Фрактальные гидравлические устройства и способы их применения - RU2725393C1
Код документа: RU2725393C1
Чертежи
Описание
ПРИТЯЗАНИЕ НА ПРИОРИТЕТ
В этой патентной заявке испрашивается приоритет даты заявки по заявке на патент США № 15/176,919, поданной 8 июня 2016 г., “Fractal Flow Devices and Methods of Use.”
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты осуществления заявки относятся, в общем случае, к фрактальным гидравлическим устройствам и способам отделения или очистки компонента (или компонентов) многокомпонентного потока флюида с использованием фрактальных гидравлических устройств. Более конкретно, варианты раскрытия изобретения относятся к фрактальным гидравлическим устройствам, имеющим по меньшей мере один фрактальный блок, который содержит, по меньшей мере, две фрактальные ячейки, и способам применения фрактальных гидравлических устройств.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Технологические процессы с флюидами традиционно демонстрируют строгие ограничения при работе, связанные с перепадом давления в слое, кинетикой и однородностью потока. Такие ограничения наложены, например, на производительность, эффективность технологического процесса, использование энергии, размеры системы, соответствие требованиям охраны окружающей среды и капитальные/эксплуатационные расходы. В качестве одного примера появления таких ограничений, скорость потока через слой может быть ограничена, поскольку, по мере роста скорости потока увеличивается и перепад давления в слое. Перепад давления может достигнуть точки, где возможно превышение максимального давления в колонне, содержащей слой, и слой может начать недопустимо сжиматься, частицы слоя могут быть разрушены, и для работы может потребоваться дополнительная энергия. Очевидно, что этот эффект устанавливает пределы на производительность (ограничения на скорость потока) и конструкцию, и затраты (более высокое давление требует наличия дополнительной прочности конструкции). В качестве другого примера, высокие линейные скорости могут привести к неприемлемо слабому взаимодействию или реакции флюида с материалом слоя. То есть, кинетические требования системы являются самоограничивающимися. Слишком высокая линейная скорость движения флюида через слой приведет к недостаточному времени контакта флюида с частицами слоя. Очевидно, что это налагает ограничения на производительность (снова скорость потока ограничена).
Растягивание слоя до широкой (большое поперечное сечение) или тонкой (небольшая глубина или короткий путь перемещения) геометрии вместо высокой (длинный путь перемещения), узкой (относительно малое поперечное сечение поперек относительно направления потока) геометрии будет уменьшать как перепад давления в слое, так и линейную скорость флюида, проходящего через слой. Хотя оба эти эффекта могут быть очень полезными, такая конструкция колонны не является распространенной вследствие затруднительности распределения и сбора флюида по широкому, тонкому слою (большое поперечное сечение). Любая неоднородность или турбулентность во флюиде, внесенная в колонну, не может быть ослаблена в обычных условиях на протяжении широкого, тонкого слоя, так что неоднородности отображаются как проявления неэффективности и неприемлемое проведение технологического процесса. Например, в хроматографии такие проблемы приводят к размыванию зоны и неполному отделению компонентов исходной смеси.
Устройство для обработки флюида раскрыто в патенте США 4,673,507, выданном Брауну (Brown), содержание которого включено в данный документ посредством этой ссылки. Устройство для обработки флюида может быть использовано для работы в тонком слое. Однако такое устройство для обработки флюида не содержит в значительной степени распределенных систем подачи и сбора флюида, и зависит от поддержания слоя в упакованном снаружи состоянии, где частицы удерживаются в пределах слоя ионообменной смолы, так что они постоянно подвергаются сжатию. В значительной степени однородное распределение потока флюида на протяжении слоя достигается посредством использования ионообменных смол с малым (в значительной степени однородным) размером частиц, которые поддерживаются в упакованном снаружи состоянии. Такое устройство для обработки флюида ограничивает поток технологического флюида через слой.
Патент США 5,626,750, выданный Чинну (Chinn), содержание которого включено в данный документ посредством этой ссылки, раскрывает устройство для
обработки флюида. В этом устройстве первая и вторая «не содержащие частиц полости» располагаются над и под слоем удерживаемых частиц. Равномерный поток через слой удерживаемых частиц обеспечивается просто за счет перепада давления в пределах слоя удерживаемых частиц, который является функцией давлений в первой и второй полостях. Не предусматривается существенное регулирование характеристик потока флюида (завихрения или зоны турбулентности) в потоках технологического флюида возле поверхности слоя удерживаемых частиц.
Патент 7,390,408, выданный Керни (Kearney), содержание которого включено в данный документ посредством этой ссылки, решает указанные выше проблемы за счет использования тонкого слоя с распределителями и коллекторами, сконструированными с применением фрактальной геометрии. Этот тип сосуда оказался успешным в промышленном применении, и в такой конструкции сосуда имеется несколько преимуществ. Например, распределение и сбор флюидов является в высшей степени однородным. За счет однородности могут быть использованы очень тонкие слои технологической среды без проблем с канализацией или неполным охватом технологической среды. Перепад давления, соответственно, очень мал, что означает, что сосуды, использующие эту технологию, могут быть рассчитаны на более низкие давления, чем традиционно используемые устройства. Днища сосудов с тонким слоем, в основном, представляют собой плоские пластины, в отличие от сферических или выпуклых днищ большинства традиционных сосудов давления. С целью увеличения производительности сосудов с тонким слоем их диаметр должен быть увеличен, что приводит к повышенному давлению на днищах. По мере увеличения диаметра давление на днищах пропорционально возрастает и необходимо увеличивать механическую опору днищ. Увеличенный диаметр увеличивает размер и вес, поскольку сосуды с тонким слоем конструируются для применений с большей производительностью и большей пропускной способностью. Больший размер также увеличивает величину пространства, занимаемого сосудами с тонким слоем, что усложняет механические манипуляции с сосудами с тонким слоем.
