一种使用磁性催化剂的反应振动系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种使用磁性催化剂的反应振动系统，属于磁性催化剂技术领域。该使用磁性催化剂的反应振动系统，包括电源、控制箱、电流控制器、反应容器、铁芯和绕线组，所述电流控制器安装在控制箱内，电源输入到电流控制器中，控制箱表面设有两个端口分别为端口Ⅰ和端口Ⅱ，由铁芯和绕线组构成电磁铁，端口Ⅰ和端口Ⅱ各连接一个电磁铁，电磁铁设置在反应容器的相对两侧。该系统能通过永磁铁的规律性旋转带动反应容器内磁性催化剂或者磁流体的运动，具有控制精准，提高反应速率，节约能源的优点。
【专利说明】
一种使用磁性催化剂的反应振动系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种使用磁性催化剂的反应振动系统，属于磁性催化剂技术领 域。
【背景技术】
[0002] 在催化反应中，磁性纳米催化剂被运用得越来越广泛。磁性纳米催化剂具有磁响 应性、催化特性和稳定性、尺寸效应、表面效应和体积效应、生物活性等特性，这些性质包含 了纳米材料的优异特性，也包含了不同于非磁性催化剂的优良的催化活性和磁分离特性。 但是在运用过程中，人们只是单纯的利用其磁分离特性和催化特性，从而忽视了其优良的 磁响应性。磁流体一般用于液压密封，但是它一般不参与催化反应，但是在磁场作用下能扰 动反应溶液。对于不能附加磁性的催化剂可以加入不参与反应的磁流体，利用磁流体振动 搅拌反应。
[0003] 而磁性纳米催化剂和磁流体在外加磁场作用下产生的相应的运动，提高了催化剂 与反应的接触面，有效的利用了催化特性和稳定性、尺寸效应、表面效应和体积效应等特 性，有效的提高了反应速率。在有些需要外加热源的反应中，能够有效的提高能源利用率。
[0004] 目前，很多研究者将磁性粒子Fe3〇4的表面包覆金属氧化物，开展了其在磁性酸催 化、加氢催化、纳米贵金属催化、光催化等领域的研究。在有些反应中，磁性催化剂的静止状 态，没有有效的利用磁性纳米催化剂的尺寸效应、表面效应和体积效应等特性。
[0005] 目前，一般在工业加热催化反应中，加热温度大多高于100°C，而对反应进行加热 需要耗费大量的能源。液体的比热容比较大，要对其进行加热或者恒温，特别是反应时间越 长所消耗的能源越多。另外，传统的机械搅拌和磁力搅拌受到压强的限制，反应容器的压强 较高时不能使用，再者反应物和催化剂等对搅拌棒叶片会产生较大的阻尼，这部分阻尼需 要消耗部分能量。
【发明内容】
[0006] 针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种使用磁性催化剂的反 应振动系统。该系统能通过永磁铁的规律性旋转带动反应容器内磁性催化剂或者磁流体的 运动，具有控制精准，提高反应速率，节约能源的优点，本实用新型通过以下技术方案实现。
[0007] -种使用磁性催化剂的反应振动系统，包括电源、控制箱1、电流控制器2、反应容 器5、铁芯6和绕线组7,所述电流控制器2安装在控制箱1内，电源输入到电流控制器2中，控 制箱1表面设有两个端口分别为端口 I 3和端口 II 4,由铁芯6和绕线组7构成电磁铁，端口 I 3和端口 II 4各连接一个电磁铁，电磁铁设置在反应容器5的相对两侧。
[0008] 所述电源为脉冲电源，脉冲电源采用储能元件，通过LC的充放电、利用逆变将直流 电转换或是利用直流斩波产生脉冲输出。
[0009] 所述交流脉冲电源时电流控制器2包括PFC前置级、DC/DC级、功率脉冲发生级和单 片机，PFC前置级、DC/DC级、功率脉冲发生级分别与单片机的控制芯片连接。
