CN108748973A - 超重力旋转床用气体补偿式扇形规整填料的3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超重力旋转床用气体补偿式扇形规整填料的3D打印方法。具体方法是：利用三维建模软件构建模型，模型主要是由具有轴对称性的扇叶结构和丝网结构两部分组成，从而保证填料整体结构的动平衡性；相邻两层扇叶结构之间留有一定空隙，从而实现气体在填料中的多次加速和减速，防止填料堵塞；丝网结构由正三角构成，起到了大尺度液体剪切分散和小尺度流体捕集作用；构建好模型以后，利用3D打印技术制造出实体模型。本发明所述规整填料，扇形结构在保证气体停留时间的同时使填料自身具有引导气流的作用，可以省去风机；由于丝网结构的特点及其特殊搭建方式，气液混合更加充分，传质效果进一步强化，大大提高了设备的分离与微观混合能力。

Description

超重力旋转床用气体补偿式扇形规整填料的3D打印方法

技术领域

本发明涉及一种超重力旋转床用气体补偿式扇形规整填料的3D打印方法，属于传质反应技术领域。

背景技术

超重力技术是强化多相流传递及反应过程的新技术，上个世纪超重力机问世以来，在国内外受到广泛的重视，由于它的广泛适用性以及具有传统设备所不具有的体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活以及更能适应环境等优点，使得超重力技术在环保和材料生物化工等工业领域中有广阔的商业化应用前景。但目前超重力技术还主要处于应用开发阶段，集中体现在超重力气-液传质、超重力液-液传质、超重力气-固流态化和超重力气-液-固多相传质等方面。

在超重力设备中，决定相间传质效果的核心部件是旋转床填料。相比于传统塔填料，旋转填料不仅具有较高的比表面积和孔隙率，为气液提供高效的接触场所，还可以通过高速旋转对液体剪切、离心和聚并作用，实现流体的细切割，增强流体的湍动程度。

一般来讲，填料传质效率的高低取决于多种因素，主要的影响因素有气液接触时间、液体形态(液膜厚度或液体尺寸)、填料的结构及气液分布状况(初始气液分布和填料内的气液分布)，通过从现有旋转填料本体结构的分析发现，旋转填料中结构对气液传质、气相压降及气液分布影响最大，其填料的结构是影响传质效率的最重要影响因素。

从旋转床填料结构研究现状来看，填料结构主要分为散装填料和规整填料两大类。文献报道散装填料较多，包括丝网填料、颗粒散装填料和泡沫铝填料等；规整填料主要包括同心环波纹板填料、不锈钢多孔波纹板填料和塑料多孔板填料等。对于散装填料，在安装时通常很难达到良好的均匀性和对称性，特别是高速旋转的转子在不同径向位置所受的离心力不同，长期运转会导致填料分布在径向方向上产生内疏外密的分布，导致流体分布不均，从而降低传质效率。当填料在转子中的均匀性和对称性被打破时，就会导致旋转床的震动和摆动，这种震动和摆动会更加恶化填料在转子中的对称性，从而导致设备寿命的缩短和传质效率的降低。更重要的是，由于丝网等散装填料的不规则性，液体在旋转填料内分布不均匀，导致填料层各微小空间内液体量不同：有的空间留有空隙可供气体通过，这类似于“导电”；有的空间被液体充满，气体无法通过，则类似于“绝缘”。整个填料层就是由大量“导电”和“绝缘”的空隙栅格组成。当没有液体流动时，填料层处于“导电”状态，此时电阻最小；随着流量逐渐加大，电阻逐渐增大，而发生液泛时，整个填料层就处于绝缘状态。因此填料层内气液接触过程可被看成是空隙栅格不断“导电”和“绝缘”的过程。因此，开发一种填料使其基本保证整个床层处于“导电”状态势在必行，而规整填料具有这一优点，但填料塔与超重力旋转床结构差异较大，所以不能简单地将塔设备中的规整填料用在旋转床中，从公开文献报道来看，有关规整填料在超重力旋转床中的研究报道很少。因此，优化填料结构，开发高效率、高通量、低气阻、安装维修方便的规整填料对超重力旋转床的工业化进程具有重要的意义。但是由于过去技术的局限，无法对规整填料的精细结构进行构建，所开发出来的新型规整填料分离效率差，气液分布不均匀，动平衡性差，易堵塞，维护更换不方便，大大的限制超重力旋转床的进一步发展和应用。

