CN103608102A - 用于多相和单相接触的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多相接触级，该多相接触级包括：具有空心圆盘形腔、输入口和输出口的第一可旋转圆盘，以及第二可旋转圆盘，其中第二可旋转圆盘具有带通道的腔、输入口和输出口并且被设置在第一可旋转圆盘的空心圆盘形腔中，其中第一可旋转圆盘和所述第二可旋转圆盘相对于轴线是同心的，其中多相接触级工作以使分离物的离心分离和逆流传质相结合。

Description

用于多相和单相接触的装置
技术领域
本发明总体上涉及化学多相过程。更具体地，本发明涉及一种用于逆流多相接触的装置，该装置使离心分离和逆流传质相结合。
背景技术
在化学工业中，全部工业过程中的80-90％与多相接触有关。这些过程中的大部分是基于亲和力差异的分离。这是一种用于纯化原料和产物流的重要方法。该纯化方法的例子是蒸馏(气体-液体相)、结晶(液体-固体相、固体-液体-固体相、气体-液体-固体相)、以及使用不混溶液体(液体-液体)或固体吸附剂(液体-固体)的萃取。正如这些例子的圆括弧之间所示，通常存在两种以上的聚集相(气体、液体、固体、或者其混合物)，这些相在上述过程中逆流地接触。逆流流动是通过相关的不同相的密度差以及重力加速度而实现。这些相的逆流接触对于处理效率是至关重要的。多相过程的另一个重要部分是多相反应器，通常是当难溶且经常反应性为非常强的气体是反应物或产物时采用该多相反应器。就产物被抑制或平衡被确定的多相反应而言，各相的逆流接触对于处理效率是重要的。多相反应的剩余部分可以以几乎相等的效率并流地操作。就所有的分离过程和大部分的多相反应而言，传质速率决定了处理效率和工艺设计。在常规设备(例如填料塔或板式塔)中，传质速率较低，从而导致大多高度为十米至百米且直径为数米的大型设备。
传质速率的增加直接导致较小的设备、以及材料利用率的增加和能耗的下降，这导致运行成本和投资成本的降低。在更复杂的设备(例如由CINC或者Rousselet-Robatel制造的设备)中，通过首先将各相剧烈混合接着进行离心分离而实现更高的传质。剧烈混合步骤通常制成具有高传质性的细分散体，这将使各相接近平衡的位置。就大部分的萃取而言，期望有若干个(10-100)平衡步骤。因此，在离心分离后，以逆流的方式将各相泵送至下一级。CINC法本质上是单元的重复。多级法迅速地增加尺寸并且增加级数。此外，当与混合级相比时，离心分离单元较大。Rousselet-Robatel使类似的系统结合在单轴上并且没有剧烈混合步骤但具有更小的离心级。在另一个实例中，Ramshaw利用旋转圆盘来产生具有用于在单级中高度有效地使气体与液体接触的大表面积的薄膜，但利用重力在带配对管的各级之间形成逆流流动，类似于Alfa Laval的系统。
需要的是一种用于多相和单相接触的高效率且紧凑的逆流装置。
发明内容
为了针对本技术领域中的需要，本发明提供一种多相接触级；该多相接触级包括：具有空心圆盘形腔、输入口和输出口的第一可旋转圆盘，以及具有带通道的腔、输入口和输出口的第二可旋转圆盘；其中第二可旋转圆盘被设置在第一可旋转圆盘的空心圆盘形腔中；其中第一可旋转圆盘和第二可旋转圆盘相对于轴线是同心的，其中多相接触级工作以使分离物的离心分离与逆流传质相结合。
在本发明的一个方面，第一可旋转圆盘和第二可旋转圆盘围绕轴线旋转并且在轴线上以低至0.05mm的距离相互间隔。
根据本发明的另一方面，第一可旋转圆盘和第二可旋转圆盘以高达5000rpm的转速旋转。
在本发明的另一方面，第一可旋转圆盘和第二可旋转圆盘是同向旋转或者反向旋转的。
