ПРОТОЧНЫЙ МОДУЛЬ
FLOW-THROUGH MODULE

Область техники
Настоящее изобретение относится к канальной пластине, проточной секции, проточному модулю и применению проточного модуля в качестве химического реактора.
Предшествующий уровень техники
Существуют различные признаки, которые важны для реакторов, такие как гибкость в структурной организации, конфигурировании потоков, характеристиках смешения, регулировании температуры, мониторинге, времен пребывания и т.д.
Некоторые проблемы, возникающие в реакторах непрерывного действия, связаны с утечкой, с возможностью визуального обследования, с очисткой протоков, с регулированием схемы технологического процесса для получения желательного времени пребывания для данной величины расхода потока, с доступом к протоку реактора, с конфигурированием теплообмена, с выведением растворенного газа из модуля, со смешением текучих сред, с давлением и сбросом давления и т.д.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в разработке концепции проточного модуля непрерывного действия, применимого для реализации таких процессов, как химические реакции, смешения, экстракции и т.д.
Еще одна задача заключается в создании проточного модуля непрерывного действия, который обеспечивает хорошую доступность и является простым в обращении, и т.д.
Еще одной целью является создание проточного модуля непрерывного действия, имеющего хорошие характеристики теплопереноса и возможность регулирования температуры.
Еще одна задача состоит в создании проточного модуля непрерывного действия, имеющего характеристики течения текучих сред, пригодные для химических реакций, экстракций, разделений и т.д.
Еще одна задача заключается в создании проточного модуля непрерывного действия, имеющего улучшенные параметры давления.
Поставленная задача решается с помощью проточного модуля, включающего канальные пластины и служебные пластины. Таким образом, настоящее изобретение относится к канальной пластине, которая могла быть использована в проточном модуле. Канальная пластина включает пластину, по меньшей мере один ряд блоков внутри пластины, по меньшей мере один впускной канал и по меньшей мере один выпускной канал, причем каждый блок содержит одну плоскую поверхность, противоположную каналообразующей поверхности, и эти блоки чередуются в ряду блоков так, что плоская поверхность является смежной с каналообразующей поверхностью в том же ряду, и эта канальная пластина составлена одной деталью, и ряды блоков встроены в пластину, или канальная пластина разделена по срединной плоскости и составляет две детали, соответствующих друг другу и, будучи собранными вместе, формирующих канал в канальной пластине, или канальная пластина состоит из рамы и двух формованных листов или двух отштампованные пластин, причем рама и два формованных листа или две отштампованных пластины в собранном состоянии образуют канал канальной пластины. Канальная пластина согласно настоящему изобретению также может включать по меньшей мере одну поворотную камеру, причем поворотная камера представляет собой пространство или отсек между двумя смежными рядами блоков в канальной пластине и одной внутренней стороной канальной пластины, причем поворотная камера обеспечивает возможность сообщения между двумя соседними рядами блоков так, что текучие среды могут протекать из одного ряда к другому в пространстве или отсеке поворотной камеры.
Настоящее изобретение также относится к альтернативной канальной пластине, причем канальная пластина включает по меньшей мере два ряда блоков, причем каждый блок имеет одну плоскую поверхность, противоположную каналообразующей поверхности, и эти блоки чередуются в каждом ряду так, что плоская поверхность является смежной с каналообразующей поверхностью в том же ряду, по меньшей мере одну поворотную камеру, по меньшей мере один впускной канал и по меньшей мере один выпускной канал, причем поворотная камера представляет собой пространство или отсек между двумя смежными рядами блоков в канальной пластине и одной внутренней стороной канальной пластины, причем поворотная камера обеспечивает возможность сообщения между двумя соседними рядами блоков так, что текучие среды могут протекать из одного ряда к другому в пространстве поворотной камеры. Канальная пластина согласно изобретению могла бы состоять из одной детали, и ряды блоков являются встроенными в пластину, или канальная пластина могла бы быть разделена по срединной плоскости и состоять из двух соответствующих друг другу деталей и, будучи собранными вместе, формирующих технологический канал в канальной пластине, или канальная пластина состоит из рамы и двух формованных листов или двух отштампованных пластин, причем рама и два формованных листа или две отштампованных пластины в собранном состоянии образуют технологический канал канальной пластины.
Канальная пластина согласно изобретению также может включать несколько рядов блоков, несколько поворотных камер. Применением поворотных камер можно создавать реальный трехмерный поток для обеспечения усиленного перемешивания и улучшенного теплопереноса между служебной пластиной и канальной пластиной. Применением канальной пластины можно создать высокие скорости смешения, и может быть получено узкое распределение времен пребывания.
Настоящее изобретение дополнительно относится к проточной секции, причем проточная секция включает канальную пластину, барьерные пластины или служебные пластины, или комбинации барьерных пластин и служебных пластин. Канальная пластина может быть размещена между двумя барьерными пластинами, причем барьерные пластины герметизируют канал, созданный канальной пластиной и двумя барьерными пластинами. Проточная секция также может включать канальную пластину, размещенную между двумя служебными пластинами, имеющими турбулизаторные вставки, причем эти служебные пластины герметизируют канал, созданный канальной пластиной и двумя служебными пластинами, или проточная секция может включать канальную пластину, размещенную между одной барьерной пластиной и одной служебной пластиной, которые герметизируют канал, созданный канальной пластиной и двумя пластинами. Проточная секция также может быть составлена так, что две канальные пластины имеют мембрану или имеют фильтр, проложенные между двумя канальными пластинами. Проточная секция также составлена так, что две канальные пластины находятся между двумя барьерными пластинами, которые герметизируют каналы, созданные канальными пластинами и двумя барьерными пластинами, или в которой две канальные пластины размещены между двумя служебными пластинами, имеющими турбулизаторные вставки, или комбинациями барьерных пластин и служебных пластин.
Проточная секция также может включать прокладки, причем прокладки герметизируют различные пластины от утечки. Прокладка может представлять собой плоский лист, или многослойный лист из подходящего материала, причем примером такого материала может быть многослойный расширенный политетрафторэтилен (ePTFE), политетрафторэтилен (PTFE), перфторированные эластомеры, или фторированные эластомеры, простой полиэфирэфиркетон (РЕЕК), полипропилен (PP) и т.д. Материал прокладки может быть мягким материалом, таким как мягкий РЕЕК, РР PTFE и т.д., или Viton, Teflon, Kalrez и т.д.
Прокладки проточной секции могут иметь конфигурацию, соответствующую плоским поверхностям блоков в рядах блоков. Турбулизаторная вставка служебных пластин может иметь конфигурацию, соответствующую плоским поверхностям блоков в рядах блоков, или же как прокладки, так и турбулизаторная вставка служебных пластин могут иметь конфигурации, соответствующие плоским поверхностям блоков в рядах блоков. Благодаря этому поток среды или поток текучих сред в созданном канале не контактирует с плоскими лицевыми поверхностями прокладок и имеет малый или минимальный контакт с любой из кромок прокладок, и каждая турбулизаторная вставка может создавать опору плоским сторонам ряда блоков в канальной пластине.
