CN113368793B - 一种用于热敏物质精确控温的旋转设备及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于热敏物质精确控温的旋转设备及应用方法，旋转设备包括壳体、电机、液体进口、进液腔、液体出口、转子、重力热管、控温腔室、气体进口和气体出口；本发明通过调变热管的类型和介质可以实现热敏性物质的精确控温，精度可达±0.1℃，避免了传统电加热或者介质热传导造成的物料受热不均匀以及温度不可控所造成的热敏性物质烧焦、变质、失活等问题。此装置及方法对于塑料工程、生物工程和生物化学领域都具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋转设备及其应用方法。更具体地，涉及一种用于热敏物质精确控温的旋转设备及其应用方法。
背景技术
传热是化工领域的重要组成部分，也是大多数工程设备需要重视的问题。生物和化工领域存在着多种热敏性物质，如聚合物的预聚体，含有催化酶的发酵液，生物质等。在对这些物质进行加热的过程中，传统的加热方法如电加热，辐射加热，高温介质热传导等，往往难以实现温度的精确控制而造成这些物料的变质，结焦，失活等问题。
传统化工设备里，物料的不均匀受热同样是造成热敏性物质难以加热的关键所在，进而会导致原料的利用率低，产率低甚至产生具有高污染高危害的副产物。因此提出一种既能够对物料进行精确控温，又能解决床层内受热不均匀问题的新型设备是对热敏性物质进行处理的关键。
旋转设备是过程强化领域的主要组成部分，这些设备往往通过内部的填料、平板、挡板等部件高速旋转产生的强大离心力场，从而极大地强化混合和传递过程，因此具有效率高，设备尺寸小，工业能耗低等优势。中国专利200710120712.7公布了一种在高速旋转的环境下的聚合物脱挥装置。巨大的剪切力能够将液体撕裂成微米甚至纳米级的液膜、液线和液滴，产生巨大且能快速更新的相界面，强化气液接触过程可以较为妥善的解决温度分布均匀的问题。但是仍然存在无法对热敏性物质精确控温的问题。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种用于热敏物质精确控温的旋转设备。该设备解决了目前的旋转类设备无法对热敏性物料进行精确控温的问题，能够实现热敏性物料精确控温精度达±0.1℃，可实现对不同温度区间的不同热敏物质的精确控温。避免了传统电加热或者介质热传导造成的物料受热不均匀以及温度不可控所造成的热敏性物质烧焦、变质、失活等问题；此装置及方法对于塑料工程、生物工程和生物化学领域都具有重要意义。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种上述用于热敏物质精确控温的旋转设备的应用方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种用于热敏物质精确控温的旋转设备，包括壳体、电机、液体进口、进液腔、液体出口、转子、重力热管、控温腔室、气体进口和气体出口；
所述电机的旋转轴穿过壳体上表面延伸到壳体内部；
所述电机旋转轴的下端与转子固定连接；
所述转子的下表面沿径向固定有多层同心填料环；
所述填料环之间设置静止的重力热管；
所述控温腔室设置在壳体下部；所述重力热管自壳体内延伸至控温腔室中；
所述控温腔室包括介质进出口和介质进出口；
所述进液腔设置在壳体上部，液体进口连通进液腔；
所述进液腔的底部通过管道连通液体分布器；
所述气体出口设置在壳体的下表面，气体进口设置在壳体的侧面。
在本发明的某些实施方式中，所述旋转设备为立式的，实现加热功能时，电机布置在壳体的上表面。
在本发明的某些实施方式中，所述重力热管的外表面设有有挡板或翅片。
在本发明的某些实施方式中，所述重力热管的材质为铝或不锈钢，工作介质为-60～0℃的氨；或所述重力热管的材质为铜或碳钢，工作介质为0～100℃的水；或所述重力热管的材质为不锈钢或碳钢，工作介质为100～300的联苯；或所述重力热管的材质为奥氏体不锈钢，工作介质为300～600℃的汞；或所述重力热管的材质为钛，工作介质为大于600℃的液态金属。
在本发明的某些实施方式中，所述重力热管形状包括圆柱形、椭圆柱形、三棱柱形或四棱柱形；还可以改变成其它形状以强化与物料的接触。
为解决上述第二个技术问题，本发明一种上述用于热敏物质精确控温的旋转设备的应用方法包括如下步骤：
S1、在控温腔室中通入加热介质或冷却介质，对重力热管进行加热或降温；
S2、重力热管加热或降温后，从而对填料环内进行加热或降温；
S3、从液体进口将预热的物料打入旋转装置内，并通过液体分布器输送到填料环内；
S4、物料在填料环间接受重力热管所放出的热量或冷量，同时受到高速旋转填料的剪切和拉伸，破碎为微元；
S5、从气体入口通入气体，从而在填料内进行气液传质或者化学反应；
S6、物料从液体出口排出。
在本发明的某些实施方式中，步骤S3中，物料为聚合物的预聚体、或含有催化酶的发酵液、或具有生物活性的生物质。
