專利名稱：具有新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)床超重力場(chǎng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)床超重力場(chǎng)裝置。
背景技術(shù)：
大宗化學(xué)品的制備技術(shù)歷來(lái)是化學(xué)工程的研究重點(diǎn)，近十幾年來(lái)，在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，形勢(shì)起了很大變化。多品種小產(chǎn)量的高附加值產(chǎn)品愈來(lái)愈受重視，對(duì)化工工藝和設(shè)備提出許多新的要求。作為普遍特征，高附加值產(chǎn)品的加工處理量小，要求原料在設(shè)備內(nèi)停留時(shí)間短，殘留量少，這就需要減小設(shè)備尺寸，并考慮不同尺度下化工過(guò)程的相關(guān)效應(yīng)。
超重力場(chǎng)裝置被譽(yù)為“化學(xué)工業(yè)的晶體管”，對(duì)化工加工過(guò)程的小型化乃至微型化具有重要意義。同時(shí)超重力技術(shù)受重力加速度影響有限，因此也適用于未來(lái)航天器上的過(guò)程開發(fā)。超重力技術(shù)利用離心力場(chǎng)強(qiáng)化三傳一反的化工過(guò)程，是20世紀(jì)80年代在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)〔Ramshaw C，Mallinson RH.，US Patent4283255〕。目前的超重力機(jī)也稱旋轉(zhuǎn)填充床，設(shè)備內(nèi)的相間傳質(zhì)過(guò)程比常規(guī)重力場(chǎng)下快得多，可使傳遞速度提高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)。超重力機(jī)由轉(zhuǎn)子、液體分布器和外殼組成(圖1)，機(jī)器核心部分為轉(zhuǎn)子，用以固定和帶動(dòng)填料旋轉(zhuǎn)。
盡管超重機(jī)仍是非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，目前其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)有成熟的方法。一些專利〔Wem JW.，US Patent 4382，045；Wem JW.，US Patent 4382，900；鄭沖等CN2109880；馮元鼎等CN1060415；鄭沖等CN1062098；陳建峰等CN2221437；周緒美等CN1116125〕對(duì)不同的進(jìn)料方式、液體分布器形式、轉(zhuǎn)子與外部管道的連接處密封等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)做了巧妙的設(shè)計(jì)。由于超重力技術(shù)顯而易見的優(yōu)點(diǎn)，自第一臺(tái)超重力機(jī)出現(xiàn)以來(lái)，世界上許多公司和高校競(jìng)相對(duì)該技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究，應(yīng)用研究領(lǐng)域包含液體中揮發(fā)物的脫除和解吸、氣體的選擇性吸收、除塵、精餾、材料制備反應(yīng)過(guò)程等。
目前超重機(jī)旋轉(zhuǎn)床的填料有網(wǎng)絲和蝶片兩種形式〔陳建峰主編.超重力技術(shù)及應(yīng)用新一代反應(yīng)與分離技術(shù)，北京化學(xué)工業(yè)出版社，2002，7〕，均適用于多相混合流體的傳遞和反應(yīng)過(guò)程。有很多化工傳遞和分離過(guò)程涉及不能混合的兩個(gè)或多個(gè)流體相，如換熱、膜分離、反應(yīng)分離耦和過(guò)程等，如何將超重力技術(shù)應(yīng)用于這些過(guò)程仍是懸而未決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新的超重力旋轉(zhuǎn)床，可以使用相互分離的兩個(gè)流體相，滿足化工過(guò)程的相關(guān)需要。
本發(fā)明主要的技術(shù)措施是使用管子代替目前普遍使用的網(wǎng)絲填料或蝶片填料。管子軸線與旋轉(zhuǎn)方向垂直，可以采用輻射狀徑向排布(即管道軸線與旋轉(zhuǎn)軸垂直，見圖1)，也可以軸向排布(即管道軸線與旋轉(zhuǎn)軸平行，見圖2)，這樣，圓管起到支撐轉(zhuǎn)子的作用，同時(shí)管壁兩側(cè)可以使用相互分離的兩個(gè)流體相。這種新形式的超重力機(jī)可稱為管式超重力設(shè)備，管外流體的傳質(zhì)過(guò)程與常規(guī)重力場(chǎng)下有很大不同，巨大的剪應(yīng)力將液體撕裂成細(xì)微的液膜、液滴和液絲，產(chǎn)生巨大的快速更新的相界面。同時(shí)管內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于經(jīng)過(guò)低螺距的螺旋流道，也將產(chǎn)生強(qiáng)烈的Dean漩渦從而減輕邊界層效應(yīng)〔Germano M.J.FluidMechanics，1989，203289〕。
這種新型的超重力設(shè)備，用于相界傳遞的管子可以是金屬管、塑料管、金屬或高分子濾管、金屬或高分子燒結(jié)的管式膜或中空纖維膜，管子內(nèi)徑為0.1～50毫米；管厚度為管內(nèi)徑的0.04～0.4倍；管外徑大小與設(shè)備的整體大小要匹配，應(yīng)為轉(zhuǎn)子直徑的0.001～0.1倍，最好為轉(zhuǎn)子直徑的0.005～0.05倍。
