CN1228143C - 超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明的超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置，包括倾斜放置由导磁材料制做的长方体反应器，靠近反应器上下表面安装可作上下往复运动的第一磁铁组和第二磁铁组，磁铁组中相间隔的磁铁相连同向运动，相邻的磁铁反向运动；反应器高端与进料器连通，低端设有出料口和与出料口相通的颗粒出料管，出料管上方的反应器上壁上悬挂一挡板；颗粒再生器两端分别与出料管下端和进料器下端相连通；靠近出料管上端两侧安装一对转动方向相反的旋转辊， 辊上安装由第一半圆环形磁环和第二半圆环形隔磁环对接而成的环状辊，并随旋转辊转动而旋转，半圆环形磁环的方向一致；超细磁颗粒可在装置中形成波形运动达到搅拌效果、同时进行反应与连续分离。

Description

超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置

                             技术领域

本发明涉及主要应用于催化、吸附及生物分离等领域的磁性颗粒在液/气相流体中进行反应和分离的装置，特别涉及一种超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置。

                             背景技术

超细磁性颗粒具有一般固体颗粒不具备的优点：超细颗粒具有较大的比表面积，进行物理、化学等反应时，能使反应速度大大加快；此外，具有超顺磁性特征的颗粒在外加磁场条件下，颗粒呈现良好的磁性，当去掉外加磁场时，颗粒的剩磁为零，根据这一特性可以方便地利用外界磁场对超顺磁性颗粒进行定位、分离、回收等操作。因此，目前，超细的磁性颗粒已广泛应用于催化、吸附、生物分离等领域。

但过去对磁性颗粒进行单元操作时，通常分为反应和分离两个各自独立的操作单元。首先在反应器中用机械搅拌或电磁搅拌，使磁性颗粒在反应器内进行物理、化学等反应，待反应完成后，再进行第二步操作，即把反应后产物进入分离器，采用电磁场、永磁场分离出磁性颗粒。

关于磁性反应装置和磁性分离装置的报道有很多，如专利CN：86104692所涉及的仅是一个带磁性的滚筒分离器，专利CN：9121746只是一种应用于磨床及其它机床冷却液净化的磁性分离器，专利CN：94212122介绍的是一种应用于对顺磁性气体和抗磁性气体进行分离的装置，专利CN：98204288所述的也只是一种吸力泵、抽气管等组成的用于分离磁性颗粒与生物样品的装置，等等。它们只是单独的用于反应或分离，这样给操作带来很多麻烦，而且所用磁场通常是电磁场，其磁场强度弱、设备费用高；将反应与分离一体化，有利于规模放大从而降低操作成本，是目前化工发展的重要方向之一；目前尚未报道有关超细磁性颗粒进行反应和连续分离一体化的装置。

                              发明内容

本发明的目的是提供一种超细磁颗粒在流体中催化反应、连续分离的一体化装置，主要应用于催化、吸附及生物分离等领域。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置，其特征在于，该装置包括一倾斜式放置的由导磁材料制做的长方体反应器3，紧靠长方体反应器3的上、下表面分别安装一组垂直于其上、下表面作上下往复运动的第一磁铁组A和第二磁铁组B，所述第一磁铁组A和第二磁铁组B由平行于长方体反应器3上、下表面的条形磁铁组成，相间隔的条形磁铁相连并保持运动方向一致，相邻的条形磁铁的运动方向相反；长方体反应器3高端与进料器11相连通，长方体反应器3低端设有出料口5和与出料口5相连通的垂向颗粒出料管9，颗粒出料管9上方的长方体反应器3上壁上悬挂一挡板4；颗粒再生器10两端分别与颗粒出料管9下端和进料器11下端相连通；靠近颗粒出料管9上端两侧安装一对分别作顺时针旋转的第一旋转辊2和作逆时针旋转的第二旋转辊8，第一旋转辊2和第二旋转辊8的辊壁上分别安装由第一半圆环形磁环6和第二半圆环形隔磁环61对接而成的环状辊，并随第一旋转辊2和第二旋转辊8旋转而转动，第一旋转辊2和第一旋转辊8上的第一与第二半圆环形磁环6，61的相对位置始终保持一致；

