Устройство для обмена и/или реакции между текучими средами
Изобретение относится к области обмена и/или реакции между текучими средами, касается ли это обмена калориями или фригориями, например, посредством нагрева или охлаждения, или обмена составляющими элементами, например, посредством фильтрации или сепарации, или абсорбции, или десорбции, или впрыскивания вещества (веществ), или химической реакции. Сущность изобретения: устройство для обмена и/или реакции между, по меньшей мере, двумя текучими средами, содержит прикрепленные друг к другу модульные блоки (Bi), причем каждый блок содержит первый разделитель (1) с первой боковой стенкой и полой центральной частью, образующий первую камеру (2) для потока первой текучей среды, второй разделитель (7) с первой боковой стенкой, образующий вторую камеру (6) для потока второй текучей среды, причем первая и вторая камеры отделены, по меньшей мере, одной разделительной пластиной (11), и выполненные в разделителях отверстия для подачи текучей среды в камеры и сбора текучей среды из камер. Каждый разделитель потоков дополнительно включает вторую боковую стенку, расположенную параллельно первой стенке, причем первая камера образована боковыми стенками первого разделителя потоков и вторая камера образована первой разделительной пластиной и второй параллельной разделительной пластиной или боковой стенкой первого разделителя потоков и разделительной пластиной. В каждом разделителе потоков выполнено четыре или шесть отверстий для подачи текучей среды в камеры и сбора текучей среды из камер для обеспечения соединения камер с двумя или тремя потоками текучих сред. Устройство позволяет работать с загруженными текучими средами, имеет компактную конструкцию, дешево в изготовлении и приспособлено к различным типам обработки. 13 з.п. ф-лы, 20 ил.
Изобретение относится к области обмена и/или реакции между текучими средами, касается ли это обмена калориями или фригориями, например, посредством нагрева или охлаждения, или обмена составляющими элементами, например, посредством фильтрации или сепарации, или абсорбции, или десорбции, или впрыскивания вещества (веществ), или химической реакции.
Было предложено множество устройств и установок для обеспечения указанных выше обменов (или обработки). Большинство из них, работают ли они непрерывно или с перерывами, устроены так, что они обеспечивают выполнение должным образом одной функции без обеспечения возможности выполнения других функций. С использованием реактора, работающего в режиме периодического действия (например, типа, "загружаемого партиями"), обычно трудно нагреть или охладить реагенты на выбранном контролируемом уровне, даже если этот тип реактора снабжен двухкорпусной системой или змеевиковыми элементами. Среди теплообменников, работающих непрерывно, встречаются теплообменники "пластинчатого" типа и типа с использованием "труб и каландров".
В пластинчатых теплообменниках могут использоваться только незагруженные или очень незначительно загруженные текучие среды из-за ограниченного разнесения между пластинами. С другой стороны, они обеспечивают относительно легкое техническое обслуживание благодаря их демонтируемости, но объем, ограниченный между пластинами, уменьшен и зависит от способа изготовления пластин. С использованием теплообменников с трубами и каландрами можно использовать загруженные текучие среды посредством приспособления диаметров труб, но техническое обслуживание, в частности, связанное с засорением труб, затруднено. Кроме того, наличие труб делает эти теплообменники относительно громоздкими, что ограничивает их использование.
Кроме того, ни один из этих типов теплообменников не приспособлен для других типов обработки, таких как фильтрация или сепарация. Для осуществления таких типов обработки (или обменов), которые не обязательно являются тепловыми, существует множество установок, но они сложны, громоздки и плохо приспособлены к вариантам обработки, отличным от тех, для которых они были предназначены.
Задачей настоящего изобретения является создание теплообменника, который может работать с загруженными текучими средами, который имеет компактную конструкцию, дешевый в изготовлении и приспособлен к различным типам обработки, таким как тепловая обработка, фильтрация или сепарация и химическая обработка.
Технический результат достигается посредством устройства для обмена и/или реакции между по меньшей мере двумя текучими средами, содержащего прикрепленные друг к другу модульные блоки (Bi), причем каждый блок содержит первый разделитель с первой боковой стенкой и полой центральной частью, образующий первую камеру для потока первой текучей среды, второй разделитель с первой боковой стенкой, образующий вторую камеру для потока второй текучей среды, причем первая и вторая камеры отделены по меньшей мере одной разделительной пластиной, и выполненные в разделителях отверстия для подачи текучей среды в камеры и сбора текучей среды из камер, при этом каждый разделитель потоков дополнительно включает вторую боковую стенку, расположенную параллельно первой стенке, причем первая камера образована боковыми стенками первого разделителя потоков и вторая камера образована первой разделительной пластиной и второй параллельной разделительной пластиной или боковой стенкой первого разделителя потоков и разделительной пластиной, и в каждом разделителе потоков выполнено четыре или шесть отверстий для подачи текучей среды в камеры и сбора текучей среды из камер для обеспечения соединения камер с двумя или тремя потоками текучих сред.
Предпочтительно, первый разделитель потоков первой камеры представляет собой два расположенных друг за другом разделителя и второй разделитель потоков второй камеры представляет собой два расположенных друг за другом разделителя.
Устройство содержит мембрану, размещенную между двумя расположенными друг за другом разделителями потоков, для разделения камеры на две части, при этом мембрана образует обменную стенку.
По меньшей мере часть разделительных пластин снабжена средствами распределения текучей среды. При этом по меньшей мере часть средств распределения обеспечивают деформации поверхности пластины и по меньшей мере часть средств распределения составляют элементы, размещенные в пластине.
Предпочтительно, по меньшей мере часть первых разделителей потоков содержит стенку, предназначенную для разделения их первой камеры на две части. При этом по меньшей мере один из разделителей потоков включает средство впрыскивания для впрыскивания по меньшей мере третьей текучей среды в камеру разделителя потоков и по меньшей мере один из разделителей потоков включает один вставленный элемент, выбранный из группы, содержащей обрабатывающий материал, вихрегенератор, направляющую для потока текучей среды и смеситель.
