一种基于亲疏水组合填料的旋转填充床及系统的制作方法

本发明涉及反应器技术领域，更具体的，涉及一种基于亲疏水组合填料的旋转填充床及系统。

背景技术：

填料是超重力旋转床的核心结构，也是影响旋转填充床传质及混合的关键因素之一。填料的结构，材质，表面性质等均会影响液体在旋转床内的分散、液滴的大小、液膜的厚度和压降等流体力学性能，进一步影响超重力旋转床的传质及混合过程。因此，为进一步优化旋转填充床的传质及混合性能，对旋转填充床填料结构，材质，表面性质的研究尤为重要。目前，针对亲水材料或疏水材料在旋转填充床中的应用，仅集中在特定反应的单一疏水填料上或单一的亲水填料上，没有考虑超重力环境本身的特殊性，存在诸多不足。

技术实现要素：

为了解决上述不足，本发明提供一种基于亲疏水组合填料的旋转填充床及系统。

本发明第一方面实施例提供一种亲疏水组合填料的旋转填充床，包括：

旋转腔室，所述旋转腔室中设置有填料，所述填料用于将液体切割为微纳尺度的液体微元；

其中所述填料包括环绕所述旋转腔室中心设置的第一部分和第二部分，所述第二部分位于所述第一部分的外侧，所述第一部分和第二部分的其中一个的表面为亲水表面，另一个的表面为疏水表面。

在某些实施例中，述填料还包括第三部分，所述第三部分位于所述第一部分和所述第二部分之间，并且所述第三部分的表面的水接触角的角度介于所述第一部分和所述第二部分表面之间。

在某些实施例中，所述填料包括通过轴卷形成的多层切割层，所述第一部分和所述第二部分各自包括至少一层所述切割层。

在某些实施例中，每层切割层的两侧表面分别与相邻的切割层的一侧表面贴合。

在某些实施例中，所述多层切割层中，至少一层所述切割层的至少一侧表面与其相邻的切割层的一侧表面贴合，并且至少一层所述切割层的至少一侧表面与其相邻的切割层的一侧表面之间形成设定宽度的间隙。

在某些实施例中，沿朝向所述旋转腔室中心的方向，所述多层切割层的表面的水接触角的角度依次增大或减小。

在某些实施例中，所述亲水表面的粗糙度为412.6nm，水接触角为44±0.6°，所述疏水表面的粗糙度为83.7nm，水接触角为113±0.9°。

在某些实施例中，所述亲水表面通过喷砂工艺打磨形成，所述疏水表面通过喷涂不同种类的颗粒形成。

在某些实施例中，所述填料还包括第三部分，所述第三部分位于所述第一部分的内侧或者位于所述第二部分的外侧，并且所述第三部分的表面的水接触角的角度介于所述第一部分和所述第二部分表面之间。

本发明第二方面实施例提供一种反应系统，包括如上所述的旋转填充床。

本发明的有益效果：

本发明提供一种基于亲疏水组合填料的旋转填充床及系统，将疏水填料和亲水填料组成组合式填料，当填料切割液体时，疏水填料可以将液体充分分散，使液体在填料区分散的更加均匀，亲水填料的浸润性使液体充分铺展，增大了填料的润湿分率，可以通过合理的组合达到不同的混合效果，由于组合填料中的亲水填料层和疏水填料层数量有限，能够避免发生液体在单一的疏水填料区产生的液滴聚并现象及液体在单一的亲水填料区产生的降低液体湍动的现象，亲水带来的负面影响可以通过疏水缓解或者抵消，同时疏水带来的负面影响可以通过亲水缓解或者抵消，因此将亲疏水组合填料应用于旋转填充床中能够进一步改善其传质及混合性能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例中亲疏水组合填料的旋转填充床的结构示意图。

图2a示出本发明实施例中丝网填料经过其中一种材料的疏水处理后的实物图。

图2b示出本发明实施例中丝网填料经过另一种材料的亲水处理后的实物图。

图2c示出本发明实施例中丝网填料未经改性处理的实物图。

图3a示出了图2a的丝网填料的AFM 3D模拟图片。

图3b示出了图2b的丝网填料的AFM 3D模拟图片。

图3c示出了图2c的丝网填料的AFM 3D模拟图片。

图4a示出了图2a的丝网填料的润湿测试的测试视图。

图4b示出了图2b的丝网填料的润湿测试的测试视图。

图4c示出了图2c的丝网填料的润湿测试的测试视图。

图5a示出了本发明实施例中各种不同的整体式亲疏水组合的填料示意图之一：

图5a中的(1)示出了现有技术中的一种单一改性(亲水)的整体式填料结构，图5a中的(2)示出了本发明实施例中一种亲疏水组合的整体式填料结构之一。

图5b示出了本发明实施例中各种不同的整体式亲疏水组合的填料示意图之二：

图5b中的(1)示出了现有技术中的一种单一改性(亲水)的整体式填料结构，图5b中的(2)示出了本发明实施例中一种亲疏水组合的整体式填料结构之二。

图5c示出了本发明实施例中各种不同的预分散式亲疏水组合的填料示意图：

图5c中的(1)示出了本发明实施例中一种亲疏水组合的预分散式填料结构，图5c中的(2)示出了现有技术中的一种单一改性(疏水)的预分散式填料结构。

图6示出了本发明实施例中一种超重力反应系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种截面图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及他们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

