РЕАКТОРЫ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ И СПОСОБЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
REACTORS FOR CONTINUOUS PROCESSING AND METHODS OF THEIR USE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение касается обрабатывающих реакторов и, более конкретно, реакторов непрерывной обработки, которые могут придавать обрабатываемой текучей среде высокие скорости теплопереноса, массопереноса, скорости перемешивания и другие высокие скорости переноса.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Общей проблемой в процессах химических реакций является, достижение требуемой гидродинамики в реакторе, чтобы эффективно получать желаемые продукты. Реагенты должны перемешиваться так, чтобы молекулы компонентов реакции вступали в контакт с другими компонентами в реакции, включая катализаторы. Присутствие газообразного реагента может дополнительно требовать увеличения площади поверхности на границе между газовыми и жидкими компонентами для увеличения эффективности реакции.
Чтобы улучшить перемешивание и контакт между реакционными компонентами были разработаны тонкопленочные реакторы, включая, среди прочего, нанесение катализатора на внутреннюю поверхность (т.е. поверхность обработки) камеры обработки. Кроме того, для усиления адгезии катализатора к поверхности обработки камеры обработки золь-гель технологию или тонкослойное нанесение (washcoating) можно применять к поверхности обработки. Однако со временем покрытие имеет тенденцию страдать от истирания и неизбежно дезактивироваться.
Обращаясь к необходимости увеличения площади поверхности между компонентами, определенные тонкопленочные реакторы были разработаны, включая вращательный распределитель, который может использоваться для раздачи материала, такого как обрабатываемая текучая среда, на внутреннюю стенку. Однако, так как эти реакторы объединяют высокоинтенсивный теплообмен и короткое время пребывания обрабатываемых материалов, такая конструкция может заставлять материалы, когда материалы поступают в камеру обработки, быстро расширяться из-за внезапной разницы температур между камерой обработки и источником, вызывая неравномерное распыление материала на внутреннюю стенку камеры обработки.
Другие тонкопленочные реакторы оборудованы одной или несколькими вращающимися щетками, которые могут применяться к внутренней стенке камеры обработки, распределяя обрабатываемые материалы на внутреннюю стенку (т.е. поверхность обработки). Однако прямой контакт щеток с поверхностью обработки может приводить к загрязнению материала, а также нежелательному износу щеток и внутренней стенки реактора. Кроме того, из-за необходимого расположения щеток получение равномерной тонкой пленки вдоль, по существу, всей длины внутренней стенки камеры обработки остается проблемой. В присутствии вязкой текучей среды накопление материала может происходить из-за неоднородного течения. Когда это происходит и накопленный материал контактирует с щетками, вращающаяся система может терять механическое равновесие и вращение может нарушаться.
Тонкопленочные реакторы также оборудуют вращающимся диском, от которого обрабатываемая текучая среда распределяется на поверхность обработки камеры обработки. К сожалению, такие реакторы не приспособлены для обеспечения достаточно длительного времени пребывания и не подходят для высоких производительностей. Кроме того, современная конструкция тонкопленочных реакторов может быть такой, что эти тонкопленочные реакторы испытывают недостаток способности обеспечивать высокие скорости переноса, то есть относительно высокие скорости теплопереноса, массопереноса или смешивания, или их комбинацию, в связи с обрабатываемой текучей средой.
Соответственно, существует необходимость в тонкопленочном реакторе с конструкцией, которая может обеспечить, по существу, равномерное тонкое распределение обрабатываемой текучей среды или материала на поверхности обработки, которая может усилить перемешивание и/или контакт между реакционными компонентами, которая может обеспечить достаточно длительное время пребывания, и которая может обеспечить относительно высокие скорости переноса, обеспечивая, в то же время, высокие производительности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения обеспечивается реактор для обработки текучей среды. Данный реактор включает в себя внешний резервуар, имеющий внутреннюю поверхность, напротив которой может находиться обрабатываемая текучая среда. Внутренняя поверхность внешнего резервуара, в одном варианте осуществления, может быть разработана так, чтобы позволять обрабатываемой текучей среде опускаться в, по существу, равномерную тонкую пленку, позволяя обрабатываемой текучей среде иметь относительно высокую скорость теплопереноса, массопереноса, перемешивания, другие скорости переноса или их комбинацию. Внутренняя поверхность внешнего резервуара также может быть обеспечена профилированным рисунком, чтобы создавать дополнительную площадь поверхности, над которой обрабатываемая текучая среда может течь, облегчая одно из обработки, переработки, разделения, увеличения времени пребывания или их комбинацию. Реактор также включает в себя внутренний резервуар, находящийся внутри внешнего резервуара и имеющий внешнюю поверхность, служащую в качестве поверхности теплообмена для обрабатываемой текучей среды. Внутренний резервуар, в одном варианте осуществления, включает в себя внутреннюю поверхность, напротив которой может течь теплообменная текучая среда. Теплообменная текучая среда, в общем, имеет температуру, которая может отличаться от температуры обрабатываемой текучей среды, вызывая разность температур между внешней поверхностью внутреннего резервуара и внутренней поверхностью внешнего резервуара. Реактор дополнительно включает в себя кольцевое пространство, заданное между внешним резервуаром и внутренним резервуаром, для обеспечения прохода, вдоль которого может подаваться обрабатываемая текучая среда. Кольцевое пространство, в одном варианте осуществления, может быть разработано так, чтобы поддерживать разность температур между внешним резервуаром и внутренним резервуаром, придавая обрабатываемой текучей среде относительно высокие скорости переноса. Кроме того, кольцевое пространство может содержать вторую текучую среду для взаимодействия с обрабатываемой текучей средой. В одном варианте осуществления вторая текучая среда может двигаться внутри кольцевого пространства в противотоке относительно течения обрабатываемой текучей среды. Слой насадочного материала также может быть обеспечен внутри кольцевого пространства, чтобы увеличить площадь поверхности, над которой может контактировать объем обрабатываемой текучей среды, для увеличения скоростей ее переноса, и чтобы обеспечить, по существу, равномерное распределение температуры по кольцевому пространству.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения обеспечивается способ обработки текучей среды. Данный способ включает в себя сначала введение обрабатываемой текучей среды во внешний резервуар и напротив его внутренней поверхности. На этой стадии, по существу, равномерное тонкопленочное течение обрабатываемой текучей среды может быть обеспечено напротив внутренней поверхности внешнего резервуара, усиливая способность текучей среды к обработке, переработке и/или разделению, а также позволяя обрабатываемой текучей среде иметь относительно высокую скорость теплопереноса, массопереноса, перемешивания или их комбинацию. В одном варианте осуществления обрабатываемая текучая среда может распределяться вращательным образом, образуя, по существу, тонкие капли или нитевидные элементы на внутренней поверхности внешнего резервуара.
Данный способ также включает в себя обеспечение, внутри внешнего резервуара, внутреннего резервуара с теплообменной поверхностью с температурой, отличающейся от температуры обрабатываемой текучей среды. На этой стадии, теплообменная текучая среда, обеспеченная при температуре, отличающейся от температуры обрабатываемой текучей среды, может распределяться напротив внутренней поверхности внутреннего резервуара. Распределение теплообменной текучей среды может происходить вращательным образом, образуя, по существу, тонкие капли или нитевидные элементы на внутренней поверхности внутреннего резервуара. Данный способ дополнительно включает в себя поддержание разницы температур поперек прохода между внешним резервуаром и внутренним резервуаром, придавая обрабатываемой текучей среде в нем относительно высокие скорости переноса. Стадия поддержания, в одном варианте осуществления, включает в себя обеспечение прохода с относительно коротким расстоянием между внешней поверхностью внутреннего резервуара и внутренней поверхностью внешнего резервуара. Кроме того, вторая текучая среда может направляться в данный проход и ей может быть позволено взаимодействовать с обрабатываемой текучей средой. В одном варианте осуществления, второй текучей среде может быть позволено двигаться в противотоке относительно течения обрабатываемой текучей среды. До желаемой степени, слой насадочного материала может быть размещен внутри данного прохода, чтобы увеличить площадь поверхности, над которой обрабатываемая текучая среда может контактировать, для увеличения скоростей переноса. В таком варианте осуществления объем обрабатываемой текучей среды может вводиться во внешний резервуар и в данный проход.
Реактор и способ обработки настоящего изобретения могут быть использованы для разных приложений, включая взаимодействия текучая среда-текучая среда или твердое-текучая среда-текучая среда в связи с органическими системами, дистилляцией и испарением, охлаждением перегретого пара, реакциями, инициируемыми ультрафиолетом и/или микроволнами, опреснением и удалением диоксида углерода, среди прочего.
