[实用新型]一种机械化学反应器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种物理--化学的一般方法，特别是涉及一种具有内部移动元件的固定式反应器。

背景技术

机械力化学作为一门新兴的边缘学科，其理论涉及固体化学、粉体科学、机械工程等多学科、多领域。机械力作用导致晶格松弛与结构裂解，激发出高能电子和等离子。机械力化学有可能进行通常情况下热化学所不能进行的反应，使固体物质的热化学反应速度降低，反应速度加快。二是矿物颗粒因在超细粉磨过程中产生晶格缺陷、晶型转变和非晶化，以及因表面化学键断裂而产生不饱和键、自由离子和电子等原因，导致矿物晶体内能增高，而且物质内部迅速发展的裂纹使其顶端温度和压力增高，最终导致物质反应的平衡常数和反应速度常数显著增大。

机械力化学，由固相参加的多相化学反应过程，是反应剂之间达到原子级结合、克服反应势垒而发生化学反应的过程，其特点是反应剂之间有界面存在。影响反应速度的因素有反应过程的自由能变化、温度、界面特性、扩散速度和扩散层厚度等。粉末颗粒在高能球磨过程中，机械力化学作用使晶格点阵排列部分失去周期性，形成晶格缺陷，发生晶格畸变。粉末颗粒被强烈塑性变形，产生应力和应变，颗粒内产生大量的缺陷，颗粒非晶化。这显著降低了元素的扩散激活能，使得组元间在室温下可显著进行原子或离子扩散；颗粒不断冷焊、断裂、组织细化，形成了无数的扩散/反应偶，同时扩散距离也大大缩短。应力、应变、缺陷和大量纳米晶界、相界产生，使系统储能很高(达十几kJ/mol)，粉末活性大大提高，甚至诱发多相化学反应。目前已在很多系统中实现了低温化学反应，成功合成出新物质，由粉末颗粒与磨球激烈冲击、碰撞使粉末颗粒反复冷焊、断裂，导致粉体颗粒中原子扩散的机械力化学工作原理的方法已经有了商品化产品，弥散化铝合金就是其中一种。

机械力化学的动力学机理是研磨过程中机械力对物料以压缩、冲击、摩擦、挤压、剪切和延伸等做功，机械能转化为化学能和机械能转化为热能，机械能转化为热能会形成高温。有文献记载，Urakaec等人采用非线性弹性理论(Hertz理论)计算得出，在行星球磨 机中的机械力化学过程中可能会产生瞬时(10^-9～10^-8s)的高温(1000k)，和高压(1～10GPa)。Heinick等人通过控制高压振动波实验发现，当压力为13GPa、20GPa时，可分别产生4×10^-3、8×10^-3的晶格变形量。球磨过程中颗粒表面受力质点温度比所测得的宏观温度高得多。Ermakov等人认为，球磨过程中颗粒表面受力质点产生剧烈的塑性变形，甚至可能产生熔融效应。机械能转化为热能形成的高温、高压作用于化学过程。

由于机械力化学是以压缩、冲击、摩擦、挤压、剪切、延伸等机械能实现冷焊、断裂、组织细化，形成扩散/反应偶，高温、高压达到机械力化学过程目的的，球磨过程就必须具有高的能量以保证足够的冲击力、压缩力和摩擦力。

在现有机械力化学实践大多数采用现有的球磨机来完成，现有的球磨机工作原理是球磨介质碰撞能量引起物料的粉碎，碰撞是由筒体的回转运动引起的，球磨机的球磨介质通过多次不同强度及频率的碰撞将能量传递给被粉磨的物料，然而，并非所有的碰撞都能引起物料的粉碎，一部分能量强度大的碰撞，仅仅这一部分能量用于粉碎，能量强度小的碰撞不足以引起物料的粉碎。

分析表明，球磨机的球磨介质碰撞能量与球磨机球磨介质运动特性有关。球磨机球磨介质运动分析的基础，是计算球磨介质与旋转筒体内壁的分离角度：

θ*=arccos[Rg(nπ30)2]]]>

式中，θ*为球磨介质在球磨筒内运动分离角，R为滚筒内壁半径，n为滚筒转速(转/分)。

上式给出了分离角θ*越大，球磨介质与球磨筒的相对运动产生的摩擦系数越大，球磨效率就会越高，其实这忽略了球磨介质在球磨筒的圆弧内壁上的滑行运动。球磨介质在球磨筒的圆弧内壁上的滑行运动几乎对物料的粉碎不起作用。这是现有球磨机存在能效系数低的主要原因。