一種多級錯流旋轉填料床傳質與反應設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于化工、石油化工、環(huán)境保護傳質反應設備的技術領域，具體涉及一種多級錯流旋轉填料床傳質與反應設備，不僅適用于精餾、吸收等液膜控制的傳質過程，更適用于氣膜控制的傳質過程強化。
【背景技術】
[0002]超重力技術是20世紀80年代發(fā)展起來的一種強化多相傳遞和反應過程的突破性技術，其原理是在超重力旋轉填料床(也稱為超重力機)中，填料轉子高速旋轉形成超重力環(huán)境，液體被填料剪切霧化，相間接觸面積增大，表面快速更新導致了由液相控制的傳質、傳熱和反應過程得到極大強化。目前主要用于脫硫、脫碳、除塵及納米材料制備等方面。
[0003]超重力旋轉填料床中的氣液接觸方式可分為逆流、并流、錯流。目前常用的旋轉填料床內部轉子均為整體式結構，即轉子內的填料由單一轉軸帶動旋轉，首個超重力旋轉床方面的專利由英國帝國化學工業(yè)公司(ICI)于1979年提出，專利號為EP0002568，隨后在國內外陸續(xù)公開的專利也基本延續(xù)了這種轉子結構。2001年，Sandilya等人研宄發(fā)現(xiàn)，旋轉填料床中進行的氣相傳質過程，其傳質系數(shù)比填料塔中的還要低，原因是氣體進入填料后受摩擦力作用，與填料間的相對滑移速度非常小，氣相界面得不到快速更新，同時填料內液相分布不均的現(xiàn)象會使傳質速率進一步降低。2004年，D P Rao等人的研宄表明，超重力旋轉床中主要強化了液相傳質過程，超重力場下高比表面積填料的使用是其主要原因，而氣相傳質系數(shù)則與傳統(tǒng)填料塔相當。2005年，Chandra A針對整體填料的逆流旋轉填料床中氣相滑移速度太小(2~3 m/s)導致離心加速度對氣相傳質系數(shù)幾乎沒有影響，首次提出了分層式填料旋轉床(Rotating Packed bed with Split Packing，SP-RPB)，將普通旋轉填料床內的整體式轉子填料分割成若干圈相互嵌套的填料環(huán)，這一改進提高了氣相在旋轉填料中的切向滑移速度。2006年，等人研宄了 SP-RPB的傳質性能，結果表明該設備的氣相和液相體積傳質系數(shù)比普通旋轉床提高了近2個數(shù)量級。Agarwal等人用SP-RPB做了一系列精餾與吸收實驗，結果表明SP-RPB尤其適合于強化氣相阻力控制的傳質過程。但SP-RPB同樣存在一些問題，如:轉子中心或靠近中心的部位旋轉半徑小，氣體難以通過填料的高速旋轉獲得較大的切向速度，氣相湍動程度不足，且沿徑向分布不均勻，填料利用率較低；填料使用泡沫金屬直接固定在上下轉盤上，不易更換，且工作時只依賴泡沫金屬自身的機械強度，難以應用到大氣量和大液量的場合。
[0004]2013年中北大學開發(fā)出一種逆向旋轉填料床，專利申請?zhí)?01310402589.3，名稱為“一種煙氣脫硫裝置及工藝”，其主體包括集氣室和主腔室，主腔室內設有可以獨立旋轉的上轉盤和下轉盤，上、下轉盤上的填料環(huán)互相嵌套。這種超重力裝置結構可增大對流體的剪應力，填料將更多的動量傳遞給內部流體，促進氣液的邊界層分離，湍動程度加劇，加快氣液界面更新速率，從而達到強化氣相傳質的目的；提高了運轉穩(wěn)定性，更適用于大通量的場合；集氣室有效抑制了夾帶和液泛對操作平衡帶來的影響。逆向旋轉填料床對氣液的逆向剪切作用，強化了氣相傳質。然而，總體來說其依然屬于氣液逆流接觸方式，這就要求填料層的內環(huán)尺寸足夠大，徑向尺寸相對來講就比較大，對于高速轉動的轉子部件而言，尺寸增大會給加工制造、安裝調試帶來諸多不便，特別是能耗和投資也會大大增加。
[0005]華南理工大學開發(fā)了一種多級霧化錯流旋轉床，例如文獻(潘朝群，多級霧化超重力旋轉填料床的特性及應用，2007)，氣流通過旋轉床的進氣口進入旋轉床，吸收液從位于旋轉床中央帶有小孔的噴水管噴在第一級同心圓環(huán)填料層上，被強大離心力強制沿徑向作霧化分散，經歷第一級霧化后，液滴再灑到第二級同心圓環(huán)填料層上，再經歷離心霧化，最后液體沿器壁在重力作用下落到旋轉床底由排液管排出。該裝置能夠將液體進行多級霧化，大大增加了液相的分散程度，由于液滴內循環(huán)非常劇烈，從而使多級霧化旋轉床的液滴內液膜傳質系數(shù)較高，但對于氣膜控制的傳質過程強化作用相對較弱，2010年張燕青研宄了兩級霧化旋轉填料床的傳質性能，對于堿液吸收SO2這一氣膜控制過程，在相近條件下，其氣相體積傳質系數(shù)比傳統(tǒng)的填料塔高I個數(shù)量級，但低于普通的錯流旋轉填料床。

【發(fā)明內容】

[0006]本實用新型為了解決現(xiàn)有超重力設備在氣相傳質方面存在的冋題，進一步提尚傳質效率，減小設備徑向尺寸，提供了一種多級錯流旋轉填料床傳質與反應設備，氣體與液體錯流接觸，可以減小填料層的徑向尺寸，不易產生液泛，特別適用于處理大氣量的傳熱、傳質與反應過程。