Реакторы настоящего изобретения могут также располагаться последовательно, позволяя множество проходов обрабатываемой текучей среды через каждый из реакторов для увеличения скоростей переноса. Если желательно, каждый реактор в системе может быть разработан для другой функции. Реактор настоящего изобретения, альтернативно, может включать в себя третий резервуар внутри внутреннего резервуара, чтобы обеспечить другое кольцевое пространство между третьим резервуаром и внутренним резервуаром, позволяя множественные проходы обрабатываемой текучей среды через такой реактор. Добавочные резервуары могут быть дополнительно обеспечены, где каждый последовательно находится внутри предыдущего внутреннего резервуара, если это желательно.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 изображает продольный вид в разрезе обрабатывающей системы, имеющей реактор непрерывного действия для обеспечения реакций текучая среда-текучая среда или твердое-текучая среда-текучая среда согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 изображает продольный вид в разрезе другого реактора непрерывного действия для обеспечения реакций текучая среда-текучая среда или твердое-текучая среда-текучая среда согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 изображает продольный вид в разрезе еще одного реактора непрерывного действия для обеспечения реакций текучая среда-текучая среда или твердое-текучая среда-текучая среда согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 изображает продольный вид в разрезе другого реактора непрерывного действия для обеспечения реакций текучая среда-текучая среда или твердое-текучая среда-текучая среда согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 изображает продольный вид в разрезе реактора непрерывного действия для выполнения процессов испарения и/или дистилляции согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 изображает продольный вид в разрезе реактора непрерывного действия для охлаждения перегретого пара согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 изображает продольный вид в разрезе реактора непрерывного действия для выполнения реакций, инициируемых УФ и/или микроволнами, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8 и 9 изображают дополнительные варианты осуществления реактора настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения обеспечивается обрабатывающая система, имеющая реактор для непрерывной обработки материалов. Данный реактор может обеспечивать обрабатываемые материалы достаточно длительным временем пребывания, чтобы увеличить перемешивание и/или контакт между реакционными компонентами, и может обеспечивать относительно высокие скорости переноса, в то же время обеспечивая высокую производительность.
Реактор, в общем, включает в себя внешний резервуар, вмещающий материалы (например, текучие среды и/или твердые вещества), обрабатываемые или используемые в связи с ними, внутренний резервуар, находящийся внутри внешнего резервуара, служащий в качестве поверхности обмена энергии, и кольцевое пространство, заданное между внешним и внутренним резервуарами и вдоль которого разница температур может быть обеспечена, чтобы вызывать относительно высокие скорости переноса, в то же время обеспечивая высокие производительности в связи с обрабатываемыми материалами.
Реактор
Обращаясь теперь к фиг.1, согласно одному варианту осуществления обрабатывающая система настоящего изобретения может быть оборудована реактором 10 для, среди прочего, непрерывной обработки. Как изображено, реактор 10 включает в себя внешний резервуар 11 для вмещения обрабатываемых текучих сред. Внешний резервуар 11, в одном варианте осуществления, включает в себя тело 12, внутри которого могут содержаться обрабатываемая текучая среда или текучие среды и, если желательно, любой материал, используемый в связи с этим. В одном варианте осуществления тело 12 может быть, по существу, цилиндрическим по форме и может включать в себя верхний конец 121 и нижний конец 122. Тело 12 может также включать в себя внутреннюю поверхность 123 (т.е. поверхность обработки) и противоположную внешнюю поверхность 124, распространяющиеся между верхним концом 121 и нижним концом 122 тела 12. Внутренняя поверхность 123, в одном варианте осуществления, может быть разработана так, чтобы обрабатываемая текучая среда могла находиться напротив нее или на ней. В одном варианте осуществления, обрабатываемая текучая среда может иметь возможность течь вниз вдоль длины внутренней поверхности 123 в направлении стрелок 125 в, по существу, равномерной тонкой пленке. По существу, равномерное течение текучей среды вдоль внутренней поверхности 123, в одном варианте осуществления, может облегчаться, например, силой тяжести. Путем позволения текучей среде течь, по существу, равномерно в виде тонкой пленки, текучая среда может хорошо подходить для обработки и/или разделения при относительно высоком уровне энергетической эффективности, в то же время придавая текучей среде относительно высокие скорости переноса (т.е. скорости теплопереноса, массопереноса и/или перемешивания). Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения тонкопленочное течение, обеспеченное на внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11, может иметь толщину в интервале от приблизительно 1,0 микрон до приблизительно 1,0 см. Однако следует понимать, что толщина меньше чем обеспеченный интервал и больше чем обеспеченный интервал также рассматривается в зависимости от конкретного приложения, так как реактор 10 настоящего изобретения не предполагается ограничивать таким образом.
Так как внешний резервуар 11 может быть сконструирован так, чтобы придавать обрабатываемой текучей среде относительно высокие скорости переноса до степени, которая может быть желательна, чтобы дополнительно увеличить скорости теплопереноса, массопереноса, перемешивания и/или другие, относительно высокие скорости переноса, внутренняя поверхность 123 может быть профилированной, чтобы создавать добавочную площадь поверхности, над которой может течь обрабатываемая текучая среда. В частности, путем обеспечения добавочной площади поверхности, над которой может течь обрабатываемая текучая среда, время пребывания или период времени, в течение которого теплоперенос может происходить к текучей среде или от нее, может увеличиваться. Профилированный рисунок внутренней поверхности 123 может также помогать увеличивать поверхностное натяжение текучей среды, текущей вдоль внутренней поверхности 123, и может помогать поддерживать, по существу, тонкую и равномерную пленку жидкости вдоль внутренней поверхности 123. Пример профилированного рисунка для внутренней поверхности 123 включает в себя канавки. Канавки, в одном варианте осуществления, могут располагаться горизонтально, вертикально, в зигзагообразном рисунке или с любым другим дизайном. Хотя канавки могут быть обеспечены вдоль внутренней поверхности 123, могут быть обеспечены другие профилированные рисунки, например выемки, выпуклости, волнистые неровности, пока данные профилированные рисунки могут помогать увеличивать скорости переноса.
В добавление или вместо обеспечения внутренней поверхности 123 тела 12 профилированным рисунком, внутренняя поверхность 123 может включать в себя покрытие, облегчающее обработку, переработку и/или разделение, в то же время обеспечивая текущую среду, текущую вдоль внутренней поверхности 123, относительно высокими скоростями переноса. В одном варианте осуществления данное покрытие может иметь любые химические, физические, электрические, магнитные или другие свойства, известные в технике.
Следует понимать, что, хотя изображено цилиндрическим по форме, тело 12 внешнего резервуара 11 может быть обеспечено с любой формой или конфигурацией, например, треугольной, квадратной, шестиугольной, восьмиугольной или любой другой геометрической конфигурацией с любой желаемой длиной и диаметром в зависимости от приложения. Кроме того, тело 12 может быть сделано из любого твердого материала, включая металл, металлический сплав, пластик, стекло, кварц, керамику или любые другие твердые материалы, которые могут осуществлять теплоперенос, сохраняться при определенной температуре и/или осуществлять изменение температуры, как необходимо.
Обращаясь опять к фиг.1, внешний резервуар 12 реактора 10 может также включать в себя нижнюю часть 13, разработанную для сбора и удаления, среди прочего, текучих сред, которые были обработаны и которые прошли вдоль внутренней поверхности 123 тела 12. Кроме того, нижняя часть 13 также может быть разработана для ввода другой текучей среды или текучих сред во внешний резервуар 11 для использования в связи с обрабатываемой текучей средой. Нижняя часть 13, в одном варианте осуществления, может быть интегрированной с телом 12. Альтернативно, нижняя часть 13 может сменным образом прикрепляться к телу 12, обеспечивая, по существу, герметичное уплотнение с ним. Чтобы обеспечить, по существу, герметичное уплотнение, тело 12 и нижняя часть 13 могут быть обеспечены комплементарно входящими фланцами 131, которые могут скрепляться друг с другом путем использования винтов, гаек и болтов или любых других механизмов, известных в технике. Резиновое кольцо или другие подобные уплотнители также могут обеспечиваться между комплементарно входящими фланцами 131 для увеличения герметичного уплотнения. Конечно, другие конструкции могут применяться, иные чем использование фланцев 131, пока может быть обеспечено, по существу, герметичное уплотнение. Кроме того, в желаемой степени, нижняя часть 13 может шарнирно прикрепляться к телу 12.
