一种超声波耦合超重力旋转填充床及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种重力旋转填充床及其应用，尤其是涉及一种超声波耦合超重力旋 转填充床及其应用，属于超重力技术领域。
【背景技术】
[0002] 超重力技术被认为是强化受传递和混合限制的反应分离过程的一项突破性技术， 被誉为"化学工业的晶体管"和"跨世纪的技术"，对于化工过程的小型化乃至微型化具有重 要的意义。其核心设备为旋转填充床，是八十年代才发展起来的一种新型设备，它利用旋转 产生的离心力模拟超重力环境，来强化传递与混合过程，可以大幅度地提高受传递和混合 限制的反应与分离过程的效率，显著缩小反应与分离装置的体积。关于超重力装置在早期 的专利（详见中国专利91109255.2,91111028.3，ZL9521543(X 7等）已经公开。目前该技术 从最初应用于分离、解吸等物理过程已经扩展应用到受传递和混合限制的化学反应、超微 颗粒制备等诸多领域（详见中国专利92102061,93104828. U95105344. 2、2004100378859 等）。旋转填充床装置主要包括密闭的壳体，内有一个旋转的转子，转子上有环形填料层， 不同的流体从壳体相应的入口流入旋转床，在旋转的填料层中的离心力场下（即超重力环 境）进行传质过程，传质速率比传统的塔器中提高1~3个数量级。对旋转填充床强化传 质过程原理的一般认识是：流体在离心力场环境下被撕裂成细小的液滴、液丝或液膜，产生 大量的快速更新的表面积，大大强化传质和混合过程，尤其是受传质和混合限制的传递和 反应过程。
[0003] 但是，现有的超重力旋转填充床依然存在如下缺陷：1)无法对反应速率进行调 变；2)在强化传递和混合过程中反应过程未能强化；3)旋转填充床容易堵塞。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的第一个技术问题是提供一种超声波耦合超重力旋转填充床；该旋 转填充床充分发挥旋转填充床强化受传递和混合限制的反应强化过程中的作用的同时，利 用超声波的空化效应和微扰效应以及对催化剂的活化效应，实现对反应速率进行调控。同 时利用超声波实现了旋转填充床自清洁功能。超声波的引入既可适用于立式旋转床，也可 适用于卧式旋转床。
[0005] 本发明要解决的第二个技术问题是提供一种包括上述超声波耦合超重力旋转填 充床的液液反应系统装置。
[0006] 本发明要解决的第三个技术问题是提供一种包括上述超声波耦合超重力旋转填 充床的气液反应系统装置。
[0007] 本发明要解决的第四个技术问题是提供一种上述超声波耦合超重力旋转填充床 在液液反应中的应用。
[0008] 本发明要解决的第五个技术问题是提供一种上述超声波耦合超重力旋转填充床 在气液反应中的应用。
[0009] 本发明要解决的第六个技术问题是提供一种上述超声波耦合超重力旋转填充床 在乳化反应中的应用。
[0010] 为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0011] -种超声波耦合超重力旋转填充床，包括壳体、端盖、转子和传动装置；所述壳体 和端盖组成密闭腔体，在该密闭腔体内设转子，在转子上设有填料环；所述转子通过转轴与 密闭腔体外的传动装置连接；所述壳体上设有气体进口和液体出口；所述端盖上设有气体 出口和液体输入分布器，该液体输入分布器自端盖穿入并延伸到转子中心空腔中，且靠近 最内圈填料环内缘；所述填料环为直径不等的多圈反应填料环同心布置、或直径不等的多 圈叶片环同心布置、或直径不等的多圈反应填料环和叶片环的组合同心布置；相邻填料环 之间的环形空间内设有从端盖处穿入并延伸进来的功能性叶片。
[0012] 优选地，功能性叶片是超声波发生器。经本发明研究表明：在本发明的超重力旋转 床装置中，超声波由一系列疏密相间的纵波构成，在超声作用下，液体会发生空化作用，在 界面之间形成强烈的微扰效应，且这种效应可以突破层流边界层的限制，从而强化界面间 的化学反应过程和传递过程，改变反应的进程。在本发明装置中，超声波可以很好的使得流 体微元更细微化，提高相界面的传递和物料的混合，在完成强化传递和混合过程的同时使 反应过程得到强化，同时利用超声波的清洁功能实现旋转填充床的自清洁所用，使超重力 技术具有实质性的拓展。
[0013] 优选地，所述反应填料环中的填料为整体陶瓷填料、整体碳化硅填料或整体泡沫 镍填料。
[0014] 优选地，所述反应填料环中的填料为固定于环形填料芯筒中的丝网填料。
[0015] 优选地，所述反应填料环中的填料为固定于环形填料芯筒中的具有催化功能的材 料。
[0016] 优选地，所述叶片环为多个直叶片环绕组成，直叶片与转子外缘切线方向的夹角 为0° -90°之间。
[0017] 优选地，所述叶片环由后弯形叶片组成，叶片后弯的角度为15° -60°之间。
[0018] 优选地，所述填料环为反应填料环和叶片环的组合。
[0019] 优选地，所述超声波发生器的频率为20~IOOkhz，功率为20~2000W。
[0020] 为解决上述第二个技术问题，本发明一种包括上述超声波耦合超重力旋转填充床 的液液反应系统装置，包括超声波耦合超重力旋转填充床，该超声波耦合超重力旋转填充 床设有两个液体输入分布器，每个液体输入分布器通过管道连接泵的出口，该泵的进口通 过管道连接进料罐；所述超声波耦合超重力旋转填充床的液体出口下方设有废液罐。
