气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备的制作方法
【专利摘要】本发明属于传质反应设备的【技术领域】，具体是一种气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，解决了现有超重力设备在气相传质方面存在的问题。其包括旋转床主体、设备支架和传动装置，旋转床主体包括上下两部分：集气室和主腔室，主腔室内设有可高速旋转的填料转子，主腔室上部连接进气管，主腔室底部连接排液管，填料转子中心设置液体分布器，液体分布器连接进液管，集气室顶部连接排气管，填料转子顶部开孔与集气室连通。本发明的有益效果：可增大对流体的剪应力，填料将更多的动量传递给内部流体，促进气液的边界层分离，湍动程度加剧，加快气液界面更新速率，从而达到强化气相传质的目的；提高了运转稳定性，更适用于大通量的场合；集气室有效抑制了夹带和液泛对操作平衡带来的影响。
【专利说明】气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备
【技术领域】
[0001]本发明属于化工、石油化工、环境保护传质反应设备的【技术领域】，具体涉及一种气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，可用于精馏、吸收等气膜控制的传质过程强化。
【背景技术】
[0002]超重力技术是20世纪80年代发展起来的一种强化多相传递和反应过程的突破性技术，其原理是在超重力旋转填料床(也称为超重力机)中，填料转子高速旋转形成超重力环境，液体被填料剪切雾化，相间接触面积增大，表面快速更新导致了由液相控制的传质、传热和反应过程得到极大强化。目前主要用于脱硫、脱碳、除尘及纳米材料制备等方面。
[0003]目前常用的旋转填料床内部转子均为整体式结构，即转子内的填料由单一转轴带动旋转，首个超重力旋转床方面的专利由英国帝国化学工业公司(ICI)于1979年提出，专利号为EP0002568，随后在国内外陆续公开的专利也基本延续了这种转子结构。2001年，Sandilya等人研究发现,旋转填料床中进行的气相传质过程,其传质系数比填料塔中的还要低，原因是气体进入填料后受摩擦力作用，与填料间的相对滑移速度非常小，气相界面得不到快速更新，同时填料内液相分布不均的现象会使传质速率进一步降低。2004年，D PRao等人的研究表明，超重力旋转床中主要强化了液相传质过程，超重力场下高比表面积填料的使用是其主要原因，而气相传质系数则与传统填料塔相当。2005年，Chandra A首次提出 了分层式填料旋转床(Rotating Packed bed with Split Packing, SP-RPB),将普通旋转填料床内的整体式转子填料分割成若干圈相互嵌套的填料环，这一改进提高了气相在旋转填料中的切向滑移速度。2006年，Reddy等人研究了 SP-RPB的传质性能，结果表明该设备的气相和液相体积传质系数比普通旋转床提高了近2个数量级。Agarwal等人用SP-RPB做了一系列精馏与吸收实验，结果表明SP-RPB尤其适合于强化气相阻力控制的传质过程。但SP-RPB同样存在一些问题，如:转子中心或靠近中心的部位旋转半径小，气体难以通过填料的高速旋转获得较大的切向速度，气相湍动程度不足，且沿径向分布不均匀，填料利用率较低；填料使用泡沫金属直接固定在上下转盘上，不易更换，且工作时只依赖泡沫金属自身的机械强度，难以应用到大气、液通量的场合。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决现有超重力设备在气相传质方面存在的问题，提供了一种气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，能适用于通量大、处理要求高的场合。
[0005]本发明采用如下的技术方案实现:
一种气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，包括旋转床主体、设备支架和传动装置，旋转床主体包括上下两部分:集气室和主腔室，主腔室内设有可高速旋转的填料转子，主腔室上部连接进气管，主腔室底部连接排液管，填料转子中心设置液体分布器，液体分布器连接进液管，集气室顶部连接排气管，填料转子顶部开孔与集气室连通。
[0006]所述的填料转子包括分别独立旋转的上转盘和下转盘，上转盘底部和下转盘顶部分别安装有若干同心环状填料支撑，填料支撑内部填有填料形成填料环，上、下转盘上的填料环互相嵌套设置，相邻填料环之间留有间隙，上转盘顶部与实心轴连接，下转盘底部与空心轴连接，空心轴顶部连接液体分布器，空心轴底部连接进液管。
[0007]所述的上转盘底部和下转盘顶部分别设置有若干同心环状的槽，填料环固定于槽内，填料环的自由端伸入另一转盘的槽内、并与另一转盘的槽底留有间隙。
[0008]主腔室和集气室通过隔板隔离，隔板中心位置开孔并设置筒形结构，实心轴穿过该孔与上转盘连接。
[0009]所述的填料转子顶部开孔与集气室连通的部位设置密封结构，所述的密封结构包括上下设置的上密封盖和下密封盖，上密封盖套于筒形结构，下密封盖与上转盘连接，下密封盖中心均布设置若干扇形孔，上、下密封盖上设有迷宫环，上、下密封盖的迷宫环相嵌在一起，迷宫环的最外圈设置油封毡圈。