管子長(zhǎng)度會(huì)影響管內(nèi)外兩相流體的比例，因此設(shè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)子直徑與寬度有一定比例，要求轉(zhuǎn)子寬度為轉(zhuǎn)子直徑的0.1～10倍。對(duì)于兩相流體的量相差很懸殊的傳遞過(guò)程，可以采用多殼程(圖3)或多管程(圖4)設(shè)計(jì)。可以采用的管程數(shù)和殼程數(shù)為1～6。
管子的填充分率同樣會(huì)影響管內(nèi)外兩相流體的比例，所謂填充分率指相界傳遞使用的管子所占體積與轉(zhuǎn)子總體積的比值。為確保轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度及管外側(cè)的傳遞效果，填充分率要大于0.01；同時(shí)填充分率不得大于0.7，以防止殼層流動(dòng)阻力過(guò)高。
對(duì)于軸向排布(即管道軸線與旋轉(zhuǎn)軸平行)的情形，為減輕管內(nèi)流體的流動(dòng)阻力，管子兩端的進(jìn)口及出口可以有一定長(zhǎng)度的彎曲通道(圖5)，彎曲通道軸線與進(jìn)出口處流體流動(dòng)的切向一致，彎曲角(出口管路軸向與管中間部分軸線的夾角，見圖5中α)的取值范圍為5°～85°，其大小根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整，轉(zhuǎn)速大對(duì)應(yīng)的彎曲角應(yīng)增大。彎曲通道的長(zhǎng)度為管子內(nèi)徑的0.5～10倍。
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高能改善傳遞效果；但轉(zhuǎn)速高導(dǎo)致流體阻力增加，同時(shí)對(duì)管子機(jī)械強(qiáng)度也有一定要求。根據(jù)不同的管徑和料液粘度，轉(zhuǎn)子可以采用的轉(zhuǎn)速為50～5000rpm。
本發(fā)明通過(guò)改變超重力旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了管式的超重力設(shè)備，擴(kuò)大了超重力技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。比如，相應(yīng)的超重力管式膜組件不僅可以基本消除邊界層效應(yīng)和溝流相應(yīng)(Channelling Effect)，減輕膜污染，同時(shí)能夠提供較大膜面積，因此在膜分離方面有很好的應(yīng)用前景，還可以考慮構(gòu)筑膜接觸器(membrane contactor)和支撐液膜(supporting liquid membrane)；用管式超重力設(shè)備作為換熱器，可用于熱敏物料的快速冷卻和快速加熱；由于超重力技術(shù)受重力加速度影響有限，因此本發(fā)明對(duì)太空過(guò)程開發(fā)也有重要意義。


圖1徑向排布的管式超重力設(shè)備結(jié)構(gòu)示意2軸向排布的管式超重力設(shè)備結(jié)構(gòu)示意3采用三殼程的管式超重力設(shè)備轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意4采用雙管程的管式超重力設(shè)備轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意5管道進(jìn)出口的彎曲通道示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合

具體的實(shí)施方式實(shí)施例1超重力不銹鋼膜膜組件，采用Hyflux Group出品的管式不銹鋼微濾膜，管式膜在轉(zhuǎn)子內(nèi)徑向排布，結(jié)構(gòu)如圖1所示，安裝管式膜1的旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子2在機(jī)械軸3的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)。料液由進(jìn)口管7引入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，經(jīng)液體分布器4淋灑在轉(zhuǎn)子內(nèi)緣，最終從轉(zhuǎn)子側(cè)面離開轉(zhuǎn)子由出口8引出。管式膜內(nèi)的滲透液在離心力作用下被甩向旋轉(zhuǎn)床外殼6匯集后經(jīng)出口管5離開。不銹鋼微濾膜的內(nèi)徑7.5mm，厚度1mm。轉(zhuǎn)子內(nèi)腔120mm外徑500mm，轉(zhuǎn)子寬度400mm，轉(zhuǎn)速為500rpm。厚度膜組件的封裝分率為0.15。
實(shí)施例2超重力不銹鋼膜膜組件，結(jié)構(gòu)尺寸與實(shí)施例1相同。為了改善殼程的流體力學(xué)狀況，并增加管外流體的傳遞時(shí)間，膜組件在殼程設(shè)置兩個(gè)擋板9，擋板9的設(shè)置方式如圖3所示。
