СЕТЧАТЫЙ ФРАКТАЛЬНЫЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ИЛИ КОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
MESH FRACTAL DISTRIBUTION OR COLLECTOR ELEMENT

Настоящее изобретение относится к распределительному элементу для равномерного распределения первой текучей среды в плоскости сечения или к коллекторному элементу для сбора первой текучей среды, распределяемой в плоскости сечения, например, в плоскости сечения массообменной колонны, смесителя, диспергатора, пенообразующего устройства, химического реактора и т.п., в которых вторая основная текучая среда течет в прямоточном потоке и/или в противоточном потоке относительно первой текучей среды через распределительный элемент. Кроме того, настоящее изобретение относится к устройству, такому как массообменная колонна, которая содержит один или несколько таких распределительных элементов и/или коллекторных элементов.
Во многих технических процессах, текучая среда должна быть равномерно распределена в плоскости сечения устройства, в то время как вторая текучая среда протекает через эту плоскость. Обе текучие среды могут быть жидкостью или газом, или одна из текучих сред является газом, а другая жидкостью. Примерами таких процессов являются процессы массообмена, такие как ректификация, абсорбция и т.п., процессы смешивания, процессы рассеивания, процессы вспенивания и т.п., а примерами соответствующих устройств являются химические реакторы, ректификационные колонны, абсорбционные колонны, газоочистители, испарители с падающей пленкой, кристаллизаторы пленки, аппараты осушки газа, смесительные устройства и т.п.
Как правило, распределительный элемент используется вместе с другим устройством, при этом распределительный элемент равномерно распределяет первую текучую среду на или поперек, соответственно, плоскости сечения другого устройства. Другое устройство представляет собой, например, в массообменном процессе любой тип насадки, такой как структурированная насадка, тогда как в химических реакторах устройство представляет собой реактор, который работает с различными типами гетерогенных или гомогенных катализаторов, в испарителях с падающей пленкой, или пучок труб в кристаллизаторах пленки, насадку или смеситель в скрубберах и установках для осушки газа, один или несколько статических смесителей в устройствах для абсорбции газа в жидкости, для рассеивания или вспенивания.
Обычные распределительные элементы для жидкостей содержат открытые каналы, по которым жидкость переносится на равных расстояниях через отверстия непосредственно или через пластины опосредованно на плоскость, такую как поверхность структурированной насадки в массообменной колонне. Такие распределительные элементы описаны, например, в патентах США 4,855,089, США 3,158,171 и EP 0 112 978 B1. Однако эти распределительные элементы являются дорогостоящими. Еще одним недостатком этих распределительных элементов является то, что во время их работы необходимо обеспечить, чтобы уровень жидкости был одинаковым во всех каналах, поскольку уровень жидкости определяет объемный расход через отверстия каналов. Более того, по меньшей мере, некоторые из этих распределительных элементов имеют сравнимые высокие потери давления и препятствуют протеканию второго основного потока. То же самое относится и к соответствующим коллекторным элементам.
Для распределения газа часто применяются распределительные фурмы. Эти распределительные фурмы содержат сопла, которые должны быть выполнены так, чтобы во время работы объемный расход через них был одинаковым. Подобные распределительные фурмы могут быть использованы для распределения жидкостей. Несколько таких распределительных фурм могут быть объединены в решетку фурм. Однако и эти распределительные элементы являются дорогими и сложными в эксплуатации, имеют сопоставимые высокие потери давления и препятствуют протеканию второго основного потока. То же самое относится и к соответствующим коллекторным элементам.
В связи с этим задачей, лежащей в основе настоящего изобретения, является обеспечение распределительного элемента, который равномерно распределяет первую текучую среду с высокой плотностью распределения по плоскости сечения, или коллекторного элемента, который равномерно собирает первую текучую среду, распределяемую по поверхности плоскости сечения, в частности, по плоскости сечения массообменной колонны, в то время как она, по существу, не мешает потоку второй текучей среды через эту плоскость, при этом распределительный или коллекторный элемент является легким и экономичным в изготовлении.
В соответствии с настоящим изобретением, эта задача решается путем обеспечения распределительного элемента для равномерного распределения первой текучей среды в плоскости сечения, или коллекторного элемента для сбора первой текучей среды, распределяемой в плоскости сечения, при этом вторая основная текучая среда течет в прямоточном потоке и/или в противоточном потоке относительно первой текучей среды через распределительный или коллекторный элемент, причем распределительный или коллекторный элемент содержит, по меньшей мере, две фрактальные пластины, расположенные, по меньшей мере, по существу, параллельно друг другу, образуя каждая уровень ниже фрактальных пластин, при этом первая самая верхняя, по меньшей мере, из двух фрактальных пластин содержит первое количество отверстий, каждое из которых окружено с нижней его стороны стенкой, продолжающейся вниз, и образующей в первом уровне ниже первой самой верхней фрактальной пластины канал, по которому должна протекать вторая основная текучая среда, причем на первом уровне между стенками, образующими каналы, сформированы одно или несколько полых пространств, определяющих один или несколько путей для текучей среды, через которые может протекать первая текучая среда, при этом вторая фрактальная пластина, по меньшей мере, из двух фрактальных пластин, образующих нижнюю часть первого уровня, содержит второе количество отверстий, каждое из которых окружено с нижней его стороны стенкой, продолжающейся вниз и образующих на втором уровне ниже второй фрактальной пластины канал, по которому должна протекать вторая основная текучая среда, причем на втором уровне между стенками, образующими каналы, сформированы одно или несколько полых пространств, определяющих один или несколько путей для текучей среды, по которым может протекать первая текучая среда, при этом второе количество отверстий больше, чем первое количество отверстий, причем каждый из каналов каждого из уровней соединен, по меньшей мере, с одним каналом любого смежного уровня, и при этом, по меньшей мере, один из одного или нескольких путей для текучей среды каждого из уровней соединен, по меньшей мере, с одним из одного или нескольких путей для текучей среды любого смежного уровня посредством, по меньшей мере, одного прохода расположенного во фрактальной пластине, отделяющей смежные уровни друг от друга, при этом каналы, через которые должна протекать вторая основная текучая среда, непроницаемо для текучей среды отделены стенками от всех из одного или нескольких полых пространств, образующих пути для текучей среды, по которым может протекать первая текучая среда, и при этом каждый из путей для текучей среды имеет, по меньшей мере, по существу, одинаковую длину, причем, по существу, одинаковая длина означает, что каждый из путей для текучей среды уровня не отличается больше по длине, чем длина любого другого пути для текучей среды того же уровня более чем на 20%.
