Способ и система для сбора, осаждения и отделения химических соединений в потоках текучей среды - RU2705072C2
Код документа: RU2705072C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и системе для сбора, осаждения и отделения химических соединений в потоках текучей среды, которые обеспечивают отделение химических соединений их потоков текучей среды в результате конденсирования на твердой большой поверхности и в результате отделения и накопления химических соединений.
Уровень техники
Известны различные типы систем сепараторов, в особенности устройств для контакта жидкости с газом, которые в основном предназначены для использования в системах очистки (промывки) газа на основание эффекта соударения между загрязнителями и каплями жидкости.
Однако данные известные системы ограничиваются использованием только в конкретных ситуациях специфических типов отделяемых и накапливаемых химических соединений и не являются оптимизированными для широкого спектра вариантов использования при различающихся и изменяющихся ситуациях и поверхностях.
Раскрытие изобретения
Поэтому основная цель настоящего изобретения заключается в предложении способа и системы для осаждения и отделения соединений, присутствующих в потоке текучей среды, проходящем через систему конденсирования и отделения, способных разрешить описанные выше проблемы.
Основная идея настоящего изобретения заключается в создании системы и способа для конденсирования соединений, присутствующих в потоке текучей среды, и для отделения конденсированного материала от поверхности конденсирования на основании изменения скорости течения для потока текучей среды.
Одной конкретной целью настоящего изобретения является способ сбора, осаждения и отделения химических соединений в потоке текучей среды, характеризующийся тем, что он включает следующие далее стадии:
- обеспечения в замкнутом объеме стопки слоев с несколькими проемами окон, обеспечивающих сквозное прохождение потока текучей среды, при этом соседние слои образуют угол 0≤α<90°, причем угол является переменным и регулируемым, при этом переменным и регулируемым является и расстояние между соседними слоями, таким образом, чтобы регулировать скорость течения потока текучей среды;
- обеспечения в упомянутом замкнутом объеме распределяющих отверстий в промежутке между указанными слоями, выполненных с возможностью распыления жидкого химического раствора внутри замкнутого объема и создания тонкой пленки жидкого химического раствора на поверхностях указанных слоев и боковых стенках замкнутого объема;
- формирования капель химического раствора выше по ходу технологического потока по отношению к упомянутой стопке для их перемешивания в упомянутом потоке текучей среды;
- сбора частиц химических соединений в результате соударения с указанными каплями и в результате диффундирования на тонкой пленке, при этом упомянутые частицы перетекают в обратном направлении по отношению к химическому раствору.
Одна дополнительная цель настоящего изобретения заключается в системе, приспособленной для сбора, осаждения и отделения химических соединений в потоке текучей среды, а также приспособленной для размещения в замкнутом объеме, характеризующейся тем, что она содержит:
- стопку слоев с несколькими проемами окон, обеспечивающих сквозное прохождение потока текучей среды, при этом соседние слои образуют угол 0≤α<90°, причем угол является переменным и регулируемым, при этом переменным и регулируемым является и расстояние между соседними слоями, таким образом, чтобы регулировать скорость течения потока текучей среды внутри системы;
- несколько распределяющих отверстий в промежутке между указанными слоями, выполненных с возможностью распыления жидкого химического раствора внутри замкнутого объема, в целях создания тонкой пленки жидкого химического раствора на поверхностях указанных слоев и боковых стенках замкнутого объема;
- систему формирования капель химического раствора выше по ходу технологического потока по отношению к упомянутой стопке для перемешивания в упомянутом потоке текучей среды;
- частицы химических соединений, собираемые в результате соударения с каплями и в результате диффундирования на тонкой пленке и перетекающие в обратном направлении по отношению к химическому раствору.
Данные и дополнительные цели достигаются при использовании способа и системы, предназначенных для конденсирования соединений, присутствующих в потоке текучей среды, и для отделения конденсированного материала от поверхности конденсирования, на основании изменения скорости течения для потока текучей среды в соответствии с описанием в прилагаемой формуле изобретения, что составляет неотъемлемую часть настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Изобретение станет полностью ясным исходя из следующего далее подробного описания изобретения, представленного в порядке просто иллюстративного и неограничивающего примера для прочтения при обращении к прилагаемым чертежам фигур, где:
- Фигура 1 демонстрирует пример варианта осуществления геометрии слоя;
- Фигура 2 демонстрирует пример варианта осуществления течения текучей среды жидкого химического раствора через стопку для осаждения;
- Фигура 3 демонстрирует пример варианта осуществления при обратном направлении течения жидкого химического раствора через стопку для осаждения, также использующегося для промывания поверхности стопки для осаждения;
- Фигура 4 демонстрирует пример варианта осуществления другой геометрии стопки для осаждения с течением текучей среды жидкого химического раствора;
- Фигура 5 демонстрирует пример варианта осуществления функционала скорости течения изотропного жидкого химического раствора;
- Фигура 6 демонстрирует пример варианта осуществления системы для создания течения капель выше по ходу технологического потока по отношению к слоям.
