張崇鵬， 赫變化

（太原科技大學機械工程學院，太原 030024）

0 引言

過程強化一直是化工領(lǐng)域研究的一個熱點內(nèi)容[1]，硬件的研究在早期的化工過程中占據(jù)了主要地位。超重力技術(shù)正是在這樣的背景下產(chǎn)生發(fā)展的,一經(jīng)發(fā)明迅速成為化工過程強化領(lǐng)域的一種熱門技術(shù)，受到了極大的關(guān)注。超重力技術(shù)指物質(zhì)在比地球重力加速度大幾百倍、幾千倍的環(huán)境下所受的力[2]。超重力旋轉(zhuǎn)填充床就是應用旋轉(zhuǎn)離心力來等效重力場作用以強化傳質(zhì)的一種化學反應設(shè)備[3]。在應用研究方面，主要有以下三個方面:1）納米材料超重力制備技術(shù);2）超重力反應強化技術(shù);3）超重力分離強化技術(shù)[4-10]。其核心部件是其內(nèi)部圓環(huán)裝的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子內(nèi)部填充多孔介質(zhì)填料。通過電動機拖帶轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，使填料內(nèi)產(chǎn)生數(shù)倍至數(shù)十倍于重力加速度的離心力場。在填料內(nèi)部，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)對流動液體粉碎、撕裂成納米級的液絲、液滴和液膜，催生巨大的相界面，實現(xiàn)增量級的氣液接觸和微觀混合[11-13]。

超重力填充床中傳質(zhì)的三種尺度依次是分散傳質(zhì)、強制對流傳質(zhì)和擴散傳質(zhì)。三尺度傳質(zhì)相互影響共同決定了化學反應的效果。三者中分散傳質(zhì)作用最大，也是對流傳質(zhì)和擴散傳質(zhì)的基礎(chǔ)。存在如下問題：1）問題一。分散傳質(zhì)作用區(qū)很薄，原因在于液相接觸填料前區(qū)很薄的幾層內(nèi)即被全部捕獲，即流體和填料相對速度為零，分散作用即消失。尤其填料床內(nèi)涉及兩組份以上液相的流體反應時，對分散傳質(zhì)要求更高，問題較嚴重。2）問題二。有限的填料層厚度直接決定了液相貫穿填料的歷程太短。歷程太短則縮短了可調(diào)控的化學反應參與時間，影響最終反應效果，比如氣液法依托超重力填充床制備納米顆粒等。

基于此，本文提出一種新型的自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)填充床，該試驗臺的搭建就是在超重力旋轉(zhuǎn)填充床的基礎(chǔ)上引入自轉(zhuǎn)系統(tǒng)，并實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

1 試驗臺的組成

1.1 公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)超重力旋轉(zhuǎn)填充床的基本結(jié)構(gòu)

該填充床包括進料系統(tǒng)、公轉(zhuǎn)系統(tǒng)、自轉(zhuǎn)系統(tǒng)和出料系統(tǒng)；本發(fā)明將填料區(qū)轉(zhuǎn)動自由度增加一級，改為公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)并存，這樣可以實現(xiàn)讓超重力的方向隨時間快速變動，效果是：1）有效拓展填料對液相徑向分散傳遞，增強分散傳質(zhì)作用；2）增加液相在填料中的總歷程，增強綜合傳質(zhì)效果。

在公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)填充床中，通過增加反應釜的自轉(zhuǎn)，增加了流體和填料相對速度，擴大了液相貫穿填料的歷程，該研究通過設(shè)計制備納米碳酸鈣實驗平臺，來預研設(shè)備的傳質(zhì)效果。為分階段推進實驗工作，簡化掉了連續(xù)管道進料和收料系統(tǒng)，將進料箱和收料箱固定在公轉(zhuǎn)平臺上，構(gòu)建實驗平臺。

圖1 連續(xù)生產(chǎn)試驗臺總體設(shè)計圖

如圖1所示，本文設(shè)計的公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)超重力填充床包括進料系統(tǒng)、公轉(zhuǎn)系統(tǒng)、自轉(zhuǎn)系統(tǒng)和出料系統(tǒng)。本課題將填料區(qū)轉(zhuǎn)動自由度增加一級，改為公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)并存，這樣可以實現(xiàn)讓超重力的方向隨時間快速變動，效果是：1）有效拓展填料對液相徑向分散傳遞，增強分散傳質(zhì)作用；2）增加液相在填料中的總歷程，增強綜合傳質(zhì)效果。

