一种屏蔽式浸没旋转填充床及其应用

1.本发明涉及旋转填充床技术领域。更具体地，涉及一种屏蔽式浸没旋转填充床及其应用。


背景技术：

2.旋转填充床通过转子高速旋转在装置内部形成超重力场，高效强化传质及混合过程。传统结构旋转填充床在精馏、废气处理、纳米颗粒制备等领域有着广泛的应用，其中液相通常作为分散相。浸没式旋转填充床将填料转子浸没于液相中，液相作为连续相，相比于传统旋转填充床能提供更长的停留时间，使反应更充分。
3.强放热反应工艺如硝化反应、氟化反应等存在高毒、易燃、易爆等工艺危险特征。在高温反应过程中，具有强腐蚀性、易燃性、燃爆性特点的物料泄漏会引起火灾、爆炸等事故。而设备内物料混合不均匀也将导致局部反应浓度过大，引发局部反应过快从而产生大量热量，造成超温超压的风险。针对此类强放热危险反应工艺，开发一种兼具高效传质混合能力以及无泄漏的本质安全性设备将有望进一步降低反应工艺危险等级，推动化学工艺向着绿色、安全的方向发展。


技术实现要素：

4.本发明要解决的第一个技术问题是提供一种屏蔽式浸没旋转填充床。该旋转填充床填料转子浸没于液相中，能实现高效传质混合，以及较长的停留时间使反应更充分；本发明旋转填充床采用屏蔽电机结构，屏蔽电机与壳体相连，将转轴处动密封变为壳体静密封使旋转部件整体密封于壳体内，消除或减少源设备泄漏从而提升设备本质安全性。
5.本发明要解决的第二个技术问题是提供一种屏蔽式浸没旋转填充床的应用。本发明旋转填充床应用于强放热危险反应工艺能有效提升设备内混合均匀程度及热传递速率，减少因混合不均、热失控带来的风险。
6.一种屏蔽式浸没旋转填充床，包括：
7.填充床壳体、换热组件、转子组件、屏蔽电机和循环泵；
8.所述填充床壳体上设有第一物料入口、第二物料入口和产物出口；所述第一物料入口设置于壳体填充床的顶部；所述第二物料入口连接液体分布器，并由填料内缘进液；所述填充床壳体底部设置产物出口；所述壳体内侧换热组件的上方固设有挡板，用于破除漩涡及强化传质混合；
9.所述换热组件包括换热介质进口、换热介质出口和换热器；
10.所述转子组件包括转轴、转鼓、填料、动密封和轴向叶轮；
11.所述转轴下端连接穿过壳体底部中心的屏蔽电机的上旋转轴；
12.所述填料固定在转鼓内；
13.所述转鼓顶部和换热器之间设置动密封；
14.所述转轴下端和屏蔽电机的旋转转轴固定连接；
15.所述转轴上设置轴向叶轮；
16.所述转轴与壳体间形成环隙用于循环液体；
17.所述屏蔽电机包括电机壳体、旋转轴、轴承、推力盘、转子总成、定子总成、屏蔽套和轴承座；
18.所述转子总成固定于旋转轴上；
19.所述旋转轴上下端外均包覆轴承，并固定于电机壳体内顶部和底部的轴承座中；
20.所述定子总成与转子总成通过非磁性的屏蔽套隔离；
21.所述屏蔽套安装于转子总成外表面及定子总成内表面，用于屏蔽转子铁芯及定子绕组不受输送液体侵蚀；
22.所述电机壳体底部设有输送介质入口，顶部与填充床壳体连接相通；
23.所述循环泵入口端与设置在填充床壳体底部的物料出口连接相通；
24.所述循环泵出口端与电机壳体上的输送介质入口连接相通。
25.优选地，所送换热介质在换热器中弯折流动。
26.优选的，所述转鼓的外侧壁为立板多孔结构；所述立板数量为2-16个。
27.优选的，所述填料为金属丝网填料、3d打印填料或泡沫镍填料。
28.优选的，所述轴向叶轮叶片形状为直叶片、弯叶片或螺旋叶片。
29.优选的，所述挡板数量为2-16个，所述挡板结构为直板多孔结构，均匀环绕设置在填充床壳体内壁上，并设置在所述换热组件的上方。
30.为解决上述第一个技术问题，发明采用的第二种技术方案如下：
31.一种屏蔽式浸没旋转填充床，包括：
32.填充床壳体、换热组件、转子组件和屏蔽电机；
33.所述填充床壳体上设有第一物料入口、第二物料入口和产物出口；所述第一物料入口设置于壳体填充床的顶部；所述第二物料入口连接液体分布器，并由填料内缘进液；所述填充床壳体底部设置产物出口；所述壳体内侧换热组件的上方固设有挡板，用于破除漩涡及强化传质混合；
34.所述换热组件包括换热介质进口、换热介质出口和换热器；
35.所述转子组件包括转轴、转鼓、填料、动密封和轴向叶轮；