Предпочтительно, обрабатывающим материалом является металлическая пена. При этом обрабатывающий материал выбирают из каталитической пены и каталитической облицовки.
Устройство согласно изобретению включает по меньшей мере два модульных обрабатывающих блока (Bi), установленных последовательно таким образом, что выпускное отверстие первой камеры одного из блоков питает первой текучей средой впускное отверстие первой камеры другого блока, а выпускное отверстие второй камеры одного из блоков питает второй текучей средой впускное отверстие первой камеры другого блока.
Устройство согласно изобретению может содержать по меньшей мере два модульных обрабатывающих блока (Bi), установленных параллельно таким образом, что все первые впускные отверстия камер блоков совместно снабжаются первой текучей средой и все выпускные отверстия соединены с коллектором.
Устройство для обмена и/или реакции между по меньшей мере двумя текучими средами может использовать, с одной стороны, по меньшей мере «широкую» первую камеру, ограниченную боковыми стенками первого разделителя потоков, имеющего полость, обеспечивающего прохождение потока первой текучей среды, и, с другой стороны, по меньшей мере вторую «узкую» или широкую камеру для потока второй текучей среды, при этом первая и вторая камеры разделены первой обменной стенкой, обеспечивающей обмен и/или тепловую реакцию и/или массопередачу между текучими средами, проходящими в первой и второй примыкающих друг к другу камерах.
Объем и расположение камер, определяемые разделителем потоков, могут быть различными. Следовательно, разделитель потоков может быть полностью или частично снабжен полостью или может образовывать по меньшей мере две независимые субкамеры. В последнем случае субкамеры могут быть выполнены посредством механической обработки или формования.
Таким образом, создан теплообменник и/или реактор, способный обрабатывать текучую среду в уменьшенном объеме, что также обеспечивает преимущества, присущие пластинчатым теплообменникам. Кроме того, в соответствии с типом обменной стенки, используемой для отделения первой и второй камер (разделительная пластина или мембрана), обработка может быть либо тепловой, либо «физической» (фильтрация или сепарация составляющих элементов), либо одновременно тепловой и физической. Обработка также может быть химической, если в первую камеру помещают реагент или смесь веществ, или если вводят реагент, такой как катализатор. Элементы, содержащие эти вещества, могут быть установлены на боковой стенке или подвешены между двумя прикрепленными (или уложенными одна на другую) разделительными пластинами или помещены внутрь пространства камеры разделителя потоков. Можно предусматривать применение впрыскивающих форсунок для впрыскивания одного или нескольких реагентов в выбранную область камеры.
Изобретение может быть использовано для эндотермических или экзотермических реакций.
Может рассматриваться множество вариантов выполнения - первый разделитель потоков может содержать первую закрытую боковую стенку, образующую первую обменную стенку и представляющую внешнюю сторону, предназначенную для взаимодействия с пластиной, или первую или вторую закрытую стенку разделителя потоков другого блока для образования второй камеры. В этом случае, первый разделитель потоков и вставленная пластина (или только первый разделитель потоков) образуют модульный обрабатывающий блок, и могут монтироваться несколько блоков последовательно и/или параллельно, если их первый разделитель потоков включает вторую боковую стенку, параллельную (или под наклоном) первой сплошной боковой стенке и открытую, будучи закрытой пластиной другого блока (или закрытой для образования второй камеры совместно с первой стенкой следующего блока). Вставленная пластина может быть немного углублена в разделитель потоков или может примыкать к последнему (может быть прикреплена к нему). В альтернативном варианте, может быть предусмотрен другой первый разделитель потоков, у которого внешняя сторона первой обменной стенки плотно закрыта пластиной модульного блока для образования другой второй камеры, при этом оба первых разделителя потоков и пластина, таким образом, образуют дополнительный модульный обрабатывающий блок;
- первый разделитель потоков может включать первую открытую боковую стенку и по меньшей мере первую и вторую пластины, совместно образующие вторую камеру (соединенные либо сваркой, либо пайкой твердым припоем, либо составленные с размещением между ними прокладки), при этом первая пластина дополнительно предназначена для закрытия первой открытой боковой стенки с формированием первой обменной стенки. В этом случае, первый разделитель потоков и первая и вторая пластины образуют модульный обрабатывающий блок, и несколько модульных блоков могут устанавливаться последовательно и/или параллельно, если их первый разделитель потоков содержит вторую открытую боковую стенку, обращенную к первой открытой боковой стенке и плотно закрыт второй пластиной другого блока;
- по меньшей мере два модульных обрабатывающих блока могут быть установлены последовательно таким образом, что выпускное отверстие первой камеры одного из блоков питает первой текучей средой впускное отверстие первой камеры другого блока, а выпускное отверстие второй камеры одного из блоков питает второй текучей средой впускное отверстие первой камеры другого блока;
- по меньшей мере два модульных обрабатывающих блока могут быть установлены параллельно таким образом, что все впускные отверстия первых камер блоков совместно снабжаются первой текучей средой, и все выпускные отверстия первых камер соединены в коллектор;
- можно также использовать второй широкий разделитель потоков, содержащий боковые стенки, образующие вторую камеру с полостью, чтобы обеспечивать циркуляцию второй текучей среды, при этом первый и второй разделители потоков имеют, соответственно, первые открытые боковые стенки, предназначенные для расположения друг перед другом с размещением между ними сепарирующей мембраны или пластины, образующей первую обменную стенку. В этом случае, первый и второй разделители потоков и мембрана образуют модульный обрабатывающий блок, и несколько модульных блоков могут устанавливаться последовательно или параллельно, если их первый разделитель потоков содержит вторую боковую стенку, которая либо открыта и предназначена для расположения против второй открытой боковой стенки другого блока с размещением между ними другой мембраны или непроницаемой пластины, либо закрыта и предназначена для расположения против второй закрытой боковой стенки другого блока;
- можно также предусматривать: I) блоки, выполненные из первого разделителя потоков, содержащего две открытые боковые стенки, и второго разделителя потоков, включающего закрытую боковую стенку и открытую боковую стенку, с возможным размещением между разделителями потоков обменной мембраны, или II) блоки, выполненные из первого и второго разделителей потоков, каждый из которых содержит две открытые боковые стенки, и двух пластин, связывающих два разделителя потоков, расположенные рядом друг с другом, с возможным размещением обменной мембраны между разделителями потоков, или III) блоки, выполненные из первых и вторых разделителей потоков, каждый из которых содержит две открытые боковые стенки, с возможным размещением между разделителями потоков обменной мембраны, и двух групп, каждая из которых включает две пластины, связывающих два разделителя потоков, расположенных рядом друг с другом, таким образом, чтобы образовать канал для потока текучей среды между двумя блоками.