随着时代的进步，三维建模软件和3D打印技术已经取得长足的进步。3D打印技术是一种以三维建模软件构建的数字模型为基础，运用粉粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的新型成型技术。随着时代的进步，3D打印机的精度越来越高，精度已经可以达到0.001mm，因此利用3D打印机根据流体对通道的需求来构建旋转填料的精细结构已经完全可以实现。

发明内容

本发明旨在提供一种超重力旋转床用气体补偿式扇形规整填料的3D打印方法，针对现有的超重力旋转床用填料分布不均匀、动平衡性差、易堵塞、不易维护更换和结构不精细的问题，本方法设计出的新型3D规整填料具有传质速率高、气相压降小、动平衡性能好、通量大、安装维修方便等优势。

本发明提供了一种超重力旋转床用气体补偿式扇形规整填料的3D打印方法，采用三维建模软件构建模型，模型是由环形分布的扇形结构和丝网结构两部分组成，扇形结构和丝网结构相互嵌套，互为支撑构成填料主体；再通过3D打印技术制造出扇形规整填料。该填料主体具有稳定结构的同时起到了大尺度流体剪切分散和小尺度流体捕集及分散作用。

所述丝网结构为正三角形构成的圆筒状结构，多个丝网结构沿径向叠加形成扰动丝网结构，是填料主体的一部分。

所述扇形结构的基本单元为扇叶沿环形依次排列形成的结构，扇形基本单元沿轴向平行排列构成扇形扰动结构，扇形扰动结构沿径向叠加排列构成扇形支撑结构；扇形支撑机构与扰动丝网结构叠加组成填料主体。