Коллекторный элемент в соответствии с настоящим изобретением является идентичным распределительному элементу в соответствии с настоящим изобретением. Однако при его использовании, коллекторный элемент перевернут относительно распределительного элемента, т.е. самая верхняя пластина распределительного элемента соответствует самой нижней пластине коллекторного элемента и наоборот. Однако для простоты формулировки, коллекторный элемент описывается как распределительный элемент.
В то время как каналы позволяют второй основной текучей среде, такой как газ, течь, например, подниматься, через распределительный или коллекторный элемент, по существу, без помех, пути текучей среды, образованные в полых пространствах между стенками канала, позволяют первой текучей среде, такой как жидкость, быть распределенной по плоскости сечения распределительного элемента или сбору по плоскости сечения коллекторного элемента, соответственно. Поскольку количество каналов увеличивается от первого самого верхнего уровня к нижнему уровню распределительного или коллекторного элемента (что означает, как описано выше, для коллекторного элемента, перевернутого во время использования, что количество каналов уменьшается от первого самого верхнего уровня к нижнему уровню распределителя или коллектора), количество и/или длина пути (путей) потока поперек плоскости сечения распределительного элемента увеличивается от уровня к уровню, обеспечивая на самом нижнем уровне равномерное распределение первой текучей среды по плоскости сечения распределительного элемента. Таким образом, распределительный элемент в соответствии с настоящим изобретением позволяет равномерно распределять первую текучую среду, такую как жидкость, по плоскости сечения, например, массообменной колонны, при этом он, по существу, не мешает потоку второй текучей среды через плоскость и, следовательно, имеет во время работы низкую потерю давления.Аналогичным образом, коллекторный элемент в соответствии с настоящим изобретением позволяет равномерно собирать первую текучую среду, такую как жидкость, распределяемую по плоскости сечения, например, массообменной колонны, в то время как он, по существу, не мешает потоку второй текучей среды через плоскость и, следовательно, имеет во время работы малую потерю давления.В частности, распределительный элемент в соответствии с настоящим изобретением позволяет получить особенно высокую плотность распределения, а коллекторный элемент в соответствии с настоящим изобретением позволяет собирать текучую среду, распределяемую по плоскости сечения, с особенно высокой плотностью распределения.Еще одно особое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что распределительный или коллекторный элемент, как подробно описано ниже, может быть легко и экономично изготовлен, в частности, способом генеративного производства, таким как трафаретная печать. В частности, настоящее изобретение позволяет легко и экономично получить распределительный элемент, имеющий в нижней части до 200.000 и даже до 1.500.000 выпускных отверстий для текучей среды жидкости на квадратный метр. Имеющиеся в продаже распределительные элементы имеют только от 100 до 200 выпускных отверстий для жидкости на квадратный метр.
Пластины распределительного или коллекторного элемента в соответствии с настоящим изобретением не должны располагаться во время их использования горизонтально. Однако для простоты понимания, распределительный или коллекторный элемент в соответствии с настоящим изобретением описывается в настоящей патентной заявке посредством размещения распределительного или коллекторного элемента с его, по меньшей мере, по существу, параллельными пластинами, так что он размещается, по меньшей мере, по существу, с параллельными пластинами горизонтально. Термины «первая самая верхняя, по меньшей мере, из двух фрактальных пластин», «стенка, продолжающаяся вниз», должны пониматься в этом смысле.Таким образом, если распределительный или коллекторный элемент используется в ориентации, при которой все пластины являются вертикальными, первой самой верхней фрактальной пластиной является та самая внешняя фрактальная пластина, имеющая наименьшее количество отверстий, и стенки продолжаются, по меньшей мере, по существу, перпендикулярно поверхности самой верхней фрактальной пластины.
Термины «отверстие» и «проход» используются в соответствии с настоящим изобретением в одном и том же значении, а именно, углублении или отверстии, соответственно, в пластине. Однако для большей ясности термин «отверстие» используется исключительно для выемки или отверстия пластины, образующей вместе со стенкой, расположенной на верхней и/или нижней стороне пластины и окружающей выемку или отверстие пластины на уровне выше и/или ниже канал пластины, через который проходит вторая основная текучая среда, тогда как термин «проход» используется исключительно для углубления или отверстия пластины, не окруженного каналом, через который проходит поток второй основной текучей среды, так что проход соединяет путь текучей среды, образованный в полом пространстве (пространствах) одного уровня с путем текучей среды, образованном в полом пространстве (пространствах) смежного уровня.
Кроме того, термин «уровень» означает в соответствии с настоящим изобретением пространство между верхней пластиной и нижней пластиной, в котором расположены каналы, по которым должна протекать вторая основная текучая среда, и расположены пути для текучей среды. Каждый «уровень» состоит из каналов, которые разделены между собой полыми пространствами. Таким образом, общий объем каждого уровня представляет собой сумму объемов каналов плюс сумму объема (объемов) полого пространства (пространств).
