CN114130234B - 一种强化液固分散的超重力装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化液固分散的超重力装置，包括外壳、电机、进液口、储液槽、固体物料入口、固料分散组件、固液初始混合组件、填料组件、物料筛分组件、转子和物料出口；本发明还公开了该超重力装置的应用方法。本发明超重力装置可有效实现固体颗粒的初始分散，固体颗粒与液膜的充分接触，以及固液之间的充分混合。

Description

一种强化液固分散的超重力装置及应用

技术领域

本发明涉及一种超重力旋转床及其应用。更具体地，涉及一种强化液固分散的超重力装置及应用。

背景技术

精细化工领域广泛涉及液固分散过程，均匀的液固分散可以为后续过程单元如催化反应、粉料提纯、杂质吸附等过程提供良好的基础。

传统的液固分散混合的方法之中，固体物料一般通过固体物料进料管从搅拌釜体顶部加入后散落在搅拌釜体内的液体表面，最后通过釜体内的搅拌桨的搅拌作用完成固体物料与液体的多相混合。但是，由于固体物料的堆密度相对较低，故固体物料容易聚团漂浮在液面上，从而引起固体物料在液体内分散不均匀；同时，搅拌釜内湍动程度不均匀，相较于搅拌桨附近液体，液面处和釜体内壁处液体湍动程度较小，不利于固体物料与液体的分散混合。因此，现有技术中采用的液固混合方法多数会导致固体物料聚团、液固混合不均匀等缺陷。

超重力技术是利用比地球重力加速度大得多的超重力环境对传质和微观混合过程进行强化的一种技术。该技术使反应物分子在超重力环境下产生流动接触，巨大的剪切力使液体破碎成纳米级的膜、丝和滴，产生巨大的和快速更新的相界面，使传质过程得到极大的强化。但是，目前无法在超重力旋转床中实现工业化液固的均匀分散与混合。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种强化液固分散的超重力装置。该超重力装置可有效实现固体颗粒的初始分散，固体颗粒与液膜的充分接触，以及固液之间的充分混合。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种强化液固分散的超重力装置的应用。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种强化液固分散的超重力装置，包括外壳、电机、进液口、储液槽、固体物料入口、固料分散组件、固液初始混合组件、填料组件、物料筛分组件、转子和物料出口；

所述固料分散组件包括螺旋锥、多级旋转圆盘、搅动部件、支座、多级分散孔、挡板和旋转内环；其中，所述螺旋锥固定在多级旋转圆盘顶端中心，所述搅动部件固定在多级旋转圆盘侧壁上；所述旋转内环呈圆筒状，并将多级旋转圆盘和螺旋锥容纳其中；所述多级分散孔分布于旋转内环上；所述挡板位于螺旋锥上方，挡板的外缘固定连接在旋转内环的内壁上；

所述固液初始混合组件包括多级静态内环和多级收集板；所述多级静态内环与储液槽下端开放连接，多级收集板固定在丝网填料内侧壁上；

所述填料组件包括丝网填料、多层旋转立柱和多层定转子立柱；所述丝网填料呈圆环状并固定在转子的中心，所述旋转立柱设置在丝网填料的外侧并固定在转子上，所述定转子立柱固定在外壳顶端上，多层旋转立柱与多层定转子立柱交错设置；

所述物料筛分组件包括刮刀、最外缘的定转子立柱、旋转外环、引流板、斜流板和次级出料口；所述刮刀固定在最外缘定转子立柱上，所述旋转外环固定在转子边缘，所述旋转外环上均匀设置若干筛分孔。

作为技术方案的进一步改进，所述超重力装置还包括固体物料传送分离装置，该装置包括螺旋输送装置和震动筛分网；所述螺旋输送装置上设有外缘固体物料进口，所述螺旋输送装置的出口端输送固体物料至震动筛分网上方，所述震动筛分网的出口物料输送到固体物料入口，震动筛分网呈多级网板分布。