Чтобы позволить удаление обработанной текучей среды, собранной в нижней части 13, по меньшей мере, один выход 132 может быть расположен в некотором месте вдоль нижней части 13, так чтобы удаление собранной текучей среды можно было выполнять в достаточной степени. В одном варианте осуществления, текучая среда, удаляемая из нижней части 13, может собираться отстойнике (не показан), расположенном возле выхода 132, и с помощью любого другого средства, известного в данной области техники. Альтернативно, для ввода текучей среды во внешний резервуар 11 вход 133 может быть обеспечен в любом месте вдоль нижней части 13, через который может вводиться текучая среда. В определенных приложениях, чтобы минимизировать взаимодействие с другими текучими средами, которые могут вводиться в реактор 10 сквозь нижнюю часть 13, делитель 134 может быть расположен возле выхода 132, чтобы, по существу, предотвращать текучую среду, текущую вдоль внутренней поверхности 123 тела 12, от протекания за выход 132 и вниз в нижнюю часть 13, где другие текучие среды могут присутствовать.
Как изображено, нижняя часть 13 может быть параболической по форме. Однако следует понимать, что нижняя часть 13 может быть конической, плоской или иметь любую другую геометрическую форму, которая может соответствовать геометрическому профилю нижнего конца 122 тела 12. Так как нижняя часть 13 может использоваться для вмещения одной или нескольких текучих сред, она может быть сделана из любого твердого материала, подобного материалу, из которого сделано тело 12, включая металл, металлический сплав, пластик, стекло, кварц, керамику или любые другие твердые материалы, которые могут поддерживаться при определенной температуре и/или позволяют изменение температуры, как необходимо.
Внешний резервуар 11 реактора 10 может дополнительно включать в себя верхнюю часть 14 для удерживания обрабатываемых текучих сред внутри внешнего резервуара 11. Верхняя часть 14, подобно нижней части 13, может быть единым целым с телом 12. Альтернативно, верхняя часть 14 может съемным образом прикрепляться к телу 12, обеспечивая, по существу, герметичное уплотнение с ним. Чтобы обеспечить, по существу, герметичное уплотнение, тело 12 и верхняя часть 14 могут быть обеспечены комплементарно входящими фланцами 141, которые могут скрепляться друг с другом путем использования винтов, гаек и болтов, или любых других механизмов, известных в технике. Резиновое кольцо или другие подобные уплотнители также могут обеспечиваться между комплементарно входящими фланцами 141 для увеличения герметичного уплотнения. Конечно, другие конструкции могут применяться, иные чем использование фланцев 141, пока может быть обеспечено, по существу, герметичное уплотнение. Кроме того, в желаемой степени, верхняя часть 14 может шарнирно прикрепляться к телу 12.
В одном варианте осуществления верхняя часть 14 может быть оборудована, по меньшей мере, одним выхлопом 142, обеспечивающим удаление любой текучей среды, включая жидкость и газ, которые могут применяться в связи с обработкой текучей среды, текущей вдоль внутренней поверхности 123 тела 12. Выхлоп 142 также может использоваться для выпуска любого газа, который может использоваться при увеличении давления внешнего резервуара 11 во время обработки текущей среды вдоль внутренней поверхности 123. Как изображено, верхняя часть 14 может быть параболической по форме. Однако следует понимать, что верхняя часть 14 может быть конической, плоской или иметь любую другую геометрическую форму, которая может соответствовать геометрическому профилю верхнего конца 121 тела 12. Кроме того, так как верхняя часть 14 может иметь необходимость выдерживать высокое давление, может быть желательно делать верхнюю часть 14 из любого твердого материала, подобного материалу, из которого сделано тело 12, включая металл, металлический сплав, пластик, стекло, кварц, керамику или любые другие твердые материалы, которые могут поддерживаться при определенной температуре и/или позволяют изменение температуры, как необходимо.
Следует заметить, что, хотя называются выхлопом, входом или выходом, эти отверстия или апертуры могут использоваться для ввода или удаления текучей среды из внешнего резервуара 11.
Обращаясь опять к фиг.1, в добавление к внешнему резервуару 11 реактор 10 может дополнительно включать в себя внутренний резервуар 15, находящийся внутри внешнего резервуара и сконструированный так, чтобы обеспечивать поверхность теплообмена для текучей среды, текущей вдоль внутренней поверхности 123 (т.е. поверхности обработки) внешнего резервуара 11. Внутренний резервуар 15, в одном варианте осуществления, может быть, по существу, цилиндрическим по форме и может концентрически располагаться внутри внешнего резервуара 11, так что внутренний резервуар 15 и внешний резервуар 11 могут быть, по существу, аксиально выровнены друг относительно друга. Кроме того, внутренний резервуар 15 может быть обеспечен заметно меньшим диаметром относительно диаметра внешнего резервуара 11, так что кольцевое пространство 16 может быть определено между внутренним резервуаром 15 и внешним резервуаром 11, обеспечивая проход, вдоль которого может выполняться обработка текучей среды вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11. В одном варианте осуществления размер и диаметр внутреннего резервуара 15 и внешнего резервуара 11 или отношение одного резервуара к другому могут меняться и могут быть заданы в зависимости от конкретного приложения. Чтобы поддерживать внутренний резервуар 15 в его положении внутри внешнего резервуара 11, внутренний резервуар 15 может располагаться на стойках или ножках 151. Так как ножки 151 могут располагаться внутри нижней части 13 внешнего резервуара 11, где повсюду может требоваться поддержание течения текучей среды, ножки 151 могут быть пористыми, чтобы позволять течению текучей среды происходить повсюду.
TM
Как изображено, внутренний резервуар 15 может включать в себя тело 17, разработанное так, чтобы служить в качестве теплообменной поверхности внутри реактора 10. В частности, тело 17 внутреннего резервуара может включать в себя внешнюю поверхность 171 и внутреннюю поверхность 172, вдоль которой теплообменная текучая среда может течь в направлении стрелок 173. В одном варианте осуществления, теплообменная текучая среда, текущая вдоль внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15, может обеспечиваться с другой температурой относительно обрабатываемой текучей среды, текущей вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 12. Путем обеспечения теплообменной текучей среды с другой температурой, разница температур может возникать поперек кольцевого пространства 16 между внутренней поверхностью 123 внешнего резервуара 11 и внешней поверхностью 171 внутреннего резервуара 15, способствуя относительно высоким скоростям переноса во время обработки, переработки и/или разделения текучей среды, текущей вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 12. Примеры теплообменной текучей среды включают в себя воду, масло, гликольную смесь, Dow Therm или любую текучую среду, способную выполнять теплообмен.
Внутренняя поверхность 172 внутреннего резервуара 15, подобно внешней поверхности 123 внешнего резервуара, в одном варианте осуществления может быть разработана так, что теплообменная текучая среда может иметь возможность течь вниз вдоль длины внутренней поверхности 172 в, по существу, равномерной тонкой пленке. По существу, равномерное течение теплообменной текучей среды вдоль внутренней поверхности 172, в одном варианте осуществления, может облегчаться, например, силой тяжести. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, тонкопленочное течение, обеспеченное на внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15, может иметь толщину в интервале от приблизительно 1,0 микрон до приблизительно 1,0 см. Однако следует заметить, что толщина меньше чем обеспеченный интервал или больше чем обеспеченный интервал также рассматривается в зависимости от конкретного приложения, так как внутренний резервуар 15 настоящего изобретения не предполагается ограничивать таким образом.
Чтобы помочь увеличению относительного поверхностного натяжения, чтобы поддерживать, по существу, тонкую и равномерную пленку текучей среды вдоль внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15, внутренняя поверхность 172 может быть обеспечена профилированным рисунком (не показан), подобно рисунку, обеспеченному вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11. Примеры профилированного рисунка для внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15 включают в себя канавки. Канавки, в одном варианте осуществления, могут располагаться горизонтально, вертикально, в зигзагообразном рисунке или с любым другим дизайном. Хотя канавки могут быть обеспечены вдоль внутренней поверхности 172, могут быть обеспечены другие профилированные рисунки, например выемки, выпуклости, волнистые неровности, пока данные профилированные рисунки могут помогать увеличивать равномерность тонкопленочного течения.
Следует понимать, что, хотя изображено цилиндрическим по форме, тело 17 внутреннего резервуара 15 может быть обеспечено с любой формой или конфигурацией, например треугольной, квадратной, шестиугольной, восьмиугольной или любой другой геометрической конфигурацией с любой желаемой длиной и диаметром в зависимости от приложения. Кроме того, тело 17 может быть сделано из любого твердого материала, включая металл, металлический сплав, пластик, стекло, кварц, керамику или любые другие твердые материалы, которые могут осуществлять теплоперенос, сохраняться при определенной температуре и/или осуществлять изменение температуры, как необходимо, чтобы генерировать разницу температур поперек между внутренней поверхностью 123 внешнего резервуара 11 и внешней поверхностью 171 внутреннего резервуара 15.
