液態(tài)納米溶液的制備裝置及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及納米加工和應用【技術領域】，具體涉及一種納米級溶液的制備裝置及制備方法。一種液態(tài)納米溶液的制備裝置及制備方法，包括由空壓機和增壓泵組成的超高壓發(fā)生裝置、蓄能器、超高壓微型撞擊流裝置、原料儲罐、產(chǎn)品收集罐，按照順序連接后，按照包括工作準備階段、原料配制階段、撞擊粉碎階段、產(chǎn)品收集階段、裝置清洗階段和產(chǎn)品測試階段的制備方法進行制備后得到液態(tài)微米或納米溶液。本發(fā)明集合超高壓、撞擊流、微型通道的優(yōu)勢于一體，制得具有純度高，不添加表面活性劑和助表面活性劑，性質穩(wěn)定的微米和納米級溶液，提升了產(chǎn)品品質，擴大了應用范圍，適用于食品行業(yè)的果汁催勻細化、生物醫(yī)藥、酒類催陳、化妝品等領域。
【專利說明】液態(tài)納未浴液的制備裝直及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及納米加工和應用【技術領域】，具體涉及一種納米級溶液的制備裝置及制備方法。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)代工程技術的發(fā)展要求某些產(chǎn)品具有細而均勻的粒度和盡可能低的污染，處于微米或納米尺度之間的顆粒，由于其比表面積增大，更容易和其他物質相溶和吸收，也能改善物質宏觀性能，因而在食品、生物醫(yī)藥、酒類催陳、化妝品等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。例如將墨水的顏料——碳粉細化到一定程度并形成穩(wěn)定的分散相時，就可以讓墨水通過更小的噴嘴并得到更高分辨率的噴墨打印機；再如，如果將牛奶中的脂肪球粒細化到一定程度，就可以在改善口味并增加產(chǎn)品穩(wěn)定性的同時，減少脂肪的含量；如果將藥品分子裝入脂質體中，藥品就會控制在很小的劑量，這樣在身體里也就具有更精確的靶向和更小的毒性，因而也就減少了成本和病人的毒副反應。
[0003]目前的顆粒細化研究領域中對固體顆粒細化的關注較多，工業(yè)上使用最多的是機械粉碎法，即借用各種外力使現(xiàn)有的固體塊料粉碎成超細粉體，同時不同類型的粉碎設備也不斷推出，如球磨式粉碎機、介質攪拌式研磨機、氣流粉碎機、高壓均質機、高剪切粉碎機和撞擊流粉碎機等?，F(xiàn)有的機械粉碎方法存在著較大的不足:球磨機、振動磨及攪拌磨都使用了研磨介質，在研磨裝置中，被處理的物料如液體、漿液或粉體等與陶瓷球等研磨材料混合在一起，因此在研磨過程中，磨料將物料磨的越來越細。盡管研磨已經(jīng)使用了幾十年，但研磨過程仍存在如下問題:磨料介質污染產(chǎn)品、過程放大困難、能量的應用缺乏控制、對很小的顆粒通常需要很長時間的處理、后處理(如清潔、裝備、分離磨料)等要求復雜。研磨裝備放大困難的根源在于其所述涉及的變量如磨體尺寸、研磨介質、產(chǎn)品尺度、過程時間等沒有線性關系，即使在原形上成功地運行了該產(chǎn)品，在放大的設備上也很難有借鑒意義，研磨介質的尺寸決定了制備的超細粉體很難達到亞微米級別，而且研磨介質容易磨損而污染物料。氣流粉碎機的能量利用率較低，反復長時間的處理亦難以使超細粉體的級別達到亞微米級；高壓均質機、高剪切粉碎機等受限于結構無法滿足流體正面對撞，其原理為利用微孔道內流體顆粒間的相互摩擦、剪切和空穴效應等也難以使粉碎后的產(chǎn)品達到亞微米級別。撞擊流粉碎技術是一種利用物理方法得到純凈產(chǎn)品的物料粉碎處理技術，基本原理是利用高壓加速后的高速流體(加壓大于200Mpa)對物料進行強烈撞擊，在撞擊過程中，高速射流與物料顆粒間或相間產(chǎn)生碰撞和摩擦、互磨產(chǎn)生的剪切力和碰撞時的擠壓力使物料顆粒被粉碎細化。從撞擊流粉碎技術的基本原理可以看出，要使粉碎結果達到微米甚至納米級別，必須增加剪切力和擠壓力，即必須依靠超高壓裝置提供動力源。從現(xiàn)有研究來看，國內外關于撞擊流粉碎技術的研究和應用仍然局限于固態(tài)顆粒細化，與傳統(tǒng)粉碎技術相比，在對于液體物料的進一步微細化處理上，利用撞擊流技術并不能產(chǎn)生更好的效果。而隨著工業(yè)進程的穩(wěn)步發(fā)展，對于液態(tài)物料細化的研究也越來越受到重視。但是由于液體和固體在物質特性上的巨大差異，固體顆粒細化的理論研究、方法以及設備很難適用于液體。[0004]因此，目前急需一種創(chuàng)新的技術或者方法來解決液態(tài)物料的細化粉碎中存在的問題，從而得到納米級溶液。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種液態(tài)納米溶液的制備裝置，解決以上技術問題。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于，提供一種液態(tài)納米溶液的制備方法，解決以上技術問題。
[0007]本發(fā)明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現(xiàn):