目前，针对亲水材料或疏水材料在旋转填充床中的应用，仅集中在单一疏水填料上或单一的亲水填料上，应用于旋转填充床中的疏水填料有疏水改性处理后的泡沫镍金属填料、材料本身具有疏水特性的聚四氟乙烯填料等。但是没有考虑超重力环境本身的特性，亲水和疏水的改性与旋转填充床耦合效果不佳，没有完全针对性地与超重力环境相匹配，因此目前的填料表面改性还可以进一步提高。

本发明的一个方面提供一种基于亲疏水组合填料的旋转填充床，请结合图1所示，所述旋转填充床包括旋转腔室，旋转腔室，所述旋转腔室中设置有填料10，所述填料10用于将液体切割为微纳尺度的液体微元；其中，所述填料10包括环绕所述旋转腔室中心设置的第一部分11和第二部分12，所述第二部分12位于所述第一部分11的外侧，所述第一部分11和第二部分12的其中一个的表面为亲水表面，另一个的表面为疏水表面。

本方面提供的一种旋转填充床，将疏水填料和亲水填料组成组合式填料，当填料切割液体时，疏水填料可以将液体充分分散，使液体在填料区分散的更加均匀，亲水填料的浸润性使液体充分铺展，增大了填料的润湿分率，进而两者组合，可以减缓单一改性导致的问题，同时由于组合填料中的亲水填料层和疏水填料层数量有限，能够避免发生液体在单一的疏水填料区产生的液滴聚并现象及液体在单一的亲水填料区产生的降低液体湍动的现象，将亲疏水组合填料应用于旋转填充床中可以进一步改善其传质及混合性能。

在一些具体实施例中，请继续结合图1所示，旋转填充床包括具有容纳腔壳体20，壳体内固定有转子，转子包括一个形成旋转腔室的腔体以及固定在旋转腔室中心处的旋转轴30，填料固定或放置于旋转腔室内，旋转腔室为环形，中心处包括有供液体分布器40插入的空腔，进而液体分布器40喷射的液体可以在旋转腔室的旋转下，经过填料切割成微米和纳米级的液滴或液膜。

旋转填充床的旋转腔室通过与旋转轴连接的电机50驱动，本发明对电机的型号、种类均不做限制。

为了某些特殊的反应需要，旋转填充床可以在结构上进行可行的改进，例如为了应对高压体系，在本申请的基础上增加油封结构；为了应对加热体系，在本申请的基础上增加保温圈、微波馈入器等。上述改进均为本领域技术人员可以推知的改进，本发明不作穷举。

需要说明的是，本申请实施例中的微纳尺度，应当理解为微米或纳米级尺度，即1nm至100um内均属于微纳尺度。

在一些实施例中，所述填料的材料为镍、铜、不锈钢等，例如填料为不锈钢丝网、铜网、泡沫铜、泡沫陶瓷。填料的材料也可以为堇青石、海泡石、泡沫陶瓷、泡沫镍或Al2O3，本发明不做限制。

在一些实施例中，旋转填充床的转速为400rpm、800rpm、1200rpm、1600rpm、2000rpm、2400rpm，本申请对此不做限制。

此外，在一些实施例中，所述的液体分布器在径向上有4个孔，孔径为1mm。

所述的液体分布器上微孔间距为2mm，分散相经过分布器喷射到丝网转子上。

下面对本申请实施例中的填料进行详细说明。

填料可以仅包括第一部分和第二部分，即整个填料表面由亲水表面和疏水表面形成。

当然，填料还可以进一步包括第三部分，第三部分为没有经过亲水或疏水处理的部分，所述第三部分位于所述第一部分和所述第二部分之间，并且所述第三部分的表面的亲水性介于所述第一部分和所述第二部分表面之间，这样即形成了亲水-未改性-疏水的结构。