36.所述转轴为空心结构，且所述转轴下端连接穿过壳体底部中心的屏蔽电机的旋转轴；从而转轴的轴心连通到屏蔽电机内；
37.所述填料固定在转鼓内；
38.所述转鼓顶部和换热器之间设置动密封；
39.所述转轴下端和屏蔽电机的上旋转转轴固定连接；
40.所述转轴上设置轴向叶轮；
41.所述转轴与壳体间形成环隙用于循环液体；
42.所述屏蔽电机包括电机壳体、旋转轴、轴承、推力盘、转子总成、定子总成、屏蔽套和轴承座；
43.所述转子总成固定于旋转轴上；
44.所述旋转轴为中空结构，轴上下端外均包覆轴承，并固定于电机壳体内顶部和底部的轴承座中；
45.所述定子总成与转子总成通过非磁性的屏蔽套隔离；
46.所述屏蔽套安装于转子总成外表面及定子总成内表面，用于屏蔽转子铁芯及定子绕组不受输送液体侵蚀。
47.优选地，所送换热介质在换热器中弯折流动。
48.优选地，所述转鼓外壁为立板多孔结构；所述立板数量为2-16个。
49.优选的，所述填料为金属丝网填料、3d打印填料或泡沫镍填料。
50.优选的，所述轴向叶轮叶片形状为直叶片、弯叶片或螺旋叶片。
51.优选的，所述挡板数量为2-16个，所述挡板结构为直板多孔结构，均匀环绕设置在填充床壳体内壁上，并设置在所述换热组件的上方。
52.为解决上述第二个技术问题，本发明采用如下技术方案：
53.一种屏蔽式浸没旋转填充床的应用，包括如下步骤：
54.s1：两股物料由旋转填充床第一物料入口和第二物料入口进入旋转填充床内部，并经转轴轴心或外循环泵流入并充满屏蔽电机内部，由转轴与壳体间环隙流出；屏蔽电机内部液体与旋转填充床内部液体开始循环；
55.s2：转子在电机带动下高速旋转，将旋转填充床内物料分散破碎，实现传质及混合过程强化；换热组件工作维持反应器内部物料处于适宜的操作温度；
56.s3：反应后物料经反应器出口排出。
57.优选的，所述物料包括气体、液体、熔融固体或超临界流体。
58.本发明的应用工艺，可以间歇、半间歇、连续或半连续。
59.本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
60.如无特殊说明，本发明中的各原料均可通过市售购买获得，本发明中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。
61.与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
62.1)本发明所设计的屏蔽式浸没旋转填充床填料转子浸没于液相中，能实现高效传质混合，以及较长的停留时间使反应更充分。
63.2)本发明所设计的屏蔽式浸没旋转填充床采用屏蔽电机结构，屏蔽电机与壳体相连，将转轴处动密封变为壳体静密封使旋转部件整体密封于壳体内，消除或减少源设备泄漏从而提升设备本质安全性。
64.3)本发明所设计的屏蔽式浸没旋转填充床应用于强放热危险反应工艺能有效提升设备内混合均匀程度及热传递速率，减少因混合不均、热失控带来的风险。
附图说明
65.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明
66.图1为本发明外循环屏蔽式浸没旋转填充床的结构示意图；
67.图2为本发明内循环屏蔽式浸没旋转填充床的结构示意图；
68.图3为本发明外循环屏蔽式浸没旋转填充床对硝基氯苯硝化反应工艺流程体系；
69.图4为本发明外循环屏蔽式浸没旋转填充床氯苯一硝化反应工艺流程体系。
具体实施方式
70.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
71.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种截面图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及他们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
72.实施例1
73.如图1所示，一种外循环屏蔽式浸没旋转填充床，包括：
74.填充床壳体10，用于容纳换热组件、转子组件；
75.换热组件20，用于将壳体内外的热量进行换热；