[0008]一種液態(tài)納米溶液的制備裝置，其特征在于，包括一超高壓發(fā)生裝置，所述超高壓發(fā)生裝置由順序連接的空壓機和增壓泵組成，所述增壓泵的高壓部輸出端為所述超高壓發(fā)生裝置的輸出端，所述增壓泵的高壓部輸入端為所述超高壓發(fā)生裝置的輸入端，所述增壓泵的低壓部輸入端連接所述空壓機；
[0009]所述超高壓發(fā)生裝置的輸出端連接一蓄能器，所述蓄能器的輸出端連接一用于對流體進行撞擊粉碎處理的超高壓微型撞擊流裝置，所述超高壓微型撞擊流裝置的輸出端連接產(chǎn)品收集罐，所述超高壓發(fā)生裝置的輸入端連接原料儲罐。
[0010]所述增壓泵采用一超高壓氣動增壓泵，所述超高壓氣動增壓泵為一采用往復運動來壓縮空氣的活塞泵。
[0011]本發(fā)明通過構建設有蓄能器的超高壓發(fā)生裝置系統(tǒng)，來實現(xiàn)對液體物料的加壓，使其達到具備超高速對撞的條件。蓄能器主要在儲蓄液體的液壓能、緩和沖擊和消除流體的脈動等方面起作用，在保持和穩(wěn)定系統(tǒng)壓力方面也起了重要作用，因而在間歇工作或周期性工作中可以作為輔助動力源，特別在超高壓微型撞擊流裝置的工作中，為超高壓流體的連續(xù)噴射補充泵能力的不足而使其維持一定的有效噴射時間；另外由于增壓泵主要采用往復運動的活塞泵來完成，而活塞泵固有的脈動輸送特性也只有采用蓄能器來得到有效的緩和。傳統(tǒng)的撞擊流處理工藝中，通常將蓄能器設置于原料儲罐之前，在裝置清理過程中通常利用清潔液體作為新原料對管路和裝置器壁進行洗滌，但是傳統(tǒng)工藝的設置，使得蓄能器一旦受到原料污染，將很難被清理，而將原料儲罐設置于蓄能器的前道工序，原料必然流經(jīng)蓄能器，因此進行清潔時，可以對蓄能器進行清洗，避免原料殘渣長時間得不到清理而累積在蓄能器中造成蓄能器能效降低甚至產(chǎn)生損傷。
[0012]所述超高壓微型撞擊流裝置包括裝置主體，所述裝置主體內按照流體流通路徑依次設有流體入口，進口通道、管道連接件、增壓管、對撞室、出口通道和流體出口，所述流體入口為所述超高壓微型撞擊流裝置的輸入口，所述流體出口為所述超高壓微型撞擊流裝置的出口，所述流體入口連接所述蓄能器，所述流體出口連接所述產(chǎn)品收集罐，流經(jīng)蓄能器的高壓流體經(jīng)過蓄能器的緩沖后流入超高壓微型撞擊流裝置進行撞擊處理，粉碎細化后的處理品流入廣品收集te；
[0013]所述進口通道、所述管道連接件和所述增壓管均設有兩個，且設置于所述流體入口的左右兩側，左右兩側的所述進口通道、所述管道連接件和所述增壓管的設置布局呈鏡像對稱，左側的進口通道的上端開口連接所述流體入口，下端開口連接左側的所述管道連接件的入口，左側的所述管道連接件的出口連接左側的所述增壓管的入口 ；
[0014]所述對撞室的內部中空，左右兩個側壁上分別設有連接對應側的所述增壓管的左右兩個對撞室入口，兩個所述對撞室入口對向設置，所述對撞室的底部設有與所述出口通道連接的對撞室出口；
[0015]兩個所述增壓管和兩個所述對撞室入口同軸設置，以便進入對撞室的兩股流體以兩倍流速發(fā)生正面撞擊，增加撞擊的命中率，將撞擊的能量最大化，使得撞擊時的粉碎作用更顯著。
[0016]所述流體入口、所述進口通道、所述管道連接件、所述增壓管、所述對撞室、所述出口通道、所述流體出口之間的連接均采用密封式連接。
[0017]所述進口通道采用一截面呈圓形的管道，所述進口通道的管徑隨著流體前進方向逐漸減小。
[0018]所述進口通道的內部管壁設有復數(shù)條來復線，所述來復線為螺旋狀溝槽，復數(shù)條來復線構建的進口通道內壁結構使得流經(jīng)的流體在流動時呈現(xiàn)子彈自轉的運動狀態(tài)，不僅可以穩(wěn)定管道壓力，而且易于減輕流體內顆粒產(chǎn)生的粘連作用的影響。
[0019]所述增壓管采用一截面呈圓形的管道；所述增壓管的內管壁內也設有復數(shù)條所述來復線，使得增壓管作為撞擊流的噴嘴時，射出的流體具有高度指向性和凝聚的形狀，更加易于將對撞的能量最大化，使撞擊效果更佳。
[0020]所述管道連接件采用一三通結構的管道連接件，其內設有一貫通左右兩側的水平通孔和一豎直向下的豎直通孔，所述管道連接件的左右兩側分別設有錐臺形的凹槽，左右兩個所述凹槽對稱設置，所述凹槽的頂面直徑小于底面直徑，左側的所述凹槽的頂面在底面的右邊，所述水平通孔貫通兩個所述凹槽的底面，所述豎直通孔貫通所述管道連接件的上表面和所述水平通孔；
[0021 ] 左側的所述管道連接件的頂面的豎直通孔連接所述進口通道，所述水平通孔的右端連接左側的所述增壓管，左端連接一左擋釘，所述左擋釘與左側的所述管道連接件的左側凹槽配合式連接，連接后將連接處的所述水平通孔的左端開口封閉；
[0022]所述左擋釘?shù)闹胁吭O有一凸臺，所述凸臺為一環(huán)繞所述左擋釘一周的凸起，所述凸臺設置于所述裝置主體內，所述左擋釘?shù)淖蠖嗽O有一圓柱形的外凸部，所述外凸部的外壁上設有螺紋，通過螺母與凸臺的配合將左擋釘固定在裝置主體上；
[0023]所述裝置主體的右側設有右擋釘，所述右擋釘與所述左擋釘?shù)倪B接和設置方式呈鏡像對稱。
[0024]本發(fā)明通過設置管道連接件和擋釘，為流入增壓管的流體提供了緩沖空間，增壓管為了起到增壓作用，管徑設置的較小，采用雙通結構的管道連接件或者采用增壓管直接連接進口通道的方式將會使連接處的壓力劇增，存在破壞管路連接的風險，同時也可能產(chǎn)生堵塞。采用三通結構的管道連接件和擋釘?shù)呐浜?，可以在管路壓力正常時起到密封作用，在壓力超限時為進入增壓管的流體提供一定緩沖。