Одни и те же ссылочные цифровые и буквенные позиции на фигурах обозначают одни и те же или функционально эквивалентные детали.
Осуществление изобретения
В следующем далее изложении описываются некоторые неограничивающие примеры вариантов осуществления способа и системы изобретения.
Система изобретения приспособлена для конденсирования соединений, присутствующих в потоке текучей среды, и для отделения конденсированного материала от поверхности конденсирования на основании изменения скорости течения для потока текучей среды, и в основном содержит элементы, описанные в следующем далее изложении.
- Система размещена в замкнутом объеме, называется «стопкой для осаждения» и имеет заданную форму, например, форму цилиндра или форму параллелепипеда или индивидуальную неканоническую форму.
- Стопка для осаждения имеет по меньшей мере одну область поверхности, которая дает возможность потоку текучей среды поступать в объем, и по меньшей мере одну область поверхности, которая дает возможность потоку текучей среды покидать его.
- Стопка для осаждения имеет внутри гидравлическую систему, которая обеспечивает нагнетание воды или в общем случае жидкого химического раствора и высвобождает жидкость с входной области поверхности.
- Стопка для осаждения имеет внутри стопку слоев, которая обеспечивает сквозное прохождение потока текучей среды и жидкости через проемы окон, присутствующие на них.
- Гидравлическая система снабжена распределяющими отверстиями, такими как распылители и/или сопла и/или штуцеры, которые присутствуют в промежутке между слоями (внутри слоев), а предпочтительно также на боковых стенках замкнутого объема, выполненными с возможностью распыления воды и/или жидкого химического раствора внутри стопки для осаждения, даже в промежутке между слоями.
Стопка слоев предпочтительно характеризуется одним или несколькими следующими далее признаками:
- Поверхности слоев могут быть плоскими (поверхности 21, … 2n на фигурах 2, 3) или неплоскими (поверхности 41, … 4n на фигуре 4)…
- В стопке расстояние между соседними слоями является переменным и регулируемым;
- В стопке соседние слои образуют угол α, такой что 0≤α<90°; угол определяют и, возможно, варьируют в зависимости от статистического состава отделяемых частиц (например, частиц загрязнителей), в частности, в направлении больших углов для более высоких уровней процентного содержания диффундируемых частиц (то есть, неорганических веществ на большом промышленном предприятии, РМ1), в направлении меньших углов для более высоких уровней процентного содержания соударяемых частиц, как это разъясняется ниже.
- Слои подвешены на стопке для осаждения с использованием подходящих опор, выполненных с возможностью регулирования для задания углов между соседними слоями. В одном возможном варианте осуществления опоры могут представлять собой стержни, описанные ниже.
Проемы окон Si (фигура 1) предпочтительно характеризуются одним или несколькими следующими далее признаками:
- Проемы окон имеют определенные геометрии, даже различающиеся между собой, например, в диапазоне от круглой до треугольной геометрии, касаясь изопериметрического неравенства;
- Проемы окон покрыты сеткой, которая характеризуется ячейкой сетки, меньшей, чем 5 мм;
- Каждая поверхность (слой) содержит по меньшей мере один проем окна;
- Каждая поверхность (слой) может иметь проемы окон разнообразной геометрии;
- Местоположение проемов окон в одном слое может быть нерегулярным, даже не копирующимся в другом слое в той же самой стопке для осаждения; в последовательных слоях местоположения окон могут быть различными.