[0010]所述交流脉冲电源时电流控制器包括单结管、RC充放电路、触发电路和保护电路， 电源连接光电二极管LED和保护电阻R进行通电显示，再经由变压器T连接主电路进行供电 并连接RC充放电路，RC充放电路与触发电路串联，单结管中绝缘栅双极晶体管IGBT的B和C 两极上分别连接两个电阻R1和R2,同时电阻R、可变电阻Rp和电容C连接到绝缘栅双极晶体 管IGBTE极和电源相接，电源通过电阻R、可变电阻Rp向电容C充电，四个熔断器FU和二极管 VT1、VT2、VT3及VT4构成保护结构连接到RC充放电路中。所述电流控制器通过电路对我们常 用的交流电进行变化，使之变成可变直流脉冲电流，并对电流脉冲时间、脉冲频率、电流强 度进行控制。电流控制器电路中，当合上开关S后，电源通过R1，R2加到单结管的两个基极 上，同时又通过R，Rp向电容C充电，Uc(Uc = Ue)<Up时单结管截止，R1两端输出电压近似为 0。当Uc达到峰值点电压Up时，单结管的E，B1极之间突然导通，电阻Rbl(晶体管基区电阻）急 剧减小，电容上的电压通过Rbl(晶体管基区电阻），R1放电，由于Rbl(晶体管基区电阻），R都 很小，放电很快，放电电流在R1上形成一个脉冲电压Uo。当Uc下降到谷点电压Uv时，E，B1极 之间恢复阻断状态，单结管从导通跳变到截止，输出电压Uo下降到零，完成一次振荡。当E， B1极之间截止后，电源又对C充电，并重复上述过程，结果在R1上得到一个周期性尖脉冲输 出电压。通过对可变电阻Rp对电流脉冲时间、脉冲频率、电流强度进行控制，触发电路由引 发RC充放电路的作用。
[0011 ] 优选一组电磁铁参数为工作行程S = 1mm吸力F = 7.5kg电阻R = 3.5 Q ;根据已测绘 出的基本尺寸通过理论计算确定线圈的主要参数并验算校核所设计出的电磁铁性能。 [0012]第一步，确定衔铁直径dc
[0013]电磁铁衔铁的工作行程比较小，因此电磁吸力计算时只需考虑表面力的作用，已 知工作行程5 = 1mm时的吸合力F = 7.5kg贝丨J [0014]电磁铁的结构因数
[0016] 电磁铁的结构形式应为平面柱挡板中心管式
[0017] 根据结构因数查参考资料，可得磁感应强度BP= 10000GS
[0018]当线圈长度比衔铁行程大的多时，可以不考虑螺管力的作用，认为全部吸力都由 表面力产生，由吸力公式
(2)
[0020]式中BP磁感应强度(Gs)
[0021] dc活动铁芯直径(mm)
[0022] 可以求得衔铁直径为
[0024]取 dc=16mm
[0025] 第二步，确定外壳内径D2
[0026] 在螺管式电磁铁产品中它的内径D2与铁芯直径dc之比值n约为2~3,选取n = 2.7
[0027] D2 = n X dc = 2 ? 76 X 16 = 28 ? 16mm (3)
[0028] 式中D2外壳内径mm
[0029]第三步，确定线圈厚度
(4)
[0031] 式中bk-----线圈厚度mm
[0032] A------线圈骨架及绝缘厚度mm今取A =1.7mm
[0034]今取 bk = 5mm
[0035]第四步，确定线圈长度
[0036] 线圈的高度lk与厚度bk比值为0，则线圈高度
[0037] lk = 0Xbk (5)
[0038] lk------线圈长度mm
[0039] m直根据参考资料选取经验数据为0 = 3.4
[0040] 则线圈高度 lk = pxbk = 3.4X5 = 17mm [0041 ] 第五步，确定导线直径
[0042] 导线直径
(6)
[0044] 式中平均直径 Dcp = dc+bk = 0.016+0.005 = 0.021(111)
[0045] Iff-----线圈磁势(N)
[0046] Iff=(Iff)z+(Iff)cm+(Iff)k
[0047] 式中（IW)Z------消耗在气隙中的磁势
[0049] (IWhdPaWh消耗在铁芯中和非工作气隙中磁势的安匝数约为总磁势的15~ 30% ,
[0050] 即
[0051] (Iff)cm+(Iff)k = aX(Iff)
[0052] 式中 a = 〇.15 ~0.3 [0053]由此可得线圈的磁势为
