Многоцелевой проточный модуль
Изобретение относится к многоцелевому проточному модулю и может использоваться для осуществления экстракции, реакции, разделения, перемешивания при изготовлении химикатов, лекарственных препаратов, химических продуктов тонкого органического синтеза. Проточный модуль содержит потоковые пластины, и/или пластины теплообменника, сложенные друг с другом. Потоковая пластина имеет канал потока и одно или несколько соединительных отверстий. К каждой потоковой пластине или пластине теплообменника можно прикрепить одну или несколько барьерных пластин. Технический результат состоит в повышении эффективности работы модуля, улучшении характеристик теплопереноса с возможностью регулирования температуры. 5 н. и 21 з.п. ф-лы, 25 ил.
Настоящее изобретение относится к многоцелевому проточному модулю, а также к способу для осуществления экстракции, реакции, разделения, перемешивания, или их комбинаций в многоцелевом проточном модуле и к применению многоцелевого проточного модуля.
Предпосылки создания изобретения
Примеры реакционных аппаратов непрерывного действия, в которых имеется непрерывный поток веществ или реагентов в реактор и непрерывный потоке веществ или продуктов из реактора, раскрыты в WO 2004/089533, WO 03/082460, EP 1123735 и EP 0701474 B1. Существуют различные отличительные признаки, которые являются важными для проточных модулей, такие как гибкость при настройке, конфигурация потока, особенности перемешивания, регулировка температуры, мониторинг, продолжительность пребывания, и т.д.
Поэтому при проектировании и конструировании многоцелевых проточных модулей приходится преодолевать множество проблем, например, связанных с протеканием, облегчением визуального контроля, очисткой путей потоков, адаптацией технологических потоковых путей к получению желаемой продолжительности пребывания потока для данной скорости, с доступом к технологическому потоку в середине реактора, с конфигурацией теплообмена в потоке, с выпуском растворенного газа из модуля, с перемешиванием текучих сред и т.д.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является обеспечение универсального замысла многоцелевого проточного модуля, адаптируемого к желательным процессам.
Другой задачей является обеспечение многоцелевого проточного модуля, который обладает хорошим удобством в обслуживании, и легок в обращении, и т.д.
Еще одной задачей является обеспечение многоцелевого проточного модуля, обладающего хорошими характеристиками теплопереноса и возможностью регулирования температуры.
Еще одной задачей является обеспечение многоцелевого проточного модуля, обладающего характеристиками потока жидкости, пригодными для химических реакций, экстракции, сепарации, и т.д.
Изобретение
Следовательно, настоящее изобретение представляет собой решение вышеуказанных проблем путем обеспечения сконструированного на плоскости многоцелевого проточного модуля, имеющего небольшие размеры, состоящего из наращиваемых и соединяемых снаружи или внутри «двумерных» секций, где каждую секцию можно открыть для обнаружения потоковых путей, каналов, канавок или проходов для одной или нескольких текучих сред, здесь и далее называемых каналами потока, причем каналы потока могут иметь любой подходящий шаблон или плотно упакованные шаблоны на пластине, содержащей поток. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает адаптивный и перестраиваемый многоцелевой проточный модуль, состоящий из наращиваемых и соединяемых снаружи или внутри секций, имеющих канал потока для протекания непрерывного потока веществ в модуль и протекания непрерывного потока веществ или продуктов из модуля. Многоцелевой проточный модуль является наращиваемым, причем как горизонтально, так и вертикально.
Таким образом, настоящее изобретение относится к многоцелевому проточному модулю, содержащему потоковые пластины и/или пластины теплообменника, уложенные друг на друга, где потоковая пластина имеет канал потока и одно или несколько соединительных отверстий. К каждой потоковой пластине или к пластине теплообменника можно прикрепить одну или несколько барьерных пластин. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу для осуществления экстракции, реакции перемешивания или их сочетаниям в многоцелевом проточном модуле и к использованию многоцелевого проточного модуля.
Каждая секция многоцелевого проточного модуля может содержать потоковую пластину, имеющую канал потока для технологических жидких материалов, и одну или более барьерных пластин или одну или несколько торцевых пластин. В модуле может присутствовать одна или более потоковых пластин, установленных на одной, или нескольких потоковых пластин или, по меньшей мере, между двумя потоковыми пластинами, разделенными, по меньшей мере, двумя пластинами. Секции могут иметь собственные каналы потока, соединенные последовательно или параллельно друг другу.
Согласно альтернативному варианту воплощения изобретения проточный модуль может содержать потоковые пластины, барьерные пластины, торцевые пластины, нажимные пластины и, в конце концов, прокладки, образующие потоковую секцию. Одну или несколько потоковых секций можно расположить таким образом, чтобы каналы потока были соединены последовательно или параллельно друг другу. Таким образом, многоцелевой проточный модуль содержит, по меньшей мере, одну потоковую секцию, и можно соединить (по выбору) одну или несколько теплообменных секций с любой из потоковых секций. Теплообменная секция может содержать пластину теплообменника и одну или несколько барьерных пластин или торцевые пластины, соединенные друг с другом. Потоковые секции и/или теплообменную секцию можно соединять с помощью внешних средств или внутренних средств.
Согласно альтернативному варианту настоящего изобретения проточный модуль может содержать, по меньшей мере, одну объединенную потоковую секцию, которая является отдельной секцией. Объединенная потоковая секция содержит потоковую пластину и пластину теплообменника, изготовленные в виде одного изделия, имеющего канал потока в части этой одной детали, представляющей собой потоковую пластину и зону теплообменника в части детали, представляющей собой пластину теплообменника. Канал потока имеет один вход и один выход, соединенный с концами канала. Одно или несколько соединительных отверстий установлены вдоль, по меньшей мере, одной внешней боковой поверхности объединенной потоковой секции, сообщающейся с каналом потока. Прокладка и пластина расположены на стороне потоковой пластины для уплотнения канала потока. Встроенный элемент согласно одному альтернативному варианту и пластина расположены на стороне пластины теплообменника для герметизации теплообменной зоны потоковой секции. Канал потока объединенной потоковой секции имеет одну или несколько зон смешения в форме изгибов или искривленных зон. Согласно альтернативному варианту зоны смешения присутствуют в форме углов на изгибах или в искривленных зонах канала потока.
Согласно другому альтернативному варианту настоящего изобретения потоковая секция или объединенная потоковая секция может содержать потоковую пластину, одну или несколько барьерных пластин, прокладки, торцевые пластины и одну или несколько пластин теплообменника, и каждую потоковую секцию можно соединить с другой потоковой секцией или другой объединенной потоковой секцией и складывать их друг с другом, при наличии каналов потока, соединенных последовательно или параллельно друг другу. Таким образом, многоцелевой проточный модуль содержит одну или несколько потоковых секций, прикрепленных друг к другу с помощью внешних средств или внутренних средств.
Согласно другому альтернативному варианту настоящего изобретения многоцелевой проточный модуль может содержать большее количество секций потоковых пластин, барьерных пластин и/или прокладок, чем количество секций, имеющих одну или несколько пластин теплообменника, в которых каждую секцию можно прикреплять к другой секции и складывать их друг с другом, притом, что их каналы потоков соединены последовательно или параллельно друг другу. Таким образом, многоцелевой проточный модуль содержит одну или несколько секций потоковых пластин и одну или несколько секций пластин теплообменника, прикрепленных друг к другу с помощью внешних средств или внутренних средств.
Согласно другому альтернативному варианту настоящего изобретения многоцелевой проточный модуль может содержать меньшее количество секций потоковых пластин, барьерных пластин, торцевых пластин, и, наконец, прокладок, чем количество секций, имеющих одну или несколько пластин теплообменника, в которых каждую секцию можно соединять с другой секцией и складывать друг с другом, притом что их каналы потоков соединены последовательно или параллельно друг другу. Таким образом, многоцелевой проточный модуль содержит одну или несколько секций потоковых пластин и две или несколько секций пластин теплообменника, прикрепленных друг к другу с помощью внешних или внутренних средств.