Внутренний резервуар 15 реактора 10 может также включать в себя нижний конец 18 для сбора и удаления теплообменной текучей среды, которая может перемещаться вниз от внутренней поверхности 172 тела 17. Нижний конец 18, в одном варианте осуществления, может быть интегрированным с телом 17, обеспечивая, по существу, герметичное уплотнение с телом 17. Для выполнения удаления собранной текучей среды из нижнего конца 18 может быть обеспечен выходной канал 181. В одном варианте осуществления выходной канал 181 может быть в проточном сообщении с нижней частью 13 внешнего резервуара 11, так что теплообменная текучая среда может выходить из внутреннего резервуара 15 в нижнюю часть 13 внешнего резервуара 11, где она может затем удаляться через выход 182. Как показано, нижний конец 18 может быть коническим по форме. Однако следует заметить, что нижний конец 18 может быть параболическим, плоским или иметь любую другую геометрическую форму, пока он может направлять теплообменную текучую среду в выходной канал 181.
Внутренний резервуар 15 реактора 10 может дополнительно включать в себя верхний конец 19 для удерживания теплообменной текучей среды внутри внутреннего резервуара 15. Верхний конец 19, в одном варианте осуществления, может быть одним целым с телом 17, обеспечивая, по существу, герметичное уплотнение с телом 17. Подобно нижнему концу 18, верхний конец 19 внутреннего резервуара 15 может быть коническим по форме. Однако следует понимать, что верхний конец 19 может быть параболическим, плоским или иметь любую другую геометрическую форму, пока он может действовать, удерживая теплообменную текучую среду внутри внутреннего резервуара 15.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения верхний конец 19 и нижний конец 18 внутреннего резервуара 15 могут быть сделаны из любого твердого материала, подобного материалу, обеспеченному для тела 17 внутреннего резервуара. Примеры такого материала включают в себя металл, металлический сплав, пластик, стекло, кварц, керамику или любые другие твердые материалы, которые могут осуществлять теплоперенос, сохраняться при определенной температуре и/или осуществлять изменение температуры, как необходимо.
Как указано выше, кольцевое пространство 16 может находиться между внутренней поверхностью 123 внешнего резервуара 11 и внешней поверхностью 171 внутреннего резервуара 15, поддерживая разницу температур между ними, чтобы облегчить обработку, переработку и/или разделение, в то же время обеспечивая течение текучей среды вдоль внутренней поверхности 123 с относительно высокими скоростями переноса. В одном варианте осуществления данного изобретения, так как кольцевое пространство 16 обеспечивает проход, вдоль которого может происходить обработка текучей среды вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11, кольцевое пространство 16 может быть обеспечено с конструкцией, позволяющей, по меньшей мере, второй текучей среде (т.е. газу или жидкости) входить в кольцевое пространство 16 для контакта и взаимодействия с опускающейся обрабатываемой текучей средой. Вторая текучая среда, в одном варианте осуществления, может иметь возможность двигаться вверх (т.е. восходящее течение) внутри кольцевого пространства 16 и вдоль направления стрелок 161 в противотоке относительно нисходящего течения обрабатываемой текучей среды вдоль направления стрелок 125. Путем создания противоточного течения между восходящей второй текучей средой и нисходящей обрабатываемой текучей средой точки контакта на границе раздела между второй текучей средой и обрабатываемой текучей средой могут увеличиваться над относительно большей площадью поверхности, вызывая относительно высокие скорости переноса.
Кроме того, время пребывания или период времени, в течение которого может возникать контакт между нисходящей текучей средой и восходящей текучей средой внутри кольцевого пространства 16, может существенно увеличиваться путем обеспечения одной или обеих из внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11 и внешней поверхности 171 внутреннего резервуара 15 профилированным рисунком. Может использоваться профилированный рисунок, такой как рисунок 174, показанный на внешней поверхности 171 внутреннего резервуара 15. Альтернативно, могут использоваться другие профилированные рисунки, такие как канавки, выступы, выемки, волнистые неровности. Каждый из этих рисунков, кроме того, может быть расположен горизонтально, вертикально, в зигзагообразном рисунке или с любым другим дизайном, указанным выше. Для иллюстративных целей, показанный профилированный рисунок 174 может быть выполнен на каждой из внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11 и внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15. Путем увеличения времени пребывания процесса внутри кольцевого пространства 16 данный процесс, в одном варианте осуществления, может наделяться относительно более высокой энергией и эффективностью обработки, чем другие.
Кольцевое пространство 16 согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения может иметь ширину в интервале от приблизительно 0,2 см до приблизительно 2 см. Однако следует понимать, что кольцевое пространство с любым размером ширины может быть использовано. Благодаря относительно короткому расстоянию поперек кольцевого пространства 16  разница или градиент температуры, который может создаваться внутри кольцевого пространства 16, может также приводить к относительно более высокой энергетической и обрабатывающей эффективности. Кроме того, вследствие данной конструкции реактора 10, кольцевое пространство 16 может поддерживаться в условиях вакуума в связи с определенными приложениями для улучшения реакционной кинетики. Следует понимать, что, так как вторая текучая среда может направляться в кольцевое пространство 16, размер и конструкция делителя 134, расположенного возле выхода 132, может позволять делителю 134 распространяться в кольцевое пространство 16, в то же время не вступая в контакт с внутренним резервуаром 15. Таким образом, присутствие делителя 134 делает возможным ввод второй текучей среды в кольцевое пространство 16, сохраняя достаточную длину для направления текучей среды от внутренней поверхности 123 его резервуара 11 через выход 132.
Чтобы дополнительно придавать и увеличивать скорости переноса обрабатываемой текучей среды вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11, источник энергии, такой как теплонасосный кожух 111, может быть обеспечен по окружности тела 12 внешнего резервуара 11, выступая в качестве источника нагрева или охлаждения текучей среды, текущей вдоль внутренней поверхности 123. Например, если взаимодействие между нисходящей обрабатываемой текучей средой и восходящей второй текучей средой внутри кольцевого пространства 16 приводит к заметному изменению температуры нисходящей текучей среды, кожух 111 может использоваться для регулировки температуры нисходящей текучей среды вверх или вниз, как требуется, до достижения желаемой температуры.
Кожух 111 в одном варианте осуществления может быть любым, коммерчески доступным тепловым насосом и может включать в себя индуктивные, резистивные или проводящие элементы. Кожух 132 может дополнительно включать в себя добавочные компоненты для улучшения теплопроизводительности. Альтернативно, вместо теплового насоса кожух 111 может быть разработан так, чтобы позволять текучей среде при относительно повышенной температуре или при относительно холодной температуре проходить сквозь него, чтобы действовать в качестве источника нагрева или охлаждения текучей среды, текущей вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11. При этом кожух 111 может включать в себя каналы 112, позволяющие газам, жидкостям или текучим средам входить или выходит из кожуха 111. В одном варианте осуществления кожух 111 может быть сделан из металла, металлического сплава, пластика, стекла, кварца, керамики или любых других материалов, которые могут поддерживать и вызывать теплые или холодные температуры.
Одно из преимуществ реактора 10 настоящего изобретения состоит в способности обеспечивать, по существу, равномерную тонкую пленку вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11 для обработки. Чтобы делать это, реактор 10 использует, согласно одному варианту осуществления, систему 101 распределения текучей среды, изображенную на фиг.1. Распределяющая система 101, в одном варианте осуществления, может включать в себя проход 102, сконструированный так, чтобы вводить обрабатываемую текучую среду из источника (не показан) во внутреннюю область внешнего резервуара 11. Распределяющая система 101 может также включать в себя первый вращательный элемент 103, такой как диск, в проточном сообщении с проходом 102, так что текучая среда из прохода 102, если желательно, может непрерывно направляться в первый вращательный элемент 103 и затем распределяться им на внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 11.
Следует понимать, что элемент 103, в одном варианте осуществления, может быть сконструирован так, что его вращение вызывает центробежное действие, заставляя текучую среду, полученную из прохода 102, направляться наружу к периферии (т.е. краю) элемента 103. Вращение элемента 103 может дополнительно заставлять текучую среду на периферии элемента 103 непрерывно раскручиваться с элемента 103 в, по существу, тонкие капли или нитевидные элементы на внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 11. Непрерывная подача, по существу, тонких капель или нитевидных элементов на внутреннюю поверхность 123 позволяет формировать, по существу, равномерную тонкую пленку, когда обрабатываемая текучая среда спускается вдоль внутренней поверхности 123.
