CN115869883A - 一种流体驱动浸没式旋转填充床及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流体驱动浸没式旋转填充床，流体驱动浸没式旋转填充床采用流体驱动的形式来提供动力，无需电机即可高效运转，能有效降低能耗，实现节能减排。采用流体驱动替代电机驱动，省去了电机轴与旋转填充床外壳间的旋转密封，转动部件封闭于壳体内，提高了整体结构的紧凑性和密封性，以及旋转填充床运行的稳定性及安全性。本发明在高温、高压、有毒等特殊工况下的反应、吸收等场合中应用具有较大优势。通过液体分布器、旋转叶片及填料对液相实现全方位分散，将其处理为液膜、液线、液滴等细小流体微元，增大了气液有效传质比表面积，强化了反应过程。

Description

一种流体驱动浸没式旋转填充床及其应用

技术领域

本发明涉及旋转填充床装置，更具体地，涉及一种流体驱动浸没式旋转填充床。

背景技术

旋转填充床是典型的过程强化装备。在旋转填充床中，采用超重力技术，转子旋转将流体切割成更小的微元，增大了相间接触面积，增强了混合效果与反应性能。加快了反应速率，反应物在床内停留时间短，但在长停留时间反应体系的应用中可能存在限制。

同时，传统的旋转填充床通过电机提供动力，电机的存在导致装置耗电量大，且电机与反应器体在外壳体处相连，经常出现密封问题，当应用于高压、高温、有毒等特殊工况时，导致存在安全隐患。

发明内容

针对现有技术中的问题，本申请提供一种流体驱动浸没式旋转填充床，采用流体驱动替代电机驱动，避免了因电机存在带来的问题，也能使旋转填充床结构更为紧凑。

为了解决上述问题中的至少一个，一方面，本发明提供一种流体驱动浸没式旋转填充床，包括壳体，以及设于所述壳体内腔的切割组件和转动组件，所述壳体包括第一流体入口和第二流体入口；

反应流体驱动所述转动组件转动，进而带动所述切割组件转动；

所述切割组件用于剪切导入其中的反应流体，形成流体微元；

所述第一流体入口可通入第一流体并配合所述壳体内腔，产生施加在所述转动组件上并可使所述转动组件朝一方向转动的第一推动力；

所述第二流体入口可通入第二流体并配合所述壳体内腔，产生施加在所述转动组件上并可使所述转动组件朝所述方向转动的第二推动力；

所述转动组件朝所述方向转动过程中，所述转动组件中心位置处压力减小，进而将流体吸入至所述切割组件进行剪切。

在优选的实施方式中，所述转动组件包括：转动轴以及多个固定在所述转动轴侧壁上的转动叶轮；所述转动叶轮位于所述切割组件上方。

在优选的实施方式中，所述转动组件还包括：静止扰流件，所述静止扰流件固定在所述壳体内壁上。

在优选的实施方式中，所述转动轴上设有旋转扰流件。

在优选的实施方式中，所述切割组件包括：转盘以及固定在所述转盘上的切割填料，所述转动轴贯穿所述转盘，进而所述转动组件能够带动所述切割组件转动。

在优选的实施方式中，所述第一流体入口以及所述第二流体入口正对所述转动叶轮，进而所述第一流体入口以及所述第二流体入口处产生施加在所述转动叶轮上的第一推动力以及第二推动力。

在优选的实施方式中，所述第一流体入口以及所述第二流体入口正对所述转动叶轮，进而所述第一流体入口以及所述第二流体入口处产生施加在所述转动叶轮上的第一推动力以及第二推动力。

