CN107224958B - 一种微波耦合超重力旋转床装置及其应用 - Google Patents

一种微波耦合超重力旋转床装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种微波耦合超重力旋转床装置及其应用。所述装置包括微波发生装置，所述微波发生装置能够将所发出的微波馈入由端盖和壳体组成的密闭腔体内部，作用于密闭腔体内部的反应物料以实现反应物料的加热和/或反应速率的提高。根据馈入方式不同，包括直接馈入式装置以及间接馈入式装置。本发明装置在充分发挥超重力旋转床强化传质以及混合的同时，利用微波对液体的自加热效应，实现对反应物料的快速加热，保证工艺温度，且利用微波的电磁效应，提高慢反应过程的反应速率。超重力旋转床内可以装填不同类型的填料，可以应用于液液、气液、液固、气液固等不同类型的含液体系，本发明具有设备投资少、能耗低、快速升温等优点。

Description

一种微波耦合超重力旋转床装置及其应用
技术领域
本发明涉超重力技术领域。更具体地，涉及一种微波耦合超重力旋转床装置及其应用。
背景技术
被誉为“化学工业的晶体管”的超重力技术在过程强化领域具有重要的应用，已在强化传质以及混合等化工过程中有成功且广泛的应用。超重力旋转床作为超重力技术的核心装备，利用旋转产生离心力模拟超重力环境，从而达到强化传质以及混合的效果，能显著缩小反应器以及分离装置的体积，在化学工业中产生了巨大的经济以及社会效益。目前为止，超重力技术已经应用于包括吸收、解吸等物理过程，以及缩合、磺化、超细粉体制备等化学反应过程。典型的超重力旋转床包括外壳、气体进出口、液体进出口、转子以及电机等。当超重力旋转床开始运转时，电机带动转子高速旋转，液体经过转子填料时被切割成液滴、液膜以及液丝等流体微元，从而使传质比表面积大大增加，传质以及混合效果得到强化。
传统的超重力旋转床一般通过夹套进行加热或保温。由于超重力旋转床体积较小，夹套的换热面积也较小。液相在超重力旋转床内为不连续流体，夹套对液相进行换热的能力十分有限。此外，流体在超重力旋转床内停留时间很短，导致在超重力旋转床较难实现快速升温的功能。被誉为“人类第二火焰”的微波，与传统的加热方式相比，具有加热速度快、加热均匀、物料吸收微波进行自发热等特点。研究表明，微波代替传统的加热方式具有很高的应用价值。但是，由于超重力旋转床内结构复杂，迄今为止，尚未有相关发明专利。
因此，开发能快速给流体加热或保温的微波耦合新型超重力旋转床十分重要。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种微波耦合超重力旋转床装置，以解决目前超重力旋转床反应器难以给流体快速升温或者长周期保温的问题。在充分发挥超重力旋转床强化传质以及混合的同时，利用微波对液体的自加热效应，实现反应物料的加热，保证工艺温度，实现反应的顺利进行，并且利用微波的电磁效应，提高慢反应过程的反应速率。
本发明的另一个目的在于提供一种如上所述的微波耦合超重力旋转床装置在液液、气液、液固、气液固等含液反应体系的应用。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种微波耦合超重力旋转床装置，包括外壳、转子和传动装置，所述外壳包括端盖和壳体，所述端盖和壳体组成密闭腔体，在该密闭腔体内设有转子，在转子上设有填料，所述转子通过转轴与密闭腔体外的传动装置连接，所述外壳上设有气体入口、气体出口、液体入口、液体出口和液体输入分布器，所述液体输入分布器自液体入口穿入并延伸到转子中心空腔中，且靠近最内圈填料内缘；所述装置还包括微波发生装置，所述微波发生装置能够将所发出的微波馈入由端盖和壳体组成的密闭腔体内部，作用于密闭腔体内部的反应物料以实现反应物料的加热和/或反应速率的提高。
进一步地，所述微波耦合超重力旋转床装置根据微波的馈入方式不同，包括直接馈入式装置以及间接馈入式装置。
在直接式的微波耦合超重力旋转床中，所述微波发生装置包括微波发生器以及用于将微波向密闭腔体内部馈入的波导，所述微波发生器位于端盖的外壁，通过隔离结构连接位于密闭腔体内部的波导。
一种直接式微波耦合超重力旋转床，包括壳体、端盖、转子和传动装置；所述壳体和端盖组成密闭腔体。电机带动转子进行旋转运动。液体通过液体进口管进入转子内腔，经喷头淋洒在转子内缘上。由于进入转子的液体受到转子内填料的剪切作用，其周向速度增加，所产生的离心力将液体推向转子外缘，在此过程中，液体表面被迅速更新，产生巨大的相间接触面积，极大提高了传质速率。所述端盖装有微波发生装置，微波发生装置包括用于发出微波的微波源以及用于将微波源发出的微波向超重力旋转床内溃入的波导，波导在于反应器连接部位上装有用于隔离反应器温度并向反应器炉内透入微波的隔离结构。
