CN108635897B - 一种折流式超重力旋转床磁场强化精馏设备 - Google Patents
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Abstract
一种折流式超重力旋转床磁场强化精馏设备，包括壳体和装于壳体内腔的折流式转子，所述折流式转子包括静盘、动盘以及旋转轴，静盘上设有若干直径不同的同心静圈，且相邻同心静圈之间留有用于容纳动盘同心动圈的间隙，同心静圈、同心动圈相互嵌套并交错排布；至少一个同心动圈的下部环壁不开孔区域、至少一个同心静圈的环壁上以及壳体的壁面均贴覆磁性材料层。本发明的有益效果是：在保持折流式旋转床能在单台旋转床设备实现连续精馏的结构基础上，增加了磁场，从而改变物质的粘度、表面张力等物性，物质间的相对挥发度，以及恒沸物系的恒沸点，提高气液传质效率和强化气液分离过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种折流式超重力旋转床磁场强化精馏设备。
背景技术
精馏利用组分挥发度的差异对液体混合物进行分离的一种单元操作，是化工生产过程中一种最为常用的、也是发展最为成熟的分离过程。传统的精馏塔器设备中，液体是在重力作用下向下流动，气体在压差的作用下向上流动，由此产生的气液传质速率较小。超重力指的是在比地球重力加速度大得多的环境下物质所受到的力，在化工过程中常通过旋转产生离心力而实现。在超重力环境下，不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程比普通重力场快得多。气液两相在多孔道中受超重力作用而快速流动接触，巨大的剪切力使液体形成微米级的液膜、液滴和液丝，并产生快速更新的相界面。处于高分散和强湍流中的气液两相的相间传质过程得到高度的强化，其传质速率比传统的精馏塔器设备提高1～3个数量级。超重力精馏具有设备体积小、压降低、液泛点高和传质效率高等优点、是实现强化精馏的一项突破性技术。中国专利01134321.4公开的折流式超重力旋转床装置具有动静折流圈相互嵌套的转子，能够实现液体中间进料，适合在单台旋转床设备实现连续精馏。中国专利2005100492145.1公开的多层折流式超重力旋转床装置，在壳体内设有同轴串联的多个动静折流圈相互嵌套的转子，能够增加单台设备的传质能力。中国专利201710012625.3公开的复合式折流旋转床传质与反应设备改变气液流体的流动路径，有效延长气液接触时间，改善气液分布不均，提高气液传质效率。
折流式超重力旋转床不使用填料而导致气液传质效率不高，并且同轴串联的转子个数有限，故折流式超重力旋转床精馏对于要求理论塔板数很多的精馏分离无能为力。
中国实用新型专利201521103254.2公开的一种精馏塔塔板及包括这种塔板的精馏塔，塔盘包括包裹材料层和磁性材料层，塔板之间通过磁性材料层形成磁场，强化分离过程。中国实用新型专利20162121083923.9公开的一种磁精馏系统，该磁精馏系统通过在再沸器外部设置外加磁场，改变物系的粘度、表面张力等物性和气液平衡条件，强化气液分离过程，提高分离效率。但是，现有的折流式超重力旋转床都存在一个共同的问题：气液传质效率不高，这使得精馏效果低。
发明内容
针对现有的折流式超重力旋转床气液传质效率不高的问题，本发明提供了一种可以提高气液传质效率的折流式超重力旋转床磁场强化精馏设备。