Соответственно, термин «полое пространство» означает общий объем уровня за вычетом суммы объемов каналов за вычетом возможных дополнительных компонентов, предусмотренных в уровне, таких как перегородки и т.п., т.е. «полое пространство» представляет собой трехмерное пространство. Если на уровне не предусмотрена перегородка(перегородки) и т.п., соединяющая некоторые наружные стороны двух или нескольких стенок канала друг с другом, уровень будет содержать только одно полое пространство. Однако, возможно соединить некоторые наружные стороны двух или более стенок канала друг с другом, например, посредством одной или нескольких перегородок для разделения оставшегося полого пространства на несколько полых пространств.
В отличие от термина «полое пространство», термин «путь текучей среды уровня» означает, в соответствии с настоящим изобретением, линию от прохода пластины, примыкающей к полому пространству уровня, через полое пространство к проходу смежной пластины, находящейся на противоположном участке полого пространства того же уровня. За исключением только теоретически возможных конструкций пластин, на практике любой уровень будет включать более одного пути текучей среды, даже если уровень содержит только одно полое пространство. В частности, это имеет место, когда, по меньшей мере, одна из обеих пластин имеет более одного прохода. Другими словами, «путь текучей среды уровня» представляет собой линию (или путь, соответственно), по которой может двигаться жидкость, когда она входит в полое пространство уровня через проход одной пластины и выходит из полого пространства с противоположной стороны того же уровня через один из проходов смежной пластины. В общем, если «полое пространство» представляет собой объем (а именно общий объем уровня за вычетом суммы объемов каналов), то «путь текучей среды» представляет собой линию (или путь, соответственно), соединяющую проход пластины через полое пространство с проходом смежной пластины. Соответственно, длина «пути текучей среды уровня» представляет собой расстояние от прохода пластины, следующее по пути текучей среды через полое пространство уровня, до прохода смежной пластины, тогда как длина «пути текучей среды уровня распределительного или коллекторного элемента» представляет собой расстояние от прохода первой крайней пластины, следующее по путям текучей среды через полые пространства всех уровней, до прохода противоположной крайней пластины распределительного или коллекторного элемента.
Кроме того, термин «фрактальная пластина» означает любую пластину, при этом термин «фрактальная» используется только для ясности, чтобы легко отличать эти пластины от других пластин, которые далее упоминаются как «распределительные пластины». Для «фрактальной пластины» характерно, что фрактальная пластина, расположенная под другой пластиной, имеет большее количество отверстий, чем смежная верхняя пластина, и что самая верхняя фрактальная пластина имеет меньшее количество отверстий, чем смежная нижняя пластина.
Более того, термин «по существу параллельные друг другу» означает, что две смежные пластины не наклонены друг к другу более чем на 10°, предпочтительно, не более чем на 5°, более предпочтительно, не более чем на 2° и еще более предпочтительно, не более чем на 1°. Наиболее предпочтительно, чтобы две смежные пластины располагались параллельно друг другу, т.е. не наклонялись относительно друг к другу.
Кроме того, «вторая основная текучая среда течет в прямотоке и/или в противотоке по отношению к первой текучей среде через распределительный или коллекторный элемент» означает, что вторая текучая среда течет от самого нижнего края элемента к самому верхнему краю элемента или наоборот, а также первая текучая среда течет от самого нижнего края элемента к самому верхнему краю элемента или наоборот.
В соответствии с настоящим изобретением отверстия каждой, по меньшей мере, из двух фрактальных пластин окружены с их нижних сторон стенкой, продолжающейся вниз, образуя на уровне ниже соответствующей фрактальной пластины канал, по которому должна протекать вторая основная текучая среда. Это означает, что каждая из стенок прикреплена к нижней поверхности соответствующей фрактальной пластины и продолжается на верхнюю поверхность смежной нижней пластины, при этом стенка охватывает отверстия верхней фрактальной пластины, а также отверстия нижней пластины, так что газ или жидкость, протекающие через отверстие верхней фрактальной пластины, втекают в и через канал в соответствующее отверстие нижней пластины. Таким образом, предпочтительно, чтобы каждая из стенок имела такую же форму и размеры, что и закрываемое ими соответствующее отверстие.
Из вышеизложенного следует, что особенно предпочтительно каналы, через которые должна протекать вторая основная текучая среда, являются на каждом уровне непроницаемыми для текучей среды, отделены стенками от всех одного или нескольких полых пространств, образующих пути для текучей среды, через которые может протекать первая текучая среда.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, распределительный или коллекторный элемент содержит, по меньшей мере, три фрактальные пластины, расположенные, по меньшей мере, по существу, параллельно друг другу, каждая из которых образует уровень между двумя смежными фрактальными пластинами, причем третья фрактальная пластина, по меньшей мере, из трех фрактальных пластин, образующая дно второго уровня, содержит третье количество отверстий, каждое из которых окружено с нижней стороны стенкой, продолжающейся вниз и образующей на третьем уровне ниже второй фрактальной пластины канал, через который должна проходить вторая основная текучая среда, при этом на третьем уровне между стенками, образующими каналы, образованы одно или несколько полых пространств, образующих один или несколько путей для текучей среды, по которым может протекать первая текучая среда, причем третье количество отверстий больше, чем второе количество отверстий, при этом каждый из каналов каждого из уровней соединен, по меньшей мере, с одним каналом любого смежного уровня, причем, по меньшей мере, один из одного или нескольких путей для текучей среды, образованных полым пространством (пространствами) каждого из уровней, соединен, по меньшей мере, с одним из одного или нескольких путей для текучей среды любого смежного уровня посредством, по меньшей мере, одного прохода, расположенного во фрактальной пластине, отделяющей смежные уровни друг от друга. Соответственно, в этом варианте выполнения, распределительный или коллекторный элемент содержит, по меньшей мере, три фрактальные пластины, расположенные, по меньшей мере, по существу, параллельно друг другу, образующие каждый уровень ниже фрактальных