В варианте осуществления, показанном на фиг.1, элемент 103 может находиться сверху длинной трубы 104 внутри внешнего резервуара 11 и на расстоянии от прохода 102. Изображенная длинная труба 104 может распространяться через нижнюю часть 13 внешнего резервуара 11 во внутренний резервуар 15 и из него через верхний конец 19 внутреннего резервуара 15, так что она, по существу, аксиально выровнена с проходом 102. В одном варианте осуществления труба 104 может концентрически располагаться внутри выхода 182, через который может выходить выходящая текучая среда из внутреннего резервуара 15.
Распределяющая система 101 может также включать в себя второй вращательный элемент 105 в проточном сообщении с трубой 104 и расположенный внутри внутреннего резервуара 15. Второй вращательный элемент 105, в одном варианте осуществления, может использоваться для распределения, по существу, равномерной тонкой пленки теплообменной текучей среды на внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15. Как показано, второй элемент 105 может быть перфорированным, чтобы текучая среда, направленная вдоль трубы 104, могла распределяться из второго элемента 105.
Подобно первому вращательному элементу 103, второй вращательный элемент 105 также может быть сконструирован таким образом, что его вращение вызывает центробежное действие, заставляя текучую среду, полученную из трубы 104, направляться наружу к периферии (т.е. краю) элемента 105. Вращение второго элемента 105 может дополнительно заставлять текучую среду на его периферии непрерывно распределяться сквозь его перфорации в виде, по существу, тонких капель или нитевидных элементов на внутреннюю поверхность 172 внутреннего резервуара 15. Непрерывная подача, по существу, тонких капель или нитевидных элементов на внутреннюю поверхность 172 позволяет формировать, по существу, равномерную тонкую пленку, когда обрабатываемая текучая среда спускается вдоль внутренней поверхности 172.
Распределяющая система 101 может дополнительно включать в себя мотор (не показан), сконструированный, чтобы вызывать вращение трубы 104, например, в направлении, показанном стрелкой 106, и, таким образом, вращение элементов 103 и 105. Данный мотор, в одном варианте осуществления, может быть присоединен к концу трубы 104, противоположному концу, на котором находится элемент 103, и может быть сконструирован так, чтобы вращаться с достаточной скоростью. В одном варианте осуществления, скорость вращения мотора может регулироваться так, что скорость вращения может изменяться по желанию. Например, данная скорость может меняться, чтобы гарантировать равномерное распределение тонкой пленки, когда скорость течения текучей среды может меняться.
Хотя изображен находящимся на расстоянии от прохода 102, положение первого вращательного элемента 103 внутри распределяющей системы 101, как показано на фиг.2, может быть таким, что вращательный элемент 103 может быть, по существу, в контакте и в проточном сообщении с проходом 102. В варианте осуществления, показанном на фиг.2, проход 102 может быть продолжением трубы 104 и может оставаться, по существу, аксиально выровненным с трубой 104. Другими словами, труба 104 может быть удлинена так, что она может продолжаться, распространяясь от верхнего конца 19 внутреннего резервуара 15 и через верхнюю часть 14 внешнего резервуара 11. Первый вращательный элемент 103, с другой стороны, может включать в себя отверстия (не показаны) вокруг его периферии, так что текучая среда, направляемая во вращательный элемент 103, может распределяться из элемента 103 через данные отверстия на внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 11. Мотор (не показан) может быть связан с концом трубы 104, выходящим из верхней части 14 внешнего резервуара 11, и может вызывать вращение трубы 104 в направлении стрелки 20. Конечно, по желанию, данный мотор может альтернативно быть связан с противоположным концом трубы 104 возле нижней части 13 внешнего резервуара 11.
Первый вращательный элемент 103, изображенный на фиг.2, может быть полым диском, полой трубой или иметь любой другой дизайн, пока он является вращательным и способным быть обеспеченным отверстиями вокруг его периферии для целей распределения. Однако следует понимать, что, как показано на фиг.3, вращательный элемент 103 может быть также обеспечен дизайном, подобным второму вращательному элементу 105. Более конкретно, вращательный элемент 103 может быть обеспечен множеством перфораций, так что текучая среда, направляемая вдоль прохода 102 трубы 104, может поступать во вращательный элемент 103 и распределяться из него.
Обращаясь теперь к фиг.4, для определенных приложений вместо вмещения тонкой пленки текучей среды кольцевое пространство 16 реактора 10 может быть заполнено объемом обрабатываемой текучей среды. В таком варианте осуществления реактор 10 непрерывного действия настоящего изобретения может быть обеспечен слоем насадочного материала 40 внутри кольцевого пространства 16. Слой насадочного материала 40 может использоваться для увеличения площади поверхности, над которой данный объем обрабатываемой текучей среды может контактировать, чтобы увеличить скорости переноса. В одном варианте осуществления насадочный материал 40 может включать в себя ситоподобные материалы, шарики, монолит или любой другой материал, который может обеспечивать, по существу, извилистый проход, сквозь который обрабатываемая текучая среда должна проходить, увеличивая время пребывания или период времени, в течение которого текучая среда может обрабатываться. В таком варианте осуществления, данная реакция может включать в себя противоточный газ, вводимый в кольцевое пространство 16, в присутствии обрабатываемой текучей среды. Путем его введения противоточный газ может образовывать пузырьки в объеме текучей среды, которые могут направляться вверх сквозь слой насадочного материала 40. Кроме того, наличие извилистого пути внутри слоя насадочного материала 40, а также насадочный материал 40 могут действовать, расщепляя или разделяя каждый пузырек на множество меньших пузырьков. Таким образом, увеличение площади поверхности может быть вызвано над много большим числом пузырьков для реакции с обрабатываемой текучей средой. В одном варианте осуществления, когда образуются меньшие пузырьки, слой насадочного материала 40 может действовать, по существу, равномерно распределяя пузырьки внутри объема текучей среды в кольцевом пространстве 16.
По желанию, насадочный материал 40 может быть покрыт слоем катализатора, чтобы облегчать обработку, переработку и/или разделение, в то же время дополнительно придавая текучей среде, текущей сквозь кольцевое пространство 16, относительно высокие скорости переноса. В одном варианте осуществления насадочный материал 40 может нагреваться или охлаждаться, например, кожухом 11 через внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 11 и/или с помощью теплообменной текучей среды через внешнюю поверхность 171 внутреннего резервуара 15 в зависимости от конкретного приложения. Кроме того, при нагреве или охлаждении, наличие насадочного материала внутри кольцевого пространства 16 может обеспечивать, по существу, равномерное распределение температуры через кольцевое пространство 16.
Работа
При работе, обращаясь опять к фиг.1, обрабатываемая текучая среда может, в общем, по существу, непрерывно вводиться во внешний резервуар 11 реактора 10 через проход 102. Обрабатываемая текучая среда может затем направляться на или в первый вращательный элемент 103, где, в результате центробежной силы из-за вращения элемента 103, она может направляться наружу к периферии (т.е. краю) элемента 103. Вращение элемента 103 дополнительно заставляет текучую среду на периферии непрерывно распределяться от элемента 103 в виде, по существу, тонких капель или нитевидных элементов на внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 11. Непрерывная подача, по существу, тонких капель или нитевидных элементов на внутреннюю поверхность 123 позволяет формировать, по существу, равномерную тонкую пленку, когда обрабатываемая текучая среда спускается вдоль внутренней поверхности 123.
В то время, когда обрабатываемая текучая среда вводится через проход 102, теплообменная текучая среда при температуре, отличной от температуры обрабатываемой текучей среды, может, по существу, непрерывно вводиться во внутренний резервуар 15 через трубу 104. Эта теплообменная текучая среда может затем направляться во второй вращательный элемент 105, где, опять в результате центробежной силы, придаваемой вращательным элементом 105, теплообменная текучая среда направляется к периферии элемента 105. Затем, как с первым вращательным элементом 103, теплообменная текучая среда может непрерывно распределяться в виде, по существу, тонких капель или нитевидных элементов на внутреннюю поверхность 172 внутреннего резервуара 15, позволяя, по существу, равномерной тонкой пленке течь вдоль внутренней поверхности 172.