Согласно другому альтернативному варианту настоящего изобретения многоцелевой проточный модуль может содержать то же количество секций пластин потоковых путей, что и количество секций пластин теплообменника. Каждую секцию можно прикреплять к другой секции и складывать их друг с другом при наличии того, что их каналы потоков соединены последовательно или параллельно друг другу и прикреплены друг к другу с помощью внешних или внутренних средств.
Потоковая пластина, согласно изобретению, может содержать канал потока для жидких веществ, причем канал потока может быть прорезанным, вырезанным в пластине, содержащей поток, углубленным в потоковую пластину, вдавленным в потоковую пластину, выгравированным в потоковой пластине или полученным путем сочетания всего перечисленного согласно заданным технологиям. Канал потока может представлять собой двухкоординатную модель в пластине, содержащей поток. Канал потока может быть удлиненным, насколько возможно в плотно упакованном образце, укороченным, насколько возможно, или иметь любую подходящую длину в пластине, содержащей поток, в зависимости от желаемого времени пребывания потока, скорости потока, времени протекания реакции, и т.д. Длину канала потока можно оптимизировать и проектировать для соответствия желаемому процессу. Шаблон канала потока может иметь форму, например, лабиринт, зигзагообразную линию, спиралевидный канал или любую другую подходящую форму. Входное и выходное отверстия соединяют с каждым концом канала потока в каждой пластине, содержащей поток. Многоцелевой проточный модуль можно сконструировать из пластин с различным размером канала потока, имеющегося на различных пластинах. Длина канала потока может быть различной, а канал может быть длинным или коротким. Канал может также изменяться, в зависимости от того, какова должна быть ширина канала на каждой пластине. Одна пластина может иметь широкий канал, а другая может иметь более узкий канал, в зависимости от применения и т.п.
Каналы потока могут иметь площадь сечения, по меньшей мере, 0,1 мм2. Согласно одному альтернативному варианту воплощения, площадь сечения может составлять, по меньшей мере, 0,5 мм2. Согласно другому альтернативному варианту воплощения изобретения площадь сечения может составлять, по меньшей мере, 1 мм2. Площадь сечения может быть достаточно большой, например, 1000 мм2 или 10000 мм2, но для желательного процесса приемлем любой размер. Согласно одному альтернативному варианту воплощения площадь сечения канала потока может находиться в диапазоне примерно 0,5-100 мм2. Согласно другому альтернативному варианту воплощения изобретения площадь сечения канала потока может находиться в диапазоне примерно 1-75 мм2.
Вдоль внешних боковых поверхностей потоковой пластины соединительные отверстия могут быть выполнены между внешней боковой поверхностью потоковой пластины и каналом потока, по меньшей мере, на одной стороне, на двух сторонах, на трех сторонах, или на всех четырех сторонах потоковой пластины. Соединительные отверстия могут иметь функциональные назначения любого типа - это могут быть, например, входные отверстия для реагентов, входные отверстия для других или дополнительных жидкостей, входные отверстия для любых других сред, необходимых для желательных процессов, выходные отверстия для технологических жидкостей, выходные отверстия для промежуточных продуктов, подаваемых в канал потока на последней стадии, выходные отверстия для опытных образцов технологических жидкостей из канала потока, выходные отверстия для образцов, непрерывно анализируемых в режиме реального времени, или для образцов шихты, анализируемых с помощью спектрометров ультрафиолетового излучения (УФ-спектрометров), спектрометров инфракрасного излучения (ИК-спектрометров), газовой хроматографии, масс-спектрометров (МС), ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), и т.д. для идентификации промежуточных продуктов или веществ и для контроля эффективности процесса в соответствии с «Аналитической Технологией Процесса» (Process-Analytic-Technology, PAT). Соединительные отверстия могут являться всевозможными портами блоков датчиков, термоэлементов и т.д., соединенных с каналом потока для передачи информации на компьютер или на регулирующее устройство. Соединительные отверстия также можно закупоривать, когда они не используются, если нет необходимости в осуществлении конкретных функций, связанных с каналом потока, или можно снабжать соединительные отверстия предохранительными устройствами для сброса давления, срочного или регулируемого. Согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения одно или несколько соединительных отверстий могут быть заливочными отверстиями или отверстиями для диспергирования.
Материал потоковой пластины можно выбрать из любого коррозионно-стойкого материала. Материал может представлять собой нержавеющую сталь, сплавы на основе железа, сплавы на основе никеля, титан, титановые сплавы, тантал, сплавы тантала, сплавы на основе молибдена, цирконий, циркониевые сплавы, стекло, кварц, графит, армированный графит, полиэфирэфиркетон (PEEK), полипропилен (PP), политетрафторэтилен (PTFE) и т.д. или же материал проточной секции может представлять собой мягкий материал, такой как мягкий PEEK, PP, PTFE, и т.д., или Viton®, Teflon®, Kalrez®, и т.д., и, таким образом, из многоцелевого проточного модуля можно исключить прокладки.
Согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения нажимная пластина может иметь шаблон, соответствующий канал потока, охватывающий канал потока и действующий на прокладку, герметизируя потоковые пластины.
Согласно другому альтернативному варианту воплощения изобретения вдоль периферии канала потока можно установить выступающие зоны на каждой стороне вблизи канала потока для облегчения изоляции с помощью прокладки потоковой пластины от торцевой пластины, или от барьерной пластины, или от пластины теплообменника, для предотвращения протекания.
Прокладка может закрывать или герметизировать потоковую пластину для предотвращения протекания, причем прокладку устанавливают таким образом, чтобы она покрывала или закрывала канал потока от торцевой пластины, от барьерной пластины или от пластины теплообменника.
Прокладка может быть изготовлена из более мягкого материала, чем материал пластины, содержащей поток. Таким образом, выступы вдоль канала потока или нажимная пластина обеспечивают контактное давление, достаточное для изоляции пластины, содержащей поток, от торцевой пластины, барьерной пластины, другой пластины, содержащей поток, или от пластины, содержащей теплообменник.
Прокладка может представлять собой плоский лист или многослойный лист соответствующего материала, и примером такого материала может быть многослойный пенополитетрафторэтилен (expanded polytetrafluoroethylene, ePTFE), политетрафторэтилен (polytetrafluoroethylene, PTFE), перфторэластомеры или фторэластомеры, полиэфирэфиркетон (polyetheretherketone, PEEK), полипропилен (polypropene, PP), и т.д. Материал прокладки может быть мягким материалом, таким как мягкий PEEK, PP, PTFE, и т.д., или Won®, Teflon®, Kalrez®, и т.д. или же прокладка может представлять собой металлические уплотнительные кольца или уплотнительные элементы из подходящего металлического материала. Материал прокладки должен обладать хорошей химической стойкостью, в зависимости от процесса, но если для процесса не требуется хорошая химическая стойкость, то достаточно и других материалов. Материал прокладки может быть мягким, пока силы зажима не закроют структуру, и, кроме того, материал может быть деформируемым с очень небольшим боковым расширением. Таким образом, прокладка может заполнять любые неоднородности в уплотняемых поверхностях. Согласно одному альтернативному варианту воплощения прокладка может иметь форму, соответствующую каналам потока, сформированную, например, печатающим устройством, или же прокладку можно сжимать внешними силами до достижения заданной формы для минимизации утолщений прокладки в канале потока, что приводит к тому, что поперечное сечение остается тем же, а абсорбция жидкости в прокладке снижается.
В качестве альтернативного варианта мембрану можно вставлять между уплотняемыми поверхностями. Многоцелевой проточный модуль может содержать, по меньшей мере, одну барьерную пластину или, по меньшей мере, одну прокладку, представляющую собой мембрану согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения. Согласно другому альтернативному варианту на поверхность прокладки или в канал потока можно добавлять катализатор.
Барьерные пластины могут обладать удельной электропроводностью для обеспечения теплопереноса к пластине, содержащей поток, или от нее, или же барьерная пластина может играть роль изолятора и, таким образом, изолировать пластину, содержащую поток. Барьерная пластина может находиться по одну сторону от прокладки, причем барьерная пластина может обладать теплопроводностью, обеспечивающей теплоперенос через прокладку, например, от соседней пластины, содержащей теплообменник, от соседней пластины, содержащей поток, или от них обеих, к пластине, содержащей поток, находящейся по другую сторону от прокладки, или же барьерная пластина может представлять собой изолятор и изолировать пластину, содержащую поток, и прокладку от других источников теплопереноса.