本发明所述的一种折流式超重力旋转床磁场强化精馏设备，包括壳体和装于壳体内腔的折流式转子，壳体顶部与气体入口管管路连通，壳体上端中部与气体出口管管路连通，壳体上端中部设有液体入口管，壳体上端和下端偏离中心的位置分别设有液体进料管和液体出口管，所述折流式转子包括静盘、动盘以及旋转轴，其中静盘固装于壳体内顶面上，旋转轴一端伸入壳体内腔并与之密封转动连接，动盘固装在旋转轴伸入壳体内腔的一端，动盘与旋转轴同步周向转动，其特征在于：所述动盘上设有若干直径不同的同心动圈，同心动圈的上部环壁上均匀分布若干通孔，所述静盘上设有若干直径不同的同心静圈，且相邻同心静圈之间留有用于容纳动盘同心动圈的间隙，同心静圈、同心动圈相互嵌套并交错排布；至少一个同心动圈的下部环壁不开孔区域、至少一个同心静圈的环壁上以及壳体的壁面均贴覆磁性材料层。
所述液体入口管的下端沿壳体中心轴向下延伸至壳体内腔底部，并与动盘表面留有间隙。
所述磁性材料层包括环形磁性材料层和环形包裹材料层，所述环形磁性材料层的外表面覆盖一层环形包裹材料层，环形包裹材料层粘附在同心动圈、同心静圈以及壳体的壁面上，且环形磁性材料层为铁铬钴系列磁材料，而环形包裹材料层为碳钢材料。
所述磁性材料层的厚度为动圈和静圈相邻间距的0.05～0.3倍；动圈上的磁性材料层的高度是该动圈的下部环壁不开孔区域高度的0.5～1.0倍，静圈上的磁性材料层的高度是静圈的高度的0.5～1.0倍。
壳体上的环形磁性材料层的厚度为动盘外缘到壳体内壁间距的0.05～0.3倍，壳体上的环形磁性材料层的高度为壳体高度的0.5～1.0倍。
动盘及其同心动圈、静盘及其同心静圈和壳体的材质为碳钢。
在该设备的动静折流圈相互嵌套的转子内部产生磁场。磁场对电子的自旋或轨道运动形成的磁矩有强烈的诱导作用，改变电子能态和原子、分子间的相互作用。磁场既改变分子的微观状态和结构，又对物质分子间作用力产生影响，从而影响物质的宏观性质。对于精馏过程，磁场降低了液体分子间的作用力，导致液体的表面张力和粘度下降，因而折流式旋转床转子内动圈甩出的液滴直径减小和静圈内壁的液膜流动加快，提高精馏过程的气液传质效率。磁场诱发氢键产生大幅度振动，促使氢键大量断裂，从而大幅度增大具有氢键作用的溶液组分间的相对挥发度，增强磁化精馏的磁化效果。另外，在磁场作用下，恒沸物系的恒沸点可能会发生漂移，从而恒沸温度和恒沸组成得到明显改变，因而可以采用非恒沸物系的精馏设备对恒沸物系进行精馏。
本发明的有益效果是：在保持折流式旋转床能在单台旋转床设备实现连续精馏的结构基础上，增加了磁场，从而改变物质的粘度、表面张力等物性，物质间的相对挥发度，以及恒沸物系的恒沸点，提高气液传质效率和强化气液分离过程。
附图说明
图1为本发明的结构示意图一；
图2为本发明的结构示意图二；
图3为本发明的结构示意图三。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
参照附图：
实施例1本发明所述的一种折流式超重力旋转床磁场强化精馏设备，包括壳体13和装于壳体13内腔的折流式转子，壳体13顶部与气体入口管4管路连通，壳体13上端中部与气体出口管9管路连通，壳体13上端中部设有液体入口管10，壳体13上端和下端偏离中心的位置分别设有液体中间进料管11和液体出口管14，所述折流式转子包括静盘5、动盘1以及旋转轴15，其中静盘5固装于壳体13顶盖内顶面上，旋转轴15一端伸入壳体13内腔并与之密封转动连接，动盘1固装在旋转轴伸入壳体内腔的一端，动盘1与旋转轴15同步周向转动，所述动盘1上设有若干直径不同的动圈1同心动圈2，动圈1同心动圈2的上部环壁上均匀分布若干通孔8，所述静盘5上设有若干直径不同的同心静圈6，且相邻同心静圈6之间留有用于容纳动盘同心动圈的间隙，同心静圈6、动圈1同心动圈2相互嵌套并交错排布；至少一个动圈1同心动圈2的下部环壁不开孔区域、至少一个同心静圈的环壁上以及壳体的壁面均贴覆磁性材料层。
所述液体入口管10的下端沿壳体中心轴向下延伸至壳体内腔底部，并与动盘表面留有间隙。