m
[0055] 式中Bp单位为Gs，5单位为rnm，空气导磁系数.25X 10-8H/cm
[0056]电磁铁在实际应用时电压可能降低至85%Uh为了保证在电压降低后电磁铁仍然 能够可靠地工作上式计算所得安匝数应该是指电压降低至0.85UH时的磁势用（頂^表示
[0058]显然，电源电压为额定值时的磁势为
[0060] 电磁铁容许最高工作温度240°C，由参考资料选取
[0061] 电阻系数p = 0.03208Q .mm2/m
[0063] 查线规表其最邻近的直径为d = 0.41mm带绝缘后的直径d = 0.45mm
[0064] 第六步，确定线圈匝数W
(8)
[0066]式中j容许电流密度(A/mm2)，
[0069] 第七步，确定电阻
[0070] 线圈平均匝长
（m)
[0071] DH=Di+2bk (11)
[0072] Di = dc+2 A (12)
[0073] 式中Dh线圈外直径
[0074] Di线圈内直径
[0075] Di = dc+2 A = 16+2 X 1 ? 7 = 19 ? 4mm
[0076] DH=Di+2bk= 19.4+2 X 4.38 = 27.4mm
[0078] 线圈电阻
(13)
[0080] 第八步，特性验算
[0081]根据技术方案要求已完成了初步设计，但是由于在初步设计中作了不少简化有些 参数的选择和估计是极其近似的，因此为了电磁铁的工作可靠起见，还需要根据初步设计 的结构尺寸和数据做进一步详细的验算。
[0082](一)吸力计算 (!4,
[0084] 忽略铁磁阻和漏磁通这样气隙中的磁通
[0085] 〇z=iw*Gz*10-8 (15)
[0086] 式中
[0087] 磁导
（K>)
[0088] 式中空气导磁系数yQ= 1 ? 25 X 10-8H/cm
[0090] 〇z= IW*Gz*10-8 = 961 X 15 X 10-8 X 108= 14415
[0091] 式中a-----修正系数取a = 4
[0092] S-------铁芯截面积
[0095]可见吸力是满足设计要求的。
[0096](二)线圈温升计算
[0097] 线圈容许温升0 = 11O°C，查参考资料可得散热系数为
[0098] ym=12.89X10-4w/cm2
[00"]金属骨架线圈其传导能力较强％~1.7 [0100]线圈的散热表面
[0101] S = Ji(DH+nmDi)lk= (2.74+1.7 XI .34) X 2.38 = 37.5cm2 [0102] 线圈温升
[0104] 温升小于110°C可见是合格的。
[0105] 综上所述，当电磁铁参数为工作行程5 = lmm吸力F = 7.5kg电阻R = 3.5Q ;所述电 磁铁的主要参数为dc = 16mm，D2 = 28 ? 16mm，bk = 5mm，lk = 17mm，d = 0.45mm，W = 200N，R = 28 Q 〇
[0106] 上述使用磁性催化剂的反应振动系统的使用过程为:接通电源后通过电流控制器 2控制频率，时间和电流强度调节输出脉冲电流，进而改变电磁系统，在反应容器5中的磁性 催化剂感受到外接磁场变化在反应容器中周期性的运动，扰动了反应容器内流体场，从而 加大催化剂的反应有效接触面，减少催化剂周围生成产物的浓度，促进催化反应向正方向 进行，促使催化反应速率增加。
[0107] 本实用新型的有益效果是：
[0108] (1)本装置采用通入可控脉冲电流使电磁铁发生周期性的吸引磁性催化剂或惰性 磁流体运动，脉冲直流电中通过控制适当的电流频率、电流强度方式其来调节磁性催化剂 的运动频率和幅度；
[0109] (2)本装置通过永磁铁的转动带动磁性催化剂在反应容器内运动；
[0110] (3)本装置随着磁性催化剂在反应容器内周期性的运动，扰动了反应容器内流体 场，从而加大催化剂的反应有效接触面，减少催化剂周围生成产物的浓度，促进催化反应 向正方向进行，促使催化反应速率增加。