优选地，所述波导为金属接管。
优选地，隔离结构包括用于隔离超重力旋转床内温度并向反应器内透入微波的叠合隔热层，用于向反应器内导入微波并防止微波外溢的金属接管；叠合隔热层为依次叠合的塑料垫层、耐压玻璃层以及隔热层，叠合隔离层外套设有金属法兰，所述材料依次叠合于金属法兰的中空层内，金属法兰的一段为微波发生器，另一端为金属接管。
进一步地，金属接管的第二段接入超重力旋转床反应器内，金属法兰于超重力旋转床反应器端盖相连。
优选地，多个微波发生装置设置于超重力旋转床端盖的一侧；或者多个微波发生装置沿着超重力旋转床端盖的两侧对称分布，微波源与端盖相互垂直。
一种间接式微波耦合超重力旋转床，包括微波谐振腔以及超重力旋转床反应装置，其中微波谐振腔包括腔体以及微波发生器。
在间接式的微波耦合超重力旋转床中，所述微波发生装置包括微波发生器以及用于将微波向密闭腔体内部馈入的微波谐振腔；所述微波谐振腔包覆在旋转床装置外壳的外表面形成第二腔体，通过装置支撑架与旋转床装置固定；所述微波发生器位于微波谐振腔内壁。
优选地，所述外壳、转子的材质为非金属材料，
优选地，所述填料为整体式或散装式填料。
优选地，所述超重力旋转床内的填料为整体PTFE填料、整体碳化硅填料、整体陶瓷填料。
优选地，所述填料的材质为塑料、碳化硅或者陶瓷。
优选地，所述填料为具有催化性能的填料。
优选地，所述微波耦合超重力旋转床装置设置有接地保护装置，以降低装置暴漏在微波辐射中发生火花的危险。
优选地，所述旋转床装置上设有测温、测压装置，并且与微波发生装置控制器相连，实现温度、压力的可调节控制。
优选地，超重力旋转床反应装置包括陶瓷外壳、转子和传动装置，所述陶瓷壳体组成密闭腔体。电机用来带动填料进行旋转运动。所述微波耦合超重力旋转床具有温度压力显示控制报警功能。
优选地，所述微波发生器的功率为20～20000W。
本发明还提出一种如上所述的微波耦合超重力旋转床装置在液液、气液、液固、气液固等含液反应体系的应用。
对于液液反应体系，不同液体之间的体积流量比为1:1～1:100，优选1:1～1:50，更优选1:1～1:30。
对于气液反应体系，气液两种流体之间的体积流量比为1:1～1000:1，优选1:1～500:1，更优选1:1～100:1。
对于气液固或液固反应体系，所述固体为具有催化性能的填料。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的微波耦合超重力旋转床反应器，通过在反应器上耦合微波发生装置，合理设计微波发生的组成装置和安装位置，将微波馈入超重力旋转床内，并在微波发生器与超重力旋转床之间的连接部位设置隔离结构，防止反应器内的温度以及压力对微波发生器造成破坏。隔离结构既不影响微波的正常馈入，又能够很好的隔绝高温高压。或者通过微波谐振腔将所发出的微波馈入反应器的内部。通过微波的电磁场迫使物料中的极性分子从无序到有序排列，在电场高频转换过程中，极性分子快速转动，相互摩擦产生热量，物料从而实现加热。具有热效率高、控温迅速、反应速率快、温度均匀、清洁卫生等特点。在利用超重力旋转床强化传质以及混合的过程中，可保证工艺温度，使反应顺利进行，可广泛应用于化工、炼油、环保、冶金、药品、食品等领域。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明直接式微波耦合超重力旋转床结构示意图。
图2示出本发明直接式微波耦合超重力旋转床的微波发生装置示意图。
图3示出本发明间接式微波耦合超重力旋转床结构示意图。
图4示出包含本发明直接式微波耦合超重力旋转床的液液反应系统流程图。
图5示出包含本发明直接式微波耦合超重力旋转床的气液反应系统流程图。
图6示出包含本发明直接式微波耦合超重力旋转床的液固反应系统流程图。
图7示出包含本发明直接式微波耦合超重力旋转床的气液固反应系统流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