Фильтр-прессы использовались в течение более чем 100 лет, для удаления взвешенных частиц из раствора или суспензии. Фильтр-пресс содержит много фильтрационных пластин, каждая из которых содержит тканевый фильтр и камеру, через которую проходит раствор. Раствор поступает на каждую фильтрационную пластину через одиночное отверстие, а взвешенные частицы собираются на тканевом фильтре по мере прохождения жидкого раствора через фильтрационные пластины. Фильтрационные пластины имеют маленькие отверстия для сбора отфильтрованной жидкости по мере выхода отфильтрованной жидкости из фильтр-пресса. Были разработаны различные способы сжатия и удаления твердых частиц (т.е. фильтровального осадка) с тканевого фильтра. Вслед за удалением влаги фильтровальный осадок удаляется из фильтр-пресса путем отделения пластин друг от друга и предоставления осадку возможности выпасть из фильтр-пресса за счет силы тяжести. Однородный поток раствора через фильтрационные пластины не требуется, поскольку осадок удаляется за счет фильтрации через тканевой фильтр.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗБРЕТЕНИЯ
Раскрыто фрактальное гидравлическое устройство, которое содержит по меньшей мере один фрактальный блок. По меньшей мере один фрактальный блок содержит по меньшей мере две фрактальные ячейки, причем каждая фрактальная ячейка содержит фрактальный распределитель, камеру, примыкающую к фрактальному распределителю, и фрактальный коллектор, примыкающий к камере.
Также раскрыт способ использования фрактального гидравлического устройства. Способ включает в себя введение потока флюида во фрактальное гидравлическое устройство, протекание потока флюида по меньшей мере через один фрактальный блок, и отделение по меньшей мере одного компонента из потока флюида для получения потока продукта. Фрактальное гидравлическое устройство содержит по меньшей мере один фрактальный блок, содержащий по меньшей мере две фрактальные ячейки, где каждая фрактальная ячейка содержит фрактальный распределитель, камеру, примыкающую к фрактальному распределителю, и фрактальный коллектор, примыкающий к камере.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
ФИГ. 1 – на фигуре 1 изображено схематическое представление фрактального блока в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке.
ФИГ. 2 - на фигуре 2 изображено схематическое представление фрактальной ячейки в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке.
ФИГ. 3 - на фигуре 3 изображено схематическое представление фрактальной ячейки в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке.
ФИГ. 4 – на фигуре 4 представлена фотография фрактального гидравлического устройства в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке, включающего в себя два фрактальных блока.
ФИГ. 5 - на фигуре 5 изображена схематическая иллюстрация фрактального гидравлического устройства в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке, включающего в себя фрактальный блок и элементы соединителя.
ФИГ. 6 - на фигуре 6 изображена это схематическая иллюстрация фрактального гидравлического устройства в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке, включающего в себя фрактальный блок и элементы соединителя, скомпонованные для работы с псевдоподвижным слоем (SMB).
ФИГ. 7 - на фигуре 7 изображена схематическая иллюстрация фрактального гидравлического устройства в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке, включающего в себя два фрактальных блока и элементы соединителя.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрыто фрактальное гидравлическое устройство имеющее по меньшей мере один фрактальный блок. Фрактальный блок обеспечивает повышенную производительность фрактального гидравлического устройства без увеличения давления внутри фрактального гидравлического устройства в процессе его использования и работы. Повышенная производительность достигается без существенного увеличения размера или веса фрактального гидравлического устройства. Поэтому, фрактальное гидравлическое устройство является компактным, и отсутствует увеличение объема (т.е. площади проекции оборудования), занимаемого фрактальным гидравлическим устройством. Фрактальное гидравлическое устройство может содержать одиночный фрактальный блок или много фрактальных блоков, которые скомпонованы параллельно или последовательно, в зависимости от требуемого применения фрактального гидравлического устройства. Фрактальный блок содержит фрактальные ячейки, которые скомпонованы параллельно или последовательно, в зависимости от требуемого применения фрактального гидравлического устройства. Фрактальное гидравлическое устройство используется для отделения компонента (компонентов) многокомпонентного потока флюида.
При использовании в данной заявке термин «фрактальный» подразумевает и содержит шаблон (т.е.,форму или геометрию), который можно повторно делить на малые части или повторно увеличивать в большие части, которые являются такими же, как оригинальный шаблон, или подобными ему (т.е.,по форме или геометрии). Фрактальное гидравлическое устройство данного раскрытия изобретения содержит по меньшей мере один компонент, имеющий фрактальный шаблон, такой как одна или большее число фрактальных пластин, фрактальный распределитель, фрактальный коллектор, фрактальная ячейка или фрактальный блок.
Как показано на ФИГ. 1, вариант осуществления фрактального гидравлического устройства 100 содержит фрактальный блок 110, имеющий много фрактальных ячеек 120, например по меньшей мере две фрактальные ячейки 120. В то время, как фрактальное гидравлическое устройство 100, показанное на ФИГ. 1, содержит восемь фрактальных ячеек 120, фрактальный блок 110 может содержать меньше или больше фрактальных ячеек 120. Фрактальные ячейки 120 могут быть скомпонованы последовательно или параллельно, в зависимости от требуемого применения для фрактального гидравлического устройства 100. Каждая из фрактальных ячеек 120 содержит фрактальный распределитель 130, камеру 140 и фрактальный коллектор 150. Фрактальный распределитель 130 имеет впуск фрактальной ячейки 160, через который поток флюида поступает во фрактальное гидравлическое устройство 100, а фрактальный коллектор 150 имеет выпуск фрактальной ячейки 170, через который поток флюида выходит из фрактального гидравлического устройства 100. Фрактальные распределители 130, камеры 140 и фрактальные коллекторы 150 позволяют фрактальному блоку 110 получать требуемое разделение потока флюида, причем фрактальные распределители 130 и фрактальные коллекторы 150 обеспечивают однородное распределение потока флюида в технологическую среду для флюида (не показано) в камере 140.
