CN108790176B - 一种3d打印超重力旋转床用规整填料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了3D打印超重力旋转床用规整填料的方法，具体方法是：利用三维建模软件构建模型，模型是由丝棍结构组成的一个单元按照一定规则搭建堆积组成，从而组成在轴向上具有规则扰动结构、在径向上具有疏密交错的网格结构；最后利用3D打印技术制造出实体模型。这种新型填料采用特殊搭建方式，结合丝网结构的优势构建了分布合理的气液通道，在保证高孔隙率和减少堵塞的同时，使得流体在穿过填料的过程中会反复和填料碰撞，不断改变方向，并分散与聚并，运动形式接近于无规则的运动，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，气液混合更加充分，强化了填料的传质效果；规整填料增加了超重力装置运行的稳定性。

Description

一种3D打印超重力旋转床用规整填料的方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印超重力旋转床用规整填料的方法，属于传质反应设备领域。

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-固流态化技术和超重力气-液传质技术两个方面。

在超重力设备中，决定气液传质效果的核心部件是旋转床填料床。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、离心作用，实现流体的细切割，增强流体的湍动程度。因此，填料转子是一种高效传质和反应设备。

一般来讲，填料的分离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的本体结构的分析，总结出旋转填料中结构对气液传质、气相压降及气液分布产生的影响，通过总结分析可以得出，填料的结构是影响填料转子效率的最重要的影响因素。

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结构分布在径向方向上产生内疏外密的分布，从而会降低传质效率。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，由于颗粒丝网等散装填料的不规则性，导致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，全塔处于“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，全塔就处于绝缘状态。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。但是由于技术的不足，无法对规整填料的精细结构进行构建，导致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，维护更换很不方便，大大的局限超重力旋转床的进一步研究和发展。

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

本发明针对现有的超重力旋转床用填料及其空隙分布不均匀、动平衡性差、易堵塞、不易维护更换和结构不精细的问题，提供了提供一种3D打印超重力旋转床用规整填料的方法。

本发明方法是一种超重力旋转床用新型丝网规整填料的研发和设计方法，首先设计出一种规整结构的填料，然后与3D打印相结合，利用3D打印方法构建出旋转填料的精细结构，使得设计出的超重力旋转床用新型丝网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3D打印超重力旋转床用规整填料的方法，采用三维建模软件构建模型，模型是由丝棍结构组成的一个基本单元按照规则搭建堆积组成，从而组成在轴向上具有规则扰动结构、在径向上具有疏密交错网格结构的填料主体；再通过3D打印技术制造出实体模型；填料主体为圆柱体结构。

上述方法中，所述的填料主体由若干个基本单元组合而成，所述基本单元是由丝棍组成的六面体结构：六面体的上、下面为梯形，其腰线的延长线交于轴线；另外四个侧面为长方形，与轴线平行，且在每个长方形面上的两条对角线位置设有丝棍；

构建模型的过程为：由基本单元依次连接组成的环形阵列形成环状单元，每个基本单元的梯形两条腰线的延长线相交于填料主体的轴线上；环状单元在保证动平衡的前提下由内而外交错嵌套排列形成盘状体，盘状体在径向上交错叠加若干层，形成在轴向上具有规则的扰动结构、轴向丝网疏密交错的填料主体；

交错叠加是指错开0~10º叠加。

上述方法中，模型的具体构建过程如下：

（1）基本单元的构建：

由丝棍组成六面体结构：六面体的上、下面为梯形，另外四个侧面为长方形，且在每个长方形面上的两条对角线位置设有丝棍；首先构建出具有一定弧度的周向网状结构，两层网状结构通过径向支撑结构连接，构建出基本单元；

（2）环状单元的构建：

若干基本单元沿着圆周方向进行排布，形成一个环状单元；

（3）叠加不规则丝网：

构建相邻环状单元的基本单元的弧度相同，相邻的环状单元错开0~10º叠加结合，相邻的内外两层环状单元结构形成了不规则丝网；

（4）盘状体的构建：

依次向圆环内侧叠加环状单元，且相邻的环状单元错开0~10º，形成不同直径的若干个环状单元的结合，构建出盘状体；

（5）填料主体完成：

若干个盘状体平行叠加形成填料主体，盘状体在轴向上相邻两层之间错开0~20º叠加。

上述方法中，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。

本发明的有益效果：本发明的结构合理，利用基本单元搭建堆积组成，采用三维建模和3D打印技术，突破生产极限，制造安装方便，维护更换也更容易；并且由于径向不规则丝网的存在，在减少堵塞的同时，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。