Барьерные пластины физически отделяют технологические жидкости пластины, содержащей поток, от теплопроводящей жидкости пластины, содержащей теплообменник, от технологической жидкости, протекающей по другой пластине, содержащей поток, или от них обеих. Барьерные пластины могут быть объединены или постоянно прикреплены к пластинам, содержащим поток, пластинам, содержащим теплообменник, или к ним обеим, например, путем пайки, сварки, склеивания или их сочетаний.
Согласно одному варианту воплощения изобретения барьерные пластины могут герметизировать или закрывать с обеих сторон пластину, содержащую поток, пластину, содержащую теплообменник, или и ту, и другую.
Барьерные пластины могут быть изготовлены из любого коррозионно-стойкого материала, - металла, пластмассы, полимерного материала, керамики, стекла, и т.п. Барьерные пластины или покрывающие пластины можно выбрать из нержавеющей стали, сплавов на основе железа, сплавов на основе никеля, титана, сплавов титана, тантала, сплавов тантала, циркония, сплавов циркония, сплавов на основе молибдена, любых коррозионно-стойких сплавов, стекла, кварца, графита, армированного графита, PEEK, PP, PTFE, и т.д.
Пластина, содержащая теплообменник, может быть безжидкостной теплопроводящей пластиной, может быть элементом Пельтье, может иметь впадины, каналы или выемки, может иметь прорезанную область, покрывающую зону канала потока пластины, содержащей поток, или может иметь прорезанные каналы.
Любой канал, углубление, впадина или прорезанная область может иметь ребра, крылья, структурированный упаковочный материал, металлические пены, и т.д., что повышает поверхность теплопередачи и усиливает турбулентность теплообменной жидкости, повышая теплопередачу согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения.
Пластина, содержащая теплообменник, может быть объединена или постоянно прикреплена к барьерной пластине, прикрепленной к пластине, содержащей поток, путем пайки, сварки, склеивания или их сочетаний согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения. Согласно другому альтернативному варианту воплощения изобретения каждая пластина, содержащая теплообменник, может иметь барьерные пластины, защитные пластины или одну барьерную пластину и одну защитную пластину на каждой стороне пластины, содержащей теплообменник, причем эти пластины могут быть постоянно прикреплены к пластине, содержащей теплообменник, путем пайки, сварки, склеивания или их комбинаций.
Согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения пластина, содержащая теплообменник, может быть постоянно прикреплена к барьерным пластинам на каждой стороне пластины, содержащей теплообменник.
Пластины, содержащие теплообменник, могут быть изготовлены из любого коррозионно-стойкого материала, например, из нержавеющей стали, сплавов на основе железа, сплавов на основе никеля, титана, сплавов титана, тантала, сплавов тантала, сплавов на основе молибдена, циркония, сплавов циркония, стекла, кварца, графита, армированного графита, PEEK, PP, PTFE, и т.д.
Согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения, входное и выходное отверстие можно соединить с каждым концом пластины, содержащей теплообменник.
Согласно другому альтернативному варианту воплощения во входное и выходное отверстия могут быть помещены датчики или термоэлементы.
Согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения пластина, содержащая теплообменник, может иметь прорезанные каналы, выемки или углубления, которые входят во входную трубу, выходную трубу или и ту, и другую, на противоположных сторонах трубы, содержащей теплообменник. Входная труба, выходная труба или они обе имеют встроенные датчики, встроенные термоэлементы, или и те, и другие, которые предназначены для мониторинга процесса, для генерирования сигналов, анализируемых, например, с помощью компьютера, или аналогичного устройства, или их обоих.
Пластины, содержащие поток, пластины, содержащие теплообменник, барьерные пластины, покрывающие пластины и торцевые пластины можно изготавливать из одинакового материала или из разных материалов, а материал или материалы можно выбрать из любых коррозионно-стойких материалов - металла, стекла, керамики, графита, армированного графита, полимера, пластмассы, и т.д. Согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения материал или материалы можно выбрать из нержавеющей стали, сплавов на основе железа, сплавов на основе никеля, титана, сплавов титана, тантала, сплавов тантала, сплавов на основе молибдена, циркония, сплавов циркония, стекла, кварца, графита, армированного графита, PEEK, PP, PTFE, и т.д., или их сочетаний.
Когда материал, используемый в многоцелевых проточных модулях, изготовлен из металла или из сплава, то части модуля можно сваривать друг с другом, спаивать, склеивать их путем металлизации или использовать для их соединения сочетания вышеперечисленного. При спаивании частей, твердый припой можно выбрать из твердого припоя на основе железа, твердого припоя на основе никеля, твердого припоя на основе меди или из любых других подходящих материалов, аналогичных материалу, используемому в многоцелевом проточном модуле.
Многоцелевой проточный модуль можно регулировать и/или контролировать с помощью термоэлементов, электродов, различных датчиков, приспособленных для генерирования различных рабочих, соответствующих определенным свойствам желательных жидкостей или процессов, или их сочетаний. Рабочие сигналы можно вычислять с помощью компьютера или любых других средств вычисления генерированных управляющих сигналов, с помощью которых можно автоматически контролировать прикладные процессы, химические реакции или оптимизировать скорости потока, температуру, газовыделение, введение вещества, давление, дисперсию и т.д., или их сочетания и, таким образом, оптимизировать желательный процесс и получение продуктов на выходе из многоцелевого проточного модуля.
Все соединительные муфты между выходными и входными каналами пластин, содержащих поток, или между выходными и входными каналами пластин, содержащих теплообменник, должны быть герметичными и безопасными, чтобы не было протекания. На рынке существует несколько различных типов соединительных муфт, которых может быть достаточно. Согласно одному альтернативному варианту воплощения соединительная муфта может быть секционированной зажимной муфтой, которая имеет две половины и два винта. Диаметр и глубина секционированной зажимной муфты могут быть слегка большими, чем внешний диаметр вкладыша. Зажим можно сделать в виде двух идентичных половин или в виде двух зеркальных половин, с двумя винтами на одинаковых сторонах частей разъема или на противоположных сторонах частей разъема. Между половинками муфты или между каждой половинкой и трубой может быть создана контактная поверхность, что возможно благодаря тому, что осевые линии винтов выступают из плоскости герметизации. Согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения винты можно крепить к половинкам зажимной муфты с помощью некоторых стопорных средств, таких как стопорное кольцо, клин и т.п., например, через резьбовые отверстия.
При создании тонкой дисперсии путем введения управляемым и безопасным способом в технологический поток, текущий по каналу, несмешивающейся жидкости на высокой скорости, крайне важно, чтобы форсунка имела адекватную конструкцию. Сконструированная форсунка может представлять собой распылитель или инжектор. Форсунка может быть подогнана к любому из соединительных отверстий между боковыми поверхностями пластины, содержащей поток, и канала потока или же форсунку можно поместить рядом с входным отверстием канала потока или на входе в канал потока, где технологический поток входит в канал. Через форсунки можно одновременно подавать одну или несколько несмешиваемых жидких фаз. Сконструированная форсунка может представлять собой распылитель, имеющий наконечник в форме закрытой трубки с одной зоной отверстия в закрытом конце, диаметр отверстия которого обозначен как D, или с несколькими n отверстиями, где диаметр D соответствует общей площади отверстий, деленой на количество отверстий n форсунки, и этот диаметр значительно больше, чем длина или глубина (T) отверстия в форсунке (см. Фигуру 17), и это соотношение можно выбрать таким образом, чтобы длина отверстия была много меньше диаметра отверстия (T«D). При использовании распылителя, капельки будут разбрызгиваться из распылителя и образовывать конус из капелек в технологическом потоке. Размер образующихся капелек зависит от разности давлений у самого выхода из форсунки и в канале основного потока. Если длина (T) отверстия больше, то создать желаемое давление в данной точке будет очень трудно.