Как показано на ФИГ. 2 и более подробно описано ниже, каждый фрактальный распределитель 130 и фрактальный коллектор 150 содержит фрактальные пластины 205,
имеющие фрактальный шаблон 215, который обеспечивает пути для потока с
постепенно возрастающим масштабом или с постепенно уменьшающимся масштабом. Фрактальные ячейки 120 могут быть расположены горизонтально рядом (т.е. в направлении x) друг с другом, как показано на ФИГ. 1, или вертикально рядом (т.е., в направлении y) друг с другом (не показано), чтобы сформировать фрактальный блок 110. Фрактальные ячейки 120 могут непосредственно контактировать друг с другом и, как вариант, могут удерживаться посредством крепежного элемента 225, например, с помощью торцевой пластины, опорной головки, гидравлического пресса, гидравлического зажима, болтов или другого крепежного элемента. Крепежный элемент 225 обеспечивает механическую прочность для фрактальных ячеек 120 в процессе использования и работы фрактального гидравлического устройства 100, удерживает фрактальные ячейки 120 в контакте друг с другом и на месте, поскольку фрактальные ячейки 120 подвержены изменениям за счет изменений в процессе работы и изменений давления. Крепежный элемент 225 может обеспечить применение фрактального гидравлического устройства 100 при относительно высоких давлениях с сохранением жидкостной связи между фрактальными ячейками 120. Исключительно для примера, крепежный элемент 225 может содержать торцевые пластины, расположенные на противоположных концах фрактального блока 110, как показано на ФИГ. 1. Торцевые пластины могут быть отрегулированы таким образом, чтобы поддерживать давление на фрактальные ячейки 120, приводить фрактальные ячейки 120 в контакт друг с другом и обеспечивать жидкостную связь между фрактальными ячейками 120. В качестве альтернативы, крепежный элемент 225 может содержать болты и гайки (не показано), которые пропускаются через соответствующие соосные отверстия (не показано) в частях фрактальных ячеек 120, не занятых фрактальным шаблоном 215. Крепежный элемент 225 может, в качестве альтернативы, содержать гидравлический зажим (не показано), прикрепленный к противоположным концам фрактального блока 110.
Как показано на ФИГ. 2, фрактальная ячейка 120 содержит фрактальный распределитель 130, камеру 140 и фрактальный коллектор 150. Фрактальный распределитель 130 каждой фрактальной ячейки 120 скомпонован так, чтобы пропускать (т.е. распределять) поток флюида в камеру 140, а фрактальный коллектор 150 каждой фрактальной ячейки 120 скомпонован так, чтобы собирать поток флюида после того как
поток флюида проходит через камеру 140. Фрактальный распределитель 130
равномерно распределяет поток флюида в камеру 140 в рекурсивный путь движения флюида, организованный во фрактальном шаблоне 215. Фрактальный коллектор 150 соединяет потоки флюида, покидающие камеру 140, в единый поток флюида, который выходит из фрактального гидравлического устройства 100. Для упрощения, элементы соединителя, которые обеспечивают жидкостную связь между фрактальными ячейками 120 фрактального блока 110 или которые обеспечивают жидкостную связь во фрактальный блок 110 и из него или между фрактальными блоками 110, не показаны на ФИГ.1 и 2. Однако, элементы соединителя описаны ниже более подробно.
Фрактальный распределитель 130 содержит одну или большее число фрактальных пластин 205. Для упрощения, фрактальные пластины упоминаются в данной заявке как фрактальная пластина 205 или фрактальные пластины 205, в то время как конкретные фрактальные пластины упоминаются в данной заявке как фрактальные пластины 205a, 205b, 205c, и т. д. Как показано на ФИГ. 3, фрактальный распределитель 130 содержит три фрактальные пластины 205a, 205b, 205c. Однако, фрактальный распределитель 130 может содержать больше или меньше фрактальных пластин 205, в зависимости от требуемого разделения потока флюида. Фрактальные пластины 205 фрактального распределителя 130 содержат впуски фрактальных пластин 335, выпуски фрактальных пластин 345 и каналы 355, через которые протекает поток флюида.
Впуски фрактальных пластин 335, выпуски фрактальных пластин 345 и каналы 355 образуют путь движения флюида, который расположен во фрактальном шаблоне 215. Каналы 355 распределяют поток флюида между впусками фрактальных пластин 335 и выпусками фрактальных пластин 345 перед тем, как поток флюида покидает фрактальный распределитель 130. Фрактальный шаблон 215 на одной фрактальной пластине, такой как фрактальная пластина 205a, имеет такое же или подобное геометрическое расположение, как и фрактальный шаблон на другой фрактальной пластине, такой как фрактальные пластины 205b, 205c, за исключением того, что фрактальный шаблон 215 на каждой последующей фрактальной пластине (т.е. фрактальных пластинах 205b, 205c) имеет постепенно уменьшающийся масштаб относительно фрактальной пластины 205a. Исключительно для примера, фрактальный шаблон 215 может иметь H-образную форму, как показано на ФИГ. 2 и 3. Однако могут использоваться и другие фрактальные шаблоны 215, такие, как шаблоны T-образной формы, Y-образной формы или трёхмерной формы. Фрактальный шаблон 215 может содержать, не ограничиваясь указанным, один из фрактальных шаблонов, описанных в патенте США № 6,616,327 , выданном Керни и др. (Kearney et al.) и в патенте США 7,390,408, выданном Керни и др. (Kearney et al.); полное раскрытие каждого из которых в данной заявке включено посредством ссылки в полном объеме.