参见图1所示，一种直接式微波耦合的超重力旋转床，包括壳体108、端盖103、转子112和传动装置110；所述壳体108和端盖103组成密闭腔体109，在该密闭腔体109内设转子112，在转子112上设有填料102；所述转子112通过转轴111与密闭腔体外的传动装置110连接；所述壳体108上设有气体进口107和液体出口101；所述端盖上设有气体出口105和液体输入分布器106，该液体输入分布器自端盖穿入并延伸到转子中心空腔中，且靠近最内圈填料内缘；在超重力旋转床端盖上有微波发生装置104，多个微波发生装置104位于端盖一侧均匀分布；并且装置具有接地保护装置113；整个装置处于由装置底座114支撑。
进一步地改进实施例，所述外壳、转子的材质为非金属材料。
进一步地改进实施例，所述填料102中的填料为整体PTFE填料，整体碳化硅填料或整体陶瓷填料。
进一步地改进实施例，所述填料环中的填料为固定于环形填料芯筒中的具有催化功能的材料。
进一步地改进实施例，所述微波耦合超重力旋转床装置设置有电接触。
进一步地改进实施例，所述微波发生器的功率为20～20000W。
如图2所示，为直接式微波耦合超重力旋转床的微波发生装置放大示意图。该微波发生装置包括微波发生器1041、隔离结构1042以及波导1043。所述微波发生器1041位于反应器端盖103的外壁，通过隔离结构1042连接位于密闭腔体内部的波导1043。
所述隔离结构1042包括用于隔离超重力旋转床内温度并向反应器内透入微波的叠合隔热层以及金属法兰。所述波导1043为用于向反应器内导入微波并防止微波外溢的金属接管；叠合隔热层为依次叠合的塑料垫层、耐压玻璃层以及隔热层，叠合隔离层外套设有金属法兰，所述材料依次叠合于金属法兰的中空层内，金属法兰的一端为微波发生器，另一端为金属接口管。
实施例2
见图3所示，一种间接式微波耦合超重力旋转床装置，包括微波发生装置以及超重力旋转床反应装置，其中微波发生装置包括微波谐振腔201、装置支撑架202以及微波发生器211。所述微波谐振腔201包覆在旋转床装置外壳的外表面形成第二腔体，通过装置支撑架202与旋转床装置固定；所述微波发生器211位于微波谐振腔201内壁。超重力旋转床反应装置包括陶瓷外壳209、转子208和传动装置206，所述陶瓷壳体组成密闭腔体。在超重力反应装置上，分别具有液体进口207、液体出口212；气体进口210、气体出口205，电机用来带动填料进行旋转运动。所述微波耦合超重力旋转床具有温度压力显示控制报警功能的装置203/204，并且与微波发生装置控制器相连，实现温度、压力的可调节控制。
实施例3
参见图4所示，一种包括实施例1所述的超声波耦合超重力旋转床的液液反应系统装置300，包括微波耦合超重力旋转床301，在超重力旋转床端盖相同一侧具有对称分布的微波发生器，转子为整体碳化硅的填料、液体输入分布器302，泵303、进料罐304、产品罐305。上述所述装置通过硅胶管相连，连接方式见图4。
实施例4
参见图5所示，一种包括实施例1所述的超声波耦合超重力旋转床的气液反应系统装置400，包括微波耦合的超重力旋转床401，在超重力旋转床端盖相同一侧具有对称分布的微波发生器，转子为整体碳化硅的填料、进料泵402、进料罐403、气源404、气体控制开关405、气体流量计406和产品罐407；述所述装置通过硅胶管相连，连接方式见图5。
实施例5
参见图6所示，一种包括实施例1所述的超声波耦合超重力旋转床的液固反应系统装置500，包括微波耦合的超重力旋转床501，在超重力旋转床端盖相同一侧具有对称分布的微波发生器，转子为具有催化性能的填料、进料泵502、进料罐503、产品罐504；填料为具有催化功能的填料，所述装置通过硅胶管相连，连接方式见图6。
实施例6
参见图7所示，一种包括实施例1所述的超声波耦合超重力旋转床的气液固反应系统装置600，包括微波耦合的超重力旋转床601，在超重力旋转床端盖相同一侧具有对称分布的微波发生器，转子为具有催化性能的填料、进料泵602、进料罐603、气源604、气体控制开关605、气体流量计606和产品罐607；述所述装置通过硅胶管相连，连接方式见图7。
实施例7
参见图4所示，一种微波耦合的超重力旋转床在液液反应中的应用，包括如下步骤：将上述系统应用于丁苯橡胶聚合，将丁二烯、苯乙烯溶液由泵进入超重力旋转床内，并且加入添加剂，开动微波发生器，保持温度100-150℃，抽真空，得到样品。
与使用传统的无微波耦合装置的超重力旋转床相比，该样品的制备时间缩短1～1.5h。丁苯橡胶单体转化率为56～74％。
实施例8
参见图5所示，一种微波耦合的超重力旋转床在气液反应中的应用，包括如下步骤：将上述系统应用于脲醛树脂脱除甲醛，含有游离甲醛含量的脲醛树脂通过液体泵进入旋转床，开启旋转床以及微波发生器，升温到80℃，通入氮气，按照国家标准《GB/T14074.16-1993》测量脲醛树脂中游离甲醛的含量。
