超重力公转自转填充床稳定运行的试验台研制

张崇鹏， 赫变化

（太原科技大学机械工程学院，太原 030024）

0 引言

过程强化一直是化工领域研究的一个热点内容[1]，硬件的研究在早期的化工过程中占据了主要地位。超重力技术正是在这样的背景下产生发展的,一经发明迅速成为化工过程强化领域的一种热门技术，受到了极大的关注。超重力技术指物质在比地球重力加速度大几百倍、几千倍的环境下所受的力[2]。超重力旋转填充床就是应用旋转离心力来等效重力场作用以强化传质的一种化学反应设备[3]。在应用研究方面，主要有以下三个方面:1）纳米材料超重力制备技术;2）超重力反应强化技术;3）超重力分离强化技术[4-10]。其核心部件是其内部圆环装的转子，转子内部填充多孔介质填料。通过电动机拖带转子高速旋转，使填料内产生数倍至数十倍于重力加速度的离心力场。在填料内部，由于转子高速旋转对流动液体粉碎、撕裂成纳米级的液丝、液滴和液膜，催生巨大的相界面，实现增量级的气液接触和微观混合[11-13]。

超重力填充床中传质的三种尺度依次是分散传质、强制对流传质和扩散传质。三尺度传质相互影响共同决定了化学反应的效果。三者中分散传质作用最大，也是对流传质和扩散传质的基础。存在如下问题：1）问题一。分散传质作用区很薄，原因在于液相接触填料前区很薄的几层内即被全部捕获，即流体和填料相对速度为零，分散作用即消失。尤其填料床内涉及两组份以上液相的流体反应时，对分散传质要求更高，问题较严重。2）问题二。有限的填料层厚度直接决定了液相贯穿填料的历程太短。历程太短则缩短了可调控的化学反应参与时间，影响最终反应效果，比如气液法依托超重力填充床制备纳米颗粒等。

基于此，本文提出一种新型的自转公转的旋转填充床，该试验台的搭建就是在超重力旋转填充床的基础上引入自转系统，并实现连续生产。

1 试验台的组成

1.1 公转自转超重力旋转填充床的基本结构

该填充床包括进料系统、公转系统、自转系统和出料系统；本发明将填料区转动自由度增加一级，改为公转和自转并存，这样可以实现让超重力的方向随时间快速变动，效果是：1）有效拓展填料对液相径向分散传递，增强分散传质作用；2）增加液相在填料中的总历程，增强综合传质效果。

在公转自转旋转填充床中，通过增加反应釜的自转，增加了流体和填料相对速度，扩大了液相贯穿填料的历程，该研究通过设计制备纳米碳酸钙实验平台，来预研设备的传质效果。为分阶段推进实验工作，简化掉了连续管道进料和收料系统，将进料箱和收料箱固定在公转平台上，构建实验平台。

图1 连续生产试验台总体设计图

如图1所示，本文设计的公转自转超重力填充床包括进料系统、公转系统、自转系统和出料系统。本课题将填料区转动自由度增加一级，改为公转和自转并存，这样可以实现让超重力的方向随时间快速变动，效果是：1）有效拓展填料对液相径向分散传递，增强分散传质作用；2）增加液相在填料中的总历程，增强综合传质效果。

本设计的技术方案中，转轴上的填料高速公转的同时还在自转，始终与贯穿液相保持较大而且始终变化的相对速度，增加了液相的径向分散传质效果；液相从转子填料的低端进入，在填料内部走螺旋S形上升路线从填料顶管被收料管收走，有效地增加了液相在填料的总历程，增强了综合传质效果，使反应更可控更充分。流体运行轨迹如图2。

图2 两种填充床内流体运行轨迹

这种设计通过自转公转系统使得物料在反应釜中能混合均匀，这样可以实现让超重力的方向随时间快速变动，效果是：1）有效拓展填料对液相径向分散传递，增强分散传质作用；2）增加液相在填料中的总历程，增强综合传质效果，解决了普通装置物料反应不充分的问题；同时设计了连续出料进料装置，使得本装置可以连续进行。