Фрактальные пластины 205 фрактального распределителя 130 выровнены друг относительно друга, так что поток флюида проходит в впуск(и) фрактальной пластины 335, через канал(ы) 355, и покидает выпуск(и) 345 фрактальной пластины 205 перед поступлением на впуск(и) фрактальной пластины 335, через канал(ы) 355, и покидает выпуски фрактальной пластины 345 следующей фрактальной пластины 205. Фрактальный распределитель 130 может быть скомпонован и сформирован так, как описано в патенте США № 6,616,327 , выданном Керни и др. (Kearney et al.), и в патенте США 7,390,408, выданном Керни и др. (Kearney et al.). Фрактальные пластины 205 фрактального распределителя 130, могут быть расположены примыкающими друг с другом, так что при прохождении потока флюида через фрактальный распределитель 130 имеет место фрактальное распределение от большого до постепенно уменьшающихся масштабов. За счет включения одной или большего числа фрактальных пластин 205, имеющих один и тот же фрактальный шаблон 215, фрактальный распределитель 130 имеет относительно малую ширину (т.е., толщину) относительно своей длины или высоты. Отношение высоты к ширине фрактальных пластин 205 может находиться в диапазоне от около 2:1 до около 20:1 или больше.
Фрактальный распределитель 130 может иметь плотность выпусков достаточную, чтобы обеспечить сниженную турбулентность или внутреннее перемешивание потока флюида при прохождении потока флюида в камеру 140. Плотность выпусков может быть увеличена по желанию за счет рекурсивного умножения фрактального шаблона 215 на всё меньший и меньший масштаб. При использовании в данной заявке термин «плотность выпусков» означает и включает в себя число выпусков на единичной площади поперечного сечения фрактальной пластины 205, непосредственно примыкающей к камере 140. Исключительно для примера, фрактальный распределитель 130 может иметь плотность выпусков большую или равную около 64 выпусков/фут2 (большую или равную около 689 выпусков/м2), такую как большую или равную около 100 выпусков/фут2 (большую или равную около 1076 выпусков/м2), большую или равную около 200 выпусков/фут2 (большую или равную около 2153 выпусков/м2), большую или равную около 500 выпусков/фут2 (большую или равную около 5382 выпусков/м2) или большую или равную около 1024 выпусков/фут2 (большую или равную около 11022 выпусков/м2). Чем больше плотность выпусков фрактальной пластины 205, непосредственно примыкающей к камере 140, тем более однородное распределение потока флюида в камеру 140.
Как показано на ФИГ. 2 и 3, фрактальные пластины 205 преимущественно являются квадратными или прямоугольными по форме, чтобы обеспечить эффективную компоновку фрактального шаблона 215 на фрактальных пластинах 205. Однако, могут использоваться круглые или другие формы фрактальных пластин 205, в зависимости от требуемой эффективности фрактального гидравлического устройства 100 и его предполагаемого применения.
Камера 140 фрактальной ячейки 120 содержит отверстие 180 для размещения технологической среды для флюида (не показано), такой как ионообменная смола или другая среда для разделения флюида, адсорбционная среда, среда катализатора или реактивная среда. Как показано на ФИГ. 4, камера 140 может содержать впускное отверстие 190 (см, также, ФИГ. 1 и 2), через которое загружается технологическая среда для флюида. Технологическая среда для флюида может удерживаться в камере 140 за счет экрана или фильтровальной ткани (не показано). Технологическая среда для флюида может быть выбрана в зависимости от компонентов потока флюида и предполагаемого применения для фрактального гидравлического устройства 100. Технологическая среда для флюида в каждой из фрактальных ячеек 120 конкретного фрактального блока 110 может быть одинаковой или разной. Например, ионообменная смола может быть использована в одной фрактальной ячейке 120, а анионообменная смола может быть использована в другой фрактальной ячейке. Кроме того, в ситуациях, когда используется много фрактальных блоков 110, технологическая среда для флюида в каждом из фрактальных блоков 110 может быть одинаковой или разной, или в каждой из фрактальных ячеек 120 фрактальных блоков 110 она может быть одинаковой или разной. Например, ионообменная смола может быть использована во фрактальных ячейках 120 одного фрактального блока 110, а анионообменная смола может быть использована во фрактальных ячейках 120 другого фрактального блока 110. Выходя из фрактального распределителя 130, поток флюида поступает и проходит через камеру 140 для разделения. Отверстие 180 в камере 140 имеет относительно малую ширину (т.е., толщину) по сравнению с его длиной или высотой. Только малое количество технологической среды для флюида может быть использовано в каждой камере 140, поскольку во фрактальном гидравлическом устройстве 100 присутствует много фрактальных ячеек 120. Таким образом, технологическая среда для флюида, которая является слишком дорогой для использования в традиционном оборудовании, может быть использована во фрактальном гидравлическом устройстве 100 в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке. Кроме того, используемое малое количество технологической среды для флюида приводит к уменьшенному перепаду давления в пределах камеры 140. Поэтому, можно использовать технологическую среду для флюида с очень малыми размерами частиц. По этой причине могут быть достигнуты большие скорости разделения или реакции, поскольку технологическая среда для флюида имеет большую площадь поверхности на единицу объема.
Фрактальный коллектор 150 фрактальной ячейки 120 также содержит одну или большее число фрактальных пластин 205. В то время как вариант осуществления фрактального коллектора 150 на ФИГ. 3 содержит три фрактальные пластины 205e, 205f, 205g, фрактальный коллектор 150 может содержать больше или меньше фрактальных пластин 205, в зависимости от требуемого разделения потока флюида. Фрактальные пластины 205 фрактального коллектора 150 также содержат впуски фрактальной пластины 335, выпуски фрактальной пластины 345 и каналы 355 через которые протекает поток флюида. Впуски фрактальной пластины 335, выпуски фрактальной пластины 345 и каналы 355 формируют путь движения флюида, который расположен во фрактальном шаблоне 215. Каналы 355 распределяют поток флюида между впусками фрактальной пластины 335 и выпусками фрактальной пластины 345 перед тем, как поток флюида покидает фрактальный коллектор 150. Подобно фрактальному шаблону 215 на фрактальных пластинах 205 фрактального распределителя 130, фрактальный шаблон 215 на одной из фрактальных пластин 205 фрактального коллектора 150, такой как фрактальная пластина 205e, имеет такое же или подобное геометрическое расположение, как и фрактальный шаблон на другой фрактальной пластине, такой как фрактальные пластины 205f, 205g, за исключением того, что фрактальный шаблон 215 каждой последующей фрактальной пластины (т.е., фрактальных пластин 205f, 205g) имеет постепенно увеличивающийся масштаб относительно шаблона фрактальной пластины 205e.
