Интегрированное устройство и способ для смешивания и разделения жидких фаз
Изобретение относится к смешиванию и разделению фаз смеси, и более конкретно, к интегрированному устройству и способу для смешивания и разделения несмешивающихся жидких фаз. Устройство включает впускную секцию, смесительную секцию, разделительную секцию и выпускную секцию. Смесительная секция включает несколько спиральных витков для раздельного введения жидких фаз различной удельной массы в смесительную секцию. Каждый спиральный виток имеет спиралеобразный канал, за которым следует спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания для смешивания жидких фаз. Спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания изменяет направление потока жидких фаз при перетекании множества жидких фаз из спиралеобразного канала в спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания. Разделительная секция примыкает к смесительной секции и отделяет жидкие фазы друг от друга на основе разности удельного веса жидких фаз. Выпускная секция облегчает раздельный отвод жидких фаз на основе удельного веса указанных жидких фаз. Изобретение обеспечивает лучшее перемешивание. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 14 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ И ПРИОРИТЕТ
[001] Настоящая заявка испрашивает приоритет на основе индийской заявки №201821009412, поданной в Индии 14 марта 2018 года. Полное содержание вышеупомянутой заявки включено в настоящий документ посредством ссылки.
Область техники
[002] Варианты осуществления, приведенные в настоящем документе, в общем относятся к смешиванию и разделению фаз смеси, и более конкретно, к интегрированному устройству и способу для смешивания и разделения несмешивающихся жидких фаз.
Уровень техники
[003] Смешивание и разделение жидких фаз играют важную роль в технологических процессах. Традиционно применяются различные технологии смешивания и разделения фаз. Традиционное устройство, применяемое для смешивания и разделения многофазных жидкостей, содержит отдельные узлы для переноса и обработки указанных жидкостей. Операции, которые выполняются в указанных узлах, включают в себя перекачку указанных жидкостей с помощью насосов, что приводит к повышению общего объема затрат вследствие расходов, связанных с перекачиванием. Кроме того, такое традиционное устройство содержит вращающиеся части, которые связаны с более высокими эксплуатационными расходами, а также требуют технического обслуживания и замены механических частей. Кроме того, конструкции традиционного устройства имеют более низкие контактные ступени.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[004] Ниже представлено упрощенное краткое раскрытие некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения, дающее общее представление о вариантах осуществления. Это краткое описание не является широким обзором вариантов осуществления. Оно не претендует ни на обозначение ключевых или критически важных элементов вариантов осуществления, ни на очерчивание объема вариантов осуществления настоящего изобретения. Его единственная цель состоит в том, чтобы представить некоторые варианты осуществления в упрощенном виде в качестве вводной части для более подробного описания, которое представлено далее.
[005] С учетом вышеизложенного варианты осуществления, представленные в данном документе, предлагают устройство для смешивания и разделения жидких фаз. Устройство для смешивания и разделения жидких фаз включает впускную секцию, смесительную секцию, разделительную секцию и выпускную секцию. Впускная секция включает внутреннюю впускную часть и внешнюю впускную часть для раздельного введения в смесительную секцию множества жидких фаз с разным удельным весом. Смесительная секция примыкает к впускной секции и служит для смешивания множества жидких фаз на основе разности удельного веса и несмешиваемости, связанных с множеством жидких фаз. Смесительная секция включает первую спиральную секцию, содержащую первое множество спиральных витков, причем каждый спиральный виток первого множества спиральных витков имеет спиралеобразный канал, за которым следует спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания для обеспечения смешивания множества жидких фаз, спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания изменяет направление потока множества жидких фаз при перетекании множества жидких фаз из спиралеобразного канала в спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания. Разделительная секция, примыкающая к смесительной секции и способная разделять множество жидких фаз на основе разности удельного веса указанных жидких фаз, включает вторую спиральную секцию, примыкающую к смесительной секции и выполненную с возможностью приема смеси множества жидких фаз из смесительной секции, причем вторая спиральная секция содержит второе множество спиральных витков для обеспечения разделения множества жидких фаз. Выпускная секция, выполненная в концевой части разделительной секции, содержит внешнюю выпускную часть и внутреннюю выпускную часть для облегчения раздельного отвода множества жидких фаз смеси.
[006] В другом варианте осуществления раскрыт способ смешивания и разделения жидких фаз. Способ включает введение в устройство для смешивания и разделения жидких фаз смеси, содержащей множество жидких фаз с разным удельным весом. Устройство включает впускную секцию, смесительную секцию, разделительную секцию и выпускную секцию для жидких фаз. Впускная секция включает внутреннюю впускную часть и внешнюю впускную часть для раздельного введения в смесительную секцию множества жидких фаз с разным удельным весом. Смесительная секция примыкает к впускной секции и служит для смешивания множества жидких фаз на основе разности удельного веса и несмешиваемости, связанных с множеством жидких фаз. Смесительная секция включает первую спиральную секцию, содержащую первое множество спиральных витков, причем каждый спиральный виток первого множества спиральных витков имеет спиралеобразный канал, за которым следует спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания для обеспечения смешивания множества жидких фаз, спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания изменяет направление потока множества жидких фаз при перетекании множества жидких фаз из спиралеобразного канала в спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания. Разделительная секция, примыкающая к смесительной секции и способная разделять множество жидких фаз на основе разности удельного веса указанных жидких фаз, включает вторую спиральную секцию, примыкающую к смесительной секции и выполненную с возможностью приема смеси множества жидких фаз из смесительной секции, причем вторая спиральная секция содержит второе множество спиральных витков для обеспечения разделения множества жидких фаз. Выпускная секция, выполненная в концевой части разделительной секции, содержит внешнюю выпускную часть и внутреннюю выпускную часть для облегчения раздельного отвода множества жидких фаз смеси. Кроме того, способ включает раздельный отвод из выпускной секции множества жидких фаз на основе удельного веса множества жидких фаз.
