on impinging stream intensification mixing mechanism for
腔室尺寸的减小，壁面效应加强，混合尺度减小，
从而促使涡旋的增加，提高湍动强度，促进混合，
但过小的尺寸也同样会造成堵塞通道的问题[25-29]；
喷嘴直径与间距及喷嘴数目在一定程度上决定着撞
击面的震荡特性，流场内的湍流参数和混沌参数随
着喷嘴间距的增加呈先增加后减小的变化趋势，多
喷嘴撞击流反应器更适用于不等溶液体积流量比的
化
进
展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
· 824 ·
工
2020 年第 39 卷第 3 期
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2019-0925
综述与专论
开放科学 （资源服务） 标识码 （OSID）：
学能[5]等使固体粉碎或通过改变物质的物理状态使
其达到微米及纳米范围。另一种方法叫作“自下而
上”，通过化学反应，如沉淀法[6]、水解法[7]、喷雾
法[8] 及气相反应法[9] 等方法控制粒子的结晶沉淀。
然而，“自下而上”的过程复杂缓慢耗时[10]。撞击
流技术作为工业应用上的一种重要流动形式，其强
烈的微观混合、较高的传递系数以及有效地提供过
Abstract: The impinging stream has widely applied in chemical reaction, crystallization, preparation of
ultrafine powder, etc. Due to its excellent characteristics of strengthening micro-mixing. Based on the
reactor were briefly described. The effects of micromixing characteristics of impinging stream on chemical
reaction and preparation of ultrafine powder were analyzed from the aspects of crystallization and
micromixing time. Compared with conventional reactors and methods, it was evaluated from the particle
size, morphology, surface, energy, dispersibility, electrical properties and stability of ultrafine powders.
时，增加流场复杂性和湍动特性，实现能量的快速
耗散，从而提高混合程度，以实现物料的快速高效
混合[37]。
1.2 撞击流微观混合特性
根据动力学的化学反应碰撞理论[38]，反应物分
子在发生化学时需要达到以下两个条件：一是参加
化学反应的分子间发生碰撞，二是发生碰撞的分子
能量必须达到某一临界值。处于凝聚态的液体连续
mixing and strengthening characteristics of impinging stream technology, the recent research on the
preparation of ultrafine powders in several impinging stream reactors was reviewed. The effects of fluid
An intermediate experiment of a two-layer opposed impinging stream reactor for industrial large-scale
preparation of ultrafine powders was proposed, and the prospect of impinging stream technology for
Citation：ZHANG Jianwei, YAN Yuhang, SHA Xinli, et al. Advances on impinging stream intensification mixing mechanism for preparing ultrafine powders[J].
dm
dt
=
A (c - c
K
∗
)
(1)
(2)
(3)
式中，B 为成核速率；dm/dt 为晶核成长速率；
∆c 为实际浓度与饱和溶解度的差值；(c−c*)为总的
传质推动力，即过饱和度。
众多研究表明，撞击流其强烈的微观混合以及
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
flow, confined space, nozzle form and structure, external excitation and other factors about the mixing