[0025]所述水平通孔的內孔徑為0.15mm-0.8mm ;所述豎直通孔的內孔徑為0.15mm-0.8mm。
[0026]所述增壓管采用一陶瓷制成的增壓管，所述增壓管的管徑為0.02mm-0.06mm ;長度為10mm?13mm。
[0027]本發(fā)明的增壓管的管徑較傳統(tǒng)的微型管道更小，長度也較傳統(tǒng)的撞擊流技術中的噴嘴管道更長，經(jīng)過模擬分析得到流體流經(jīng)增壓管時，由于壓力梯度和速度梯度的增加，剪切作用明顯增強，部分流體在增壓管內流動時已經(jīng)被細化粉碎，對流體最終的細化粉碎效果起到積極作用。
[0028]所述增壓管外設有一起到保護作用的套管，所述套管包覆于所述增壓管的外壁上。
[0029]所述超高壓發(fā)生裝置與所述原料儲罐之間設有一混料罐，所述混料罐設有至少兩個原料輸入接口，任一所述原料輸入接口連接一所述原料儲罐；
[0030]所述混料罐內設有加熱裝置，通過加熱裝置對混料罐內的原料在混合階段進行加熱，不僅易于原料間的混合，也便于減小物料顆粒之間的粘滯情況，有助于后續(xù)的粉碎處理。
[0031]所述空壓機與所述增壓泵的連接管路中設有空氣調節(jié)閥，所述空氣調節(jié)閥連接一空氣調節(jié)壓力表；
[0032]所述增壓泵與所述蓄能器的連接管路中設有一超高壓調節(jié)閥，所述超高壓調節(jié)閥連接一超高壓壓力表。
[0033]所述超高壓發(fā)生裝置設有至少兩組，至少兩組超高壓發(fā)生裝置均連接到所述蓄能器上，任一所述超高壓發(fā)生裝置的輸入端連接一所述原料儲罐。傳統(tǒng)工藝中增壓部分通常采用單臺增壓泵提升系統(tǒng)壓力，當系統(tǒng)增壓至200Mpa?300Mpa后進行粉碎細化，但噴射I?2秒后壓力很快下降，這時增壓泵的工作不能使系統(tǒng)維持足夠高的操作壓力，致使只能再次用增壓泵將系統(tǒng)壓力提高到300MPa后進行二次噴射。一臺增壓泵工作時，噴射一次后系統(tǒng)恢復到操作壓力的時間約為20秒，這種結構的增壓系統(tǒng)提供的是脈動式的壓力，使粉碎細化結果具有很大的分散性，而采用至少兩組超高壓發(fā)生裝置與蓄能器連接的結構，使得至少兩臺增壓泵并聯(lián)可以為系統(tǒng)提供足夠的能量，加大了增壓流量，增加整個增壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性；而且，由于至少兩組超高壓發(fā)生裝置為并聯(lián)結構，可以任意啟動或停止某臺增壓泵而不致使系統(tǒng)停機。
[0034]任一組所述超高壓發(fā)生裝置通過單向閥連接所述蓄能器的輸入端。
[0035]一種液態(tài)納米溶液的制備方法，其特征在于，包括工作準備階段、原料供應階段、撞擊粉碎階段、產(chǎn)品收集階段、裝置清洗階段和產(chǎn)品測試階段，具體制備步驟如下:
[0036]I)工作準備階段:將所述制備裝置的各臺設備依次連接后，檢查空壓機出氣端與增壓泵的進氣端的連接氣密性是否達到要求，在確認沒有漏氣的情況下打開空氣調節(jié)閥并啟動空壓機，驅動增壓泵，使系統(tǒng)壓力達到額定壓力；
[0037]2)原料供應階段:啟動混料罐內的加熱裝置對混料罐進行預熱，將待粉碎的液體狀原料輸入原料儲罐，并使其過渡到混料罐內維持一段時間用于原料升溫，以便完成原料準備工作；
[0038]3 )撞擊粉碎階段:打開超高壓調節(jié)閥，原料經(jīng)過增壓，流經(jīng)蓄能器后進入超高壓微型撞擊流裝置內進行對撞粉碎細化處理，得到產(chǎn)品；
[0039]4)產(chǎn)品收集階段:將產(chǎn)品輸入到產(chǎn)品收集罐收集存放；
[0040]5)裝置清洗階段:完成產(chǎn)品制備后，以清潔液體作為新原料重復上述步驟2)和3)，通過清潔液體對殘留在管路和超高壓微型撞擊流裝置內的原料殘渣進行清洗，以便保持設備清潔和管路暢通；
[0041]6)產(chǎn)品測試階段:利用激光粒子計數(shù)器對步驟3)獲得的產(chǎn)品進行粒度分布測試，并生成對應的粒度分布圖。[0042]所述制備步驟中的步驟5)中的清洗液體選用純凈水或者酒精。
[0043]本發(fā)明是基于撞擊流技術，超高壓技術和微型管道技術的一種新技術，通過合理配置微型管道作為流體噴嘴，利用超高壓作用機理使流體達到一定壓力和速率后進行高強度對撞粉碎，使得產(chǎn)品的粉碎程度可以達到納米級。區(qū)別于傳統(tǒng)對撞粉碎工藝，本發(fā)明可以對液體進行更細化處理，液體在流動和撞擊過程中受到超高壓作用、高剪切力作用和空化效應，最終液體內的顆粒被粉碎到更小的粒徑尺度，達到微米級甚至納米級，具體作用機理如下:
[0044]I)在產(chǎn)品制備的過程中利用了超高壓作用的機理。當流體內的溶液分子在超高壓的作用下，一方面可以縮短其分子間的距離，減小分子團之間的間隙；另一方面，原先存在于溶液中的一些微小氣泡可以更完整而徹底地被消除；再次，溶液中含有的微粒不僅可以得到進一步的壓縮，而且微粒與流體間的接觸面可以得到強化，增加了微粒的浸潤性，大大縮短了溶液通過自然存放后得到品質改善的時間，尤其適用于酒類的制備過程。