В одном варианте осуществления изобретения фрактальный коллектор 150 имеет то же число фрактальных пластин 205, что и фрактальный распределитель 130. Фрактальный шаблон 215 на фрактальных пластинах 205 фрактального коллектора 150 также в значительной степени подобен фрактальному шаблону 215 на фрактальных пластинах 205 фрактального распределителя 130. Однако, порядок, в котором скомпонованы фрактальные пластины 205 фрактального коллектора 150 является обратным, так что фрактальная пластина 205, имеющая наибольшее число впусков фрактальной пластины 335, непосредственно примыкает к камере 140. Другими словами, последняя фрактальная пластина 205 фрактального коллектора 150 (т.е. фрактальная пластина 205g, которая наиболее удалена от камеры 140), имеет наименьшую плотность выпусков. Плотность выпусков может быть уменьшена по желанию путем рекурсивного деления фрактального шаблона 215 со всё большим и большим масштабом. Фрактальные пластины 205 фрактального коллектора 150 могут быть размещены рядом друг с другом, так что происходит фрактальное распределение от меньшего до постепенно возрастающих масштабов по мере протекания потока флюида через фрактальный коллектор 150.
Исключительно для примера и, как показано на ФИГ. 3, первая фрактальная пластина 205a фрактального распределителя 130 содержит один впуск фрактальной пластины (не показано) и H-образный канал 355, имеющий четыре выпуска фрактальной пластины 345. Вторая фрактальная пластина 205b фрактального распределителя 130 примыкает к первой фрактальной пластине 205 и содержит четыре впуска (не показано) и шестнадцать выпусков фрактальной пластины 345 с четырьмя H-образными каналами 355. Третья фрактальная пластина 205c фрактального распределителя 130, примыкает ко второй фрактальная пластине 205b и содержит шестнадцать впусков (не показано) и двести пятьдесят шесть выпусков фрактальной пластины 345 с шестнадцатью H-образными каналами. Фрактальные пластины 205a, 205b, 205c выровнены таким образом, что поток флюида проходит через них от выпусков фрактальной пластины 345 первой фрактальной пластины 205a на впуски фрактальной пластины 335 второй фрактальной пластины 205b, от выпусков фрактальной пластины 345 второй фрактальной пластины 205b на впуски фрактальной пластины 335 третьей фрактальной пластины 205c, и от выпусков фрактальной пластины 345 третьей фрактальной пластины 205c на камеру 140. В то время как на ФИГ. 3 показаны три фрактальные пластины, может присутствовать больше или меньше фрактальных пластин 205, в зависимости от предполагаемого применения. Камера 140 примыкает к третьей фрактальной пластине 205c фрактального распределителя 130. Фрактальный коллектор 150 может содержать такое же число фрактальных пластин 205, что и фрактальный распределитель 130. Фрактальные пластины 205e, 205f, 205g фрактального коллектора 150 могут содержать такой же фрактальный шаблон 215, как и шаблоны фрактального распределителя 130, за исключением того, что порядок расположения фрактальных пластин 205 скомпонован в обратном направлении. Другими словами, фрактальный шаблон 215 на фрактальных пластинах 205e, 205f, 205g соответствует фрактальному шаблону 215 на фрактальных пластинах 205c, 205b, 205a, соответственно. Например, пятая фрактальная пластина 205e фрактального распределителя 130, примыкающая к камере 140, может содержать двести пятьдесят шесть впусков фрактальной пластины (не показано) и шестнадцать выпусков фрактальной пластины (не показано) с шестнадцатью H-образными каналами (не показано), шестая фрактальная пластина 205f, примыкающая к пятой фрактальной пластине 205e, может содержать шестнадцать впусков (не показано) и четыре выпуска (не показано) с четырьмя H-образными каналами (не показано), а седьмая фрактальная пластина 205g, примыкающая к шестой фрактальной пластине 205f, может содержать четыре впуска (не показано) и один выпуск (не показано) с одним H-образным каналом (не показано). Пятая, шестая и седьмая фрактальные пластины 205e, 205f, 205g фрактального коллектора 150 выровнены таким образом, что поток флюида проходит через них от выпусков фрактальной пластины пятой фрактальной пластины 205e на впуски фрактальной пластины шестой фрактальной пластины 205f, от выпусков фрактальной пластины шестой фрактальной пластины 205f до впусков фрактальной пластины седьмой фрактальной пластины 205g и выходит из выпусков фрактальной пластины седьмой фрактальной пластины 205g. Поток флюида от многих выпусков фрактальной пластины пятой и шестой фрактальных пластин 205e, 205f сливается в одном выпуске седьмой фрактальной пластины 205g.
Заплечики 465 на боковых поверхностях фрактальных пластин 205 фрактального распределителя 130, камеры 140 и фрактальных пластин 205 фрактального коллектора 150 могут быть использованы для размещения фрактальных ячеек 120 рядом друг с другом, как показано на ФИГ. 1, 2, и 4. Например, и как показано на ФИГ. 4, фрактальные ячейки 120 могут быть расположены горизонтально рядом друг с другом за счет применения заплечиков 465 на опорных конструкциях 475, которые ориентированы, преимущественно, перпендикулярно к фрактальным ячейкам 120. Фрактальные распределители 130, камеры 140 и фрактальные коллекторы 150 могут быть расположены на опорных конструкциях 475 и удерживаться в непосредственном контакте друг с другом за счет крепежного элемента 225 для обеспечения жидкостной связи между фрактальными ячейками 120 в процессе использования и работы фрактального гидравлического устройства 100. Для удобства при иллюстрировании дополнительных компонентов, фрактальные распределители 130, камеры 140, и фрактальные коллекторы 150 показаны на ФИГ. 4 в разнесенной в пространстве компоновке. Фрактальный распределитель 130, камера 140 и фрактальный коллектор 150 могут, в виде варианта, быть отделены друг от друга посредством уплотнительного элемента(элементов) 485, такого как прокладка. Уплотнительный элемент 485 может предотвращать утечку потока флюида между фрактальным распределителем 130, камерой 140 и фрактальным коллектором 150 в процессе использования и работы фрактального гидравлического устройства 100.