Краткое описание фигур
[007] Подробное описание описано со ссылкой на сопроводительные фигуры. На фигурах, крайняя(ие) левая(ые) цифра(ы) ссылочного номера обозначает фигуру на которой впервые появляется ссылочный номер. Одни и те же ссылочные номера в различных фигурах используются для ссылки на аналогичные признаки или модули.
[008] На фиг. 1А и 1В показан изометрический вид и вид сверху устройства для смешивания и разделения жидких фаз в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления.
[009] На фиг. 2 показана иллюстративная впускная секция устройства по фиг. 1А и 1В в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления.
[0010] На фиг. 3А показан пример смесительной секции устройства по фиг. 1А и 1В в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления.
[0011] На фиг. 3В показан пример впускного соединителя и/или первого соединителя устройства по фиг. 1А и 1В в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления.
[0012] На фиг. 4А-4В показан пример отводящих перегородок, реализованных в устройстве по фиг. 1А и 1В в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления.
[0013] На фиг. 5А показан пример разделительной секции устройства по фиг. 1А и 1В в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления.
[0014] На фиг. 5В показан второй соединительный элемент разделительной секции по фиг. 5А в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления.
[0015] На фиг. 6 показан пример выпускной секции с регулируемым разделителем по фиг. 1А и 1В в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления.
[0016] На фиг. 7 показано распределение фаз смеси множества жидких фаз в спиралеобразной секции с противоположным направлением закручивания устройства по фиг. 1А и 1В в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления.
[0017] На фиг. 8 показана схема последовательности операций согласно способу смешивания и разделения жидких фаз в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления.
[0018] На фиг. 9А-9В показаны контуры объемной доли множества жидких фаз в различных секциях устройства по фиг. 1А и 1В в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления.
Подробное описание
[0019] Теперь детальному обсуждению будут подвергнуты некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, иллюстрирующие все его отличительные особенности. Слова "содержащий", "имеющий", "состоящий из", "включающий" и другие их формы являются эквивалентными по значению и открытыми в том смысле, что элемент или элементы, следующие за любым из этих слов, не представляют собой исчерпывающий список такого элемента или элементов и не подразумевают ограниченность только самим этим элементов или элементами.
[0020] Следует также отметить, что в данном документе и в прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа, если в контексте ясно не указывается на иное, включают в себя также формы множественного числа. Хотя при практическом применении или испытании вариантов осуществления настоящего изобретения могут использоваться любое устройство и любые способы, аналогичные тем, которые описаны в настоящем документе, теперь будут описаны предпочтительные устройство и способы.
[0021] Варианты осуществления, приведенные в данном документе, а также различные признаки и их полезные свойства поясняются более полно со ссылкой на неограничивающие варианты осуществления, которые показаны на прилагаемых чертежах и подробно рассмотрены в дальнейшем описании. Приведенные в данном документе примеры предназначены только для того, чтобы облегчить понимание того, как можно применить на практике варианты осуществления, приведенные в данном документе, а также чтобы дать возможность специалистам в данной области техники применить на практике варианты осуществления, приведенные в настоящем документе. Соответственно, эти примеры не следует рассматривать как ограничивающие объем вариантов осуществления, приведенных в данном документе.
[0022] Как правило, для промышленного применения крупные объемы многофазных смесей по разным причинам должны обрабатываться путем смешивания, включая, без ограничения, экстракцию жидкость-жидкость, реакцию и так далее. Указанные многофазные смеси позже разделяются на потоки, которые выборочно обогащаются для достижения желаемого разделения. Как используется в настоящем документе, термин "фаза" относится к различным материалам или ингредиентам смеси, например, к тем материалам или ингредиентам смеси, которые различаются по плотности и/или размеру (например, в случае твердых частиц). Соответственно, термины "ингредиенты", "материалы" и "фазы" используются взаимозаменяемо во всем описании.
[0023] Смешивание и разделение указанных фаз, связанных со смесью, чрезвычайно важны в промышленных процессах. Как правило, смешивание и разделение ингредиентов или фаз из таких смесей, как твердое вещество-жидкость, газ-жидкость или жидкость-жидкость, рассматриваются как две разные операции и осуществляются различными общепринятыми методами. Получение смесей жидкость-жидкость - это востребованная производственная задача для выполнения типовых операций, таких как экстракция, реакции и так далее. Указанные операции требуют более высокой дисперсии жидких фаз для лучшего перемешивания, чтобы обеспечить лучший контакт между фазами.