Для форсунок небольших размеров длина (T) и диаметр (D) будут очень малы, что накладывает ограничения на изготовление. Благоприятным способом создания такой форсунки является, например, применение гравирования, лазерной прошивки или сверления микроотверстий на тонкой пластине, которую затем подвергают орбитальной лазерной или электроннолучевой сварке с трубой. С помощью форсунки можно создавать капельки, и размер капелек будет зависеть от потока выбранного диаметра форсунки.
Для усиления потока через одну форсунку можно создать более широкое отверстие или сделать несколько отверстий в форсунке. При использовании нескольких небольших отверстий вместо одного большого отверстия можно получить маленькие капельки. Чтобы убедиться в наличии одинаковых состояний давления в каждом отверстии, целесообразно расположить отверстия осесимметрично относительно главной оси трубы, к которой приварена форсунка путем орбитальной сварки. Это может быть несколько рядов отверстий, расположенных по концентрическим окружностям. Размер отверстий можно выбрать в соответствии со скоростями потока согласно радиусу концентрической окружности или скорости течения текучей среды, вытекающей из отверстий. Распыление веществ из форсунки можно осуществлять в импульсном режиме, непрерывно, или распылять его с интервалами, специально подобранными для применения в многоцелевом проточном модуле.
Для подачи и нагнетания текучей среды к форсунке можно подключить насос. Текучую среду можно будет распылять из форсунки в конусообразном виде. Насос может либо непрерывно нагнетать текучие среды к форсунке либо подавать их к форсунке в импульсном режиме. Импульсы можно генерировать, например, путем регулирования рабочего цикла насоса или с помощью клапана в питающем трубопроводе, ведущем к форсунке. Насос соответствующим образом контролируют для поддержания заданного уровня давления. Если форсунка работает в импульсном режиме согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения, то очень важно, чтобы объем между форсункой и импульсным клапаном не изменялся с изменением давления. Рабочий цикл клапана, т.е. время, когда он находится в открытом состоянии, которое меньше или равно 100% от общего времени периода работы и не равно 0%, можно регулировать для достижения заданной скорости потока, что можно наблюдать ниже.
1. Время периода работы.
2. 5V = клапан открыт.
3. 0V = клапан закрыт.
4. Время нахождения клапана в открытом состоянии.
5. Рабочий цикл = Время нахождения клапана в открытом состоянии / Время периода работы.
Форсунка может функционировать при импульсном или неимпульсном режиме, и может использоваться для создания жидкостных аэрозолей при заданной средней скорости потока.
Размер форсунки был выбран для достижения достаточной скорости потока при имеющемся давлении, а уровень давления был установлен для достижения требуемого размера капель. Это означает, что размер капель можно регулировать путем изменения давления на выходе насоса при постоянной скорости потока. Скорость работы насоса контролировалась для достижения заданной скорости потока через открытый клапан, т.е. скорости при неимпульсном режиме.
Любой газ, содержащийся или полученный в технологической текучей среде, можно удалять из канала потока через каналы в прокладке - от мембранной поверхности к краю прокладки. Систему дегазации можно соединить с выходным отверстием канала потока, с входным отверстием канала потока, или с ними обоими, или можно соединить систему дегазации с соединительными деталями на боковых поверхностях пластин, содержащих поток. С многоцелевым проточным модулем можно соединять систему дегазации любого типа.
Устройства для сброса давления можно соединять с любым количеством соединительных отверстий, или с входом канала потока, с выходом канала потока, или между выходной и входной частью потока. Сброс давления может быть активным или пассивным. Устройство для пассивного сброса давления может представлять собой перфорированную фольгу, но можно использовать любое подходящее устройство для пассивного сброса давления. Устройство для активного сброса давления может представлять собой насосные секции в любом количестве для охлаждения материалов и веществ, которые могут функционировать по команде с компьютера, снабженного программой управления и контроля. Другим активным устройством для сброса давления может быть устройство для регулирования потока теплообменных жидкостей, которое также может функционировать по команде с компьютера, снабженного программой управления и контроля. Еще одно устройство для активного сброса давления может представлять собой устройство для регулирования потока для технологических материалов или для добавленных материалов, которые также могут функционировать по команде с компьютера, снабженного программой управления и контроля.
В лабораторных условиях для запуска экспериментов можно использовать многоцелевой проточный модуль, в котором важным качеством является его универсальность. Многоцелевой проточный модуль можно использовать в качестве опытной установки, в качестве многоцелевого проточного модуля натуральных размеров или в качестве спроектированного проточного модуля натуральных размеров. Многоцелевой проточный модуль можно использовать в качестве реактора, экстрактора, разделительного устройства, смесительного аппарата и т.д. для спроектированного процесса или их сочетаний.
Здесь и далее будет описано принципиальное функционирование многоцелевого проточного модуля. Конструкцию каналов потока подходящим образом изготавливают для желаемого процесса в целях его универсальности. Для многих процессов является предпочтительным, чтобы смешивание смешивающихся жидкостей при желательной скорости потока приводило к однородному микроперемешиванию во временных рамках, соответствующих желательному падению давления в пределах пластины. Поэтому канал потока каждой пластины, содержащей поток, потоковой секции имеет компактную конструкцию, а длину каждого канала проектируют в целях соответствия проточному модулю. Канал потока имеет одну или несколько зон смешения в форме изгибов или искривленных зон. Зоны смешения могут иметь форму углов в изгибах или искривленных зон в канале потока согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения. Зоны смешения могут быть зонами микроперемешивания. Конструкция многоцелевого проточного модуля обеспечивает хорошую теплопередачу, что благоприятствует регулированию режима химических реакций, перемешиванию жидкостей, экстракции, и т.д. Высокая теплопередача возникает из сочетания традиционной конвекционной теплопередачи в технологическую жидкость и теплоотдачи путем теплопроводности через теплопроводный материал многоцелевого проточного модуля. Сочетание хорошего перемешивания и перераспределения жидкости по каналу потока и высоких скоростей теплопередачи будет обеспечивать исключительное терморегулирование жидкой среды.
Многоцелевой проточный модуль может функционировать при нормальном и повышенном давлении, например, за счет введения клапана-ограничителя нисходящего потока. Текущее максимальное давление будет различным для различных прокладочных материалов и может изменяться в зависимости от выбранной конструкции и выбранного материала многоцелевого проточного модуля.
Другим свойством, характерным для многоцелевого проточного модуля для некоторых желаемых процессов, является распределение времени пребывания, причем распределение времени пребывания зависит от других свойств, таких как диапазон скоростей потока, вязкостей жидкости, и т.д.
Неламинарный поток устанавливается при более низкой скорости потока в канале потока многоцелевого проточного модуля согласно изобретению, чем, например, в гладком трубопроводе, имеющем круглое поперечное сечение с такой же площадью. Режим потока внутри канала потока одинаков при низких и высоких скоростях потока. Это не относится к случаю с гладким трубопроводом. При низких скоростях потока объемное или макромасштабное перемешивание в канале потока многоцелевого проточного модуля согласно изобретению происходит сильнее или быстрее или и то, и другое, чем в гладком трубопроводе. Многоцелевой проточный модуль, работающий в лабораторном масштабе, экспериментальном масштабе или в производственном масштабе обладает одинаковыми свойствами потока, а также, таким образом, режимами потока, а следовательно, и механизмы перемешивания аналогичны.
Эксплуатация многоцелевого проточного модуля согласно изобретению включает в себя создание потока вытеснения в канале потока, содержащегося в модуле, и этот поток устанавливается за счет неламинарного потока. Поток материала в канале потока подвергается перемешиванию вследствие конструкции канала потока с образованием больших и малых завихрений в веществах, образующих поток. Конструкция канала для более интенсивного потока приводит к большей турбулентности в потоке жидкости. Принцип потока вытеснения для каждой капли, частицы, молекулы, и т.д. гласит «первым вошел - первым вышел» для каждого участка потока.