所述长方体反应器3的材质为不锈钢、玻璃或塑料；所述第一磁铁组A和第二磁铁组B中的长条型磁铁为长条型永磁铁；长条型磁铁为产生4000奥斯特的长条型永磁铁；所述第一半圆环形磁环6为产生4000奥斯特的半圆环形永磁环；第一磁铁组A中的长条型磁铁和第二磁铁组B中的长条型磁铁的横向位置错开距离为L，0≤L≤L₀+8cm，其中L₀为条形磁铁横向截面的长度。

本发明提供的超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置具有以下特点：

(1)本装置集反应与连续分离一体化；

(2)超细磁性颗粒在装置中形成波形运动，达到搅拌、分散的目的；

(3)在系统中磁场永远存在，在连续过程中磁场永远存在；

(4)永磁铁的形状设计为细长条形，其长度与长方体的宽度一致；

(5)磁铁组与控制运动的机械装置相连，并由该机械装置带动进行往复运动；

(6)磁铁组与反应器平行安装；

(7)反应器采用倾斜安装，便于固体颗粒沿流体方向流向出口；

(8)装置结构简单，流体流动阻力小；

(9)通过调节磁铁之间的相对位置即L的大小可以控制磁性颗粒在反应器中的停留时间；

(10)通过调节磁铁运动的速率来调制磁性颗粒的搅拌强度。

                           附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2和附图3为本发明的工作状态示意图；

其中，长方体反应器3      挡板4             出料口5

第一半圆环形磁环6        第二半圆环形隔磁环61

第一旋转辊2              第二旋转辊8

出料管9                  颗粒再生器10      进料器11

第二磁铁组A              第二磁铁组B

条形磁铁a、b、c、d       条形磁铁e、f、g、h

附图4为L＝0和L＝L₀+8cm时磁性颗粒在长方体反应器中运动的波形。

                        具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步描述本发明：

由图1可知，本实施例的超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置，包括一倾斜放置的由导磁材料制作的长方体反应器3，其材质为不锈钢(玻璃或塑料也可)，紧靠长方体反应器3的上、下表面分别安装一组垂直于其上、下表面作上下往复运动的第一磁铁组A和第二磁铁组B，所述第一磁铁组A和第二磁铁组B由平行于长方体反应器3上、下表面的条形磁铁组成，相间隔的条形磁铁相连并保持运动方向一致，相邻的条形磁铁的运动方向相反；由机械装置带动第一磁铁组A和第二磁铁组B中的长条型磁铁做上下往复运动；本实施例的第一磁铁组A由间隔相同的条形磁铁a、b、c、d组成，第二磁铁组B由间隔相同的条形磁铁e、f、g、h组成，第一磁铁组A和第二磁铁组B的横向位置错开距离为L(0≤L≤L₀+8cm，其中L₀为条形磁铁横向截面的长度)；条形磁铁a和c相连，条形磁铁b和d相连，条形磁铁e和g相连，条形磁铁f和h相连，条形磁铁a、c、e、g运动方向一致，条形磁铁b、d、f、h运动方向一致，条形磁铁a、c、f、h靠近长方体反应器3表面时，条形磁铁b、d、e、g远离长方体反应器3表面，如图2所示；条形磁铁a、c、e、g与条形磁铁b、d、f、h运动方向相反，当条形磁铁a、c、f、h远离长方体反应器3表面时，条形磁铁b、d、e、g靠近长方体反应器3表面，如图3所示；第一磁铁组A和第二磁铁组B中条形磁铁的上下往复运动会使长方体反应器3中的超细磁性颗粒作图2和图3所示的波形运动，L的大小决定波形运动的波形，调节L的大小可以调节磁性颗粒在反应器中的停留时间；本实施例中第一磁铁组A和第二磁铁组B中的长条型磁铁为产生4000奥斯特的永磁铁；长方体反应器3高端与进料器11相连通，长方体反应器3低端设有出料口5和与出料口5相连通的垂向颗粒出料管9，颗粒出料管9上方的长方体反应器3上壁上悬挂一挡板4；一颗粒再生器10的两端分别与颗粒出料管9的下端和进料器11的下端相连通；靠近颗粒出料管9上端两侧安装一对转动方向相反的第一旋转辊2和第二旋转辊8，第一旋转辊2作顺时针旋转，第二旋转辊8作逆时针旋转，其中第一旋转辊2和第二旋转辊8辊壁上分别安装由第一半圆环形磁环6和第二半圆环形隔磁环61对接而成的环状辊，并随第一旋转辊2和第二旋转辊8的旋转而转动，第一旋转辊2和第二旋转辊8上的第一半圆环形磁环的相对位置始终保持一致；所述第一半圆环形磁环6为产生4000奥斯特的半圆环形永磁环，随第一旋转辊2和第二旋转辊8转动而转动且方向方向始终保持一致。