[0024] Традиционно указанные операции проводят в сосудах для перемешивания, где два несмешивающихся потока жидкости приводят в контакт и механически перемешивают. Альтернативно, для выполнения операции смешивания могут использоваться поточные смесители и/или статические смесители. Эти поточные смесители представляют собой прямые каналы с внутренними насадочными элементами, которые разделяют поток жидкости на слои и смешивают их друг с другом до тех пор, пока не будет достигнут желаемый уровень смешивания. Другое альтернативное устройство включает насадочные слои с насадкой, где жидкости приводят в контакт либо в попутном потоке, либо в противотоке.
[0025] Как только желаемая степень смешивания достигнута (после того как система достаточно приблизится к условиям фазового равновесия), необходимо отделить два потока жидкости друг от друга. Обычно для операции разделения используются такие методы, как промышленная гравитационная и центробежная декантация. Декантация - это метод разделения потоков жидкости на основе их различий в плотности. Гравитационная декантация требует более продолжительной обработки, поэтому для ускорения используется промышленная центробежная декантация, однако эта операция (центробежная декантация) потребляет больше энергии.
[0026] Чтобы выполнить операцию разделения после операции смешивания, обрабатываемую жидкость нужно перекачать с помощью насосов, а это увеличивает общие затраты вследствие затрат на перекачивание. Другой тип традиционного устройства - центробежные экстракторы, которые работают по принципу центробежной силы. В таком устройстве центробежная сила создается благодаря движению высокоскоростной вращающейся камеры, которая продвигает тяжелую жидкость к внешней периферийной стенке. Во время этого процесса происходит смешивание фаз, но разгон до высоких скоростей требует более высоких эксплуатационных расходов, а также более частого технического обслуживания и замены механических частей. Кроме того, такие конструкции имеют более низкие контактные ступени. Помимо этого большинство традиционных устройств, которые могут обеспечивать как смешивание, так и разделение, включают в себя подвижные части, что приводит к более быстрому износу, высоким эксплуатационным расходам и затратам на техническое обслуживание.
[0027] Различные варианты осуществления, описанные в данном документе, раскрывают устройство для смешивания и разделения жидких фаз таким образом, чтобы преодолеть ограничения существующих способов и устройств, используемых для смешивания и разделения таких жидких фаз, как жидкость-газ, жидкость-жидкость и т.д. Под жидкими фазами в настоящем документе понимаются гетерогенные или гомогенные потоки, которые могут быть смешаны и разделены в соответствии с требованиями. Раскрытое в настоящем документе устройство представляет собой интегрированное устройство, которое объединяет смешивание и разделение множества фаз. Описанное устройство содержит компактную усиленную конструкцию или оборудование, которое может выполнять как смешивание, так и разделение без каких-либо движущихся частей. Устройство имеет модульную конструкцию, которая может располагаться в последовательной и/или параллельной конфигурации для улучшенного извлечения и более высокой чистоты конечного продукта (в зависимости от конкретных требований). Устройство не требует подключения внешнего насосного оборудования между спиральными секциями смешивания и разделения.
[0028] В одном варианте осуществления раскрытое в настоящем документе устройство включает смесительную секцию, за которой следует разделительная секция. Задача смесительной секции состоит в том, чтобы обеспечить тщательное перемешивание фаз, в то время как разделительная секция позволяет разделять фазы так, чтобы примеси, ранее находившиеся в одной фазе, могли быть отделены из нее при смешивании с другой фазой. Смесительная секция включает ряд спиральных витков таким образом, что каждый спиральный виток включает спиралеобразный канал, за которым следует спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания. Спиралеобразные каналы и спиралеобразные каналы с противоположным направлением закручивания могут включать встречные перегородки или насадки, чтобы обеспечить существенно улучшенное смешивание. Разделительная секция включает ряд спиральных витков, в которых для разделения фаз используется индуцированная центробежная сила, воздействующая на фазы. Разделенные фазы могут быть получены из выпускной части разделительной секции. В одном конструктивном исполнении указанная выпускная часть может включать регулируемый разделитель для эффективного разделения фаз.
[0029] Хотя аспекты описанного устройства и способа для смешивания и разделения могут быть реализованы в любом количестве различных систем, рабочих сред и/или конфигураций, варианты осуществления описаны в контексте следующих иллюстративных устройств.
[0030] На фиг. 1А и 1В показаны различные виды устройства 100 для смешивания и разделения жидких фаз в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления. В частности, на фиг. 1А показан изометрический вид устройства 100, а на фиг. 1В - вид сверху устройства 100.
[0031] Ссылаясь коллективно на фиг. 1А-1В, устройство 100 включает впускную секцию 102, смесительную секцию 110, разделительную секцию 150 и выпускную секцию 170.
[0032] Впускная секция 102 выполнена с возможностью раздельного ввода множества несмешивающихся жидких фаз с разным удельным весом в смесительную секцию 110. Впускная секция 102 включает внутреннюю впускную часть и внешнюю впускную часть для раздельного введения указанных жидких фаз. В одном варианте осуществления впускная секция 102 дополнительно включает впускной соединитель для соединения внутренней впускной части и внешней впускной части со смесительной секцией. Иллюстративная впускная секция 102 описана более подробно ниже со ссылкой на фиг. 2.