[0010]所述填料支撑为筒状不锈钢圈，周向密布开孔，填料支撑的外缘设置有若干形体阻力件，所述的形体阻力件为所述的形体阻力件为金属片状突起，垂直安装于填料支撑的外缘，金属片状突起的截面的弧形或者台形。
[0011]所述空心轴与进液管之间使用旋转接头连接。
[0012]所述进气管穿过集气室连接主腔室。
[0013]所述传动装置包括空心轴、实心轴、皮带轮、皮带和电机组成，空心轴和实心轴外端都装有被动皮带轮，通过皮带与电机相连接。
[0014]整个旋转床主体及电机均安装在设备支架上，旋转床主体通过卡座固定于支架中心处，电机固定于支架上下部位的T形槽内，电机固定螺栓可在T形槽内滑动。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果是:1.各圈填料层边缘构建的形体阻力件可增大对流体的剪应力，填料将更多的动量传递给内部流体，促进气液的边界层分离，湍动程度加剧，加快气液界面更新速率，从而达到强化气相传质的目的；2.使用多孔不锈钢填料支撑构件，提高了运转稳定性，更适用于大通量的场合，且旋转床所用填料易于更换；3.气液流体在填料中的分布更加均匀，微观混合程度提高。4.气体从转子中心出来首先进入集气室，然后经排气管排出。集气室可以容纳一定量被气体吹出的液体，有效抑制了夹带和液泛对操作平衡带来的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明气流逆向剪切旋转填料床设备主体示意图；
图2是本发明形体阻力件一种结构示意图；
图3是本发明形体阻力件另一种结构示意图；
图4是本发明上下转盘上填料环的组装示意图；
图5是本发明内部结构示意图；
图中:1_进气管，2-排气管，3-旋转床主体，4-排液管，5-旋转接头，6-皮带，7-设备支架，8-T型槽，9-电机，10-皮带轮，11-主腔室，12-填料环，13-液体分布器，14-空心轴，15-轴承，16-轴套I，17-下转盘，18-上转盘，19-上密封盖，20-集气室，21-轴套II，22-实心轴，23-油封，24-下密封盖，25-隔板。【具体实施方式】
[0017]结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。
[0018]气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，主要包括旋转床主体、设备支架和传动装置。旋转床主体分为上集气室和下主腔室两部分，集气室与主腔室之间通过隔板隔开；填料转子安装在主腔室内，由能独立旋转的上、下转盘组成，上下转盘相距30mm，转盘上各装有同心环状填料支撑，内部装填金属丝网填料，上、下转盘上的填料与填料支撑组成相互嵌套的填料环，填料环的厚度为16mm，相邻填料层间距为8mm，填料环的外缘安装形体阻力件；上转盘与顶部实心轴连接，下转盘与底部空心轴连接；进气管穿过集气室进入主腔室，液体由空心轴进入转子中心的液体分布器，排气管设在集气室顶部，排液管设在床体底部。填料转子顶部开孔与集气室连通。
[0019]所述填料环一端通过填料支撑固定在上、下转盘所开的槽内，槽的深度为10mm，填料环的自由端伸入另一转盘6_，与另一转盘的槽底留有间隙，起到动密封作用。填料支撑为圆筒状不锈钢圈，周向密布开孔，作为流体的通道。
[0020]填料转子顶部开孔与集气室连通的部位设置密封结构，所述的密封结构由上密封盖和下密封盖组成，密封盖上为厚度4mm深度30mm的迷宫环，上下密封盖上的迷宫环相嵌在一起，迷宫密封的最外圈设置油封毡圈来强化密封效果。主腔室和集气室通过隔板隔离，隔板中心位置开孔并设置筒形结构，实心轴及其上轴套II穿过筒形结构与上转盘连接，上密封盖套于筒形结构，下密封盖与上转盘连接，下密封盖中心均布设置若干扇形孔。上下密封盖的中心开孔同时又作为气体通道。
[0021]所述形体阻力件为金属片状突起，垂直安装于填料支撑的外缘，金属片状突起的截面的弧形或者台形，旋转填料床工作时上下转盘高速逆向旋转，形体阻力件可对经过填料空隙处的气流造成极强的扰动，气相湍动加剧。
[0022]所述液体分布器为周向开孔的不锈钢管，孔径的大小及开孔数量由流量和液体流速等工艺条件决定，液体分 布器通过管尾的螺纹与下转盘相接。
[0023]所述传动装置中，接近转子处的轴封采用TC型骨架油封，轴的外端采用油封毡圈密封；床体外壳连接处采用聚氨酯橡胶圈密封。
[0024]所述空心轴与进液管之间通过旋转接头相连接,要求旋转接头具有耐￡1500r/min的工作强度和一定的耐腐蚀性。
[0025]所述传动装置由轴、轴承、轴承套、皮带轮、皮带和电机组成，上主轴为实心轴，下主轴为内径16_的空心轴，因为上、下转盘的配合要求较高,故轴承为深沟球轴承和止推轴承的组合，可防止转动轴在轴向的微小位移，轴及轴承都安装在轴承套内，轴套留有加润滑油的孔道。轴的上端装有被动皮带轮，通过皮带与电机相连接，电机转速用变频器调节。整个床体及电机均安装在设备支架上，床体使用卡座固定于支架中心处，电机固定于支架上下部位的T形槽内，电机固定螺栓可在T形槽内滑动，从而调节电机与床体之间的距离。