与使用传统的无微波耦合装置的超重力旋转床相比，甲醛脱除率提高了23％，并且脱除时间明显缩短，生产效率明显提高。
实施例9
参见图6所示，一种微波耦合的超重力旋转床在液固反应中的应用，包括如下步骤：将上述系统应用于甲醇制备二甲醚，采用含水量1.59％的甲醇溶液由泵加入反应器中，其中转子为具有催化性能的固体材料，升温到275℃，制备得到二甲醚。
与无微波耦合超重力旋转床相比，使用微波耦合超重力旋转床装置，升温时间快30～50min，生产效率得到提升,甲醇转化率达85％，二甲醚的选择性为99.9％。
实施例10
参见图7所示，一种微波耦合的超重力旋转床在气固液反应中的应用，包括如下步骤：将上述系统应用于柴油加氢，采用柴油超深度加氢脱硫催化剂FHUDS-6，氢分压6.15MPa，采用微波加热至反应温度352℃。
使用微波耦合超重力旋转床装置，升温时间明显缩短,柴油产品脱硫率为98.02％。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (16)

1.一种微波耦合超重力旋转床装置，包括外壳、转子和传动装置，所述外壳包括端盖和壳体，所述端盖和壳体组成密闭腔体，在该密闭腔体内设有转子，在转子上设有填料，其特征在于：所述装置还包括微波发生装置，所述微波发生装置能够将所发出的微波馈入由端盖和壳体组成的密闭腔体内部，作用于密闭腔体内部的反应物料以实现反应物料的加热和/或反应速率的提高；
所述微波发生装置包括微波发生器以及用于将微波向密闭腔体内部馈入的波导，所述微波发生器位于端盖的外壁，通过隔离结构连接位于密闭腔体内部的波导。
2.根据权利要求1所述的一种微波耦合超重力旋转床装置，其特征在于：所述波导为金属接管；所述隔离结构包括叠合隔热层以及金属法兰，所述叠合隔热层包括塑料垫层、耐压玻璃层以及隔热层，依次叠合于金属法兰的中空层内；金属法兰的一端为微波发生器，另一端为金属接管。
3.根据权利要求1所述的一种微波耦合超重力旋转床装置，其特征在于：多个微波发生装置设置于超重力旋转床端盖的一侧；或者多个微波发生装置沿着超重力旋转床端盖的两侧对称分布，微波源与端盖相互垂直。
4.根据权利要求1所述的一种微波耦合超重力旋转床装置，其特征在于：所述微波发生装置包括微波发生器以及用于将微波向密闭腔体内部馈入的微波谐振腔；所述微波谐振腔包覆在旋转床装置外壳的外表面形成第二腔体，通过装置支撑架与旋转床装置固定；所述微波发生器位于微波谐振腔内壁。
5.根据权利要求1所述的一种微波耦合超重力旋转床装置，其特征在于：所述外壳、转子的材质为非金属材料。
6.根据权利要求1所述的一种微波耦合超重力旋转床装置，其特征在于：所述填料为整体式或散装式填料。
7.根据权利要求1所述的一种微波耦合超重力旋转床装置，其特征在于：所述填料的材质为塑料、碳化硅或者陶瓷。
8.根据权利要求1所述的一种微波耦合超重力旋转床装置，其特征在于：所述填料为具有催化性能的填料。
9.根据权利要求1所述的一种微波耦合超重力旋转床装置，其特征在于：所述微波耦合超重力旋转床装置设置有接地保护装置。
10.根据权利要求1所述的一种微波耦合超重力旋转床装置，其特征在于：所述旋转床装置上设有测温、测压装置，并且与微波发生装置控制器相连，实现温度、压力的可调节控制。
11.一种如权利要求1-10任一所述的一种微波耦合超重力旋转床装置在含液反应体系的应用。
12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于：对于液液反应体系，不同液体之间的体积流量比为1:1～1:100；对于气液反应体系，气液两种流体之间的体积流量比为1:1～1000:1；对于液固或气液固反应体系，所述固体为具有催化性能的填料。
13.根据权利要求11所述的应用，其特征在于：对于液液反应体系，不同液体之间的体积流量比为1:1～1:50。
14.根据权利要求11所述的应用，其特征在于：对于液液反应体系，不同液体之间的体积流量比为1:1～1:30。
15.根据权利要求11所述的应用，其特征在于：对于气液反应体系，气液两种流体之间的体积流量比为1:1～500:1。
16.根据权利要求11所述的应用，其特征在于：对于气液反应体系，气液两种流体之间的体积流量比为1:1～100:1。
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