相界面擴增器制造技術

本發明專利技術公開了一種能顯著增加多相反應相間接觸面積的相界面擴增器，屬于化學化工技術領域。相界面擴增器是具有致密空隙和極大表面積的能夠旋轉的空間立體結構，其特征在于：相界面擴增器有一個中心軸，中心軸四周連接有輻射狀的葉片、毛束或附有毛束的葉片，輻射狀的葉片、毛束或附有毛束的葉片彼此之間用絲網連接，形成密集的三維結構。將裝置嵌入兩相的界面處，通過體系自身的流體驅動或外加機械或電磁驅動旋轉，在裝置表面攜帶大量液膜，能極為顯著地擴大待反應的兩相間的接觸面積，同時實現混合、分散、攪拌等某一功能或組合功能，大大加快反應速率，減少能耗，降低反應成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于化學化工
，涉及一種用來大大增加多相反應(包括氣-液相、液-液相)相間的接觸面積、縮短反應時間的相界面擴增器，可應用于多種化學化工生產過程。
技術介紹
眾所周知，目前的化學化工生產領域，特別是在石化、精細化工、日用輕工、制酒、海水淡化等行業中，存在著大量的多相反應及過程。 一些多相反應或過程速率慢，限制了整個生產效率的提高，使化工行業無法實現高效節能、減排及降低成本。例如，發生在氣-液兩相的蒸餾就是很多化工行業中速率最慢、能耗最大的一個步驟。石油煉廠中原油的蒸餾，制酒行業中酒的蒸餾，精細化工和制藥行業中溶劑的蒸餾和回收，海水淡化過程中海水的蒸餾都是其所在行業最主要的能耗所在。制約多相反應或過程速率的一個重要因素就是相接觸面積，提高相接觸面積是提高多相反應速率的有效途徑。針對由于相接觸面積的局限性而影響多相反應速率的問題，目前最常用的解決辦法是通過強力機械攪拌進行混合，增加互不相溶的多相間的接觸面積，但機械攪拌強度的提升，大大增加了能源、動力的消耗，同時攪拌也存在混合不均、分散度差、生產效率提升不明顯等缺點。另一種解決方法是采用高效的多相催化劑或相轉移催化劑，但這類方法的應用面十分有限，僅僅適用于某幾個特定的反應，不能大規模的應用，同時昂貴的特種催化劑價格也大大提升了生產成本。在解決溶劑蒸餾分離效率低、能耗大的問題上，人們試圖通過納米微孔無機膜的方法來取代蒸餾，然而用于分離有機溶劑的膜分離技術目前大多還停留在實驗室的研究水平，鮮有工業化應用的成功例子。另一類方法是新近出現的分子蒸餾技術或薄膜蒸餾技術，盡管能夠提升溶劑的分離效率，但工業成本高、能耗嚴重。
技術實現思路
本專利技術提出一種能顯著增加相間界面面積的反應輔助裝置，解決目前多相化學化工生產過程中無法低能耗、低成本地提升有效相接觸面積的問題。本專利技術的技術方案如下該裝置是一種具有致密空隙和極大表面積的能夠旋轉的空間立體結構，將其投入常規的生產體系中，根據所涉及的兩相間的物理化學性質，如密度、黏度、抗酸堿性等來選擇材料，使其能夠懸浮在兩相的界面處，利用體系自身的流體驅動或外力驅動來實現其旋轉，從而在裝置的空隙上形成具有極大表面積的液膜，這樣一來，在不明顯增加生產成本和能耗的基礎上，大大增加了兩相的混合程度和接觸界面面積，從而提高反應效率和能量的有效利用率。相界面擴增器有一個中心軸，中心軸的四周連接有輻射狀的葉片、毛束或附有毛束的葉片，這些輻射狀的葉片、毛束或附有毛束的葉片在中心軸上形成扇狀、螺旋狀或毛刷狀，輻射狀的葉片、毛束或附有毛束的葉片彼此之間用絲網連接，形成密集的扇-網、螺-網或交聯的網狀三維結構。葉片、毛束或附有毛束的葉片沿軸方向平行輻射或螺旋輻射排列；當葉片、毛束或附有毛束的葉片進行軸向螺旋輻射排列時，沿長軸方向有固定或非固定的螺距(這里所說的螺距是指螺紋上相鄰兩牙對應點之間的軸向距離)，這種排列可使裝置在兩相間的流體動力作用下實現自身的旋轉，在離心作用下使其承載的液體沿葉片輻射的方向四處成膜擴散，同時又借助螺旋運動使下層液相從下而上或從一側向另一側運動，也可以同時進行兩種運動，這些運動增加了兩相的接觸面積，也增大了兩相的混合、分散程度。該裝置的立體結構可以是對稱的，也可以是不對稱的，裝置的形狀、大小可根據實際生產需要進行調整，裝置的橫截面及縱截面形狀可以是規則的或不規則的N邊形(NS 3)、圓形或橢圓形等。當需要同時使用多個該類裝置時，選擇橫截面為規則正六邊形的裝置，利用幾何組裝原理，使眾多這類裝置在兩相的界面處自行實現最優(最密集的)幾何組合排列。當相界面擴增器需要用動力驅動對反應相進行混合、分散時，中心軸、葉片、毛束或附有毛束的葉片可為中空結構，彼此之間相互連通，葉片、毛束或附有毛束的葉片表面可帶有不同孔徑的排液小孔，液相從中心軸流入，在裝置旋轉時，可利用離心力將液相充分分散、混合。