CN1206022C - 具有管式转子结构的旋转床超重力场装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种具有管式转子结构的旋转床超重力场装置，即用一定方式排布的管子、滤管、管式膜或中空纤维膜代替目前超重场装置普遍采用的网丝或蝶片，从而将超重力技术用于相互隔离流体相的传递和分离过程。采用本发明的管式超重力技术可以制备相应结构的高效换热装置和膜分离装置。
Description
技术领域：本发明涉及一种具有管式转子结构的旋转床超重力场装置。
技术背景：大宗化学品的制备技术历来是化学工程的研究重点，近十几年来，在科学技术快速发展的推动下，形势起了很大变化。多品种小产量的高附加值产品愈来愈受重视，对化工工艺和设备提出许多新的要求。作为普遍特征，高附加值产品的加工处理量小，要求原料在设备内停留时间短，残留量少，这就需要减小设备尺寸，并考虑不同尺度下化工过程的相关效应。
超重力场装置被誉为“化学工业的晶体管”，对化工加工过程的小型化乃至微型化具有重要意义。同时超重力技术受重力加速度影响有限，因此也适用于未来航天器上的过程开发。超重力技术利用离心力场强化三传一反的化工过程，是20世纪80年代在国际上发展起来的新兴技术〔Ramshaw C，Mallinson RH.，USPatent4283255〕。目前的超重力机也称旋转填充床，设备内的相间传质过程比常规重力场下快得多，可使传递速度提高1～3个数量级。超重力机由转子、液体分布器和外壳组成(图1)，机器核心部分为转子，用以固定和带动填料旋转。
尽管超重机仍是非标准设备，目前其结构设计已经有成熟的方法。一些专利〔Wem JW.，US Patent 4382,045；Wem JW.，US Patent 4382,900；郑冲等CN2109880；冯元鼎等CN1060415；郑冲等CN1062098；陈建峰等CN2221437；周绪美等CN1116125〕对不同的进料方式、液体分布器形式、转子与外部管道的连接处密封等结构细节做了巧妙的设计。由于超重力技术显而易见的优点，自第一台超重力机出现以来，世界上许多公司和高校竞相对该技术进行应用研究，应用研究领域包含液体中挥发物的脱除和解吸、气体的选择性吸收、除尘、精馏、材料制备反应过程等。
目前超重机旋转床的填料有网丝和蝶片两种形式〔陈建峰主编. 超重力技术及应用：新一代反应与分离技术，北京：化学工业出版社，2002，7〕，均适用于多相混合流体的传递和反应过程。有很多化工传递和分离过程涉及不能混合的两个或多个流体相，如换热、膜分离、反应分离耦和过程等，如何将超重力技术应用于这些过程仍是悬而未决的问题。
发明内容：本发明的目的在于提供一种管式超重力旋转床，可以使用相互分离的两个流体相，满足化工过程的相关需要。
本发明主要的技术措施是使用一定方式排布的管子代替目前普遍使用的网丝填料或蝶片填料。管子轴线与旋转方向垂直，可以采用辐射状径向排布(即管道轴线与旋转轴垂直，见图1)，也可以轴向排布(即管道轴线与旋转轴平行，见图2)，这样，圆管起到支撑转子的作用，同时管壁两侧可以使用相互分离的两个流体相。这种形式的超重力机可称为管式超重力设备，管外流体的传质过程与常规重力场下有很大不同，巨大的剪应力将液体撕裂成细微的液膜、液滴和液丝，产生巨大的快速更新的相界面。同时管内流体的运动相当于经过低螺距的螺旋流道，也将产生强烈的Dean漩涡从而减轻边界层效应〔Germano M.J.FluidMechanics，1989，203：289〕。
这种管式超重力设备，用于相界传递的管子可以是金属管、塑料管、金属或高分子滤管、金属或高分子烧结的管式膜或中空纤维膜，管子内径为0.1～50毫米；管厚度为管内径的0.04～0.4倍；管外径大小与设备的整体大小要匹配，应为转子直径的0.001～0.1倍，最好为转子直径的0.005～0.05倍。
管子长度会影响管内外两相流体的比例，因此设计时转子直径与宽度有一定比例，要求转子宽度为转子直径的0.1～10倍。对于两相流体的量相差很悬殊的传递过程，可以采用多壳程(图3)或多管程(图4)设计。可以采用的管程数和壳程数为1～6。
管子的填充分率同样会影响管内外两相流体的比例，所谓填充分率指相界传递使用的管子所占体积与转子总体积的比值。为确保转子的机械强度及管外侧的传递效果，填充分率要大于0.1；同时填充分率不得大于0.7，以防止壳层流动阻力过高。
对于轴向排布(即管道轴线与旋转轴平行)的情形，为减轻管内流体的流动阻力，管子两端的进口及出口可以有一定长度的弯曲通道(图5)，弯曲通道轴线与进出口处流体流动的切向一致，弯曲角(出口管路轴向与管中间部分轴线的夹角，见图5中α)的取值范围为5°～85°，其大小根据转子转速调整，转速大对应的弯曲角应增大。弯曲通道的长度为管子内径的0.5～10倍。