Настоящее изобретение также относится к проточному модулю непрерывного действия с плоскостной конструкцией, например пластинчатому реактору, включающему различные пластины или секции, в котором одну или более канальных пластин наслаивают вместе со служебными пластинами, барьерными пластинами, теплообменными пластинами или одной или более проточными секциями. Проточный модуль может включать пакет из проточных секций, и проточный модуль может иметь по меньшей мере один впускной канал для технологических текучих сред и по меньшей мере один выпускной канал для продуктов процесса. Один впускной канал мог бы быть соединен с первой канальной пластиной, и один выпускной канал мог бы быть соединен с последней канальной пластиной. Технологический канал мог бы быть соединен между различными канальными пластинами параллельно, или технологический канал мог бы быть соединен последовательно, или обоими способами, канал мог бы быть соединен снаружи, или канал мог бы быть соединен внутри, предпочтительно канал соединен снаружи. Согласно одному из примеров такой компоновки два канала двух канальных пластин соединены между собой параллельно, и каналы объединены в один канал третьей канальной пластины, причем третья канальная пластина подсоединена к первым двум пластинам последовательно. Такая компоновка могла бы быть пригодной для двухстадийной реакции, в которой реактанты образуются в первых двух канальных пластинах, и вторая реакция происходит в третьей канальной пластине. Естественно, согласно настоящему изобретению могут быть разработаны любые комбинации соединений между каналами для различных реакций, для одностадийных реакций или многостадийных реакций. Внутренние и/или наружные патрубки соединяют служебные пластины, и служебные пластины соединены друг с другом последовательно или параллельно, или обоими путями.
Проточный модуль мог бы также включать зажимное устройство, которое может быть соединено с проточным модулем, причем зажимное устройство включает две торцевых пластины, тарельчатые пружины, плунжеры и стяжные стержни, в котором пакеты тарельчатых пружин навинчены на плунжеры и размещены в виде решетчатой компоновки пружин, причем одна или более решетчатых компоновок пружин включены в проточный модуль, по меньшей мере одна решетчатая компоновка пружин упирается в одну из торцевых пластин для распределения сжимающих усилий на одну или более проточных секций или одну или более канальных пластин, причем проточные секции расположены между двумя торцевыми пластинами, и причем плунжеры направляются через отверстия в торцевых пластинах, имеющих конструкцию в виде решетчатой компоновки пружин. Проточный модуль может включать гидравлические инструменты, такие как гидроцилиндры или гидравлические исполнительные механизмы. Гидравлические инструменты могут формировать механизмы для открывания и закрывания проточного модуля, и/или они могут создавать давление на пластины проточного модуля для обеспечения непроницаемого уплотнения проточного модуля.
Ряды блоков канальной пластины являются смежными друг с другом, и каждый блок имеет плоскую поверхность и каналообразующую поверхность, причем плоская поверхность противоположна каналообразующей поверхности. Каналообразующая поверхность согласно изобретению могла бы быть выбрана из изогнутой выпуклой поверхности, трапециевидной поверхности, прямоугольной поверхности, квадратной поверхности, треугольной поверхности, и ряды блоков могут иметь все каналообразующие поверхности, выбранные из одного и того же типа поверхности, или каналообразующие поверхности рядов блоков могли бы составлять одну или более комбинаций изогнутых выпуклых поверхностей, прямоугольных поверхностей, квадратных поверхностей и треугольных поверхностей. Назначение формы канала в каждой канальной пластине состоит в усилении перемешивания или характеристик теплопереноса в каждой из канальных пластин. Этим можно было бы получить лучше подобранные условия всего процесса, например, для каждой единичной реакции. Все канальные пластины в проточном модуле могут быть либо одинаковыми, либо разными, в зависимости от условий процесса.
Плоская поверхность и каналообразующая поверхность блоков перемежаются в рядах, позволяя потоку текучих сред или среды проходить через блоки внутри ряда, когда канальная пластина собрана в проточной секции или между барьерными пластинами. Плоские поверхности блоков позволяют смонтировать барьерную пластину или служебную пластину с прокладкой таким образом, чтобы канал мог бы быть герметично уплотнен и можно было избежать утечки. Плоские поверхности могли бы быть расположены либо рядами, либо с чередованием. Плоские поверхности предпочтительно располагают рядами. Когда плоские поверхности размещают рядами, можно поддерживать ряды блоков с помощью турбулизаторной вставки служебной пластины, тем самым обеспечивая возможность того, что к канальной пластине может быть приложено высокое давление и что можно избежать утечки. Канал начинается с впускного отверстия и продолжается через блоки сквозь всю канальную пластину, и канал заканчивается выпускным отверстием в последнем ряду блоков. Технологический канал, а также вспомогательный проток служебных пластин могут быть соединены параллельно или последовательно, или обоими способами, между двумя или более проточными секциями. Соединения между проточными секциями могли бы быть наружными или внутренними. Каналы канальных пластин предпочтительно соединяют снаружи. Внутренние и/или наружные патрубки соединяют служебные пластины проточных секций, и служебные пластины соединены между собой последовательно или параллельно, или обоими путями. Впускные отверстия и выпускные отверстия служебных пластин могут иметь посадочные гнезда для термопар, резистивных термометров и т.д.
Канальная пластина может иметь несколько посадочных гнезд, соединенных с каналом или поворотными камерами внутри пластины. Посадочные гнезда могут быть размещены на одной или на двух сторонах, или на трех сторонах, или всех сторонах канальной пластины. Это значит, что посадочные гнезда размещены по меньшей мере на одной стороне канальной пластины. Посадочные гнезда являются либо заглушенными, либо оснащены различными устройствами, или посадочные гнезда представляют собой комбинации заглушенных и оснащенных посадочных гнезд, причем оборудование введено через посадочные гнезда в каналы или в полое пространство поворотных камер и может быть размещено в любом месте на канальной пластине. Оборудование, которое может быть введено через посадочные гнезда в каналы или поворотные камеры, может быть выбрано из группы, состоящей из впускных каналов для реактантов, впускных каналов для дополнительных текучих сред, выпускных каналов для технологических текучих сред, выпускных каналов для промежуточных продуктов, подаваемых в канал на более поздней стадии, выпускных каналов для испытательных образцов, впрыскивающих форсунок, впускных рассеивателей, предохранительных устройств для мгновенного сброса или регулирования давления, блоков датчиков, термопар, резистивных термометров. Посадочные гнезда могут иметь устройства для впрыскивания текучих сред, реактантов и т.д., например такие, как форсунка, которая может вводить дополнительные текучие среды, текучие среды для повторного смешения, текучие среды для повторного диспергирования и т.д., в выбранном местоположении канала. Местоположение может быть выбрано где угодно, это означает, что введение текучих сред могло бы происходить на входе в канальную пластину, или где-либо на канальной пластине, или на второй пластине, и т.д., в проточном модуле. Смесь или дисперсия иногда требуют повторного перемешивания или повторного диспергирования после некоторого времени выдерживания, или после прохождения через канальную пластину, и затем может опять понадобиться введение смеси или дисперсии в канал, что может быть сделано между выпускным отверстием пластины и впускным отверстием следующей пластины, и впрыскивание может быть выполнено с помощью подходящей форсунки любого типа. Форсунки, которые вставляют в посадочные гнезда или впускные каналы, могут быть выбраны из любой подходящей форсунки, и примерами форсунок являются впрыскивающие сопла, распылительные сопла, сопла для повторного распыления, сопла для дополнительного смешения, коаксиальные форсунки, трубчатые насадки и т.д. Коаксиальную форсунку можно было бы определить как форсунку с двумя или более трубами, размещенными внутри друг друга, причем более крупная труба, имеющая больший радиус, окружает меньшую трубу, имеющую меньший радиус. Когда используют такую форсунку, две или более текучих сред могут быть смешаны с образованием дисперсий. Сопло для дополнительного смешения могло бы представлять собой трубчатую насадку, имеющую отверстие с наконечником форсунки, причем отверстие имеет меньший радиус, чем насадка. Форсунка может представлять собой распылительное сопло, которое может иметь одно или более отверстий на выходе распылительного сопла, и отверстия могут быть размещены концентрическими кругами, или отверстия могут быть расположены в других подходящих конфигурациях.