所述磁性材料层包括环形磁性材料层和环形包裹材料层，所述环形磁性材料层的外表面覆盖一层环形包裹材料层，环形包裹材料层粘附在同心动圈、同心静圈以及壳体的壁面上，且环形磁性材料层为铁铬钴系列磁材料，而环形包裹材料层为碳钢材料，其中定义动圈上的磁性材料层为第一磁性材料层，包括第一环形磁性材料层3和第一环形包裹材料层3a；静圈上的磁性材料层为第二磁性材料层，包括第二环形磁性材料层7和第二环形包裹材料层7a；壳体上的磁性材料层为第三磁性材料层，包括第三环形磁性材料层12和第三环形包裹材料层12a。
动圈1同心动圈2壁上的环形包裹材料层和环形磁性材料层可以在全部的同心动圈壁上固定，也可以在某个同心动圈壁上固定，环形包裹材料层和环形磁性材料层既可以在同心动圈内壁上固定，也可以在同心动圈外壁上固定。同心静圈壁上的环形包裹材料层和环形磁性材料层可以在全部同心静圈壁上固定，也可以在某个同心静圈壁上固定，环形包裹材料层和环形磁性材料层既可以在同心静圈内壁上固定，也可以在同心静圈外壁上固定。
所述磁性材料层的厚度为动圈和静圈相邻间距的0.05～0.3倍；动圈上的磁性材料层的高度是该动圈的下部环壁不开孔区域高度的0.5～1.0倍，静圈上的磁性材料层的高度是静圈的高度的0.5～1.0倍。
壳体13上的环形磁性材料层的厚度为动盘外缘到壳体内壁间距的0.05～0.3倍，壳体13上的环形磁性材料层的高度为壳体高度的0.5～1.0倍。
动盘1及其动圈1同心动圈2、静盘5及其同心静圈6和壳体13的材质为碳钢。
旋转轴15带动动盘1和动圈1同心动圈121高速旋转。气体从气体入口管4进入，从同心静圈6的下隙进入折流式旋转床转子，然后螺旋型上升和螺旋型下降依次通过一系列的同心静圈6和动圈1同心动圈2，从气体出口管9流出，离开折流式旋转床。液体从液体入口管10进入折流式旋转床转子，液体被动圈1同心动圈2上部开有的均匀排列的圆形的通孔222破碎成微米级的细小液滴，细小液滴被同心静圈6内壁收集，形成液膜在重力作用下向下流动，通过同心静圈6的下隙甩到动圈1上，然后再次被动圈1的圆形通孔8破碎成微米级液滴。液体依次通过一系列的动圈1同心动圈2和同心静圈6，最后被壳体13内壁收集，从液体出口管14流出。另一股液体从液体中间进料管11进入折流式旋转床转子，与从液体入口管10进入旋转床转子的液体混合，依次通过一系列的动圈1同心动圈2和同心静圈6，从液体出口管14流出。固定在动圈1内壁上、静圈21外壁上和壳体13内壁上的环形磁性材料层(3、7、12)在转子内部产生强磁场，导致液体的表面张力和粘度下降，因而折流式旋转床转子内动圈1同心动圈2甩出的液滴直径减小和同心静圈6内壁的液膜流动加快，提高气液传质效率。
实施例2：本发明的工作原理：折流式旋转床转子直径300mm和转子高度50mm，采用乙醇和水物性，进行全回流精馏实验。全回流实验精馏装置包括动圈1内壁上、静圈21外壁上和壳体13内壁上固定有环形磁性材料层(3、7、12)和环形包裹材料层(3a、7a、12a)的折流式超重力旋转床(如附体1所示)，冷凝器和再沸器。封住折流式超重力旋转床的液体中间进料管11，乙醇和水混合溶液先输送至再沸器中，被加热蒸汽加热气化，然后由折流式超重力旋转床气体入口管4进入旋转床。从折流式超重力旋转床气体出口管9流出的气体，从冷凝器上方进口进入冷凝器，气体冷凝成液体。液体由冷凝器下方出口流出，进入折流式超重力旋转床液相入口管10而进入旋转床。在转子内部的强磁场作用下，乙醇和水液体混合物的表面张力和粘度下降，导致折流式旋转床转子内动圈1同心动圈2甩出的液滴直径减小和同心静圈6内壁的液膜流动加快，因而精馏的气液传质效率得到提高。乙醇分子和水分子有氢键作用，因而强磁场能增大乙醇和水两组分间的相对挥发度，进一步增强磁化精馏的磁化效果。有磁场强化的折流式旋转床全回流精馏的等板高度比无磁场强化的折流式旋转床全回流精馏的等板高度低12％～17％，这说明磁场对精馏确实起到强化作用。