В определенных приложениях, например в реакции газ-жидкость, противоточная текучая среда (т.е. газ) может вводиться в кольцевое пространство 16 посредством входа 133 на нижней части 13 внешнего резервуара 11. Такая текучая среда может направляться вверх в кольцевом пространстве 16 вдоль внешней поверхности 171 внутреннего резервуара 15 и позволять взаимодействовать с нисходящей обрабатываемой текучей средой (т.е. жидкостью), движущейся вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11. Наличие противоточной обрабатываемой среды вдоль кольцевого пространства 16 может увеличивать эффективность реакции, обработки, переработки или разделения нисходящей текучей среды. Такое увеличение эффективности может быть результатом увеличения точек контакта с нисходящей текучей средой и/или увеличения площади поверхности на границе между нисходящей текучей средой и восходящей противоточной текучей средой. В таких приложениях результирующая реакция, основанная на непрерывном взаимодействии между нисходящей текучей средой и восходящей противоточной текучей средой, может воздействовать или влиять на температуру каждой текучей среды (например, экзотермическая реакция). В связи с этим, температура противоточной текучей среды вдоль внешней поверхности 171 внутреннего резервуара 15 может регулироваться с помощью теплообменной текучей среды, движущейся вдоль внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15, тогда как температура нисходящей обрабатываемой текучей среды может регулироваться кожухом 111, если необходимо.
Как только нисходящая обработанная текучая среда достигает нижней части 13, когда она течет вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11, она может направляться на выход 132 и удаляться из реактора 10. Аналогично, нисходящая теплообменная текучая среда, когда она достигает нижнего конца 18 внутреннего резервуара 15, может направляться через выходной канал 181 и удаляться из реактора 10 через выход 182.
В результате данной конструкции реактора 10 настоящего изобретения, вместе со способностью реактора 10 обеспечивать, по существу, равномерное тонкопленочное течение обрабатываемой текучей среды, увеличение площади поверхности, а также времени пребывания или времени взаимодействия между обрабатываемой текучей средой и противоточной текучей средой, и способность вызывать разницу температур между тонкопленочной обрабатываемой текучей средой и теплообменной текучей средой, образуя термический градиент поперек узкого кольцевого пространства 16, реактор 10 настоящего изобретения может улучшать обработку, переработку и/или разделение обрабатываемой текучей среды, в то же время придавая такой текучей среде относительно высокие скорости переноса, такие как скорости теплопереноса, массопереноса и/или скорости перемешивания. Кроме того, из-за способности непрерывно обеспечивать, по существу, равномерную тонкую пленку текучей среды над, по существу, большой площадью поверхности, реактор 10 настоящего изобретения может обеспечивать существенно высокую производительность обработки вовлеченной текучей среды или текучих сред.
Пример 1: реакции текучая среда-текучая среда или твердое-текучая среда-текучая среда
Как показано в вариантах осуществления, изображенных на фиг.1, 2, 3 и 5, реактор 10 настоящего изобретения может быть применим для реакций текучая среда-текучая среда или твердое-текучая среда-текучая среда в связи с органическими системами. Следует понимать, что термин текучая среда, применяемый здесь и в данной заявке, включает в себя газ и жидкость. Таким образом, реактор 10 может быть применим, например, для реакций газ-жидкость, жидкость-жидкость, твердое-газ-жидкость или любой другой комбинации.
Реактор 10, изображенный на фиг.1, 2 и 3, в одном варианте осуществления имеет особое применение для органических систем, где используются более высокие давления и температуры, например гидрирование, окисление, полимеризация, деалкилирование, алкилирование, метилирование, карбоксилирование, декарбоксилирование и реакция Фишера-Тропша, среди прочего. Это применение дополнительно может быть полезно, например, в получении органических продуктов из угольной суспензии или получении диметилового эфира (ДМЭ) с использованием природного газа, метанола или других органических жидкостей или смеси газов в качестве сырья. Он дополнительно может быть применим при получении биодизеля и сырья с низкой свободной жирной кислотой для дизеля, используя процессы трансэтерификации и этерификации.
2
На фиг.1-3, в реакции жидкость-газ, обрабатываемая жидкость может сначала непрерывно вводиться через проход 102 в первый вращательный элемент 103. Данная жидкость может включать в себя воду, растворитель, химикаты, дезинфицирующее средство, нефтепродукт, соленую воду, метанол, этанол, жидкий катализатор, катализатор суспензионного типа или любой другой тип текучей среды. На вращательном элементе 103 центробежная сила от вращательного элемента 103 действует, непрерывно распределяя жидкость в виде, по существу, тонких капель или нитевидных элементов на внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 11 таким образом, чтобы создавать непрерывную, по существу, равномерную тонкую пленку текучей среды на внутренней поверхности 123. В то время, когда обрабатываемая жидкость вводится через проход 102, противоточный газ может вводиться в кольцевое пространство 16 с помощью входа 123 на внешнем резервуаре 11. Этот газ может направляться в кольцевое пространство 16 вдоль внешней поверхности 171 внутреннего резервуара 15 и иметь возможность взаимодействовать с нисходящей жидкостью, движущейся вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11. Примеры такого газа могут включать в себя водород, кислород, воздух, синтез-газ, СО, азот или любые другие реакционно-способные или нереакционно-способные газы.
В этой реакции жидкость-газ, в определенных случаях, может происходить экзотермическая реакция. В связи с этим, температура нисходящей жидкости может регулироваться кожухом 111, чтобы поддерживать нисходящую жидкость при желаемой температуре. Что касается восходящего противоточного газа, чтобы регулировать его температуру, теплообменная текучая среда при температуре, отличной от температуры нисходящей текучей среды, может, по существу, непрерывно вводиться во внутренний резервуар 15 через трубу 104. Эта теплообменная текучая среда может затем направляться во второй вращательный элемент 105, где, в результате центробежной силы, вызываемой вращательным элементом 105, непрерывно распределяется в виде, по существу, тонких капель или нитевидных элементов на внутреннюю поверхность 172 внутреннего резервуара 15, образуя непрерывную, по существу, равномерную тонкую пленку вдоль внутренней поверхности 172.
Как только нисходящая обработанная жидкость достигает нижней части 13, когда она течет вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11, она может направляться в выход 132 и удаляться из реактора 10. Аналогично, нисходящая теплообменная текучая среда, как только она достигает нижнего конца 18 внутреннего резервуара 15, может направляться через выходной канал 181 и удаляться из реактора 10 через выход 182. Что касается восходящего противоточного газа, он может удаляться через выхлоп 142. Если желательно, может быть обеспечен конденсатор, чтобы конденсировать удаленный противоточный газ для эффективного сбора. Кроме того, если необходимо, реакция вдоль кольцевого пространства 16 может поддерживаться в вакууме для улучшения реакционной кинетики.
В другом варианте осуществления, реактор 10, изображенный на фиг.4, может использоваться в реакции твердое-текучая среда-текучая среда и может включать в себя слой насадочного материала 40 внутри кольцевого пространства 16. Слой насадочного материала 40 может использоваться для увеличения площади поверхности, над которой нисходящий объем обрабатываемой жидкости может вступать в контакт, дополнительно увеличивая скорости переноса. Кроме того, насадочный материал 40 может обеспечивать, по существу, извилистый проход, сквозь который должна проходить нисходящая жидкость, и/или увеличивать период времени, в течение которого нисходящая жидкость может обрабатываться. В этой связи, насадочный материал 40 может действовать, дополнительно способствуя обработке, переработке и/или разделению, в то же время дополнительно придавая нисходящей жидкости относительно высокие скорости переноса. Насадочный материал 40 также может нагреваться или охлаждаться, например, кожухом 11 и/или с помощью теплообменной текучей среды внутри внутреннего резервуара 15, в зависимости от конкретного приложения. При нагреве или охлаждении наличие насадочного материала внутри кольцевого пространства 16 может обеспечивать, по существу, равномерное распределение температуры сквозь кольцевое пространство 16.
Пример 2: Испарение и дистилляция
Как показано в варианте осуществления, изображенном на фиг.5, реактор 50 настоящего изобретения может использоваться в процессах испарения и дистилляции. Процессы испарения и дистилляции включают в себя, например, удаление воды из нефтепродуктов, этанола, метанола, глицерина или других соединений. Кроме того, такие процессы могут включать в себя удаление легкой органики из тяжелой органики, такой как легкая бессернистая нефть из тяжелой нефти, метанол из смеси биодизеля и глицерина, метанол из глицерина, и легкая органика из тяжелой нефти. Кроме того, такие процессы могут включать в себя удаление органических растворителей, таких как этилацетат, из дисперсии полимера или удаление органических растворителей или мономеров во время процессов деполимеризации. Он также может использоваться в опреснении воды, концентрировании фруктового сока, концентрировании пищевых материалов, таких как суп, молоко, удалении легкой органики из грунтовой воды, удалении растворенной органики из обработанной воды (т.е. промышленных сточных вод) и удалении растворенных газов из жидкости, таких как диоксид углерода из горячего аминового раствора, сероводорода из воды, концентрировании суспензии, а также в множестве других приложений.