實(shí)施例3用于熱敏物料加熱冷卻的超重力換熱器，可用于熱敏物料加熱和冷卻。轉(zhuǎn)子外徑400mm內(nèi)腔150mm轉(zhuǎn)速1000rpm，內(nèi)徑6mm壁厚1.2mm長(zhǎng)400mm的不銹鋼管10在轉(zhuǎn)子內(nèi)軸向排布(結(jié)構(gòu)如圖2所示)，封裝分率為0.45。料液由進(jìn)口管7引入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，經(jīng)液體分布器4淋灑在轉(zhuǎn)子內(nèi)緣，在離心力作用下被甩向旋轉(zhuǎn)床外殼6匯集后經(jīng)出口管5離開；冷卻或加熱流體介質(zhì)從側(cè)面11進(jìn)入，從管內(nèi)流過(guò)后，從轉(zhuǎn)子的另一側(cè)面出口12引出。
實(shí)施例4用于熱敏物料加熱冷卻的超重力換熱器，轉(zhuǎn)子和不銹鋼管結(jié)構(gòu)尺寸與實(shí)施例3相同。為增加流體介質(zhì)的換熱時(shí)間，采用U形不銹鋼管13代替不銹鋼直管10。料液與實(shí)施例3相同，由進(jìn)口管引入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，經(jīng)液體分布器淋灑在轉(zhuǎn)子內(nèi)緣，在離心力作用下被甩向旋轉(zhuǎn)床外殼匯集后經(jīng)出口管離開；冷卻或加熱流體介質(zhì)從側(cè)面進(jìn)入，從管內(nèi)流過(guò)后，從轉(zhuǎn)子的同一側(cè)面出口引出。料液進(jìn)口7和流體介質(zhì)的進(jìn)口14出口15形成三重套管結(jié)構(gòu)，如圖4所示。
實(shí)施例5旋轉(zhuǎn)式中空纖維膜膜組件，轉(zhuǎn)子外徑50mm內(nèi)腔20mm轉(zhuǎn)速100rpm，采用Memtec公司生產(chǎn)的聚丙烯微濾中空纖維膜在轉(zhuǎn)子內(nèi)軸向排布(結(jié)構(gòu)如圖3所示)，中空纖維膜內(nèi)徑0.3mm，平均孔徑0.2μm，膜組件的封裝分率為0.65。這時(shí)重力影響不容忽略，可用于膜萃取過(guò)程，一種流體由進(jìn)口管7引入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，經(jīng)液體分布器4淋灑在轉(zhuǎn)子內(nèi)緣，在離心力作用下被甩向旋轉(zhuǎn)床外殼6匯集后經(jīng)出口管5離開；另一種流體從側(cè)面13進(jìn)入，從管內(nèi)流過(guò)后，從轉(zhuǎn)子的另一側(cè)面出口14引出。
權(quán)利要求
1.一種具有新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)床超重力場(chǎng)裝置，由轉(zhuǎn)子、液體分布器和外殼組成，其特征在于轉(zhuǎn)子由一定方式排布的管子構(gòu)成，管子軸線與旋轉(zhuǎn)方向垂直，管子排布方式可以采用輻射狀徑向排布，即管道軸線與旋轉(zhuǎn)軸垂直，也可以軸向排布，即管道軸線與旋轉(zhuǎn)軸平行，管子兩端固定在轉(zhuǎn)子外沿從而對(duì)旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子起支撐作用，并避免管內(nèi)外兩種流體互相混合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)床超重力場(chǎng)裝置，其特征在于，管子可以是金屬管、塑料管、金屬或高分子濾管、金屬或高分子燒結(jié)的管式膜或中空纖維膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)床超重力場(chǎng)裝置，其特征在于，管子內(nèi)徑為0.1～50毫米，管厚度為管內(nèi)徑的0.04～0.4倍，管外徑為轉(zhuǎn)子直徑的0.001～0.1倍，最好為轉(zhuǎn)子直徑的0.005～0.05倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)床超重力場(chǎng)裝置，其特征在于，管子在轉(zhuǎn)子中排布采用的管程數(shù)和殼程數(shù)為1～6，管子的填充分率為0.01～0.7。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)床超重力場(chǎng)裝置，其特征在于，管子兩端的進(jìn)口及出口可以有一定長(zhǎng)度的彎曲通道，彎曲通道軸線與進(jìn)出口處流體流動(dòng)的切向一致，出口管路軸向與管中間部分軸線夾角α的取值范圍為5°～85°，彎曲通道的長(zhǎng)度為管子內(nèi)徑的0.5～10倍。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種具有新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)床超重力場(chǎng)裝置，即用一定方式排布的管子、濾管、管式膜或中空纖維膜代替目前超重場(chǎng)裝置普遍采用的網(wǎng)絲或蝶片，從而將超重力技術(shù)用于相互隔離流體相的傳遞和分離過(guò)程。采用本發(fā)明的管式超重力技術(shù)可以制備新型高效的換熱裝置和膜分離裝置，極大地拓寬了超重力技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B01D53/18GK1438067SQ0311567
公開日2003年8月27日 申請(qǐng)日期2003年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月6日
發(fā)明者閻建民 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)