[0021] 为解决上述第三个技术问题，本发明一种包括上述超声波耦合超重力旋转填充床 的气液反应系统装置，包括超声波耦合超重力旋转填充床、进料泵、进料罐、气源、气体控制 开关、气体流量计和废液罐；所述进料罐通过管道与进料泵进口连接，进料泵的出口通过管 道与超声波耦合超重力旋转填充床的液体输入分布器连接；所述气源、气体控制开关和气 体流量计依次通过管道与超声波耦合超重力旋转填充床的气体进口相连接；所述超声波耦 合超重力旋转填充床的液体出口下方设有废液罐。
[0022] 为解决上述第四个技术问题，本发明一种上述超声波耦合超重力旋转填充床在液 液反应中的应用，包括如下步骤：不同液相流体自液体输入分布器按一定比例喷到旋转填 充床转子内缘，在离心力的作用下自内向外依次通过环形转子和静止叶片形成的流通通 道，液体微元与转子及叶片以及液体微元之间产生碰撞、同时在超声波的空化作用下强化 液体微元之间的接触混合过程。
[0023] 优选地，不同液体之间的体积流量比为1:1-1:50 ;更优选地，不同液体之间的体 积流量比为1:1-1:30 ;最优选地，1:1-1:10。
[0024] 优选地，不同液体之间具有互溶性。
[0025] 优选地，不同液体之间发生化学反应。
[0026] 为了解决上述第五个技术问题，本发明一种上述超声波耦合超重力旋转填充床在 气液反应中的应用，包括如下步骤：液相流体自液体输入分布器喷到旋转填充床转子内缘， 在离心力的作用下自内向外依次通过环形转子和静止叶片形成的流通通道，液体微元与转 子及叶片以及液体微元之间产生碰撞、同时在超声波的空化及微扰效应下产生细小的液体 微元，与按一定体积流量比，自转子内缘向外或自外缘向内流动的气体进行接触混合，强化 气液接触混合过程。
[0027] 优选地，气液两种流体之间的体积流量比为1:1-1000:1。
[0028] 优选地，气液两种流体之间发生化学反应。
[0029] 为了解决上述第六个技术问题，本发明一种上述超声波耦合超重力旋转填充床在 乳化过程中的应用，包括如下步骤：采用油相泵和水相泵分别将油相罐和水相罐中的油水 两相按比例通过液体输入分布器进入旋转填充床中。经液体输入分布器喷入旋转填充床的 转子的内缘，在离心力的作用下自内向外依次通过环形转子和静止叶片形成的流通通道， 液体微元与转子及叶片以及液体微元之间产生碰撞、同时在超声波的空化作用下强化液体 微元之间的接触混合过程，油水两相被进一步乳化和均一化。
[0030] 优选地，整个系统中通过氮气进口通入氮气进行保护；
[0031] 优选地，物料的温度通过旋转填充床的夹套来控制，生产过程温度用热水控制在 70-75。。。
[0032] 本发明具有如下有益效果：
[0033] 本发明提供的一种超声波耦合旋转填充床强化装置，通过在转子上的转动环以及 布置于其间隙中的具有产生超声波功能的静止叶片，实现动静交互的结构型式，充分利用 旋转填充床端效应以实现对传递和混合过程强化。同时，利用超声波的空化和微扰效应及 对催化剂的活化效应实现对反应的调控。并使旋转填充床具有自清洁性，实现了原有旋转 填充床反应器功能的实质性拓展，可将传递及反应过程效率提高1. 1-3倍，同时具有投资 少，能耗低、设备所占空间小等优点。
【附图说明】
[0034] 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
[0035] 图1为本发明超声波耦合旋转填充床强化装置结构示意图；
[0036] 图2为本发明的填料环组合结构示意图；
[0037] 图3为含有超声波耦合超重力旋转填充床的液液反应系统装置；
[0038] 图4为含有超声波耦合超重力旋转填充床的气液反应系统装置。
[0039] 图5为含有超声波耦合超重力旋转填充床的乳化反应系统装置
【具体实施方式】
[0040] 实施例1
[0041] 参见图1所示，一种超声波耦合超重力旋转填充床100,包括壳体101、端盖102、转 子103和传动装置104 ;所述壳体101和端盖102组成密闭腔体105,在该密闭腔体105内 设转子103,在转子103上设有填料环106 ;所述转子103通过转轴107与密闭腔体105外 的传动装置104连接；所述壳体101上设有气体进口 109和液体出口 110 ;所述端盖102上 设有气体出口 111和液体输入分布器112,该液体输入分布器112自端盖102穿入并延伸到 转子103中心空腔中，且靠近最内圈填料环106内缘；所述填料环106为直径不等的三圈反 应填料环同心布置，相邻填料环106之间的环形空间内设有从端盖102处穿入并延伸进来 的超声波发生器113。
[0042] 进一步地改进实施例，所述填料环106中的填料为整体陶瓷填料、整体碳化硅填 料或整体泡沫镍填料。
[0043] 进一步地改进实施例，所述填料环106中的填料为固定于环形填料芯筒中的丝网 填料。
[0044] 进一步地改进实施例，所述填料环106中的填料为固定于环形填料芯筒中的具有 催化功能的材料。
[0045] 进一步地改进实施例，参见图2所示，所述填料环为反应填料环1061、直叶片环 1062和后弯叶片环1063的组合，直叶片与转子外缘切线方向的夹角α为〇°~90° ;叶