[0033] Ссылаясь на фиг. 2, впускная секция 102, как показано, включает внутреннюю впускную часть 104а и внешнюю впускную часть 104b. Внутренняя впускная часть 104а облегчает введение жидкой фазы с относительно более высоким удельным весом из числа множества жидких фаз во впускной секции. Внешняя впускная часть 104b облегчает введение жидкой фазы с относительно более низким удельным весом из числа множества жидких фаз во впускной части 102. В одном варианте осуществления впускная секция 102 может дополнительно включать впускной соединитель 106 для соединения внутренней впускной части 104а и внешней впускной части 104b со смесительной секцией 110.
[0034] Ссылаясь снова на фиг. 1А и 1В, смесительная секция 110 примыкает к впускной секции 102. Смесительная секция 110 выполнена с возможностью приема и смешивания множества жидких фаз на основе разности удельного веса и несмешиваемости, связанных со множеством жидких фаз. Смесительная секция 110 выполнена как первая спиральная секция, примыкающая к впускной секции 102. Первая спиральная секция содержит первое множество спиральных витков. Каждый спиральный виток первого множества спиральных витков включает спиралеобразный канал, за которым следует спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания для обеспечения смешивания множества жидких фаз. В каждом из спиральных витков спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания изменяет направление потока множества жидких фаз при перетекании множества жидких фаз из спиралеобразного канала в спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания. Пример исполнения смесительной секции описан более подробно далее со ссылкой на фиг. 3А.
[0035] Ссылаясь на фиг. 3А, показана смесительная секция 110. Как показано, смесительная секция 110 включает первое множество спиральных витков, таких как спиральные витки 112, 114. Каждый из спиральных витков 112, 114 включает спиралеобразный канал, за которым следует спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания. Например, спиральный виток 112 включает спиралеобразный канал 116, за которым следует спиралеобразный канал 118 с противоположным направлением закручивания. Аналогично, спиральный виток 114 включает спиралеобразный канал 120, за которым следует спиралеобразный канал 122 с противоположным направлением закручивания. Спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания изменяет направление потока множества жидких фаз (с направления по часовой стрелке на направление против часовой стрелки и наоборот) при перетекании множества жидких фаз из спиралеобразного канала в спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания. Раскрытые в настоящем документе варианты осуществления особенно полезны тем, что они описывают исполнение спиральных витков смесительной секции вышеупомянутым образом, т.е. спиральный виток с последующим спиральным витком с противоположным направлением закручивания, тем самым обеспечивая улучшенное смешивание жидких фаз.
[0036] Как показано на фиг. 3А, первое множество спиральных витков выполнено так, чтобы после одного полного витка спиралеобразного канала виток зеркально дублировался в противоположном направлении, т.е. в спиралеобразном канале с противоположным направлением закручивания. Следовательно, внешняя периферийная стенка на предшествующем (спиралеобразном) канале становится внутренней периферийной стенкой спиралеобразного канала с противоположным направлением закручивания. Например, спиралеобразный канал 116 включает внешнюю стенку 116а и внутреннюю стенку 116b, которые расположены напротив друг друга. Стенки или противоположные стороны 116а, 116b спиралеобразного канала 116 зеркально продублированы в противоположном направлении в спиралеобразном канале 118 с противоположным направлением закручивания. Например, противоположные стенки 116а, 116b спиралеобразного канала 116 повернуты относительно друг друга в противоположных направлениях и, таким образом, образуют стенки 118b, 118а, соответственно, спиралеобразного канала 118 с противоположным направлением закручивания.
[0037] В одном варианте осуществления смесительная секция имеет модульную конструкцию, т.е. смесительная секция может быть выполнена и/или разобрана путем сборки и/или разборки, соответственно, нескольких спиральных витков. Например, спиральные витки, такие как спиральные витки 112, 114 смесительной секции 110, могут быть собраны с образованием смесительной секции. Кроме того, каждый из спиралеобразных каналов и спиралеобразных каналов с противоположным направлением закручивания спиральных витков может быть собран и разобран для образования и разборки, соответственно, спирального витка. Например, спиралеобразный канал 116 и спиралеобразный канал 118 с противоположным направлением закручивания спирального витка 112 могут быть отсоединены друг от друга для разборки спирального витка 112. Аналогично, спиралеобразный канал 116 и спиралеобразный канал 118 с противоположным направлением закручивания спирального витка 112 могут быть присоединены друг к другу для образования спирального витка 112.
[0038] В одном варианте осуществления сборка и/или разборка спиральных витков и/или смесительной секции облегчается множеством первых соединительных элементов. Каждый соединительный элемент из множества первых соединительных элементов облегчает соединение компонентов смесительной секции 110. Например, первый соединительный элемент 132 облегчает соединение спиралеобразного канала 116 и спиралеобразного канала 118 с противоположным направлением закручивания. Аналогично, первый соединительный элемент 134 облегчает соединение спиралеобразного канала 120 и спиралеобразного канала 122 с противоположным направлением закручивания. Пример первого соединительного элемента показан со ссылкой на фиг. 3В.