此外，中心軸可以做成帶空腔的套管形式，然后將其套裝在驅動軸上，液相從軸套處流入到裝置中，然后在離心力作用下通過與套管連通的中空帶孔的葉片、毛束或附有毛束的葉片進行分散、混合。根據所涉及的兩相間的物理化學性質，制備該裝置所選用的材料可為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復合材料等結構材料，也可以是具有磁性、吸波、吸熱、傳熱等性能的功能材料，這些材料可以是實體的、中空的或帶孔的。相界面擴增器材料的表面可以是光滑的，也可以是粗糙的。以上材料還可以進行表面功能化改性，改變其與反應兩相的親疏性能。由于裝置具有大的表面積，可以在裝置表面接枝如催化劑等化學反應試劑。該裝置的運轉采用體系自身的流體驅動或是外加機械或電磁攪拌驅動。本專利技術的效果和益處是使用相界面擴增器后，會大大地擴增待反應兩相的接觸面積，明顯提高反應效率和能量的有效利用率；裝置的運轉只需自身流體運動或外加機械或電磁攪拌就可以驅動，耗能低；裝置為附加裝置，不需對現有的生產設備作較大的改進，兼容性好，裝置簡單，安裝方便；形狀設計和制作材料多樣，可滿足不同的生產過程需要；自身大的表面積，可用作其他功能材料的附著載體。附圖說明圖l是一種葉片沿中心軸平行輻射排列的相界面擴增器沿中心軸方向的正視圖。圖2是一種葉片沿中心軸平行輻射排列的相界面擴增器垂直于中心軸方向的正視圖。圖3是一種葉片沿中心軸螺旋輻射排列的相界面擴增器的立體示意圖。圖中l中心軸；2葉片；3絲網；4空腔；5微孔。具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本專利技術的具體實施例。實施例l中心軸l為實體結構，帶有密集的沿軸方向平行排列的輻射狀的實體葉片2，所有葉片都是等大小的正六邊形，其中一條對角線與中心軸重合。葉片之間用絲網3連接成密集的網狀，如圖1和圖2所示。將裝置嵌入到反應兩相的界面，裝置中心軸可與界面平行。這種結構在待反應相中具有較好的自組裝性，使裝置在液面更緊密的排列，提供更多的表面積；裝置在流體驅動下繞軸自由旋轉。這種旋轉增加了待反應相界面處的混合和攪拌，大大地擴大了兩相的有效接觸面積，提高了反應的效率。同時，裝置的轉動也加快了體系的傳熱速率。實施例2中心軸l為中空結構，帶有輻射狀的表面帶有微孔5的中空葉片2，葉片的中空結構與中心軸空腔連通，葉片沿軸螺旋排列，中心軸設計成帶空腔4的套管形式，如圖3所示。中心軸套接在外界驅動軸上，嵌入在兩相界面時，裝置的中心軸可與水平相界面成某一角度，該角度范圍為0。 90° ，包括0°和90° ，具體情況根據需要而定。中心軸的空腔加入要分散的液相，在驅動力作用下，裝置旋轉，液相借助離心力在葉片小孔處形成液膜并迅速擴散。裝置的旋轉也起到了攪拌的作用，使分散更充分、均勻。實施例3.中心軸1帶有輻射狀的葉片2，葉片沿軸向平行排列或螺旋排列，彼此之間用絲網3連接成網狀結構。這種結構就使裝置具有非常大的空間表面積。對其表面進行功能化處理，在葉片表面負載不同功能的材料膜或催化劑。根據需要和兩相的性質，將裝置放入到相內或相間，實現在相內或相間的反應或催化。權利要求1.一種相界面擴增器，其特征在于相界面擴增器有一個中心軸(1)，中心軸(1)的四周連接有輻射狀的葉片(2)、毛束或附有毛束的葉片(2)，這些輻射狀的葉片(2)、毛束或附有毛束的葉片(2)在中心軸上形成扇狀、螺旋狀或毛刷狀，輻射狀的葉片(2)、毛束或附有本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種相界面擴增器，其特征在于：相界面擴增器有一個中心軸（１），中心軸（１）的四周連接有輻射狀的葉片（２）、毛束或附有毛束的葉片（２），這些輻射狀的葉片（２）、毛束或附有毛束的葉片（２）在中心軸上形成扇狀、螺旋狀或毛刷狀，輻射狀的葉片（２）、毛束或附有毛束的葉片（２）彼此之間用絲網（３）連接，形成密集的扇－網、螺－網或交聯的網狀三維結構；葉片（２）、毛束或附有毛束的葉片（２）沿軸方向平行輻射或螺旋輻射排列；當葉片（２）、毛束或附有毛束的葉片（２）進行軸向螺旋輻射排列時，沿其長軸方向有固定或非固定的螺距。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張曉安，朱紹銀，李敏杰，楊云霄，劉國杰，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：91[中國|大連]