пластин, при этом первая самая верхняя, по меньшей мере, из трех фрактальных пластин содержит первое количество отверстий, каждое из которых окружено с его нижней стороны стенкой, продолжающейся вниз и образующей на первом уровне ниже первой самой верхней фрактальной пластины канал, через который должна протекать вторая основная текучая среда, при этом на первом уровне между стенками, образующими каналы, образованы одно или несколько полых пространств, образующих один или несколько путей для текучей среды, через которые может протекать первая текучая среда, причем вторая фрактальная пластина, по меньшей мере, из трех фрактальных пластин, образующая дно первого уровня, содержит второе количество отверстий, каждое из которых окружено с нижней стороны стенкой, продолжающейся вниз и образующей на втором уровне ниже второй фрактальной пластины канал, через который должна протекать вторая основная текучая среда, при этом на втором уровне между стенками, образующими каналы, образованы одно или несколько полых пространств, образующих один или несколько путей для текучей среды, по которым может протекать первая текучая среда, при этом третья фрактальная пластина, по меньшей мере, из трех фрактальных пластин, образующая дно второго уровня, содержит третье количество отверстий, каждое из которых окружено с нижней стороны стенкой, продолжающейся вниз и образующей на третьем уровне ниже второй фрактальной пластины канал, через который должна протекать вторая основная текучая среда, причем на третьем уровне между стенками, образующими каналы, образованы одно или несколько полых пространств, образующих один или несколько путей для текучей среды, через которые может протекать первая текучая среда, при этом второе количество отверстий больше, чем первое количество отверстий, а третье количество отверстий больше, чем второе количество отверстий, причем каждый из каналов каждого из уровней соединен, по меньшей мере, с одним каналом любого смежного уровня, и при этом, по меньшей мере, один из одного или нескольких путей для текучей среды, образованных полым пространством (пространствами) каждого из уровней, соединен, по меньшей мере, с одним из одного или нескольких путей для текучей среды любого смежного уровня посредством, по меньшей мере, одного прохода, расположенного во фрактальной пластине, отделяющей смежные уровни друг от друга.
Во всех вышеупомянутых вариантах выполнения, по меньшей мере, две или, по меньшей мере, три фрактальные пластины, соответственно, могут быть расположены во время использования, по меньшей мере, по существу, горизонтально. По существу, горизонтально означает в этом отношении, что каждая пластина не отклоняется относительно горизонтальной плоскости более чем на 10°, предпочтительно, не более чем на 5°, более предпочтительно, не более чем на 2° и еще более предпочтительно, не более чем на 1°. Наиболее предпочтительно, каждая пластина расположена горизонтально, т.е. не наклонена по отношению к горизонтальной плоскости.
Для подачи первой текучей среды на первый уровень контролируемым образом в дополнительном развитии идеи настоящей патентной заявки предлагается, чтобы первая самая верхняя, по меньшей мере двух, из двух, а предпочтительно, по меньшей мере, из трех фрактальных пластин содержала впуск, через который первая текучая среда переносится в одно или более полых пространств, образующих один или несколько путей для текучей среды первого уровня. Впуск может иметь форму трубы, которая перекрывает проход первой самой верхней фрактальной пластины, так что первая текучая среда может протекать по трубе и через проход в путь для текучей среды, образованный полым пространством первого уровня. Предпочтительно, проход и, таким образом, впуск расположены по центру в пластине и на ней, соответственно.
Настоящее изобретение конкретно не ограничено формой, по меньшей мере, двух и, предпочтительно, по меньшей мере, трех фрактальных пластин. Например, фрактальные пластины могут иметь круглую, эллиптическую, овальную, прямоугольную или квадратную форму сечения. Предпочтительно, все фрактальные пластины имеют одинаковую форму и одинаковые размеры. По меньшей мере, в некоторых случаях фрактальные пластины имеют, по меньшей мере, по существу, прямоугольную или квадратную форму.
Также, в отношении формы отверстий, по меньшей мере, двух и, предпочтительно, по меньшей мере, трех фрактальных пластин настоящее изобретение особо не ограничено. Например, отверстия могут иметь круглую, эллиптическую, овальную, прямоугольную или квадратную форму сечения. Предпочтительно, все отверстия имеют одинаковую форму, и все отверстия каждой фрактальной пластины имеют одинаковые размеры. В частности, хорошие результаты получаются, когда отверстия каждой фрактальной пластины имеют, по меньшей мере, по существу, прямоугольную или квадратную форму сечения, при этом края отверстий прямоугольника или квадрата, соответственно, могут быть закруглены.
Как указано выше, предпочтительно, чтобы каждая из стенок, образующих каналы, имела такую же форму и размеры, что и соответствующие отверстия, заключенные в них. Соответственно, каждая из стенок может иметь круглую, эллиптическую, овальную, прямоугольную или квадратную форму сечения, при этом предпочтительными являются прямоугольная или квадратная форма сечения, при этом края отверстий, прямоугольные или квадратные, соответственно, могут быть закруглены.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, отверстия каждой фрактальной пластины расположены в каждой фрактальной пластине в виде сетки, т.е. в периодической форме, так что каркас фрактальных пластин (который образован частями фрактальных пластин, кроме отверстий) состоит из параллельных и скрещенных планок. Следовательно, каналы каждого уровня, через которые должна протекать вторая основная текучая среда, предпочтительно, расположены, если смотреть в сечении уровня, в виде сетки.
В соответствии с настоящим изобретением, между стенками, образующими каналы, или стенками каналов, соответственно, каждого уровня образованы одно или несколько полых пространств, образующих один или несколько путей для текучей среды, при этом, по меньшей мере, один из одного или нескольких путей для текучей среды каждого из уровни соединен, по меньшей мере, с одним из одного или нескольких путей для текучей среды любого смежного уровня посредством, по меньшей мере, одного прохода, расположенного во фрактальной пластине, отделяющей смежные уровни друг от друга. Если все стенки каналов уровня полностью отделены друг от друга, то в уровне образуется одно сопоставимое огромное полое пространство, при этом полое пространство представляет собой весь объем уровня, кроме суммы объемов каналов.