在本发明的又一个方面，第一可旋转圆盘以第一转速旋转旋转，第二可旋转圆盘以第二转速旋转。
根据本发明的一个方面，第一接触级被堆叠在至少一个其它接触级上，其中分离物经过输入口和输出口在堆叠的接触级之间交换。
在本发明的另一方面，第一可旋转圆盘和第二可旋转圆盘被设置成当第一可旋转圆盘和第二可旋转圆盘旋转时在接触装置内部产生分离物的离心加速度。
在本发明的另一方面，第一可旋转圆盘包括气体输入口。
在本发明又一方面，第二可旋转圆盘中的通道被设置成从分离物的相对较重相中分离出相对较轻相，其中相对较轻相向旋转轴线移动，其中相对较重相径向地向外移动。
根据本发明的另一方面，转速取决于分离物的特性、圆盘半径、和圆盘间距。
在本发明另一方面，第一可旋转圆盘具有传热通道。
在本发明的又一方面，转子被设置在第一可旋转圆盘和第二可旋转圆盘之间。
根据本发明的一个方面，第二可旋转圆盘包括被通道的壁分开的一对同心的圆盘平板。在一个方面中，相对的圆盘平板具有低至0.05mm的间距。此外，相对的圆盘平板具有相同的直径或不同的直径。
根据本发明的一个方面，通道具有径向地向外延伸的线性或非线性形状。
在本发明的又一方面，第一可旋转圆盘包括热输入口。
在本发明的另一方面，第一可旋转圆盘包括第一电荷极性并且第二可旋转圆盘包括第二电荷极性，其中第一电荷极性与第二电荷极性相反。
在本发明的另一方面，第一圆盘的表面和/或第二圆盘的表面包含催化剂。在一个方面，圆盘表面包括微观结构。
附图说明
图1a-1b示出了根据本发明一个实施例的、无轴线的空心泵送圆盘的计算机图形。
图2示出了根据本发明一个实施例的无轴线的空心泵送圆盘的图示。
图3示出了根据本发明一个实施例的单个接触级。
图4示出了根据本发明一个实施例的多个接触级。
图5a-图5b示出了根据本发明一个实施例的三维单级接触器的结构图。
图6a-图6b示出了显示根据本发明一个实施例的单级接触器的图5a-5b的y-z平面的剖面图、以及单级接触器的全貌图。
图7a-图7d示出了根据本发明一个实施例的轻相(庚烷，白色)在重相(水、灰色)中朝向圆盘中心的螺旋流动，圆盘转速是在50和300rpm之间。
图7e-图7f示出了根据本发明一个实施例的在超过500rpm的转速下庚烷在水中的乳化流动。
图8示出了根据本发明一个实施例的、具有任选的气体进口的单级旋转圆盘浆体反应器。
图9示出了根据本发明一个实施例的、具有任选的气体进口的多级旋转圆盘浆体反应器。
图10示出了根据本发明一个实施例的、转子定子旋转圆盘反应器中的液体-液体传质速率。
图11示出了根据本发明的一个实施例的具有通道的定子，能够进行热传递的冷却液或加热液在该通道中流动。
图12a-图12b示出了根据本发明其它实施例的两种不同的泵送圆盘构造，其中泵送圆盘的上圆盘和下圆盘具有相同或不同的直径。
图13示出了根据本发明一个实施例的多级蒸发装置，该装置利用了用于在转子内侧上蒸发液体与转子外侧上蒸发蒸气冷凝之间的高效热传递的内转子两侧上的高传热速率。
图14示出了根据本发明一个实施例的沉积在圆盘上的催化剂，其中圆盘包括在圆盘表面上的微级柱。
具体实施方式