在本发明的某些实施方式中，步骤S3中，物料的体积流量为10-250L/h；优选地，体积流量范围为50-200L/h。
在本发明的某些实施方式中，步骤S4中，所述高速旋转是指转速范围为100-2500r/min；优选地，转速范围为400-2000r/min。
在本发明的某些实施方式中，步骤S4中，装置内的温度范围为-100～600℃；优选地，温度范围为20～300℃。
在本发明的某些实施方式中，步骤S5中，不通气体，而进行真空脱挥，真空度范围为表压-0.70MPa至-0.99MPa。优选地，真空度范围为表压-0.080MPa至-0.099MPa。
本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
如无特殊说明，本发明中的各原料均可通过市售购买获得，本发明中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
1)本发明的目的在于克服现有技术的不足，解决目前的旋转类设备无法对热敏性物料进行精确控温的问题，本发明提供能够实现热敏性物料精确控温的旋转装置，其控温精度可达±0.1℃。
2)本发明所设计的旋转装置，在强大的离心力环境下，分子扩散和相间传质过程比常规重力场下的要快得多，巨大的剪切力能够将液体撕裂成微米甚至纳米级的液膜、液线和液滴，产生巨大且能快速更新的相界面，强化聚合物预聚体的脱挥过程。
2)本发明所设计的旋转装置，在强大的离心力环境下，能够在精确控温的情况下强化生物发酵的过程，可使发酵产物的转化率提升50％以上。
4)本发明的旋转装置，可以通过更换热管和控温腔室内部的介质，实现对不同温度区间的不同热敏物质的精确控温。
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示出本发明的旋转设备的主视图示意图；
图2示出本发明的设备用于真空脱挥的流程示意图；
图3示出本发明的设备用于发酵生产透明质酸的流程示意图。
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对本发明做进一步的说明。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。
作为本发明的一个方面，一种用于热敏物质精确控温的旋转设备，包括：
壳体3，用于容纳或固定超重力旋转床的各个零部件；
电机1，用于为旋转设备提供动力；
液体进口2-1和进液腔2，用于输送进入液体物料；
液体出口9-1，用于排出液体物料；
备用液体出口9-2，冷却功能实现所需；
转子12，用于固定多层同心填料环11，作为多层同心填料环11的基座；
重力热管6，用于接受控温腔室/填料层内的热量，里面的介质发生相变，进而在冷端冷凝放出热量；
控温腔室5，用于通入加热/冷却介质对重力热管进行加热/冷却；
气体入口4，用于通入气体；
气体出口8，用于抽真空或者排出气体；
所述电机1的旋转轴穿过壳体3上表面延伸到壳体1内部；
所述电机1旋转轴的下端与转子12固定连接；
所述转子12的下表面沿径向固定有多层同心填料环11；所述同心填料环的顶端与壳体之间设有动密封10，以保证物料的走向不混乱；
所述填料环11之间设置静止的重力热管6；
所述控温腔室5设置在壳体3下部；所述重力热管6自壳体3内延伸至控温腔室5中；
所述控温腔室5包括介质进出口和介质进出口；
所述进液腔2设置在壳体上部，液体进口21连通进液腔2；
所述进液腔2的底部通过管道连通液体分布器7，将液体输送给多孔的液体分布器7；
所述气体出口8设置在壳体3的下表面；
所述气体进口4设置在壳体3的侧面。
在本发明的某些实施方式中，所述旋转设备为立式的，实现加热功能时，电机布置在壳体的上表面。
在本发明的某些实施方式中，所述重力热管6的外表面设有有挡板或翅片。
在本发明的某些实施方式中，所述重力热管6的材质为铝或不锈钢，工作介质为-60～0℃的氨；或所述重力热管的材质为铜或碳钢，工作介质为0～100℃的水；或所述重力热管的材质为不锈钢或碳钢，工作介质为100～300的联苯；或所述重力热管的材质为奥氏体不锈钢，工作介质为300～600℃的汞；或所述重力热管的材质为钛，工作介质为大于600℃的液态金属。
在本发明的某些实施方式中，所述重力热管6形状包括圆柱形、椭圆柱形、三棱柱形或四棱柱形；还可以改变成其它形状以强化与物料的接触。
作为本发明另一方面，一种上述用于热敏物质精确控温的旋转设备的应用方法，包括如下步骤：
S1、在控温腔室5中通入加热介质或冷却介质，对重力热管6进行加热或降温；
S2、重力热管6加热或降温后，从而对填料环11内进行加热或降温；
S3、从液体进口2将预热的物料打入旋转装置内，并通过液体分布器7输送到填料环11内；
S4、物料在填料环11间接受重力热管6所放出的热量或冷量，同时受到高速旋转填料的剪切和拉伸，破碎为微元；
S5、从气体入口4通入气体，从而在填料内进行气液传质或者化学反应；
S6、物料从液体出口9-1排出。
在本发明的某些实施方式中，步骤S3中，物料为聚合物的预聚体、或含有催化酶的发酵液、或具有生物活性的生物质。
