专利名称：一种分段进液强化转子端效应的超重力旋转床装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分段进液强化转子端效应的超重力旋转床装置，具体涉及通过改变液体的进液方式实现在转子填料层制造多个端效应区，此分段进液方式可应用于立式或者卧式的超重力旋转填充床，属于超重力技术领域。
背景技术：
1976年，英国帝国化学公司的Ramshow教授从太空微重力下传质过程几乎难以进行的实验中受到启发，在逆向思维的指导下，Ramshow教授认为超重力条件下传质过程将被强化，于是提出了超重力技术这一概念，并发明了模拟超重力环境的超重力旋转床(RPB) 装置。经过三十多年的研究，研究者对超重力旋转床开展了多项基础研究，使得人们对超重力旋转床和超重力技术有了更加深入的了解。目前，超重力旋转床作为重要的强化气液、液液传质的反应器，已在多个化工单元操作当中得到应用，目前应用比较成熟的过程有吸收、蒸馏等。超重力技术也在各个化工领域中起到了重要的作用，其中纳米材料制备、二氧化碳吸收与解析、烟气脱硫、高聚物脱挥、 精馏等已成功应用于工业现场。超重力旋转床的核心为旋转床内腔装载有填料的高速旋转的转子。在50-1000倍重力加速度的条件下，液体从液体进口喷射在高速旋转的转子填料上，液体被切割为了细小的液滴、液丝、液膜，从而使液体增加了很多有效的传质比表面。当液体连续进液喷射到转子填料时，源源不断的产生了有利于传质过程的新鲜液体表面。同时，气体也在高速旋转的转子填料中被不断的剪切，包围在细小的液体、液膜和液丝周围进行传质。在这种情况下，气液传质的速率比传统塔器有了很大的提高了。超重力旋转床相对于填料塔、板式塔等传统气液传质设备有一个特别的现象—— 超重力旋转床具有端效应区。所谓的端效应区，是指在转子填料内缘一小段区域(指填料径向厚度10_30mm)内的传质占所有填料总传质很大的比例。在端效应区内传质贡献数倍于转子填料的其他区域。为了验证端效应区的重要传质作用，研究者设计了如下实验固定转子填料层的内径不变，逐步增大其外径，以转子半径为横坐标，传质系数Kla为纵坐标描点做图像，结果显示在填料内缘径向厚度约12mm(半径差)左右的传质占据了总传质的 70%-80%左右。端效应区能强化传质的原因在于液体在进入端效应区之前，周向速度为零而径向速度最大，在填料内缘边缘与周向速度很大的填料碰撞，此时液体与填料相对速度最大，填料对液体的碰撞和剪切最为剧烈，液体被分散为微小的液滴，形成了巨大的气液接触有效比表面面积，导致了传质的强化，同时，在转子填料内缘端效应区内，气体的流通面积最小，导致气速最大，气液湍流更加剧烈，也有利于气液传质。在端效应区，从流体流动和质量传递的角度说，无论是填料对液体施加的能量，还是液体所完成的质量传递都是最强烈的。在液体流过端效应区之后，液体(液滴、液膜或液丝)获得了与填料差不多的周向速度，导致液体与填料相对速度的减小，碰撞与切割减弱，液体有效传质比表面减小，从而弱化了传质效果。由于端效应的存在，填料径向厚度的大小与传质强度不成线性关系。在反应停留时间要求较长、传质系数要求较大的体系中，受端效应区的限制，单纯增大填料的径向厚度能起到的作用非常有限，况且增大填料径向厚度，将增大能量的消耗，增大设备的占地空间，影响装置的稳定性。目前，在工业应用和实验室中所用的超重力旋转床都采用了在转子内缘单一进液的方式，而受制于端效应区的影响，在端效应区之外的大部分填料未得到充分的利用。本发明采用分段进液的方式，充分利用端效应这一原理来强化传质过程，实现制造多个端效应区，从而使所有填料都能得到充分利用。