优选地，所述固液初始混合组件包括一级静态内环、一级收集板、二级静态内环、二级收集板、三级静态内环、三级收集板、四级静态内环、四级收集板。

优先地，所述一级静态内环至四级静态内环的厚度逐级变薄，一级静态内环厚度为3-15mm；更优先地，一级静态内环厚度为5-10mm。

优先地，所述一级收集板至四级收集板的长度逐级变短，一级收集板长度为3-8cm；更优先地，一级收集板长度为4-6cm。

优先地，所述各级静态内环下端指向的位置位于各级收集板内侧，各级静态内环与各级收集板水平距离为5-10mm。

优先地，所述固料分散组件中，挡板与螺旋锥竖直距离为1-2cm。

优先地，所述固料分散组件中，搅动部件与多级分散孔下端水平对齐。

优先地，所述填料组件中，丝网填料厚度为0.5-3cm；更优先地，丝网填料厚度为0.5-1.5cm。

优先地，所述填料组件中，旋转立柱为3-10层；每层旋转立柱在一个圆周上设有10-50根。

优先地，所述填料组件中，定转子立柱为3-10层；每层定转子立柱在一个圆周上设有10-50根。

优先地，所述物料筛分组件中，刮刀与旋转外环之间间距为2-12mm；更优先地，刮刀与旋转外环间距为3-10mm。

优先地，所述物料筛分组件中，刮刀在一个圆周上设置4-8根。

优先地，所述旋转外环的筛分孔的孔径比震动筛分网孔径大1-4mm；更优先地，旋转外环筛分孔孔径比震动筛分网孔径大1-2mm。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

利用上述超重力装置进行强化固液分散的方法，包括如下步骤：

S1：液体经进液口进入储液槽，开启静态内环启动开关，使储液槽中液体经各级静态内环以液膜形式下落于各级收集板之上；

S2：固体物料由外缘固体物料进口进入螺旋输送装置，经螺旋输送装置输送至震动筛分网；

S3：固体物料经震动筛分网后下落，经固体物料入口进入超重力装置内，再经旋转的螺旋锥进行初始分散，经多级旋转圆盘进行充分分散，然后经多级分散孔进入固液初始混合区域；

S4：在固液初始混合区域，由多级分散孔射入的固体粉末与下落的液膜进行接触后经过填料组件进行充分混合；

S5：大部分固液混合物在填料组件内混合后，经旋转外环的筛分孔流出，从物料出口采出，为采出产品；

S6：少量固液混合物会由于颗粒较大而无法从旋转外环筛分孔流出，而是经过引流板从次级出料口采出，为不合格产品。

优先地，步骤S1中，液体质量流量为10-250k g/h；更优选地，液体体积流量范围为50-150k g/h；

优先地，步骤S2中，固体物料质量流量为5-150k g/h；更优选地，固体物料体积流量范围为30-90k g/h；

优选地，步骤S3中，超重力旋转床内的转子转速范围为100-2500r/min；更优选地，转速范围为400-2000r/min。

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：

本发明的有益效果如下：

1)本发明的目的在于克服现有技术的不足，目前的工业化液固分散过程，无法在低能耗情况下实现液固的均匀分散与混合，本发明提供一种能够实现均匀液固分散的低能耗超重力装置。

2)本发明的超重力装置，可以通过固料分散组件使固体物料与液体接触之前实现固体物料的均匀分散，为固体物料和液体物料提供更大的接触面积。

3)本发明通过超重力旋转床各级静态内环及各级收集板的特殊设计，使得固体物料可以与液膜进行逐级接触，实现固体物料与液体的均匀初始混合。

4)本发明的超重力装置，在超重力环境下，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，使得固液物料在填料区域进行充分的分散混合。

