Трубопроводный коллектор
PIPELINE MANIFOLD

Изобретение относится к трубопроводным коллекторам автоматического режима работы, которые непрерывно подают несколько потоков жидкости одного количества в одну ёмкость или распределяют один поток на несколько в другие ёмкости. Предлагаемое изобретение, в том числе, может быть использовано на многоассортиментных химических заводах, производящих активные фармацевтические субстанции, интермедиаты и другие продукты тонкого органического синтеза.
В настоящее время наиболее распространенным способом соединения химических ёмкостей с использованием трубопроводов, является обычная система трубопроводов с запорноклапанными механизмами с соединением всего оборудования. Данный тип соединения оборудования на производстве достаточно трудоемкий и содержит риск человеческой ошибки, что на некоторых производствах может оказаться критическим (патент ЕР № 0654438 А1, МПК В67D 7/78, 1995 г.).
Для производства в периодическом режиме интермедиатов (продуктов тонкой химии) или готовых лекарственных фармацевтических субстанций (далее АФС) на участках производства общепринятой практикой является изготовление реакторов, фильтров, резервуаров, колонн кристаллизаторов, а также фиксированных труб для них для каждого выпускаемого продукта в отдельности. В такой периодической производственной системе перенос жидких сред, таких как сырье, полупродукт, продукт осуществляется главным образом с помощью выборочно работающих клапанов на стационарных трубах. Однако увеличение количества единиц оборудования (которые в дальнейшем вместе могут называться «технологическими установками»), таких как реакционные сосуды, приводит к необходимости увеличения количества клапанов, что неизбежно приводит к более сложной системе управления всего производства.
В случае изменения выпускаемой продукции на производстве также возникает задача, связанная не только с необходимостью модифицировать существующую производственную схему, включая установку дополнительных трубопроводов, но и с перепроектированием системы управления, с учётом предотвращения смешивания жидкостей.
Данная схема имеет следующие недостатки и проблемы:
(1) Высокий риск неправильной установки соединений из-за ручной работы.
(2) Сравнительно высокие временные затраты на реорганизацию производственной схемы.
(3) Необходимость полной проработки систем управления для оптимизации технологического процесса, сопровождающейся добавлением, удалением или заменой технологических установок.
(4) Использование клапанов для регулирования подачи жидких сред может привести к загрязнению конечного продукта из-за ненадежности клапанов. Вероятность возникновения загрязнения пропорционально возрастает с увеличением количества труб и клапанов.
(5) Высокая стоимость классического трубопроводного соединения единиц оборудования. Например, в случае, когда используется 100 различных химических сред путем переключения 30 трубопроводных систем в зависимости от видов производимой продукции, необходимо предусмотреть 3000 автоматических и электромагнитных клапанов для эксплуатации такой системы.
(6) Поскольку трубы между подающими и принимающими единицами оборудования протянуты на значительную длину, объем, заполняющий трубы будет велик (так называемый, «мертвый объем»). Это означает, что замена жидкости в оборудовании или замена трубопроводной связи оборудования неизбежно сопровождается большими потерями объема жидкости.
Известно устройство подачи жидких продуктов из множества источников во множество мест назначения. Принцип работы устройства основан на механике – движении вала, связанного подшипником к фланцу, являющегося распределительным устройством. Благодаря вращению вокруг собственной оси и одновременном перемещении вдоль оси (вперед и назад) вал способен отсоединяться и присоединяться к другим фланцам, тем самым направляя поток по другим трубопроводам (WO № 1998012140 A1, МПК B65D 7/74, 2010 г.).
Основным недостаткам описанного устройства является быстрый износ комплектующих, таких как подшипники, коронные шестерни, прокладки, различные диски и прочие комплектующие. В качестве альтернативы авторы предлагают пневматическую или гидравлическую систему с поршнем, механическую систему, использующую рабочий двигатель различного типа: электрический, пневматический или механический.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство автоматического переключения трубопроводов (патент US № 5505496, МПК B67D 5/60, 1996 г.), которое содержит:
множество труб для приема жидкости, соединенных соответственно с множеством исходных емкостей;
множество труб подачи жидкости, соединенных, соответственно, с множеством приемных емкостей;
множество креплений и держателей, соединительных стыков, жестких труб и шлангов.