上述方法中，填料的成形过程为：

（1）构建扇形基本单元：

通过三维软件扫描、投影、加厚功能构建风扇结构：由等距离叶片构成环形的风扇结构；去除外部支撑，留下扇形基本单元；

（2）构建扇形扰动结构：

相邻两层扇形基本单元错开0~90º轴向叠加安装，形成具有多次加速、减速气体作用的扇形扰动结构；

（3）构建扇形支撑结构：

将不同直径的扇形扰动结构沿径向叠加，依次构建和安装形成扇形支撑结构；

（4）构建丝网结构：

由正三角形构成的三角形丝网组成丝网结构，为圆筒状；

（5）构建扰动丝网结构：

将不同直径的丝网结构沿径向叠加，依次构建和安装形成扰动丝网结构；

（6）填料主体构建完成：

将步骤（3）所得的扇形支撑结构和步骤（5）所得的扰动丝网结构相互嵌套，互为支撑叠加安装在一起形成填料主体。

上述方法中，所述填料主体是由扇形结构和丝网结构构成填料主体。

所述扇形基本单元是风扇结构去除外部支撑后剩余的部分；所述风扇结构由外部支撑和内部的扇叶组成，外部支撑为环形结构，扇叶在支撑内部均匀排列。

进一步地，所述扇叶为：根据不同需要采用具有不同叶片数目、叶片间距、叶片曲率的扇形结构，起引导气体的作用。

所述扇形扰动结构：相邻两层扇叶结构平行安装，且二者错开0~90°，间隔5-50mm，扇形扰动结构具有多次加速减速气体的作用。

上述方法中，采用三维建模来构建填料主体，通过三维建模软件，利用其具有的拉伸、旋转、扫描功能的灵活运用，从而实现对填料实体结构的搭建，来构建新型填料，实现了对填料精细结构的构建；将三维建模得到的模型导入高精度的3D打印机，从而得到实体填料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：填料由具有中心对称性的扇叶结构和丝网结构两部分组成，从而保证填料整体结构的动平衡性。扇叶结构的主要作用是降低压降、引导和加强空气流动、构建支撑、促进大尺度流体的撞击分散、增强气体的湍动程度、气液相对切向滑移速度，相邻两层扇形结构之间留有一定空隙，从而实现气体在填料中的多次加速和减速，防止填料堵塞；丝网结构由三角形构成，使之具有稳定的结构，主要起到了大尺度流体剪切分散和小尺度流体捕集及分散作用。构建好模型以后，利用3D打印技术制造出实体模型。

本发明的有益效果：这种新型填料结构简单、紧凑并且合理，扇形结构引入在保证气体停留时间的同时使填料自身具有引导气体的作用，可以省去设备的风机，从而实现对设备的简化；由于丝网结构本身的的特点以及其特殊搭建方式，在保证高孔隙率和减少堵塞的同时，使得气液混合物在甩出的过程中会反复和填料碰撞，不断改变方向，并分散、聚拢，运动形式接近于无规则的布朗运动，在减少压降的同时，滞留反应的时间和填料内流经距离明显延长，气液混合非常充分，强化了填料的传质效果，进而大大的提高了设备的分离能力。

附图说明

图1是风扇结构。

图2是去除外部支撑后，留下的扇形基本单元。

图3相邻两层扇形基本单元错开一定角度并且间隔一定距离安装，形成具有多次加速减速气体的作用的扇形扰动结构。

图4扇形扰动结构随直径增加依次构建和安装形成扇形支撑结构。

图5由正三角形丝网组成丝网结构。

图6丝网结构随直径增加依次构建和安装形成扰动丝网结构。

图7是由扇形支撑结构和扰动丝网结构安装在一起形成填料主体。

图中1为风扇结构，2为扇形基本单位，3为扇形扰动结构，4为扇形支撑结构，5为丝网结构，6为扰动丝网结构，7为填料主体。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~7所示，采用三维建模软件构建模型，模型是由环形分布的扇形结构和丝网结构两部分组成，扇形结构和丝网结构相互嵌套，互为支撑构成填料主体；再通过3D打印技术制造出扇形规整填料。该填料主体具有稳定结构的同时起到了大尺度流体剪切分散和小尺度流体捕集及分散作用。

所述丝网结构为正三角形构成的圆筒状结构，多个丝网结构沿径向叠加形成扰动丝网结构，是填料主体的一部分。

所述扇形结构的基本单元为扇叶沿环形依次排列形成的结构，扇形基本单元沿轴向平行排列构成扇形扰动结构，扇形扰动结构沿径向叠加排列构成扇形支撑结构；扇形支撑机构与扰动丝网结构叠加组成填料主体。