5)本发明的超重力装置，通过物料筛分组件中旋转外环筛分孔孔设计，实现合格物料与不合格物料的有效分离，为后续液固反应过程提供混合均匀的固液物料。

6)本发明的超重力装置，不合格产品会由于反重力作用通过引流板排除；而且通过物料筛分组件中刮刀设计，防止物料在旋转外环内侧过量堆积堵塞旋转外环筛分孔。

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为本发明超重力装置的一种实施方式整体结构示意图；

图2为本发明超重力装置的填料组件剖面图；

图3为本发明超重力装置的固料分散组件剖面图；

图4为本发明超重力装置的固液初始混合组件剖面图。

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。

如图1所示，作为本发明的一个方面，本发明一种用于强化液固分散的超重力装置，包括：

外壳1，用于容纳或固定超重力旋转床的各个零部件；

电机2，为超重力旋转床提供动力；

进液口3，用于引入液体物料；

储液槽4，用于暂时储存液体物料；

固体物料入口5，用于引入固体物料；

螺旋输送装置6，用于输送固体物料，所述螺旋输送装置6上设有外缘固体物料进口61；

震动筛分网7，用于对固体物料进行筛分，将颗粒大的固体物料从震动筛分网出口71筛除；

固料分散组件，用于固体物料的充分分散；

固液初始混合组件，实现固体物料和液体进入填料区域之前充分接触；

填料组件，实现固体物料和液体的充分分散混合

物料筛分组件，用于筛除不合格产品，以及不合格产品的导出；

转子12，用于固定填料和固料分散组件等；

物料出口13；用于合格产品采出；

所述震动筛分网7于旋转床固体物料入口5上方，呈多级网板分布；

所述固料分散组件包括螺旋锥81、多级旋转圆盘82、搅动部件83、支座84、多级分散孔85、挡板86和旋转内环87；其中，所述螺旋锥81固定在多级旋转圆盘82 顶端的第一级旋转圆盘中心，多级旋转圆盘82的每一级圆盘侧壁上均固定有搅动部件83；所述旋转内环87呈圆筒状，并将多级旋转圆盘82和螺旋锥81容纳其中；所述多级分散孔85水平分布于旋转内环87上；所述挡板86位于螺旋锥81上方，挡板 86的外缘固定连接在旋转内环87的内壁上；

所述固液初始混合组件包括一级静态内环91、一级收集板95、二级静态内环92、二级收集板96、三级静态内环93、三级收集板97、四级静态内环94、四级收集板 98组成，其中各级静态内环与储液槽4下端开放连接，各级收集板与丝网填料101 固定连接；

所述储液槽4底部设有储液槽4与各级静态内环91、92、93、94之间的隔离装置以及静态内环启动开关，用于液体物料进入超重力装置内的打开和关闭；

所述填料组件包括丝网填料101、多层旋转立柱102和多层定转子立柱103；所述丝网填料101呈圆环状并固定在转子12的中心，所述旋转立柱102设置在丝网填料101的外侧并固定在转子12上，所述定转子立柱103固定在外壳1顶端上，多层旋转立柱102与多层定转子立柱103交错设置；

所述物料筛分组件包括刮刀111、最外缘的定转子立柱112、旋转外环113、引流板115、斜流板116和次级出料口117；所述刮刀111固定在最外缘定转子立柱112 上，所述旋转外环113固定在转子12边缘，所述旋转外环113上均匀设置若干筛分孔114，所述引流板115固定在旋转外环113的顶端并向外侧倾斜，所述斜流板116 外侧固定在次级出料口最低处的外壳1上，斜流板116内侧延伸至引流板115的下方，与引流板115和旋转外环113之间有间隙，避免阻挠转子的转动。