本发明的一个实施例包括用于逆流多相接触的装置，该装置具有近距离间隔的旋转圆盘，具有优选地5mm以下的间距、更优选2mm以下的间距、有可能甚至更优选0.05mm的间距，这些旋转圆盘具有各圆盘的高达5000rpm的单独转速，其中各圆盘单独地相对于其它圆盘同向旋转或反向旋转。一系列2个以上的圆盘构成接触级。旋转在单级中产生使各相分离的离心加速度；轻相向旋转轴线移动，重相径向地向外移动。各圆盘被设置成在此接触级中发生逆流接触但也在各级之间发生逆流接触。为了这个目的，使用空心的圆盘(见图1b(仰视图)和图1a(俯视图))，该圆盘将轻相从接触级的轴线中心泵送至下一接触级中的圆盘外侧(见图3至图6的机械图)。重相利用压力差和连续性沿轴线流动到前一个级。在0到300rpm之间的低转速下，各旋转圆盘之间的小间隙和转速差异导致高传质速率。这已在把苯甲酸从正庚烷萃取到水中得到了证明。在低转速下形成轻相的螺旋。仅在超过300rpm的高转速下，形成正庚烷小液滴在水中的分散体。这些液滴也在螺旋流中移动到中心。在图7a-图7f中，给出了所观察的流动形态。深色表示水相；浅色表示正庚烷相。分散流具有比螺旋流更高的传质，这是因为两种液体之间的接触面积增加以及系统中的湍流增加。图10中给出了总传质系数。从传质的观点来看，似乎有利地是设定为高转速。然而，与低转速下的大螺旋结构相比，在高转速下小液滴更难以从水相中分离出。各相的不完全分离大大地降低萃取效率。另外，在高转速和小液滴的情况下，系统中的湍流导致更多的返混并且逆流接触受到部分损失。因此，优选的是较低的圆盘转速差。从高传质、逆流塞流行为的维持、和能耗方面来看，最佳转速将取决于流体特性、圆盘半径、和圆盘间距。
结合逆流接触和分离，在本发明中发现与离心设备相比萃取效率至少增加十倍，并且与常规设备相比萃取效率增加十倍到百倍。
本发明的另一个益处是当分离物是气体时发现分散相的体积分数低十倍的因素。这使得本发明的一个实施例适合于危险的/爆炸性的气体混合物在反应过程中的安全使用。小气体体积大大地降低灾害事故的影响并且小圆盘间距阻碍气体混合物的爆震。
一个重要的反应器的必需功能是高效率地添加或去除热量的能力。在本发明的情况下，与常规设备中的传热速率相比，来自转子和定子之间流体的传热速率是极高的，经常是在20-100kW/m2/s范围内的高达100倍的因数。定子可包含通道，其中允许热传递的冷却液流动，图11中示出了这些通道。在这些通道中使用传热流体的传热速率是热传递的限制步骤，只是由于其常规的低传热速率。当需要时，通过在传热流体侧设置转子可以进一步提高传热速率。此构造可以用于非常节能地除去来自工艺物流的溶剂(例如水、甲苯、三氯乙烯、或者挥发性产物)，参见图13。工艺物流在装置的内(或外)侧上流动。从另一侧加入热量，导致将液体加热并开始蒸发。蒸气和液体并流地流向出口。在出口利用离心力使蒸气与纯化的液体工艺物流分离。在较高的压力和温度下绝热地将蒸气压缩成过饱和状态，并且逆流地添加到其它侧。蒸气相将开始冷凝，因此在较高的温度下提供蒸发的潜热直到蒸气被完全冷凝。热的冷凝蒸气中的热量被进一步用于加热工艺流。在一个实施例中，理想的是或者甚至必须的是内流向上且外流向下。如果方向被逆转，则液体相不与转子连续接触并且不规律地被加速。这将对电动机产生强烈变化的转矩并且将迅速地导致机械故障。根据本发明的一个实施例，纯化的液体过程的热量被任选地用于加热工艺物流。因此，蒸发的潜热和显热几乎被完全恢复。该过程中仅有的动力消耗是压缩机以及驱动本发明的轴的电动机(大约500-1500W)。该过程在最高的容许压力因此在最高容许温度下最高效率地运行。高压力并不导致如常规设备中所预计的设备成本的显著增加，因为本发明的体积非常小(图13中的过程具有大约10-4m3)的体积。