Канальная пластина может включать впускное отверстие для технологического потока и второе впускное отверстие, которое могло бы быть впускным каналом для потока дисперсии или инжекционным впускным каналом, на входной части канальной пластины, причем впускное отверстие для технологического потока и второе впускное отверстие могли бы быть объединены с возможностью формирования каналом прямолинейной части перед первым блоком в первом ряду блоков. Прямолинейная часть канала также могла бы завершаться при первой поворотной камере. Второе впускное отверстие может иметь устройство для впрыскивания текучих сред, реактантов и т.д., например такое, как форсунка, которая может вводить дополнительные текучие среды. Форсунка может быть выбрана из форсунок любого подходящего типа, и могла бы быть вставлена в прямолинейную часть, которая образует дисперсионную зону для введения или впрыскивания материалов или веществ в технологическую текучую среду. Впускные каналы для текучих сред также могут быть объединены перед поступлением в канал канальной пластины. Согласно этому альтернативному варианту нет необходимости в наличии одного впускного канала для технологического потока и еще одного канала для впрыскивания текучих сред и т.д. Таким образом, с помощью объединенных впускных каналов снаружи канальной пластины можно использовать только впускное отверстие для технологического потока.
При получении тонких дисперсий в потоке введением несмешивающейся жидкости в технологический поток в канале в контролируемом режиме и надежным путем с высокой скоростью решающим фактором является придание форсунке надлежащей конструкции. Конструктивно форсунка может представлять собой диспергатор или инжектор. Форсунка может быть вставлена во второе впускное посадочное гнездо канальной пластины. Через форсунку могут быть поданы одновременно одна или более несмешивающихся жидких фаз. Конструктивно форсунка могла бы представлять собой диспергатор, имеющий наконечник в форме закрытой трубы с зоной единичного отверстия в закрытом конце, имеющей диаметр отверстия (D), или где многочисленные “n” отверстия составляют диаметр (D), соответствующий общей площади отверстий, деленной на число “n” отверстий форсунки, который надлежащим образом превышает длину или глубину (Т) отверстия в форсунке. Это соотношение может быть выбрано так, чтобы длина отверстия была гораздо меньше, чем диаметр отверстия (T<<D). Когда диспергатор действует, капельки будут распыляться из диспергатора и создавать конус из капелек в технологическом потоке. Размер капелек, которые создаются, зависит от разности давлений на самом выходе сопла и давления в отсеке. Если длина (T) отверстия является большей, то будет весьма затруднительным создание желательных условий давления в этой точке.
Для малоразмерных форсунок длина (T) и диаметр (D) будут очень маленькими, и будут проявляться производственные ограничения. Предпочтительным способом изготовления такой форсунки является, например, применение травления, лазерного прожигания или микросверления в тонкой пластине, которую затем приваривают к трубке по окружности с помощью лазера или электронного пучка. Форсунка затем может формировать капельки, и размер капелек будет зависеть от течения и выбранного диаметра сопла. Для увеличения расхода потока через одну форсунку можно сделать большее отверстие или сделать больше отверстий сквозь форсунку. В этом случае за счет использования многочисленных отверстий малого диаметра вместо одного большого отверстия можно создавать меньшие капельки. Для обеспечения одинаковых условий давления в каждом отверстии полезно размещать отверстия осесимметрично относительно основной оси трубки, к которой по окружности приварено сопло. Может быть предусмотрено несколько рядов отверстий, размещенных концентрическими кругами. Размер отверстий мог бы быть выбран согласно скоростям течения для радиуса концентрической окружности или вязкости текучих сред, выходящих из отверстий. Распыление материалов из форсунки может быть непрерывным, в пульсирующем режиме, или распыляться с интервалами, специально рассчитанными на применение или режим действия многоцелевого проточного модуля.
Для подачи текучей среды и повышения ее давления к форсунке может быть подсоединен насос. Текучая среда будет распыляться из форсунки в виде конического факела. Насос мог бы непрерывно закачивать текучие среды в форсунку или же питать форсунку в импульсном режиме. Импульсы могут быть генерированы, например, регулированием рабочего цикла насоса или с использованием клапана в питающем трубопроводе форсунки. Насос должным образом регулируют для поддержания данного уровня давления. Если форсунку питают в импульсном режиме, то могло бы быть важным то, что объем между форсункой и импульсным клапаном не изменяется с давлением. Рабочим циклом клапана, то есть продолжительностью открытого состояния, которая является меньшей или равной 100% общей длительности периода и не равна 0%, можно управлять для обеспечения заданной величины расхода потока, что можно видеть ниже:
Форсунка может работать в импульсном или неимпульсном режимах, и ее используют для распыления текучих сред при данной средней величине расхода потока. Размер форсунки выбирают для данной достаточной величины расхода потока при доступном давлении, и уровень давления может быть отрегулирован для создания капелек определенного размера. Это значит, что размер капелек мог бы быть скорректирован изменением создаваемого насосом давления при постоянной величине расхода потока. Скорость вращения насоса можно регулировать для создания потока с заданной величиной расхода через открытый клапан, то есть в неимпульсном режиме.
Плоские поверхности канальной пластины предпочтительно размещают параллельными рядами перпендикулярно каналу, и плоские поверхности рядов будут опираться на барьерные пластины или служебные пластины на обеих сторонах канальной пластины. Барьерная пластина может быть отдельной пластиной или встроенной либо в канальную пластину, либо встроенной в служебную пластину. Одна или две теплообменных пластины могли бы быть соединены с канальной пластиной, и теплообменная пластина могла бы представлять собой непроточный теплопередающий элемент или элемент Пельтье.
Барьерные пластины могли бы быть припаяны твердым припоем к канальной пластине с образованием сэндвичеобразной компоновки, или канальная пластина может быть припаяна к служебной пластине согласно еще одному альтернативному варианту. Барьерные пластины могли бы быть размещены любым пригодным способом относительно канальной пластины или служебной пластины. Как упомянуто ранее, канальная пластина может иметь одну или две барьерных пластины, размещенных на одной или на обеих плоских сторонах канальной пластины, причем барьерные пластины герметизируют технологический канал. Барьерные пластины могли бы быть герметично присоединены к канальной пластине через прокладки, как упомянуто ранее. Стенки или барьерные пластины могут быть изготовлены из теплопроводного материала, что делает возможным проводить охлаждение или нагревание текучей среды, поступающей снаружи в канал. Одна или более из барьерных пластин могут быть сделаны из изоляционного материала для вариантов применения канальных пластин, в которых требуются специальные температурные условия. Материал барьерных пластин альтернативно может состоять из мембраны с порами подходящего размера, чтобы образующиеся продукт или продукты могли проходить через мембрану, или чтобы добавлять обрабатываемые текучие среды или дополнительный материал через мембрану в канал канальной пластины. Барьерная пластина также может состоять из фильтрующего материала. Также могли бы быть возможными комбинации барьерных пластин из различных материалов. Согласно одному альтернативному варианту по меньшей мере одна из барьерных пластин может содержать твердый теплопроводный материал, изоляционный материал или мембранный материал. Согласно одному альтернативному варианту две канальные пластины могут быть размещены с обеих сторон мембраны. Таким образом, одна канальная пластина будет транспортировать продукты, и другая канальная пластина будет проводить технологический поток. Важными признаками канальной пластины и оборудования, окружающего канальную пластину, являются гибкость и легкий доступ. Поэтому канальная пластина может быть приспособлена для возможности выполнения различных операций, например таких, как фильтрация, разделения через мембраны, смешение и т.д. Канальная пластина может быть покрыта одним или более катализаторами или иметь конструкцию, которая позволяет смешивать или создавать пробковый режим потока.
Согласно еще одному альтернативному варианту канальная пластина может быть изготовлена в виде единой цельной детали, где ряды блоков встроены в пластину. Размер и форма канальной пластины могли бы быть с любой подходящей конфигурацией, формирующей проточный канал в проточном модуле или реакторе. Материалом канальной пластины может быть нержавеющая сталь, сплавы на основе железа, сплавы на основе никеля, титан, титановые сплавы, тантал, сплавы тантала, сплавы на основе молибдена, цирконий, сплавы циркония, стекло, кварц, графит, армированный графит, сплав типа хастеллой или любой другой материал, устойчивый к технологической среде. Другие материалы, пригодные для канальной пластины, представляют собой специальные материалы, такие как пластический материал, такой как РЕЕК (простой полиэфирэфиркетон), PPS (полифениленсульфид), PTFE (политетрафторэтилен), перфторированные эластомеры или фторированные эластомеры, РР (полипропилен) и т.д., или их комбинации.