В каждом варианте осуществления изобретения, в котором разделитель потоков снабжен закрытой боковой стенкой, последний может быть выполнен посредством механической обработки (или выполнения выреза) или посредством прикрепления к вставленной пластине из того же материала, из которого выполнен разделитель потоков, или из другого материала. Прикрепление может быть постоянным (при помощи сварки, пайки твердым припоем или склеивания) или временным (наложением друг на друга с размещением между ними прокладки).
Согласно другому признаку изобретения по меньшей мере часть пластин, образующих обменную стенку, снабжена средствами для распределения текучей среды для обеспечения теплообмена между первой и второй текучими средами. Средства для распределения текучей среды могут быть выполнены на поверхностях пластины, например, посредством прессования или могут прикрепляться к поверхностям пластины. В альтернативном варианте, распределительные средства могут быть расположены в камерах.
Согласно другому признаку изобретения по меньшей мере один из разделителей потоков может включать средство для впрыскивания текучей среды, такое как форсунка, обеспечивающее подачу третьей текучей среды в камеру этого разделителя потоков. Можно также предусматривать использование нескольких форсунок для подачи текучей среды (текучих сред) или вещества (веществ) в выбранные разные места разделителя потоков.
Согласно еще одному отличительному признаку изобретения по меньшей мере один из разделителей потоков может включать прикрепленный к нему статический смесительный элемент, например, такой как завихритель, или металлическую пену, или каталитическую пену или облицовку, или также вихрегенератор или смеситель, например, такой как ребра типа «смещенных полосовых ребер». Но разделитель потоков может также включать несколько элементов, подобных указанным выше, включая элементы, выполняющие разные функции. Этот элемент или элементы могут быть включены во вставку типа картриджа или могут быть выполнены в форме такой вставки.
Поток текучей среды внутри камеры может быть либо по существу параллельным закрывающим пластинам (или боковым поверхностям) и быть однопроходным, или нелинейным и следующим по каналу для потока зигзагом, например, для увеличения времени его пребывания внутри камеры. Такой канал может быть образован дополнительными ячейками, размещенными в камере.
Согласно еще одному отличительному признаку изобретения, по меньшей мере один из разделителей потоков может быть выполнен путем сборки (или соединения) по меньшей мере двух субразделителей, которые могут иметь разные размеры. Таким образом определяемый объем камеры подбирают как функцию параметров потока, в частности: загрузка, вязкость, продолжительность обработки и т.п.
Изобретение может использоваться, в частности, в области тепловой и/или химической обработки первой жидкости или текучей среды, например, продуктов питания или химикатов, или в области сепарации или смешивания компонентов первой комплексной текучей среды, например, посредством фильтрации.
Другие характеристики и преимущества изобретения будут понятны при ознакомлении с нижеследующим подробным описанием в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
на фиг.1 изображен схематический вид сечения первого варианта выполнения устройства, соответствующего изобретению;
на фиг.2 изображен схематический вид сечения второго варианта выполнения устройства, соответствующего изобретению;
на фиг.3 изображен схематический вид сечения третьего варианта выполнения устройства, соответствующего изобретению;
на фиг.4 изображен схематический вид сечения четвертого варианта выполнения устройства, соответствующего изобретению;
на фиг.5А и 5В изображены схематические виды сечений двух альтернатив пятого варианта выполнения устройства, соответствующего изобретению;
на фиг.6А и 6В изображены схематические виды сечений двух альтернатив шестого варианта выполнения устройства, соответствующего изобретению;
на фиг.7 изображен схематический вид сечения седьмого варианта выполнения устройства, соответствующего изобретению;
на фиг.8 изображен перспективный вид с пространственным разделением деталей устройства типа, показанного на фиг.7;
на фиг.9 изображен альтернативный вариант выполнения устройства, показанного на фиг.8;
на фиг.10 изображен перспективный вид восьмого варианта выполнения устройства, соответствующего изобретению (альтернативный вариант выполнения устройства, показанного на фиг.9);
на фиг.11А-11D изображены разные альтернативные варианты выполнения вставок, которые могут быть размещены в камерах первых разделителей потоков устройств, соответствующих изобретению;
на фиг.12-15 изображены разные альтернативные варианты выполнения форсунок, предназначенных для по меньшей мере частичного размещения в камерах разделителей потоков устройств, соответствующих изобретению;
на фиг.16 изображено схематическое сечение разделителя потоков, содержащего стенку;
на фиг.17А-17С изображены схематические виды сечений разделителей потоков, соединенных с пластинами или мембранами;
на фиг.18 изображен схематический перспективный вид разделителя потоков, приспособленного для прохождения трех текучих сред;
на фиг.19 изображен схематический перспективный вид альтернативного варианта выполнения разделителя потоков, показанного на фиг.18, снабженного форсункой; и
на фиг.20 изображен схематический перспективный вид разделителя потоков, содержащего направляющую, формирующую канал для потока текучей среды.