Многоцелевой проточный модуль согласно альтернативному варианту изобретения можно использовать для осуществления экстракции, реакции, перемешивания или их сочетаний, а способ эксплуатации модуля включает в себя введение первого текущего вещества в канал потока через одно или несколько входных отверстий, с перемещением первого текущего вещества по каналу потока, введение (по выбору) одного или нескольких дополнительных веществ в первое текущее вещество через одно или несколько дополнительных соединительных отверстий, при регулировании потока веществ, скоростей потока, времени пребывания или их сочетаний с помощью входных распылителей, входных клапанов, выходных клапанов или их сочетаний, причем входные распылители, входные клапаны, выходные клапаны или их сочетания регулируются модулированными сигналами с одного или нескольких блоков датчиков, а измерение температур осуществляется с помощью одного или нескольких термоэлементов, а регулирование теплопереноса осуществляется с помощью одной или нескольких пластин, содержащих теплообменник.
Согласно другому альтернативному варианту воплощения изобретения способ для экстракции, для осуществления реакции, для перемешивания или для их сочетаний в многоцелевом проточном модуле включает в себя введение первых веществ потока в канал потока через одно или несколько входных отверстий, с переносом первых веществ потока по каналу потока, с введением (необязательно) одного или нескольких дополнительных веществ через одно или несколько дополнительных соединительных отверстий, что приводит к созданию потока вытеснения веществ в канале потока.
Способ может состоять в том, что поток веществ в канале потока регулируется для создания потока вытеснения веществ через многоцелевой проточный модуль. Поток вытеснения можно создать с помощью зон смешения.
Один или несколько блоков датчиков могут посылать сигналы на компьютер или на блок обработки данных, а компьютер или блок обработки данных регулируют и посылают информацию в блоки регулирования потока и в блоки регулирования температуры.
Многоцелевой проточный модуль можно использовать в качестве реактора, экстрактора или смесителя, или для приготовления химических веществ или продуктов для лекарственных препаратов, или продуктов, которые используют в качестве лекарственных препаратов, или же модуль можно использовать для приготовления химикатов специального назначения.
Многоцелевой проточный модуль можно использовать в качестве лабораторного оборудования, опытной установки или технологического оборудования полномасштабного производства.
В дальнейшем изобретение будет разъяснено с использованием Фигур 1-25. Фигуры приведены в целях демонстрации изобретения и не должны рассматриваться как ограничение его объема.
Краткое описание чертежей
На Фигуре 1 показана пластина, содержащая поток, имеющая канал потока согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения.
На Фигуре 2 показана пластина, содержащая поток, имеющая канал потока согласно другому альтернативному варианту воплощения изобретения.
На Фигуре 3 показана пластина, содержащая поток, имеющая канал потока согласно другому альтернативному варианту воплощения изобретения.
На Фигуре 4 показан изгиб на канале потока согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения.
На Фигуре 5 показана потоковая секция согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения, имеющая пластину, содержащую поток, расположенную поверх пластины, содержащей теплообменник.
На Фигуре 6 показана батарея секций согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения.
На Фигуре 7 показана потоковая секция согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения, содержащая одну прокладку, одну пластину, содержащую поток, две барьерные пластины на обеих сторонах пластины, содержащей теплообменник, и подробно представленный канал потока, имеющий выступающие зоны.
На Фигуре 8 показана пластина, содержащая поток согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения.
На Фигуре 9 показана пластина, содержащая теплообменник согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения.
На Фигуре 10 показано поперечное сечение входной трубы или выходной трубы, имеющей пластину, содержащую теплообменник, вставленную согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения.
На Фигуре 11 показана пластина, содержащая поток, герметизированная прокладкой.
На Фигуре 12 показана нажимная пластина для герметизации пластины, содержащей поток, наряду с прокладкой согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения.
На Фигуре 13 показана зажимная муфта согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения.
На Фигуре 14 показано поперечное сечение зажимной муфты согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения.
На Фигуре 15 показан вид сбоку зажимной муфты согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения, а также входной трубы и выходной трубы.
На Фигуре 16 показан продольный разрез зажимной муфты согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения или входной трубы и выходной трубы.
На Фигуре 17 показана сконструированная форсунка, т.е. распылитель, функционирующий согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения, и подробное изображение наконечника.
На Фигуре 18 показано соединение согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения.
На Фигуре 19 показан альтернативный вариант потоковой секции согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения, имеющей пластину, содержащую поток, расположенную поверх пластины, содержащей теплообменник.
На Фигуре 20 показана потоковая секция из Фигуры 19, повернутая на 180°.
Фигура 21 представляет собой график, показывающий температурный профиль технологических жидкостей при перемещении вдоль канала потока согласно Примеру 1.
Фигура 22 представляет собой график, показывающий гидродинамические характеристики распределения времени пребывания в зависимости от скорости потока согласно Примеру 2.
Фигура 23 представляет собой график, показывающий соотношение между скоростями потока и размерами форсунок согласно Примеру 3.
Фигура 24 представляет собой график, показывающий соотношение между распределением жидких капель по размерам и давлением согласно Примеру 4.
Фигура 25 представляет собой график, показывающий распределение времен пребывания (Residence Time Distributions, RTDs) согласно Примеру 5.
Подробное описание Фигур
Пластина 1, содержащая поток, показанная на Фигуре 1, 2 и 3, имеет канал 2 потока, который имеет заданную кривизну, охватывающую всю пластину 1, содержащую поток. На каждой из сторон пластины, содержащей поток, могут быть расположены несколько соединений 3, расположенных между каналом потока и внешней стороной пластины, содержащей поток, для впуска через них материалов или веществ, или для выпуска продуктов, или эти соединения могут быть предназначены для подключения датчиков, термоэлементов или оборудования для отбора опытных образцов или технологических проб. Концы 4 канала потока являются либо местом загрузки вводимого технологического материала либо местом выпуска продуктов процесса. Выходной конец можно снаружи или внутри соединить с входным концом другого канала потока на другой пластине, содержащей поток, не показанной на Фигуре 1, 2 или 3. Искривленный канал потока может быть плотно упакован (см. Фигуру 2), или он может быть коротким с несколькими изгибами, как на Фигуре 3. Кривизна и длина канала потока зависят от необходимого времени технологической работы блока, или от времени протекания реакции, и т.д., или от теплопереноса. Согласно альтернативному варианту воплощения изобретения канал потока может иметь острые углы 5 (см. Фигуру 4), причем эти острые углы находятся на внешней стороне каждого изгиба искривленного канала потока для создания зон смешения в канале потока. На Фигуре 5 представлена реакционная 1 пластина, установленная поверх пластины 6, содержащей теплообменник, обеспечивая потоковую секцию, имеющую входную 7 трубу для технологического материала, соединенную с пластиной, содержащей поток, и одну выходную 8 трубу для продуктов. На пластине, содержащей теплообменник, имеется одна входная 9 труба и одна выходная 10 труба для теплообменных жидкостей. Теплообменные жидкости могут течь против течения технологического потока или в направлении его течения, в зависимости от теплопереноса, таким образом, входные трубы и выходные трубы можно поменять местами. На Фигуре 6 показано несколько секций пластины, содержащей поток, и секций пластин, содержащих теплообменник, установленных между двумя торцевыми 11 пластинами. На Фигуре также показаны внешние соединения между входными 7 трубами и выходными 8 трубами пластин, содержащих поток, и между входными 9 трубами и выходными 10 трубами пластин, содержащих теплообменник.
Пример потоковой секции показан на Фигуре 7, где прокладка 12 из любого подходящего материала, которая может представлять собой пластину, изготовленную из ткани ePTFE, помещена поверх пластины 1, содержащей поток. Барьерная 13 пластина может быть постоянно приварена, припаяна, или и то, и другое, или присоединена металлизацией к пластине 1, содержащей поток, и к пластине 6, содержащей теплообменник. На противоположной стороне пластины 6, содержащей теплообменник, установлена другая барьерная 13 пластина. При складывании друг с другом нескольких потоковых секций прокладка 12 будет герметизировать или закрывать канал потока от барьерной 13 пластины, соединенной, например, с пластиной, содержащей теплообменник, не показанной на Фигуре 7. Для повышения герметизации или изоляции между барьерной 13 пластиной и пластиной 1, содержащей поток, существуют выступающие 14 зоны, расположенные на границе с каждым краем канала потока (см. детализированную часть Фигуры 7). Выступающие 14 зоны можно расположить на обеих сторонах пластины 1, содержащей поток.