在本发明的某些实施例中，所述固料分散组件中，挡板与螺旋锥竖直距离为 1-2cm；

在本发明的某些实施例中，所述固料分散组件中，搅动部件与多级分散孔下端水平对齐。

在本发明的某些实施例中，所述固液初始混合组件中，一级静态内环至四级静态内环的厚度逐级变薄，一级静态内环厚度为5-10mm；

在本发明的某些实施例中，所述固液初始混合组件中，收集板长度由一级至四级逐级变短，一级收集板长度为4-6cm；

在本发明的某些实施例中，所述固液初始混合组件中，所述各级静态内环下端指向的位置位于各级收集板内侧，各级静态内环与各级收集板水平距离为5-10mm；

在本发明的某些实施例中，所述填料组件中，所述丝网填料厚度为0.5-1.5cm；

在本发明的某些实施例中，填料组件中，所述旋转立柱为3-10层；每层旋转立柱有10-50根；

在本发明的某些实施例中，填料组件中，所述定转子立柱为3-10层；每层定转子立柱有10-50根；

在本发明的某些实施例中，物料筛分组件中，所述刮刀与旋转外环间距为3-10mm；

在本发明的某些实施例中，物料筛分组件中，刮刀在一个圆周上设置4-8根。

在本发明的某些实施例中，所述旋转外环筛分孔孔径比震动筛分网孔径大1-2mm；

在本发明专利的使用过程中，包含如下步骤：

S1：液体经进液口进入储液槽，开启静态内环启动开关，使储液槽中液体经各级静态内环以液膜形式下落于各级收集板之上；

S2：固体物料由外缘固体物料进口装入，经螺旋输送装置输送至震动筛分网；

S3：固体物料经震动筛分网下落，由固体物料入口进入旋转床，经旋转的螺旋锥进行初始分散，经多级旋转圆盘进行充分分散，然后经多级分散孔进入固液初始混合区域；

S4：在固液初始混合区域，经多级分散孔射入的固体粉末与下落的液膜进行接触后进入旋转床填料区域进行充分混合；

S5：大部分固液混合物经填料区域混合后，经旋转外环筛分孔流出，从物料出口采出，为采出产品；

S6：少量固液混合物会由于颗粒较大而无法从旋转外环筛分孔流出，而是经过引流板从次级出料口采出，为不合格产品。

在本发明的某些实施例中，步骤S1中，液体体积流量为10-250L/h；更优选地，液体体积流量范围为50-150L/h；

在本发明的某些实施例中，步骤S2中，固体物料体积流量为1-50L/h；更优选地，固体物料体积流量范围为5-20L/h；

在本发明的某些实施例中，步骤S3中，超重力旋转床内的转子转速范围为 100-2500r/min；优选地，转速范围为400-2000r/min。

实施例1

利用上述超重力装置进行强化活性炭与水溶液混合方法：

实验条件如下：超重力旋转床转速为1000r/min，液体体积流量为150k g/h，固体物料体积流量为20k g/h，初始固含量为11.8％；

固液初始混合组件中，所述静态内环厚度由一级至四级逐级变薄，一级静态内环(91)厚度为8mm；

固液初始混合组件中，收集板长度由一级至四级逐级变短，一级收集板长度为6cm；

固液初始混合组件中，所述各级静态内环水平位置位于各级收集板内侧，各级静态内环与各级收集板水平距离为8mm；

填料组件中，所述丝网填料101厚度为1cm；

填料组件中，所述旋转立柱102为8层；每层旋转立柱102有10根；

填料组件中，所述定转子立柱103为8层；每层定转子立柱103有8根；

物料筛分组件中，所述刮刀111)与旋转外环113间距为5mm。

最终，采出产品中的固含量为11％，有效强化了活性炭与水溶液的混合。术语“固含量”为液固混合物中固体物料质量占总物料质量比。

比较例1

与实施例1相比，不同之处在于：

超重力旋转床转速为500r/min；

固液初始混合组件中，只设有一级静态内环，静态内环厚度为6mm；

固液初始混合组件中，只设有一级收集板，收集板长度为6cm；

填料组件中，所述旋转立柱102为4层；每层旋转立柱102有6根；

