[发明专利]相界面扩增器

说明书

技术领域

本发明属于化学化工技术领域，涉及一种用来大大增加多相反应(包括气-液相、液-液相)相间的接触面积、缩短反应时间的相界面扩增器，可应用于多种化学化工生产过程。

背景技术

众所周知，目前的化学化工生产领域，特别是在石化、精细化工、日用轻工、制酒、海水淡化等行业中，存在着大量的多相反应及过程。一些多相反应或过程速率慢，限制了整个生产效率的提高，使化工行业无法实现高效节能、减排及降低成本。例如，发生在气-液两相的蒸馏就是很多化工行业中速率最慢、能耗最大的一个步骤。石油炼厂中原油的蒸馏，制酒行业中酒的蒸馏，精细化工和制药行业中溶剂的蒸馏和回收，海水淡化过程中海水的蒸馏都是其所在行业最主要的能耗所在。制约多相反应或过程速率的一个重要因素就是相接触面积，提高相接触面积是提高多相反应速率的有效途径。

针对由于相接触面积的局限性而影响多相反应速率的问题，目前最常用的解决办法是通过强力机械搅拌进行混合，增加互不相溶的多相间的接触面积，但机械搅拌强度的提升，大大增加了能源、动力的消耗，同时搅拌也存在混合不均、分散度差、生产效率提升不明显等缺点。另一种解决方法是采用高效的多相催化剂或相转移催化剂，但这类方法的应用面十分有限，仅仅适用于某几个特定的反应，不能大规模的应用，同时昂贵的特种催化剂价格也大大提升了生产成本。

在解决溶剂蒸馏分离效率低、能耗大的问题上，人们试图通过纳米微孔无机膜的方法来取代蒸馏，然而用于分离有机溶剂的膜分离技术目前大多还停留在实验室的研究水平，鲜有工业化应用的成功例子。另一类方法是新近出现的分子蒸馏技术或薄膜蒸馏技术，尽管能够提升溶剂的分离效率，但工业成本高、能耗严重。

发明内容

本发明提出一种能显著增加相间界面面积的反应辅助装置，解决目前多相化学化工生产过程中无法低能耗、低成本地提升有效相接触面积的问题。

本发明的技术方案如下：该装置是一种具有致密空隙和极大表面积的能够旋转的空间立体结构，将其投入常规的生产体系中，根据所涉及的两相间的物理化学性质，如密度、黏度、抗酸碱性等来选择材料，使其能够悬浮在两相的界面处，利用体系自身的流体驱动或外力驱动来实现其旋转，从而在装置的空隙上形成具有极大表面积的液膜，这样一来，在不明显增加生产成本和能耗的基础上，大大增加了两相的混合程度和接触界面面积，从而提高反应效率和能量的有效利用率。

相界面扩增器有一个中心轴，中心轴的四周连接有辐射状的叶片、毛束或附有毛束的叶片，这些辐射状的叶片、毛束或附有毛束的叶片在中心轴上形成扇状、螺旋状或毛刷状，辐射状的叶片、毛束或附有毛束的叶片彼此之间用丝网连接，形成密集的扇-网、螺-网或交联的网状三维结构。叶片、毛束或附有毛束的叶片沿轴方向平行辐射或螺旋辐射排列；当叶片、毛束或附有毛束的叶片进行轴向螺旋辐射排列时，沿长轴方向有固定或非固定的螺距(这里所说的螺距是指螺纹上相邻两牙对应点之间的轴向距离)，这种排列可使装置在两相间的流体动力作用下实现自身的旋转，在离心作用下使其承载的液体沿叶片辐射的方向四处成膜扩散，同时又借助螺旋运动使下层液相从下而上或从一侧向另一侧运动，也可以同时进行两种运动，这些运动增加了两相的接触面积，也增大了两相的混合、分散程度。

该装置的立体结构可以是对称的，也可以是不对称的，装置的形状、大小可根据实际生产需要进行调整，装置的横截面及纵截面形状可以是规则的或不规则的N边形(N≥3)、圆形或椭圆形等。当需要同时使用多个该类装置时，选择横截面为规则正六边形的装置，利用几何组装原理，使众多这类装置在两相的界面处自行实现最优(最密集的)几何组合排列。

当相界面扩增器需要用动力驱动对反应相进行混合、分散时，中心轴、叶片、毛束或附有毛束的叶片可为中空结构，彼此之间相互连通，叶片、毛束或附有毛束的叶片表面可带有不同孔径的排液小孔，液相从中心轴流入，在装置旋转时，可利用离心力将液相充分分散、混合。此外，中心轴可以做成带空腔的套管形式，然后将其套装在驱动轴上，液相从轴套处流入到装置中，然后在离心力作用下通过与套管连通的中空带孔的叶片、毛束或附有毛束的叶片进行分散、混合。

根据所涉及的两相间的物理化学性质，制备该装置所选用的材料可为金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料等结构材料，也可以是具有磁性、吸波、吸热、传热等性能的功能材料，这些材料可以是实体的、中空的或带孔的。相界面扩增器材料的表面可以是光滑的，也可以是粗糙的。以上材料还可以进行表面功能化改性，改变其与反应两相的亲疏性能。由于装置具有大的表面积，可以在装置表面接枝如催化剂等化学反应试剂。