[0045]在超高壓作用下，顆粒被加速，顆粒間的沖擊力為P=P XUXV，式中P為顆粒間的沖擊壓力，U為沖擊所形成的沖擊波波速，V為顆粒撞擊時的波速，P為流體密度。顆粒在此沖擊壓力作用下，會發(fā)生強烈粉碎。此外，在沖擊波后，流體內還迅速產(chǎn)生一個稀疏波，導致顆粒間發(fā)生變形并粉碎。
[0046]2)在產(chǎn)品制備的過程中利用了空化效應。液體碰撞后，稀疏波作用于液滴時產(chǎn)生拉伸應力，強大的拉伸應力把液體“撕開”成一空洞，產(chǎn)生空化效應，形成負壓，汽體從液體逸出，成為小氣泡。汽泡破滅時在瞬間將產(chǎn)生極短暫的強壓力脈沖，并伴有強烈的沖擊波作用于液相流體，進一步造成液滴破碎和分散。
[0047]3)在產(chǎn)品制備的過程中利用了高剪切作用機理。由增壓管構建的微型管道其管徑較傳統(tǒng)用于制備固體微細粉末的對撞流設備的噴嘴管徑更小，流體在流經(jīng)其中的速度梯度和壓力梯度增大，剪切作用得到明顯增強，管道內流體受到的剪切力增大，對流體的細化粉碎起到重要的作用；而且，延長的增壓管長度，為剪切作用起到了增幅效果，增加了液體微粒間的接觸幾率和接觸時間，部分流體在增壓管內已經(jīng)得到粉碎細化。
[0048]4)在產(chǎn)品制備的過程中利用了撞擊流作用機理。撞擊流是兩股對向的流體間形成2倍相對流體速度的強烈撞擊，而傳統(tǒng)技術中使物質粉碎細化的技術只是流體以單倍的速度撞擊固定靶板，因此，撞擊流比流體撞擊靶板粉碎細化的效果更好。同時，在撞擊的過程中，超高壓給流體間的撞擊提供動力源，流體間的碰撞、互磨產(chǎn)生的剪切力和擠壓力強化了撞擊效果，使流體被進一步細化、粉碎。
[0049]有益效果:由于采用上述技術方案，本發(fā)明集合超高壓、撞擊流、微型通道的優(yōu)勢于一體，利用純物理方法制得純度高，不添加表面活性劑和助表面活性劑，性質穩(wěn)定的納米級溶液，提升了納米級溶液品質，擴大了納米級溶液的應用范圍，適用于食品行業(yè)的果汁催勻細化、生物醫(yī)藥、酒類催陳、化妝品等領域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0050]圖1為本發(fā)明的工作設備連接圖；
[0051]圖2為本發(fā)明的工藝步驟流程圖；
[0052]圖3為本發(fā)明的超高壓微型撞擊流裝置的結構示意圖；[0053]圖4為本發(fā)明的管道連接件的結構示意圖；
[0054]圖5是對含5%胡蘿卜素的油基懸浮液在IOOMpa工作壓力下進行粉碎的粒度分布圖；
[0055]圖6是對含5%的大豆油水混合液在120Mpa工作壓力下進行超細粉碎的粒度分布圖；
[0056]圖7是對含5%的大豆油水混合液在250Mpa工作壓力下進行超細粉碎的粒度分布圖；
[0057]圖8是對含5%的大豆油水混合液在300Mpa工作壓力下進行超細粉碎的粒度分布圖；
[0058]圖9是蘋果汁在300Mpa工作壓力下進行超細粉碎后的粒度分布圖；
[0059]圖10是蘋果汁在未進行處理時的粒度分布圖。
【具體實施方式】
[0060]為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示進一步闡述本發(fā)明。
[0061]參照圖1，一種液態(tài)納米溶液的制備裝置，包括空壓機I和增壓泵3組成的第一組超高壓發(fā)生裝置、空壓機2和增壓泵4組成的第二組超高壓發(fā)生裝置，增壓泵3、4的高壓部輸出端為超高壓發(fā)生裝置的輸出端，增壓泵3、4的高壓部輸入端為超高壓發(fā)生裝置的輸入端，增壓泵3、4的低壓部輸入端分別連接空壓機1、2 ;兩組超高壓發(fā)生裝置的輸出端均通過單向閥連接蓄能器7，蓄能器7的輸出端連接用于對流體進行撞擊粉碎處理的超高壓微型撞擊流裝置8，超高壓微型撞擊流裝置8的輸出端連接產(chǎn)品收集罐9，第一組超高壓發(fā)生裝置的輸入端連接原料儲罐5，第二組超高壓發(fā)生裝置的輸入端連接原料儲罐6。空壓機I與增壓泵3的連接管路中設有空氣調節(jié)閥16，空氣調節(jié)閥16連接空氣調節(jié)壓力表10，空壓機
2與增壓泵4的連接管路中設有空氣調節(jié)閥17，空氣調節(jié)閥17連接空氣調節(jié)壓力表11，增壓泵3與蓄能器7的連接管路中設有超高壓調節(jié)閥14，超高壓調節(jié)閥14連接一超高壓壓力表12，增壓泵4與蓄能器7的連接管路中設有超高壓調節(jié)閥15，超高壓調節(jié)閥15連接一超高壓壓力表13。增壓泵3、4采用超高壓氣動增壓泵，超高壓氣動增壓泵為采用往復運動來壓縮空氣的活塞泵。蓄能器7采用超高壓蓄能器。