一实施例中，所述填料包括通过轴卷形成的多层切割层，所述第一部分和所述第二部分各自包括至少一层所述切割层。

亲水表面可以位于疏水表面的内侧位置，以填料由上述的切割层作为示例，填料包括亲水层、未改性层以及疏水层。亲水层位于疏水层的内侧，进而使得液体经过层层切割过程中，首先经过亲水层分散形成微纳尺度的液膜，在切割的初期形成的液膜增大了液体的稳定性，不会聚并形成大液滴，并且由于亲水层的层数有限，对液体的湍动影响小，可以忽略，在后续经过疏水层切割，进而在离开填料的时候被分散成大量小液滴，由于甩出填料后液体可运动空间大，并且液滴呈射线状甩出，此时即使被分散成大量小液滴也不会显著提高碰撞的几率，进而得到最佳的传质和混合效果。

亲水表面也可以位于疏水表面的外侧位置，即亲水层位于疏水层的外侧，这样虽然无法达到上述亲水层位于内侧的效果，但相较于目前对填料进行的单一改性处理(亲水或疏水)，亲水层的层数相较于单一改性的亲水层的层数少，因此能够避免发生液体在单一的疏水填料区产生的液滴聚并现象，以及液体在单一的亲水填料区产生的降低液体湍动的现象，亲水带来的负面影响可以通过疏水缓解或者抵消，同时疏水带来的负面影响可以通过亲水缓解或者抵消，因此将亲疏水组合填料应用于旋转填充床中能够进一步改善其传质及混合性能。

亲水表面可以通过喷砂法制备，以不锈丝网为例，喷砂法是利用压缩空气为动力把石英砂、金刚砂、铁砂等抛掷出去，高速撞击工件表面，通过打磨增加不锈钢丝网表面的粗糙结构，进而得到了亲水表面。

疏水表面采用多喷雾干燥法制备。以不锈丝网为例，首先用静电喷涂的方法将聚四氟乙烯粉末粘附在普通的不锈钢丝网表面，然后将粘附有聚四氟乙烯粉末的普通不锈钢丝网置于300-350℃的烘箱中约30分钟，此过程能够去除粘合剂、分散剂和表面活性剂，从而形成具有低表面能材料的涂层不锈钢丝网，即疏水不锈钢丝网。

可以理解，采用不同的颗粒材料打磨或者采用不同的粉末喷涂会形成不同亲水性的表面，因此可以通过调节材料的类型，得到想要的亲水性的表面。同时也可以通过材料的调节，形成沿朝向所述旋转腔室中心的方向，多层切割层的表面的疏水性依次提高的亲疏水组合，或者依次降低，或者先升高后降低，或者先降低后升高，本申请不做限制。

图2a示出了采用上述的一种材料制备处理形成的疏水丝网的微观结构示意图，图3a示出了图2a的AFM 3D模拟图片，测试表明，其粗糙度(Ra)为83.7nm，图4a示出了图2a的接触角测试的润湿图像，其水接触角为113±0.9°。

图2b示出了采用上述的另一种材料制备处理形成的亲水丝网的微观结构示意图，图3b示出了图2b的AFM 3D模拟图片，测试表明，其粗糙度(Ra)为412.6nm，图4b示出了图2b的接触角测试的润湿图像，其水接触角为44±0.6°。

图2c示出了采用上述的又一种材料制备处理形成的疏水丝网的微观结构示意图，图3c示出了图2c的AFM 3D模拟图片，测试表明，其粗糙度(Ra)为132nm，图4c示出了图2c的接触角测试的润湿图像，其水接触角为94±0.4°。

在一些实施例中，如图5a至图5c所示，所述的亲疏水组合填料结构有两类，一类为整体式的亲疏水组合填料，一类为预分散式的亲疏水组合填料。

图5a和图5b分别示出了两种整体式的亲疏水组合填料，可以看出，每层切割层的两侧表面分别与相邻的切割层的一侧表面贴合。以三层切割层为例，在径向上均分为三层，三层分布着浸润性不同的丝网，各层丝网间紧密接触，无间隔。

图5a中的(1)是其中一种单一的整体式填料(现有技术)，其每个切割层均为图2b的丝网。图5a中的(2)是本申请实施例中的一种整体式填料，其包括三个切割层，最内侧的切割层为图2a中的丝网，外侧的两个切割层为图2b的丝网，进而形成了亲疏水组合的整体式填料。

图5b中的(1)是其中一种单一的整体式填料(现有技术)，其每个切割层均为图2b的丝网。图5b中的(2)是本申请实施例中的一种整体式填料，其包括三个切割层，中间一层切割层为图2a中的丝网，两侧的切割层为图2b的丝网，进而形成了亲疏水组合的整体式填料。

图5c是预分散式的填料，以图5c中的三层为例，所述的预分散式的亲疏水组合填料在径向上均分为三层，内层仅分布着一层丝网，内层与中间层相隔一定距离，中间层与外层丝网间紧密接触，无间隔。