本設(shè)計的技術(shù)方案中，轉(zhuǎn)軸上的填料高速公轉(zhuǎn)的同時還在自轉(zhuǎn)，始終與貫穿液相保持較大而且始終變化的相對速度，增加了液相的徑向分散傳質(zhì)效果；液相從轉(zhuǎn)子填料的低端進入，在填料內(nèi)部走螺旋S形上升路線從填料頂管被收料管收走，有效地增加了液相在填料的總歷程，增強了綜合傳質(zhì)效果，使反應更可控更充分。流體運行軌跡如圖2。

圖2 兩種填充床內(nèi)流體運行軌跡

這種設(shè)計通過自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)系統(tǒng)使得物料在反應釜中能混合均勻，這樣可以實現(xiàn)讓超重力的方向隨時間快速變動，效果是：1）有效拓展填料對液相徑向分散傳遞，增強分散傳質(zhì)作用；2）增加液相在填料中的總歷程，增強綜合傳質(zhì)效果，解決了普通裝置物料反應不充分的問題；同時設(shè)計了連續(xù)出料進料裝置，使得本裝置可以連續(xù)進行。

1.2 公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)超重力旋轉(zhuǎn)填充床重要部件的設(shè)計

1.2.1 反應釜設(shè)計

本文的反應釜設(shè)計如圖3。

圖3 反應釜示意圖

如圖3所示，實驗所用的氣體和液體在壓力作用下經(jīng)過進液管1和進氣管2進入到反應釜外殼體3中，整個轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，由于反應釜的梯形結(jié)構(gòu)會給氣體和液體一個向上的分力，在這個分力的作用下，氣體和液體穿過填料成螺旋線上升，隨著反應的進行，反應生成物以液體的形式被甩出到反應釜外殼體7中，在重力的作用下最終從出料口4被吸出。這種設(shè)計不僅方便制造，而且拆卸方便，方便清洗與檢修。

1.2.2 電力系統(tǒng)設(shè)計

電力系統(tǒng)設(shè)計圖如圖4所示。

圖4 電源輸送方式示意圖

自轉(zhuǎn)系統(tǒng)位于于公轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)部，由于公轉(zhuǎn)臺3處在一個高速運轉(zhuǎn)的過程中，無法將電源輸送到自轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，所以模仿電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。將鋼管纏一部分絕緣物質(zhì)，然后將銅絲纏繞于絕緣部分，銅絲的一頭接線。然后在底盤3部分放置一個碳刷，隨著公轉(zhuǎn)的進行，銅絲會一直與碳刷部分處于接觸狀態(tài)，電源得以輸出到公轉(zhuǎn)臺上。如圖4所示，8為電源線，電流從電源線8開始傳導到碳刷6上。當實驗進行時，轉(zhuǎn)軸帶動公轉(zhuǎn)臺3一起高速轉(zhuǎn)動，導電板5與碳刷6一直處于接觸狀態(tài)，電源線2連接著碳刷，這樣隨著公轉(zhuǎn)臺3的轉(zhuǎn)動，電源得以輸送到公轉(zhuǎn)臺3上。絕緣板4則起到隔絕轉(zhuǎn)軸與導電板的作用，防止觸電。

1.2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)控制的智能化，本文設(shè)計了無線控制系統(tǒng)，用stem32編程實現(xiàn)無線控制。控制示意圖如圖5所示。

圖5 試驗臺總體設(shè)計框圖

該研究通過設(shè)計制備納米碳酸鈣實驗平臺，來預研設(shè)備的傳質(zhì)效果。為分階段推進實驗工作，簡化掉了連續(xù)管道進料和收料系統(tǒng)，將進料箱和收料箱固定在公轉(zhuǎn)平臺上，構(gòu)建實驗平臺。搭建的試驗臺實物圖如圖6所示。

2 對試驗臺的改進

2.1 試驗臺質(zhì)心計算

在第一次試運行時，試驗臺有較大噪聲，擺動嚴重，嚴重影響了實驗的進行和試驗臺的壽命，并且使得自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速比無法控制，很大程度上影響了實驗的進行。經(jīng)分析得出造成這樣結(jié)果的原因可能是試驗臺本身的固有頻率和激振頻率可能發(fā)生了共振。在實際搭建試驗臺的過程中很多原材料的大小、尺寸、相對位置難以兼顧，因此對試驗臺從優(yōu)化布局和局域配重兩方面進行改進。