【附图说明】
[0111]图1是本实用新型结构不意图；
[0112] 图2是本实用新型端口 I输入的直流脉冲电流图；
[0113] 图3是本实用新型端口 n输入的直流脉冲电流图；
[0114] 图4是本实用新型交流脉冲电源时电流控制器总体结构图；
[0115] 图5是本实用新型交流脉冲电源时电流控制器电路图。
[0116] 图中：1_控制箱，2-电流控制器，3-端口 1，4_端口 II，5_反应容器，6-铁芯，7-绕线 组。
【具体实施方式】
[0117] 下面结合附图和【具体实施方式】，对本实用新型作进一步说明。
[0118] 实施例1
[0119] 如图1至5所示，该使用磁性催化剂的反应振动系统，包括电源、控制箱1、电流控制 器2、反应容器5、铁芯6和绕线组7,所述电流控制器2安装在控制箱1内，电源输入到电流控 制器2中，控制箱1表面设有两个端口分别为端口 13和端口 114,由铁芯6和绕线组7构成电磁 铁，端口 13和端口 n 4各连接一个电磁铁，电磁铁设置在反应容器5的相对两侧。
[0120] 其中所述电源为脉冲电源，脉冲电源采用储能元件，通过LC的充放电、利用逆变将 直流电转换或是利用直流斩波产生脉冲输出；所述交流脉冲电源时电流控制器2包括PFC前 置级、DC/DC级、功率脉冲发生级和单片机，PFC前置级、DC/DC级、功率脉冲发生级分别与单 片机的控制芯片连接;所述交流脉冲电源时电流控制器包括单结管、RC充放电路、触发电路 和保护电路，电源连接光电二极管LED和保护电阻R进行通电显示，再经由变压器T连接主电 路进行供电并连接RC充放电路，RC充放电路与触发电路串联，单结管中绝缘栅双极晶体管 IGBT的B1和B2两极上分别连接两个电阻R1和R2,同时电阻R、可变电阻Rp和电容C连接到绝 缘栅双极晶体管IGBTE极和电源相接，电源通过电阻R、可变电阻Rp向电容C充电，四个熔断 器FU和二极管VT1、VT2、VT3及VT4构成保护结构连接到RC充放电路中。
[0121]以上结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作了详细说明，但是本实用新型并不 限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用 新型宗旨的前提下作出各种变化。
【主权项】
1. 一种使用磁性催化剂的反应振动系统，其特征在于:包括电源、控制箱（1)、电流控制 器(2)、反应容器(5)、铁芯(6)和绕线组(7)，所述电流控制器(2)安装在控制箱（1)内，电源 输入到电流控制器(2)中，控制箱（1)表面设有两个端口分别为端口 1(3)和端口 Π (4)，由铁 芯(6)和绕线组(7)构成电磁铁，端口 I (3)和端口 Π (4)各连接一个电磁铁，电磁铁设置在反 应容器(5)的相对两侧。2. 根据权利要求1所述的使用磁性催化剂的反应振动系统，其特征在于:所述电源为脉 冲电源，脉冲电源采用储能元件，通过LC的充放电、利用逆变将直流电转换或是利用直流斩 波产生脉冲输出。3. 根据权利要求2所述的使用磁性催化剂的反应振动系统，其特征在于:所述脉冲电源 时电流控制器（2)包括PFC前置级、DC/DC级、功率脉冲发生级和单片机，PFC前置级、DC/DC 级、功率脉冲发生级分别与单片机的控制芯片连接。4. 根据权利要求2所述的使用磁性催化剂的反应振动系统，其特征在于:所述脉冲电源 时电流控制器包括单结管、RC充放电路、触发电路和保护电路。
【文档编号】B01J8/08GK205627896SQ201620064788
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年1月22日
【发明人】包桂蓉, 孟鸣, 孟一鸣, 王青青, 马依文, 谭方关
【申请人】昆明理工大学