На чертежах по существу показаны определенные отличительные признаки. Следовательно, они могут использоваться не только для осуществления изобретения, но также дополняют, в данном случае, описание.
В нижеследующем описании будут сделаны ссылки на устройство для обработки текучей среды, загруженной твердыми частицами. Конечно, это только один вариант использования среди множества других, который никоим образом не является ограничивающим.
Сначала для описания первого варианта выполнения устройства, соответствующего изобретению, будут сделаны ссылки на фиг.1. В этом первом примере устройство содержит первый широкий разделитель 1 потоков, боковые стенки которого ограничивают первую камеру 2, имеющую полость, обеспечивающий прохождение потока первой текучей среды. Размеры разделителя 1 потоков и, в особенности, его ширина, подбираются в зависимости от характеристик первой текучей среды и обменов и/или видов обработки, которые он должен обеспечивать. Здесь разделитель потоков следует рассматривать как один блок или комплект из нескольких блоков или субблоков, расположенных один за другим. Другими словами, слово «разделитель потоков» следует рассматривать как элемент или комплект элементов, образующих камеру для прохождения потока текучей среды. По существу, этот тип устройства может использоваться для обработки текучих сред с регулированием времени обработки и/или времени реакции. Однако оно может также использоваться для обработки текучих сред с высокой вязкостью или содержащих волокна или твердые частицы.
В показанном примере первая текучая среда поступает в первую камеру 2 через впускное отверстие 3, выполненное в части (здесь это «верхняя» часть) первого разделителя 1 потоков. Это впускное отверстие питает первая питающая линия 4, которая, например, соединена с резервуаром, содержащим первую текучую среду, которую требуется обработать.
Первый разделитель 1 потоков содержит, с другой стороны, выполненное в другой боковой стенке (здесь, в его «нижней» части) выпускное отверстие 5, соединенное с питающей линией 4 для выведения из первой камеры 2 обработанной в ней первой текучей среды.
В примере, показанном на фиг.1, обработка первой текучей среды заключается в нагреве или охлаждении при помощи второй текучей среды, которая проходит во второй камере 6 с вырезом, ограниченной боковыми стенками второго разделителя 7 потоков. Ширину этого второго разделителя 7 потоков подбирают в зависимости от характеристик текучей среды, которую он принимает. Таким образом, предпочтительно, если обе текучие среды идентичны, разделители 1 и 7 потоков имеют по существу идентичные размеры. Предпочтительно, второй разделитель 7 потоков имеет размеры, по существу идентичные размерам первого разделителя 1 потоков, чтобы обеспечивать легкое их соединение друг с другом при помощи необходимого способа крепления, например, посредством склеивания, сварки или свинчивания при помощи стяжек и гаек, возможно, с размещением между ними прокладки.
Второй разделитель 7 потоков содержит дополнительное впускное отверстие 8 (здесь оно выполнено в боковой стенке его верхней части), питаемое по второй питающей линии 9 второй горячей или холодной текучей средой, а также выпускное отверстие 10 (здесь, выполненное в боковой стенке его нижней части), соединенное с питающей линией 9, для вывода второй горячей текучей среды после ее прохождения внутри второй камеры 6.
В примере, показанном на фиг.1, обмен калориями или фригориями между второй горячей текучей средой и первой текучей средой обеспечивается благодаря теплообменной стенке, выполненной в виде пластины 11 из теплопроводного материала.
Эта пластина 11 с обеспечением непроницаемости для текучей среды расположена между первым 1 и вторым 7 разделителями потоков. Предпочтительно, эта пластина 11 выполнена из металла и содержит распределительные средства 15 (показаны на фиг.8-10), предназначенные для обеспечения теплообмена между второй текучей средой и первой текучей средой. Эти распределительные средства могут быть получены в результате деформации, создаваемой, например, при помощи техники прессования и, вследствие этого, они являются частью пластины. Но они могут также быть элементами, прикрепленными к по существу плоской пластине.
Кроме того, как показано, первый 1 и второй 7 разделители потоков каждый включают первую открытую боковую стенку 12, позволяющую текучим средам омывать параллельные стороны пластины 11, которая закрывает первую 2 и вторую 6 камеры. Каждый разделитель 1, 7 потоков дополнительно включает вторую закрытую боковую стенку 13, расположенную по существу параллельно первой открытой боковой стенке 12. В альтернативном варианте, первая 12 и вторая 13 боковые стенки каждого разделителя потоков могут быть открытыми, при этом вторые боковые стенки 13 обоих разделителей потоков закрыты пластиной типа пластины 11, образующей теплообменную стенку.
Первый 1 и второй 7 разделители потоков и пластина 11, расположенная между этими разделителями потоков, образуют модульный блок В. Как показано на фиг.1, несколько модульных блоков В могут быть соединены в одном устройстве либо параллельно (как показано), либо последовательно, либо последовательно и параллельно. Более конкретно, в показанном примере три модульных блока В1-В3 прикреплены друг к другу, и их параллельно питают текучей средой первая 4 и вторая 9 питающие линии. Конечно, в альтернативном варианте, блоки могут быть расположены так, что они работают последовательно, при этом выпускные отверстия 5 и 10 первого блока В1 питают впускные отверстия 3 и 8 второго блока В2, выпускные отверстия второго блока В2 питают впускные отверстия третьего блока В3, и выпускные отверстия третьего блока В3 подают текучую среду в первую 4 и вторую 9 линии.