Согласно одному альтернативному варианту канальная пластина может быть сформирована разделением пластины по ее срединной плоскости, чем сложная структура канала могла бы быть упрощена и изготовлена с большей простотой. Канальная пластина тем самым могла бы быть разделена на две части, причем части состоят из элементов квадратной формы, имеющих квадратные профили и профили каналообразующих поверхностей. Две части будут взаимодополняющими между собой, и в собранном состоянии они будут формировать канал. Прокладка между двумя частями может герметизировать канал в двух частях канальной пластины.
Кроме того, изобретение относится к еще одной альтернативной канальной пластине, которая включает два формованных листа или две отштампованные пластины и реакторную пластину или проточную пластину, причем пластина имеет прокладки на каждой плоской стороне, на которой монтируют два формованных листа или две отштампованные пластины.
Канал канальной пластины может включать несколько рядов блоков, образующих извилистый маршрут в компоновке из блоков. Таким образом, в канале каждой канальной пластины развивается направление трехмерного течения потока текучих сред. Текучие среды, проходящие по «трехмерному каналу», могут представлять собой чистые жидкости, смеси жидкостей, несмешивающиеся жидкости, жидкости с частицами или жидкости с растворенным газом или не содержащие газа.
Служебные пластины согласно изобретению могут иметь отсек для канальной пластины и также один отсек для турбулизаторной вставки и для теплообменных текучих сред. Служебная пластина или теплообменная пластина представляет собой теплообменную часть проточной секции, которая могла бы включать по меньшей мере одну служебную пластину и одну канальную пластину. Согласно одному альтернативному варианту канальная пластина может быть вставлена в отсек служебной пластины. Согласно еще одному альтернативному варианту одна канальная пластина может быть вставлена между двумя служебными пластинами. Канальная пластина могла бы быть размещена внутри пространства, созданного двумя взаимодополняющими отсеками двух служебных пластин. Отсек служебной пластины мог бы охватывать всю канальную пластину целиком или только часть канальной пластины, оставляя свободными все инжекционные отверстия и посадочные гнезда. Отсек служебной пластины представляет собой камеру, которая могла бы представлять собой удлиненный прямоугольник, в котором может быть размещена канальная пластина или в который она может быть встроена. Турбулизаторная вставка служебной пластины может иметь присоединенные лопасти или ребра. Турбулизаторная вставка также могла бы представлять собой металлическую пену. Впускные каналы или выпускные каналы служебных пластин и/или канальных пластин могут иметь вставленные термоэлементы. Служебная пластина может представлять собой секционированную теплообменную пластину, такую как описанная в патентном документе WO 2008/076039.
Зажимную систему согласно изобретению соединяют с проточным модулем для регулирования усилий, прилагаемых к проточному модулю, и тем самым также давления в модуле. Такие зажимные системы можно найти в патентах WO 2008/066447 или SE 0801181-9. Зажимная система может включать две торцевые пластины, тарельчатые пружины и стяжные стержни. Пакеты тарельчатых пружин могут быть размещены в виде первой решетчатой компоновки пружин на одной из двух торцевых пластин, и тарельчатые пружины могут упираться в эту первую торцевую пластину. Между двумя торцевыми пластинами могут быть размещены одна или более проточных секций, на противоположной торцевой пластине, второй торцевой пластине, могут быть дополнительно размещены пакеты тарельчатых пружин в виде второй решетчатой компоновки пружин. Решетчатые компоновки из тарельчатых пружин могут быть также размещены между проточными секциями. Стяжные стержни могут соединять две торцевые пластины для распределения усилий натяжения на пакеты тарельчатых пружин, когда зажимная система находится в закрытом положении.
max
min
max
min
max
max
x
x
1
2
1
2
1
2
1
x
2
2
1
2
1
Для надлежащего уплотнения проточного модуля или реактора сжимающие усилия должны быть в пределах должного диапазона. Компоновка пружин, то есть решетка из пакетов пружин, распределяет усилия пружин на пакет пластин проточного модуля, такого как пластинчатый реактор. Проточный модуль включает один или более слоев из пластин, наслоенных друг на друга. Усилие F пружины представляет собой функцию длины L пружины. Длина пружины будет варьировать в пределах диапазона от L до L, где L определяется как свободная длина ненагруженной пружины и L определяется как длина пружины при максимальном сжатии. Максимальное усилие F определяется как усилие пружины при максимальном сжатии пружины, и поэтому усилие пружины варьирует между 0 и F. Усилие пружины F, которое соответствует L, должно быть больше, чем усилие F, для обеспечения того, что не будет происходить никакой утечки, но усилие пружины не должно быть больше, чем усилие F, во избежание опасности остаточных деформаций. F и F соответствуют длинами L и L пружины соответственно, и L<L<L. Применением пружин или пакетов пружин с надлежащей кривой сжимающих усилий может быть достигнут достаточный рабочий диапазон от L до L. Диапазон от L до L должен быть больше, чем другие геометрические отклонения, обусловленные изготовлением, сборкой и эксплуатацией. Такие отклонения могут представлять собой, например, производственные допуски на плоскостность и толщину, или деформации, возникающие при приложении усилий во время сборки, или размерные изменения вследствие теплового расширения или пластической деформации материала при эксплуатации.
Проточный модуль согласно изобретению может включать устройства для сброса давления, причем устройства для сброса давления могут быть присоединены к любому числу посадочных гнезд, инжекционных посадочных гнезд, или к впускному отверстию проточного канала, выпускному отверстию проточного канала, или к соединениям между проточными секциями. Устройства для сброса давления могут быть пассивными или активными. Пассивное устройство для сброса давления может представлять собой взрывную мембрану, но может быть применено любое пригодное пассивное устройство для сброса давления. Активное устройство для сброса давления может быть любым числом инжекционных устройств для гашения материалов или веществ, которое может быть приведено в действие по команде от компьютера, оснащенного программой мониторинга и управления. Еще одно активное устройство для сброса давления может представлять собой устройство для регулирования потока теплообменных текучих сред, которое также может быть приведено в действие по команде от компьютера, оснащенного программой мониторинга и управления. Еще одно дополнительное активное устройство для сброса давления может представлять собой устройство для регулирования потока обрабатываемых материалов или для добавления материалов, которое также может быть приведено в действие по команде от компьютера, оснащенного программой мониторинга и управления.
В качестве материала или материалов различных частей проточного модуля могут быть выбраны: нержавеющая сталь, сплавы на основе железа, сплавы на основе никеля, титана, титановых сплавов, тантала, сплавы тантала, сплавы на основе молибдена, циркония, сплавы циркония, хастеллоя, стекла, кварца, графита, армированного графита, РЕЕК, РР, PTFE и т.д., или их комбинаций.
В последующем изобретение будет пояснено с использованием Фиг. 1-25. Фигуры предназначены лишь для иллюстрирования изобретения и не предполагают ограничения его области.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 показывает ряды блоков согласно изобретению.
Фиг. 2 показывает канальную пластину согласно настоящему изобретению.
Фиг. 3 показывает канальную пластину из Фиг. 2, имеющую разрез по области, показывающей канал и посадочные гнезда согласно изобретению.
Фиг. 4 показывает поперечное сечение канальной пластины согласно настоящему изобретению.
Фиг. 5 показывает часть канальной пластины, имеющей поворотные камеры в конце и в начале каждого ряда блоков.
Фиг. 6 показывает поперечное сечение и вид сбоку канальной пластины согласно изобретению.