[0039] Ссылаясь теперь на фиг. 3В, первый соединительный элемент 132 имеет полую S-образную конфигурацию, имеющую первую концевую часть 132а и вторую концевую часть 132b. Первая концевая часть 132а и вторая концевая часть 132b выполнены с возможностью размещения входящего спиралеобразного канала, а вторая концевая часть выполнена с возможностью размещения выходного спиралеобразного канала с противоположным направлением закручивания, тем самым соединяя спиралеобразный канал со спиралеобразным каналом с противоположным направлением закручивания и, таким образом, образуя спиральный виток.
[0040] В одном варианте осуществления смесительная секция 110 включает множество перегородок, размещенных в одном или нескольких спиралеобразных каналах и спиралеобразных каналах с противоположным направлением закручивания из первого множества спиральных витков для улучшенного смешивания множества жидких фаз. Дополнительно или альтернативно, смесительная секция 110 может включать насадочный материал, размещенный в первом множестве спиральных витков для улучшенного смешивания множества жидких фаз. Насадочный материал может иметь размерный диапазон (0,5-2 мм), состоять из субстратов органических полимеров и иметь округлую форму "микрошариков". Микрошарики имеют большую удельную площадь и тем самым улучшают смешивание жидкостей в спирали с противоположным направлением закручивания. Эти материалы являются гибкими.
[0041] Согласно приведенному варианту осуществления, насадочный материал и/или перегородки увеличивают площадь контакта между фазами. В одном варианте осуществления количество перегородок и/или расстояние между перегородками зависит от таких параметров, как плотность и вязкость контактирующих жидких фаз. Исполнение перегородок в спиральных витках и/или спиралеобразных витках с противоположным направлением закручивания описано более подробно далее со ссылкой на фиг. 4А и 4В.
[0042] Ссылаясь на фиг. 4А-4В, канал, например, спиралеобразный канал 116 смесительной секции 110 устройства 100, как показано, включает множество перегородок, размещенных в спиралеобразном канале. В настоящем документе во избежание загромождения описания показан только канал спирального витка. Однако следует понимать, что в альтернативных вариантах осуществления устройства 100 множество перегородок может быть размещено на меньшем или большем количестве каналов и/или каналов с противоположным направлением закручивания и/или спиральных витков. В иллюстративном варианте осуществления указанные перегородки и/или насадки могут быть размещены на внешней периферийной стенке 116а и внутренней периферийной стенке 116b спиралеобразного канала 116. Например, как показано, перегородки 142, 144 могут быть размещены на стенках 116а и 116b, соответственно, спирального витка 116 (см. фиг. 4А). Дополнительно или альтернативно, указанное множество перегородок 146, 148 размещено около середины спиралеобразного канала 118 с противоположным направлением закручивания (см. фиг. 4В). Согласно приведенному варианту осуществления, перегородки могут быть размещены вблизи середины спиралеобразного канала и/или спиралеобразного канала с противоположным направлением закручивания путем прикрепления указанных перегородок к верхней и нижней стенке указанного канала. Указанные перегородки способствуют интенсивному смешиванию жидких фаз.
[0043] После смешивания жидких фаз в смесительной секции 110 смесь жидких фаз пропускается через разделительную секцию 150. Разделительная секция 150 описана более подробно со ссылкой на фиг. 1А, 1В и 5А.
[0044] Ссылаясь коллективно на фиг. 1А, 1В и 5А, разделительная секция 150 примыкает к смесительной секции 110 и способна разделять множество жидких фаз на основе разности удельного веса указанных жидких фаз. Разделительная секция 150 выполнена с возможностью приема смеси множества жидких фаз из смесительной секции 110. Разделительная секция 150 включает вторую спиральную секцию, содержащую второе множество спиральных витков, таких как спиральные витки 152, 154, примыкающих к смесительной секции 110. Второе множество спиральных витков 152, 154 обеспечивает разделение жидких фаз. Разделительная секция 150 описана подробно далее со ссылкой на фиг. 5А. Разделение жидких фаз в разделительной секции 150 достигается благодаря индуцированному центробежному воздействию на жидкие фазы посредством изогнутой спиральной траектории. При прохождении смеси жидких фаз через разделительную секцию 150 более тяжелая жидкая фаза выделяется и движется к внешней периферийной стенке и, таким образом, отделяется на выходе.
[0045] В одном варианте осуществления каждый спиральный виток второго множества вторых витков соединяется с последующим спиральным витком посредством второго соединительного элемента. Например, ссылаясь на фиг. 5А, спиральный виток 152 соединен со спиральным витком 154 посредством второго соединительного элемента, такого как второй соединительный элемент 156. Вторые соединительные элементы позволяют собирать и/или разбирать второе множество спиральных витков разделительной секции. Соответственно, смесительная секция принимает модульную конфигурацию, тем самым обеспечивая портативность устройства 100. Кроме того, такая модульная конфигурация позволяет регулировать количество витков в устройстве в соответствии с требованиями и/или конкретным применением. Пример первого соединительного элемента показан на фиг. 5В.
[0046] Ссылаясь теперь на фиг. 5В, второй соединительный элемент 156 имеет полую дугообразную конфигурацию, имеющую первую концевую часть 158 и вторую концевую часть 160. Первая концевая часть 158 и вторая концевая часть 160 выполнены с возможностью размещения входящего спиралеобразного канала, а вторая концевая часть выполнена с возможностью размещения выходного спиралеобразного канала, тем самым соединяя спиралеобразный канал со спиралеобразным каналом с противоположным направлением закручивания и, таким образом, образуя спиральный виток.