performance on submerged circulative impinging stream reactor, confined impinging stream reactor, Ttype impinging stream reactor, micro impinging stream reactor and impinging stream-rotating packed bed
根据微观混合理论[12]，利用离集强度或离集尺度
来表征流体混合状态及程度，其两种极限状态——
完全离集和最大混合，对应于宏观混合、微观混合
和介观混合。物料的微观混合和宏观混合是影响反
应器混合性能及化学反应的重要因素[13]，直接影响
着化学反应的选择性、转化率、反应体系的稳定
性、产物的性质和质量[14]。众多科学家从流体流
撞击流强化混合特性及用于制备超细粉体研究进展
张建伟，闫宇航，沙新力，冯颖，马繁荣
（沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）
摘要：撞击流以其强化微观混合的优异特性化学反应、结晶、制备超细粉体等方面有广泛应用。本文在撞击流
技术强化混合特性的基础上对近年来几种撞击流反应器制备超细粉体研究进行了综述。简述了流体流动、受限空
· 826 ·
化
表1
研究者
工
进
2020 年第 39 卷
展
结构形式及进口参数条件对混合效果的影响
Re 或流速
反应器形式
考察内容
实验手段
李友凤等［15］
T 形撞击流反应器
流体撞击形式
碘化物-碘酸盐反应体系
Kashid 等［16］
微小型撞击流反应器
流体撞击形式
碘化物-碘酸盐反应体系
受限撞击流反应器
流体撞击形式
学及边界与界面性质[1]。超细粉体不仅本身是一种
功能材料，并且为新的功能材料的复合与开发展现
了广阔的应用前景，广泛应用于航空航天、电子、
化工、中药现代化、日用化工等领域。
超细粉体的制备方法多种多样，目前通常将超
细粉体的制备方法分为两类。一种叫作“自上向
下”，借助外力，如机械力[2]、声能[3]、热能[4]、化
饱和状态，大大缩短了混合时间，这在化学工业中
制备超细粉体有非常大的应用前景[11]。本文在结合
了撞击流强化混合特性、结晶动力学的基础上，对
撞击流设备制备超细粉体研究方面所取得的成果进
行了综述，并提出一种双层对置撞击流反应器用于
工业上大规模制取超细粉体的中试研究。
1 撞击流强化混合特性
1.1
撞击流强化混合影响因素
相分子密度和黏度相对气体而言都很大，只能在平
衡位置做极其微小的运动或者位移[39]，这也就限制
了分子之间碰撞的概率。众多研究表明，撞击流强
烈的微观混合特性，可以有效地促进分子尺度上的
混合，促进化学反应更加快速地进行。
要想得到粉体独特的物理性能，首先要制备粒
径极小的粉体材料。根据初级成核速率、二次成核
动、受限空间、喷嘴形式及结构、外部激励等因素
对几种撞击流反应器强化混合特性进行了研究。
普遍认为，对称撞击微观混合效果要好于其他
流型撞击[15-18]；增大雷诺数或增大流速使撞击更加
剧烈，增加了流场的复杂程度，提高湍动强度和混
合性能，但随着雷诺数的逐渐增大，系统对单体流
量或环境条件的小偏差变化更加敏感[19-24]；反应器
Keywords: impinging stream; powder; mixing; crystallization; reactors
超细粉体 （ultrafine powder），由于其表面分子
排列及电子分布结构和晶体结构均发生变化，产生
奇特的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量
子隧道效应，从而使其具有一系列优异的物理、化
preparing ultrafine powders
ZHANG Jianwei，YAN Yuhang，SHA Xinli，FENG Ying，MA Fanrong
(School of Energy and Power Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, Liaoning, China)
速率和晶核成长速率经验公式[40] ［式(1)～式(3)］ 可
以看出，过饱和度作为结晶发生的推动力决定了结
晶速率和晶核成长进程，即沉淀法制取超细粉体的
前提条件是：在极高且均匀的过饱和度条件下，加
强晶核形成对溶质的竞争，瞬间产生大量晶核，降
低过饱和度，抑制晶核的成长[11]。
B = kΔcp
B = kΔcl ρm wn
液液快速混合反应[30-32]；另外，频率振幅[32-34]、超
声[35-36]等外部能量的施加所产生的二级效应冲击波
和微射流等将会提高流场的湍动特性。具体研究内
容见表 1。
综上，不论是改变反应器结构、优化操作条件
参数，还是施加外部能量，都是为了引导和改变混
合器内流体流动模式，在提高撞击驻点稳定性的同
（Z18-5-008）。
第一作者及通信作者：张建伟 （1964—），男，博士，教授，研究方向为新型高效节能过程装备的开发。E-mail：zhangjianwei@。
引用本文：张建伟, 闫宇航, 沙新力, 等 . 撞击流强化混合特性及用于制备超细粉体研究进展[J]. 化工进展, 2020, 39(3): 824-833.
preparing ultrafine powders was prospected.