图5c中的(1)是本申请实施例中的一种预分散式填料，其分隔开的最内层是图2b的丝网，位于外侧的贴合在一起的是图2a中的丝网，进而形成了亲疏水组合的预分散式填料。图5c中的(2)是现有技术中的一种单一改性的预分散式填料，其每一层切割层均为图2a的丝网组成。

当然，本申请实施例中还可以有其他形式的亲疏水组合，并且切割层也不仅仅局限于三层，在此不与赘述。

此外，在一些实施例中，所述的亲疏水改性不锈钢丝网的目数为24。

进一步的，本发明另一个方面提供一种将上述的亲疏水组合填料旋转填充床用于气液反应或者液液反应系统。

如图6示出了一种反应系统，其中1为原料罐；2为蠕动泵；3为流量调节阀；4为液体流量计；5为旋转填充床反应器；5-1为气体入口；5-2为气体出口；5-3为液体分布器；5-4为液体出口；5-5为填料；6为产品罐；7为高压气体瓶；8为高压气体瓶；A1，A2为气体进出口取样；B1，B2为液体进出口取样。

在使用时，通过蠕动泵将液体送入液体进口，通过调节蠕动泵的功率调节液量，液体流经液体分布器喷射到旋转的填料上，经填料的切割分散形成大量的小液滴和液膜。气体经气体入口进入旋转填充床，与液体在填料区充分接触后由气体出口流出，液体由液体出口流出。

亲疏水组合填料旋转填充床由气体入口(5-1)、气体出口(5-2)、液体分布器(5-3)、液体出口(5-4)、填料(5-5)组成。其中，液体流经液体分布器喷射到旋转的填料上，经填料的切割分散形成大量的小液滴和液膜。气体经气体入口进入旋转填充床，与液体在填料区充分接触后由气体出口流出，液体由液体出口流出。当填料切割液体时，疏水丝网可以将液体充分分散，使液体在填料区分散的更加均匀，亲水丝网的浸润性使液体充分铺展，增大了填料的润湿分率。

下面结合具体应用场景对本方面进行说明。

场景1

如图6所示，在CO2的吸收过程中，吸收液为浓度1mol/L的NaOH溶液，进料气体为N2-CO2的混合气体，其中CO2的含量为10％。液体分布器的孔径为1mm，孔间距为2mm，丝网的目数为24，转子的转速为1600rpm，进料液量为25L/h，进料气量为1500L/h，使用整体式的亲疏水组合填料，反应温度为常温。

经检测，本发明方法的吸收率在55％左右。

场景2

如图6所示，在CO2的吸收过程中，吸收液为浓度1mol/L的NaOH溶液，进料气体为N2-CO2的混合气体，其中CO2的含量为10％。液体分布器的孔径为1mm，孔间距为2mm，丝网的目数为24，转子的转速为1600rpm，进料液量为25L/h，进料气量为1500L/h，使用预分散结构的亲疏水组合填料，反应温度为常温。

经检测，本发明方法的吸收率在65％左右。

场景3

如图6所示，在H2S的吸收过程中，吸收液为浓度1mol/L的Na2CO3溶液，溶液中含有20mg/L的商业“888”催化剂，进料气体为N2-H2S的混合气体，其中H2S的含量为2000ppm。液体分布器的孔径为1mm，孔间距为2mm，丝网的目数为24，转子的转速为1600rpm，进料液量为25L/h，进料气量为400L/h，使用整体式的亲疏水组合填料，反应温度为常温。

经检测，本发明方法的吸收率在95％以上。

场景4

如图6所示，在H2S的吸收过程中，吸收液为浓度1mol/L的Na2CO3溶液，溶液中含有20mg/L的商业“888”催化剂，进料气体为N2-H2S的混合气体，其中H2S的含量为2000ppm。液体分布器的孔径为1mm，孔间距为2mm，丝网的目数为24，转子的转速为1600rpm，进料液量为25L/h，进料气量为400L/h，使用预分散式的亲疏水组合填料，反应温度为常温。

经检测，本发明方法的吸收率在95％以上。

经过上述实施例以及场景的详细描述可以知晓，本申请可以通过合理的组合达到不同的混合效果，由于组合填料中的亲水填料层和疏水填料层数量有限，能够避免发生液体在单一的疏水填料区产生的液滴聚并现象及液体在单一的亲水填料区产生的降低液体湍动的现象，亲水带来的负面影响可以通过疏水缓解或者抵消，同时疏水带来的负面影响可以通过亲水缓解或者抵消，因此将亲疏水组合填料应用于旋转填充床中能够进一步改善其传质及混合性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。