发明内容
本发明的超重力旋转床装置是对现有的超重力旋转床装置(如中国专利 200810103231,200310103434,200920247008等专利中公开的超重力旋转装置)进行的改进。本发明提供了一种分段进液强化转子端效应的超重力旋转床装置，该旋转床充分利用端效应的原理，在间隔端效应区填料径向厚度(约10-30mm)的位置布置进液装置，同时在转子填料层最内缘布置了具有捕获反溅液体的捕液装置，强化了填料对液体的切割，使液体微粒化产生更多的有效传质比表面。分段进液强化转子端效应的方式既可适用于立式旋转床，也可适用于卧式旋转床。—种分段进液强化转子端效应的超重力旋转床装置，包括腔体中心的一根贯穿转子的转轴、密闭在腔体内的转子，转子包括转子内填充的填料层和转盘，腔体上设有液体进口、液体出口、气体出口、气体进口，固定在腔体压盖下端面的进液喷淋管，其特征在于，在腔体压盖下端面径向分段固定有多个同心分布的进液喷淋管，填料层由多段沿转轴径向并列分布的环形填料层组成，环形填料层的直径互不相同，在每两段相邻的圆环填料层之间分布有进液喷淋管。该旋转床采用分段进液方式，实现在转子填料层中制造多个端效应区， 使气液传质得到大大的强化。上述的分段进液每两个进液喷淋管之间的填料层的径向厚度为10_30mm(半径差)，优选12-17mm，端效应区的填料径向厚度随旋转床转速的变化而变化。可根据转速大小、转子的径向厚度来设计分段的段数。上述的分段进液的喷淋管除靠近转子中心的喷淋管外需向垂直转轴向外喷之外， 其他段进液喷淋管可垂直转轴都向内喷，也可以垂直转轴都向外喷，也可以向内和向外混合喷。可根据气液比大小、液体粘度、气相压降来调节喷的方向。分段进液喷淋管的进液量依照在填料层环形流通面积上流量通量相等的原则设计。随着转子填料半径逐步增大，液体流通面积也逐步增大，通过分段进液不断补充液量来保证流量通量的大致相等，从而使液体在整个转子填料层内均勻分散。由于气体为连续相，充满在整个旋转床腔体，保证了转子所有填料都能得到充分的利用。喷淋管与腔体压盖下端面通过螺纹连接。喷淋管布置在每两段填料层之间。上述的分段进液的喷淋管可选用工业喷雾喷头，也可以采用常规的开孔式或开缝式喷淋管。上述的转子填料层最内缘布置了具有能捕获液体喷射于高速旋转填料反溅液滴的捕液装置。该捕液装置为环形中空圆柱筒，圆柱筒圆环内装有填料。捕液装置固定在转盘上，与转盘同速旋转，捕获到的反溅液体在离心力的作用下重新甩到下一段填料上，从而强化了反溅液体与填料的碰撞。除捕液装置中的填料，其他填料被固定在“]”形的环形填料芯筒中，“]”形填料芯筒通过螺丝固定在转盘上，形成圆环形填料层，与转盘一起旋转。“]” 形填料芯筒与腔体压盖之间布置了密封装置。上述的分段进液方式既可适用于立式超重力旋转床，也可以适用于卧式的超重力旋转床装置。本发明若为立式超重力旋转床时，腔体压盖的上端面分别设有隔开的与进液喷淋管相连接的环形进液腔，进液腔与进液口相连接。本发明效果本发明提供的一种分段进液强化转子端效应的超重力旋转床装置，通过分段进液方式，在充分利用端效应区原理的基础上，实现制造多个强化传质的端效应区。分段进液方式通过在不同的填料径向厚度处不断补充液量进入填料，保证了在转子填料半径增大的情况下液体在流通面积上的流量通量大致相等，使所有填料都得到充分利用，强化了传质的效果。本发明的旋转床装置可适用于反应需要停留时间较长、传质系数需较大的反应体系， 特别适用于粘性流体传递过程、较难进行的气液吸收等体系。与传统的超重力旋转床装置相比，其传质效率可提高40 % -60 %。