Как установлено выше, за исключением только теоретически возможных конструкций пластин, на практике любой уровень будет включать более одного пути для текучей среды, даже если уровень содержит только одно полое пространство. В качестве дополнительного развития идеи настоящего изобретения предлагается, что, по меньшей мере, на втором и, если он имеется, на каждом нижнем уровне между стенками, которые образуют каналы, по которым должна протекать вторая основная текучая среда, образованы два или несколько путей для текучей среды, образованные полым пространством (пространствами), при этом каждый из путей текучей среды имеет, по меньшей мере, по существу, одинаковую длину. За счет обеспечения путей для текучей среды, имеющих, по меньшей мере, по существу, одинаковую длину, достигается равномерное распределение первой текучей среды по сечению каждого уровня распределительного элемента. «Пути для текучей среды каждого уровня», имеющие «по существу, одинаковую длину», означает в соответствии с настоящим изобретением, что каждый из путей для текучей среды уровня не отличается больше по длине по сравнению с длиной любого другого пути для текучей среды того же уровня более чем на 20%, предпочтительно, не более чем на 10%, более предпочтительно, не более чем на 5%, еще более предпочтительно, не более чем на 2(и еще более предпочтительно, не более чем на 1%. Наиболее предпочтительно, конечно, чтобы все пути для текучей среды каждого уровня имели точно одинаковую длину. Отдельные пути для текучей среды, образованные полым пространством (пространствами), могут быть образованы путем обеспечения одной или нескольких разделительных стенок, которые расположены между стенками каналов в соответствующих местах. Альтернативно, единственный путь (пути) для текучей среды, образованный полым пространством (пространствами), может быть образован путем заполнения частей зазоров, образованных между каналами, через которые должна протекать вторая основная текучая среда, тогда как другие зазоры, образованные между каналами, через которые должен протекать поток второй основной текучей среды остаются открытыми, образуя, таким образом, путь (пути) для текучей среды.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы каждый из путей для текучей среды, образованный полым пространством (пространствами), образованным между верхним впуском (т.е. проходом самой верхней пластины) распределительного элемента и каждым из проходов самой нижней пластины распределительного элемента и аналогично для коллекторного элемента имел, по меньшей мере, по существу, одинаковую, длину и сопротивление потоку. Другими словами, особенно предпочтительно, чтобы не только пути для текучей среды, образованные на каждом уровне, имели в горизонтальной плоскости, по меньшей мере, по существу, одинаковую длину, но также, чтобы пути для текучей среды, образованные между верхним впуском распределительного элемента и каждым из проходов, самой нижней пластины имели, по меньшей мере, по существу, одинаковую длину и сопротивление потоку.
В соответствии с настоящим изобретением, количество отверстий в каждой нижней фрактальной пластине больше, чем количество отверстий в соответствующей смежной верхней фрактальной пластине. Для достижения равномерного распределения первой текучей среды по плоскости сечения, предпочтительно, чтобы количество отверстий в каждой нижней фрактальной пластине было кратно количеству отверстий в соответствующей смежной верхней фрактальной пластине. Таким образом, предпочтительно, второе количество отверстий кратно первому количеству отверстий, третье количество отверстий кратно второму количеству отверстий и так далее.
n
Особенно хорошие результаты получаются, как компромисс между стремлением минимизировать общее количество фрактальных пластин в распределительном элементе и стремлением к достижению очень высокой плотности распределения, когда каждая нижняя фрактальная пластина имеет в 4 раза больше отверстий, чем смежная верхняя фрактальная пластина. Следовательно, особенно предпочтительно, чтобы количество отверстий в каждой фрактальной пластине составляло 4 × (4), где n представляет собой количество соответствующих фрактальных пластин относительно к первой самой верхней фрактальной пластине, при этом первая самая верхняя фрактальная пластина является фрактальной пластиной 1. Этот вариант выполнения является особенно подходящим, когда отверстия каждой фрактальной пластины имеют, по меньшей мере, по существу, прямоугольную или квадратную форму сечения, при этом края отверстий прямоугольника или квадрата, соответственно, могут быть закругленными.
Количество фрактальных пластин распределительного элемента в соответствии с настоящим изобретением зависит от конкретного применения. Однако, в целом, предпочтительно, чтобы распределительный элемент содержал от 2 до 15, более предпочтительно от 2 до 12, еще более предпочтительно, от 2 до 10 и наиболее предпочтительно, от 3 до 5 фрактальных пластин, причем каждая нижняя фрактальная пластина имеет большее количество отверстий, чем соответствующая верхняя фрактальная пластина. Ниже самой нижней фрактальной пластины может быть расположена одна или несколько распределительных пластин, как описано ниже. Однако, ниже самой нижней фрактальной пластины может располагаться и любая другая пластина с тем, чтобы образовать границу для уровня ниже самой нижней фрактальной пластины.
Как указано выше, в соответствии с настоящим изобретением количество отверстий в каждой нижней фрактальной пластине больше, чем количество отверстий в соответствующей смежной верхней фрактальной пластине. Подобно этому, предпочтительным является чтобы количество проходов в каждой нижней фрактальной пластине было больше, чем количество проходов в соответствующей смежной верхней фрактальной пластине. Более конкретно, предпочтительно, чтобы каждая фрактальная пластина содержала множество проходов, при этом количество проходов составляет от 0,1 до 200%, предпочтительно, от 0,5 до 50%, более предпочтительно, от 1 до 20%, еще более предпочтительно, от 3 до 10%, и наиболее предпочтительно, примерно 6,25(от количества отверстий во фрактальной пластине.