В приложении для удаления легкой органики из тяжелой органики, внутренняя поверхность 123 внешнего резервуара 11 может нагреваться, например, кожухом 111, тогда как внешняя поверхность 171 внутреннего резервуара 15 может охлаждаться с помощь существенно охлажденной текучей среды, текущей вдоль внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15. Кроме того, кольцевое пространство 16 между внешним резервуаром 11 и внутренним резервуаром 15 может поддерживаться под вакуумом для ускорения реакционной кинетики.
В условиях, обеспеченных выше, в одном варианте осуществления, жидкость, содержащая легкую органику или материал, испаряемый или дистиллируемый, может вводиться через проход 102 и распределяться с помощью первого вращательного элемента 103 равномерно вдоль нагреваемой внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11. Когда тонкая пленка жидкости спускается вниз по нагреваемой внутренней поверхности 123, пары могут возникать вдоль внутренней поверхности 123 и затем могут вступать в контакт с относительно более холодной внешней поверхностью 171 внутреннего резервуара 15. При контакте с относительно более холодной внешней поверхностью 171 пары могут конденсироваться и менять фазу на жидкую. Эта конденсированная жидкость может затем течь вниз вдоль внешней поверхности 171 внутреннего резервуара 15, где она может собираться в нижней части 13 внешнего резервуара 11. Это фазовое изменение от пара к жидкости может происходить на, по существу, коротком расстоянии внутри кольцевого пространства 16, обычно расстоянии между внутренней поверхностью 123 внешнего резервуара 11 и внешней поверхностью 171 внутреннего резервуара 15. Одно преимущество данной конфигурации состоит в том, что она обеспечивает энергетически эффективный способ отделения более легких компонентов от более тяжелых компонентов.
Чтобы дополнительно улучшить энергетическую эффективность или сохранение энергии, вовлеченной в этот конкретный процесс, обрабатываемая жидкость может также использоваться в качестве теплообменной текучей среды. В частности, относительно холодная, обрабатываемая жидкость может направляться во внутренний резервуар 15 через трубу 104 и вдоль внутренней поверхности 172. Когда она спускается вдоль внутренней поверхности 172, пары, образующиеся из нисходящей обрабатываемой текучей среды вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11, могут вступать в контакт с внешней поверхностью 171 внутреннего резервуара 15. Тепловая энергия из паров может затем поглощаться относительно холодной, обрабатываемой жидкостью, спускающейся вдоль внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15. Эта жидкость вдоль внутренней поверхности 172, теперь при повышенной температуре, может собираться в нижнем конце 18 внутреннего резервуара 15 и направляться на внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 11 через проход 102 и первый вращательный элемент 103. Когда она спускается вдоль внутренней поверхности 123, ее пары снова вступают в контакт с относительно более холодной внешней поверхностью 171 внутреннего резервуара 15, нагревая текучую среду вдоль внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15. Как только этот цикл установлен, кожух 111 может быть выключен, сберегая энергию, и описанный здесь процесс может протекать энергетически эффективным образом.
Для любых несконденсированных паров, которые могут перемещаться к верхней части 14 внешнего резервуара 11, может быть обеспечен конденсатор, чтобы конденсировать такие оставшиеся пары. В одном варианте осуществления конденсатор может располагаться снаружи внешнего резервуара 11 и в проточном сообщении с выхлопом 142, чтобы получать несконденсированные пары, направляемые через выхлоп 142. Альтернативно, конденсатор может располагаться внутри внешнего резервуара 104. В одном варианте осуществления конденсатор может быть в форме спирали 51, расположенной внутри выхлопа 142.
Следует заметить, что не вся жидкость, распределенная на нагретую внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 11, может испаряться. В связи с этим, такая жидкость может иметь возможность стекать вниз по внутренней поверхности 123 и направляться наружу через выход 132 в нижней части 13 внешнего резервуара 11. Если желательно, такая жидкость может возвращаться обратно через проход 102 для повторной обработки.
Альтернативно, отстойники могут быть расположены под реактором 50, чтобы собирать жидкость, удаленную из выхода 132 нижней части 13. Для конденсированной жидкости, которая прошла вниз по внешней поверхности 171 и которая накопилась в нижней части 13, отдельный отстойник может быть обеспечен для сбора такой текучей среды через вход 133.
Пример 3: охлаждение перегретого пара
В варианте осуществления, изображенном на фиг.6, реактор 60 настоящего изобретения может использоваться в связи с охлаждением перегретого пара или деперегревом пара. И внутренняя поверхность 123 внешнего резервуара 11, и внешняя поверхность 171 внутреннего резервуара 15 могут поддерживаться при температуре, заметно меньшей (т.е. более холодной) относительно перегретого пара.
Чтобы поддерживать внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 11 при относительно холодной температуре, относительно холодная жидкость может вводиться через проход 102, распределяемая первым вращательным элементом 103 на и, по существу, равномерно вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11. Дополнительно или альтернативно, кожух 111 может быть установлен на заданный температурный уровень, сохраняя внутреннюю поверхность 123 при такой, относительно низкой температуре. Чтобы поддерживать внешнюю поверхность 171 внутреннего резервуара 15 при подобной, относительно низкой температуре, относительно холодная жидкость может вводиться через трубу 104 во внутренний резервуар 15. Эта текучая среда затем направляется во второй вращательный элемент 105 и затем распределяется на и, по существу, равномерно вдоль внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15.
В обеспеченных выше условиях перегретый пар может вводиться во внешний резервуар 11 через выхлоп 142 в верхней части 14 внешнего резервуара 11. В одном варианте осуществления перегретый пар может обеспечиваться в виде осадков водяных частиц в интервале, например, от микродиапазона до нанодиапазона. Пар может затем направляться в кольцевое пространство 16, где он сталкивается, с одной стороны, с относительно холодной внутренней поверхностью 123 внешнего резервуара 11, а с другой стороны с относительно холодной внешней поверхностью 171 внутреннего резервуара 15. Кроме того, как только перегретый пар входит в относительно холодное кольцевое пространство 16, он сталкивается с холодной текучей средой, распределяемой из первого вращательного элемента 103. Встреча с относительно холодной текучей средой, распределяемой из первого вращательного элемента 103, действует, охлаждая перегретый пар до определенного уровня. Затем, когда пар движется вдоль кольцевого пространства 16, он может дополнительно охлаждаться и конденсироваться в жидкость для сбора.
В частности, когда перегретый пар проходит в кольцевом пространстве 16 и через относительно холодную, распределяемую жидкость, в одном варианте осуществления, пар может передавать часть своей тепловой энергии (т.е. тепла) распределенной жидкости и может выталкиваться распределенной жидкостью на внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 104. В одном варианте осуществления распределяемая жидкость может действовать, покрывая частицы пара, т.е. процесс покрытия in-situ, и выталкивать пар на внутреннюю поверхность 123. Когда пар выталкивается на внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 11, он может охлаждаться снова относительно холодной температурой, которая поддерживается вдоль внутренней поверхности 123. Кроме того, так как пар передает свое тепло распределенной жидкости в кольцевом пространстве или вдоль внутренней поверхности 123, увеличение температуры может заставлять жидкость испаряться. Пары, когда образуются в кольцевом пространстве 16, могут конденсироваться с помощью относительно холодной внешней поверхности 171 внутреннего резервуара 15. Это непрерывное взаимодействие с распределенной текучей средой, внутренней поверхностью 123 внешнего резервуара 11 и внешней поверхностью 171 внутреннего резервуара 15 может действовать, быстро охлаждая перегретый пар. Охлажденный пар может затем конденсироваться и течь вдоль внешней поверхности 171 внутреннего резервуара 15 и внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11 вниз к нижней части 13 внешнего резервуара 11, где он может собираться.
Следует понимать, что, хотя охлаждение перегретого пара может выполняться с совпадающим течением, как описано выше, оно может также выполняться в дизайне с противоточным течением. То есть, пар может вводиться в противоточном направлении к относительно холодной текучей среде, распределяемой из первого вращательного элемента 103.