附图说明

图1是构建填料的基本单元图及其轨迹图。

图2是图1的放大图。

图3是基本单元构成的环状单元。

图4是相邻两个环状单元叠加示意图以及所组成的不规则丝网。

图5是环状单元依次叠加形成的盘状体。

图6是盘状体依次叠加形成的填料主体。

图中：1为基本单元，2为环状单元，3为不规则丝网，4为盘状体，5为填料主体，6为填料实体。

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。

图1～图6是利用三维软件构建填料模型的具体过程。

如图1至图6所示，利用三维软件构建填料模型，基本单元1环形阵列成环状单元2，环状单元2在保证动平衡的前提下由内而外交错嵌套排列形成盘状体4，盘状体4在径向上每层错开0~10º叠加，形成在轴向上具有规则的扰动结构、轴向丝网疏密交错的填料主体5，最后利用3D打印技术打印出来填料实体6。

本发明提供了一种3D打印超重力旋转床用规整填料的方法，采用三维建模软件构建模型，模型是由丝棍结构组成的一个基本单元按照规则搭建堆积组成，从而组成在轴向上具有规则扰动结构、在径向上具有疏密交错网格结构的填料主体；再通过3D打印技术制造出实体模型；填料主体为圆柱体结构。

结合附图，具体说明模型的构建过程如下：

（1）基本单元的构建：

图1~2是构建填料的基本单元1及其放大图，由丝棍组成六面体结构：六面体的上、下面为梯形，另外四个侧面为长方形，且在每个长方形面上的两条对角线位置设有丝棍；首先构建出具有一定弧度的周向网状结构，两层网状结构通过径向支撑结构连接，构建出基本单元；

如图2所示，所述基本单元是由丝棍组成的六面体结构：六面体的上、下面为梯形，其腰线的延长线交于轴线；另外四个侧面为长方形，与轴线平行，且在每个长方形面上的两条对角线位置设有丝棍；

由基本单元依次连接组成的环形阵列形成环状单元，每个基本单元的梯形两条腰线的延长线相交于填料主体的轴线上；环状单元在保证动平衡的前提下由内而外交错嵌套排列形成盘状体，盘状体在径向上交错叠加若干层，形成在轴向上具有规则的扰动结构、轴向丝网疏密交错的填料主体；

交错叠加是指错开0~10º叠加。

填料的成形过程为：

（1）基本单元的构建：

由丝棍组成六面体结构：六面体的上、下面为梯形，另外四个侧面为长方形，且在每个长方形面上的两条对角线位置设有丝棍；

（2）环状单元的构建：

如图3所示，若干基本单元沿着圆周方向进行排布，形成一个环状单元；

（3）叠加不规则丝网：

如图4所示，构建相邻环状单元的基本单元的弧度相同，相邻的环状单元错开0~10º结合，相邻的内外两层环状单元结构形成了不规则丝网；

（4）盘状体的构建：

如图5所示，依次向圆环内侧叠加环状单元，且相邻的环状单元错开0~10º，形成不同直径的若干个环状单元的结合，构建出盘状体；

（5）填料主体完成：

如图6所示，若干个盘状体平行叠加形成填料主体，盘状体在轴向上相邻两层之间错开0~20º叠加。

最后，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。如图6所示。

Claims (4)

1.一种3D打印超重力旋转床用规整填料的方法，其特征在于：采用三维建模软件构建模型，模型是由丝棍结构组成的一个基本单元搭建堆积组成，组成在轴向上具有规则扰动结构、在径向上具有疏密交错网格结构的填料主体；再通过3D打印技术制造出实体模型；填料主体为圆柱体结构；

构建模型的过程为：由基本单元依次连接组成的环形阵列形成环状单元，每个基本单元的梯形两条腰线的延长线相交于填料主体的轴线上；环状单元在保证动平衡的前提下由内而外交错嵌套排列形成盘状体，盘状体在径向上交错叠加若干层，形成在轴向上具有规则的扰动结构、轴向丝网疏密交错的填料主体；

交错叠加是指错开0~10º叠加。

2.根据权利要求1所述的3D打印超重力旋转床用规整填料的方法，其特征在于：所述的填料主体由若干个基本单元组合而成，所述基本单元是由丝棍组成的六面体结构：六面体的上、下面为梯形，其腰线的延长线交于轴线；另外四个侧面为长方形，与轴线平行，且在每个长方形面上的两条对角线位置设有丝棍。

3.根据权利要求1所述的3D打印超重力旋转床用规整填料的方法，其特征在于：填料的成形过程为：

（1）基本单元的构建：

由丝棍组成六面体结构：六面体的上、下面为梯形，另外四个侧面为长方形，且在每个长方形面上的两条对角线位置设有丝棍；

（2）环状单元的构建：

上述若干基本单元沿着圆周方向进行均布，形成一个环状单元；

（3）叠加不规则丝网：

构建相邻环状单元的基本单元的弧度相同，相邻的环状单元错开0~10º叠加结合，相邻的内外两层环状单元结构形成了不规则丝网；

（4）盘状体的构建：

依次向圆环外侧叠加环状单元，且相邻的环状单元错开0~10º，由不同直径的若干个环状单元构建出盘状体；

（5）填料主体构建完成：

若干个盘状体平行叠加形成填料主体，盘状体在轴向上相邻两层之间错开0~20º叠加。

4.根据权利要求1所述的3D打印超重力旋转床用规整填料的方法，其特征在于：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。

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