1.2 公转自转超重力旋转填充床重要部件的设计

1.2.1 反应釜设计

本文的反应釜设计如图3。

图3 反应釜示意图

如图3所示，实验所用的气体和液体在压力作用下经过进液管1和进气管2进入到反应釜外壳体3中，整个转子在旋转过程中，由于反应釜的梯形结构会给气体和液体一个向上的分力，在这个分力的作用下，气体和液体穿过填料成螺旋线上升，随着反应的进行，反应生成物以液体的形式被甩出到反应釜外壳体7中，在重力的作用下最终从出料口4被吸出。这种设计不仅方便制造，而且拆卸方便，方便清洗与检修。

1.2.2 电力系统设计

电力系统设计图如图4所示。

图4 电源输送方式示意图

自转系统位于于公转系统内部，由于公转台3处在一个高速运转的过程中，无法将电源输送到自转系统中，所以模仿电动机内部结构进行设计。将钢管缠一部分绝缘物质，然后将铜丝缠绕于绝缘部分，铜丝的一头接线。然后在底盘3部分放置一个碳刷，随着公转的进行，铜丝会一直与碳刷部分处于接触状态，电源得以输出到公转台上。如图4所示，8为电源线，电流从电源线8开始传导到碳刷6上。当实验进行时，转轴带动公转台3一起高速转动，导电板5与碳刷6一直处于接触状态，电源线2连接着碳刷，这样随着公转台3的转动，电源得以输送到公转台3上。绝缘板4则起到隔绝转轴与导电板的作用，防止触电。

1.2.3 控制系统设计

为了实现控制的智能化，本文设计了无线控制系统，用stem32编程实现无线控制。控制示意图如图5所示。

图5 试验台总体设计框图

该研究通过设计制备纳米碳酸钙实验平台，来预研设备的传质效果。为分阶段推进实验工作，简化掉了连续管道进料和收料系统，将进料箱和收料箱固定在公转平台上，构建实验平台。搭建的试验台实物图如图6所示。

2 对试验台的改进

2.1 试验台质心计算

在第一次试运行时，试验台有较大噪声，摆动严重，严重影响了实验的进行和试验台的寿命，并且使得自转和公转的转速比无法控制，很大程度上影响了实验的进行。经分析得出造成这样结果的原因可能是试验台本身的固有频率和激振频率可能发生了共振。在实际搭建试验台的过程中很多原材料的大小、尺寸、相对位置难以兼顾，因此对试验台从优化布局和局域配重两方面进行改进。

因为试验台上物件质量分布的不均匀，使得试验台的质心并不在几何中心，造成了试验台转动的不稳定。要使质心位于几何中心，则各个方向离心力之和应该满足公式：

图6 公转自转超重力填充床试验台

式中：mi为每个部件的重量；xi、yi、zi为每个部件的质心坐标；ω为角速度。

根据实际情况优化布局后，以轴的最下方圆心为原点，可用SolidWorks算出质心的位置为

将试验台上所有物件等效成一个物件M，已知试验台上所有物件的质量M=190 895.11 g，则试验台优化配重后应满足条件：

式中：ma为配重质量；xa、ya、za为配重坐标。

因此首先测量各个部件的质量，通过调整部件中心与公转平台中心的相对位置，使处于过公转平台中心的同一直线上的两个部件的力矩可以抵消。考虑到实际情况，并不是所有方向上的力矩都可以抵消，因此在不可以抵消的方向上添加了配重，如图3中黑色部分。

试验台的布局如图7、图8所示，图7是原始布局，图8是经过优化的布局黑色部分为配重。图7中红色坐标为质心的位置，对比可以看出优化布局更接近与试验台的几何中心。

图7 原始布局

图8 改进后布局

2.2 对试验台进行模态分析

模态分析作为结构设计中的一种辅助方法，可以用来确定结构的振动频率和振型，预测外界激励频率对结构的影响，从而在设计过程中避开共振频率。对试验台整体结构进行模态分析，可以分析外界激励对试验台结构的影响，进一步优化试验台结构。本文对试验台进行模态分析，得到试验台的前10阶振动频率和主要振型，利用试验台模态分析结果，为试验台的优化设计提供理论支撑。