本发明也可以用作浆体反应器，即其中流体含有反应物以及分散的且非均相地催化反应的颗粒的反应器。图8和图9中示出了旋转圆盘浆体反应器的示意图。在一个单级中，空心的圆盘在形成空腔的两个定子圆盘之间快速地旋转。旋转圆盘与定子之间的间距通常为1毫米。空心圆盘中的间距也是1毫米。空腔中的液体含有催化剂颗粒。发现液体被充分混合并且未发现颗粒的明显分离(基于使用单颗粒和液体-液体系统的实验)。将液体反应物加入在顶部和/或底部上的轴线附近。在浆体中发生非均相催化反应。液体经过空心的圆盘流出反应器。离心力有效地将催化剂颗粒从浆体中分离出来。因此将催化剂颗粒保留在该系统中。
根据本发明的另一个实施例，提供气体进料作为反应物，或者用于对产物进行汽提。可以在设置在单旋转轴线上的多旋转圆盘构造中重复数次浆体步骤，该步骤将模拟塞流行为。在连续反应中，塞流行为提供更高的转化率而且还提供更高的选择性。重复级之间的密封是气泡。可以任选地在各级处添加气体。该气体密封也可以是更轻的液体密封，其中任选地添加较轻液体。根据本发明的另一个实施例，图9中示出了多级旋转圆盘浆体反应器。本发明的作用是相当大的。在2000rpm的转速和13cm的圆盘直径下，采用具有小至2nm极小直径的浆体催化剂。表1中给出了包含10体积％催化剂颗粒的不同催化剂系统的特性概述。
表1.具有1毫米空心圆盘间距、在2000rpm下运行、固体体积分数为10％的旋转圆盘浆体反应器的催化剂系统特性、传质系数(k1sa1s)和最大生产能力。
Figure BPA0000181723680000061
Figure BPA0000181723680000071
通常在2×10-6至50×10-6m的炭或氧化铝催化剂载体颗粒上，存在2至20nm的贵金属催化剂颗粒。这些反应通常是快速的并且要求小载体颗粒以防止扩散限制。在旋转圆盘浆体反应器中，贵金属颗粒在液体中自由地移动并且具有良好的可达性。传质系数比常规催化剂大100万至1亿倍，对于极快的反应这是理想的。由于可以实现高传热速率(如前所述)，因而在装置中可高效率地除去通常伴随极快反应的反应高热。
本发明可以用作对微尺度混合(如结晶、聚合以及顺序和/或平行竞争反应)为敏感的过程的反应器。在此规模下，晶体粒度分布、分子量和/或选择性、以及期望的反应产物的产率对混合强度敏感。在高达2000转/分钟的转速和低至0.5mm的间距下，已实现在10-3至10-6秒范围内的微混合时间。可实现10-7秒的更低混合时间，但在已知的反应系统中很少需要该混合时间。
在本发明另一个实施例中，提供一种逆流多相接触装置，该装置使离心分离和逆流传质步骤相结合。此结合增加处理效率并且需要更小的处理设备，具有比常规设备小10至100倍的因数并且具有比现有离心设备小2至50倍的因数。根据本发明的一个实施例，典型的微观混合时间为10-3-10-6秒。设备尺寸的减小允许该过程在极端的温度和压力下安全且节省成本地运行。在不导致过大的设备成本的情况下，可以使用外来物、涂层、和材料产/构造过程。
目前为止已利用数个示例性实施例描述了本发明，这些实施例在所有方面均意图是说明性的而并非限制性的。因此，本发明在具体实施中能够具有许多变型，本领域技术人员可以从本文中的描述中获得这种变型。例如，如图3中所示的本发明的实施例可以包括两种以上的相、气体、液体和/或固体或者其组合，这些相在两个旋转圆盘之间以逆流方式接触，其中旋转圆盘具有不同或相同的转速。在图3中所示实施例的另一方面，至少一个圆盘充当泵送圆盘，并且根据图12a和图12b中所示实施例的构造(包括进口和出口以及相同或不同的圆盘直径)而构造。另一种变型包括多个级，并且单级等于上述泵送圆盘装置，其中各流体在单级中逆流地接触并且在各级之间逆流地流动。在上述变型中，将催化剂沉积在一个或多个圆盘的表面上，并且其中该表面可以构造成具有直径为1至5微米且和长度高达50微米的微尺寸的柱，以便容纳更多的催化剂并且/或者提供更多的传质，如图14中所示。除了不同转速的圆盘或泵送圆盘实施例外，还形成分别在相反方向上移动到旋转圆盘中心和周边的轻或重的固体相。可替代地，形成分别在相反方向上移动到旋转圆盘的中心和周边的气体相和固体相。另一种变型包括以执行电化学反应为目的一些作为阴极的圆盘以及一些作为阳极的圆盘，如图9中所示。