Пример 4: реакции, инициируемые УФ или микроволнами
Как показано в варианте осуществления, изображенном на фиг.7, реактор 70 настоящего изобретения может использоваться в связи с инициируемыми ультрафиолетом (УФ) реакциями, такими как фотополимеризация, обработка или дезинфекция воды, или органические реакции для получения клинических лекарств. Кроме того, реактор 70 также может использоваться в связи с реакциями, инициируемыми микроволнами. В частности, микроволновая энергия может использоваться в качестве источника для обеспечения тепла и в качестве стимулирующего агента для органических реакций, особенно для реакций, включающих холодную суспензию, жидкую органику, фармацевтические препараты и превращение древесных опилок и других продуктов на основе древесины в целлюлозу. Микроволновая энергия также может использоваться для энергетически эффективного испарения воды, процессов опреснения, захвата и изоляции диоксида углерода. Можно заметить, что энергия от, например, микроволн и УФ-волн может действовать, разрушая патогенные организмы и бактерии в текучей среде. Другие источники энергии, также возможные в данном изобретении, не следует считать исключенными таким образом.
Для использования в опреснении и обработке воды с использованием микроволн реактор 70 может настраиваться, по существу, таким же образом, как описано в связи с фиг.1. В одном варианте осуществления соленая жидкость может вводиться через проход 102 и распределяться первым вращательным элементом 103 на нагретую внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 11 и равномерно вдоль нее. В то же время относительно холодная жидкость может вводиться через трубу 104 во внутренний резервуар 15. Эта текучая среда может затем направляться во второй вращательный элемент 105 и затем распределяться на и, по существу, равномерно вдоль внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15.
Когда, по существу, равномерная тонкая пленка соленой жидкости проходит вдоль внутренней поверхности 123 резервуара 11, источник энергии, такой как устройство генерации микроволн 71, расположенное возле тела 12 внешнего резервуара 11, может активироваться, передавая микроволновое излучение через стенки тела 12, нагревая соленую текучую среду, текущую вдоль внутренней поверхности 123 резервуара 11. Это заставляет тонкую пленку соленой текучей среды испаряться. Следует понимать, что при использовании такого источника энергии, как микроволновой генератор 71, когда энергия должна действовать на обрабатываемую текучую среду во внешнем резервуаре 11, но не должна действовать на теплообменную текучую среду во внутреннем резервуаре 15, тело 12 внешнего резервуара 11 может быть сделано из материала, который позволяет такой энергии проходить сквозь него, тогда как внутренний резервуар 15 может быть сделан из материала, который может быть непроницаемым для такой энергии.
Образующийся пар может затем проходить сквозь кольцевое пространство 16 к относительно холодной внешней поверхности 171 внутреннего резервуара 15. При контакте с относительно холодной внешней поверхностью 171 пар может конденсироваться в жидкость и может проходить к низу внешней поверхности 171 внутреннего резервуара 15. Конденсированная жидкость может затем собираться в нижней части 13 внешнего резервуара 11. В одном варианте осуществления данный процесс может выполняться в кольцевом пространстве 16 в условиях вакуума. Альтернативно, данный процесс может выполняться в условиях атмосферного или приблизительно атмосферного давления.
Следует понимать, что не вся текучая среда нагревается микроволновым излучением. Таким образом, нагретая текучая среда, текущая вдоль внутренней поверхности 123 внешнего резервуара 11 может собираться через выход 132 в нижней части 13 и возвращаться обратно во внешний резервуар 11 через проход 102. Таким образом, после того как данный процесс инициирован, не так много энергии может требоваться от микроволнового источника 71 для нагрева обрабатываемой соленой текучей среды. В результате, данная конструкция может обеспечивать, по существу, энергетически эффективную систему для дистилляции.
В определенных случаях, в добавление к использованию микроволнового излучения, ультрафиолетовое (УФ) излучение также может использоваться для разрушения патогенных организмов или бактерий, которые могут присутствовать в обрабатываемой текучей среде.
Пример 5: удаление диоксида углерода
Для применения в целях захвата и изоляции диоксида углерода, любой из реакторов, показанных выше, включая реакторы, изображенные на фиг.1, 2 и 3, может использоваться, по существу, таким же образом, как описано выше.
В одном варианте осуществления, используя жидкость (например, раствор амина), способную поглощать газообразный диоксид углерода, некоторый объем такой жидкости может контактировать с окружающей средой, содержащей газообразный диоксид углерода, чтобы поглощать диоксид углерода в данную жидкость и удалять его из окружающей среды. После насыщения диоксидом углерода, данная жидкость может вводиться через проход 102 и распределяться с помощью первого вращательного элемента 103 на нагретую внутреннюю поверхность 123 внешнего резервуара 11 и равномерно вдоль нее. В то же время, нисходящий противоточный газовый поток, способный поглощать диоксид углерода, может вводиться в кольцевое пространство 16.
Когда, по существу, равномерная тонкая пленка насыщенной жидкости проходит вдоль внутренней поверхности 123 резервуара 11, нагревающее устройство 71, такое как микроволны или трубы с текучей средой, расположенное возле тела 12 внешнего резервуара 11, может активироваться, нагревая насыщенную текучую среду, текущую вдоль внутренней поверхности 123 резервуара 11. Противоточный газовый поток, с другой стороны, может поддерживаться при относительно низкой температуре. Чтобы сделать это, относительно холодная жидкость может вводиться через трубу 104 во внутренний резервуар 15. Эта текучая среда может затем направляться во второй вращательный элемент 105 и затем распределяться на и, по существу, равномерно вдоль внутренней поверхности 172 внутреннего резервуара 15.
Когда восходящий противоточный газовый поток приходит в контакт с нагретой насыщенной жидкостью, противоточный газ может взаимодействовать с насыщенной жидкостью и поглощать диоксид углерода из жидкости. Жидкость может затем продолжать двигаться вниз по внутренней поверхности 123 и направляться наружу через выход 132 в нижней части 13 внешнего резервуара 11, где она может собираться или возвращаться обратно в проход 102. Что касается восходящего противоточного газового потока, насыщенного теперь диоксидом углерода, он может удаляться через выхлоп 142 в верхней части 14 внешнего резервуара 11. Газовый поток, насыщенный диоксидом углерода, может затем смешиваться с другими жидкостями или материалами с получением карбонатного продукта.
Пример 6
В одном варианте осуществления, изображенном на фиг.8, реакторы 80, подобные любым из реакторов, изображенных на фиг.1-7, могут располагаться последовательно и могут быть организованы так, чтобы быть в проточном сообщении друг с другом, так что любое из приложений, описанных выше, может выполняться непрерывно последовательно или позволять множество проходов текучей среды через реактор такого же или подобного дизайна. Следует отметить, что любая возможная комбинация реакторов может быть установлена последовательно, и данные последовательности не ограничиваются каким-либо максимальным количеством реакторов.
В дополнительном варианте осуществления, как показано на фиг.9, вместо обеспечения последовательности реакторов, реактор 10 настоящего изобретения может быть сконструирован так, чтобы включать в себя, по меньшей мере, третий резервуар 90, который может находиться внутри внутреннего резервуара 15, обеспечивая второе кольцевое пространство 91 между внешней поверхностью третьего резервуара 90 и внутренней поверхностью 172 внутреннего резервуара 15. В этой конструкции текучая среда и/или газ, текущий вдоль кольцевого пространства 16 между внешним резервуаром 11 и внутренним резервуаром 15, оказавшись вне этого кольцевого пространства 16, может направляться в кольцевое пространство 91, расположенное между внутренним резервуаром 15 и третьим резервуаром 90 внутри внутреннего резервуара 15. Перенаправление может выполняться посредством отверстий 92 на верхнем конце 19 и отверстий 93 на нижнем конце 18 внутреннего резервуара 15. Данная конструкция может позволять обрабатываемой текучей среде делать множество проходов через реактор 10, увеличивая скорости переноса. Следует заметить, что четвертый резервуар также может находиться внутри третьего резервуара, обеспечивая третье кольцевое пространство. Эта конструкция может повторяться с дополнительными пятым, шестым или любым добавочным резервуарами, если необходимо.
Конечно, если желательно множество проходов, текучая среда и/или газ, захваченный из кольцевого пространства 16 в любом из реакторов на фиг.1-7, может возвращаться обратно в кольцевое пространство 16 для стольких проходов, сколько требуется.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на определенные варианты его осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения могут быть сделаны и эквиваленты могут быть заменены без отклонения от истинной сущности и объема данного изобретения. Кроме того, многие модификации могут быть сделаны, чтобы соответствовать конкретной ситуации, указанию, материалу и композиции вещества, стадии или стадиям способа, без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Все такие модификации подразумеваются находящимися внутри объема приложенной здесь формулы изобретения.