Для выполнения функции соединения пути (путей) для текучей среды одного уровня с путем (путями) для текучей среды смежного уровня, предпочтительно, чтобы проходы были образованы в каждой фрактальной пластине внутри каркаса каждой фрактальной пластины. Каркасом фрактальной пластины называется общая площадь пластины за вычетом суммы площадей отверстий, т.е. часть пластины, находящаяся между отверстиями.
Более того, предпочтительно, чтобы проходы были равномерно распределены по каждой фрактальной пластине и чтобы проходы каждой фрактальной пластины имели одинаковую форму и одинаковые размеры.
Например, хорошие результаты получаются, когда каждый проход имеет, по меньшей мере, по существу, круглое или крестообразное сечение.
В дальнейшем развитии идеи настоящего изобретения, предлагается, что распределительный элемент в соответствии с ним содержит ниже самой нижней фрактальной пластины, по меньшей мере, одну распределительную пластину. Каждая, по меньшей мере, из одной распределительной пластины расположена, по меньшей мере, по существу, параллельно смежной с ней верхней пластиной, так что уровень образован, по меньшей мере, между одной распределительной пластиной и смежной верхней пластиной. Предпочтительно, каждая, по меньшей мере, из одной распределительной пластины имеет такую же форму и такое же количество отверстий, как и смежная верхняя пластина, при этом отверстия каждой, по меньшей мере, из одной распределительной пластины имеют такую же форму и размеры, что и отверстия смежной верхней пластины. Кроме того, предпочтительно, что отверстия каждой, по меньшей мере, из одной распределительной пластины образованы в каждой, по меньшей мере, из одной распределительной пластины в тех же местах, что и в смежной верхней пластине. В соответствии с настоящим изобретением, любая, по меньшей мере, из одной распределительной пластины имеет большее количество проходов, чем самая нижняя фрактальная пластина. Таким образом, первая текучая среда распределяется по большей площади сечения уровня, образованного ниже каждой распределительной пластины, как и на уровне, образованном ниже самой нижней фрактальной пластины. Таким образом, как дополнительно поясняется ниже в связи с фигурами, распределительные пластины дополнительно распределяют первую текучую среду по пути (путям) для текучей среды, образованном полым пространством (пространствами). В частности, хорошие результаты достигаются, когда количество проходов в самой верхней, по меньшей мере, из одной распределительной пластины, по меньшей мере, на 50(превышает количество проходов в самой нижней фрактальной пластине. Более предпочтительно, количество проходов в самой верхней, по меньшей мере, из одной распределительной пластины на 100-300 (больше, чем количество проходов в самой нижней фрактальной пластине. Если распределительный элемент содержит более одной распределительной пластины, любая нижняя распределительная пластина, предпочтительно, имеет большее количество проходов, чем смежная верхняя пластина. В частности, предпочтительно, что любая нижняя распределительная пластина имеет большее количество проходов, чем смежная верхняя пластина.
Каждая, по меньшей мере, из одной распределительной пластины может быть расположена, по меньшей мере, по существу, горизонтально к ее смежным пластинам.
Дополнительно, предпочтительно, чтобы любая, по меньшей мере, из одной распределительной пластины была идентична самой нижней фрактальной пластине, за исключением того, что каждая распределительная пластина имеет большее количество проходов, чем самая нижняя фрактальная пластина.
Количество распределительных пластин зависит от применения. Однако, обычно, предпочтительно, чтобы распределительный элемент содержал от 1 до 3, а более предпочтительно, 2 или 3 распределительные пластины.
Распределительный элемент в соответствии с настоящим изобретением может применяться во множестве устройств, таких как, например, смесительные устройства. В таком случае, предпочтительно, чтобы распределительный элемент содержал один или несколько смесителей и, предпочтительно, статических смесителей. Например, по меньшей мере, один статический смеситель может быть расположен, по меньшей мере, в одном отверстии, по меньшей мере, одной из фрактальных пластин или возможных распределительных пластин.
В частности, по меньшей мере, один статический смеситель может быть расположен в каждом отверстии, по меньшей мере, одной из фрактальных пластин или возможных распределительных пластин.
В конкретном предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения, фрактальные пластины и возможная распределительная (распределительные) пластина (пластины) имеют, по меньшей мере, по существу, прямоугольную или квадратную форму, и каждая содержит сетчатые, по меньшей мере, по существу, прямоугольные или квадратные отверстия. Соответственно, в этом варианте выполнения, первая самая верхняя фрактальная пластина имеет, по меньшей мере, по существу, прямоугольную или квадратную форму и содержит 16 расположенных в виде сетки, по меньшей мере, по существу, прямоугольных или квадратных отверстий, каждое из которых имеет, по меньшей мере, по существу, одинаковый размер и форму, при этом 16 отверстий расположены в первой самой верхней фрактальной пластине на равном расстоянии в 4 ряда и 4 колонны отверстий. Между каналами, образованными на уровне ниже фрактальной пластины стенками, образованы одно или несколько полых пространств, образующих один или несколько путей для текучей среды. Предпочтительно, имеется один путь для текучей среды, который образован перегородками, расположенными между стенками каналов, или заполнением частей зазоров, образованных между каналами, через которые должна протекать вторая основная текучая среда, тогда как другие зазоры, образованные между каналами через которые должна протекать вторая основная текучая среда, остаются открытыми, образуя, таким образом, путь (пути) для текучей среды, образованный полым пространством (пространствами). Каждое, по меньшей мере, по существу, из прямоугольных или квадратных отверстий может иметь закругленные края.
Отверстия, имеющие одинаковый размер, означают, что площадь одного из этих отверстий отличается не более чем на 20%, предпочтительно не более чем на 10%, более предпочтительно, не более чем на 5%, и наиболее предпочтительно, не более чем на 2(от площади каждого из этих отверстий.
В дополнительном развитии настоящего изобретения, предлагается, что один проход образован в центре каркаса первой фрактальной пластины между четырьмя смежными отверстиями, который окружен продолжающейся вверх стенкой, образующей впуск распределительного элемента.