76.转子组件30，用于固定填料，并直接产生超重力旋转；
77.屏蔽电机40，用于提供超重力的动力，同时使电机旋转部件整体密封于壳体内，消除或减少电机泄漏；
78.和
79.循环泵50；用于填充床壳体、屏蔽电机内的物料循环；
80.所述填充床壳体10上设有第一物料入口11、第二物料入口13和产物出口12；所述第一物料入口11设置于壳体填充床10的顶部；所述第二物料入口13连接液体分布器14，并由填料内缘进液；所述填充床壳体10底部设置产物出口12；所述壳体内侧换热组件20的上方固设有挡板15，用于破除漩涡及强化传质混合；
81.所述换热组件20包括换热介质进口22、换热介质出口21和换热器23；
82.所述转子组件30包括转轴31、转鼓32、填料33、动密封34和轴向叶轮35；
83.所述转轴31下端连接穿过壳体底部中心的屏蔽电机的旋转轴42；
84.所述填料33固定在转鼓32内；
85.所述转鼓顶部和换热器之间设置动密封34；
86.所述转轴31下端和屏蔽电机40的旋转转轴固定连接；
87.所述转轴31上设置轴向叶轮35；
88.所述转轴31与填充床壳体10间形成环隙；
89.所述屏蔽电机40包括电机壳体41、旋转轴42、轴承44、推力盘45、转子总成46、定子总成47、和轴承座48；
90.所述转子总成46固定于旋转轴42上；
91.所述旋转轴42上下端外均包覆轴承44，并固定于电机壳体41内顶部和底部的轴承座48中；
92.所述定子总成46与转子总成47通过非磁性的屏蔽套(图中未示出)隔离；
93.所述屏蔽套安装于转子总成46外表面及定子总成47内表面，用于屏蔽转子铁芯及定子绕组不受输送液体侵蚀；
94.所述电机壳体41底部设有输送介质入口43，顶部与填充床壳体10连接相通；
95.所述循环泵50入口端与设置在填充床壳体底部的物料出口16连接相通；
96.所述循环泵50出口端与电机壳体上的输送介质入口43连接相通。
97.所送换热介质在换热器中弯折流动(图1中按箭头方向)；
98.所述转鼓外壁为立板多孔结构；所述立板数量为2-16个；
99.所述填料为金属丝网填料、3d打印填料或泡沫镍填料；
100.所述轴向叶轮35叶片形状为直叶片、弯叶片或螺旋叶片；
101.所述挡板数量为2-16个，所述挡板结构为直板多孔结构，均匀环绕设置在填充床壳体10内壁上，并设置在所述换热组件20的上方。
102.本发明旋转填充床的工作原理是：两股物料由第一物料入口11及第二物料入口13进入旋转填充床内部；反应介质在循环泵50作用下充满屏蔽电机，并与旋转填充床内物料进行循环；屏蔽电机内循环液体流经推力盘45及轴向叶轮35提供轴向推力用以抵消部分轴向力，提高轴承寿命及运行稳定性。转子组件30在屏蔽电机40带动下高速旋转，填料在旋转过程形成负压，促使旋转填充床内液体由填料内侧被吸入，并经过旋转填料分散破碎，高效混合传质；挡板15用于破除旋转填充床内因填料旋转形成的漩涡，可减少反应混合死区；换热介质由换热介质进口22进入换热器23，并从换热介质出口21流出，维持反应器内部物料处于适宜的操作温度。反应后物料经产物出口12排出。
103.实施例2
104.如图2所示，作为本发明的另一个方面，本发明一种内循环屏蔽式浸没旋转填充床，包括：
105.填充床壳体10、换热组件20、转子组件30和屏蔽电机40；
106.所述填充床壳体10上设有第一物料入口11、第二物料入口13和产物出口12；所述第一物料入口11设置于壳体填充床10的顶部；所述第二物料入口13连接液体分布器14，并由填料内缘进液；所述填充床壳体10底部设置产物出口12；所述壳体内侧换热组件20的上方固设有挡板15，用于破除漩涡及强化传质混合；
107.所述换热组件20包括换热介质进口22、换热介质出口21和换热器23；
108.所述转子组件30包括转轴31、转鼓32、填料33、动密封34和轴向叶轮35；
109.所述转轴31为空心结构，且所述转轴下端连接穿过壳体底部中心的屏蔽电机的旋转轴；从而转轴31的轴心连通到屏蔽电机内；
110.所述填料33固定在转鼓32内；
111.所述转鼓顶部和换热器之间设置动密封34；