因為試驗臺上物件質(zhì)量分布的不均勻，使得試驗臺的質(zhì)心并不在幾何中心，造成了試驗臺轉(zhuǎn)動的不穩(wěn)定。要使質(zhì)心位于幾何中心，則各個方向離心力之和應該滿足公式：

圖6 公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)超重力填充床試驗臺

式中：mi為每個部件的重量；xi、yi、zi為每個部件的質(zhì)心坐標；ω為角速度。

根據(jù)實際情況優(yōu)化布局后，以軸的最下方圓心為原點，可用SolidWorks算出質(zhì)心的位置為

將試驗臺上所有物件等效成一個物件M，已知試驗臺上所有物件的質(zhì)量M=190 895.11 g，則試驗臺優(yōu)化配重后應滿足條件：

式中：ma為配重質(zhì)量；xa、ya、za為配重坐標。

因此首先測量各個部件的質(zhì)量，通過調(diào)整部件中心與公轉(zhuǎn)平臺中心的相對位置，使處于過公轉(zhuǎn)平臺中心的同一直線上的兩個部件的力矩可以抵消?？紤]到實際情況，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，如圖3中黑色部分。

試驗臺的布局如圖7、圖8所示，圖7是原始布局，圖8是經(jīng)過優(yōu)化的布局黑色部分為配重。圖7中紅色坐標為質(zhì)心的位置，對比可以看出優(yōu)化布局更接近與試驗臺的幾何中心。

圖7 原始布局

圖8 改進后布局

2.2 對試驗臺進行模態(tài)分析

模態(tài)分析作為結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一種輔助方法，可以用來確定結(jié)構(gòu)的振動頻率和振型，預測外界激勵頻率對結(jié)構(gòu)的影響，從而在設(shè)計過程中避開共振頻率。對試驗臺整體結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，可以分析外界激勵對試驗臺結(jié)構(gòu)的影響，進一步優(yōu)化試驗臺結(jié)構(gòu)。本文對試驗臺進行模態(tài)分析，得到試驗臺的前10階振動頻率和主要振型，利用試驗臺模態(tài)分析結(jié)果，為試驗臺的優(yōu)化設(shè)計提供理論支撐。

圖9 試驗臺頻率對比圖

從圖9中可以看出，改進后的模態(tài)相較于原始布局的模態(tài)有較大的提升，從而避開了激振頻率，避免了共振的發(fā)生。

2.3 實驗驗證

為了進一步驗證試驗臺的改進效果，分別用改進前和改進后的試驗臺進行了試制納米碳酸鈣的實驗。填充床公轉(zhuǎn)速度為700 rad/min，自轉(zhuǎn)速度為10 rad/min。圖10是用改進前的試驗臺制備的納米碳酸鈣，圖11為用改進后的試驗臺制備的納米碳酸鈣。

圖10 改進前試驗臺制備的納米碳酸鈣10 000倍電鏡圖

圖11 改進后試驗臺制備的納米碳酸鈣10 000倍電鏡圖

從圖10中可以看出用改進前的試驗臺制備納米碳酸鈣團聚現(xiàn)象嚴重，納米顆粒徑不易測出。試驗臺的公轉(zhuǎn)平臺經(jīng)過重新優(yōu)化布局和局域配重，通過改進，提升了試驗臺的穩(wěn)定性，使得試驗臺的公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)速比可調(diào)。最終，在一個確定的轉(zhuǎn)速比之下，制得的納米碳酸鈣呈長條狀，在沒有加入抗團聚分散劑的情況下團聚現(xiàn)象依然不明顯，制得的長條狀納米碳酸鈣的粒徑60 nm到80 nm之間。這表明對試驗臺的改進效果明顯，超重力試驗臺的分散傳質(zhì)效果得到較大提升。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種新型的超重力旋轉(zhuǎn)床試驗臺，并詳細說明了設(shè)計試驗臺的整體思路，并著重說明了幾個重要部件的設(shè)計?？紤]到第一次運行時試驗臺振動過大，影響了反應可調(diào)控因素的協(xié)同，故對其從優(yōu)化布局和局域配重兩方面進行了改進，并對原始布局和優(yōu)化布局的試驗臺分別進行了模態(tài)分析，分析結(jié)果說明改進后的試驗臺的固有頻率避開了激勵頻率的影響，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。分別使用改進前后的試驗臺分別進行了試制納米碳酸鈣的實驗，實驗結(jié)果表明改進后的試驗臺運行穩(wěn)定，分散傳質(zhì)效果較好。

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