Фиг. 7 показывает альтернативную канальную пластину.
Фиг. 8 показывает канал собранной канальной пластины из Фиг. 7.
Фиг. 9 показывает еще одну альтернативную канальную пластину согласно настоящему изобретению.
Фиг. 10 показывает собранную канальную пластину из Фиг. 9.
Фиг. 11 показывает еще один вариант канальной пластины.
Фиг. 12 показывает собранную канальную пластину из Фиг. 11.
Фиг. 13 показывает канальную пластину, вставленную между двумя служебными пластинами.
Фиг. 14 показывает, как канальную пластину размещают между двумя служебными пластинами согласно одному альтернативному варианту изобретения.
Фиг. 15 показывает комплектующие детали и то, как турбулизатор размещают в служебной пластине.
Фиг. 16 показывает собранный проточный модуль согласно одному альтернативному варианту изобретения.
Фиг. 17 показывает собранный проточный модуль согласно изобретению, имеющий раму, которая включает два стяжных стержня и две торцевые пластины, причем рама удерживает канальные пластины и служебные пластины на своем месте с помощью гидроцилиндров.
Фиг. 18 показывает собранный проточный модуль согласно еще одному альтернативному варианту изобретения, в котором обе торцевые пластины размещают с решетчатыми компоновками пружин.
Фиг. 19 показывает собранный проточный модуль, имеющий разрез по линии В-В.
Фиг. 20 показывает разрез В-В и то, как проточную секцию вставляют в ее положение.
Фиг. 21 показывает размер В-В с проточной секцией, размещенной между двумя стяжными стержнями.
Фиг. 22 показывает три примера каналообразующих поверхностей согласно изобретению.
Фиг. 23 представляет график, показывающий Распределения Времен Пребывания (RTD) из Примера 1.
Фиг. 24 представляет график, показывающий распределения капелек по размерам из Примера 2.
Фиг. 25 представляет график, показывающий температурный профиль единичной проточной секции из Примера 3.
Подробное описание чертежей
Фиг. 1 показывает несколько рядов блоков 1 согласно изобретению. Блоки 1 имеют одну часть 2, которая является плоской, и одну часть 3, которая является изогнутой, причем каждый блок 1 отделен от следующего блока стенками 4. Все блоки 1 канальной пластины совместно составляют одну целостную деталь, то есть канальную пластину из одного и того же материала, без соединений между блоками 1, стенками 4 или рядами. Плоские поверхности блоков 1 выстроены в компоновке, образующей ряды в канальной пластине. Выровненные ряды плоских поверхностей 2 будут формировать опору, например, для прокладки. Напротив плоской стороны блока 1 расположена изогнутая сторона. Таким образом, компоновка рядов блоков 1 будет образовывать картину из плоских рядов, смежных с изогнутыми рядами, причем каждый блок отделен от следующего стенками 4. Фиг. 2 показывает ряды блоков канальной пластины 5, выстроенные с образованием симметричной параллельной конфигурации, где ряды плоских поверхностей 2 в Y-направлении имеют смежные ряды изогнутых поверхностей 3, также в Y-направлении. Блоки формируют канал в Х-направлении между изогнутыми поверхностями 3 и барьерными пластинами или служебными пластинами, не показанными в Фиг. 2. Стенки 4 разделяют канал канальной пластины 5 на несколько секций так, что канал будет проходить от одной стороны до следующей вдоль канальной пластины 5 и тем самым формировать длинный канал с несколькими зонами смешения в нескольких рядах каналов. Фиг. 3 показывает канальную пластину 5, имеющую частичный разрез. Частичный разрез приведен с целью иллюстрации канала 6 и того, как посадочные гнезда 7 сообщаются с каналом 6. Фиг. 3, а также Фиг. 2 показывают поворотные камеры 8, которые показаны на одной из сторон канальной пластины 5. Если канальную пластину повернуть, поворотные камеры появятся на противоположной стороне канальной пластины, и поворотные камеры 8 тем самым будут видны на стороне, где посадочные гнезда 7 расположены сообщающимися с каналом 6, который иллюстрирован в вышеупомянутом частичном разрезе. Таким образом, поворотные камеры 8 выстроены в Y-направлении на обеих сторонах канальной пластины. Сформированное пространство поворотных камер 8 определяется как пространство между двумя рядами блоков 1 и внутренней стороной 8а канальной пластины, вместе с изогнутой преградой, или поворотным блоком 8с, Фиг. 4, причем преграда представляет собой фрагменты изогнутой части 3 блоков 1. Стенка 8b представляет собой продолжение стенок 4 и частично подразделяет поворотную камеру 8 на два отсека, которые сообщаются между собой. В поворотной камере 8 стенка 8b будет иметь уменьшенный размер по сравнению со стенкой 4 так, что канал 6 будет способен поворачивать от одного ряда каналов к следующему ряду каналов. Расположение стенок и блоков в поворотных камерах будет стимулировать усиленное перемешивание потока в канале 6. В Фиг. 3 видно впускное отверстие 9 канала, причем это впускное отверстие предназначено для технологического потока текучих сред. Впускное отверстие 9 канала объединено с инжекционным посадочным гнездом 10 с образованием прямолинейной части 11 канала для смешения или дозирования технологического потока с вводимыми реактантами или другими впрыскиваемыми текучими средами, причем текучие среды впрыскивают в инжекционное посадочное гнездо 10 через впрыскивающую форсунку или впускной диспергатор, не показанные в Фиг. 3.
Фиг. 4 показывает поперечное сечение канальной пластины согласно настоящему изобретению, причем эта фигура показывает, что поворотные камеры 8 размещены на обеих сторонах канальной пластины. Фигура также показывает посадочные гнезда 7, входящие в канал 6, смотри также Фиг. 3, или в пространство внутри поворотной камеры 8. В Фиг. 4 показано, что в поворотных камерах 8 поворотный блок 8с имеет иное поперечное сечение, нежели блоки в рядах. Поперечное сечение поворотного блока 8с в этой фигуре имеет периметр, который составляет три четверти окружности с плоской частью, и поперечное сечение можно определить как Р-образное сечение. Возможны другие типы поперечных сечений поворотного блока 8с в той мере, насколько канал 6 будет поворачивать из одного ряда каналов к еще одному в поворотной камере. В посадочные гнезда 7 может быть вставлено оборудование любого типа, такое как впускные устройства для дополнительных реактантов, впускные устройства для дополнительных текучих сред, выпускные каналы для испытуемых технологических текучих сред, выпускные каналы для промежуточных продуктов, которые должны быть либо поданы в канал на более поздней стадии, либо вовлечены в рециркуляцию, или выделены, выпускные каналы для испытательных образцов, впрыскивающие форсунки, впускные диспергаторы, предохранительные устройства для мгновенного сброса или регулирования давления, блоки датчиков, такие как спектрофотометры, оптические сенсоры, датчики излучения в ближней инфракрасной области, для NIR-технологии (длинноволновой инфракрасной области), термопары, резистивные термометры и т.д.
Фиг. 5 показывает часть канальной пластины, имеющей поворотные камеры 8 в конце и в начале каждого ряда блоков. Поворотные камеры 8 имеют два отсека 12, где канал поворачивает из одного ряда блоков к еще одному. В Фиг. 2-5 видно, что блоки формируют единую деталь, составленную несколькими блоками, образующими несколько рядов, и что ряды блоков встроены в пластину. В этих фигурах блоки не разделены, напротив, они соединены сплавлением, или же канальную пластину подвергают станочной обработке, отливают, формуют или прорезают, или выжигают лазером, или обрабатывают на электроэрозионном вырезном станке (EDM), вырезают на электроискровом станке из одного куска материала.