填料组件中，所述定转子立柱103为4层；每层定转子立柱103有6根；

其余实验条件、装置参数与实施例1相同。

最终，采出产品中的固含量为45％，活性炭与水溶液混合不均匀。

实施例2

利用上述超重力装置进行强化碳酸钙与氯乙烯溶液混合方法：

实验条件如下：超重力旋转床转速为1000r/min，液体体积流量为150k g/h，固体物料体积流量为8k g/h，初始固含量为5.1％；

固液初始混合组件中，所述静态内环厚度由一级至四级逐级变薄，一级静态内环(91)厚度为8mm；

固液初始混合组件中，收集板长度由一级至四级逐级变短，一级收集板长度为7cm；

固液初始混合组件中，所述各级静态内环91-94水平位置位于各级收集板95-98内侧，各级静态内环与各级收集板水平距离为8mm；

填料组件中，所述丝网填料101厚度为1cm；

填料组件中，所述旋转立柱102为8层；每层旋转立柱102有12根；

填料组件中，所述定转子立柱103为8层；每层定转子立柱103有10根；

物料筛分组件中，所述刮刀111与旋转外环113间距为5mm。

最终，采出产品中的固含量为5％，有效强化了碳酸钙与聚乙烯溶液的混合。

比较例2

与实施例2相比，固液初始混合组件中，只设有一级静态内环，静态内环厚度为6mm；

固液初始混合组件中，只设有一级收集板，收集板长度为6cm；

填料组件中，无丝网填料；

填料组件中，所述旋转立柱102为10层；每层旋转立柱102有10根；

填料组件中，所述定转子立柱103为10层；每层定转子立柱103有8根；

物料筛分组件中，无刮刀设计。

最终，采出产品中的固含量为3.1％，旋转外环内侧有大量固体物料堆积，碳酸钙与氯乙烯溶液混合不均匀。

实施例3

利用上述超重力装置进行强化分散橙染料与亚甲基双萘磺酸钠分散剂混合方法：

实验条件如下：超重力旋转床转速为1500r/min，液体体积流量为10k g/h，固体物料体积流量为80k g/h，初始固含量为88.9％；

固液初始混合组件中，所述静态内环厚度由一级至四级逐级变薄，一级静态内环厚度为8mm；

固液初始混合组件中，收集板长度由一级至四级逐级变短，一级收集板长度为6cm；

固液初始混合组件中，所述各级静态内环水平位置位于各级收集板内侧，各级静态内环与各级收集板水平距离为8mm；

填料组件中，所述丝网填料101厚度为1cm；

填料组件中，所述旋转立柱102为8层；每层旋转立柱102有10根；

填料组件中，所述定转子立柱103为8层；每层定转子立柱103有8根；

物料筛分组件中，所述刮刀111与旋转外环113间距为5mm。

最终，采出产品中的固含量为88.2％，有效强化了碳酸钙与聚乙烯溶液的混合。

比较例3

与实施例3相比，超重力旋转床转速为500r/min；

固液初始混合组件中，只设有一级静态内环，静态内环厚度为6mm；

固液初始混合组件中，只设有一级收集板，收集板长度为6cm；

填料组件中，所述旋转立柱102为4层；每层旋转立柱102有6根；

填料组件中，所述定转子立柱103为4层；每层定转子立柱103有6根；

其余实验条件、装置参数与实施例1相同。

最终，采出产品中的固含量为70％，活性炭与水溶液混合不均匀。

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)

1.一种强化液固分散的超重力装置，其特征在于：包括外壳、电机、进液口、储液槽、固体物料入口、固料分散组件、固液初始混合组件、填料组件、物料筛分组件、转子和物料出口；

所述固料分散组件包括螺旋锥、多级旋转圆盘、搅动部件、支座、多级分散孔、挡板和旋转内环；所述螺旋锥固定在多级旋转圆盘顶端中心，所述搅动部件固定在多级旋转圆盘侧壁上；所述旋转内环呈圆筒状，并将多级旋转圆盘和螺旋锥容纳其中；所述多级分散孔分布于旋转内环上；所述挡板位于螺旋锥上方，挡板的外缘固定连接在旋转内环的内壁上；

