Устройство для смешивания по меньшей мере двух текучих сред - RU2288028C2
Код документа: RU2288028C2
Чертежи
Описание
Перекрестная ссылка на родственную заявку
По данной заявке испрашивается приоритет от 17 мая 2001 года по дате подачи предварительной заявки США №60/291769.
Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к смесительным и реакционным аппаратам. В частности, изобретение относится к аппаратам для перемешивания одной или нескольких текучих сред и проведению реакций с их участием. Изобретение может найти применение в условиях как однофазных, так и многофазных сред.
Уровень техники
Ведению многих процессов с участием текучих сред благоприятствует эффективное перемешивание. Почти во всех обычных смесительных аппаратах, таких как мешалки, купажеры, турбинные мешалки, статические смесители и смесители с соударением струй, распределение и перемешивание текучих сред происходит при их непосредственном контакте. Этот подход может вызвать возникновение различного рода неоднородностей в теле смеси текучих сред. Такие неоднородности могут вредно влиять на процесс перемешивания и/или на реакции, протекающие в текучем теле. Например, при использовании обычных перемешивающих аппаратов в теле смеси текучих сред могут возникать обширные зоны неоднородности концентраций и температуры.
Кроме того, действие обычных смесительных аппаратов, как правило, основано на создании обширной турбулентности в смеси текучих сред. Турбулентность же, в свою очередь, может приводить к образованию в текучем теле вихрей, которые во многих случаях могут иметь размер самого химического реактора. Наличие в текучем теле вихрей может препятствовать нормальному перемешиванию текучей среды, а также может нарушать течение реакций, происходящих в текучей среде.
В данной области техники использованию фрактальных перемешивающих конструкций в качестве средства обработки текучих сред уделялось мало внимания. Патент США №5938333 представляет собой один из немногих примеров исследовательской работы в этой области. В патенте США №5938333 раскрыто устройство для заполнения пространства, которое может использоваться для низкотурбулентного перемешивания текучих сред в замкнутом объеме. Это устройство может осуществлять перемешивание в объеме с очень низкой турбулентностью и высоким уровнем однородности. Поскольку устройство по патенту США №5938333 представляет собой устройство для перемешивания с заполнением пространства, оно не всегда соответствует условиям конкретных технологических процессов.
Еще одним недавно выданным патентом, описывающим использование фрактальных конструкций для распределения или сбора текучих сред, является патент США №5354460, в котором раскрыта фрактальная система распределения текучей среды. Заявка PCT/US99/06245 относится к фрактальному устройству для транспортировки текучих сред. Ни в одном из этих источников не раскрывается использование разграниченных фрактальных конструкций для одновременного и независимого распределения и перемежения разделенных текучих сред для их смешивания или проведения реакции.
Краткое изложение сущности изобретения
В настоящем изобретении предложены способ и устройство для смешивания текучих сред или проведения реакции между ними, в которых одну или несколько смешиваемых текучих сред распределяют и перемежают другой текучей средой до входа в контакт с другой смешиваемой текучей средой. Основным в этом способе является использование устройства, включающего в себя независимые разграниченные фрактальные конструкции для транспортирования текучих сред. Это новое устройство устраняет крупномасштабное вихревое движение текучих сред благодаря тому, в нем весь поток текучих сред распределяется через независимые фрактальные конструкции, прежде чем эти текучие среды начнут перемешиваться и/или вступят в реакцию. Кроме того, настоящее изобретение не предусматривает смешивание текучих сред в объеме и, таким образом, создает ряд новых вариантов применения смешивания с применением фрактальных конструкций в промышленности. Это новое устройство распределяет и перемешивает текучую среду таким образом, который подходит для потоков, выходящих через поверхность или пересекающих такую поверхность (вместо объема), и не имеет фрактальную конфигурацию для заполнения пространства. Авторами открыт ряд полезных вариантов применения этого нового подхода. Важным примером такого применения является использование данного устройства путем его крепления к сквозному трубопроводу. Это делает возможным простое, но эффективное смешивание текучих сред по направлению движения потока в трубопроводе. Использование предложенного устройства таким образом выгодно потому, что оно легко интегрируется в существующую технологию производства. Другим полезным вариантом промышленного применения является крепление предложенного устройства на стенке резервуара таким образом, чтобы равномерно смешивать текучие среды непосредственно перед их поступлением в резервуар. Еще одним полезным вариантом применения является формирование фронта однородной газовой смеси для ее последующего сжигания.