图1是本发明分段进液超重力立式旋转床装置结构示意图；图2是本发明分段进液超重力卧式旋转床装置结构示意图；图3是本发明分段进液超重力立式旋转床装置气液传质流程图；图4是本发明分段进液超重力卧式旋转床装置气液传质流程图；其中1.底座，2.电机，3.液体出口，4.螺栓，5.腔体，6.气体进口，7.螺栓，8.腔体压盖，9.第三段进液喷淋管，10.第二段进液喷淋管，11.第一段进液喷淋管，12.反溅液体捕获装置，13.气体出口，14.进液口，15.密封，16.填料压盖，17.填料，18.螺栓，19.转盘，20.密封，21.键，22.螺栓，23.支撑肋板，24.联轴器，25.废液罐，26.钢瓶，27.阀门， 28.气体流量计，29.分段进液超重力立式旋转床，30.液体流量计，31.原料储罐，32.阀门， 33.泵，34.分段进液超重力卧式旋转床。
具体实施例方式实施例1 如图1所示的立式超重力旋转床装置，在密闭的腔体5中，将电机2的轴和转盘20 用螺栓22固定于一体，电机2和底座1通过螺栓固定于一体。电机2的轴通过键21给转盘19的轴传递扭矩，从而使固定在转盘19的转子旋转。旋转床转子包括填料压盖16、反溅液体捕获装置12(该捕液装置为环形中空圆柱筒，圆柱筒圆环内装有径向厚度约5mm的填料。捕液装置通过螺栓连接在转盘上，与转盘同速旋转)、填料17、转盘19和螺栓18。旋转床腔体压盖8上端面焊接有三个分隔开的环形进液腔，下端面连接有第一段进液喷淋管 11、第二段进液喷淋管10、第三段进液喷淋管9。腔体压盖8和填料压盖16之间设有密封 15，以防止气体从腔体压盖16和填料压盖8之间的空隙而不经过转子填料直接流出。转盘 19的轴和底座1连接处设有密封20，以防止液体流入电机2中。旋转床腔体5通过螺栓7 和螺栓4与底座1和腔体压盖8连接。腔体5侧面设有气体进口 6，底座1上设有液体出口 3。液体在泵压的作用下从进液口 14分别进入三个分隔的环形进液腔，然后进入第一、第二、第三段进液喷淋管，液体经过轴向均勻开孔或者开缝的喷淋管均勻的喷射在填料上。液体以最大的相对速度碰撞高速旋转的填料被切割为细小的液滴(或液膜、液丝)，被填料捕获之后在径向速度的引导下依次通过每段填料，最后从填料压盖15的开孔中喷射到腔体5的内壁，液体顺腔体5内壁流下，从液体出口 3流出。气体在外界压力的作用下，从气体进口 6通过转子，在转子填料层内与液体逆流接触从气体出口 12流出。根据液体流量、 转子填料层的径向厚度等条件，依照液体在流通面积上流量通量相等的原则设计第一段、 第二段和第三段的进液流量。如图2所示的卧式超重力旋转床装置基本结构和原理与立式旋转床类似，其区别为电机2的轴和转盘19的转轴通过联轴器M连接，腔体5通过支撑肋板23焊接在底座1上。本发明分段进液超重力立式旋转床装置气液传质流程图如图3所示，液体从原料储罐31通过泵33、阀门32和液体流量计30分别进入三个分隔开的环形进液腔，通过第一段、第二段、第三段进液喷淋管喷射于填料上，被填料切为液滴、液膜或液丝，与气体逆流接触进行气液传质。液体从液体出口流回到废液罐31。气体从钢瓶沈通过阀门27和气体流量计观经气体进口进入立式旋转床四，通过填料压盖、填料等从气体出口流出。