CN101601988A - 相界面扩增器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能显著增加多相反应相间接触面积的相界面扩增器，属于化学化工技术领域。相界面扩增器是具有致密空隙和极大表面积的能够旋转的空间立体结构，其特征在于：相界面扩增器有一个中心轴，中心轴四周连接有辐射状的叶片、毛束或附有毛束的叶片，辐射状的叶片、毛束或附有毛束的叶片彼此之间用丝网连接，形成密集的三维结构。将装置嵌入两相的界面处，通过体系自身的流体驱动或外加机械或电磁驱动旋转，在装置表面携带大量液膜，能极为显著地扩大待反应的两相间的接触面积，同时实现混合、分散、搅拌等某一功能或组合功能，大大加快反应速率，减少能耗，降低反应成本。

Description

相界面扩增器

技术领域

本发明属于化学化工技术领域，涉及一种用来大大增加多相反应(包括气-液相、液-液相)相间的接触面积、缩短反应时间的相界面扩增器，可应用于多种化学化工生产过程。

背景技术

众所周知，目前的化学化工生产领域，特别是在石化、精细化工、日用轻工、制酒、海水淡化等行业中，存在着大量的多相反应及过程。一些多相反应或过程速率慢，限制了整个生产效率的提高，使化工行业无法实现高效节能、减排及降低成本。例如，发生在气-液两相的蒸馏就是很多化工行业中速率最慢、能耗最大的一个步骤。石油炼厂中原油的蒸馏，制酒行业中酒的蒸馏，精细化工和制药行业中溶剂的蒸馏和回收，海水淡化过程中海水的蒸馏都是其所在行业最主要的能耗所在。制约多相反应或过程速率的一个重要因素就是相接触面积，提高相接触面积是提高多相反应速率的有效途径。

针对由于相接触面积的局限性而影响多相反应速率的问题，目前最常用的解决办法是通过强力机械搅拌进行混合，增加互不相溶的多相间的接触面积，但机械搅拌强度的提升，大大增加了能源、动力的消耗，同时搅拌也存在混合不均、分散度差、生产效率提升不明显等缺点。另一种解决方法是采用高效的多相催化剂或相转移催化剂，但这类方法的应用面十分有限，仅仅适用于某几个特定的反应，不能大规模的应用，同时昂贵的特种催化剂价格也大大提升了生产成本。

在解决溶剂蒸馏分离效率低、能耗大的问题上，人们试图通过纳米微孔无机膜的方法来取代蒸馏，然而用于分离有机溶剂的膜分离技术目前大多还停留在实验室的研究水平，鲜有工业化应用的成功例子。另一类方法是新近出现的分子蒸馏技术或薄膜蒸馏技术，尽管能够提升溶剂的分离效率，但工业成本高、能耗严重。

发明内容

本发明提出一种能显著增加相间界面面积的反应辅助装置，解决目前多相化学化工生产过程中无法低能耗、低成本地提升有效相接触面积的问题。

本发明的技术方案如下：该装置是一种具有致密空隙和极大表面积的能够旋转的空间立体结构，将其投入常规的生产体系中，根据所涉及的两相间的物理化学性质，如密度、黏度、抗酸碱性等来选择材料，使其能够悬浮在两相的界面处，利用体系自身的流体驱动或外力驱动来实现其旋转，从而在装置的空隙上形成具有极大表面积的液膜，这样一来，在不明显增加生产成本和能耗的基础上，大大增加了两相的混合程度和接触界面面积，从而提高反应效率和能量的有效利用率。

相界面扩增器有一个中心轴，中心轴的四周连接有辐射状的叶片、毛束或附有毛束的叶片，这些辐射状的叶片、毛束或附有毛束的叶片在中心轴上形成扇状、螺旋状或毛刷状，辐射状的叶片、毛束或附有毛束的叶片彼此之间用丝网连接，形成密集的扇-网、螺-网或交联的网状三维结构。叶片、毛束或附有毛束的叶片沿轴方向平行辐射或螺旋辐射排列；当叶片、毛束或附有毛束的叶片进行轴向螺旋辐射排列时，沿长轴方向有固定或非固定的螺距(这里所说的螺距是指螺纹上相邻两牙对应点之间的轴向距离)，这种排列可使装置在两相间的流体动力作用下实现自身的旋转，在离心作用下使其承载的液体沿叶片辐射的方向四处成膜扩散，同时又借助螺旋运动使下层液相从下而上或从一侧向另一侧运动，也可以同时进行两种运动，这些运动增加了两相的接触面积，也增大了两相的混合、分散程度。

该装置的立体结构可以是对称的，也可以是不对称的，装置的形状、大小可根据实际生产需要进行调整，装置的横截面及纵截面形状可以是规则的或不规则的N边形(N≥3)、圆形或椭圆形等。当需要同时使用多个该类装置时，选择横截面为规则正六边形的装置，利用几何组装原理，使众多这类装置在两相的界面处自行实现最优(最密集的)几何组合排列。

当相界面扩增器需要用动力驱动对反应相进行混合、分散时，中心轴、叶片、毛束或附有毛束的叶片可为中空结构，彼此之间相互连通，叶片、毛束或附有毛束的叶片表面可带有不同孔径的排液小孔，液相从中心轴流入，在装置旋转时，可利用离心力将液相充分分散、混合。此外，中心轴可以做成带空腔的套管形式，然后将其套装在驱动轴上，液相从轴套处流入到装置中，然后在离心力作用下通过与套管连通的中空带孔的叶片、毛束或附有毛束的叶片进行分散、混合。