Основным недостатком описанного устройства является необходимость сбора технологической линии под один фиксированный продукт. При оптимизации технологического процесса, в ходе которого изменится количество технологических установок, устройство потеряет свою эффективность, или вовсе не сможет функционировать необходимым образом.
Технической результатом предлагаемого изобретения является более легкая адаптация коллекторного устройства под необходимое количество входов и выходов.
Технический результат достигается тем, что коллектор включает ёмкости (манифольды) с одним или двумя входом /выходом, выполненными с возможностью соединения ёмкостей (манифольдов) друг с другом, и входом/выходом, выполненным с возможностью соединения с источником подачи потока среды (жидкости)  или её приёмником, которые снабжены запорно-регулирующим механизмом в виде мембраны, включающей корпус, внешний блок управления и запорный механизм мембраны (мембранного клапана), и расположенной с возможностью блокирования и пропуска потока среды, идущего от источника его подачи или в приемник.
На фиг. 1 представлен общий вид коллектора, где 1 – корпус манифольда, 2 – выход/вход для соединения ёмкостей-манифольдов, 3 – выход/вход для соединения с источником подачи среды или её приёмником, 4 – узел соединения манифольдов, 5 – запорно-регулирующий механизм (мембрана), состоящий из корпуса, внешнего блока управления и запорного механизма мембраны (мембранного клапана).
Манифольды 1 могут быть соединены между собой с помощью гайки 4.1 и штуцера 4.2, в свою очередь, соединённых между собой, например, за счёт стягивания их по резьбовому соединению, и закреплённых на выполненном в виде патрубка входе/выходе соответствующего манифольда, с помощью накладных полуколец 4.3 через прокладку 4.4 (фиг. 2). Размещаемая между манифольдами в месте стыка патрубков с гайкой и штуцером прокладка 4.4 обеспечивает герметичное прилегание патрубков друг другу.
На фиг. 3 представлено объёмное изображение коллектора, где 5.1 – корпус мембраны.
Выполнение запорно-регулирующего механизма, который отвечает за количество подаваемой среды/жидкости в каждую линию (манифольд), в виде мембраны обеспечивает полную герметичность, соответственно, и отсутствие контаминации сред, а также возможность автоматического управления устройством, исключая быстрый износ.
Мембрана может быть выполнена, как описано в заявке WO2014133887, содержащей корпус клапана 5.1, имеющий вход 5.2 и выход 5.3, разделенные запорным механизмом, а именно седлом клапана 5.4 и диафрагмой 5.5, имеющей центральный шток 5.6, первый конец которого соединен с поршнем 5.7 для приведения в действие клапана и тарелкой 5.8 для взаимодействия с седлом клапана для закрытия клапана (фиг. 4). Тарелка образует двухточечное уплотнение с седлом клапана, имеющим, по меньшей мере, две точки контакта между кольцевой поверхностью тарелки и седлом клапана. Кольцевая поверхность тарелки может быть либо вогнутой, либо выпуклой, что обеспечивает двухточечное уплотнение. Клапан имеет фиксатор, примыкающий к диафрагме, а диафрагма имеет гибкую перемычку, которая проходит радиально наружу от центрального штока.
Для блокирования потока подаётся сигнал во внешний блок управления, в результате чего происходит опускание центрального штока 5.6 и других элементов запорного механизма, и мембрана частично или полностью перекрывает пространство, соединяющее вход 5.1 и выход 5.2 мембранного клапана 5.
Корпус манифольда предпочтительно изготавливается из цельной детали, получаемой путем токарных и фрезерных операций. Застойные зоны в данной конструкции предпочтительно уменьшены до минимальных размеров.
Таким образом, соединенные между собой манифольды, позволяют получить конструкцию коллектора, обеспечивающую при необходимости достаточно простое включение в коллектор заданного количества входящих/выходящих потоков за счёт использования мембран (к тому же более устойчивых к износу, чем различные механические решения) для открытия и закрытия необходимых отводов.