[0047] Ссылаясь снова на фиг. 1А и 1В, устройство 100 включает выпускную секцию 170, выполненную в концевой части разделительной секции. Выпускная секция 170 включает внешнюю выпускную часть 172 и внутреннюю выпускную часть 174 для облегчения раздельного отвода множества жидких фаз смеси. Внутренняя выпускная часть 174 облегчает отвод жидкой фазы, связанной с более высоким удельным весом, из числа множества жидких фаз в выпускной секции 170. Внешняя выпускная часть 172 облегчает отвод жидкой фазы, связанной с более низким удельным весом, из числа множества жидких фаз. В одном варианте осуществления выпускная секция 170 включает выпускной соединитель, например выпускной соединитель 176, для соединения разделительной секции с внешней выпускной частью 172 и внутренней выпускной частью 174.
[0048] В одном варианте осуществления выпускная секция 170 включает разделитель, который выполнен подвижным и размещен около выпускного соединителя 176, и облегчает регулирование объема жидких фаз, который необходимо разделить для отвода. Разделитель показан и подробно описан со ссылкой на фиг. 6.
[0049] Ссылаясь теперь на фиг. 6, показана выпускная секция 170 устройства 100. Как показано, выпускная секция 170 содержит разделитель 180. Разделитель облегчает регулирование объема жидких фаз, которые необходимо разделить для отвода. В одном варианте осуществления положение разделителя 180 зависит от объемного расхода, вязкости и плотности фаз. В одном варианте осуществления положение разделителя внутри выпускной секции может регулироваться посредством винтового механизма. Например, как показано на фиг. 6, разделитель 170 может регулируемо перемещаться между внутренней выпускной частью и внешней выпускной частью путем задействования винтового механизма 182. Подразумевается, что винтовой механизм является известным винтовым механизмом, поэтому во избежание загромождения описания в настоящем документе он не рассматривается подробно. Также подразумевается, что положение разделителя 180 можно регулировать с помощью любого аналогичного механизма, известного в данной области техники, не ограничиваясь винтовым механизмом. Принцип работы устройства 100 объясняется ниже.
[0050] В устройстве 100 используется разность удельного веса между множеством несмешивающихся жидких фаз, чтобы обеспечить как смешивание, так и разделение жидких фаз. Процесс смешивания множества несмешивающихся жидкостей описан со ссылкой на фиг. 7. Ради краткости и во избежание загромождения описания на фиг. 7 показан спиральный виток первого множества спиральных витков без иллюстрации прочих компонентов смесительной секции, таких как соединители. Ссылаясь теперь на фиг. 7, более тяжелая жидкая фаза (из числа множества жидких фаз) вводится около внутренней стороны 116ba впускного канала 116, в то время как более легкая жидкая фаза вводится на внешней стороне 116а впускного канала 116 для смешивания. При прохождении потоков жидкости или жидких фаз через спиралеобразный канал 116 на потоки/фазы воздействует индуцированная центробежная сила вследствие изогнутости канала. При этом на тяжелую жидкую фазу воздействует более высокая сила (поскольку индуцированная центробежная сила прямо пропорциональна массе или плотности), и, таким образом, она стремится к внешней периферии спиралеобразного канала 116, пересекая более легкую жидкую фазу.
[0051] С помощью вышеупомянутой схемы устройство 100 способно обеспечить большее количество контактных ступеней между более тяжелой и более легкой жидкими фазами, что приводит к улучшенному микроперемешиванию указанных фаз, поскольку более тяжелая жидкая фаза достигает внешней периферии на предыдущем витке и попадает на внутреннюю периферийную стенку в спиралеобразном витке с противоположным направлением закручивания. Таким образом, более тяжелая жидкая фаза снова будет стремиться к внешней периферийной стенке на текущем витке. В одном варианте осуществления указанные пары спиралеобразных витков с противоположным направлением закручивания могут повторяться до тех пор, пока не будет достигнут достаточный уровень смешивания между фазами.
[0052] В одном варианте осуществления одна или несколько первых спиральных секций и вторых спиральных секций могут быть выполнены из таких материалов, как полидиметилсилоксан (PDMS), сшитый пенополиэтилен (РЕХ) и другие аналогичные материалы. На микроуровне в смешивании преобладает диффузия вследствие малых расстояний. В этом случае стенки первой спиральной секции и второй спиральной секции могут быть изготовлены из мягких материалов, чтобы улучшить смешивание вследствие нестабильности потока, возникающей в результате взаимодействия жидкости с мягкой стенкой. Таким образом, в сочетании с индуцированными центробежными силами эта нестабильность помогает улучшить смешивание. Примерный способ смешивания и разделения жидких фаз описан далее со ссылкой на фиг. 8.
[0053] На фиг. 8 показана схема последовательности операций согласно способу 800 смешивания и разделения жидких фаз в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления. На этапе 802 способ 800 включает введение в устройство для смешивания и разделения фаз смеси, содержащей множество жидких фаз, связанных с разным удельным весом. В настоящем документе устройство для смешивания и разделения фаз может представлять собой устройство 100, описанное со ссылкой на фиг. 1А-5В. Вышеупомянутое устройство 100 и его компоненты уже подробно описаны со ссылкой на фиг. 1А-7, поэтому во избежание загромождения описания его подробное описание исключено.