112.所述转轴31下端和屏蔽电机40的旋转转轴固定连接；
113.所述转轴31上设置轴向叶轮35；
114.所述转轴31与填充床壳体10间形成环隙；
115.所述屏蔽电机40包括电机壳体41、旋转轴42、轴承44、推力盘45、转子总成46、定子总成47和轴承座48；
116.所述转子总成46固定于旋转轴42上；
117.所述旋转轴42为中空结构，旋转轴上下端外均包覆轴承44，并固定于电机壳体41内顶部和底部的轴承座48中；
118.所述定子总成47与转子总成46通过非磁性的屏蔽套(图中未示出)隔离；
119.所述屏蔽套安装于转子总成46外表面及定子总成47内表面，用于屏蔽转子铁芯及定子绕组不受输送液体侵蚀；
120.本发明中，可以理解，内循环屏蔽式浸没旋转填充床无需循环泵，通过转轴轴心孔道及转轴与壳体间环隙循环流体。
121.所送换热介质在换热器中弯折流动(图1中按箭头方向)；
122.所述转鼓外壁为立板多孔结构；所述立板数量为2-16个；
123.所述填料为金属丝网填料、3d打印填料或泡沫镍填料；
124.所述轴向叶轮35叶片形状为直叶片、弯叶片或螺旋叶片；
125.所述挡板数量为2-16个，所述挡板结构为直板多孔结构，均匀环绕设置在填充床壳体10内壁上，并设置在所述换热组件20的上方。
126.实施例3
127.参见图2所示，一种内循环屏蔽式浸没旋转填充床应用于煤油-水混合体系：
128.在煤油中添加2％质量分数的吐温80作为表面活性剂，从第一物料进口加入水及第二物料进口加入煤油；屏蔽电机及旋转填充床内水和煤油通过转轴31轴心孔道以及转轴31与壳体10间环隙循环流动，流经推力盘45及轴向叶轮35时抵消部分轴向力；转子在电机带动下高速旋转，填料将水和煤油吸入填料后混合分散；在转速为500rpm时，出口煤油粒径分布在0.1微米-1.5微米范围内。
129.实施例4
130.参见图3所示，一种外循环屏蔽式浸没旋转填充床应用于对硝基氯苯硝化反应工艺：
131.对硝基氯苯通过第一物料物料入口进口旋转填充床内，向换热组件中通入高温介质融化对硝基氯苯；在对硝基氯苯完全融化后，设置旋转填充床转速为800rpm，通过换热组件控制温度维持在85℃；通过第二物料入口向旋转填充床内泵入混酸(发烟硝酸和浓硫酸的混合物)；反应结束后物料由产物出口流出反应器，进入储罐，对硝基氯苯转化率约为97％。
132.实施例5
133.参见图4所示，一种外循环屏蔽式浸没旋转填充床氯苯一硝化反应工艺：
134.泵250将氯苯由储罐200经第一物料入口输送入旋转填充床；泵150将混酸(硝酸与硫酸混合物)由储罐100经第二物料入口输送入旋转填充床并经液体分布器分布至填料中进行混合反应，通过换热组件控制反应温度在60℃左右，转子转速为800rpm，反应后产物由产物出口排出进入产物储罐300；氯苯转化率及一硝基氯苯收率在70％左右。
135.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：
1.一种屏蔽式浸没旋转填充床，其特征在于，包括：填充床壳体、换热组件、转子组件、屏蔽电机和循环泵；所述填充床壳体上设有第一物料入口、第二物料入口和产物出口；所述第一物料入口设置于壳体填充床的顶部；所述第二物料入口连接液体分布器，并由填料内缘进液；所述填充床壳体底部设置产物出口；所述壳体内侧换热组件的上方固设有挡板，用于破除漩涡及强化传质混合；所述换热组件包括换热介质进口、换热介质出口和换热器；所述转子组件包括转轴、转鼓、填料、动密封和轴向叶轮；所述转轴下端连接穿过壳体底部中心的屏蔽电机的旋转轴；所述填料固定在转鼓内；所述转鼓顶部和换热器之间设置动密封；所述转轴下端和屏蔽电机的上旋转转轴固定连接；所述转轴上设置轴向叶轮；所述转轴与填充床壳体间形成环隙用于循环液体；所述屏蔽电机包括电机壳体、旋转轴、轴承、推力盘、转子总成、定子总成、屏蔽套和轴承座；所述转子总成固定于旋转轴上；所述旋转轴上下端外均包覆轴承，并固定于电机壳体内顶部和底部的轴承座中；所述定子总成与转子总成通过非磁性的屏蔽套隔离；所述屏蔽套安装于转子总成外表面及定子总成内表面，用于屏蔽转子铁芯及定子绕组不受输送液体侵蚀；所述电机壳体底部设有输送介质入口，顶部与填充床壳体连接相通；所述循环泵入口端与设置在填充床壳体底部的物料出口连接相通；所述循环泵出口端与电机壳体上的输送介质入口连接相通。