Например, проход может быть, по меньшей мере, по существу, круглым, а окружающая его стенка может быть трубой. Альтернативно, проход может быть, по меньшей мере, по существу, крестообразным, и окружающая его стенка может иметь соответствующую форму.
Кроме того, предпочтительно, чтобы каждое из 16 отверстий первой самой верхней фрактальной пластины было окружено с его нижней стороны стенкой, продолжающейся вниз от нижней поверхности от первой самой верхней фрактальной пластины до верхней поверхности нижней второй фрактальной пластины, таким образом, образуя на первом уровне 16 закрытых каналов, по которым должна протекать вторая основная текучая среда, и между стенками одно или несколько полых пространств, образующих один или несколько путей для текучей среды.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом этого варианта выполнения настоящего изобретения, вторая фрактальная пластина имеет, по меньшей мере, по существу, прямоугольную или квадратную форму и содержит 64 расположенных в виде сетки, по меньшей мере, по существу, прямоугольных или квадратных отверстий, каждое из которых имеет, по меньшей мере, по существу, одинаковый размер и форму, при этом 64 отверстия расположены во второй фрактальной пластине на равном расстоянии в 8 ряда и 8 колонн отверстий. Каждое, по меньшей мере, по существу, из прямоугольных или квадратных отверстий может иметь закругленные края.
Предпочтительно, каждое из 64 отверстий второй фрактальной пластины окружено стенкой, продолжающейся вниз от нижней поверхности от второй фрактальной пластины до верхней поверхности нижней пластины, таким образом, образуя на втором уровне 64 закрытых канала, по которым должна протекать вторая основная текучая среда, и между стенками одно или несколько полых пространств, образующих один или несколько путей для текучей среды.
В частности, хорошие результаты получаются, когда под каждым из отверстий первой самой верхней фрактальной пластины размещаются 4 отверстия второй фрактальной пластины.
В частности, вторая фрактальная пластина может содержать 4 прохода, соединяющих путь (пути) для текучей среды первого уровня с одним или более путем (путями) для текучей среды второго уровня. Предпочтительно, один проход образован в точке пересечения между четырьмя отверстиями первой и второй колонн первого и второго рядов, один проход образован в точке пересечения между четырьмя отверстиями третьей и четвертой колонн первого и второго рядов, один проход образован в точке пересечения между четырьмя отверстиями первой и второй колонн третьего и четвертого рядов, и один проход образован в точке пересечения между четырьмя отверстиями третьей и четвертой колонн третьего и четвертого рядов.
Возможно, один или несколько путь (путей) для текучей среды могут быть образованы разделительными стенками, которые должным образом размещены в полом пространстве (пространствах) между стенками канала. Альтернативно, единственный путь (пути) для текучей среды, могут быть образованы путем заполнения частей зазоров, образованных между каналами, через которые должна протекать вторая основная текучая среда, тогда как другие зазоры, образованные между каналами, через которые должен протекать поток второй основной текучей среды остаются открытыми, образуя, таким образом, путь (пути) для текучей среды.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом этого варианта выполнения настоящего изобретения, распределительный или коллекторный элемент содержит, по меньшей мере, третью фрактальную пластину, расположенную ниже второй фрактальной пластины, при этом третья фрактальная пластина имеет, по меньшей мере, по существу, прямоугольную или квадратную форму и содержит 256 расположенных в виде сетки, по меньшей мере, по существу, прямоугольных или квадратных отверстий, каждое из которых имеет, по меньшей мере, по существу, одинаковый размер и форму, при этом 256 отверстий расположены в третьей фрактальной пластине на равном расстоянии в 16 рядов и 16 колонн отверстий. Каждое, по меньшей мере, по существу, из прямоугольных или квадратных отверстий может иметь закругленные края.
Предпочтительно, каждое из 256 отверстий третьей фрактальной пластины окружено на его нижней стороне стенкой, продолжающейся вниз от нижней поверхности от третьей фрактальной пластины до верхней поверхности нижней пластины, таким образом, образуя в третьем уровне 256 закрытых канала, по которым должна протекать вторая основная текучая среда, и между стенками одно или несколько полых пространств, образующих один или несколько путей для текучей среды.
В частности, хорошие результаты получаются, когда под каждым из отверстий второй фрактальной пластины размещаются 4 отверстия третьей фрактальной пластины.
В частности, третья фрактальная пластина содержит 16 проходов, соединяющих пути для текучей среды, образованные полым пространством (пространствами) второго уровня с этим третьим уровнем, при этом проходы образованы в точках пересечения между отверстиями колонн 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 и 15 рядов 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 и 15.
В зависимости от применения, распределительный или коллекторный элемент в соответствии с настоящим изобретением может содержать ниже возможной третьей фрактальной пластины одну или несколько дополнительных фрактальных пластин. Таким образом, распределительный элемент может содержать ниже возможной третьей фрактальной пластины, четвертую фрактальную пластину, имеющую, по меньшей мере, по существу, прямоугольную или квадратную форму, и содержащую 1.024 расположенных в виде сетки, по меньшей мере, по существу, прямоугольных или квадратных отверстий, каждое из которых имеет, по меньшей мере, по существу, одинаковый размер и форму, при этом 1.024 отверстия расположены в четвертой фрактальной пластине на равном расстоянии в 32 ряда и 32 колонны отверстий. Каждое, по меньшей мере, по существу, из прямоугольных или квадратных отверстий может иметь закругленные края.
Возможно, распределительный или коллекторный элемент может содержать ниже возможной четвертой фрактальной пластины, пятую фрактальную пластину, имеющую, по меньшей мере, по существу, прямоугольную или квадратную форму, и содержащую 4.096 расположенных в виде сетки, по меньшей мере, по существу, прямоугольных или квадратных отверстий, каждое из которых имеет, по меньшей мере, по существу, одинаковый размер и форму, при этом 4.096 отверстий расположены в пятой фрактальной пластине на равном расстоянии в 64 ряда и 64 колонны отверстий. Каждое, по меньшей мере, по существу, из прямоугольных или квадратных отверстий может иметь закругленные края.