[0062]本發(fā)明通過構建設有蓄能器的超高壓發(fā)生裝置，來實現(xiàn)對液體物料的加壓，使其達到具備超高速對撞的條件。蓄能器主要在儲蓄液體的液壓能、緩和沖擊和消除流體的脈動等方面起作用，在保持和穩(wěn)定系統(tǒng)壓力方面也起了重要作用，因而在間歇工作或周期性工作中可以作為輔助動力源，特別在超高壓微型撞擊流裝置的工作中，為超高壓流體的連續(xù)噴射補充泵能力的不足而使其維持一定的有效噴射時間；另外由于增壓泵主要采用往復運動的活塞泵來完成，而活塞泵固有的脈動輸送特性也只有采用蓄能器來得到有效的緩和。傳統(tǒng)的撞擊流處理工藝中，通常將蓄能器設置于原料儲罐之前，在裝置清理過程中通常利用清潔液體作為新原料對管路和裝置器壁進行洗滌，但是傳統(tǒng)工藝的設置，使得蓄能器一旦受到原料污染，將很難被清理，而將原料儲罐設置于蓄能器的前道工序，原料必然流經(jīng)蓄能器，因此進行清潔時，可以對蓄能器進行清洗，避免原料殘渣長時間得不到清理而累積在蓄能器中造成蓄能器能效降低甚至產(chǎn)生損傷。傳統(tǒng)工藝中增壓部分通常采用單臺增壓泵提升系統(tǒng)壓力，當系統(tǒng)增壓至200Mpa?300Mpa后進行粉碎細化，但噴射I?2秒后壓力很快下降，這時增壓泵的工作不能使系統(tǒng)維持足夠高的操作壓力，致使只能再次用增壓泵將系統(tǒng)壓力提高到300MPa后進行二次噴射。一臺增壓泵工作時，噴射一次后系統(tǒng)恢復到操作壓力的時間約為20秒，這種結構的增壓系統(tǒng)提供的是脈動式的壓力，使粉碎細化結果具有很大的分散性，而采用兩組超高壓發(fā)生裝置與蓄能器連接的結構，使得兩臺增壓泵并聯(lián)可以為系統(tǒng)提供足夠的能量，加大了增壓流量，增加整個增壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性；而且，由于兩組超高壓發(fā)生裝置為并聯(lián)結構，可以任意啟動或停止某臺增壓泵而不致使系統(tǒng)停機。
[0063]在制備裝置的操作過程中，空壓機1、2將空氣壓縮到氣包里，然后通過調節(jié)空氣調節(jié)閥16、17的開度使得空氣進入增壓泵3、4，待處理的液體在原料儲罐5、6中進入管路后在增壓泵3、4的高壓部得到加壓后，在高壓作用下被壓入超高壓微型撞擊流裝置8內進行粉碎處理，處理完成后產(chǎn)品進入產(chǎn)品收集罐9。在超高壓調節(jié)閥14、15上設置超高壓壓力表12、13可以監(jiān)視高壓部的壓力變化，在空氣調節(jié)閥16、17上設置空氣調節(jié)壓力表10、11以便監(jiān)視增壓泵3的低壓部的壓力變化。同一組超高壓發(fā)生裝置中的超高壓壓力表和空氣調節(jié)壓力表的最高顯示值之比為增壓泵的增壓比。
[0064]參照圖2，一種液態(tài)納米溶液的制備方法，包括工作準備階段、原料供應階段、撞擊粉碎階段、產(chǎn)品收集階段、裝置清洗階段和產(chǎn)品測試階段，具體制備步驟如下:
[0065]I)工作準備階段:將所述制備裝置的各臺設備依次連接后，檢查空壓機出氣端與增壓泵的進氣端的連接氣密性是否達到要求，在確認沒有漏氣的情況下打開空氣調節(jié)閥并啟動空壓機，驅動增壓泵，使系統(tǒng)壓力達到額定壓力；
[0066]2)原料供應階段:啟動混料罐內的加熱裝置對混料罐進行預熱,將待粉碎的液體狀原料輸入原料儲罐，并使其過渡到混料罐內維持一段時間用于原料升溫，以便完成原料準備工作；
[0067]3 )撞擊粉碎階段:打開超高壓調節(jié)閥，原料經(jīng)過增壓，流經(jīng)蓄能器后進入超高壓微型撞擊流裝置內進行對撞粉碎細化處理，得到產(chǎn)品；
[0068]4)產(chǎn)品收集階段:將產(chǎn)品輸入到產(chǎn)品收集罐收集存放；
[0069]5)裝置清洗階段:完成產(chǎn)品制備后，以純凈水或酒精作為新原料重復上述步驟2)和3)，通過純凈水或酒精對殘留在管路和超高壓微型撞擊流裝置內的原料殘渣進行清洗，以便保持設備清潔和管路暢通；
[0070]6)產(chǎn)品測試階段:利用激光粒子計數(shù)器對步驟3)獲得的產(chǎn)品進行粒度分布測試，并生成對應的粒度分布圖。
[0071]參照圖3，超高壓微型撞擊流裝置包括裝置主體，裝置主體內按照流體流通路徑依次設有流體入口 801，進口通道、管道連接件、增壓管、對撞室805、出口通道806和流體出口 807，流體入口 801為超高壓微型撞擊流裝置的入口，流體出口 807為超高壓微型撞擊流裝置的出口 ；進口通道、管道連接件和增壓管均設有兩個，且設置于流體入口 801的左右兩側，左側進口通道8021的上端開口連接流體入口 801，下端開口連接左側管道連接件8031的入口，左側管道連接件8031的出口連接左側增壓管8041的入口，右側進口通道8022、右側管道連接件8032、右側增壓管8042與左側進口通道8021、左側管道連接件8031、左側增壓管8041呈鏡像對稱；對撞室805的內部中空，左右兩個側壁上分別設有連接對應側的增壓管的左右兩個對撞室入口，兩個對撞室入口對向設置，對撞室805的底部設有與出口通道806連接的對撞室出口 ；兩個增壓管和兩個對撞室入口同軸設置，以便進入對撞室的兩股流體正面以兩倍流速劇烈撞擊，增加撞擊的命中率，將撞擊的能量最大化，使得撞擊時的粉碎作用更顯著。流體入口 801、進口通道、管道連接件、增壓管、對撞室805、出口通道806和流體出口 807的連接均采用密封式連接。進口通道和增壓管的截面呈圓形，進口通道的管徑隨著流體前進方向逐漸減小，進口通道的內部管壁設有復數(shù)條來復線，復數(shù)條來復線構建的進口通道內壁結構使得流經(jīng)的流體在流動時呈現(xiàn)子彈自轉的運動狀態(tài)，不僅可以穩(wěn)定管道壓力，而且易于減輕流體內顆粒產(chǎn)生的粘連作用的影響。增壓管的內管壁內也設有復數(shù)條來復線，使得增壓管作為撞擊流的噴嘴時，射出的流體具有高度指向性和凝聚的形狀，更加易于將對撞的能量最大化，使撞擊效果更佳。