图2和图3分别为其运动状态图，其往复运动的结果：使流体中的超细磁颗粒形成波形运动，对流体起着搅拌、分散作用；超细磁颗粒随流体在流经颗粒出料管9时，当第一旋转辊2上的第一半圆环形磁环旋转靠近颗粒出料管9时，第二旋转辊8上的第二半圆环形磁环旋转离开颗粒出料管9，此时超细磁性颗粒被吸在出料管9左侧的壁上；接着当第一旋转辊2上的第一半圆环形磁环旋转离开颗粒出料管9时颗粒脱离磁吸引而从左壁落下达到分离目的，此时第二旋转辊8上的第二半圆环形磁环旋转靠近颗粒出料管9，流体中的超细磁性颗粒被吸在出料管9右侧的壁上；随后又当第一旋转辊2上的第一半圆环形磁环旋转靠近颗粒出料管9时，第二旋转辊8上的第二半圆环形磁环旋转离开颗粒出料管9，吸在右壁上的磁颗粒脱离磁吸引而从右壁落下从而分离，此时流体中的超细磁性颗粒被吸在出料管9左侧的壁上，如此连续，达到连续分离磁颗粒的目的。

本装置的第一磁铁组A和第二磁铁组B中的长条型磁铁的上下往复运动使磁颗粒形成波形运动达到搅拌的目的，而且有一定的停留时间；通过调节磁铁运动的速率可以控制磁性颗粒的搅拌强度；通过调节磁铁之间间距L可以控制磁颗粒在反应器中的停留时间。

为了实现反应与连续分离一体化，其磁场强度、颗粒粒径、流体性质等需满足于如下关系式：

$H\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dx}}>\frac{g}{K_P}\·\cos \mathrm{\θ}+\frac{18\mathrm{\η\υ}}{d^2{\mathrm{\ρ}}_P{K}_P}$

式中d-粒子的直径(假设粒子为球体)；

ρ_P-粒子的密度；

η-流体的动力黏度；

H-磁场强度；

-磁场梯度(单位距离上磁场强度的变化率)；

υ-粒子相对于流体在垂直于箱体面的流速；

θ-箱体倾斜的角度；

x-粒子距离磁场的距离；

g-重力加速度；

K_P-粒子磁化率。

                            实施例

当磁铁a、c、f、h贴近反应器表面时，磁铁b、d、e、g离开反应器表面，此时磁性颗粒聚集在磁铁a、c、f、h贴近反应器器壁的相应位置；当磁铁a、c、f、h离开反应器表面时，磁铁b、d、e、g贴近反应器表面，此时磁性颗粒离开磁铁a、c、f、h贴近的反应器表面，向磁铁b、d、e、g贴近的反应器表面的位置聚集，这样连续的往复运动，使磁性颗粒在长方型反应器表面内形成了波形运动，参照图2和图3。因此，磁性颗粒在装置内形成波形运动并达到搅拌、分散的效果，有一定的停留时间，可以进行物理、化学等反应。在旋转辊2和8上的磁场作用力的作用下(第一旋转辊2和第二旋转辊8上的两个轴带动其上的半圆形磁环作相反方向的转动)，磁性颗粒从颗粒出料口分离后进入再生装器再生，然后回到进料器循环使用。