Один альтернативный пример пластины 1, содержащей поток, показан на Фигуре 8. Согласно примеру этого типа технологическую текучую среду вводят в канал потока через входное 15 отверстие, а одно или несколько веществ добавляют через входное 16 отверстие. Вещества перемешивают, подвергают экстракции, разделению, химической реакции или комбинации перечисленного на протяженности канала потока и выпускают из канала потока пластины, содержащей поток, через выходное 17 отверстие. Через многочисленные соединения 18 можно осуществлять мониторинг технологического потока с использованием оборудования, отвечающего требованиям конкретных задач. Вещества или регенты можно добавлять через соединения 18, или же через них можно добавлять опытные образцы. Если используются соединения, их можно закупоривать и герметизировать для исключения протекания. Соединения 18 можно прикреплять к одной стороне модуля или к обеим, в зависимости от конкретного или целевого применения.
На Фигуре 9 пластина 6, содержащая теплообменник согласно альтернативному варианту воплощения проточного модуля, интегрирована с вставленным 19 элементом, причем вставленный элемент имеет крылья или ребра, закрепленные в каналах 20 для теплообменной жидкости для повышения теплопереноса. Каналы 20 для теплообменной жидкости соединены с одной входной 21 трубой и одной выходной 22 трубой для теплообменных жидкостей. Во входную 21 трубу либо в выходную 22 трубу можно вставить термоэлементы 23. Один альтернативный пример соединения между пластиной 6, содержащей теплообменник, и одной входной 21 трубой или выходной 22 трубой можно видеть на Фигуре 10. На обеих сторонах пластины 6, содержащей теплообменник, установлены барьерные 13 пластины, закрывающие каналы 20 для теплообменной жидкости и трубы 21 или 22. На Фигуре 10 также показан разрез термоэлемента 23, сделанный в середине трубы.
Между пластиной 1, содержащей поток, и торцевой 24 пластиной находится прокладка 12, помещенная для того, чтобы закрывать или герметизировать многоцелевой модуль. Торцевую 24 пластину можно заменить на барьерную пластину или на любую другую подходящую пластину. Согласно одному альтернативному варианту воплощения, представленному на Фигуре 11, можно поместить нажимную 25 пластину напротив канала потока на другой стороне прокладки, между прокладкой 12 и пластиной 24. Части прокладки, имеющие отпечатки или сжатые 26 области, отвечающие каналу потока, будут демонстрировать более однородный разрез 27, разрез 28, на котором нет обработанных областей, и поэтому он будет иметь очертание 29 прокладки, которое не предназначено для нее. Нажимная 25 пластина (см. Фигуру 12) может иметь шаблон 30, зеркально отображающий шаблон канала 2 потока пластины 1, содержащей поток, не показанной на Фигуре 12.
Согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения используется соединительный зажим, герметизирующий соединение между выходными отверстиями канала потока и входными отверстиями канала потока, при наличии пластин, содержащих поток, в количестве более одной. На Фигурах 13, 14, 15 и 16 показан зажим 31, разделенный на две половины 32. Диаметр фланцев 33, показанных на Фигуре 16, лишь ненамного меньше внутреннего диаметра зажима 31. Вследствие прижатия друг к другу двух половин 32 с помощью винтов половины будут закрывать или герметизировать соединение. Половины зажима можно изготавливать в виде двух идентичных половин или двух зеркальных половин. Зажим может быть сконструирован с двумя винтами на одной и той же стороне разъемной детали, или с одним винтом на каждой стороне разъемной детали, как на Фигурах 13 и 14. Зажим должен быть сконструирован таким образом, чтобы вторая точка контакта (см. слева на Фигуре 15) была создана на противоположном конце плоскости герметизации, и, следовательно, винты должны быть расположены между герметизирующими фланцами и второй точкой контакта. Точку контакта можно создать между половинами зажима или между каждой половиной и трубопроводом. Зажим можно открывать и закрывать с помощи специального инструмента, что иногда может быть благоприятным по причинам безопасности или удобства, когда зажим находится в узком месте. Винты могут крепиться к зажиму через отверстие 34, показанное на Фигуре 14, с помощью какого-нибудь стопорного средства, такого как стопорное кольцо, таким образом, он не падает, когда зажимная муфта открыта.
На Фигуре 17 представлена форсунка 35 распылителя, схематически изображенная в виде трубки, имеющей одно или несколько отверстий 36 на стороне выхода. Распылительная форсунка вставлена в канал потока для введения материалов в поток технологических жидкостей. При высокой скорости жидкости через отверстие или отверстия вводимые материалы будут распыляться в технологические жидкости в конусообразной форме. Распыление материалов может происходить в импульсном режиме, непрерывно или с интервалами, специально подобранными для применения в многоцелевом проточном модуле. При промежуточной скорости течения жидкости через отверстие или отверстия вводимые материалы будут образовывать струю, поступающую в технологические жидкости. При низкой скорости течения жидкости через отверстие или отверстия вводимые материалы будут образовывать капли на конце трубы, которая смещена вглубь технологической жидкости.
Форсунки, входные отверстия, выходные отверстия, датчики и т.д. можно соединять с каналами 2 потока через соединительные 3 отверстия, которые могут являться соединениями любого типа. Согласно альтернативному варианту воплощения изобретения соединения 3 можно сконструировать в виде соединения 37 на Фигуре 18 или в виде соединения 18 на Фигуре 8. Соединение 37 может подвижно входить или постоянно входить в пластину, содержащую поток. Если соединения 37 постоянно входят в пластину, содержащую поток, то эти соединения могут быть припаянными, или приваренными, или и то, и другое к пластине, содержащей поток. С соединениями 3 или соединениями 37 можно подсоединить любые желаемые функциональные устройства, причем соединения также могут быть заглушены, если никакие функциональные устройства не требуются.
На Фигуре 19 показан альтернативный вариант потоковой секции многоцелевого проточного модуля согласно изобретению. Согласно данному альтернативному варианту проточную 1 пластину, барьерную 13 пластину и пластину 6, содержащую теплообменник, изготавливают в виде одного объединенного, твердого изделия из одного материала. «Одно изделие» можно изготавливать путем электроэрозионной обработки, отрезания, измельчения или формовки. Эта «одна деталь» содержит канал 2 потока и соединительные 37 отверстия, которые соответствуют соединительным 3 портам на Фигурах 1 - 3 и соединениям 16 и 18 на Фигуре 8. Канал 2 потока и соединительные 37 отверстия сообщаются таким образом, чтобы к каналу можно было подсоединить функциональные устройства любого типа, как описано выше, например, чтобы можно было подсоединить входы для реагентов, входы для других или дополнительных жидкостей, входы для любых других сред, необходимых для желательных процессов, выходов для технологических жидкостей, выходов для промежуточных продуктов, подаваемых в канал потока на последней стадии, выходов для опытных образцов или технологических жидкостей, вытекающих из канала потока, выходов для образцов, непрерывно анализируемых в режиме реального времени, или шихтовых образцов, исследуемых с помощью спектрометров ультрафиолетового излучения, спектрометров инфракрасного (ИК) излучения, газовой хроматографии, масс-спектрометров (МС), ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), и т.д., для идентификации промежуточных продуктов или веществ и для контроля за эффективностью процесса в соответствии с «Аналитической технологией процесса» («Process Analytical Technology», PAT). Согласно альтернативному варианту воплощения изобретения одно или несколько соединительных отверстий могут представлять собой форсуночные отверстия. «Единая деталь» содержит также входные 4 и входные 4 отверстия канала 2 потока. Поскольку «единая деталь» содержит как пластину 1, содержащую поток, так и пластину 6, содержащую теплообменник, то «единая деталь» соединена с одной входной 21 трубой и одной выходной 22 трубой для теплообменных жидкостей. Прокладка 12 покрывает канал 2 потока и пластину 40, которая может представлять собой сочетание барьерной 24 пластины и нажимной 25 пластины, причем пластина 40 помещена поверх прокладки и закрывает или герметизирует канал потока многоцелевого модуля. Пластина 39, которая может представлять собой сочетание изоляционной пластины, защитной пластины и герметизирующей пластины, герметизирует часть «единой детали», содержащей теплообменную пластину. Вставленный 38 элемент помещают между «единой деталью» и пластиной 39, причем вставленный 38 элемент имеет каналы с ребрами для повышения теплопроводности согласно одному альтернативному варианту воплощения изобретения. Вставленный 38 элемент может быть элементом любого подходящего типа, что повышает поверхность теплоотдачи потоковой секции и усиливает турбулентность.