全回流实验精馏装置包括仅壳体13内壁上固定有第三环形磁性材料层12第三环形包裹材料层12a的折流式超重力旋转床(如附体2所示)，冷凝器和再沸器。有磁场强化的折流式旋转床全回流精馏的等板高度比无磁场强化的折流式旋转床全回流精馏的等板高度低3％～7％。这说明去除动圈1同心动圈2内壁上和同心静圈6外壁上的环形磁性材料层(3、7)和环形包裹材料层(3a、7a)会导致折流式旋转床的转子内的磁场强度下降，因而磁场强化精馏的效果降低。
实施例3：全回流实验精馏装置包括仅壳体13内壁上固定有第三环形磁性材料层12和第三环形包裹材料层12a的折流式超重力旋转床(如附体2所示)，冷凝器和再沸器。有磁场强化的折流式旋转床全回流精馏的等板高度比无磁场强化的折流式旋转床全回流精馏的等板高度低3％～7％。这说明去除动圈1同心动圈2内壁上和同心静圈6外壁上的环形磁性材料层(3、7)和环形包裹材料层(3a、7a)会导致折流式旋转床的转子内的磁场强度下降，因而磁场强化精馏的效果降低。
实施例4：全回流实验精馏装置包括仅壳体13外壁上固定有第三环形磁性材料层12和第三环形包裹材料层12a的折流式超重力旋转床(如附体3所示)，冷凝器和再沸器。有磁场强化的折流式旋转床全回流精馏的等板高度比无磁场强化的折流式旋转床全回流精馏的等板高度低2％～5％。这说明在壳体13外壁上固定环形磁性材料层产生的磁场强度比在壳体13内壁上固定环形磁性材料层产生的磁场强度低，因而磁场强化精馏的效果进一步降低。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (3)
1.一种折流式超重力旋转床磁场强化精馏设备，包括壳体和装于壳体内腔的折流式转子，壳体顶部与气体入口管管路连通，壳体上端中部与气体出口管管路连通，壳体上端中部设有液体入口管，壳体上端和下端偏离中心的位置分别设有液体进料管和液体出口管，所述折流式转子包括静盘、动盘以及旋转轴，其中静盘固装于壳体内顶面上，旋转轴一端伸入壳体内腔并与之密封转动连接，动盘固装在旋转轴伸入壳体内腔的一端，动盘与旋转轴同步周向转动，其特征在于：所述动盘上设有若干直径不同的同心动圈，同心动圈的上部环壁上均匀分布若干通孔，所述静盘上设有若干直径不同的同心静圈，且相邻同心静圈之间留有用于容纳动盘同心动圈的间隙，同心静圈、同心动圈相互嵌套并交错排布；至少一个同心动圈的下部环壁不开孔区域、至少一个同心静圈的环壁上以及壳体的内壁均贴覆磁性材料层；所述磁性材料层包括环形磁性材料层和环形包裹材料层，所述环形磁性材料层的外表面覆盖一层环形包裹材料层，环形包裹材料层粘附在同心动圈、同心静圈以及壳体的内壁上，且环形磁性材料层为铁铬钴系列磁材料，而环形包裹材料层为碳钢材料；
所述磁性材料层的厚度为动圈和静圈相邻间距的0.05~0.3倍；动圈上的磁性材料层的高度是该动圈的下部环壁不开孔区域高度的0.5~1.0倍，静圈上的磁性材料层的高度是静圈的高度的0.5~1.0倍；
壳体上的环形磁性材料层的厚度为动盘外缘到壳体内壁间距的0.05~0.3倍，壳体上的环形磁性材料层的高度为壳体高度的0.5~1.0 倍。
2.如权利要求1所述的一种折流式超重力旋转床磁场强化精馏设备，其特征在于：所述液体入口管的下端沿壳体中心轴向下延伸至壳体内腔底部，并与动盘表面留有间隙。
3.根据权利要求1所述的折流式超重力旋转床磁场强化精馏设备，其特征在于：动盘及其同心动圈、静盘及其同心静圈和壳体的材质为碳钢。
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