在优选的实施方式中，所述转动叶轮叶片为直叶片，弯叶片，螺旋叶片。

在优选的实施方式中，所述切割填料内填充物形式包括但不限于：规整丝网填料，泡沫陶瓷填料，多孔波纹填料。

另一方面，本发明提供一种基于上述所述的流体驱动浸没式旋转填充床的应用，包括：

第一反应流体经第一流体入口输送入所述流体驱动浸没式旋转填充床内，驱动转动组件转动，进而通过带动切割组件转动；

第二反应流体经第二流体入口输送入所述流体驱动浸没式旋转填充床内，所述第一反应流体以及所述第二反应流体在转动组件的转动下进行混合，形成反应物料；

所述反应物料被所述切割组件充分剪切，分散成流体微元。

本发明的有益效果

本发明提供一种流体驱动浸没式旋转填充床，流体驱动浸没式旋转填充床采用流体驱动的形式来提供动力，无需电机即可高效运转，能有效降低能耗，实现节能减排。采用流体驱动替代电机驱动，省去了电机轴与旋转填充床外壳间的旋转密封，转动部件封闭于壳体内，提高了整体结构的紧凑性和密封性，以及旋转填充床运行的稳定性及安全性。本发明所设计的流体驱动浸没式旋转填充床可以增加物料在装置中的停留时间，使物料反应更加充分。本发明在高温、高压、有毒等特殊工况下的反应、吸收等场合中应用具有较大优势。通过液体分布器、旋转叶片及填料对液相实现全方位分散，将其处理为液膜、液线、液滴等细小流体微元，增大了气液有效传质比表面积，强化了反应过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明单级流体驱动浸没式旋转填充床的结构示意图。

图2为本发明单级流体驱动浸没式旋转填充床(带扰流件及文丘里结构)的结构示意图。

图3为本发明单级流体驱动浸没式旋转填充床用于多相流反应流程示意图。

图4为本发明单级流体驱动浸没式旋转填充床(带扰流件及文丘里结构)用于多相流反应流程示意图。

图5为本发明多级流体驱动浸没式旋转填充床的结构示意图。

图6为本发明多级流体驱动浸没式旋转填充床的结构示意图用于多相流反应流程示意图。

附图说明：1、第一流体入口，2、壳体，3、第二流体入口，4、轴承座，5、出口，6、转轴，7、切割填料，8、转盘，9、转动叶轮，10、轴承座，11、底座，12、外壳体底座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

为便于描述，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅设置为描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

目前，传统旋转填充床由电机提供动力，电机的存在带来了诸如电缆线过长、耗电量大的问题。同时由于电机通过电机轴与旋转填充床相连并驱动转子旋转，电机轴与旋转填充床外壳间存在动密封，当应用于高压、有毒等特殊工况时，可能会存在安全隐患。

基于此，如图1所示，本发明提供一种流体驱动浸没式旋转填充床，包括壳体2，以及设于所述壳体2内腔的切割组件和转动组件，所述壳体包括第一流体入口1和第二流体入口3；

反应流体驱动所述转动组件转动，进而带动所述切割组件转动；

所述切割组件用于剪切导入其中的反应流体，形成流体微元；

所述第一流体入口1可通入第一流体并配合所述壳体内腔，产生施加在所述转动组件上并可使所述转动组件朝一方向转动的第一推动力；

所述第二流体入口3可通入第二流体并配合所述壳体内腔，产生施加在所述转动组件上并可使所述转动组件朝所述方向转动的第二推动力；

所述转动组件朝所述方向转动过程中，所述转动组件中心位置处压力减小，进而将流体吸入至所述切割组件进行剪切。

可以理解的是，第一流体入口1导入第一流体，第一流体对转动组件产生第一推动力，第二流体入口3导入第二流体，第二流体对转动组件产生第二推动力，第一推动力和第二推动力推动转动组件转动，第一流体以及第二流体流至切割组件，转动组件带动切割组件高速转动，将第一流体以及第二流体切割成微纳级别的流体微元。所述壳体在流体驱动段采用文丘里结构，流体包括但不限于气体、液体或超临界流体。

综上所述，本发明提供的流体驱动浸没式旋转填充床，流体驱动浸没式旋转填充床采用流体驱动的形式来提供动力，无需电机即可高效运转，能有效降低能耗，实现节能减排。采用流体驱动替代电机驱动，省去了电机轴与旋转填充床外壳间的旋转密封，转动部件封闭于壳体内，提高了整体结构的紧凑性和密封性，以及旋转填充床运行的稳定性及安全性。本发明所设计的流体驱动浸没式旋转填充床可以增加物料在装置中的停留时间，使物料反应更加充分。本发明在高温、高压、有毒等特殊工况下的反应、吸收等场合中应用具有较大优势。通过液体分布器、旋转叶片及填料对液相实现全方位分散，将其处理为液膜、液线、液滴等细小流体微元，增大了气液有效传质比表面积，强化了反应过程。