[0072]參照圖3、圖4，管道連接件采用一三通結構的管道連接件，左側管道連接件8031的內部設有一貫通左右兩側的水平通孔80311和一豎直向下的豎直通孔80312，左側管道連接件8031的兩側分別設有錐臺形的凹槽80313，兩個凹槽80313對稱設置，較小的凹槽底面朝內設置，豎直通孔80312貫通左側管道連接件8031的上表面和水平通孔80311，水平通孔80311貫通兩個凹槽80313的底面；凹槽80313的右端連接左側增壓管8041，左端配合地設有左擋釘8081，左擋釘8081與凹槽80313配合式連接，并將連接處的水平通孔80311的開口封閉，左擋釘8081的中段設有一凸臺，凸臺為一環(huán)繞擋釘外壁一周的凸起，凸臺設置于裝置主體內，左擋釘8081的另一端設有一圓柱形的外凸部，外凸部的外壁上設有螺紋，其上設有左側螺母8091，利用左側螺母8091與凸臺的配合將左擋釘8081固定在裝置主體上，裝置主體的右側與左側呈鏡像對稱的設有右側螺母8092和右擋釘8082。增壓管外設有起保護作用的套管810，套管810包覆于增壓管的外壁上。
[0073]本發(fā)明通過設置管道連接件和擋釘，為流入增壓管的流體提供了緩沖空間，增壓管為了起到增壓作用，管徑設置的較小，采用雙通結構的管道連接件或者采用增壓管直接連接進口通道的方式將會使連接處的壓力劇增，存在破壞管路連接的風險，同時也可能產(chǎn)生堵塞。采用三通結構的管道連接件和擋釘?shù)呐浜希梢栽诠苈穳毫φr起到密封作用，在壓力超限時為進入增壓管的流體提供一定緩沖。
[0074]水平通孔的內孔徑為0.15mm-0.8mm ;豎直通孔的內孔徑為0.15mm-0.8mm。增壓管采用一陶瓷制成的增壓管，增壓管的管徑為0.02mm-0.06mm ;長度為10mm-13mm本發(fā)明的增壓管的管徑較傳統(tǒng)的微型管道更小，長度也較傳統(tǒng)的撞擊流技術中的噴嘴管道更長，經(jīng)過模擬分析得到流體流經(jīng)增壓管時，由于壓力梯度和速度梯度的增加，剪切作用明顯增強，部分流體在增壓管內流動時已經(jīng)被細化粉碎，對流體最終的細化粉碎效果起到積極作用。
[0075]本發(fā)明是基于撞擊流技術，超高壓技術和微型管道技術的一種新技術，通過合理配置微型管道作為流體噴嘴，利用超高壓作用機理使流體達到一定壓力和速率后進行高強度對撞粉碎，使得產(chǎn)品的粉碎程度可以達到納米級。區(qū)別于傳統(tǒng)對撞粉碎工藝，本發(fā)明可以對液體進行更細化處理，液體在流動和撞擊過程中受到超高壓作用、高剪切力作用和空化效應，最終液體內的顆粒被粉碎到更小的粒徑尺度，達到微米級甚至納米級，具體作用機理如下:
[0076]I)在產(chǎn)品制備的過程中利用了超高壓作用的機理。當流體內的溶液分子在超高壓的作用下，一方面可以縮短其分子間的距離，減小分子團之間的間隙；另一方面，原先存在于溶液中的一些微小氣泡可以更完整而徹底地被消除；再次，溶液中含有的微粒不僅可以得到進一步的壓縮，而且微粒與流體間的接觸面可以得到強化，增加了微粒的浸潤性，大大縮短了溶液通過自然存放后得到品質改善的時間，尤其適用于酒類的制備過程。
[0077]在超高壓作用下，顆粒被加速，顆粒間的沖擊力為P=P XUXV，式中P為顆粒間的沖擊壓力，U為沖擊所形成的沖擊波波速，V為顆粒撞擊時的波速，P為流體密度。顆粒在此沖擊壓力作用下，會發(fā)生強烈粉碎。此外，在沖擊波后，流體內還迅速產(chǎn)生一個稀疏波，導致顆粒間發(fā)生變形并粉碎。
[0078]2)在產(chǎn)品制備的過程中利用了空化效應。液體碰撞后，稀疏波作用于液滴時產(chǎn)生拉伸應力，強大的拉伸應力把液體“撕開”成一空洞，產(chǎn)生空化效應，形成負壓，汽體從液體逸出，成為小氣泡。汽泡破滅時在瞬間將產(chǎn)生極短暫的強壓力脈沖，并伴有強烈的沖擊波作用于液相流體，進一步造成液滴破碎和分散。
[0079]3)在產(chǎn)品制備的過程中利用了高剪切作用機理。由增壓管構建的微型管道其管徑較傳統(tǒng)用于制備固體微細粉末的對撞流設備的噴嘴管徑更小，流體在流經(jīng)其中的速度梯度和壓力梯度增大，剪切作用得到明顯增強，管道內流體受到的剪切力增大，對流體的細化粉碎起到重要的作用；而且，延長的增壓管長度，為剪切作用起到了增幅效果，增加了液體微粒間的接觸幾率和接觸時間，部分流體在增壓管內已經(jīng)得到粉碎細化。
[0080]4)在產(chǎn)品制備的過程中利用了撞擊流作用機理。撞擊流是兩股對向的流體間形成2倍相對流體速度的強烈撞擊，而傳統(tǒng)技術中使物質粉碎細化的技術只是流體以單倍的速度撞擊固定靶板，因此，撞擊流比流體撞擊靶板粉碎細化的效果更好。同時，在撞擊的過程中，超高壓給流體間的撞擊提供動力源，流體間的碰撞、互磨產(chǎn)生的剪切力和擠壓力強化了撞擊效果，使流體被進一步細化、粉碎。
[0081]下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明:
[0082]實施例1，預先配置體積濃度為5%的胡蘿卜素油基懸浮液，然后用玻璃棒進行攪拌分散后作為原料，輸入圖1的裝置系統(tǒng)中按照圖2的步驟進行制備得到產(chǎn)品和測量數(shù)據(jù)；圖5為產(chǎn)品的粒度分布圖，其結果顯示如下:懸浮液的平均粒徑為0.684微米，中位數(shù)粒度為0.639微米，比表面積為108400cm2/ml，其中0.318微米以下的顆粒占10%,0.429微米以下的顆粒占25%，0.639微米的顆粒占50%，0.889微米的顆粒占75%，1.125微米的顆粒占90%。
[0083]實施例2，預先配置體積濃度為5%的大豆油水混合液，然后用玻璃棒進行攪拌分散后作為待處理原料，在室溫下進入圖1的裝置系統(tǒng)中按照圖2的步驟進行處理，試驗中空壓機提供的壓縮空氣壓力設為0.4MPa，增壓泵的高壓部工作壓力為120MPa，將處理好的乳化液按照圖2中的步驟2)-步驟4)進行6次循環(huán)操作后得到產(chǎn)品，經(jīng)激光粒子計數(shù)器進行粒度分布的測試后得到如圖6所示的粒度分布圖，其中:油水乳化液中的平均粒徑達到了 0.468微米，中位數(shù)粒徑為0.372微米，油粒的比表面積達到163100cm2/ml，標準偏差為
0.342微米，其中小于0.241微米的顆粒占總顆粒體積的10%，0.287微米以下的顆粒達到25%,0.372微米以下的顆粒達到50%，0.536微米以下的顆粒達到75%，0.698微米以下的顆粒達到90%。
[0084]實施例3，預先配置體積濃度為5%的大豆油水混合液，然后用玻璃棒進行攪拌分散后作為待處理原料，在室溫下進入圖1的裝置系統(tǒng)中按照圖2的步驟進行處理并得到產(chǎn)品，其中，增壓泵的高壓部的工作壓力為250Mpa，參照圖7為產(chǎn)品的粒度分布圖，油水乳化液的粒徑分布如下:其中小于0.066微米(66nm)的顆粒占總顆粒體積的10%，
0.083 (83nm)微米以下的顆粒達到25 %，0.277微米(277nm)以下的顆粒達到50 %，0.381微米(381nm)以下的顆粒達到75%，0.702微米(702nm)以下的顆粒達到90%。
[0085]實施例4，預先配置體積濃度為5%的大豆油水混合液，然后用玻璃棒進行攪拌分散后作為待處理原料，在室溫下進入圖1的裝置系統(tǒng)中按照圖2的步驟進行處理并得到產(chǎn)品，其中，增壓泵的高壓部的工作壓力為300MPa，參照圖8為產(chǎn)品的粒度分布圖，油水乳化液的粒徑分布如下:其中小于0.046微米的顆粒占總顆粒體積的10%，0.072微米以下的顆粒達到25%，0.195微米以下的顆粒達到50%，0.331微米以下的顆粒達到75%。
[0086]實施例5，將蘋果汁作為原材料按照圖2所示的制備步驟制得產(chǎn)品，參照圖9為產(chǎn)品的粒度分布圖，產(chǎn)品中的平均粒徑達到了 0.118微米，其中小于0.023微米的顆粒占總顆粒體積的10%，0.056微米以下的顆粒達到25%，0.072微米以下的顆粒達到50%，0.158微米以下的顆粒達到75%，0.221微米以下的顆粒達到90%。
[0087]圖10所示為未處理的蘋果汁的粒度分布圖，其平均粒徑達到了 0.758微米，中位數(shù)粒徑為0.377微米，其中小于0.243微米的顆粒占總顆粒體積的10%，0.284微米以下的顆粒達到25%，0.367微米以下的顆粒達到50%，1.267微米以下的顆粒達到75%，1.622微米以下的顆粒達到90%
[0088]由上述實施例比較得知，經(jīng)過處理后的蘋果汁中的平均粒徑遠遠小于未處理的蘋果汁，其效果明顯，顆粒達到微米和納米級。
[0089]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種液態(tài)納米溶液的制備裝置，其特征在于，包括一超高壓發(fā)生裝置，所述超高壓發(fā)生裝置由順序連接的空壓機和增壓泵組成，所述增壓泵的高壓部輸出端為所述超高壓發(fā)生裝置的輸出端，所述增壓泵的高壓部輸入端為所述超高壓發(fā)生裝置的輸入端，所述增壓泵的低壓部輸入端連接所述空壓機； 所述超高壓發(fā)生裝置的輸出端連接一蓄能器，所述蓄能器的輸出端連接一用于對流體進行撞擊粉碎處理的超高壓微型撞擊流裝置，所述超高壓微型撞擊流裝置的輸出端連接產(chǎn)品收集罐，所述超高壓發(fā)生裝置的輸入端連接原料儲罐。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種液態(tài)納米溶液的制備裝置，其特征在于，所述增壓泵采用一超高壓氣動增壓泵，所述超高壓氣動增壓泵為一采用往復運動來壓縮空氣的活塞泵； 所述蓄能器采用一超高壓蓄能器。