Фрактальные пластины 205 фрактального распределителя 130 и фрактального коллектора 150 могут быть сформированы из любого совместимого материала, на котором должен быть сформирован фрактальный шаблон 215. Материал также должен быть совместимым с компонентами потока флюида. Например, материал, такой как материал из пластика или материал из металла, может быть устойчивым к воздействию коррозионных, кислотных или основных компонентов в потоке флюида. Материал из пластика может содержать, не ограничиваясь указанным, полипропилен, полиметилметакрилат (ПММА), политетрафторэтилен, а материал из металла может содержать, не ограничиваясь указанным, нержавеющую сталь. Поскольку фрактальное гидравлическое устройство 100 может применяться при более низком давлении, чем традиционное оборудование, материал фрактального распределителя 130 и фрактального коллектора 150 за счет такого сниженного конструктивного требования может быть выбран из материалов, не используемых в традиционном оборудовании. Камера 140 может быть сформирована из такого же или подобного материала. Материал фрактального распределителя 130, камеры 140 и фрактального коллектора 150 должен также быть совместимым с эксплуатационными температурами, при которых используется фрактальное гидравлическое устройство 100, например, от комнатной температуры (от около 20°C до около 25°C) до около 85°C. Материал фрактального распределителя 130, камеры 140, и фрактального коллектора 150 должен также быть совместимым с эксплуатационными давлениями, при которых используется фрактальное гидравлическое устройство 100, например, меньшим или равным около 4 бар (меньшим или равным около 400 КПа). Исключительно для примера, фрактальный распределитель 130, камера 140 и фрактальный коллектор 150 могут быть изготовлены из ПММА.
Размеры фрактальных пластин 205 фрактального распределителя 130 и фрактального коллектора 150, и камеры 140 могут быть выбраны в зависимости от требуемой производительности фрактального гидравлического устройства 100. Исключительно для примера, каждая из величин длины и высоты фрактальных пластин 205 и камеры 140 может независимо находиться в диапазоне от около 2 дюймов (около 5,08 см) до около 48 дюймов (около 121,92 см). Толщина (т.е. ширина) фрактальных пластин 205 может находиться в диапазоне от около 0,1 дюйма (около 0,254 см) до около 3 дюймов (около 7,62 см). Толщина (т.е. ширина) камеры 140 может быть больше, чтобы вместить технологическую среду для флюида, например, от около 0,2 дюйма (около 0,508 см) до около 6 дюймов (около 15,24 см). В одном варианте осуществления изобретения фрактальные пластины 205 представляют собой квадрат со стороной 12,25 дюйма (31,12 см) и толщиной 1 дюйм (2,54 см). Камера 140 представляет собой квадрат со стороной 12,25 дюйма (31,12 см) и толщиной 2 дюйма (5,08 см).
Фрактальное гидравлическое устройство 100 также содержит элементы соединителя, такие как трубопроводы, трубы, отверстия и т.д., которые обеспечивают жидкостную связь между компонентами фрактального гидравлического устройства 100. Например, поток флюида может проходить между впусками фрактальной пластины 335, каналами 355, выпусками фрактальной пластины 345 фрактальных ячеек 120 и камерой 140, которые расположены в пределах (т.е. внутри) фрактальных ячеек 120. Поток флюида может проходить от фрактального распределителя 130 через камеру 140 и во фрактальный коллектор 150 за счет трубопровода или отверстий внутри фрактальных ячеек 120. В качестве альтернативы, поток флюида может проходить между компонентами фрактальных ячеек 120 через расположенный снаружи трубопровод (не показано). Таким образом, фрактальные ячейки 120 фрактального блока 110 могут находиться в жидкостной связи через внешние элементы соединителя или внутренние элементы соединителя. Фрактальное гидравлическое устройство 100 также содержит элементы соединителя, которые вводят поток флюида во фрактальное гидравлическое устройство 100 и собирают поток флюида, когда поток флюида выходит из фрактального гидравлического устройства 100. Хотя это и не показано на чертежах, может использоваться простая компоновка элементов соединителя, в которой трубопровод соединен с впусками фрактальной ячейки 160 и выпусками фрактальной ячейки 170 каждой из фрактальных ячеек 120 на ФИГ. 1 или 2. Трубопровод может вводить поток флюида в фрактальные ячейки 120 и собирать поток флюида, когда поток флюида покидает фрактальные ячейки 120. Фрактальное гидравлическое устройство 100 также содержит клапаны, насосы, расходные резервуары, фильтры, регуляторы давления, измерительное оборудование, оборудование для регулирования потока и микропроцессорное оборудование для распределения потока флюида между компонентами фрактального гидравлического устройства 100. Эти элементы фрактального гидравлического устройства 100 хорошо известны в рассматриваемой области техники и подробно не описаны в данной заявке.
Элементы соединителя, которые расположены снаружи относительно фрактального блока 110, могут также использоваться в более сложных вариантах осуществления фрактального гидравлического устройства 100. Элементы соединителя могут распределять поток флюида через одиночный фрактальный блок 110 (см. ФИГ. 5 и 6) или через несколько фрактальных блоков 110 (см. ФИГ. 7). Хотя на ФИГ. 5-7 показаны фрактальные блоки 110, имеющие восемь фрактальных ячеек 120, фрактальные блоки 110 могут содержать меньшее или большее число фрактальных
ячеек 120. Несколько фрактальных блоков 110 могут быть скомпонованы для последовательной работы, параллельной работы, основной/вспомогательной последовательной работы, работы с псевдоподвижным слоем или работы с флюидом в установке карусельного типа, в зависимости от требуемого применения.