通过调节磁铁间距L的大小可以调节磁颗粒在反应器内停留时间，即相对错开的距离L小一些，则停留时间长一些；通过调节磁铁往复运动的速率可以调节磁性颗粒的搅拌强度。当L＝0cm和L＝L₀+8cm时，磁性颗粒在反应器中的运动波形参照附图4，其中，当L＝0cm时，适用于搅拌强度较大和反应时间较长的体系；当L＝L₀+8cm时适用于搅拌强度小和反应时间短的体系。

Claims (8)

1、一种超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置，其特征在于，该装置包括一倾斜式放置的由导磁材料制做的长方体反应器(3)，紧靠长方体反应器(3)的上、下表面分别安装一组垂直于其上、下表面作上下往复运动的第一磁铁组(A)和第二磁铁组(B)，所述第一磁铁组(A)和第二磁铁组(B)由平行于长方体反应器(3)上、下表面的条形磁铁组成，相间隔的条形磁铁相连并保持运动方向一致，相邻的条形磁铁的运动方向相反；长方体反应器(3)高端与进料器(11)相连通，长方体反应器(3)低端设有出料口(5)和与出料口(5)相连通的垂向颗粒出料管(9)，颗粒出料管(9)上方的长方体反应器(3)上壁上悬挂一挡板(4)；颗粒再生器(10)两端分别与颗粒出料管(9)下端和进料器(11)下端相连通；靠近颗粒出料管(9)上端两侧安装一对分别作顺时针旋转的第一旋转辊(2)和作逆时针旋转的第二旋转辊(8)，第一旋转辊(2)和第二旋转辊(8)的辊壁上分别安装由第一半圆环形磁环(6)和第二半圆环形隔磁环(61)对接而成的环状辊，并随第一旋转辊(2)和第二旋转辊(8)旋转而转动，第一旋转辊(2)和第二旋转辊(8)上的第一与第二半圆环形磁环(6，61)的相对位置始终保持一致；

所述超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置中的磁场强度、颗粒粒径、流体性质需满足于如下关系式：

$H\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dx}}>\frac{g}{K_P}\·\cos \mathrm{\θ}+\frac{18\mathrm{\η\υ}}{d^2{\mathrm{\ρ}}_P{K}_P}$

式中d——粒子的直径，假设粒子为球体；

    ρ_P——粒子的密度；

    η——流体的动力黏度；

    H——磁场强度；

——磁场梯度，单位距离上磁场强度的变化率；

    υ——粒子相对于流体在垂直于箱体面的流速；

    θ——箱体倾斜的角度；

    x——粒子距离磁场的距离；

    g——重力加速度；

    K_P——粒子磁化率。

2、按权利要求1所述的超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置，其特征在于，所述长方体反应器(3)的材质为不锈钢、玻璃或塑料。

3、按权利要求1所述的超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置，其特征在于，所述第一磁铁组(A)和第二磁铁组(B)中的长条型磁铁为长条型永磁铁。

4、按权利要求3所述的超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置，其特征在于，第一磁铁组(A)和第二磁铁组(B)中的长条型磁铁为产生4000奥斯特的长条型永磁铁。

5、按权利要求1所述的超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置，其特征在于，所述第一半圆环形磁环(6)为产生4000奥斯特的半圆环形永磁环。

6、按权利要求1所述的超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置，其特征在于，第一磁铁组(A)中的长条型磁铁和第二磁铁组(B)中对应的长条型磁铁的横向位置错开距离为L，0≤L≤L₀+8cm，其中L₀为条形磁铁横向截面的长度。

7、按权利要求3所述的超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置，其特征在于，第一磁铁组(A)中的长条型磁铁和第二磁铁组(B)中的长条型磁铁的横向位置错开距离为L，0≤L≤L₀+8cm，其中L₀为条形磁铁横向截面的长度。

8、按权利要求4所述的超细磁颗粒在流体中进行催化反应、连续分离的一体化装置，其特征在于，第一磁铁组(A)中的长条型磁铁和第二磁铁组(B)中的长条型磁铁的横向位置错开距离为L，0≤L≤L₀+8cm，其中L₀为条形磁铁横向截面的长度。

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