Настоящее изобретение особенно подходит для обеспечения быстрого и равномерного смешивания текучих сред, с проведением реакции между смешиваемыми текучими средами или без таковой. Изобретение также может обеспечивать одновременно управляемое смешивание и теплоперенос, например для регулирования температуры в ходе реакции. Предполагаемые случаи использования изобретения включают в себя следующие:
1. Быстрое смешивание двух или более текучих сред.
2. Смешивание двух или более текучих сред с регулированием температуры.
3. Смешивание двух или более текучих сред и проведение реакции между ними.
4. Смешивание двух или более текучих сред и проведение реакции между ними с регулированием температуры.
5. Смешивание двух или более текучих сред с возможностью последующего проведения гомогенной реакции между ними вне устройства.
Кроме того, оборудование, в котором изобретение может найти применение, включает себя следующие аппараты:
1. Смесители для нескольких жидких сред.
2. Смесители для нескольких газовых сред
3. Смесители для жидких и газовых сред.
4. Реакторы для нескольких жидких сред.
5. Реакторы для жидких и газовых сред.
6. Реакторы для нескольких газовых сред.
7. Аэраторы.
8. Карбонизаторы.
9. Аппараты для смешивания текучих сред перед сжиганием.
При помощи настоящего изобретения можно быстро и равномерно смешивать две или более текучие среды без использования оборудования для механического перемешивания. При этом не используются механические перемешивающие устройства, вызывающие турбулентность, такие как турбинные мешалки, купажеры, смесители с соударением струй и т.д. Поэтому изобретение позволяет избежать возникновения обширных зон неоднородностей при смешивании. Масштабные завихрения при смешивании могут привести к снижению выхода продуктов химических реакций. Данное устройство исключает образование крупных вихрей в процессе перемешивания. Отказавшись от механического перемешивания, можно также снизить энергопотребление. Обычные процессы перемешивания, как правило, сопровождаются потерями энергии, так как крупномасштабная турбулентность, вносимая в перемешиваемые среды, в конечном итоге должна рассеиваться в виде теплоты. Предложенное устройство не создает крупномасштабной турбулентности или вихрей, и такое крупномасштабное движение среды не рассеивается в виде потерянной энергии.
Используя изобретение, можно рационально регулировать распределение свойств текучей среды. Например, при смешивании газа и жидкости можно регулировать распределение подаваемого газа по размеру пузырьков, причем в то же время осуществляется и распределение жидкости, поэтому характеристики массопереноса регулируются в большей степени. К другим характеристикам, распределением которых можно управлять посредством данного устройства, относятся скорость течения текучей среды, температура, концентрация и размер вихрей.
Поскольку распределение текучей среды по определенным свойствам можно регулировать в большей степени по сравнению с обычными смесительными и/или реакционными аппаратами, используемое оборудование может быть меньшим в размерах и более эффективным. При желании смешивание может производиться быстро и равномерно, и в то же время - с весьма бережным обращением со смешиваемыми текучими средами. Изобретение в различных вариантах его выполнения может использоваться в качестве компонентов обычного технологического оборудования. Например, в качестве высокоскоростного смесителя в обычном трубопроводе или в качестве смесителя нескольких текучих сред на входе в бак или иной резервуар.
В отличие почти от всех реакционных аппаратов для работы с текучими средами, все смешиваемые и вводимые в реакцию компоненты могут распределяться и перемежаться между собой до входа в контакт друг с другом. В результате повышается скорость и гомогенность реакции. При этом можно избежать побочных реакций, вызываемых крупномасштабными неоднородностями. Кроме того, при этом легко регулируется температура при смешивании и температура реакции. От больших смесительных и реакционных резервуаров можно полностью отказаться, так как в данном устройстве можно совместно распределять и перемежать все смешиваемые и/или участвующие в реакции текучие среды.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен вид в разрезе предложенного устройства с разграниченными фрактальными конструкциями.
На фиг.2 представлен вид в плане двух фрактальных распределителей, показанных в смещенном относительно друг друга положении.
На фиг.3 представлено объемное изображение двух показанных на фиг.2 фрактальных распределителей в сочетании с коллектором.
На фиг.4 представлен вид сверху фрактального устройства в сочетании с трубопроводом.
На фиг.5 представлено объемное изображение фрактального устройства, показанного на фиг.4.
На фиг.6 представлен вид в разрезе фрактального устройства в другом варианте выполнения.