Кроме того, устройство этого типа может быть использовано для обеспечения массопередачи между первой и второй текучими средами или теплообмена и массопередачи. Для этого теплообменную пластину 11 заменяют мембраной, выбранной для выполнения функции необходимого обмена, например, фильтрующей мембраной, которая обеспечивает только одностороннее прохождение заданного составляющего элемента первой текучей среды в направлении второй для сепарирования составляющих элементов или смеси составляющих элементов. Такая мембрана может быть либо вставлена между обоими разделителями 1 и 7 потоков, либо предварительно прикреплена к одному из разделителей потоков.
С другой стороны, прикрепленный (или вставленный) элемент 14 (показан пунктиром) может также быть расположен внутри одной из первой 2 и второй 6 камер. Такая вставка, например, может состоять из картриджа, включающего обрабатывающий материал, такой как каталитическая пена или реагент. Вставка может быть также вихревым генератором или смесителем. В другом случае, когда несколько модульных блоков Bi установлены последовательно и/или параллельно, последовательные камеры могут включать вставки разных типов.
Как показано на фиг.9 и 10, можно использовать несколько (суб)разделителей потоков, расположенных рядом друг с другом для образования такой же камеры. Ширина первой или второй камер может также меняться в разных блоках. Конечно, (суб)разделители потоков должны иметь открытые первую и вторую боковые стенки. В альтернативном варианте, разделители потоков, которые образуют камеру (первый и второй), могут быть разными, при этом один имеет как открытую, так и закрытую боковые стенки, а у другого все боковые стенки открытые.
Также можно использовать идентичные первый 1 и второй 7 разделители потоков.
По меньшей мере один из первого и/или второго разделителей потоков может также содержать средство для впрыскивания (см. фиг.12-15 и 20), например, такое как форсунка, которая может подавать в выбранное место камеры (предпочтительно, первой камеры 2) вещество, специально предназначенное, например, для регулирования химической реакции внутри камеры. В одном разделителе потоков может применяться несколько форсунок для впрыскивания одной или нескольких разных текучих сред в выбранные места (см. фиг.15). Например, форсунка может использоваться для подачи реагента для химической реакции в выбранном месте в зависимости от типа этой реакции.
Такие форсунки специально приспособлены к устройствам, снабженным контуром охлаждения для экзотермических реакций или контуром нагрева для эндотермических реакций, например, такими, как показанные на фиг.2-10. Может также использоваться устройство, показанное на фиг.1, при условии, что промежуточная пластина 11 является пластиной электрического типа (в этом случае, обе текучие среды, проходящие в разделителях 1 и 7 потоков, идентичны).
Теперь со ссылкой на фиг.2 будет описан второй вариант выполнения устройства, соответствующего изобретению. В этом примере устройство содержит широкий разделитель 21 потоков, боковые стенки которого образуют первую камеру 22, вырезанную таким образом, чтобы она обеспечивала прохождение потока первой текучей среды. Как и в предшествующем примере, разделитель 21 потоков включает впускное отверстие 23, соединенное с первой питающей линией 24, подающей первую текучую среду, и выпускное отверстие 25 для выведения первой обработанной текучей среды из первой камеры 22.
Эта первая камера 22 образована по существу параллельными первой 26 и второй 27 боковыми стенками. Эти боковые стенки могут быть по-разному наклонены, например, значительно отклоняться от вертикального направления. Первая боковая стенка 26 выполнена таким образом, что ее внешняя поверхность ограничивает вторую камеру 28, предназначенную для приема второй текучей среды. Разделитель 21 потоков содержит второе впускное отверстие 29, соединенное со второй питающей линией 30, подающей вторую текучую среду, и второе выпускное отверстие 31 для выведения второй текучей среды из второй камеры 28.
В самой простой конфигурации устройство является теплообменником, который включает только один разделитель 21 потоков и пластину, предназначенную для взаимодействия с внешней поверхностью первой стенки 26 разделителя 21 потоков для образования второй камеры 28 (или, другими словами, для непроницаемого уплотнения камеры 28). Пример, который показан на фиг.2, более сложен, поскольку показано устройство, содержащее четыре смонтированных последовательно модульных блока В1-В4, при этом каждый модульный блок Bi (i= от 1 до 4) состоит из разделителя 21 потоков, причем вторая закрытая стенка 27 разделителя 21 потоков закрывает вторую камеру 28 предшествующего блока, и вторая камера 28 последнего блока (здесь В4) закрыта концевой пластиной 32. В «петлеобразной» альтернативной конфигурации концевая пластина 32 может также действовать как входная пластина в В1, таким образом обеспечивая полное замыкание второй линии первым и последним каналами.
Вследствие этого, в этом примере первое 25 и второе 31 выпускные отверстия первого блока В1, соответственно, подают текучую среду в первое 23 и второе 29 впускные отверстия второго блока В2 и т.д., при этом первое 25 и второе 31 выпускные отверстия последнего модульного блока (здесь В4), соответственно, соединены с первой 24 и второй 30 линиями подачи текучей среды.
Очевидно, что в примере, показанном на фиг.2, размеры второй камеры 28 и, в частности, ее ширина, определяются конфигурацией внешней поверхности второй стенки 26 разделителя 21 потоков.
Может предусматриваться параллельное распределение попутного или противоточного типов.
Устройство, показанное на фиг.3, является альтернативой устройству, показанному на фиг.2. В этом альтернативном варианте первая стенка 26 каждого широкого разделителя 21 потоков закрыта, тогда как вторая стенка 27 этого разделителя потоков открывается и закрывается пластиной 32, например, металлической пластиной. В альтернативной кольцевой конфигурации концевая пластина 32 может также действовать в качестве входной пластины в B1, таким образом обеспечивая замыкание второй линии первым и последним каналами.