[0007]本實用新型采用如下的技術方案實現(xiàn):多級錯流旋轉填料床傳質與反應設備，包括旋轉床殼體、轉軸以及兩個及其兩個以上可以高速旋轉的填料轉子和一個或一個以上靜止的填料定子，填料轉子與填料定子交替安裝、自上而下同軸設置、以填料轉子始、以填料轉子終，填料轉子中心都設置有液體分布器，液體分布器與各自的進液管連接，旋轉床殼體頂部連接排氣管、底部連接液體出口管和氣體進口管。
[0008]所述的填料定子與旋轉床殼體相連，填料轉子與轉軸相連，轉軸下端裝有被動皮帶輪連接驅動電機。
[0009]排氣管與最上層的填料轉子之間留有空間，排氣管上設置除霧機構。
[0010]所述的填料轉子和填料定子由填料支撐組件進行支撐，填料支撐為中間開孔的不銹鋼板或支撐筋，支撐筋為斜葉片或直條筋；填料轉子的填料支撐與轉軸焊接連為一體，填料定子的填料支撐與殼體內壁焊接連為一體。
[0011]填料轉子中心的液體分布器是環(huán)形套管，套于轉軸之上，每個液體分布器上對稱開4列孔。
[0012]填料定子與殼體間距占殼體直徑的0.59^10%,比填料轉子與殼體的間距小，靜止不動的填料定子上方安裝有錐形圓筒，錐形圓筒與殼體一起構成集液槽，錐形圓筒的底部連接填料定子的外緣。
[0013]液體出口管的頂部與殼體底部齊平。
[0014]氣體進口管伸進殼體底部，氣體進口管的頂部高出殼體底部，進氣管進入殼體的一端安裝有擋板，在氣體進口管末端也設置有擋板，擋板之前的氣體進口管上開有一組格柵孔。
[0015]轉軸的上下兩端與殼體連接的部分均通過軸承座進行動密封。
[0016]本實用新型提供的裝置液體從液體進口管進入，經過液體分布器噴灑在轉子填料內緣，受到填料轉子高速旋轉產生的離心力作用，液體被剪切撕裂成液膜、液滴、液絲，與向上的氣體在轉子填料層中錯流接觸。適用的氣體速度范圍寬，可以減小轉子直徑，且不易發(fā)生液泛。
[0017]本實用新型的有益效果:1.氣體在進氣管一端受到擋板的阻擋，通過格柵孔進入旋轉填料床腔體，避免氣體直吹轉子填料和氣體短路；2.氣體進入高速旋轉的轉子，受到填料的高速剪切之后螺旋上升，通過中間靜止的定子時再次受到其中填料的剪切，氣體徑向旋轉的趨勢被消除或者減弱，氣體得到了再分布。然后，氣體向上通過上一層高速旋轉的轉子再次受到高速剪切，以此類推。同時，3.液體從液體進口管進入液體分布器，噴灑在高速旋轉的填料轉子上，被剪切成液膜、液滴、液絲，與向上的氣體錯流接觸，在每個定子的上方設置有集液槽，可防止含顆粒的液體進入定子填料引起定子阻塞，從而影響氣體的分布效果。該過程相對單一轉子的旋轉填料床，氣體受到多級填料的剪切和分布。在旋轉填料床中，氣體作為連續(xù)相，受到多次剪切，與離散的液體接觸面積更大，加快了氣液界面更新速率，從而達到強化氣相傳質的目的；氣體和液體之間錯流接觸，可以減小轉子直徑，不易產生液泛，更適用于大通量的場合。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型多級錯流旋轉填料床設備主體示意圖。
[0019]圖中:1-氣體出口管；2.1-液體進口管I ;2.2-液體進口管II ;2.3_液體進口管III ;3.1-填料轉子I ;3.2-填料轉子II ;3.3-填料轉子III ;4.1-填料定子I ;4.2-填料定子II ;5_外殼；6-下軸承座；7-液體出口 ；8-上軸承座；9.1-液體分布器I ;9.2-液體分布器II ;10.1-轉子填料支撐I ; 10.2-轉子填料支撐II ；10.3-轉子填料支撐III ;11.1-集液槽I ; 11.2-集液槽II ；12.1-定子填料支撐I ;12.2-定子填料支撐II ;13_擋板；14_格柵孔；15-氣體進口管；16_轉軸；17-被動皮帶輪。
【具體實施方式】
[0020]結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步說明。
[0021]一種多級錯流旋轉填料床傳質與反應設備，包括旋轉床殼體5、轉軸16以及兩個或者兩個以上可以高速旋轉的填料轉子和一個或者一個以上靜止的填料定子，填料轉子與填料定子交替安裝、自上而下同軸設置、以填料轉子始、以填料轉子終，填料轉子中心都設置有液體分布器，液體分布器與各自的進液管連接，旋轉床殼體5頂部連接排氣管1、底部連接液體出口管7和氣體進口管15。
[0022]所述的填料定子與旋轉床殼體5相連，填料轉子與轉軸16相連，轉軸16下端裝有被動皮帶輪17連接驅動電機。
[0023]排氣管I與最上層的填料轉子之間留有空間，排氣管上設置除霧機構。
[0024]填料轉子和填料定子由填料支撐組件進行支撐，填料支撐為中間開孔的不銹鋼板或支撐筋，支撐筋為斜葉片或直條筋；填料轉子的填料支撐與轉軸16焊接連為一體，填料定子的填料支撐與殼體5內壁焊接連為一體