На фиг.7 представлен вид в разрезе фрактального устройства в еще одном варианте выполнения.
На фиг.8 представлено объемное изображение фрактального устройства в еще одном варианте выполнения, в котором это устройство не заключено в герметизирующую оболочку.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 представлен вариант выполнения фрактального устройства, в котором устройство помимо особенности данного изобретения - разграниченного расположения фрактальных конструкций (со смещением относительно друг друга) - также содержит соединительные каналы и контактные каналы, фрактальный коллектор и теплообменный корпус. В этом варианте устройство может использоваться в качестве компонента технологического оборудования (смесительного и/или реакционного) для установки в трубопроводах. Впускные каналы 1 и 2 служат для подачи отдельных текучих сред, которые должны смешиваться. В случае смешивания более чем двух текучих сред могут быть предусмотрены дополнительные впускные каналы. Через впускной канал 1 поток поступает во фрактальный распределитель (фрактальную конструкцию) 7, а через впускной канал 2 поток поступает во фрактальный распределитель 6, смещенный относительно распределителя 7. При прохождении текучих сред через эти смещенные относительно друг друга фрактальные конструкции происходит распределение потоков этих текучих сред.
После распределения текучих сред в независимых фрактальных конструкциях два исходных потока входят в контакт друг с другом в соединительных каналах 8 и движутся в смешанном состоянии по каналам 9. В каналах 9, далее называемых "контактными каналами", смешанные текучие среды окончательно вводятся в контакт друг с другом. Потоки в контактных каналах 9 собираются в единый поток посредством фрактального коллектора 10 и выпускного канала 3. Корпус 11 используется при необходимости регулирования температуры для смешивания или ведения реакции или если требуется внешняя оболочка для фланцевого или иного вида крепления. В случае регулирования температуры из канала 4 во внутренний объем смесителя подводится теплообменная текучая среда (теплоноситель или хладагент) для теплообмена с внутренними каналами и выводится по каналу 5. В случае использования корпуса в качестве силовой конструкции для крепления корпус 11 может быть выполнен из твердого материала, окружая внутренние каналы. Например, корпус 11 может использоваться как монтажный пояс для крепления к фланцу трубопровода.
Фиг.2 иллюстрирует разграниченное расположение фрактальных распределителей 6 и 7 со смещением относительно друг друга. Фрактальные распределители не пересекаются, поскольку они разнесены в разные плоскости, как показано на фиг.3. Следует отметить, что текучие среды, текущие через фрактальные конструкции 6 и 7, независимы друг от друга и не могут контактировать друг с другом, пока они не выйдут из фрактальных конструкций 6 и 7. Если смешиваются более чем две текучие среды, могут использоваться дополнительные фрактальные конструкции, отграниченные от остальных конструкций.
В случае смешивания более двух текучих сред или проведения реакции с их участием в этих устройствах все эти текучие среды могут смешиваться одновременно или постепенно. Это легко достигается размещением соединительных каналов в разных положениях по длине устройства. Примером такого использования может быть случай, когда две текучие среды нужно сначала смешать или ввести в реакцию друг с другом до подмешивания или ввода в реакцию третьей текучей среды. Эта третья текучая среда может подмешиваться на подходящем расстоянии ниже по потоку от места слияния первых двух текучих сред.
Для наглядности каждый впускной канал показан разветвляющимся на 64 канала меньшего размера. Однако основной характеристикой устройства является именно то, что фрактальные каналы можно раздваивать постепенно на уменьшающиеся в размере и увеличивающиеся в числе ветви до тех пор, пока не будут достигнуты технологические ограничения по возможности изготовления таких конструкций. Установлено, что увеличение числа таких раздвоений обеспечивает постепенное улучшение равномерности перемешивания и реакции. Поскольку каждая независимая фрактальная распределительная конструкция 6 и 7 на этих фигурах разветвлена на 64 канала, перед слиянием текучих сред имеется в общей сложности 128 распределительных канала, которые сливаются с образованием 64 контактных каналов 9. На фиг.3 показано приблизительное положение фрактального коллектора 10.
Поскольку данное изобретение предусматривает использование в разграниченных (смещенных относительно друг друга) конструкциях фрактальных структур, специалистам должно быть понятно, что это обеспечивает свойственную фракталам геометрическую вариабельность, что повышает практическую ценность изобретения. Одна причина, по которой может быть желательным выполнение фрактальных конструкций с переменной геометрией, заключается в том, что на геометрию устройства могут накладываться ограничения по геометрии корпуса, в котором оно размещено, или по геометрии приемного устройства, в которое оно выходит. Другая причина использования переменной геометрии заключается в предоставлении специалисту возможности управлять гидравлическими характеристиками, такими как перепад давления.