Таким образом, модульный блок Bi здесь состоит из пластины 32 и разделителя 21 потоков. Блоки Bi могут быть установлены последовательно (как показано) и/или параллельно, как в примере, показанном на фиг.1. В примере, показанном на фиг.4, устройство содержит широкие разделители 41 потоков по существу симметричной конфигурации вследствие того факта, что они включают первую 42 и вторую 43 боковые стенки, которые, предпочтительно, по существу идентичны и каждая образует ее внешней соответствующей поверхностью часть по меньшей мере второй камеры 46. Каждый разделитель 41 потоков содержит, как в примерах, показанных на фиг.2 и 3, I) первое впускное отверстие 47, соединенное с первой питающей линией 48, подающей первую текучую среду, для питания первой камеры 45, II) второе впускное отверстие 49, соединенное со второй питающей линией 50, подающей вторую текучую среду, III) первое выпускное отверстие 51 для выведения первой текучей среды из первой камеры 45, и IV) второе выпускное отверстие 52 для выведения второй текучей среды из второй камеры 46. Каждый разделитель 41 потоков может включать другие впускные отверстия и выпускные отверстия для второй текучей среды, поскольку он образует внешними поверхностями его первой 42 и второй 43 боковых стенок две вторые камеры 46 (по меньшей мере частично), в которых вторая текучая среда может проходить параллельно и, предпочтительно, в одном направлении.
В этом примере каждый разделитель 41 потоков сам образует модульный блок Bi. Здесь четыре модульных блока В1-В4 установлены последовательно, при этом выпускные отверстия одного блока подают текучую среду во впускные отверстия другого. Но в альтернативном варианте блоки могут быть установлены параллельно.
Внешняя поверхность первой боковой стенки 42 первого блока образует, совместно с внешней поверхностью второй боковой стенки 43 следующего блока, вторую камеру 46. Другими словами, каждая внешняя поверхность, которая не расположена на одном конце устройства, образует вторую «субкамеры». Вторые камеры 46, образованные второй 43 и первой 42 боковыми стенками разделителей потоков 41, расположенных на обоих противоположных концах устройства (В1 и В4), каждая закрыты пластиной 53 таким образом, что обе вторые камеры 46, образующие концы устройства, имеют приблизительно в два раза меньший объем, чем другие вторые «промежуточные» камеры 46.
Устройство, показанное на фиг.4, можно также рассматривать как узел из модульных обрабатывающих «сверхблоков», каждый из которых составлен из двух первых разделителей 41 потоков и пластины 53.
В качестве альтернативы устройству, показанному на фиг.4, можно разместить между двумя разделителями 41 потоков мембрану таким образом, чтобы подразделить на две части вторую камеру, образованную внешними поверхностями предварительно выполненных боковых стенок следующих друг за другом разделителей потоков. Таким образом, можно предусматривать, в частности, обмен молекулами, атомами или ионами между текучими средами (например, разными газами), которые проходят в обеих частях второй камеры.
Устройство, показанное на фиг.5А, является альтернативой устройству, показанному на фиг.4. Здесь пластина 53 расположена между двумя широкими соседними разделителями 41 потоков с предварительно выполненными внешними стенками. Следовательно, в этом варианте осуществления изобретения модульный блок Bi составлен из разделителя 41 потоков и пластины 53. Каждый разделитель 41 потоков, таким образом, образует первую камеру 45 и две вторые камеры 56, каждая из которых закрыта пластиной 53, относящейся к следующему блоку (или предшествующему блоку), или концевой пластиной устройства, как описано выше со ссылками на фиг.4. В этом примере первая текучая среда проходит в камерах 45, предпочтительно, в одном направлении, например, сверху вниз, тогда как вторая текучая среда проходит чередующимся образом во вторых камерах 56, например, сверху вниз, затем снизу вверх, затем сверху вниз и т.д.
Устройство, показанное на фиг.5В, является альтернативой устройству, показанному на фиг.5А, в отношении циркуляции текучих сред. В этом примере первая текучая среда проходит в камерах 45, предпочтительно, в одном направлении, например, сверху вниз, тогда как вторая текучая среда проходит в камерах 56 во втором направлении, предпочтительно, противоположном первому направлению.
Устройство, показанное на фиг.6А, является другой альтернативой устройству, показанному на фиг.5А. Здесь вторые камеры 56 образованы парами пластин 53, которые расположены по обе стороны от открытых боковых стенок широких разделителей 61 потоков, каждый из которых образует первую открытую камеру 45. В этом варианте осуществления изобретения модульный блок Bi составлен парой пластин 53, разделителем 61 потоков и пластиной 53. В этом примере первая текучая среда проходит в камерах 45, предпочтительно, в одном направлении, например, сверху вниз, тогда как вторая текучая среда проходит чередующимся образом во вторых камерах 56, например, сверху вниз, затем снизу вверх, затем опять сверху вниз и т.д.
Устройство, показанное на фиг.6В, является альтернативой устройству, показанному на фиг.6А, в отношении циркуляции текучих сред. В этом примере первая текучая среда проходит в камерах 45, предпочтительно, в одном направлении, например, сверху вниз, тогда как вторая текучая среда проходит в камерах 56 во втором направлении, предпочтительно, противоположном первому направлению.
В примере, показанном на фиг.7-9, устройство также содержит разделитель 61 потоков, боковые стенки которого образуют первую вырезанную камеру 62, но теперь вторая камера 66, в которой проходит вторая текучая среда, образована двумя пластинами 64 и 65 типа, который используется в традиционных теплообменниках. Эти две пластины 64 и 65 могут быть жестко скреплены до установки на разделители 61 потоков.
В этом примере разделитель 61 потоков и две пластины 64 и 65, которые образуют вторую камеру 66, составляют модульный блок Bi. Здесь три модульных блока В1-В3 установлены последовательно, но их может быть больше и/или их можно монтировать параллельно или последовательно и параллельно.