Фиг. 6 показывает поперечное сечение и вид сбоку канальной пластины 5 согласно изобретению. Фигура показывает впускной канал 9 и выпускной канал 13, и между впускным каналом и выпускным каналом проходит проточный канал 6 в Х-направлении. Канал проходит вверх и вниз через каждый блок в каждом ряду 14 каналов, причем ряды 14 в этой фигуре расположены в Х-направлении, и фигура также показывает, что канал содержит несколько рядов блоков, наслоенных друг на друга в Y-направлении без каких-либо соединений между блоками. Фигура также показывает стенки 4 между блоками. На боковой проекции можно видеть посадочные гнезда 7, причем вид сбоку показывает, что канальная пластина может иметь несколько посадочных гнезд 7. На боковой проекции также можно видеть впускной канал 9, инжекционное посадочное гнездо 10 и выпускной канал 13. Канальная пластина согласно изобретению может иметь посадочные гнезда на любой или обеих сторонах, где размещены поворотные камеры, причем каждый ряд может иметь посадочное гнездо 7 на каждой стороне канальной пластины.
Фиг. 7 показывает альтернативную часть канальной пластины 5 согласно изобретению, в которой пластина включает два формованных листа 15 или две отштампованные пластины 15, и раму 16, имеющую стенки 4, отделяющие сформированный канал 6 от соседнего сформированного канала 6. Пластины 15 размещены в противоположных направлениях на обеих сторонах рамы 16, тем самым формируя канал 6, причем канал проходит между пластинами 15 и стенками 4 в раме 16. Две прокладки 17 на обеих сторонах рамы 16 герметизируют канальную пластину. На Фиг. 7 можно видеть впускной канал 9 для технологических текучих сред, но выпускной канал на фигуре не показан. Фиг. 8 показывает канал 6 в собранной канальной пластине 5 из Фиг. 7, причем канал проходит вдоль отштампованных пластин и отделен стенками 4, не показанными в фигуре, причем на фигуре показано, как впускной канал 9 сообщается с каналом 6, но выпускное отверстие канала в этой фигуре увидеть нельзя. Фигура не показывает инжекционное посадочное гнездо 10, но, конечно, эта канальная пластина может быть оснащена инжекционным посадочным гнездом 10, а также посадочными гнездами 7. Канал поворачивает в поворотных камерах 8, но в этой фигуре это не показано.
Фиг. 9 показывает еще одну альтернативную часть канальной пластины 5 согласно настоящему изобретению. Согласно этому альтернативному варианту канальная пластина разделена по срединной плоскости на две половины 18 и 19. Половину 18 при сборке вставляют в половину 19 с образованием канала 6. Прокладка 17 уплотняет две половины канальной пластины согласно этому варианту изобретения и формирует канал 6 между половинами и стенками 4. В фигуре можно видеть впускное посадочное гнездо 9 для технологических текучих сред, и выпускной канал 13 обеспечивает выход продуктов из канала 6 канальной пластины. Поворотные камеры 8 поворачивают канал 6 от одного ряда к следующему. В Фиг. 10 представлены две половины 18 и 19 канальной пластины 5 в собранном состоянии, и канал 6 образуется между двумя половинами 18 и 19. Фиг. 11 показывает еще один дополнительный вариант части канальной пластины 5, которая разделена по срединной плоскости. Согласно этому варианту с половинами 18 и 19 объединены две барьерные пластины 20. Прокладка 17 уплотняет сформированный канал в канальной пластине. Фиг. 12 показывает, как канал 6 герметизируют снаружи с помощью барьерных пластин 20.
Фиг. 13 показывает канальную пластину 5, вставленную между двумя служебными пластинами 21. Согласно этому альтернативному варианту две барьерные пластины 20 герметизируют технологический канал 6 от вспомогательных каналов 22 служебных пластин 21. Внутри вспомогательных каналов 22 теплообменные текучие среды переносят тепло или холод к технологическим текучим средам или от них в технологическом канале 6. Эта фигура показывает альтернативную конфигурацию блока 8с поворотной камеры, который имеет поперечное сечение из трех четвертей окружности с образованием Р-образного сечения. Фигура также показывает, как турбулизаторная вставка 23 служебной пластины поддерживает плоскую сторону блока канальной пластины 5. Таким образом, служебная пластина 21 включает вспомогательные проточные каналы 22, турбулизаторную вставку 23, барьерную пластину 20, причем служебная пластина также может включать другие компоненты, здесь не упомянутые. Посадочные гнезда 7 сообщаются с технологическим каналом 6, и посадочные гнезда могли бы быть оснащены различными датчиками, форсунками и т.д. Канальная пластина может быть герметизирована относительно барьерных пластин 20 кольцеобразными резиновыми уплотнениями, причем кольцеобразные уплотнения могут быть помещены в канавку 24 на обеих сторонах канальной пластины 5. В зазоре 25 между рамой 32 и турбулизаторной вставкой 23 кольцеобразные уплотнения могут герметизировать служебную пластину 21 относительно барьерных пластин 20. Выпускной канал 26а или впускной канал 26b (то есть 26 а+b), не показанные в фигуре, для теплообменных текучих сред размещены снаружи служебных пластин 21. Посадочное гнездо 27 для термопар или резистивных термометров находится в положении при впускном канале или выпускном канале для вспомогательного потока, температуру которого можно было бы отслеживать.
Фиг. 14 показывает, как канальную пластину 5 размещают между двумя служебными пластинами 21. Канальную пластину 5 вставляют в отсеки 28 в служебных пластинах 21. Отсеки 28 сформированы барьерными пластинами 20 и рамами 29. Канальную пластину 5 вставляют в отсеки 28 и прокладками 17 уплотняют технологический канал относительно встроенной барьерной пластины отсеков 28. Прокладка 17 имеет прорезь сквозь области, соответствующие плоским поверхностям 2 канальной пластины 5, и тем самым герметизирует канал 6 канальной пластины 5 относительно барьерных пластин 20, так что среда в канале 6 не контактирует с плоской лицевой поверхностью прокладки 17 или имеет небольшой или минимальный контакт с любыми кромками прокладки 17, когда пластины собраны. Фиг. 14 показывает также соединительные патрубки 30. Соединительные патрубки 30 соединяют служебные пластины 21 между собой так, чтобы теплообменные текучие среды для переноса тепла или холода можно было транспортировать между служебными пластинами 21.
Фиг. 15 показывает служебную пластину 21 согласно изобретению и то, как турбулизаторную вставку 31 размещают в служебной пластине 21. Согласно Фиг. 15 турбулизаторную вставку 31 вставляют в рамную пластину 32 и уплотняют не показанным на чертеже кольцеобразным уплотнением. Турбулизаторная вставка 31 могла бы быть также вставлена в отсек, образованный встроенной рамной пластиной и барьерной пластиной в служебной пластине, это в фигуре не видно. Турбулизаторная часть турбулизаторной пластины 31 имеет конфигурацию в форме рядов 33, соответствующих плоским рядам канальной пластины, причем плоские ряды канальной пластины на Фиг. 15 не показаны. Ряды 33 имеют ребра 34 для усиления турбулентности в потоке теплообменных текучих сред и тем самым теплопереноса. Ребра 34 сконструированы также соответствующими конфигурации канальной пластины, и ребра 34 обеспечивают дополнительную опору для стенок 4 канальной пластины 5, а также дополнительную турбулентность в теплообменном потоке. Важно, чтобы канальная пластина поддерживалась с созданием хорошего контактного давления на прокладки, в особенности, когда проточный модуль работает под высоким давлением. Отсек для канальной пластины, каковая канальная пластина не видна на фигуре, формируют из барьерной пластины 20, которую устанавливают на раме 29 при сборке служебной пластины. Барьерная пластина 35 представляет собой встроенную барьерную пластину, имеющую впускные каналы 36 и выпускные каналы 37 для теплообменных текучих сред. Впускной канал 36 и выпускной канал 37 могли бы иметь переменное местоположение в зависимости от направления течения теплообменных текучих сред. Впускной канал 38 сообщается с впускным каналом 36, впускной канал 38 также мог бы представлять собой выпускной канал, когда изменяют вспомогательный поток. Посадочные гнезда 39 в пластинах предназначены для транспортирования теплообменных текучих сред между пластинами. Соединительные патрубки 40 вставляют в посадочные гнезда 39 с уплотнением для надежного транспортирования текучих сред.