收稿日期：2019-06-10；修改稿日期：2019-07-29。
基金项目：国家自然科学基金 （21476141）；辽宁省“兴辽英才计划”项目 （XLYC1808025）；沈阳市“双百工程”计划 （重大科技成果转化项目）
间、喷嘴形式及结构、外部激励等因素对浸没循环撞击流反应器、受限撞击流反应器、T 形撞击流反应器、微小
型撞击流反应器、撞击流-旋转填料床反应器混合性能的影响。从结晶、微观混合时间等角度分析了撞击流微观
混合特性对化学反应及制备超细粉体的影响。并与常规反应器及方法对比，从超细粉体的粒度大小、形貌、表
面、能量、分散性、电性能及稳定性等方面进行评估。提出一种双层对置撞击流反应器用于工业上大规模制取超
re200500漩涡增多尺寸增大湍动强度继续增大60600于永久22受限撞击流repiv驻点位置随流量增大变得不稳定大管径射流边缘各项异性小于2000040000反应器小管径射流刘一鸣23t型撞击流反应器re碘化物碘酸盐反应体系降低硫酸浓度体积流量比增大撞击速度动量比轴线上方空间离集指数均降低7011493ms1sultan24t型撞击流反应器腔室尺寸pivcfd增大进口射流的宽高比撞击区上部空间增大反应器深度混合性变好并发现反应器内出现的涡旋结构能明显促进混合50600gao25受限撞击流反应器腔室尺寸piv最大湍动能随腔室尺寸喷嘴直径减小而增大
LIF
对称撞击混合效果好于不对称撞击；不对称 10000～22000
撞击流场能量高于对称撞击
Sun 等［19-20］
循环浸没撞击流反应器
流速
压力传感器
利用小波分析，波动能量主要分布在 1kHz 以 0.05～0.2m·s−1
Chemical Industry and Engineering Progress, 2020, 39(3): 824-833.
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第3期
· 825 ·
张建伟等：撞击流强化混合特性及用于制备超细粉体研究进展
关键词：撞击流；粉体；混合；结晶；反应器
中图分类号：TQ 052
文献标志码：A
文章编号：1000-6613 （2020） 03-0824-10
Advances on impinging stream intensification mixing mechanism for
腔室尺寸的减小，壁面效应加强，混合尺度减小，
从而促使涡旋的增加，提高湍动强度，促进混合，
但过小的尺寸也同样会造成堵塞通道的问题[25-29]；
喷嘴直径与间距及喷嘴数目在一定程度上决定着撞
击面的震荡特性，流场内的湍流参数和混沌参数随
着喷嘴间距的增加呈先增加后减小的变化趋势，多
喷嘴撞击流反应器更适用于不等溶液体积流量比的
化
进
展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
· 824 ·
工
2020 年第 39 卷第 3 期
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2019-0925
综述与专论
开放科学 （资源服务） 标识码 （OSID）：
学能[5]等使固体粉碎或通过改变物质的物理状态使
其达到微米及纳米范围。另一种方法叫作“自下而
上”，通过化学反应，如沉淀法[6]、水解法[7]、喷雾
法[8] 及气相反应法[9] 等方法控制粒子的结晶沉淀。
然而，“自下而上”的过程复杂缓慢耗时[10]。撞击
流技术作为工业应用上的一种重要流动形式，其强
烈的微观混合、较高的传递系数以及有效地提供过
Abstract: The impinging stream has widely applied in chemical reaction, crystallization, preparation of
ultrafine powder, etc. Due to its excellent characteristics of strengthening micro-mixing. Based on the
reactor were briefly described. The effects of micromixing characteristics of impinging stream on chemical
reaction and preparation of ultrafine powder were analyzed from the aspects of crystallization and
micromixing time. Compared with conventional reactors and methods, it was evaluated from the particle
size, morphology, surface, energy, dispersibility, electrical properties and stability of ultrafine powders.