在一些优选的实施方式中，如图1所示，所述转动组件包括：转动轴6以及多个固定在所述转动轴侧壁上的转动叶轮9；所述转动叶轮9位于所述切割组件上方。

可以理解的是，转动叶轮9均匀径向固定转动轴6侧壁上，切割组件20为切割填料，固定在转动组件上方，在一些具体的实施方式中，切割组件也可固定在转动组件周侧，环绕转动叶轮9；在具体的实施方式中，转动组件还包括轴承座4，轴承座4固定在壳体2下方，轴承座4内设有轴承，转动轴6的一端贯穿壳体2固定与轴承内。转动叶轮9可以是轴流式叶轮，该轴流式流体驱动组件通过进料流体流经至所述轴流式叶轮驱动叶轮旋转，通过所述旋转轴带动转子旋转，并使流体分散到所述填充物中；转动叶轮9可以是径流式叶轮，径流式叶轮由径向水平进料流体驱动旋转，通过所述旋转轴带动转子旋转。并使流体分散到所述填充物中。转动叶轮9叶片为直叶片，弯叶片，螺旋叶片。

在一些优选的实施方式中，所述转动组件还包括：流体分布器，壳体2内腔包括第一流体腔和第二流体腔；流体分布器贯穿所述第一流体腔，并朝向转动叶轮9切斜设置，进而通过喷射所述第一流体在所述转动叶轮9上施加所述第一推动力。

可以理解的是，流体分布器为喷嘴式，喷嘴方向与转动叶轮9叶片呈一定角度，优选地，喷嘴喷射方向垂直于叶轮叶片，喷嘴呈跨中布置，喷嘴数目为多个。向第一流体腔内导入第一流体，流体分布器将第一流体沿转动组件轴向向转动叶轮9喷射第一流体，产生推动转动叶轮9转动的第一推动力，进而带动转动组件转动，第一流体喷射至转动叶轮9叶面上，转动叶轮9转动时产生一定的离心力，将第一流体甩至切割组件，经切割组件旋转切割成微纳级别的流体微元。第一流体腔内只能导入非气相流体。

在优选的实施方式中，所述第二流体入口3正对所述转动叶轮9，进而所述第二流体入口3处产生施加在所述转动叶轮9上的第二推动力。

可以理解的是，第二流体入口3位于转动叶轮9的周侧，在转动叶轮9周侧形成了第二流体腔，第二流体腔导入第二流体，产生推动转动叶轮9转动的第二推动力，进而带动转动组件转动，第二流体喷射至转动叶轮叶9面上，转动叶轮9转动时产生一定的离心力，将第二流体甩至切割组件，经切割组件旋转切割成微纳级别的流体微元。

在优选的实施方式中，所述转动组件还包括：静止扰流件，所述静止扰流件固定在所述壳体内壁上，所述转动轴上设有旋转扰流件。静止扰流件和旋转扰流件有导流作用。

在一些具体实施方式中，所述切割组件包括：转盘8以及固定在所述转盘上的切割填料7，所述转动轴贯穿所述转盘8，进而所述转动组件能够带动所述切割组件转动。切割填料内填充物形式包括但不限于：规整丝网填料，泡沫陶瓷填料，多孔波纹填料。

在一些具体实施方式中，参见图3，所述流体驱动浸没式旋转填充床包括多个切割组件以及多个转动组件。

本实例多级流体驱动浸没式旋转填充床在使用时，主物料经主物料进口1进入旋转填充床装置内，次物料可以通过各级次物料进口2，3，5分别进入旋转填充床装置内，两股流体并流在装置内流动，主要由主物料来驱动多级叶轮9，11，14进行旋转，旋转过程中物料经过转子组件作用充分混合反应，在此过程中两股物料持续接触混合传质。反应后产物从出口7流出。作为本发明优选的实施例，进口流体压力＞500Pa。

在本发明的一种流体驱动浸没式旋转填充床可应用于多相流反应、分离等过程，包括如下步骤：

步骤S1：一股流体经进口进入旋转填充床装置内喷射到叶轮叶片上，驱动叶轮进行旋转。

步骤S2：旋转叶轮通过转动轴带动旋转转盘及切割组件，被分散做离心运动的流体经过填料被切割成细小微元。

步骤S3：另一股流体经另一进口进入旋转填充床装置内，不同流体持续接触传质。

步骤S4：反应后的气体自气体出口排出，液体自液体出口排出。

从上述实施方式可以知晓，本发明提供一种流体驱动浸没式旋转填充床，流体驱动浸没式旋转填充床采用流体驱动的形式来提供动力，无需电机即可高效运转，能有效降低能耗，实现节能减排。采用流体驱动替代电机驱动，省去了电机轴与旋转填充床外壳间的旋转密封，转动部件封闭于壳体内，提高了整体结构的紧凑性和密封性，以及旋转填充床运行的稳定性及安全性。本发明所设计的流体驱动浸没式旋转填充床可以增加物料在装置中的停留时间，使物料反应更加充分。本发明在高温、高压、有毒等特殊工况下的反应、吸收等场合中应用具有较大优势。通过液体分布器、旋转叶片及填料对液相实现全方位分散，将其处理为液膜、液线、液滴等细小流体微元，增大了气液有效传质比表面积，强化了反应过程。