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種液態(tài)納米溶液的制備裝置，其特征在于，所述超高壓微型撞擊流裝置包括裝置主體，所述裝置主體內按照流體流通路徑依次設有流體入口，進口通道、管道連接件、增壓管、對撞室、出口通道和流體出口，所述流體入口為所述超高壓微型撞擊流裝置的輸入口，所述流體出口為所述超高壓微型撞擊流裝置，所述流體入口連接所述蓄能器，所述流體出口連接所述產(chǎn)品收集罐； 所述進口通道、所述管道連接件和所述增壓管均設有兩個，且設置于所述流體入口的左右兩側，左右兩側的所述進口通道、所述管道連接件和所述增壓管的設置布局呈鏡像對稱，左側的進口通道的上端開口連接所述流體入口，下端開口連接左側的所述管道連接件的入口，左側的所述管道連接件的出口連接左側的所述增壓管的入口 ； 所述對撞室的內部中空，左右兩個側壁上分別設有連接對應側的所述增壓管的左右兩個對撞室入口，兩個所述對撞室入口對向設置，所述對撞室的底部設有與所述出口通道連接的對撞室出口； 兩個所述增壓管和兩·個所述對撞室入口同軸設置； 所述流體入口、所述進口通道、所述管道連接件、所述增壓管、所述對撞室、所述出口通道、所述流體出口之間的連接均采用密封式連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種液態(tài)納米溶液的制備裝置，其特征在于，所述進口通道采用一截面呈圓形的管道，所述進口通道的管徑隨著流體前進方向逐漸減??； 所述進口通道的內部管壁設有復數(shù)條來復線，所述來復線為螺旋狀溝槽； 所述增壓管采用一截面呈圓形的管道； 所述增壓管的內管壁內也設有復數(shù)條所述來復線。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種液態(tài)納米溶液的制備裝置，其特征在于，所述管道連接件采用一三通結構的管道連接件，其內設有一貫通左右兩側的水平通孔和一豎直向下的豎直通孔，所述管道連接件的左右兩側分別設有錐臺形的凹槽，左右兩個所述凹槽對稱設置，所述凹槽的頂面直徑小于底面直徑，左側的所述凹槽的頂面在底面的右邊，所述水平通孔貫通兩個所述凹槽的底面，所述豎直通孔貫通所述管道連接件的上表面和所述水平通孔； 左側的所述管道連接件的頂面的豎直通孔連接所述進口通道，所述水平通孔的右端連接左側的所述增壓管，左端連接一左擋釘，所述左擋釘與左側的所述管道連接件的左側凹槽配合式連接，連接后將連接處的所述水平通孔的左端開口封閉； 所述左擋釘?shù)闹胁吭O有一凸臺，所述凸臺為一環(huán)繞所述左擋釘一周的凸起，所述凸臺設置于所述裝置主體內，所述左擋釘?shù)淖蠖嗽O有一圓柱形的外凸部，所述外凸部的外壁上設有螺紋，通過螺母與凸臺的配合將左擋釘固定在裝置主體上； 所述裝置主體的右側設有右擋釘，所述右擋釘與所述左擋釘?shù)倪B接和設置方式呈鏡像對稱； 所述水平通孔的內孔徑為0.15mm-0.8mm ;所述豎直通孔的內孔徑為0.15mm-0.8mm。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種液態(tài)納米溶液的制備裝置，其特征在于，所述增壓管采用一陶瓷制成的增壓管，所述增壓管的管徑為0.02mm-0.06mm ;長度為10mm-13mm ； 所述增壓管外設有一起到保護作用的套管，所述套管包覆于所述增壓管的外壁上。
7.根據(jù)權利要求1-6任一項所述的一種液態(tài)納米溶液的制備裝置，其特征在于，所述超高壓發(fā)生裝置與所述原料儲罐之間設有一混料罐，所述混料罐設有至少兩個原料輸入接口，任一所述原料輸入接口連接一所述原料儲罐； 所述混料罐內設有加熱裝置。
8.根據(jù)權利要求1-6所述的一種液態(tài)納米溶液的制備裝置，其特征在于，所述超高壓發(fā)生裝置設有至少兩組，至少兩組超高壓發(fā)生裝置均連接到所述蓄能器上，任一組所述超高壓發(fā)生裝置的輸入端連接一所述原料儲罐； 任一組所述超高壓發(fā)生裝置通過單向閥連接所述蓄能器的輸入端。
9.一種液態(tài)納米溶液的制備方法，根據(jù)權利要求1所述的制備裝置制備液態(tài)納米溶液，其特征在于，包括工作準備階段、原料供應階段、撞擊粉碎階段、產(chǎn)品收集階段、裝置清洗階段和產(chǎn)品測試階段，具體制備步驟如下: 1)工作準備階段:將所述制備裝置的各臺設備依次連接后，檢查空壓機出氣端與增壓泵的進氣端的連接氣密性是否達到要求，在確認沒有漏氣的情況下打開空氣調節(jié)閥并啟動空壓機，驅動增壓泵，使系統(tǒng)壓力達到額定壓力； 2)原料供應階段:啟動混料罐內的加熱裝置對混料罐進行預熱，將待粉碎的液體狀原料輸入原料儲罐，并使其過渡到混料罐內維持一段時間用于原料升溫，以便完成原料準備工作； 3)撞擊粉碎階段:打開超高壓調節(jié)閥，原料經(jīng)過增壓，流經(jīng)蓄能器后進入超高壓微型撞擊流裝置內進行對撞粉碎細化處理，得到產(chǎn)品； 4)產(chǎn)品收集階段:將產(chǎn)品輸入到產(chǎn)品收集罐收集存放； 5)裝置清洗階段:完成產(chǎn)品制備后，以清潔液體作為新原料重復上述步驟2)和3)，通過清潔液體對殘留在管路和超高壓微型撞擊流裝置內的原料殘渣進行清洗，以便保持設備清潔和管路暢通； 6)產(chǎn)品測試階段:利用激光粒子計數(shù)器對步驟3)獲得的產(chǎn)品進行粒度分布測試，并生成對應的粒度分布圖。
10.根據(jù)權利要求9所述的一種液態(tài)納米溶液的制備方法，其特征在于，所述制備步驟中的步驟5)中的清洗液體選用純凈水或者酒精。
【文檔編號】B02C19/06GK103816970SQ201410040047
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權日:2014年1月27日
【發(fā)明者】李光霽 申請人:上海應用技術學院