Тороидальный резервуар для однородного распределения потока текучей среды в пробковом режиме

Изобретение может быть использовано в процессах ионного обмена в хроматографии, в процессах в корпусе ядерного реактора, где необходим гомогенный контакт текучих сред со средой в виде слоя, заполняющей защищенные резервуары или камеры. Резервуар представляет собой прямоугольный тороид, имеющий плоские верхнюю и нижнюю части. В пределах центральной осевой полости тороидального корпуса размещены системы распределения и собирания текучей среды в виде радиально распределенных трубопроводов. Все трубопроводы имеют идентичные гидравлические пути. Изобретение обеспечивает равномерное распределение и собирание текучей среды при более простой конструкции, требующей меньшего количества материала для заполнения резервуара. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Приоритетное требование

Данная заявка имеет дату подачи предварительной заявки на патент США №60/342985, поданной 21 декабря 2001 г., на "Тороидальный резервуар для однородного распределения потока текучей среды в пробковом режиме".

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к резервуарам, используемым в применениях, требующих однородного собирания и распределения текучей среды, и более конкретно, оно относится к тороидальному резервуару для использования в таких применениях.

Предпосылки создания изобретения

Многие процессы, такие как хроматография, ионный обмен, процессы адсорбционного слоя и процессы в корпусе ядерного реактора, требуют однородного гомогенного контакта различных текучих сред со средой. Контакт обычно осуществляется в защищенных резервуарах или камерах, которые заполнены слоем необходимой среды. Поскольку большая часть применений требует отчетливых границ раздела текучих сред, толщина слоя должна быть постоянной, и это требование применимо к резервуарам, имеющим плоские верхние части и нижние части.

В большинстве случаев резервуары функционируют с некоторой степенью давления. Большинство резервуаров имеет цилиндрическую форму с усиленными плоскими верхними частями и нижними частями для более легкого удержания давления. Плоские верхние части и нижние части часто укрепляют закругленными приемниками давления; это также имеет неудобство увеличения трудности прокладки трубопроводов для текучей среды к плоской поверхности.

Предшествующие решения, которые балансировали между необходимостью в равномерном распределении и собирании в резервуаре, способном выдерживать давления, привели к усовершенствованным системам трубопроводов и резервуаров, имеющих множество независимых трубопроводов и областей повышенного давления для распределения и собирания текучей среды. Патенты США №№499102 и 5354460 являются примерами решений, которые обеспечивают однородное распределение потока в пробковом режиме по широкому интервалу текучести при падении низкого давления. Настоящее изобретение обеспечивает возможность более простых конструктивных решений переноса текучей среды, использующих принципы этих патентов.

Раскрытие сущности изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает новое конструктивное решение резервуара, позволяющее применять более простую систему распределения и собирания. По существу, корпус резервуара сконструирован в форме тороида. Тороид образуется посредством вращения замкнутой геометрической формы вокруг оси в той же самой плоскости, что и форма, но не пересекающей форму. Наиболее общей тороидальной формой является круг, образующий форму баранки при вращении вокруг оси. Предпочтительной формой для настоящего изобретения является прямоугольный тороид, обеспечивающий, таким образом, плоские нижние части и верхние части, необходимые во многих применениях. Обеспечена система, в которой две области повышенного давления аксиально размещены внутри тороида, одна для собирания, а другая для распределения. Каждая область повышенного давления связана с тороидальным резервуаром множеством трубопроводов, проходящих радиально из и в резервуар, при этом трубопроводы открываются в резервуар и находятся в открытом сообщении по текучей среде с областями повышенного давления. Каждая область повышенного давления также находится в открытом сообщении по текучей среде с другим трубопроводом, обеспечивая втекание/вытекание в резервуар/из резервуара.