上述方法中，填料的成形过程为：

（1）构建扇形基本单元：

通过三维软件扫描、投影、加厚功能构建风扇结构1：由等距离叶片构成环形的风扇结构1；去除外部支撑，留下扇形基本单元2；

（2）构建扇形扰动结构：

相邻两层扇形基本单元2错开0~90º轴向叠加安装，形成具有多次加速、减速气体作用的扇形扰动结构3；

（3）构建扇形支撑结构：

将不同直径的扇形扰动结构3沿径向叠加，依次构建和安装形成扇形支撑结构4；

（4）构建丝网结构：

由正三角形构成的三角形丝网组成丝网结构5，为圆筒状；

（5）构建扰动丝网结构：

将不同直径的丝网结构5沿径向叠加，依次构建和安装形成扰动丝网结构6；

（6）填料主体构建完成：

将步骤（3）所得的扇形支撑结构4和步骤（5）所得的扰动丝网结构6相互嵌套，互为支撑叠加安装在一起形成填料主体。

上述方法中，所述填料主体是由扇形结构和丝网结构构成填料主体。

所述扇形基本单元是风扇结构去除外部支撑后剩余的部分；所述风扇结构由外部支撑和内部的扇叶组成，外部支撑为环形结构，扇叶在支撑内部均匀排列。

进一步地，所述扇叶为：根据不同需要采用具有不同叶片数目、叶片间距、叶片曲率的扇形结构，起引导气体的作用。

所述扇形扰动结构：相邻两层扇叶结构平行安装，且二者错开0~90°，间隔5-50mm，扇形扰动结构具有多次加速减速气体的作用。

Claims (6)

1.超重力旋转床用气体补偿式扇形规整填料的3D打印方法，其特征在于：采用三维建模软件构建模型，模型是由环形分布的扇形结构和丝网结构两部分组成，扇形结构和丝网结构相互嵌套，互为支撑构成填料主体；再通过3D打印技术制造出扇形规整填料；

所述丝网结构为正三角形构成的圆筒状结构，多个丝网结构沿径向叠加形成扰动丝网结构，是填料主体的一部分；

所述扇形结构的基本单元为扇叶沿环形依次排列形成的结构，扇形基本单元沿轴向平行排列构成扇形扰动结构，扇形扰动结构沿径向叠加排列构成扇形支撑结构；扇形支撑机构与扰动丝网结构间隔重复排列构成填料主体。

2.根据权利要求1所述的超重力旋转床用气体补偿式扇形规整填料的3D打印方法，其特征在于：填料的成形过程为：

（1）构建扇形基本单元：

通过三维软件扫描、投影、加厚功能构建风扇结构：由等距离叶片构成环形的风扇结构；去除外部支撑，留下扇形基本单元；

（2）构建扇形扰动结构：

相邻两层扇形基本单元错开0~90º轴向叠加安装，形成具有多次加速、减速气体作用的扇形扰动结构；

（3）构建扇形支撑结构：

将不同直径的扇形扰动结构沿径向叠加，依次构建和安装形成扇形支撑结构；

（4）构建丝网结构：

由正三角形构成三角形丝网组成丝网结构，为圆筒状；

（5）构建扰动丝网结构：

将不同直径的圆筒丝网结构沿径向叠加，依次构建和安装形成扰动丝网结构，构成多层圆筒状结构；

（6）填料主体构建完成：

将步骤（3）所得的扇形支撑结构和步骤（5）所得的扰动丝网结构相互嵌套，互为支撑叠加安装在一起形成填料主体。

3.根据权利要求2所述的超重力旋转床用气体补偿式扇形规整填料的3D打印方法，其特征在于：所述扇形基本单元是风扇结构去除外部支撑后剩余的部分；所述风扇结构由外部支撑和内部的扇叶组成，外部支撑为环形结构，扇叶在支撑内部均匀排列。

4.根据权利要求3所述的超重力旋转床用气体补偿式扇形规整填料的3D打印方法，其特征在于：所述扇叶为：根据不同需要采用具有不同叶片数目、叶片间距、叶片曲率的扇形结构，起引导气体的作用。

5.根据权利要求2所述的超重力旋转床用气体补偿式扇形规整填料的3D打印方法，其特征在于：所述扇形扰动结构：相邻两层扇叶结构平行安装，且二者错开0~90°，间隔5-50mm，扇形扰动结构具有多次加速减速气体的作用。

6.根据权利要求2所述的超重力旋转床用气体补偿式扇形规整填料的3D打印方法，其特征在于：采用三维建模来构建填料主体，通过三维建模软件，利用其具有的拉伸、旋转、扫描功能的灵活运用，实现对填料实体结构的搭建，来构建新型填料，将三维建模得到的模型导入高精度的3D打印机，得到实体填料。