В варианте осуществления фрактального гидравлического устройства 100', приведенном на ФИГ. 5, предварительный фрактальный распределитель используется как элемент соединителя 595, чтобы распределить поток флюида на фрактальный блок 110. Предварительный фрактальный распределитель содержит трубопровод, который сам по себе скомпонован во фрактальный шаблон в дополнение к фрактальным шаблонам 215 (см. ФИГ. 2), присутствующим в фрактальных распределителях 130 и фрактальных коллекторах 150 фрактальных ячеек 120. Предварительный фрактальный распределитель обеспечивает оптимальную эквивалентную скорость потока флюида на каждую фрактальную ячейку 120. При прохождении через предварительный фрактальный распределитель поток флюида распределяется (т.е., разделяется) на части, которые поступают на фрактальные распределители 130 каждой из фрактальных ячеек 120. Затем части потока флюида проходят через технологическую среду для флюида в камеры 140 и во фрактальные коллекторы 150 прежде, чем выйти из фрактальных ячеек 120. Части потоков флюида, выходящие из фрактальных коллекторов 150, объединяются в единый питающий поток и собираются.
В ещё одном варианте осуществления изобретения и как показано ФИГ. 6, фрактальное гидравлическое устройство 100" скомпоновано для работы в виде псевдоподвижного слоя (SMB). В компоновке SMB одна фрактальная ячейка 120 содержит два фрактальных распределителя 130, две камеры 140 и два фрактальных коллектора 150. Трубопровод может быть использован в виде элементов соединителя 595 в сочетании с клапанным механизмом 605 для распределения потока флюида через фрактальный блок 110. Клапанный механизм 605 содержит четыре клапана для каждой фрактальной ячейки 120: клапан для потока флюида 605', водяной клапан 605", экстракционный клапан 605"' и клапан для очищенного продукта 605"". Насос 615, например, рециркуляционный насос, может использоваться для пропускания потока флюида через фрактальное гидравлическое устройство 100". Чтобы распределить поток флюида через фрактальное гидравлическое устройство 100", также могут присутствовать вспомогательные компоненты, такие как расходные резервуары, фильтры, регуляторы давления, измерительное оборудование, оборудование для регулирования потока и микропроцессорное оборудование. Фрактальное гидравлическое устройство 100" имеет два параллельных входа и два параллельных выхода, так что поток флюида поступает во фрактальную ячейку 120 (включая два фрактальных распределителя 130, две камеры 140, и два фрактальных коллектора 150) и выходит из неё параллельными потоками.
В последующем варианте осуществления изобретения и, как показано на ФИГ. 7, фрактальное гидравлическое устройство 100'" может содержать много фрактальных блоков 110 и элементов соединителя 595, таких как трубопровод. По меньшей мере, две фрактальных блока 110 могут находиться в жидкостной связи друг с другом через трубопровод. Как показано на ФИГ. 7, две фрактальных блока 110, каждый из которых имеет восемь фрактальных ячеек 120, находятся в жидкостной связи друг с другом за счет внешнего трубопровода относительно фрактальных блоков 110. Однако, фрактальное гидравлическое устройство 100'" может содержать больше, чем две фрактальных блока 110, каждый из которых содержит больше или меньше фрактальных ячеек 120. Как показано на ФИГ. 7, фрактальные ячейки 120 каждого из фрактальных блоков 110 скомпонованы параллельно, в то время как два фрактальных блока 110 скомпонованы последовательно. В других вариантах осуществления изобретения предполагается, что элементы соединителя 595 могут быть внутренними по отношению (не показано) к фрактальным блокам 110. Также предполагается, что два фрактальных блока 110 могут быть скомпонованы параллельно (не показано).
Фрактальные гидравлические устройства 100, 100', 100", 100'" в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке могут использоваться, чтобы отделить или очистить компонент из многокомпонентного потока флюида. Например, фрактальные гидравлические устройства 100,100', 100", 100'" могут использоваться, чтобы осветлить или иным образом очистить поток флюида, содержащий много компонентов. В качестве альтернативы, фрактальные гидравлические устройства 100, 100', 100", 100'" могут использоваться, чтобы деминерализовывать поток флюида, содержащий много компонентов. Исключительно для примера, фрактальные гидравлические устройства 100, 100', 100", 100'" могут использоваться при обработке воды, пищевых продуктов и сахарозаменителей, химикатов, биомассы, возобновляемых энергоносителей, в фармацевтической, горнодобывающей или нефтеперерабатывающей промышленности.
При использовании и работе фрактальных гидравлических устройств 100, 100', 100", 100'" в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке поток флюида поступает на фрактальные пластины 205 фрактального распределителя 130 первой фрактальной ячейки и распределяется на много потоков флюида. Потоки флюида равномерно распределяются в технологическую среду для флюида камеры 140 первой фрактальной ячейки 120. По мере протекания потоков флюида через камеру 140 компоненты в потоках флюида разделяются в зависимости от взаимодействий с технологической средой для флюида, используемой в камере 140. После прохождения через камеру 140 распределенные потоки флюида протекают через фрактальные пластины 205 фрактального коллектора 150 первой фрактальной ячейки 120 и выходят из первой фрактальной ячейки 120 как единый обработанный поток флюида. Поток флюида аналогично проходит параллельную обработку через вторую и последующие фрактальные ячейки 120 таким образом, что единый обработанный поток флюида выходит из второй и каждой из последующих фрактальных ячеек 120 фрактальных гидравлических устройств 100, 100', 100", 100'". Обработанный поток флюида каждой фрактальной ячейки 120 объединяется в поток продукта, в котором требуемый компонент отделен от других компонентов потока флюида.