时，增加流场复杂性和湍动特性，实现能量的快速
耗散，从而提高混合程度，以实现物料的快速高效
混合[37]。
1.2 撞击流微观混合特性
根据动力学的化学反应碰撞理论[38]，反应物分
子在发生化学时需要达到以下两个条件：一是参加
化学反应的分子间发生碰撞，二是发生碰撞的分子
能量必须达到某一临界值。处于凝聚态的液体连续
mixing and strengthening characteristics of impinging stream technology, the recent research on the
preparation of ultrafine powders in several impinging stream reactors was reviewed. The effects of fluid
An intermediate experiment of a two-layer opposed impinging stream reactor for industrial large-scale
preparation of ultrafine powders was proposed, and the prospect of impinging stream technology for
Citation：ZHANG Jianwei, YAN Yuhang, SHA Xinli, et al. Advances on impinging stream intensification mixing mechanism for preparing ultrafine powders[J].
dm
dt
=
A (c - c
K
∗
)
(1)
(2)
(3)
式中，B 为成核速率；dm/dt 为晶核成长速率；
∆c 为实际浓度与饱和溶解度的差值；(c−c*)为总的
传质推动力，即过饱和度。
众多研究表明，撞击流其强烈的微观混合以及
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
flow, confined space, nozzle form and structure, external excitation and other factors about the mixing
performance on submerged circulative impinging stream reactor, confined impinging stream reactor, Ttype impinging stream reactor, micro impinging stream reactor and impinging stream-rotating packed bed
根据微观混合理论[12]，利用离集强度或离集尺度
来表征流体混合状态及程度，其两种极限状态——
完全离集和最大混合，对应于宏观混合、微观混合
和介观混合。物料的微观混合和宏观混合是影响反
应器混合性能及化学反应的重要因素[13]，直接影响
着化学反应的选择性、转化率、反应体系的稳定
性、产物的性质和质量[14]。众多科学家从流体流
撞击流强化混合特性及用于制备超细粉体研究进展
张建伟，闫宇航，沙新力，冯颖，马繁荣
（沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）
摘要：撞击流以其强化微观混合的优异特性化学反应、结晶、制备超细粉体等方面有广泛应用。本文在撞击流
技术强化混合特性的基础上对近年来几种撞击流反应器制备超细粉体研究进行了综述。简述了流体流动、受限空
· 826 ·
化
表1
研究者
工
进
2020 年第 39 卷
展
结构形式及进口参数条件对混合效果的影响
Re 或流速
反应器形式
考察内容
实验手段
李友凤等［15］
T 形撞击流反应器
流体撞击形式
碘化物-碘酸盐反应体系
Kashid 等［16］
微小型撞击流反应器
流体撞击形式
碘化物-碘酸盐反应体系
受限撞击流反应器
流体撞击形式
学及边界与界面性质[1]。超细粉体不仅本身是一种
功能材料，并且为新的功能材料的复合与开发展现
了广阔的应用前景，广泛应用于航空航天、电子、
化工、中药现代化、日用化工等领域。
超细粉体的制备方法多种多样，目前通常将超
细粉体的制备方法分为两类。一种叫作“自上向
下”，借助外力，如机械力[2]、声能[3]、热能[4]、化
饱和状态，大大缩短了混合时间，这在化学工业中
制备超细粉体有非常大的应用前景[11]。本文在结合
了撞击流强化混合特性、结晶动力学的基础上，对
撞击流设备制备超细粉体研究方面所取得的成果进
行了综述，并提出一种双层对置撞击流反应器用于
工业上大规模制取超细粉体的中试研究。
1 撞击流强化混合特性
1.1
撞击流强化混合影响因素
相分子密度和黏度相对气体而言都很大，只能在平