[0026]工作状态下，液体由空心轴输送到转子中央的液体分布器，然后从分布器的小孔沿径向喷出，进入高速旋转的填料，液体受到填料的切割作用，成为尺度非常小的液膜、液滴，气体由进气管输送到旋转床主腔室，在压力的推动下沿转子的外缘进入旋转的填料中，与液体进行逆流接触，完成吸收或反应过程。最后，从转子甩出的液体被主腔室的外壳截获并沿壳壁流下，从置于下面的排液管排出，而气体则由转子中央经迷宫式密封中间的开孔进入集气室，然后从床体顶部的排气管排出。气、液在转子内被逆向旋转的多层填料不断剪切，多次发生变向和再分布，同普通旋转填料床相比，气相与填料间的相对切向滑移速度能提高一个数量级；形体阻力件可进一步促进气相的湍流，填料将更多的动能传递给流体，湍动能增大，加快了相界面更新速率；气液的流动轨迹更加曲折，停留时间也适当延长，故气液间的传质速率得到了很大的提高，这也是气流逆向剪切旋转填料床强化传质的主要机理。
【权利要求】
1.一种气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，包括旋转床主体(3)、设备支架(7)和传动装置，其特征在于旋转床主体(3 )包括上下两部分:集气室(20 )和主腔室(11 )，主腔室(11)内设有可高速旋转的填料转子，主腔室(11)上部连接进气管(I )，主腔室(11)底部连接排液管(4)，填料转子中心设置液体分布器(13)，液体分布器(13)连接进液管，集气室(20)顶部连接排气管(2)，填料转子顶部开孔与集气室(20)连通。
2.根据权利要求1所述的气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，其特征在于所述的填料转子包括分别独立旋转的上转盘(17)和下转盘(17)，上转盘(18)底部和下转盘(17)顶部分别安装有若干同心环状填料支撑，填料支撑内部装有填料形成填料环(12)，上、下转盘上的填料环互相嵌套，相邻填料环之间留有间隙，上转盘(18)顶部与实心轴(22)连接，下转盘(17)底部与空心轴(14)连接，空心轴(14)顶部连接液体分布器(13)，空心轴(14)底部连接进液管。
3.根据权利要求2所述的气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，其特征在于所述的上转盘(18)底部和下转盘(17)顶部分别设置有若干同心环状的槽，填料环(12)固定于槽内，填料环的自由端伸入另一转盘的槽内、并与另一转盘的槽底留有间隙。
4.根据权利要求2或3所述的气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，其特征在于主腔室(11)和集气室(20)通过隔板(25)隔离，隔板(25)中心位置开孔并设置筒形结构，实心轴(22)穿过该孔与上转盘(18)连接。
5.根据权利要求4所述的气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，其特征在于所述的填料转子顶部开孔与集气室连通的部位设置密封结构，所述的密封结构包括上下设置的上密封盖(19)和下密封盖(24)，上密封盖(19)套于筒形结构，下密封盖(24)与上转盘(18)连接，下密封盖(24)中心均布设置若干扇形孔，上、下密封盖上设有迷宫环，上、下密封盖的迷宫环相嵌在一起，迷宫环的最外圈设置油封毡圈。
6.根据权利要求5所述的气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，其特征在于所述的填料支撑为筒状不锈钢圈，周向密布开孔，填料支撑的外缘设置有若干形体阻力件，所述的形体阻力件为金属片状突起，外形为矩形或三角形，垂直安装于填料支撑的外缘。
7.根据权利要求6所述的气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，其特征在于进气管(I)穿过集气室(20)连接主腔室(11)。
8.根据权利要求7所述的气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，其特征在于所述的空心轴(14)与进液管之间使用旋转接头(5)连接。
9.根据权利要求8所述的一种气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，其特征在于所述传动装置包括空心轴(14)、实心轴(22)、皮带轮(10)、皮带(6)和电机(9)组成，空心轴(14)和实心轴(22)外端都装有被动皮带轮，通过皮带(6)与电机(9)相连接。
10.根据权利要求9所述的一种气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备，其特征在于整个旋转床主体(3 )及电机(9 )均安装在设备支架(7 )上，旋转床主体(3 )通过卡座固定于支架(7)中心处，电机(9)固定于支架(7)上下部位的T形槽(8)内，电机固定螺栓可在T形槽(8)内滑动。
【文档编号】B01D53/18GK103463829SQ201310402588
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月7日 优先权日:2013年9月7日
【发明者】刘有智, 焦纬洲, 袁志国, 祁贵生, 栗秀萍, 申红艳, 张巧玲, 高璟, 王建伟, 杨力 申请人:中北大学