За счет использования фрактальных блоков 110 во фрактальных гидравлических устройствах 100, 100', 100", 100'", могут быть достигнуты повышенная производительность, уменьшенная площадь проекции, уменьшенные повышения давления и увеличенные скорости потока. Производительность фрактальных гидравлических устройств 100, 100', 100", 100'" в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке может быть задана по желанию за счет увеличения или уменьшения числа фрактальных ячеек 120 в каждом фрактальном блоке 110 и/или за счет увеличения или уменьшения числа фрактальных блоков 110 во фрактальных гидравлических устройствах 100, 100', 100", 100'". Поскольку фрактальные блоки 110 содержат много фрактальных ячеек 120, расположенных рядом друг с другом, каждая из которых содержит фрактальный распределитель 130, камеру 140 и фрактальный коллектор 150, фрактальный блок 110 может быть легко модифицирован для достижения требуемой производительности за счет включения большего или меньшего числа фрактальных ячеек 120, в зависимости от предполагаемого применения. За счет использования такой модульной конструкции фрактальные блоки 110 обеспечивают повышенную производительность для фрактальных гидравлических устройств 100, 100', 100", 100'" без необходимости увеличивать диаметр фрактальных пластин 205 или других компонентов фрактальных гидравлических устройств 100, 100', 100", 100'". Таким образом, устраняется необходимость перекомпоновывать фрактальные гидравлические устройства 100, 100', 100", 100'" для каждого требуемого изменения производительности, и фрактальные гидравлические устройства 100,100', 100", 100'" могут быть легко увеличены экономически эффективным способом.
Площадь проекции фрактальных гидравлических устройств 100, 100', 100", 100'" в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке может также поддерживаться практически на уровне одного размера, поскольку производительность фрактальных гидравлических устройств 100, 100', 100", 100'" может быть увеличена или уменьшена за счет простого добавления или удаления, соответственно, фрактальных блоков 110 или фрактальных ячеек 120. Таким образом, увеличение производительности фрактальных гидравлических устройств 100, 100', 100", 100'" не увеличивает общий размер фрактальных гидравлических устройств 100, 100', 100", 100'" как это требуется для традиционного оборудования. Поскольку увеличенная производительность обработки обеспечивается за счет дополнительных фрактальных ячеек 120 и/или фрактальных блоков 110, обеспечивается одна и та же площадь обработки в объеме, который занимает маленькая площадь проекции, а фрактальные ячейки 120 и/или фрактальные блоки 110 обеспечивают гибкое и эффективное использование пространства. Также, не нужна дополнительная механическая опора для фрактальных гидравлических устройств 100, 100', 100", 100'" , поскольку размеры и вес фрактальных пластин 205 или других компонентов фрактальных гидравлических устройств 100, 100', 100", 100'" не увеличиваются по мере роста требуемой производительности. В противоположность этому, если требуется дополнительная производительность для традиционного оборудования, то традиционное оборудование должно быть повторно спроектировано путем увеличения диаметра пластин, которые увеличивают давления внутри традиционного оборудования, увеличивают площадь проекции традиционного оборудования и увеличивают размеры и вес традиционного оборудования.
За счет использования фрактальных блоков 110, увеличения давления во фрактальных гидравлических устройствах 100, 100', 100", 100'" также уменьшаются или исчезают, поскольку нет необходимости соответственно увеличивать диаметр фрактальных пластин 205 или других компонентов фрактальных гидравлических устройств 100, 100', 100", 100'". Также возможны увеличенные скорости потока для потока флюида через фрактальный блок 110 относительно скорости потока через традиционное оборудование за счет большого уменьшения в линейной скорости потока флюида и большого уменьшения в перепаде давления в пределах камеры 140. Кроме того, канализация флюида и турбулентность, которые являются обычными проблемами для традиционного оборудования при увеличении скоростей потока в соответствии с вариантами осуществления изобретения в данной заявке не наблюдаются с фрактальными гидравлическими устройствами 100, 100', 100", 100'".
После ознакомления с данным раскрытием изобретения специалист обычной квалификации сможет уверенно реализовать и использовать данное изобретение.
Хотя раскрытие изобретения и доступно для различных модификаций и альтернативных форм, конкретные варианты осуществления изобретения были представлены посредством примера в чертежах и подробно описаны в данной заявке. Однако, раскрытие изобретения не предназначено для того, чтобы быть ограниченным конкретными раскрытыми формами. Скорее, раскрытие изобретения применимо для того, чтобы охватить все модификации, эквиваленты и альтернативы, попадающие в объем данного документа, как это определено прилагаемой ниже формулой изобретения и её установленными законодательством эквивалентами.
Реферат
Изобретение относится к фрактальным гидравлическим устройствам и способам отделения или очистки компонента (или компонентов) многокомпонентного потока флюида с использованием фрактальных гидравлических устройств. Фрактальное гидравлическое устройство содержит по меньшей мере один фрактальный блок, причем по меньшей мере один фрактальный блок содержит по меньшей мере две фрактальные ячейки, причем каждая фрактальная ячейка содержит фрактальный распределитель, камеру, примыкающую к фрактальному распределителю, и содержит технологическую среду для флюида и фрактальный коллектор, примыкающий к камере, фрактальный распределитель одной фрактальной ячейки из по меньшей мере двух фрактальных ячеек удерживается в непосредственном контакте по меньшей мере с одним фрактальным коллектором другой фрактальной ячейки из по меньшей мере двух фрактальных ячеек посредством одного или нескольких крепежных элементов и по меньшей мере две фрактальные ячейки содержат заплечики, обеспечивающие возможность размещения по меньшей мере двух фрактальных ячеек в горизонтальном направлении на опорной конструкции. Изобретение обеспечивает эффективность технологического процесса. 2 н. и 28 з.п. ф-лы, 7 ил.