Конструкция тороидального резервуара обеспечивает многочисленные преимущества по сравнению с известным уровнем техники. Во-первых, системы распределяющих и собирающих трубопроводов можно размещать в пределах полости, которую формирует тороид, и обе они могут быть симметричными благодаря их размещению. Симметрия обеспечивает большую однородность потока текучей среды при более простой конструкции, так как все собирающие и распределяющие трубопроводы идентичны, или по меньшей мере имеют идентичные гидравлические пути. Внутренняя стенка тороидального корпуса обеспечивает большую опору по сравнению с цилиндрическим корпусом, а пролет для плоских верхних частей и нижних частей уменьшен, таким образом экспоненциально понижая изгибающие моменты, вызываемые рабочими давлениями. Конструкция также имеет меньшее поперечное расстояние между стенками, таким образом понижая внутренний объем по сравнению с цилиндром и, соответственно, снижая количество материала, необходимое для заполнения резервуара. При использовании прямоугольного тороида предпочтительного варианта осуществления распределительные трубопроводы можно размещать снаружи корпуса, обеспечивая свободные плоские внутренние поверхности. Полость обеспечивает удобный доступ к внутренним элементам системы трубопроводов, таким образом обеспечивая возможность более плотного размещения множества резервуаров.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен вид сбоку резервуара согласно настоящему изобретению, показывающий внутренние элементы затененными.

На фиг.2 изображен перспективный вид половины резервуара согласно изобретению, взятый по вертикальному разрезу, со стрелками, изображающими поток текучей среды.

На фиг.3 изображен вид в вертикальном разрезе резервуара согласно настоящему изобретению.

На фиг.4 изображен вид в горизонтальном разрезе резервуара согласно настоящему изобретению.

На фиг.5 изображено перспективное сечение резервуара согласно изобретению, сфокусированное на верхнем его углу.

Лучший вариант (варианты) осуществления изобретения

Далее будет описан усовершенствованный резервуар согласно настоящему изобретению со ссылкой на прилагаемые чертежи. В частности, на фиг.1 и 2 показан корпус 1 резервуара, который является тороидальным. В идеале эта тороидальная форма основана на прямоугольнике, поворачиваемом вокруг оси вращения, причем прямоугольник находится в той же плоскости, что и ось, но не пересекается ею. Тороидальная форма включает преимущества прочного защитного резервуара, присущие цилиндрической форме, и позволяет обеспечить системы собирания и распределения, аксиально размещаемые в полости внутри тороида. Это расположение обеспечивает возможность более эффективного и равномерного распределения и собирания текучих сред, поскольку требуется единственная область 3 повышенного давления распределения и единственная область 8 повышенного давления собирания. Тороидальный корпус 1 также имеет две периферические стенки 10, 11 в противоположность одной, как в случае с цилиндром. Внутренняя стенка 11 обеспечивает дополнительную опору тороидальному корпусу 1 по сравнению с цилиндром.

Тороидальный резервуар обеспечивает возможность размещать систему собирания/распределения по центру. Одна такая система показана на прилагаемых чертежах. На фиг.2 показан впускной трубопровод 2, который входит в полость через внутреннюю и внешнюю стенки 11, 10 корпуса и делает прямоугольный поворот по оси вращения тороидального корпуса 1. В местоположении, близком к верхней плоскости тороидального корпуса 1, трубопровод 2 состыковывается с областью 3 повышенного давления распределения. Область 3 повышенного давления размещена так, что нормальная ось области повышенного давления коаксиальна с осью вращения тороидального корпуса 1. Область 3 повышенного давления имеет множество выпускных отверстий, каждое из которых связано с распределительным трубопроводом 4. Все трубопроводы 4 имеют идентичный гидравлический путь и симметричны относительно нормальной оси области 3 повышенного давления. Каждый распределительный трубопровод состыковывается с тороидальным корпусом 1 в элементе 5 распределения. Все элементы 5 распределения, показанные на фиг.5, находятся в планарном соотношении с верхней частью тороидального корпуса 1. Система собирания сконструирована аналогично и противоположно ориентирована, как показано на фиг.4, с элементами 6 собирания, планарными с нижней частью тороидального корпуса 1, множеством собирающих трубопроводов 7, областью 8 повышенного давления собирания и выпускным трубопроводом 9.