[0054] При введении смеси в устройство жидкие фазы смеси испытывают центробежную силу. Однако из-за разницы удельного веса жидких фаз смеси центробежная сила, воздействующая на различные фазы, тоже различается. Например, фазы с более высоким удельным весом испытывают более значительную центробежную силу, чем фазы с меньшей эффективной массой.
[0055] На этапе 804 способ 800 включает раздельный отвод из выпускной секции устройства множества жидких фаз из разделительной секции на основе удельного веса указанного множества жидких фаз. В одном варианте осуществления раздельный отвод одной или нескольких фаз может включать выведение фазы с более низким удельным весом из выпускной части, выполненной на внешней стенке одной или нескольких стенок второго множества спиральных витков. Дополнительно или альтернативно, фаза с определенным удельным весом может быть выведена из раздельной выпускной части, выполненной на внутренней стенке одной или нескольких стенок второго множества спиральных витков.
[0056] На фиг. 9А и 9В показаны контуры объемной доли, полученные для раскрытого устройства по фиг. 1А-8. Ссылаясь на фиг. 9А, в экспериментальной модели вода и хлороформ пропускались через впускную секцию устройства. Согласно приведенному варианту осуществления, хлороформ пропускали через внутреннюю впускную часть, а воду - через внешнюю впускную часть. При прохождении через спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания эти жидкости смешиваются. Указанные жидкости разделяются в разделительной секции устройства. Поскольку жидкости подвергаются воздействию центробежной силы, более тяжелая жидкость перемещается к стенке, а более легкая жидкость отдаляется от стенки.
[0057] Ссылаясь теперь на фиг. 9В, экспериментальные результаты получены при оборудовании перегородок в спиралеобразных каналах с противоположным направлением закручивания устройства. Указанные перегородки вызывали улучшенное смешивание путем разделения на элементы жидкости. Усиленное смешивание наблюдается в контуре объемных долей, показанном в спиралеобразном канале с противоположным направлением закручивания устройства на фиг. 9В.
[0058] Различные варианты осуществления раскрывают интегрированное устройство для смешивания и разделения фаз, не содержащее каких-либо движущихся частей. Раскрытое устройство имеет модульную конструкцию, которая может располагаться в последовательной и/или параллельной конфигурации для улучшенного извлечения и более высокой чистоты конечного продукта (в зависимости от конкретных требований). Устройство не требует установки внешнего насосного оборудования между спиральными секциями смешивания и разделения, что снижает эксплуатационные затраты. Устройство использует разность удельного веса между двумя несмешивающимися жидкостями, чтобы обеспечить как смешивание, так и разделение жидких фаз.
[0059] Кроме того, устройство облегчает раздельный отвод фаз смеси посредством разных выпускных частей, выполненных с разной шириной поперечного сечения второго множества спиральных витков. Например, в одном варианте осуществления устройство включает разделитель, перемещаемый вдоль поперечного сечения спиральных витков разделительной секции и тем самым отделяющий потоки внешней и внутренней выпускных частей друг от друга. Следует отметить, что в зависимости от конкретного применения смесь может содержать более двух фаз, и устройство может быть выполнено с возможностью облегчения раздельного отвода указанных фаз посредством разных выпускных частей, выполненных с разной шириной поперечного сечения витков. Различные значения ширины могут быть определены на основе удельного веса фаз смеси. Также следует понимать, что количество выведенных фаз может быть различным (и не обязательно равным).
[0060] Приведенное выше описание конкретных вариантов осуществления настолько полно раскрывает общий предмет изобретения, что с применением современных знаний другие могут, легко модифицировать и/или адаптировать для различных применений эти конкретные варианты без отхода от общей сущности и, таким образом, такие приспособления и модификации должны быть предназначены для понимания в рамках смысла и диапазона эквивалентов раскрытых вариантов осуществления. Должно быть понятно, что фразеология или терминология, используемая в настоящем документе, используется с целью описания, а не ограничения. Следовательно, несмотря на то, что приведенные в данном документе варианты осуществления описаны через призму предпочтительных вариантов осуществления, для специалиста в данной области будет очевидно, что приведенные в настоящем документе варианты осуществления можно применять с вариациями без отступления от идеи и объема вариантов осуществления, описанных в настоящем документе.
[0061] Предшествующее описание было представлено со ссылкой на различные варианты осуществления. Среднему специалисту в данной области, к которой принадлежит настоящее изобретение, должно быть понятно, что изменения и модификации в описанных устройствах и способах могут быть применены на практике без значительного отклонения от сущности, идеи и объема настоящего изобретения.
1. Устройство для смешивания и разделения жидких фаз, содержащее:
впускную секцию, содержащую внутреннюю впускную часть и внешнюю впускную часть для раздельного введения в смесительную секцию множества жидких фаз с разным удельным весом;
смесительную секцию, примыкающую к впускной секции, для смешивания множества жидких фаз на основе разности удельного веса и несмешиваемости, связанной с множеством жидких фаз, причем смесительная секция содержит первую спиральную секцию, содержащую первое множество спиральных витков, причем каждый спиральный виток первого множества спиральных витков имеет спиралеобразный канал, за которым следует спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания для обеспечения смешивания множества жидких фаз, при этом спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания изменяет направление потока множества жидких фаз при перетекании множества жидких фаз из спиралеобразного канала в спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания.