На Фигуре 20 показана объединенная потоковая секция согласно Фигуре 19, которая повернута на 180°. На данной Фигуре 20 показано, как вставленный 38 элемент входит в часть 6 пластины теплообменника интегрированной единой детали. Теплообменная зона 6 соответствует пластине 6 теплообменника согласно Фигурам 7, 9 и 10. Пластина 39 помещена для герметизации части 6 пластины теплообменника объединенной потоковой секции. Пластина 39 может представлять собой сочетание изоляционной пластины и барьерной пластины согласно одному альтернативному варианту. Материал пластины 39 может представлять собой любую пластину любого подходящего типа, и пластину выбирают таким образом, чтобы она соответствовала многоцелевому проточному модулю. На данной Фигуре 20 пластина 40 имеет углубления или полости 30, которые соответствуют шаблону канала 2 потока, не показанному на данной Фигуре 20.
В дальнейшем изобретение будет проиллюстрировано с использованием Примеров 1-5. Цель Примеров состоит в иллюстрации эффективности многоцелевого проточного модуля изобретения, и их не следует рассматривать в качестве ограничения объема изобретения.
Пример 1
В Примере 1 был протестирован многоцелевой проточный модуль, который функционирует при скоростях технологического потока 1,5-10 л/ч (0,1-0,7 м/с). Скорость потока в данном примере составляла 5 л/ч. Временные рамки микроперемешивания в жидкости на основе воды, как задано условиями эксперимента по реактивному перемешиванию, составляли 30 миллисекунд. Это соответствует падению давления до 0,5 бар на пластину, содержащую поток. Вспомогательная жидкость представляла собой воду, имеющую температуру примерно 10°C, и скорость потока 40 л/ч, охлаждающую более горячую технологическую жидкость, которая имела скорость потока 5 л/ч, причем в начальной части модуля скорость охлаждения для данной конфигурации этого псевдопараллельного потока составляла более 30°C/с.
Сочетание хорошего перемешивания, перераспределения жидкости в канале и высоких скоростей теплопереноса обеспечивает исключительное терморегулирование реакционной среды. Давление составляло до 20 бар - см. реактор из нержавеющей стали с прокладкой GORE® из ePTFE и арматурой HPLC.
Конструкция многоцелевого проточного модуля также придает ему хорошую теплопроводность, которая благоприятствует нагреву или более быстрому охлаждению, например, химических реагентов. График на Фигуре 21 показывает температурный профиль технологических жидкостей при перемещении вдоль канала потока.
Пример 2
В данном примере был протестирован многоцелевой проточный модуль, и размеры канала потока модуля составляли: площадь поперечного сечения составляла в среднем 1,5×2 мм, гидравлический диаметр 2,16 мм, длина канала потока 3,113 м. Скорости потока находились в диапазоне 1-10 л/ч в ходе испытаний.
Профили распределений времен пребывания были сходными при всех протестированных скоростях потока, что можно видеть на Фигуре 22, что означает наличие общей гидродинамики при этих условиях. На Фигуре 22 показан сглаженный максимум, с более крутым подъемом и более пологим снижением. Ширина распределения понижается с повышением скорости потока. В потоке отсутствуют как ускоренные, так и застойные области, таким образом, в исследуемом канале потока создается поток вытеснения.
Пример 3
В Примере 3 в многоцелевом проточном модуле была протестирована форсунка распылителя. Поток через форсунку был измерен при непрерывном рабочем режиме для форсунок различных размеров, для диапазона рабочих давлений питающего насоса.
Диапазоны потока подытожены в графике на Фигуре 23. График показывает скорости потока для различных размеров форсунки с полностью открытым клапаном. При использовании клапана управления, т.е. при импульсном режиме, скорость потока может быть снижена менее чем на 1% от этих потоков для каждого размера форсунки.
Пример 4
В Примере 4 сопло форсунки было протестировано в многоцелевом проточном модуле. Функционировало при импульсном режиме. Размер форсунки был выбран для придания форсунке достаточной скорости при имеющемся давлении. Это означает, что размер капель можно регулировать путем изменения давления насоса при постоянной скорости потока.
Форсунка функционировала при различных давлениях, и с ее помощью вводился додекан, в виде раствора 0,2 мас.% поверхностно-активного вещества в воде. Давления впрыска составляли, соответственно, 2, 4, 6, 8 и 10 бар. Все испытания были сделаны при одинаковой скорости потока додекана, равной 2 мл/мин, а размер сопла составлял 150 микрон. Рабочий цикл клапана был задан таким образом, чтобы скорости потока были одинаковыми для всех давлений. Были определены распределения размеров капель, и полученные результаты были подытожены на Фигуре 24.
Вывод состоит в том, что микрораспылитель позволяет отбирать капли желаемого размера в широком диапазоне для заданного размера форсунки и скорости потока. Поскольку скорости массопереноса в химической реакции строго зависят от площади поверхности раздела между двумя средами, способность капли к изменению и уменьшению величины диаметра может быть очень ценной для повышения выхода реакции или контроля за ней.
Пример 5 - распределение времен пребывания (RTD)
RTDs обеспечивают информацию об аксиальных характеристиках макроперемешивания в реакторе. Интерпретация RTD с использованием дисперсионной модели позволяет сделать оценку о приближении или отклонении от потока вытеснения. В данном Примере RTD измеряют с помощью технологии, основанной на зависимости реакции от воздействия. У входа и выхода из зоны процесса пластины, содержащей поток согласно изобретению, расположены оптические датчики, а выше по потоку относительно входного датчика осуществляют впрыск краски.
Для каждой скорости потока, выбранной в исследуемом диапазоне, измеряют временную зависимость изменения абсорбции, что обычно приводит к сотням или тысячам экспериментальных точек, получаемых в течение нескольких секунд или нескольких минут с каждого датчика. Эти данные можно усреднить. Затем из входных сигналов, поступающих с входа и выхода, определяют RTD путем решения следующего уравнения:
Сигнал на выходе = (Итоговое распределение по времени) ×(Сигнал на входе)
Путем аппроксимации модели аксиальной дисперсии к значениям RTD, измеренным при выбранных скоростях потока, можно вычислить число Пекле (Pe) для каждой скорости потока, которое определяется уравнением
где u - средняя линейная скорость потока, L - длина канала потока, и Da - коэффициент аксиальной дисперсии. Если форма максимума остается постоянной, коэффициент аксиальной дисперсии представляет собой зависимости скорости повышения ширины пика от скорости прохождения потока через канал. Для идеального потока вытеснения Pe→∞, а для идеального потока противоточного смешения Pe→0. Это означает, что с практической технической точки зрения Pe>>1 для потока вытеснения, и Pe<<1 для полного потока обратного смешения.
Условия для одной пластины, содержащей поток согласно изобретению, составляли:
Скорость потока = 50 мл/мин.
Объем впрыскиваемой краски = 0,1 мл.
Концентрация впрыскиваемой краски = 5,1 г/л.
Результаты, подытоженные на Фигуре 25, показывают сигналы RTD, собранные для одной пластины, содержащей поток. Формы максимумов на входе и на выходе сходны друг с другом, число Пекле, вычисленное из этих данных, составляет ≈200, поэтому поток в канале потока можно считать потоком вытеснения.