转子转速提高能改善传递效果；但转速高导致流体阻力增加，同时对管子机械强度也有一定要求。根据不同的管径和料液粘度，转子可以采用的转速为50～5000rpm。
本发明通过改变超重力旋转床的结构，设计了管式的超重力设备，扩大了超重力技术的应用领域。比如，相应的超重力管式膜组件不仅可以基本消除边界层效应和沟流相应(Channelling Effect)，减轻膜污染，同时能够提供较大膜面积，因此在膜分离方面有很好的应用前景，还可以考虑构筑膜接触器(membranecontactor)和支撑液膜(supporting liquid membrane)；用管式超重力设备作为换热器，可用于热敏物料的快速冷却和快速加热；由于超重力技术受重力加速度影响有限，因此本发明对太空过程开发也有重要意义。
附图说明：
图1：径向排布的管式超重力设备结构示意图
图2：轴向排布的管式超重力设备结构示意图
图3：采用三壳程的管式超重力设备转子结构示意图
图4：采用双管程的管式超重力设备转子结构示意图
图5：管道进出口的弯曲通道示意图
具体实施方式：下面结合附图说明具体的实施方式
实施例1：超重力不锈钢膜膜组件，采用Hyflux Group出品的管式不锈钢微滤膜，管式膜在转子内径向排布，结构如图1所示，安装管式膜1的旋转床转子2在机械轴3的带动下高速旋转。料液由进口管7引入转子内腔，经液体分布器4淋洒在转子内缘，最终从转子侧面离开转子由出口8引出。管式膜内的渗透液在离心力作用下被甩向旋转床外壳6汇集后经出口管5离开。不锈钢微滤膜的内径7.5mm，厚度1mm。转子内腔120mm外径500mm，转子宽度400mm，转速为500rpm。厚度膜组件的封装分率为0.15。
实施例2：超重力不锈钢膜膜组件，结构尺寸与实施例1相同。为了改善壳程的流体力学状况，并增加管外流体的传递时间，膜组件在壳程设置两个挡板9，挡板9的设置方式如图3所示。
实施例3：用于热敏物料加热冷却的超重力换热器，可用于热敏物料加热和冷却。转子外径400mm内腔150mm转速1000rpm，内径6mm壁厚1.2mm长400mm的不锈钢管10在转子内轴向排布(结构如图2所示)，封装分率为0.45。料液由进口管7引入转子内腔，经液体分布器4淋洒在转子内缘，在离心力作用下被甩向旋转床外壳6汇集后经出口管5离开；冷却或加热流体介质从侧面11进入，从管内流过后，从转子的另一侧面出口12引出。
实施例4：用于热敏物料加热冷却的超重力换热器，转子和不锈钢管结构尺寸与实施例3相同。为增加流体介质的换热时间，采用U形不锈钢管13代替不锈钢直管10。料液与实施例3相同，由进口管引入转子内腔，经液体分布器淋洒在转子内缘，在离心力作用下被甩向旋转床外壳汇集后经出口管离开；冷却或加热流体介质从侧面进入，从管内流过后，从转子的同一侧面出口引出。料液进口7和流体介质的进口14出口15形成三重套管结构，如图4所示。
实施例5：旋转式中空纤维膜膜组件，转子外径50mm内腔20mm转速100rpm，采用Memtec公司生产的聚丙烯微滤中空纤维膜在转子内轴向排布(结构如图3所示)，中空纤维膜内径0.3mm，平均孔径0.2μm，膜组件的封装分率为0.65。这时重力影响不容忽略，可用于膜萃取过程，一种流体由进口管7引入转子内腔，经液体分布器4淋洒在转子内缘，在离心力作用下被甩向旋转床外壳6汇集后经出口管5离开；另一种流体从侧面13进入，从管内流过后，从转子的另一侧面出口14引出。
Claims (5)
1、一种具有管式转子结构的旋转床超重力场装置，由转子、液体分布器和外壳组成，其特征在于转子由一定方式排布的管子构成，管子轴线与旋转方向垂直，管子排布方式可以采用辐射状径向排布，即管道轴线与旋转轴垂直，也可以轴向排布，即管道轴线与旋转轴平行，管子两端固定在转子外沿从而对旋转床转子起支撑作用，并避免管内外两种流体互相混合。
2、根据权利要求1所述的一种具有管式转子结构的旋转床超重力场装置，其特征在于，管子可以是金属管、塑料管、金属或高分子滤管、金属或高分子烧结的管式膜或中空纤维膜。
3、根据权利要求1所述的一种具有管式转子结构的旋转床超重力场装置，其特征在于，管子内径为0.1～50毫米，管厚度为管内径的0.04～0.4倍，管外径为转子直径的0.005～0.05倍。
4、根据权利要求1所述的一种具有管式转子结构的旋转床超重力场装置，其特征在于，管子在转子中排布采用的管程数和壳程数为1～6，管子的填充分率为0.1～0.7。
5、根据权利要求1所述的一种具有管式转子结构的旋转床超重力场装置，其特征在于，管子两端的进口及出口可以有一定长度的弯曲通道，弯曲通道轴线与进出口处流体流动的切向一致，出口管路轴向与管中间部分轴线夹角α的取值范围为5°～85°，弯曲通道的长度为管子内径的0.5～10倍。
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