Разделитель 61 потоков первого блока В1 содержит впускное отверстие 67, соединенное с первой питающей линией 68, подающей первую текучую среду для питания первой камеры 62, и выпускное отверстие 69 для выведения первой обработанной текучей среды из первой камеры 62. Подобным образом, пластины 64 и 65, которые образуют вторую камеру 66, содержат впускное отверстие 70, соединенное со второй питающей линией 71, подающей вторую текучую среду для питания второй камеры 66, и выпускное отверстие 72 для выведения второй текучей среды из второй камеры 66.
В этом примере разделители 61 потоков имеют первую и вторую открытые боковые стенки, которые закрывает одна из пластин 64 или 65 предшествующего блока или концевая пластина 73. Концевая пластина, действующая как входная пластина, может обеспечивать полное замыкание при помощи первого и последнего каналов второй линии подачи текучей среды.
В альтернативном варианте, как показано на фиг.8 и 9, концевую пластину 73 могут заменять две другие пластины 64 и 65, которые образуют вторую дополнительную камеру 66.
В примерах, показанных на фиг.1-7, впускные отверстия и выпускные отверстия были обозначены стрелками для облегчения понимания направлений потока разных текучих сред. Как показано на фиг.8-10, разные впускные отверстия и выпускные отверстия могут быть, предпочтительно, выполнены в разделителях потоков и в пластинах, как хорошо известно специалистам в данной области техники.
Устройство, показанное на фиг.9, является альтернативой показанному на фиг.8, в котором каждый широкий разделитель 61 потоков составлен из двух субразделителей 61а и 61b потоков таким образом, чтобы увеличить ширину каждой первой камеры 62.
Устройство, показанное на фиг.10, является альтернативой показанному на фиг.9, в котором использованы первые широкие разделители 61 потоков, составленные (в этом случае) из двух субразделителей 61а и 61b потоков для увеличения ширины каждой первой камеры 62, чередующиеся со вторыми широкими разделителями 81 потоков, составленными (в этом случае) из двух субразделителей 81а и 81b потоков для увеличения ширины каждой второй камеры 82, с размещением пластины между каждыми следующими друг за другом первыми 61 и вторыми 81 разделителями потоков.
Все, что было указано в описании относительно первого примера выполнения устройства, показанного на фиг.1, также применимо к другим примерам вариантов осуществления изобретения, показанным на фиг.2-10. В частности, некоторые камеры, выполненные в разделителях потоков, могут содержать одну или более вставок, и некоторые разделители потоков могут быть снабжены форсунками для впрыскивания специального вещества, предназначенного, например, для регулирования химической реакции в камере.
Четыре примера выполнения вставки показаны на фиг.11А-11D.
На фиг.12-15 также показаны примеры выполнения разделителей потоков, снабженных форсунками. Более конкретно, на фиг.12 показана коническая форсунка 100, на фиг.13 показана вертикальная цилиндрическая форсунка 101, на фиг.14 показана горизонтальная цилиндрическая форсунка 102 и на фиг.15 показаны первая верхняя горизонтальная форсунка 102 цилиндрического типа и вторая промежуточная горизонтальная форсунка 103.
Как отмечалось выше, во всех описанных выше примерах выполнения устройств уплотнение между следующими друг за другом разделителями потоков или между разделителем потоков и пластиной может обеспечиваться либо при помощи уплотнительного средства (плоская периферийная прокладка или уплотнительное кольцо, выполненные из металла или другого материала, расположенные на одном из двух элементов), либо посредством склеивания или сварки.
Кроме того, разные разделители потоков могут быть выполнены из материала полимерного типа, например из PEEK (англоязычный акроним для полиэфирэфиркетона). Но могут также рассматриваться многие другие материалы, например, такие как стекло, керамика или металл (например, нержавеющая сталь, титан, алюминий). Способ выполнения этих разделителей потоков зависит от используемого материала (материалов): механическая обработка и/или сварка и/или формование и/или прессование.
Кроме того, поток текучей среды внутри устройства может быть либо полностью чередующимся (вверх/вниз/вверх/вниз...), что соответствует «последовательному» потоку, как отмечалось выше, или частично чередующимся (вверх, затем вниз, или вниз, затем вверх), что соответствует «параллельному/последовательному» типу потока. В более широком смысле, могут рассматриваться все комбинации последовательного и параллельного/последовательного режимов (показанные примеры не являются ограничивающими). Также можно рассматривать разделение камеры разделителя потоков на две части, как показано на фиг.16, например, путем установки перегородки 110 в камере. Разделитель потоков может иметь закрытые боковые стенки, возможно, предварительно выполненные, или открытые боковые стенки, или он может также иметь открытую боковую стенку и закрытую боковую стенку, возможно, предварительно выполненные. В этом случае каждая открытая стенка может быть закрыта либо мембраной, либо пластиной. Пластина может быть вставляемой деталью или составляющей единое целое с разделителем потоков частью (в этом случае она выполнена посредством формования или механической обработки). В других случаях, стенка может иметь деформации поверхности, образующие, например, распределительные средства и/или направляющие.
Как было описано выше и как показано на фиг.17А-17D, разделители потоков, имеющие частично открытые боковые стенки, могут быть выполнены двумя путями. В первом варианте (см. фиг.17А), открытые боковые стенки по существу плоские (не профилированы) и могут быть закрыты мембраной или пластиной. Во втором варианте (см. фиг.17В и 17С), открытые боковые стенки выполнены таким образом, чтобы вставлять пластину или мембрану, возможно, предварительно выполненную. Варианты, показанные на фиг.16 и 17, могут быть скомбинированы.