本发明分段进液超重力卧式旋转床装置气液传质流程图如图4所示，其流程与卧式旋转床装置类同，只是将立式旋转床四改用为分段进液超重力卧式旋转床34。下面结合实施例对本发明的实施方案进一步说明。但本发明不限于所列出的实施例。采用NaOH溶液吸收(X)2气体。钢瓶提供(X)2和N2,两者混合之后的混合气(X)2含量为2% (摩尔比)通入如图1所示立式(或卧式)旋转床。吸收液为0. 05mol/LNa0H溶液。吸收过程在常温常压下进行。旋转床转速为700r/min，液量为270L/h，气量为10m3/h， 不锈钢丝网填料比表面为500m2/m3，气液逆流，旋转床内分三段进液且安装反溅液体捕获装置。实验测得气体出口(X)2含量为0. 75%。实施例2-25 工艺流程及步骤同实施例1，各实施例的工艺条件和操作条件以及相应的实验结果详见表1。表1各实施例的工艺条件及实验结果
权利要求
1.一种分段进液强化转子端效应的超重力旋转床装置，包括腔体中心的一根贯穿转子的转轴、密闭在腔体内的转子，转子包括转子内填充的填料层和转盘，腔体上设有液体进口、液体出口、气体出口、气体进口，固定在腔体压盖下端面的进液喷淋管，其特征在于，在腔体压盖下端面径向分段固定有多个同心分布的进液喷淋管，填料层由多段沿转轴径向并列分布的环形填料层组成，环形填料层的直径互不相同，在每两段相邻的圆环填料层之间分布有进液喷淋管。
2.按照权利要求1的超重力旋转床，其特征在于，每段环形填料层的径向厚度为 10-30mmo
3.按照权利要求2的超重力旋转床，其特征在于，每段环形填料层的径向厚度为 12-17mm。
4.按照权利要求1的超重力旋转床，其特征在于，分段进液的喷淋管除靠近转子中心的喷淋管需向垂直转轴向外喷之外，其他段进液喷淋管垂直转轴向内喷或者垂直转轴向外喷。
5.按照权利要求1的超重力旋转床，其特征在于，分段进液的喷淋管选用工业喷雾喷头，或采用常规的开孔式或开缝式喷淋管。
6.按照权利要求1的超重力旋转床，其特征在于，转子填料层最内缘布置了具有能捕获液体喷射于高速旋转填料反溅液滴的捕液装置，该捕液装置为环形中空圆柱筒，圆柱筒圆环内装有填料，捕液装置固定在转盘上，与转盘同速旋转。
7.按照权利要求1-6的任一超重力旋转床，其特征在于，超重力旋转床为立式旋转床， 或为卧式旋转床。
8.按照权利要求1-6任一超重力旋转床，其特征在于，超重力旋转床为立式超重力旋转床时，腔体压盖的上端面分别设有隔开的与进液喷淋管相连接的环形进液腔，进液腔与进液口相连接。
全文摘要
本发明公开了一种分段进液强化转子端效应的超重力旋转床装置，属于超重力技术领域。包括密闭的壳体，壳体中心有一贯通各壳体段的转轴，转子内置填料层，腔体上设有液体进口、液体出口、气体出口、气体进口。在腔体压盖下端面径向分段固定有多个同心分布的进液喷淋管，填料层由多段沿转轴径向并列分布的环形填料层组成，在每两段相邻的圆环填料层之间分布有进液喷淋管。采用分段进液方式，在转子填料层制造多个端效应区，使全部填料得到充分利用，达到强化传质的作用，传质效率可提高40％-60％。适用于需反应停留时间较长、传质系数较大的反应体系，特别适用于粘性流体传递过程、较难进行的气液吸收等体系。可用于立式旋转床或卧式旋转床。
文档编号B01D53/18GK102258880SQ20111015329
公开日2011年11月30日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者初广文, 向阳, 罗勇, 邹海魁, 陈建峰 申请人:北京化工大学