图9 试验台频率对比图

从图9中可以看出，改进后的模态相较于原始布局的模态有较大的提升，从而避开了激振频率，避免了共振的发生。

2.3 实验验证

为了进一步验证试验台的改进效果，分别用改进前和改进后的试验台进行了试制纳米碳酸钙的实验。填充床公转速度为700 rad/min，自转速度为10 rad/min。图10是用改进前的试验台制备的纳米碳酸钙，图11为用改进后的试验台制备的纳米碳酸钙。

图10 改进前试验台制备的纳米碳酸钙10 000倍电镜图

图11 改进后试验台制备的纳米碳酸钙10 000倍电镜图

从图10中可以看出用改进前的试验台制备纳米碳酸钙团聚现象严重，纳米颗粒径不易测出。试验台的公转平台经过重新优化布局和局域配重，通过改进，提升了试验台的稳定性，使得试验台的公转自转速度的转速比可调。最终，在一个确定的转速比之下，制得的纳米碳酸钙呈长条状，在没有加入抗团聚分散剂的情况下团聚现象依然不明显，制得的长条状纳米碳酸钙的粒径60 nm到80 nm之间。这表明对试验台的改进效果明显，超重力试验台的分散传质效果得到较大提升。

3 结论

本文设计了一种新型的超重力旋转床试验台，并详细说明了设计试验台的整体思路，并着重说明了几个重要部件的设计。考虑到第一次运行时试验台振动过大，影响了反应可调控因素的协同，故对其从优化布局和局域配重两方面进行了改进，并对原始布局和优化布局的试验台分别进行了模态分析，分析结果说明改进后的试验台的固有频率避开了激励频率的影响，不会产生共振现象。分别使用改进前后的试验台分别进行了试制纳米碳酸钙的实验，实验结果表明改进后的试验台运行稳定，分散传质效果较好。

[1] 俸志荣,焦纬洲,余丽胜,等.超重力过程工程装置结构研究进展[J].过程工程学报,2016,16(3):533-540.

[2] 陈建峰,邹海魁,初广文,等.超重力技术及其工业化应用[J].硫磷设计与粉体工程,2012(1):6-10.

[3] 陈建峰.超重力技术及应用:新一代反应与分离技术[M].北京:化学工业出版社,2002.

[4] 李洪钟.过程工程:物质.能源.智慧[M].北京:科学出版社,2010:410-449.

[5] 陈建峰,高鑫,初广文,等.一种多级逆流式旋转床反应精馏装置及应用:CN201010108702.3[P].2010-06-23.

[6] 桑乐,罗勇,初广文,等.超重力场内气液传质强化研究进展[J].化工学报,2015(1):14-18.

[7] ZHAO H,SHAO L,CHEN JF.High-gravityprocess intensification technology and application[J].Chem.Eng.J.,2010,156(3):588-593.

[8] RAO D P,BHOWALA A,GOSWAMIPS.Process Intensification in Rotating Packed Beds (HIGEE):？An Appraisal[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2004,43(4):1150-1162.

[9] CHEN J F,WANG Y H,GUO F,et al.Synthesis of Nano particles with novel technology: high-gravity reactive precipitation[J].Ind.Eng.Chem.Res.,2000,39(4):948-954.

[10]CHEN J F,SHAO L.Mass production of nano-particles by high gravity reactive precipitation technology with low cost[J].China Part.,2003,1(2):64-69.

[11] 陈建峰,邹海魁,初广文,等.超重力技术及其工业化应用[J].硫磷设计与粉体工程,2012(1):3-4.

[12]张亮亮.超重力旋转填充床强化湿法脱碳和脱硝过程研究[D].北京:北京化工大学,2012.

[13]吴强.多系统双层隔振试验台设计及惯性参数识别[D].成都:西南交通大学,2015.