Фиг. 16 показывает собранные проточные секции 41 в проточном модуле согласно изобретению. Проточные секции 41 размещают в раме 42 модуля. Проточные секции 41 собирают между двумя стяжными стержнями 43. В зависимости от размера, веса и рабочего давления проточный модуль мог бы быть собран иным путем, например для малого проточного модуля, не показанного в фигуре, нет необходимости в раме 42 модуля, и вместо этого в некоторых вариантах применения могли бы быть достаточными только стяжные стержни, если рама оказывается излишней, то нужно свинтить вместе стяжные стержни, и потребуется большее число стяжных стержней, чем показано в фигуре.
Фиг. 17 показывает еще один альтернативный вариант изобретения, в котором рама 42 модуля поддерживает на своем месте проточные секции 41, в этой фигуре подробно не показанные. На этой фигуре проточные секции 41 удерживаются на своем месте усилием от решетчатой компоновки пружин 44 и торцевой пластины 45. Согласно этому альтернативному варианту изобретения между двумя торцевыми пластинами размещают распределительную пластину 46 и нажимные пластины 47. Два распорных блока 48 помещают между торцевой пластиной 45 и распределительной пластиной 46 или удаляют оттуда с помощью гидроцилиндров 49. Распорные блоки 48 находятся в закрытом положении, то есть на этой фигуре размещены между компонентами. На этой фигуре решетчатые компоновки пружин 44 размещены между распределительной пластиной 46 и одной торцевой пластиной 45, но решетчатые компоновки пружин могли бы быть размещены на обеих сторонах проточных секций 41. Усилия от гидроцилиндров 49 могут быть ослаблены так, что проточные секции 41 удерживаются на месте без помощи гидроцилиндров 49. Усилие, приложенное к проточным секциям 41, можно оценить измерением расстояния между одной торцевой пластиной 45 и тем, насколько далеко плунжеры 50 выдвигаются наружу из торцевой пластины 45. Две торцевых пластины 45 позиционируют так, чтобы между ними можно было ввести заданное число проточных секций 41, когда система находится в открытом положении. Расстояние между двумя торцевыми пластинами может быть отрегулировано выбором числа втулок 51 и затягиванием гаек 52 на каждом стяжном стержне 43.
Фиг. 18 показывает собранный проточный модуль согласно еще одному альтернативному варианту изобретения, в котором каждую из двух торцевых пластин 45 размещают с решетчатыми компоновками пружин 44. На этой фигуре гидравлические инструменты, такие как гидроцилиндры или гидравлические исполнительные механизмы, не показаны. В некоторых вариантах осуществления гидравлические механизмы могут быть удалены. Стяжные стержни 43 удерживают проточные секции 41 на месте в горизонтальном положении, когда проточный модуль находится в зажатом состоянии. Фиг. 18 также показывает, как канальные пластины 5 размещают в проточных секциях 41, в этой проекции можно видеть посадочные гнезда 7 на канальных пластинах 5. Проточные секции 41 также могут удерживаться в положениях с помощью удерживающих устройств 53, которые свешиваются с балки на раме 42. Фиг. 18 показывает навесное оборудование 54 с датчиками давления в качестве примера.
Фиг. 19 показывает разрез по линии В-В собранного проточного модуля с рамой 42 и одной проточной секцией 41. Эта фигура также показывает две нажимные пластины 47. Фиг. 20 и 21 представляют два вида разреза В-В, показывающих, как проточную секцию 41 устанавливают на нижний стяжной стержень 43. Фиг. 20 показывает также, что верхняя передняя часть проточной секции 41 может входить в верхний стяжной стержень 43 и становиться на свое место между двумя стяжными стержнями 43. Устройство 53 для монтажа проточной секции 41 в подвешенном положении размещают на балке рамы 42, согласно фиг. 20 монтажное устройство 53 имеет форму крюка, но могут быть использованы любые подходящие устройства, являющиеся подвижными на роликовом устройстве 54. Фиг. 21 показывает проточную секцию 41 в подвешенном положении между двумя стяжными стержнями 43 с помощью подвесного устройства 53. Тем самым между проточной секцией 41 и нижним стяжным стержнем 43 образуется зазор 55, и при этой компоновке стяжной стержень 43 не испытывает большой нагрузки от пакета проточных секций 41, и на стяжные стержни 43 будут действовать только усилия, созданные затягиванием собранного модуля, поскольку вес пакета проточных секций 41 и т.д. будет сосредоточен на балке рамы 42. Поэтому стяжные стержни 43 удерживают пакет проточных секций на своем месте боковым действием.
Фиг. 22 показывает три примера рядов блоков, формирующих технологический канал 6. Блоки имеют плоские поверхности 2, которые повернуты в сторону барьерных пластин 20 или служебных пластин 21. Две канальные пластины могут быть разделены мембраной или фильтром вместо барьерных пластин 20 или служебных пластин 21, это не показано в фигуре, в случае мембраны или фильтра плоские поверхности 2 повернуты к мембране или фильтру. Примеры в Фиг. 22 иллюстрируют, как каналообразующие поверхности 3 формируют канал 6 между барьерными пластинами 20 или служебными пластинами 21. На этой фигуре каналообразующие поверхности 3 представлены изогнутыми выпуклыми поверхностями в альтернативном варианте А, трапециевидными поверхностями в альтернативном варианте В и треугольными поверхностями в альтернативном варианте С. Согласно изобретению включены все подходящие каналообразующие поверхности в той мере, насколько технологическому каналу 6 приданы необходимые характеристики.
В последующем изобретение будет иллюстрировано с применением Примеров 1-3. Назначение Примеров состоит в иллюстрации характеристик многоцелевого проточного модуля согласно изобретению и не предполагает ограничения области изобретения.
Пример 1: Распределения Времен Пребывания (RTD)
Значения RTD дают информацию об макрохарактеристиках аксиального перемешивания в реакторе. Интерпретация значений RTD с использованием модели рассеяния позволяет произвести оценку приближения к пробковому режиму течения или отклонения от него. В этом Примере значения RTD измеряют способом «воздействие-отклик». Оптические зонды размещают на входе и выходе технологической стороны одной проточной пластины согласно изобретению и выше по потоку относительно зонда на входе импульсно впрыскивают краситель.
Фиг. 23 показывает, что для каждой величины расхода потока, выбранной в исследуемом диапазоне (10-100 л/час), измеряют изменение поглощения со временем, типично выражаемое в сотнях или тысячах числовых значений, собранных в течение нескольких секунд или нескольких минут для каждого зонда. Эти данные могут быть усреднены. Затем определяют значение RTD из сигналов на входе и выходе деконволюцией (сверткой) следующего уравнения: выходной отклик = (распределение срока выхода)×(входной отклик). Приближением модели аксиального рассеяния к измеренным значениям RTD при выбранных величинах расхода потока можно рассчитать число Пекле (Ре) для каждой величины расхода потока, которое определяется выражением
a,
Pe=uL/D
a
где “u” представляет среднюю линейную скорость течения, “L” представляет длину проточного канала, и “D” представляет коэффициент аксиального рассеяния. Для идеального пробкового режима течения Ре→∞, и для идеального течения с противоточным смешением Ре→0. Это значит, что с практической технической точки зрения Ре>>1 для пробкового режима течения, и Ре<<1 для течения с полностью противоточным смешением.
Условия для одной проточной пластины согласно изобретению были следующими:
Размеры проточного канала реакторной пластины были: поперечное сечение 3,0 мм × 16 мм в среднем, длина проточного канала приблизительно 6 м.