1. Проточный модуль, содержащий одну или более соединяемых снаружи потоковых секций или одну или более соединяемых изнутри потоковых секций, причем каждая потоковая секция содержит одну или более потоковых пластин, одну или более барьерных пластин, одну или более покрывающих пластин, одну или более нажимных пластин, торцевых плит или их комбинаций, причем каждая из потоковых пластин имеет канал потока, при этом канал потока имеет, по меньшей мере, один вход и, по меньшей мере, один выход на каждом конце канала потока, одно или более соединительных отверстий, установленных между внешними сторонами потоковой пластины и каналом потока, причем канал потока имеет одну или более зон перемешивания в форме изгибов или искривленных зон.
2. Проточный модуль по п.1, в котором соединительные отверстия снабжены предохранительными устройствами для сброса давления, мгновенного действия или регулируемыми.
3. Проточный модуль по п.1, в котором зоны перемешивания присутствуют в форме углов в изгибах или в искривленных зонах канала потока.
4. Проточный модуль по пп.1, 2 или 3, в котором канал потока выполнен с возможностью создания потока вытеснения.
5. Проточный модуль по п.1, в котором нажимная пластина помещена таким образом, что она покрывает канал потока с другой стороны прокладки, или при этом прокладка имеет отпечатки или сжатые области, соответствующие каналу потока, или нажимная пластина помещена таким образом, что она покрывает канал потока с другой стороны прокладки и прокладка имеет отпечатки или сжатые области, соответствующие каналу потока.
6. Проточный модуль по п.3, в котором прокладка закрывает или изолирует потоковую пластину от одной или двух торцевых пластин, от одной или двух барьерных пластин, от одной или двух покрывающих пластин, от одной или двух дополнительных покрывающих пластин, от одной или двух пластин теплообменника, или их комбинаций.
7. Проточный модуль по п.3, в котором барьерные пластины изготовлены из теплопроводящего материала или изолирующего материала.
8. Проточный модуль по п.3, причем проточный модуль содержит одну или более потоковых секций и одну или более секций теплообменника, и секции теплообменника включают в себя пластины теплообменника, имеющие прорезанную область, прорезанные каналы, а также каналы, канавки или углубления, соответствующие области канала потока потоковой пластины, или при этом пластины теплообменника имеют прорезанную область или прорезанные каналы, имеющие вставленный структурированный насадочный материал, или имеют прорезанную область или прорезанные каналы, имеющие крылья или ребра, или комбинацию вставленного структурированного насадочного материала и прорезанной области или прорезанных каналов, имеющих крылья, ребра, или при этом секция теплообменника представляет собой нежидкостной теплопроводный элемент или элемент Пельтье.
9. Проточный модуль, содержащий, по меньшей мере, одну потоковую секцию, содержащую часть потоковой пластины, и часть пластины теплообменника, изготовленные в виде единой детали, имеющей канал потока с одним входом и одним выходом, одним или несколькими соединительными отверстиями, расположенными вдоль, по меньшей мере, одной внешней стороны потоковой секции, сообщающейся с каналом потока, прокладку и пластину для герметизации канала потока, вставленный элемент и пластину для герметизации части пластины теплообменника, и канал потока, имеющий одну или несколько зон перемешивания, имеющих форму изгибов или искривленных зон.
10. Проточный модуль по п.9, в котором зоны перемешивания имеют форму углов на изгибах или форму изогнутых зон канала потока.
11. Проточный модуль по п.9 или 10, в котором пластины представляют собой одну или несколько барьерных плит, нажимных плит, торцевых плит, изолирующих плит или их комбинаций.
12. Проточный модуль по п.11, в котором соединительные отверстия представляют собой входы для реагентов, входы для дополнительных текучих сред, выходы для технологических текучих сред, выходы для промежуточных продуктов, подаваемых в канал потока на последней стадии, выходы для опытных образцов, инжекционные отверстия, входные распылители, снабженные предохранительными устройствами для мгновенного или контролируемого сброса давления, снабженными блоками датчиков, снабженными термоэлементами, являющимися вставляемыми, или их комбинациями.
13. Проточный модуль по п.12, в котором, по меньшей мере, одно из соединительных отверстий или, по меньшей мере, одно из входных отверстий является входным распылителем, имеющим одно или несколько отверстий на выходе распылителя.
14. Проточный модуль по п.13, в котором отверстия находятся внутри концентрических окружностей на выходе из распылителя.
15. Проточный модуль согласно п.11, в котором, по меньшей мере, одна барьерная пластина или, по меньшей мере, одна прокладка представляет собой мембрану.
16. Проточный модуль по п.11, в котором на выходе, по меньшей мере, одной потоковой пластины установлено дегазирующее устройство.
17. Проточный модуль по п.9 или 10, в котором пластина теплообменника имеет прорезанную область, прорезанные каналы, каналы, канавки или углубления, помещенные во входную трубу, выходную трубу, или в обе трубы на противоположных сторонах пластины теплообменника.
18. Проточный модуль по п.17, в котором входная труба, выходная труба или обе трубы имеют вставленные датчики, вставленные термоэлементы, или и то и другое.
19. Проточный модуль по п.9 или 10, в котором одна или более барьерных плит припаяна, приварена или и то и другое на одной плоской стороне или обеих плоских сторонах, по меньшей мере, одной потоковой пластины, на одной плоской стороне или на обеих плоских сторонах, по меньшей мере, одной пластины теплообменника, или припаяна, приварена, или и то и другое, к комбинациям потоковых пластин, и пластин теплообменника.
20. Проточный модуль по п.9 или 10, в котором потоковые секции, секции теплообменника, сложены друг с другом горизонтально или вертикально.
21. Способ экстракции, осуществления реакции, разделения, смешения или их комбинации в проточном модуле по любому из пп.1-3, 5-9 или 10, включающий в себя введение первого потока материалов через одно или более входных средств во входной канал, перемещение первого потока материалов через канал потока, по выбору введение одного или нескольких дополнительных материалов в первый поток материалов через одно или более дополнительных соединительных отверстий, регулирование потока материалов, скоростей потока, времени пребывания или их комбинаций, с помощью входных распылителей, входных клапанов, выходных клапанов или их комбинаций, причем входные распылители, входные клапаны, выходные клапаны или их комбинации работают в импульсном режиме или непрерывно, и они управляются с помощью модулированных сигналов от одного или более блоков датчиков, и регулирование температур с помощью одного или более термоэлементов, и управление теплопереносом от одной или более пластин теплообменника.
22. Способ экстракции, осуществления реакции, разделения, смешения, или их комбинаций в многоцелевом проточном модуле по любому из пп.1-3, 5-9 или 10, включающий в себя введение первого потока материалов через одно или более входных средств в канал потока, перемещение первого потока материалов через канал потока, по выбору введение одного или более дополнительных материалов в первый поток материалов через одно или более дополнительных соединительных отверстий, создание потока вытеснения материалов в канале потока.
23. Способ по п.21, в котором поток материалов в канале потока регулируют для создания потоков вытеснения материалов через проточный модуль, или при этом поток вытеснения материалов создается с помощью зон перемешивания в канале потока.
24. Способ по п.21, в котором поток материалов в канале потока идентифицируют с помощью ИК-спектрометров, УФ-спектрометров, масс-спектрометров, газовой хроматографии или их комбинаций, соединенных с соединительными отверстиями.
25. Способ по п.21, в котором один или более блоков датчиков, ИК-спектрометров, УФ-спектрометров, масс-спектрометров, газовой хроматографии или их сочетаний посылают сигналы на компьютер или блок обработки данных, причем такой компьютер или блок обработки данных запрограммирован на обработку входящей информации и на отправку сигналов для управления потоком, регулирования блоков, регулирования температуры блоков температуры или их комбинаций.
26. Применение проточного модуля по любому из пп.1-3, 5-9 или 10 в качестве реактора, экстрактора, смесителя, лабораторного оборудования, опытно-промышленного оборудования или полномасштабного оборудования, и для изготовления химикатов, для изготовления химических продуктов для лекарственных препаратов, или для изготовления химических продуктов тонкого органического синтеза.