разделительную секцию, примыкающую к смесительной секции, и которая способна разделять множество жидких фаз на основе разности удельного веса между указанными жидкими фазами, причем разделительная секция содержит вторую спиральную секцию, примыкающую к смесительной секции и выполненную с возможностью приема смеси множества жидких фаз из смесительной секции, причем вторая спиральная секция содержит второе множество спиральных витков для обеспечения разделения множества жидких фаз; и
выпускную секцию, выполненную в концевой части разделительной секции, причем выпускная секция содержит внешнюю выпускную часть и внутреннюю выпускную часть для облегчения раздельного отвода множества жидких фаз смеси.
2. Устройство по п. 1, в котором внутренняя стенка спиралеобразного канала примыкает с образованием внешней стенки спиралеобразного канала с противоположным направлением закручивания, и внешняя стенка спиралеобразного канала примыкает с образованием внутренней стенки спиралеобразного канала с противоположным направлением закручивания.
3. Устройство по п. 1, в котором смесительная секция содержит множество перегородок, размещенных в одном или нескольких спиралеобразных каналах и спиралеобразных каналах с противоположным направлением закручивания первого множества спиральных витков для улучшенного смешивания множества жидких фаз.
4. Устройство по п. 1, в котором смесительная секция состоит из множества перегородок, размещенных в середине одного или нескольких спиралеобразных каналов и спиралеобразных каналов с противоположным направлением закручивания.
5. Устройство по п. 1, в котором внутренняя впускная часть облегчает введение жидкой фазы, связанной с более высоким удельным весом, из числа множества жидких фаз во впускной секции, и внешняя впускная часть облегчает введение жидкой фазы, связанной с меньшим удельным весом, из числа множества жидких фаз во впускной секции.
6. Устройство по п. 1, в котором впускная секция дополнительно содержит впускной соединитель для соединения внутренней впускной части и внешней впускной части со смесительной секцией.
7. Устройство по п. 1, в котором каждый спиралеобразный канал соединен с соответствующим спиралеобразным каналом с противоположным направлением закручивания посредством первого соединительного элемента.
8. Устройство по п. 1, в котором каждый спиральный виток второго множества вторых витков соединен с последующим спиральным витком посредством второго соединительного элемента.
9. Устройство по п. 1, в котором выпускная секция дополнительно содержит выпускной соединитель для соединения разделительной секции с внешней выходной частью и внутренней выходной частью.
10. Устройство по п. 1, в котором внутренняя выпускная часть облегчает отвод жидкой фазы, связанной с более высоким удельным весом, из числа множества жидких фаз, и внешняя выпускная часть облегчает отвод жидкой фазы, связанной с меньшим удельным весом, из числа множества жидких фаз.
11. Способ смешивания и разделения жидких фаз, содержащий:
введение в устройство для смешивания и разделения жидких фаз смеси, содержащей множество жидких фаз с разным удельным весом, причем устройство содержит:
впускную секцию, содержащую внутреннюю впускную часть и внешнюю впускную часть для раздельного введения в смесительную секцию множества жидких фаз с разным удельным весом,
смесительную секцию, примыкающую к впускной секции, для смешивания множества жидких фаз на основе разности удельного веса и несмешиваемости, связанной с множеством жидких фаз, причем смесительная секция содержит первую спиральную секцию, содержащую первое множество спиральных витков, причем каждый спиральный виток первого множества спиральных витков имеет спиралеобразный канал, за которым следует спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания для обеспечения смешивания множества жидких фаз, при этом спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания изменяет направление потока множества жидких фаз при перетекании множества жидких фаз из спиралеобразного канала в спиралеобразный канал с противоположным направлением закручивания,
разделительную секцию, примыкающую к смесительной секции, и которая способна разделять множество жидких фаз на основе разности удельного веса между указанными жидкими фазами, причем разделительная секция содержит вторую спиральную секцию, примыкающую к смесительной секции и выполненную с возможностью приема смеси множества жидких фаз из смесительной секции, причем вторая спиральная секция содержит второе множество спиральных витков для обеспечения разделения множества жидких фаз, и
выпускную секцию, выполненную в концевой части разделительной секции, причем выпускная секция содержит внешнюю выпускную часть и внутреннюю выпускную часть для облегчения раздельного отвода множества жидких фаз смеси; и
раздельный отвод из выпускной секции множества жидких фаз на основе удельного веса множества жидких фаз.
12. Способ по п. 11, в котором введение множества жидких фаз включает введение жидкой фазы, связанной с относительно более высоким удельным весом, из числа множества жидких фаз во внутренней впускной части, и введение жидкой фазы, связанной с относительно более низкой удельной массой, из числа множества жидких фаз во внешней впускной части.
13. Способ по п. 11, в котором раздельный отвод множества жидких фаз включает отвод жидкой фазы, связанной с относительно более низким удельным весом, из внешней выпускной части выпускной секции.
14. Способ по п. 11, в котором раздельный отвод множества жидких фаз включает отвод жидкой фазы, связанной с относительно более высоким удельным весом, из внутренней выпускной части выпускной секции.