根据所涉及的两相间的物理化学性质，制备该装置所选用的材料可为金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料等结构材料，也可以是具有磁性、吸波、吸热、传热等性能的功能材料，这些材料可以是实体的、中空的或带孔的。相界面扩增器材料的表面可以是光滑的，也可以是粗糙的。以上材料还可以进行表面功能化改性，改变其与反应两相的亲疏性能。由于装置具有大的表面积，可以在装置表面接枝如催化剂等化学反应试剂。

该装置的运转采用体系自身的流体驱动或是外加机械或电磁搅拌驱动。

本发明的效果和益处是：

使用相界面扩增器后，会大大地扩增待反应两相的接触面积，明显提高反应效率和能量的有效利用率；装置的运转只需自身流体运动或外加机械或电磁搅拌就可以驱动，耗能低；

装置为附加装置，不需对现有的生产设备作较大的改进，兼容性好，装置简单，安装方便；

形状设计和制作材料多样，可满足不同的生产过程需要；

自身大的表面积，可用作其他功能材料的附着载体。

附图说明

图1是一种叶片沿中心轴平行辐射排列的相界面扩增器沿中心轴方向的正视图。

图2是一种叶片沿中心轴平行辐射排列的相界面扩增器垂直于中心轴方向的正视图。

图3是一种叶片沿中心轴螺旋辐射排列的相界面扩增器的立体示意图。

图中：1中心轴；2叶片；3丝网；4空腔；5微孔。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例1

中心轴1为实体结构，带有密集的沿轴方向平行排列的辐射状的实体叶片2，所有叶片都是等大小的正六边形，其中一条对角线与中心轴重合。叶片之间用丝网3连接成密集的网状，如图1和图2所示。将装置嵌入到反应两相的界面，装置中心轴可与界面平行。这种结构在待反应相中具有较好的自组装性，使装置在液面更紧密的排列，提供更多的表面积；装置在流体驱动下绕轴自由旋转。这种旋转增加了待反应相界面处的混合和搅拌，大大地扩大了两相的有效接触面积，提高了反应的效率。同时，装置的转动也加快了体系的传热速率。

实施例2

中心轴1为中空结构，带有辐射状的表面带有微孔5的中空叶片2，叶片的中空结构与中心轴空腔连通，叶片沿轴螺旋排列，中心轴设计成带空腔4的套管形式，如图3所示。中心轴套接在外界驱动轴上，嵌入在两相界面时，装置的中心轴可与水平相界面成某一角度，该角度范围为0°～90°，包括0°和90°，具体情况根据需要而定。中心轴的空腔加入要分散的液相，在驱动力作用下，装置旋转，液相借助离心力在叶片小孔处形成液膜并迅速扩散。装置的旋转也起到了搅拌的作用，使分散更充分、均匀。

实施例3.中心轴1带有辐射状的叶片2，叶片沿轴向平行排列或螺旋排列，彼此之间用丝网3连接成网状结构。这种结构就使装置具有非常大的空间表面积。对其表面进行功能化处理，在叶片表面负载不同功能的材料膜或催化剂。根据需要和两相的性质，将装置放入到相内或相间，实现在相内或相间的反应或催化。

Claims (8)

1.一种相界面扩增器，其特征在于：相界面扩增器有一个中心轴(1)，中心轴(1)的四周连接有辐射状的叶片(2)、毛束或附有毛束的叶片(2)，这些辐射状的叶片(2)、毛束或附有毛束的叶片(2)在中心轴上形成扇状、螺旋状或毛刷状，辐射状的叶片(2)、毛束或附有毛束的叶片(2)彼此之间用丝网(3)连接，形成密集的扇-网、螺-网或交联的网状三维结构；叶片(2)、毛束或附有毛束的叶片(2)沿轴方向平行辐射或螺旋辐射排列；当叶片(2)、毛束或附有毛束的叶片(2)进行轴向螺旋辐射排列时，沿其长轴方向有固定或非固定的螺距。

2.根据权利要求1所述的相界面扩增器，其特征在于：该装置的立体结构是对称或不对称，装置的横截面及纵截面形状是规则的或不规则的N边形、圆形或椭圆形，其中N≥3。

3.根据权利要求2所述的相界面扩增器，其特征在于：当需要同时使用多个该类装置时，选择横截面为规则正六边形的装置。

4.根据权利要求1所述的相界面扩增器，其特征在于：制备该装置所选用的材料为同种或不同种的结构材料，或者同种或不同种的具有磁性、吸波、吸热、传热性质的功能材料。

5.根据权利要求4所述的相界面扩增器，其特征在于：结构材料为金属材料、陶瓷材料、高分子材料或复合材料。

6.根据权利要求1所述的相界面扩增器，其特征在于：所用材料为实体的、空心的或带孔的。

7.根据权利要求1所述的相界面扩增器，其特征在于：装置中心轴(1)与反应两相水平界面的夹角范围为0°～90°。

8.根据权利要求1所述的相界面扩增器，其特征在于：该装置的运转采用体系自身的流体驱动或是外加机械或电磁搅拌驱动。

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