衡位置做极其微小的运动或者位移[39]，这也就限制
了分子之间碰撞的概率。众多研究表明，撞击流强
烈的微观混合特性，可以有效地促进分子尺度上的
混合，促进化学反应更加快速地进行。
要想得到粉体独特的物理性能，首先要制备粒
径极小的粉体材料。根据初级成核速率、二次成核
动、受限空间、喷嘴形式及结构、外部激励等因素
对几种撞击流反应器强化混合特性进行了研究。
普遍认为，对称撞击微观混合效果要好于其他
流型撞击[15-18]；增大雷诺数或增大流速使撞击更加
剧烈，增加了流场的复杂程度，提高湍动强度和混
合性能，但随着雷诺数的逐渐增大，系统对单体流
量或环境条件的小偏差变化更加敏感[19-24]；反应器
Keywords: impinging stream; powder; mixing; crystallization; reactors
超细粉体 （ultrafine powder），由于其表面分子
排列及电子分布结构和晶体结构均发生变化，产生
奇特的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量
子隧道效应，从而使其具有一系列优异的物理、化
preparing ultrafine powders
ZHANG Jianwei，YAN Yuhang，SHA Xinli，FENG Ying，MA Fanrong
(School of Energy and Power Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, Liaoning, China)
速率和晶核成长速率经验公式[40] ［式(1)～式(3)］ 可
以看出，过饱和度作为结晶发生的推动力决定了结
晶速率和晶核成长进程，即沉淀法制取超细粉体的
前提条件是：在极高且均匀的过饱和度条件下，加
强晶核形成对溶质的竞争，瞬间产生大量晶核，降
低过饱和度，抑制晶核的成长[11]。
B = kΔcp
B = kΔcl ρm wn
液液快速混合反应[30-32]；另外，频率振幅[32-34]、超
声[35-36]等外部能量的施加所产生的二级效应冲击波
和微射流等将会提高流场的湍动特性。具体研究内
容见表 1。
综上，不论是改变反应器结构、优化操作条件
参数，还是施加外部能量，都是为了引导和改变混
合器内流体流动模式，在提高撞击驻点稳定性的同
（Z18-5-008）。
第一作者及通信作者：张建伟 （1964—），男，博士，教授，研究方向为新型高效节能过程装备的开发。E-mail：zhangjianwei@。
引用本文：张建伟, 闫宇航, 沙新力, 等 . 撞击流强化混合特性及用于制备超细粉体研究进展[J]. 化工进展, 2020, 39(3): 824-833.
preparing ultrafine powders was prospected.
收稿日期：2019-06-10；修改稿日期：2019-07-29。
基金项目：国家自然科学基金 （21476141）；辽宁省“兴辽英才计划”项目 （XLYC1808025）；沈阳市“双百工程”计划 （重大科技成果转化项目）
间、喷嘴形式及结构、外部激励等因素对浸没循环撞击流反应器、受限撞击流反应器、T 形撞击流反应器、微小
型撞击流反应器、撞击流-旋转填料床反应器混合性能的影响。从结晶、微观混合时间等角度分析了撞击流微观
混合特性对化学反应及制备超细粉体的影响。并与常规反应器及方法对比，从超细粉体的粒度大小、形貌、表
面、能量、分散性、电性能及稳定性等方面进行评估。提出一种双层对置撞击流反应器用于工业上大规模制取超
re200500漩涡增多尺寸增大湍动强度继续增大60600于永久22受限撞击流repiv驻点位置随流量增大变得不稳定大管径射流边缘各项异性小于2000040000反应器小管径射流刘一鸣23t型撞击流反应器re碘化物碘酸盐反应体系降低硫酸浓度体积流量比增大撞击速度动量比轴线上方空间离集指数均降低7011493ms1sultan24t型撞击流反应器腔室尺寸pivcfd增大进口射流的宽高比撞击区上部空间增大反应器深度混合性变好并发现反应器内出现的涡旋结构能明显促进混合50600gao25受限撞击流反应器腔室尺寸piv最大湍动能随腔室尺寸喷嘴直径减小而增大
LIF
对称撞击混合效果好于不对称撞击；不对称 10000～22000
撞击流场能量高于对称撞击
Sun 等［19-20］
循环浸没撞击流反应器
流速
压力传感器
利用小波分析，波动能量主要分布在 1kHz 以 0.05～0.2m·s−1
Chemical Industry and Engineering Progress, 2020, 39(3): 824-833.
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张建伟等：撞击流强化混合特性及用于制备超细粉体研究进展