Гидравлическая система предпочтительно характеризуется одним или несколькими следующими далее признаками:
- Распределяющие отверстия (распылители и/или сопла и/или штуцеры) присутствуют в промежутке между слоями (внутри слоев), а предпочтительно также и на боковых стенках замкнутого объема. Например, на фигурах 2, 3 и 4 распылители и/или сопла и/или штуцеры обеспечивают на нескольких стержнях (31, … 3m; 51, … 5m), вставленных по существу продольно в объем и проходящих через слои. При использовании распылителей и/или сопел и/или штуцеров воду или жидкий химический раствор распыляют внутри объема в промежутке между слоями по существу для промывания поверхностей слоев, предпочтительно боковых стенок объема и отвода частиц, подлежащих сбору, в обратном по направлению течении. Форму распределяющих отверстий определяют в зависимости от типа распыляемой текучей среды таким образом, чтобы распылить по возможности большее количество раствора на всей поверхности слоев, даже на боковых стенках объема. Регулируемый наклон слоев стопки в замкнутом объеме имеет преимущество, заключающееся в увеличении эффекта отвода.
В системе присутствуют два противоположных направления течения: обратное направление течения воды или жидкого химического раствора (фигура 3) и прямое направление течения текучей среды из капель и газа вместе с подлежащими сбору частицами при получении, таким образом, влажной смеси химического раствора и основного течения и создании тонкой влажной пленки, осаждающейся на поверхностях слоев и боковых стенках объема. Отделяемые частицы собирают при использовании как капель, в виде осадка при соударении, так и тонкой пленки, осаждающейся на поверхностях слоев и перетекающей в обратном направлении.
Движущуюся в прямом направлении текучую среду из капель создают с использованием любого подходящего устройства в области, находящейся выше по ходу технологического потока по отношению к стопке для осаждения, в направлении основного течения.
Один неограничивающий пример устройства для создания течения капель описывается в итальянской патентной заявке № MI2012A001893, поданной 6-ого ноября 2012 года на имя этого же самого заявителя, которая во всей своей полноте посредством ссылки включается в настоящий документ.
Как это можно сказать при обращении к фигуре 6 (фигуре 2 процитированной предшествующей патентной заявке), на ней продемонстрирована замкнутая система перекачивания жидкого раствора, способная перекачивать жидкий раствор внутри замкнутого объема в целях создания капель для течения из коллектора 109 внутрь объема.
На коллекторе распределены несколько труб с распылителем 211 для распыления жидкости и создания капель для перемешивания с газом, содержащим подлежащие выпадению частицы, и создания текучей среды выше по ходу технологического потока по отношению к слоям стопки для осаждения, проходящей через последние при заданной входной скорости.
Внутри слоев стопки для осаждения создается турбулентность, все частицы собираются, все капли падают на внутренние поверхности объема, и ниже по ходу технологического потока по отношению к стопке для осаждения выдувается газ, очищенный от частиц, в конечном счете, при заданном уровне процентного содержания влаги или при отсутствии влаги в зависимости от конкретных рамок области применения.
Предпочтительно химический раствор, перекачиваемый для создания капель, имеет тот же самый тип, что и распыляемый через описанные выше распределяющие отверстия.
Система выполнена с возможностью регулировать относительную скорость частиц и капель: в результате изменения расстояния между слоями регулируют минимальную скорость течения, то есть, чем большим будет расстояние, тем меньшей будет скорость течения; в результате изменения размеров и местоположений проемов окон на слоях регулируют максимальную скорость течения, то есть, чем меньшим будет размер проемов окон, тем большей будет максимальная скорость течения.
Поэтому можно получать функционал, адаптируемый в зависимости от типа используемых в работе частиц, также варьирующийся с течением времени в результате регулирования расстояний и углов между слоями и степени процесса диффундирования частиц, что описывается более подробно ниже.
В соответствии с одним правомочным аспектом изобретения адаптируемость получают в результате воздействия на геометрические параметры стопки для осаждения вместо воздействия на текучие химические композиции. Последние представляют собой по существу водные растворы катализирующих веществ, известных самих по себе, зависящие от конкретных типов частиц, подлежащих обработке.
Частицы, подлежащие обработке, представляют собой, например, частицы загрязнителей, то есть, РМ1 … РМ10, SOx, NOx, озон, углеводороды, метан, бензол и тому подобное и загрязнители, определяемые законодательством. В других случаях имеют место, например, обработки для преобразования промышленных потоков текучих сред или газов.
Система может быть воплощена при использовании инертных материалов, например, полимеров или нержавеющей стали, для того чтобы не создавать препятствий осуществляемому процессу.
Способ изобретения предназначен для конденсирования соединений, присутствующих в потоке текучей среды, и для отделения конденсированного материала от поверхности конденсирования на основании изменения скорости течения для потока текучей среды и в основном включает стадии в соответствии с описанием в следующем далее изложении.