所有这种变型被看作是在由所附权利要求及其法律等同物所限定的本发明的范围和精神内。

Claims (20)

1.一种多相接触级，包括：
a.第一可旋转圆盘，其中所述第一可旋转圆盘包括空心圆盘形腔、输入口和输出口；以及
b.第二可旋转圆盘，其中所述第二可旋转圆盘包括带通道的腔、输入口和输出口，其中所述第二可旋转圆盘被设置在所述第一可旋转圆盘的所述空心圆盘形腔中，其中所述第一可旋转圆盘和所述第二可旋转圆盘相对于轴线是同心的，其中所述多相接触级工作以使分离物的离心分离和逆流传质相结合。
2.如权利要求1所述的多相接触级，其中所述第一可旋转圆盘和所述第二可旋转圆盘围绕所述轴线旋转并且在所述轴线上以低至0.05mm的距离相互间隔。
3.如权利要求1所述的多相接触级，其中所述第一可旋转圆盘和所述第二可旋转圆盘以高达5000rpm的转速旋转。
4.如权利要求1所述的多相接触级，其中所述第一可旋转圆盘和所述第二可旋转圆盘是同向旋转或者反向旋转的。
5.如权利要求1所述的多相接触级，其中所述第一可旋转圆盘以第一转速旋转并且第二可旋转圆盘以第二转速旋转。
6.如权利要求1所述的多相接触级，其中第一接触级被堆叠在至少一个其它所述接触级上，其中所述分离物经过所述输入口和所述输出口在所述堆叠的接触级之间交换。
7.如权利要求1所述的多相接触级，其中所述第一可旋转圆盘和所述第二可旋转圆盘被设置成当所述第一可旋转圆盘和所述第二可旋转圆盘旋转时在所述接触装置中产生所述分离物的离心加速度。
8.如权利要求1所述的多相接触级，其中所述第一可旋转圆盘包括气体输入口。
9.如权利要求1所述的多相接触级，其中在所述第二可旋转圆盘中的所述通道被设置成从所述分离物中的相对较重相中分离出相对较轻相，其中所述相对较轻相向所述旋转轴线移动，其中所述相对较重相径向地向外移动。
10.如权利要求1所述的多相接触级，其中所述转速取决于所述分离物的特性、圆盘半径、和圆盘间距。
11.如权利要求1所述的多相接触级，其中所述第一可旋转圆盘包括传热通道。
12.如权利要求1所述的多相接触级，其中转子被设置在所述第一可旋转圆盘和所述第二可旋转圆盘之间。
13.如权利要求1所述的多相接触级，其中所述第二可旋转圆盘包括被所述通道的壁分开的一对同心的圆盘平板。
14.如权利要求13所述的多相接触级，其中所述相对的圆盘平板具有低至0.05mm的间距。
15.如权利要求13所述的多相接触级，其中所述相对的圆盘平板具有相同的直径或不同的直径。
16.如权利要求1所述的多相接触级，其中所述通道包括径向地向外延伸的线性或非线性形状。
17.如权利要求1所述的多相接触级，其中所述第一可旋转圆盘包括热输入口。
18.如权利要求1所述的多相接触级，其中所述第一可旋转圆盘包括第一电荷极性并且所述第二可旋转圆盘包括第二电荷极性，其中所述第一电荷极性与所述第二电荷极性相反。
19.如权利要求1所述的多相接触级，其中(i)所述第一圆盘的表面、(ii)所述第二圆盘的表面、或者(i)和(ii)包含催化剂。
20.如权利要求19所述的多相接触级，其中所述圆盘表面包含微观结构。
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