所述固液初始混合组件包括多级静态内环和多级收集板；所述多级静态内环与储液槽下端开放连接，多级收集板固定在丝网填料内侧壁上；

所述填料组件包括丝网填料、多层旋转立柱和多层定转子立柱；所述丝网填料呈圆环状并固定于转子，所述旋转立柱设置在丝网填料的外侧并固定于转子，所述定转子立柱固定在外壳顶端上，多层旋转立柱与多层定转子立柱交错设置；

所述物料筛分组件包括刮刀、最外缘的定转子立柱、旋转外环、引流板、斜流板和次级出料口；所述刮刀固定在最外缘定转子立柱上，所述旋转外环固定在转子边缘，所述旋转外环上均匀设置若干筛分孔。

2.根据权利要求1所述强化液固分散的超重力装置，其特征在于：所述超重力装置还包括固体物料传送分离装置，该装置包括螺旋输送装置和震动筛分网；所述螺旋输送装置上设有外缘固体物料进口，所述螺旋输送装置的出口端输送固体物料至震动筛分网上方，所述震动筛分网的出口物料输送到旋转床固体物料入口，震动筛分网呈多级网板分布。

3.根据权利要求1所述强化液固分散的超重力装置，其特征在于：所述固液初始混合组件包括一级静态内环、一级收集板、二级静态内环、二级收集板、三级静态内环、三级收集板、四级静态内环、四级收集板。

4.根据权利要求3所述强化液固分散的超重力装置，其特征在于：所述一级静态内环至四级静态内环的厚度逐级变薄，一级静态内环厚度为3-15 mm。

5.根据权利要求3所述强化液固分散的超重力装置，其特征在于：所述一级收集板至四级收集板的长度逐级变短，一级收集板长度为3-8 cm；

所述各级静态内环下端指向的位置位于各级收集板内侧，各级静态内环与各级收集板水平距离为5-10 mm。

6.根据权利要求1所述强化液固分散的超重力装置，其特征在于：所述固料分散组件中，挡板与螺旋锥竖直距离为1-2 cm；

所述固料分散组件中，搅动部件与多级分散孔下端水平对齐。

7.根据权利要求1所述强化液固分散的超重力装置，其特征在于：所述填料组件中，丝网填料厚度为0.5-3 cm。

8.根据权利要求1所述强化液固分散的超重力装置，其特征在于：所述填料组件中，旋转立柱为3-10层；每层旋转立柱在一个圆周上设有10-50根；

所述填料组件中，定转子立柱为3-10层；每层定转子立柱在一个圆周上设有10-50根。

9.根据权利要求1所述强化液固分散的超重力装置，其特征在于：所述物料筛分组件中，刮刀与旋转外环之间间距为2-12 mm；

所述旋转外环的筛分孔的孔径比震动筛分网孔径大1-4 mm；

所述物料筛分组件中，刮刀在一个圆周上设置4-8根。

10.利用权利要求1-9中任一所述的超重力装置进行强化固液分散的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：液体经进液口进入储液槽，开启静态内环启动开关，使储液槽中液体经各级静态内环以液膜形式下落于各级收集板之上；

S2：固体物料由外缘固体物料进口进入螺旋输送装置，经螺旋输送装置输送至震动筛分网；

S3：固体物料经震动筛分网后下落，经固体物料入口进入超重力装置内，再经旋转的螺旋锥进行初始分散，经多级旋转圆盘进行充分分散，然后经多级分散孔进入固液初始混合区域；

S4：在固液初始混合区域，由多级分散孔射入的固体粉末与下落的液膜进行接触后经过填料组件进行充分混合；

S5：大部分固液混合物在填料组件内混合后，经旋转外环的筛分孔流出，从物料出口采出，为采出产品；

S6：少量固液混合物会由于颗粒较大而无法从旋转外环筛分孔流出，而是经过引流板从次级出料口采出，为不合格产品；

步骤S1中，液体质量流量为10-250 k g/h；

步骤S2中，固体物料质量流量为5-150 k g/h；

步骤S3中，超重力旋转床内的转子转速范围为100-2500 r/min。

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