Фрактальные конструкции строятся с использованием исходной, или родительской, структуры, наращиваемой присоединением самоподобных структур во все уменьшающемся масштабе. В представленном на чертежах варианте изобретения исходная структура выполнена в форме "Н", и в результате при присоединении структур меньшего масштаба к каждому "Н" прибавляются четыре новые дочерние структуры. В данной области техники известно, что фрактальные конструкции могут строиться с использованием вариаций в геометрии исходной структуры, числе ветвей, угле ветвления и степени симметрии исходной структуры. Лишь в качестве примера, исходная структура может иметь форму симметричной "Y", одна ветвь которой длиннее, чем две другие.
Другой подход к варьированию геометрией устройства заключается в изменении дочерних структур. При этом геометрия дочерних структур может не быть идентичной геометрии исходной структуры, уменьшенной в масштабе. Этот тип изменения может включать в себя геометрию или симметрию дочерних структур при каждой итерации, например, путем использования переменных коэффициентов масштабирования для определения размеров дочерних структур и диаметров каналов.
Следует отметить, что число поколений дочерних структур (число фрактальных итераций) можно изменять по желанию для получения желательного уровня распределения потоков перед смешиванием/реакцией или для удовлетворения практическим требованиям, таким как предотвращение закупоривания устройства.
Разграниченные фрактальные конструкции могут быть неодинаковыми. В качестве примера, когда для смешивания трех материалов или проведения реакции между ними используются разграниченные фрактальные конструкции, две из них могут иметь одинаковую геометрию, а третья - нет, либо все три могут иметь разную геометрию. Причина этого состоит в том, что обрабатываемые материалы могут иметь различные характеристики, что привело бы специалиста к мысли об использовании различных геометрий. Например, расход текучей среды через одну фрактальную конструкцию может быть очень высок по сравнению с другой фрактальной конструкцией, вследствие чего наилучшим способом контроля перепада давления в этом случае является использование каналов с разными площадями поперечного сечения или разным числом фрактальных итераций в каждой отдельной фрактальной конструкции.
На фиг.4 представлен вид сверху, на фиг.5 - вид в изометрии варианта выполнения изобретения, встраиваемого в трубопровод. Хотя этот вариант полезен в случае, когда текучая среда, получаемая в результате перемешивания или реакции, должна снова собираться в единый поток, данное устройство можно с успехом использовать и без коллектора. Это может быть эффективным, например, при смешивании воздуха и газа для сжигания или подачи полученной смеси через боковую стенку бака или другого резервуара. На фиг.6 представлен вариант выполнения изобретения без средств сбора смеси или продуктов реакции. В этом случае текучие среды из впускных каналов 1 и 2 делятся и распределяются таким же образом, как указано выше, но распределенные потоки не собираются в единый поток, т.е. из устройства удалены выпускной канал 3 и фрактальный коллектор 10. В этом варианте выполнения изобретения из устройства независимо друг от друга выходит через выпускные отверстия 12 большое число контактных каналов 9. Поскольку в остальном устройство имеет конструкцию, описанную выше, в данном примере число таких выпускных отверстий равно 64.
Также можно исключить соединительные каналы 8 и смесительные каналы 9, чтобы распределенные и перемежающиеся между собой потоки выходили из устройства до вхождения в контакт друг с другом. На фиг.7 показана эта минимальная конфигурация для реализации изобретения, в которой устройство состоит из впускных каналов 1 и 2 и разграниченных фрактальных конструкций 6 и 7, установленных со смещением относительно друг друга. Фрактальная конструкция 7 заканчивается выпускными каналами 13, а фрактальная конструкция 6 - выпускными каналами 14.
Для двух последних вариантов выполнения изобретения корпус 11 также является необязательным элементом, но может быть полезен для организации теплообмена, а также монтажа или фланцевого крепления устройства на резервуаре.
Следует отметить, что область, в которую текучая среда выходит из фрактальных конструкций, не обязательно является плоскостью. Фрактальные конструкции могут выходить на криволинейную или нерегулярную (неровную) поверхность. Это может быть удобным, например, если приемный резервуар имеет криволинейную или сложную (неправильную) форму. В таком случае может быть полезным обеспечение сопряжения криволинейной поверхности резервуара и комплементарной ей кривой на поверхности выхода текучей среды из смесительного устройства.