Также можно использовать разделители потоков (открытые или закрытые) с шестью питающими накопительными впускными отверстиями типа, показанного на фиг.18. Более конкретно, в этом варианте осуществления изобретения два левых отверстия обеспечивают прохождение потока второй текучей среды между любыми вторыми камерами, два правых отверстия обеспечивают прохождение потока третьей текучей среды между любыми вторыми камерами, и два центральных отверстия используются для подачи в первую камеру первой текучей среды, а также для накопления этой первой текучей среды. Этот тип разделителя потоков может также принимать одну или более форсунок, как показано на фиг.19.
Как было отмечено выше, первая камера может иметь разные формы. Среди прочих форм она может быть прямоугольной, круглой или овальной. Но она может также содержать распределительные средства или направляющие 120, которые могут образовывать канал для потока первой текучей среды, показанный на фиг.20 (здесь направляющие являются частью разделителя потоков, который выполнен посредством формования или механической обработки, но они также могут быть одной или более вставляемых деталей).
Наконец, из соображений облегчения технического обслуживания и ремонта, предпочтительно, чтобы устройства, соответствующие настоящему изобретению, были «цельного» типа и собирались при помощи стяжек, на концы которых навинчиваются гайки. Таким образом, посредством прижимания пластин и/или разделителей потоков друг к другу составляется непроницаемый узел, который не требует какой-либо сварки или склеивания и, вследствие этого факта, обеспечивает быструю разборку. Можно также использовать паяные или сваренные пластинчатые теплообменники. Но такой теплообменник, содержащий составленные пластины, просто собираемые посредством прижимания их друг к другу, может быть очищен более легко. Кроме того, этот тип модульной сборки особенно преимущественен и может подгоняться или приспосабливаться к изменениям вариантов использования.
Изобретение не ограничено вариантами выполнения устройств, описанных выше, которые даны только как примеры, и оно включает все альтернативы, которые могут предусматриваться специалистами в данной области техники и которые входят в объем изложенной ниже формулы изобретения.
Таким образом, изобретение было описано как используемое для устройств для текучих сред, содержащих твердые частицы. Но очевидно, что изобретение относится к множеству других текучих сред или смесей текучих сред и, в частности, к пищевым продуктам, химикатам и области металлургии. Фактически, изобретение позволяет постоянно управлять химическими реакциями благодаря теплообмену, а также впрыскиванию одного или нескольких реагентов. Кроме того, текучие среды могут быть в форме жидкости, газа, твердых частиц/жидкости или жидкости/газа.
Кроме того, изобретение также может использоваться для десорбции и абсорбции, и осуществление этих операций обеспечивается независимо от вышеупомянутых других операций или в дополнение к ним.
1. Устройство для обмена и/или реакции между, по меньшей мере, двумя текучими средами, содержащее прикрепленные друг к другу модульные блоки (Bi), причем каждый блок содержит первый разделитель (1, 21, 41, 61) с первой боковой стенкой и полой центральной частью, образующий первую камеру (2, 22, 45, 62) для потока первой текучей среды, второй разделитель (7) с первой боковой стенкой, образующий вторую камеру (6, 28, 46, 66) для потока второй текучей среды, причем первая и вторая камеры отделены, по меньшей мере, одной разделительной пластиной (11, 26, 42, 64), и выполненные в разделителях отверстия для подачи текучей среды в камеры и сбора текучей среды из камер, при этом каждый разделитель потоков дополнительно включает вторую боковую стенку, расположенную параллельно первой стенке, причем первая камера образована боковыми стенками первого разделителя потоков и вторая камера образована первой разделительной пластиной и второй параллельной разделительной пластиной или боковой стенкой первого разделителя потоков и разделительной пластиной, и в каждом разделителе потоков выполнено четыре или шесть отверстий для подачи текучей среды в камеры и сбора текучей среды из камер для обеспечения соединения камер с двумя или тремя потоками текучих сред.
2. Устройство по п.1, в котором первый разделитель потоков первой камеры представляет собой два расположенных друг за другом разделителя.
3. Устройство по п.1 или 2, в котором второй разделитель потоков второй камеры представляет собой два расположенных друг за другом разделителя.
4. Устройство по п.2, которое содержит мембрану, размещенную между двумя расположенными друг за другом разделителями потоков, для разделения камеры на две части, при этом мембрана образует обменную стенку.
5. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, часть разделительных пластин (11, 32, 53, 64, 65) снабжена средствами распределения текучей среды.
6. Устройство по п.5, в котором, по меньшей мере, часть средств распределения обеспечивают деформации поверхности пластины.
7. Устройство по п.5, в котором, по меньшей мере, часть средств распределения составляют элементы, размещенные в пластине.
8. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, часть первых разделителей потоков содержит стенку (110), предназначенную для разделения их первой камеры на две части.
9. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, один из разделителей потоков включает средство впрыскивания для впрыскивания, по меньшей мере, третьей текучей среды в камеру разделителя потоков.
10. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, один из разделителей потоков включает один вставленный элемент (14), выбранный из группы, содержащей обрабатывающий материал, вихрегенератор, направляющую для потока текучей среды и смеситель.
11. Устройство по п.10, в котором обрабатывающим материалом является металлическая пена.
12. Устройство по п.10, в котором обрабатывающий материал выбирают из каталитической пены и каталитической облицовки.
13. Устройство по п.1, которое включает, по меньшей мере, два модульных обрабатывающих блока (Bi), установленных последовательно таким образом, что выпускное отверстие первой камеры одного из блоков питает первой текучей средой впускное отверстие первой камеры другого блока, а выпускное отверстие второй камеры одного из блоков питает второй текучей средой впускное отверстие первой камеры другого блока.
14. Устройство по п,1, которое содержит, по меньшей мере, два модульных обрабатывающих блока (Bi), установленных параллельно таким образом, что все первые впускные отверстия камер блоков совместно снабжаются первой текучей средой, и все выпускные отверстия соединены с коллектором.