在本发明的某些实施例中，流体压力>500Pa，流体包括气体、液体或超临界流体，多相流包括气液、液液，多相流包括气液、液液，优选地，多相流为并流。

下面结合具体实施例，对本发明的单级流体驱动浸没式旋转填充床进行说明。

实施例1：参见图1，其中1-主物料进口，2-外壳体，3-次物料进口，4-轴承座，5-出口，6-旋转轴，7-填充物，8-旋转盘，9-叶轮，10-轴承座，11-底座，12-外壳体底座。

本实例单级流体驱动浸没式旋转填充床在使用时，主物料经主物料进口1进入旋转填充床装置内，次物料通过次物料进口3进入旋转填充床装置内，两股流体并流在装置内流动，主要由主物料来驱动叶轮9进行旋转，旋转过程中物料经过转子组件作用充分混合反应，在此过程中两股物料持续接触混合传质。反应后产物从出口5流出。作为本发明优选的实施例，进口流体压力＞500Pa。

实施例2：参见图2，其中1-主物料进口，2-外壳体，3-次物料进口，4-静止扰流板，5-轴承座，6-出口，7-旋转轴，8-填充物，9-旋转盘，10-旋转扰流件，11-叶轮，12-轴承座，13-底座，14-外壳体底座。

本实例单级流体驱动浸没式旋转填充床(带扰流件及文丘里结构)在使用时，主物料经主物料进口1进入旋转填充床装置内，次物料通过次物料进口3进入旋转填充床装置内，两股流体并流在装置内流动，主要由主物料来驱动叶轮11进行旋转，旋转过程中物料经过转子组件作用充分混合反应，在此过程中两股物料持续接触混合传质。反应后产物从出口6流出。作为本发明优选的实施例，进口流体压力＞500Pa。

实施例3：参见图4，其中1-主物料进口，2-外壳体，3-次物料进口，4-轴承座，5-出口，6-旋转轴，7-填充物，8-旋转盘，9-叶轮，10-轴承座，11-底座，12-外壳体底座，13-外壳体底座，14-次物料储罐，15-泵，16-泵，17-主物料储罐。

本实例进行环己烷萃取硝基苯流程，1500mg·L¹的环己烷从主物料进口通入驱动叶轮转动，旋转轴转速为300rpm，使反应器内溶液中环己烷浓度1500mg·L¹，而硝基苯从次物料进口通入，经过转子组件和扰流件的作用下，物料在壳体内反应充分后从出口流出，硝基苯萃取率可达到90％。

实施例4：参见图5，其中1-主物料进口，2-外壳体，3-次物料进口，4-轴承座，5-出口，6-旋转轴，7-填充物，8-旋转盘，9-叶轮，10-轴承座，11-底座，12-外壳体底座，13-外壳体底座，14-次物料储罐，15-泵，16-泵，17-主物料储罐。

本实例进行环己烷萃取硝基苯流程，1500mg·L¹的环己烷从主物料进口通入驱动叶轮转动，旋转轴转速为300rpm，使反应器内溶液中环己烷浓度1500mg·L¹，而硝基苯从次物料进口通入，经过转子组件和扰流件的作用下，物料在壳体内反应充分后从出口流出，硝基苯萃取率可达到97％。本实例在添加扰流件及文丘里结构后，萃取效率显著提升。

实施例5：参见图4，其中1-主物料进口，2-外壳体，3-次物料进口，4-轴承座，5-出口，6-旋转轴，7-填充物，8-旋转盘，9-叶轮，10-轴承座，11-底座，12-外壳体底座，13-外壳体底座，14-次物料储罐，15-泵，16-泵，17-主物料储罐。

本实例为单级流体驱动浸没式旋转填充床的流程，进行臭氧降解水中对硝基苯酚的反应，含对硝基苯酚的废水从主物料进口通入驱动叶轮转动，旋转轴转速为300rpm使反应器内溶液中对硝基苯酚浓度为100mg·L¹，而气态臭氧浓度为20mg·L¹，从次物料进口通入，经过充分反应，对硝基苯酚的去除率可达到70％左右，臭氧传质得到增强，溶解臭氧量增加。

