[发明专利]一种分段进液强化转子端效应的超重力旋转床装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种分段进液强化转子端效应的超重力旋转床装置，具体涉及通过改变液体的进液方式实现在转子填料层制造多个端效应区，此分段进液方式可应用于立式或者卧式的超重力旋转填充床，属于超重力技术领域。 

背景技术

1976年，英国帝国化学公司的Ramshow教授从太空微重力下传质过程几乎难以进行的实验中受到启发，在逆向思维的指导下，Ramshow教授认为超重力条件下传质过程将被强化，于是提出了超重力技术这一概念，并发明了模拟超重力环境的超重力旋转床(RPB)装置。经过三十多年的研究，研究者对超重力旋转床开展了多项基础研究，使得人们对超重力旋转床和超重力技术有了更加深入的了解。 

目前，超重力旋转床作为重要的强化气液、液液传质的反应器，已在多个化工单元操作当中得到应用，目前应用比较成熟的过程有吸收、蒸馏等。超重力技术也在各个化工领域中起到了重要的作用，其中纳米材料制备、二氧化碳吸收与解析、烟气脱硫、高聚物脱挥、精馏等已成功应用于工业现场。超重力旋转床的核心为旋转床内腔装载有填料的高速旋转的转子。在50-1000倍重力加速度的条件下，液体从液体进口喷射在高速旋转的转子填料上，液体被切割为了细小的液滴、液丝、液膜，从而使液体增加了很多有效的传质比表面。当液体连续进液喷射到转子填料时，源源不断的产生了有利于传质过程的新鲜液体表面。同时，气体也在高速旋转的转子填料中被不断的剪切，包围在细小的液体、液膜和液丝周围进行传质。在这种情况下，气液传质的速率比传统塔器有了很大的提高了。 

超重力旋转床相对于填料塔、板式塔等传统气液传质设备有一个特别的现象——超重力旋转床具有端效应区。所谓的端效应区，是指在转子填料内缘一小段区域(指填料径向厚度10-30mm)内的传质占所有填料总传质很大的比例。 在端效应区内传质贡献数倍于转子填料的其他区域。为了验证端效应区的重要传质作用，研究者设计了如下实验：固定转子填料层的内径不变，逐步增大其外径，以转子半径为横坐标，传质系数Kla为纵坐标描点做图像，结果显示：在填料内缘径向厚度约12mm(半径差)左右的传质占据了总传质的70％-80％左右。端效应区能强化传质的原因在于液体在进入端效应区之前，周向速度为零而径向速度最大，在填料内缘边缘与周向速度很大的填料碰撞，此时液体与填料相对速度最大，填料对液体的碰撞和剪切最为剧烈，液体被分散为微小的液滴，形成了巨大的气液接触有效比表面面积，导致了传质的强化，同时，在转子填料内缘端效应区内，气体的流通面积最小，导致气速最大，气液湍流更加剧烈，也有利于气液传质。在端效应区，从流体流动和质量传递的角度说，无论是填料对液体施加的能量，还是液体所完成的质量传递都是最强烈的。在液体流过端效应区之后，液体(液滴、液膜或液丝)获得了与填料差不多的周向速度，导致液体与填料相对速度的减小，碰撞与切割减弱，液体有效传质比表面减小，从而弱化了传质效果。 

由于端效应的存在，填料径向厚度的大小与传质强度不成线性关系。在反应停留时间要求较长、传质系数要求较大的体系中，受端效应区的限制，单纯增大填料的径向厚度能起到的作用非常有限，况且增大填料径向厚度，将增大能量的消耗，增大设备的占地空间，影响装置的稳定性。目前，在工业应用和实验室中所用的超重力旋转床都采用了在转子内缘单一进液的方式，而受制于端效应区的影响，在端效应区之外的大部分填料未得到充分的利用。本发明采用分段进液的方式，充分利用端效应这一原理来强化传质过程，实现制造多个端效应区，从而使所有填料都能得到充分利用。 

发明内容

本发明的超重力旋转床装置是对现有的超重力旋转床装置(如中国专利200810103231、200310103434、200920247008等专利中公开的超重力旋转装置)进行的改进。本发明提供了一种分段进液强化转子端效应的超重力旋转床装置， 该旋转床充分利用端效应的原理，在间隔端效应区填料径向厚度(约10-30mm)的位置布置进液装置，同时在转子填料层最内缘布置了具有捕获反溅液体的捕液装置，强化了填料对液体的切割，使液体微粒化产生更多的有效传质比表面。分段进液强化转子端效应的方式既可适用于立式旋转床，也可适用于卧式旋转床。