2.根据权利要求1所述屏蔽式浸没旋转填充床，其特征在于：所送换热器中的换热介质在换热器中弯折流动。3.根据权利要求1所述屏蔽式浸没旋转填充床，其特征在于：所述转鼓的外侧壁为立板多孔结构；所述立板数量为2-16个。4.根据权利要求1所述屏蔽式浸没旋转填充床，其特征在于：所述填料为金属丝网填料、3d打印填料或泡沫镍填料。5.根据权利要求1所述屏蔽式浸没旋转填充床，其特征在于：所述轴向叶轮叶片形状为直叶片、弯叶片或螺旋叶片。6.根据权利要求1所述屏蔽式浸没旋转填充床，其特征在于：所述挡板数量为2-16个，所述挡板结构为直板多孔结构，均匀环绕设置在填充床壳体内壁上，并设置在所述换热组件的上方。7.一种屏蔽式浸没旋转填充床，其特征在于，包括：填充床壳体、换热组件、转子组件和屏蔽电机；所述填充床壳体上设有第一物料入口、第二物料入口和产物出口；所述第一物料入口设置于壳体填充床的顶部；所述第二物料入口连接液体分布器，并由填料内缘进液；所述填
充床壳体底部设置产物出口；所述壳体内侧换热组件的上方固设有挡板，用于破除漩涡及强化传质混合；所述换热组件包括换热介质进口、换热介质出口和换热器；所述转子组件包括转轴、转鼓、填料、动密封和轴向叶轮；所述转轴为空心结构，且所述转轴下端连接穿过壳体底部中心的屏蔽电机的旋转轴；从而转轴的轴心连通到屏蔽电机内；所述填料固定在转鼓内；所述转鼓顶部和换热器之间设置动密封；所述转轴下端和屏蔽电机的上旋转转轴固定连接；所述转轴上设置轴向叶轮；所述转轴与壳体间形成环隙用于循环液体；所述屏蔽电机包括电机壳体、旋转轴、轴承、推力盘、转子总成、定子总成、屏蔽套和轴承座；所述转子总成固定于旋转轴上；所述旋转轴为中空结构，轴上下端外均包覆轴承，并固定于电机壳体内顶部和底部的轴承座中；所述定子总成与转子总成通过非磁性的屏蔽套隔离；所述屏蔽套安装于转子总成外表面及定子总成内表面，用于屏蔽转子铁芯及定子绕组不受输送液体侵蚀。8.根据权利要求7所述屏蔽式浸没旋转填充床，其特征在于：所送换热介质在换热器中弯折流动；优选地，所述转鼓外壁为立板多孔结构；所述立板数量为2-16个；优选的，所述填料为金属丝网填料、3d打印填料或泡沫镍填料。9.根据权利要求7所述屏蔽式浸没旋转填充床，其特征在于：所述轴向叶轮叶片形状为直叶片、弯叶片或螺旋叶片；优选的，所述挡板数量为2-16个，所述挡板结构为直板多孔结构，均匀环绕设置在填充床壳体10内壁上，并设置在所述换热组件20的上方。10.如权利要求1或7中任一一种屏蔽式浸没旋转填充床的应用，其特征在于，包括如下步骤：s1：两股物料由旋转填充床第一物料入口和第二物料入口进入旋转填充床内部，并经转轴轴心或外循环泵充满屏蔽电机内部；屏蔽电机内部液体与旋转填充床内部液体开始循环；s2：转子在电机带动下高速旋转，将旋转填充床内物料分散破碎，实现传质及混合过程强化；换热组件工作维持反应器内部物料处于适宜的操作温度；s3：反应后物料经反应器出口排出；优选的，所述物料包括气体、液体、熔融固体或超临界流体。

技术总结
本发明公开了一种屏蔽式浸没旋转填充床，包括填充床壳体、换热组件、转子组件、屏蔽电机和循环泵；所述填充床壳体上设有第一物料入口、第二物料入口和产物出口；所述填充床壳体底部设置产物出口；所述壳体内侧换热组件的上方设有挡板；所述换热组件包括换热介质进口、换热介质出口和换热器；所述转子组件包括转轴、转鼓、填料、动密封和轴向叶轮；所述屏蔽电机包括电机壳体、旋转轴、轴承、推力盘、转子总成、定子总成和轴承座。针对强放热危险反应工艺，该旋转填充床转子浸没于液相中强化传质混合，避免因局部反应过快导致的热失控风险；同时采用屏蔽电机结构，屏蔽电机与壳体相连，消除或减少源设备泄漏从而提升设备本质安全性。除或减少源设备泄漏从而提升设备本质安全性。除或减少源设备泄漏从而提升设备本质安全性。


技术研发人员：初广文 徐涵卓 陈建峰 张亮亮 孙宝昌 罗勇 邹海魁
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/8/13