Стопка для осаждения изобретения выполнена с возможностью сбора частиц (например, частиц загрязнителей) как в каплях жидкого раствора, присутствующих в стопке для осаждения, так и на поверхностях стопки для осаждения. Размер капель жидкого раствора является очень малым, то есть, капли, меньшие, чем 10 мкм и способные перетекать в стопку для осаждения. Данные капли жидкого раствора полностью смачивают всю свободную поверхность стопки для осаждения. Кроме того, внутри стопки для осаждения имеется несколько инжекторов жидкого раствора, которые обеспечивают смачивание всей поверхности и ее промывание.
Частицы в основном собирают при использовании эффекта соударения и эффекта диффундирования, описываемых более подробно ниже.
Говоря более конкретно, что касается эффекта соударения, то в стопке для осаждения частицы (в частности, частицы загрязнителей) имеют тенденцию к следованию линиям тока для потока течения текучей среды. Однако в случае введения в поток жидких капель частицы не всегда могут следовать данным линиям тока, поскольку они отклоняются от них в окрестности капель жидкого химического раствора. Вследствие массы частиц они отрываются от линий тока и соударяются с каплями.
Эффект соударения увеличивается по мере увеличения диаметра частиц и по мере увеличения относительной скорости между частицами и каплями.
По мере увеличения частиц они будут с меньшей вероятностью следовать линиям тока при течении текучей среды в окрестности капель. Также при более быстром перемещении частицы по отношению к капле жидкости имеет место более высокая вероятность соударения частицы с каплей. Соударение представляет собой очень эффективный механизм сбора в стопке для осаждения, в частности, при течении текучей среды, характеризующемся скоростями потока, большими, чем 0,3 м/сек.
В данном диапазоне скорости потока собирают частицы большего диаметра, то есть, имеющие диаметры, большие, чем 1,0 мкм. Соударение также приводит к увеличению плотности капель жидкого раствора. Подобно эффекту соударения в отношении капель имеет место соударение в отношении всей поверхности стопки для осаждения. На всей поверхности стопки для осаждения присутствует тонкая пленка жидкого химического раствора. После этого собирают все частицы, соударяющиеся с поверхностью.
Что касается эффекта диффундирования, то очень мелкие частицы (в частности, частицы загрязнителей, меньшие, чем 0,1 мкм в диаметре) подвергаются броуновскому движению - случайному перемещению в потоке текучей среды. Данные частицы являются настолько крошечными, что их отталкивают молекулы потока текучей среды, когда они перемещаются в потоке течения текучей среды. Отталкивание вызывает их случайное перемещение различным образом или их диффундирование через поток текучей среды. Данное нерегулярное движение может приводить к ударному взаимодействию частиц с каплями и сбору частиц. Вследствие этого диффундирование подобно соударению является очень эффективным механизмом сбора в стопке для осаждения, в частности, для частиц, меньших, чем 0,1 мкм.
Скорость диффундирования зависит от относительной скорости между частицами и каплями жидкого раствора и диаметров капель жидкого химического раствора.
Подобно эффекту диффундирования в отношении капель имеет место диффундирование в отношении всей поверхности стопки для осаждения. На всей поверхности стопки для осаждения присутствует тонкая пленка жидкого химического раствора. После этого все частицы, диффундирующие на поверхность, собирают при использовании тонкой пленки жидкого химического раствора.
При эффектах как соударения, так и диффундирования эффективность сбора увеличивается при увеличении относительной скорости и уменьшении размера капель жидкости.
Основная характеристика стопки для осаждения изобретения заключается в использовании обоих эффектов, относящихся к соударению в отношении капель и диффундированию на большой поверхности тонкой жидкой пленки.
Еще одна характеристика, поскольку относительная скорость представляет собой фундаментальный параметр для сбора частиц, заключается в своеобразии стопки для осаждения, способной обеспечивать получение переменной скорости течения через совокупную стопку для осаждения. Поэтому можно настроить стопку для осаждения в целях получения правильного функционала скорости течения, способного обеспечить сбор конкретных частиц просто в результате задания правильного функционала скорости течения. В дополнение к этому, могут быть собраны различные виды частиц в результате задания подходящего функционала скорости течения.
Один пример функционала скорости течения описывается на фигуре 5. Это случай изотропной стопки для осаждения, где постоянными являются максимальная скорость течения, а также минимальная скорость течения. В описанной стопке для осаждения можно формировать неисчислимые разнообразные функционалы скорости течения.