在本发明的某些实施方式中，步骤S3中，物料的体积流量为10-250L/h；优选地，体积流量范围为50-200L/h。
在本发明的某些实施方式中，步骤S4中，所述高速旋转是指转速范围为100-2500r/min；优选地，转速范围为400-2000r/min。
在本发明的某些实施方式中，步骤S4中，装置内的温度范围为-100～600℃；优选地，温度范围为20～300℃。
在本发明的某些实施方式中，步骤S5中，不通气体，而进行真空脱挥，真空度范围为表压-0.70MPa至-0.99MPa。优选地，真空度范围为表压-0.80MPa至-0.99MPa。
实施例1
如图2所示采用本装置对聚氨酯预聚体中的挥发分TDI进行脱除。实验条件如下：旋转床转速为200～2000r/min，物料的体积流量为50L/h，脱挥温度为100℃(TDI在真空下的沸点约为100℃，物料温度高于110℃容易氧化变黄，并形成发泡)，通过采用水/不锈钢重力热管可以精确的控制物料的温度100℃。旋转床内的真空度为0.099MPa，物料粘度约为1Pa·s。脱挥前后聚氨酯预聚物中的TDI含量由气相色谱进行检测，在2000r/min的转速下，此装置实现了聚氨酯预聚体内TDI含量单程80％的脱除，最终的TDI含量在800～1200ppm，同时出口物料中未发现变黄，结焦等现象。
实施例2
如图2所示，采用专利中设计的旋转设备，对透明质酸的发酵过程进行研究，菌种由北京化工大学生物化工系提供，为兽疫链球菌诱变而得(超过80℃即失活)。通过采用水/不锈钢重力热管，并改变热管内的绝对压力，控制水的沸点为75℃。研究了转速、温度、PH值、通气量、和初始糖浓度对发酵过程的影响。可以确定发酵生产透明质酸的最佳操作条件为转速1500r/min，温度60℃，初始蔗糖浓度6％，气量1.2m3/h，PH在6.8～7.2范围之内，发酵周期50h，最终透明质酸的含量为6.5～7.2g/L。
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 (10)
1.一种用于热敏物质精确控温的旋转设备，其特征在于：包括壳体、电机、液体进口、进液腔、液体出口、转子、重力热管、控温腔室、气体进口和气体出口；
所述电机的旋转轴穿过壳体上表面延伸到壳体内部；
所述电机旋转轴的下端与转子固定连接；
所述转子的下表面沿径向固定有多层同心填料环；
所述填料环之间设置静止的重力热管；
所述控温腔室设置在壳体内下部；所述重力热管自壳体内延伸至控温腔室中；
所述控温腔室包括介质进出口和介质进出口；
所述进液腔设置在壳体上部，液体进口连通进液腔；
所述进液腔的底部通过管道连通液体分布器；
所述气体出口设置在壳体的下表面；气体进口设置在壳体的侧面。
2.根据权利要求1所述旋转设备，其特征在于：所述旋转设备为立式的，实现加热功能时，电机布置在壳体的上表面。
3.根据权利要求1所述旋转设备，其特征在于：所述重力热管的外表面设有挡板或翅片。
4.根据权利要求1所述旋转设备，其特征在于：所述重力热管的材质为铝或不锈钢，工作介质为-60~0℃的氨；或所述重力热管的材质为铜或碳钢，工作介质为0~100℃的水；或所述重力热管的材质为不锈钢或碳钢，工作介质为100~300的联苯；或所述重力热管的材质为奥氏体不锈钢，工作介质为300~600℃的汞；或所述重力热管的材质为钛，工作介质为大于600℃的液态金属。
5.根据权利要求1所述旋转设备，其特征在于：所述重力热管形状包括圆柱形、椭圆柱形、三棱柱形或四棱柱形。
6.一种上述权利要求1-5中任一所述用于热敏物质精确控温的旋转设备的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在控温腔室中通入加热介质或冷却介质，对重力热管进行加热或降温；
S2、重力热管加热或降温后，从而对填料环内进行加热或降温；
S3、从液体进口将预热的物料打入旋转装置内，并通过液体分布器输送到填料环内；
S4、物料在填料环间接受重力热管所放出的热量或冷量，同时受到高速旋转填料的剪切和拉伸，破碎为微元；
S5、从气体入口通入气体，从而在填料内进行气液传质或者化学反应；
S6、物料从液体出口排出。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：步骤S3中，物料为聚合物的预聚体、或含有催化酶的发酵液、或具有生物活性的生物质。
8.根据权利要求6所述方法，其特征在于：步骤S3中，物料的体积流量为10-250 L/h。
9.根据权利要求6所述方法，其特征在于：步骤S4中，所述高速旋转是指转速范围为100-2500 r/min；
步骤S4中，装置内的温度范围为-100~600℃。
10.根据权利要求6所述方法，其特征在于：步骤S5中，不通气体，而进行真空脱挥，真空度范围为表压-0.70MPa至-0.99MPa。
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