实施例5：参见图6，其中1-主物料进口，2-一级次物料进口，3-二级次物料进口，4-外壳体，5-三级次物料进口，6-轴承座，7-出口，8-三级转子组件，9-三级叶轮，10-二级转子组件，11-二级叶轮，12-旋转轴，13-一级转子组件，14-一级叶轮，15-轴承座，16-底座，17-外壳体底座，18-次物料储罐，19-泵，20-泵，21-主物料储罐。

本实例为多级流体驱动浸没式旋转填充床的流程，进行臭氧降解水中对硝基苯酚的反应，含对硝基苯酚的废水从主物料进口通入驱动叶轮转动，旋转轴转速为300rpm，使反应器内溶液中对硝基苯酚浓度为100mg·L¹，而气态臭氧浓度为20mg·L¹，从次物料进口通入，经过充分反应，对硝基苯酚的去除率可达到95％，臭氧传质得到增强，溶解臭氧量增加。相较于单级流体驱动浸没式旋转填充床，多级流体驱动浸没式旋转填充床增加反应的停留时间，对硝基苯酚的去除率显著增加。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施方式的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。

此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施方式的实施方式而已，并不用于限制本说明书实施方式。对于本领域技术人员来说，本说明书实施方式可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施方式的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施方式的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种流体驱动浸没式旋转填充床，其特征在于，包括壳体，以及设于所述壳体内腔的切割组件和转动组件，所述壳体包括第一流体入口和第二流体入口；

反应流体驱动所述转动组件转动，进而带动所述切割组件转动；

所述切割组件用于剪切导入其中的反应流体，形成流体微元；

所述第一流体入口可通入第一流体并配合所述壳体内腔，产生施加在所述转动组件上并可使所述转动组件朝一方向转动的第一推动力；

所述第二流体入口可通入第二流体并配合所述壳体内腔，产生施加在所述转动组件上并可使所述转动组件朝所述方向转动的第二推动力；

所述转动组件朝所述方向转动过程中，所述转动组件中心位置处压力减小，进而将流体吸入至所述切割组件进行剪切。

2.根据权利要求1所述的流体驱动浸没式旋转填充床，其特征在于，所述转动组件包括：转动轴以及多个固定在所述转动轴侧壁上的转动叶轮；所述转动叶轮位于所述切割组件上方。

3.根据权利要求2所述的流体驱动浸没式旋转填充床，其特征在于，所述转动组件还包括：静止扰流件，所述静止扰流件固定在所述壳体内壁上。

4.根据权利要求3所述的流体驱动浸没式旋转填充床，其特征在于，所述转动轴上设有旋转扰流件。

5.根据权利要求2所述的流体驱动浸没式旋转填充床，其特征在于，所述切割组件包括：转盘以及固定在所述转盘上的切割填料，所述转动轴贯穿所述转盘，进而所述转动组件能够带动所述切割组件转动。

6.根据权利要求2所述的流体驱动浸没式旋转填充床，其特征在于，所述第一流体入口以及所述第二流体入口正对所述转动叶轮，进而所述第一流体入口以及所述第二流体入口处产生施加在所述转动叶轮上的第一推动力以及第二推动力。

7.根据权利要求1所述的流体驱动浸没式旋转填充床，其特征在于，所述流体驱动浸没式旋转填充床包括多个切割组件以及多个转动组件。

8.根据权利要求6所述的流体驱动浸没式旋转填充床，其特征在于，所述转动叶轮叶片为直叶片，弯叶片，螺旋叶片。

9.根据权利要求5所述的流体驱动浸没式旋转填充床，其特征在于，所述切割填料内填充物形式包括但不限于：规整丝网填料，泡沫陶瓷填料，多孔波纹填料。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的流体驱动浸没式旋转填充床的应用，其特征在于，包括：

第一反应流体经第一流体入口输送入所述流体驱动浸没式旋转填充床内，驱动转动组件转动，进而通过带动切割组件转动；

第二反应流体经第二流体入口输送入所述流体驱动浸没式旋转填充床内，所述第一反应流体以及所述第二反应流体在转动组件的转动下进行混合，形成反应物料；

所述反应物料被所述切割组件充分剪切，分散成流体微元。

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