Функциональные параметры Vmax и Vmin на фигуре 5 представляют собой абсолютные максимальные и минимальные скорости; в большинстве использующихся конфигураций имеет место несколько относительных минимальных скоростей Vmin и несколько относительных максимальных скоростей Vmax в зависимости от типа частиц, подлежащих обработке.
При воздействии на размер проемов окон можно задавать относительное значение Vmax, в то время как при воздействии на расстояние между последовательными слоями можно задавать относительное значение Vmin. Данные установки позволяют оказывать воздействие на целевые частицы высокоточным образом и в то же самое время иметь большое количество подвергнутых обработке и собранных частиц.
Поэтому в зависимости от колебаний размеров частиц по различным слоям могут быть заданы различные параметры.
Общие принципы способа конденсирования соединений, присутствующих в потоке текучей среды, и отделения конденсированного материала от поверхности конденсирования на основании изменения скорости течения для потока текучей среды, являющиеся предметом изобретения, представляют собой нижеследующее.
Скажем, при S и Р, соответственно, - площадь и периметр типичного проема окна на фигуре 1; мы в качестве примера имеем проемы окон при площади Si и периметре Pi=ai+bi+ci. После этого верным должно быть следующее далее изопериметрическое неравенство:
Скажем, при А - площади типичного одного слоя стопки для осаждения на фигуре 1; мы имеем один пример типичного слоя при площади А и периметре P=a+b+c+d+e+f+g. После этого верным должно быть следующее далее неравенство:
10-4A≤∑iSi
Способ и система изобретения могут быть использованы в общем случае в широком спектре устройств, например, устройств, известных под наименованием мокрых скрубберов.
В общем случае скрубберы представляют собой устройства для контроля потока газа, которые могут быть использованы для удаления соединений загрязнителей и/или газов из отходящих потоков в промышленности. Например, воздухоочистительный скруббер для удаления диоксида углерода из воздуха.
Дополнительные подробности воплощения описываться не будут, поскольку специалисты в соответствующей области техники способны осуществить изобретение исходя из положений представленного выше описания изобретения.
Специалистам в соответствующей области техники после рассмотрения описания изобретения и прилагаемых чертежей, которые раскрывают его предпочтительные варианты осуществления, станет очевидным множество изменений, модификаций, вариаций и других вариантов использования и областей применения заявленного изобретения. Все такие изменения, модификации, вариации и другие варианты использования и области применения, которые не отклоняются от объема изобретения, считаются охватываемыми данным изобретением.
Например, основная область применения системы относится к вертикально ориентированным замкнутым объемам и основным течениям, однако, возможной является и любая другая ориентация, даже горизонтальная.
Элементы и характеристики, описанные в различных формах предпочтительных вариантов осуществления, могут быть взаимно объединены без отклонения от объема изобретения.
Реферат
Настоящее изобретение относится к способу и системе для сбора, осаждения и отделения химических соединений в потоках текучей среды, которые обеспечивают отделение химических соединений их потоков текучей среды в результате конденсирования на твердой большой поверхности и в результате отделения и накопления химических соединений. Система содержит стопку слоев (21, ... 2n; 41, ... 4n) с несколькими проемами окон (S), обеспечивающих сквозное прохождение потока текучей среды, при этом соседние слои образуют угол 0≤α <90°. В промежутке между указанными слоями выполнены несколько распределяющих отверстий (31, ... 3m; 51, ... 5m) с возможностью распыления жидкого химического раствора внутри указанного замкнутого объема. Система содержит систему формирования капель химического раствора выше по ходу технологического потока по отношению к упомянутой стопке для перемешивания в упомянутом потоке текучей среды. Система выполнена с возможностью регулирования указанного угла так, чтобы он был переменным, и с возможностью регулирования расстояния между соседними слоями указанной стопки так, чтобы указанное расстояние было переменным, для обеспечения возможности регулирования скорости течения потока текучей среды внутри системы. Указанная система выполнена таким образом, что частицы химических соединений собираются в результате соударения с указанными каплями и в результате диффундирования на тонкой пленке и перетекания в обратном направлении по отношению к указанному химическому раствору. Указанные стопка слоев, распределяющие отверстия и система формирования капель совместно функционируют для обеспечения указанного сбора, осаждения и отделения химических соединений в потоке текучей среды. Технический результат: повышение эффективности контакта между газом и жидкостью, эффективное удаление различных загрязняющих веществ. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.