Величина расхода потока = 53 л/час; объем впрыснутого красителя = 1,0 мл; концентрация впрыснутого красителя = 0,26 г нигрозина/л.
Результаты измерений обобщены в Фиг. 23, которая показывает значения RTD, собранные для одной проточной пластины. Нет ни проскоков напрямик, ни застойных зон, тем самым в испытуемом проточном канале был создан пробковый режим течения. Фиг. 23 также показывает, что форма распределения красителя является по существу такой же у входного зонда, как у выходного зонда, что показывает, что течение в проточном канале можно рассматривать как пробковое течение, что также подтверждается числом Пекле. Число Пекле, рассчитанное по этим данным, ≈800.
Пример 2: Форсунки
В реакторной пластине был испытан ряд различных впрыскивающих или диспергирующих форсунок. Форсунки действовали при различных давлениях и величинах расхода потока, и в воду впрыскивали изододекан с образованием дисперсии типа "масло-в-воде". Давления впрыскивания составляли 2, 4, 6 и 8 бар (0,2, 0,4, 0,6 и 0,8 МПа, соответственно), с повышением давления по мере возрастания величины расхода потока через форсунку, так что в каждом испытании отношение «додекан/вода» является разным. При этом оценивалось распределение капелек по размерам, и избранные результаты были обобщены на Фиг. 24 для форсунки с 10 отверстиями величиной 140 микрон (мкм).
<b>Таблица 1</b><b>Условия испытаний и расчетные значения <i>d</i></b><sub>32</sub><b>Основной поток при 50 л/час</b>
Q<sub>tot</sub>(кг/час)
Q<sub>tot</sub>(л/час)
Давление (бар)
Среднее давление (бар)
d<sub>32</sub>(мкм)
11,32
15,03
2,00
2,01
21,949
15,81
20,99
4,00
4,02
18,720
19,07
25,34
6,00
6,03
14,694
23,58
31,32
8,00
8,00
16,899
Более высокий перепад давления сокращает размер капелек, образуемых форсункой. Величины массопереноса в химическом реакторе значительно зависят от площади поверхности раздела между двумя средами, и поэтому уменьшенный размер капелек способствует повышению скоростей реакций.
Пример 3: Теплообмен
В этом эксперименте провели оценку теплового профиля технологической текучей среды, перемещающейся вдоль проточного канала одной единичной проточной секции. Для простоты использовали воду как в канальной пластине в качестве технологической текучей среды, так и в служебных пластинах в качестве вспомогательных текучих сред. Величина расхода потока технологической текучей среды составляла 25 л/час, и величина расхода потока вспомогательных текучих сред была 2000 л/час. Температуру измеряли в разное время, и результаты обобщены в графике, показанном в Фиг. 25.
Проточный модуль согласно настоящему изобретению применим, когда проводят следующие технологические операции: изготовление, реакции, смешение, примешивание, проведение криогенных операций, промывание, экстракции и очистки, регулирование величины рН, смены растворителей, получение химических веществ, получение промежуточных химических продуктов, получение API (активных фармацевтических ингредиентов) при выполнении низкотемпературных операций, получение фармацевтических промежуточных продуктов, разработки с масштабируемым увеличением и уменьшением, осаждение или кристаллизации, выполнение множественных впрыскиваний, или множественных добавлений или многочисленных измерений, или многочисленных отборов образцов, работа с многостадийными реакциями, операции предварительного охлаждения, операции предварительного нагревания, операции дополнительного нагревания и дополнительного охлаждения, действия для перевода периодических процессов в непрерывные процессы и операции для разделения и повторного объединения потоков.
Типы реакций, которые могут быть проведены в настоящем изобретении, включают реакции присоединения, реакции замещения, реакции элиминирования, реакции обмена, реакции гашения, восстановления, нейтрализации, разложения, реакции замещения или вытеснения, реакции диспропорционирования, каталитические реакции, реакции расщепления, окисления, замыкания циклов и раскрытия циклов, реакции ароматизации и деароматизации, реакции для введения и снятия защитных групп, межфазного переноса и каталитического межфазного переноса, фотохимические реакции, реакции, включающие газовые фазы, жидкостные фазы и твердые фазы, которые могут включать свободные радикалы, электрофилы, нуклеофилы, ионы, нейтральные молекулы, и т.д.
С использованием проточного модуля также могут быть проведены такие синтезы, как синтез аминокислот, асимметрический синтез, синтез хиральных веществ, жидкофазный синтез пептидов, метатезис олефинов, синтез пептидов и т.д. Другие типы синтезов, в которых может быть применен проточный модуль, представляют собой реакции в области химии углеводов, химии сероуглерода, химии цианидов, химии диборана, химии эпихлоргидрина, химии гидразина, химии нитрометана и т.д., или синтез гетероциклических соединений, ацетиленовых соединений, хлорангидридов кислот, катализаторов, цитотоксических соединений, стероидных интермедиатов, ионных жидкостей, пиридиновых реагентов, полимеров, мономеров, углеводов, нитронов и т.д.
Проточный модуль пригоден для проведения именных реакций, таких как альдольные конденсации, восстановление по Берчу, окисление по Байеру-Виллигеру, перегруппировка Курциуса, конденсация Дикмана, реакции Дильса-Альдера, конденсация Кневенагеля-Дебнера, реакции Фриделя-Крафтса, перегруппировка Фриса, синтезы Габриэля, реакция Гомберга-Бахмана, реакции Гриньяра, реакция Хека, перегруппировка Гофмана, реакции Яппа-Клингемана, индольный синтез Леймгрубера-Бачо, реакции Манниха, присоединение по Михаэлю, реакция Михаэлиса-Арбузова, реакция Мицунобу, реакция Мияура-Сузуки, реакция Реформатского, реакция Риттера, восстановление по Розенмунду, реакция Зандмейера, восстановление шиффовых оснований, реакция Шоттена-Баумана, эпоксидирование по Шарплессу, синтез Скраупа, кросс-сочетание по Соногашира, синтез аминокислот по Штреккеру, окисление по Сверну, реакция Ульмана, перегруппировка Вильгеродта, реакция Вильсмайера-Хаака, синтез простых эфиров по Вильямсону, реакция Виттига и т.д.
Дополнительными реакциями, для которых пригоден проточный модуль, являются реакции конденсации, реакции кросс-сочетания, омыления, озонолиза, реакции циклизации, реакции циклополимеризации, дегалогенирования, дегидроциклизации, дегидрирования, дегидрогалогенирования, диазотирования, реакции диметилсульфата, обмен галогенов, реакции циановодорода, реакции фтороводорода, реакции гидрирования, реакции иодирования, реакции изоцианатов, реакции кетенов, реакции в жидком аммиаке, реакции метилирования, сочетания, металлоорганические реакции, металлирование, реакции окисления, окислительного сочетания, оксореакции, поликонденсации, полиэтерификации, реакции полимеризации, другие реакции, такие как реакции ацетилирования, арилирования, акрилирования, алкоксилирования, аммонолиза, алкилирования, аллильного бромирования, амидирования, аминирования, азидирования, бензоилирования, бромирования, бутилирования, карбонилирования, карбоксилирования, хлорирования, хлорметилирования, хлорсульфирования, цианирования, цианэтилирования, цианметилирования, нитрилирования, эпоксидирования, этерификации с образованием сложных эфиров, этерифицирования с образованием простых эфиров, галогенирования, гидроформилирования, гидросилилирования, гидроксилирования, кетализации, нитрования, нитрометилирования, нитрозирования, пероксидирования, фосгенирования, кватернизации, силилирования, сульфохлорирования, сульфирования, сульфоксидирования, тиокарбонилирования, тиофосгенирования, тозилирования, трансаминирования, переэтерификации и т.д.
Настоящее изобретение дополнительно определяется независимыми пунктами и зависимыми пунктами патентной формулы.