На фигурах чертежей смещенные относительно друг друга фрактальные конструкции показаны разветвляющимися перпендикулярно направлению потока в крупном впускном канале и выпускных каналах. Фрактальные конструкции могут разветвляться под любым углом: в направлении от перпендикулярного до почти параллельного этим направлениям потока. Формирование фрактальных конструкций с разветвлением в направлении, не перпендикулярном входящему потоку текучей среды, может иметь как преимущества, так и недостатки. Одно преимущество использования разветвления фрактальных конструкций в направлении, более близком к направлению потока, заключается в возможности работы устройства с меньшим падением давления, поскольку кинетическая энергия потока не будет теряться при столь резком изменении направления потока, как это имеет место при раздвоении каналов. Недостатком же может быть то, что устройство удлинится в направлении потока и, возможно, станет менее компактным. Поэтому пользователь должен сам решать, какие преимущества для него являются наиболее важными, и исходя их этих соображений выбирать подходящие углы разветвления.
В данном изобретении используется две или более разграниченные фрактальные конструкции, которые независимо друг от друга распределяют текучие среды в виде более мелких потоков, прежде чем те войдут в контакт друг с другом. Способ осуществления такого раздельного распределения может отличаться от иллюстрируемого на фигурах. Например, отдельные фрактальные конструкции могут содержаться одна в другой. Меньший канал, транспортирующий одну текучую среду, может быть размещен внутри второго, большего, канала. Таким образом, вторая текучая среда может перемещаться между внутренней поверхностью большего канала и наружной поверхностью меньшего расположенного внутри канала. Эти два канала могут постепенно разветвляться (раздваиваться), все уменьшаясь в масштабе, пока не будет достигнут желательный размер выпускных каналов. Как и в других вариантах, распределенные потоки могут сливаться, в данном случае - просто завершением внутренних каналов таким образом, чтобы внутренний поток входил в контакт с внешним потоком. При необходимости, эти слившиеся потоки также могут собираться и далее сливаться в единый поток, как это было описано выше. Следует отметить, что понятие "разграниченные фрактальные конструкции" означает также схемы устройства, в которых меньший канал расположен внутри большего канала, так как использование этого частного подхода позволяет должным образом вести потоки текучей среды отдельно друг от друга.
Данный способ разграничения фрактальных каналов по схеме "один в другом" можно распространить на любое количество отдельных текучих сред, добавляя отдельный внутренний канал для каждой текучей среды.
Следует отметить, что в случае работы при колебаниях разности давлений между независимыми потоками или в случае, когда конкретный поток временно выключается, может быть полезным иметь в каналах обратные клапаны во избежание обратного течения одной текучей среды через распределительную фрактальную конструкцию другой текучей среды.
Изобретение может найти применение для решения всего спектра задач обработки текучих сред, начиная от применений очень малого масштаба и заканчивая крупномасштабным применением в промышленности. Причина этого заключается в том, что используемые в данном изобретении фрактальные конструкции обеспечивают возможность плавного изменения масштаба устройства при изменении масштаба применения. Столь широкая область применения является одним из преимуществ, изначально присущих данному типу конструкции смесителей.
Поскольку данное устройство используется для смешивания текучих сред и/или для проведения реакций между ними, получаемые продукты могут использоваться по желанию в установленном дальше технологическом оборудовании.
Следует отметить, что для осуществления изобретения не требуется применение какой-либо особой технологии производства. Автоматизированная механическая обработка, стереолитография, фотохимическое травление, лазерная резка, литье, микротехническая механическая обработка, нанотехнология, способы ионного напыления и образования каналов - это лишь несколько технологий, подходящих для изготовления таких устройств.
Кроме того, созданные в будущем технологии производства, которые могут расширить арсенал средств для получения конструкций малого размера, также могут оказаться полезными для изготовления этих устройств.
Реферат
Изобретение относится к перемещению одной или нескольких текучих сред и проведению реакций с их участием и может использоваться во многих отраслях промышленности. Устройство содержит фрактальные конструкции, каждая из которых имеет впускной канал, разветвляющийся на несколько выпускных каналов. Конструкции смещены друг относительно друга. Выпускные каналы отдельных конструкций перемежаются между собой и проходят через поверхность. Технический результат состоит в быстром и равномерном перемешивании без использования механических мешалок. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.