На фиг.3 показано прохождение текучей среды через усовершенствованную систему. Текучая среда поступает в систему распределительных трубопроводов через впускной трубопровод 2 и в область 3 повышенного давления распределения. Из области 3 повышенного давления текучая среда распространяется по распределительным трубопроводам 4 и в тороидальный корпус 1 через плоские дисперсионные элементы 5. Симметричная конструкция этой системы обеспечивает равномерное распределение текучей среды при значительно более простой конструкции. Текучая среда проходит вниз через тороидальный корпус 1, взаимодействуя с содержащейся средой, и собирается элементами 6 собирания. Затем текучая среда проходит по системе собирающих трубопроводов способом, аналогичным распределению.

Преимущества симметричного распределения, обеспечиваемые конструктивным решением тороидального резервуара, могут быть получены посредством модифицирования обычных цилиндрических оболочек благодаря введению внутреннего цилиндра.

Хотя раскрытие представляет лучший способ практического осуществления изобретения и связанной системы трубопроводов, должно быть понятно, что можно выполнять многочисленные видоизменения в раскрытом выше варианте осуществления и при этом применять настоящее изобретение. Поэтому должно быть понятно, что изобретение, определенное прилагаемой формулой изобретения, не должно быть ограничено конкретными деталями, упомянутыми в описании.

1. Резервуар для однородного распределения потока в пробковом режиме, содержащий тороидальный корпус оболочки, имеющий центральную осевую полость и верхнюю часть и нижнюю часть, в которой системы распределения и собирания текучей среды размещены в пределах полости.

2. Резервуар по п.1, который представляет собой прямоугольный тороид, имеющий плоскую верхнюю часть и плоскую нижнюю часть.

3. Система резервуара и трубопроводов для однородного распределения потока текучей среды в пробковом режиме, содержащая защищенный тороидальный корпус резервуара, имеющий верхнюю часть и нижнюю часть и ось вращения, расположенную внутри центральной полости тороидального резервуара и перпендикулярную плоскости горизонтального сечения корпуса резервуара, систему впускного трубопровода, дополнительно содержащую впускной трубопровод для текучей среды, область повышенного давления распределения, находящуюся в сообщении по текучей среде с впускным трубопроводом и размещенную у оси вращения тороидальной оболочки, множество радиальных распределительных трубопроводов, каждый из которых находится в сообщении по текучей среде с входной областью повышенного давления в одном из множества выпускных отверстий, причем все трубопроводы имеют идентичные гидравлические пути, и множество элементов распределителя, размещенных в пределах верхней части тороидального корпуса резервуара, причем каждый элемент находится в сообщении по текучей среде с одним распределительным трубопроводом, и систему собирающих трубопроводов, содержащую элементы, аналогичные системе распределяющих трубопроводов с элементами собирания, размещенными в пределах нижней части тороидального корпуса резервуара, множество собирающих трубопроводов, область повышенного давления собирания и выпускной трубопровод, с элементами собирания, находящимися соответственно напротив элементов системы впускных трубопроводов, но в идентичном отношении друг к другу, как соответствующие элементы системы впускных трубопроводов, при этом текучая среда проходит от впускного трубопровода для текучей среды во входную область повышенного давления и равномерно распределяется по распределительным трубопроводам к элементам распределения в корпус резервуара, взаимодействуя со средой, содержащейся внутри корпуса резервуара, и проходя через нее, собирается элементами собирания, проходит через собирающие трубопроводы и область повышенного давления собирания и выходит из системы по выпускному трубопроводу.

4. Система резервуара и трубопроводов по п.3, в которой резервуар представляет собой прямоугольный тороид, имеющий плоскую верхнюю часть и плоскую нижнюю часть.

5. Система резервуара и трубопроводов по п.3, в которой системы распределения и собирания представляют собой рекурсивные конструкции.