Дополнительно, распределительный или коллекторный элемент может содержать ниже возможной пятой фрактальной пластины, шестую фрактальную пластину, имеющую, по меньшей мере, по существу, прямоугольную или квадратную форму, и содержащую 16.386 расположенных в виде сетки, по меньшей мере, по существу, прямоугольных или квадратных отверстий, каждое из которых имеет, по меньшей мере, по существу, одинаковый размер и форму, при этом 16.386 отверстий расположены в шестой фрактальной пластине на равном расстоянии в 128 рядов и 128 колонн отверстий. Каждое, по меньшей мере, по существу, из прямоугольных или квадратных отверстий может иметь закругленные края.
Дополнительно, распределительный или коллекторный элемент может содержать ниже возможной шестой фрактальной пластины, седьмую фрактальную пластину, имеющую, по меньшей мере, по существу, прямоугольную или квадратную форму, и содержащую 65.536 расположенных в виде сетки, по меньшей мере, по существу, прямоугольных или квадратных отверстий, каждое из которых имеет, по меньшей мере, по существу, одинаковый размер и форму, при этом 65.536 отверстий расположены в седьмой фрактальной пластине на равном расстоянии в 256 рядов и 256 колонн отверстий. Каждое, по меньшей мере, по существу, из прямоугольных или квадратных отверстий может иметь закругленные края.
Независимо от того, содержит ли распределительный элемент две, три, четыре, пять, шесть, семь или даже больше фрактальных пластин, в соответствии с дополнительным вариантом этого варианта выполнения, особенно предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одна распределительная пластина была расположена ниже самой нижней фрактальной пластины, которая имеет ту же форму и такое же количество и размеры отверстий, что и низшая фрактальная пластина, при этом распределительная пластина не имеет проходов в точках пересечения ниже тех, в которых расположены проходы низшей фрактальной пластины, но при этом распределительная пластина имеет проходы в любой точке пересечения, смежной с теми, в которых расположены проходы самой нижней фрактальной пластины. Таким образом, во время работы распределительного элемента достигается дополнительное распределение первой текучей среды по одному или нескольким путям для текучей среды, образованным полым пространством (пространствами).
Дополнительно, предпочтительным является, чтобы ниже возможной вышеописанной распределительной пластины были расположены от одной до пяти, более предпочтительно, от одной до четырех, и наиболее предпочтительно, две, три или четыре дополнительных распределительных пластины, которые имеют такую же форму и такое же количество и размеры отверстий, что и возможная описанная выше распределительная пластина, при этом каждая из дополнительных распределительных пластин имеет большее количество проходов, чем ее смежная верхняя пластина. Это позволяет заполнять любую часть одного или нескольких путей для текучей среды во время работы распределительного элемента первой текучей средой, и, таким образом, благодаря большому количеству проходов в самой нижней из распределительных пластин достигается особенно высокая плотность распределения.
Как указано выше, между каждыми двумя пластинами образован уровень, через который продолжаются каналы и в котором расположены пути для текучей среды, образованные полым пространством (пространствами). Высота каждого уровня, т.е. расстояние между его верхней и нижней пластинами, может быть постоянной. Однако, в соответствии с дополнительным конкретным предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, расстояние между уровнями варьируется, тогда как более предпочтительно, высота каждого уровня уменьшается от первого до самого нижнего уровня. Это имеет то преимущество, что сопротивление потоку на каждом уровне является не слишком высоким. Высота каждого уровня или, по меньшей мере, первого уровня может составлять между 0,2 и 250 мм, более предпочтительно, между 1 и 100 мм и наиболее предпочтительно, между 2 и 50 мм.
Отверстия каждой из пластин и, предпочтительно, по меньшей мере, первой фрактальной пластины могут иметь диаметр от 1 до 500 мм, более предпочтительно, от 1,5 до 100 мм, и наиболее предпочтительно, от 2 до 50 мм. Как указано выше, предпочтительно, чтобы диаметр отверстий уменьшался от первой фрактальной пластины к самой нижней фрактальной пластине. Предпочтительно, чтобы все отверстия каждой пластины имели, по меньшей мере, по существу, одинаковый диаметр.
Проходы каждой из пластин, предпочтительно, по меньшей мере, первой фрактальной пластины, и более предпочтительно, всех пластин, могут иметь диаметр от 0,1 до 100 мм, более предпочтительно, от 0,2 до 50 мм, и наиболее предпочтительно, от 0,4 до 20 мм. Предпочтительно, все проходы каждой пластины имеют, по меньшей мере, по существу, одинаковый размер, например, диаметр.
Каждый из проходов, предпочтительно, имеет, по меньшей мере, по существу, одинаковый размер, что означает, что площадь одного из этих проходов отличается не более чем на 20%, предпочтительно, не более чем на 10%, более предпочтительно, не более чем на 5%, и наиболее предпочтительно, не более чем на 2(от площади каждого из этих проходов.
Предпочтительно самая нижняя пластина распределительного элемента или самая верхняя пластина коллекторного элемента имеет от 1.000 до 1.500.000, и более предпочтительно, от 20.000 до 200.000 выпусков для текучей среды на квадратный метр. Как следует из вышеизложенного, проходы самой нижней пластины элемента являются выпусками для текучей среды (в случае распределителя) или впусками для текучей среды (в случае коллектора).
Распределительный или коллекторный элемент, то есть каждая из пластин, стенок каналов и, если они имеются, перегородок, могут быть изготовлены из любого подходящего материала, такого как керамический материал, пластик, металл, сплав, композитный материал или подобного. Особенно предпочтительными материалами являются техническая керамика, такая как карбид кремния, нитрид кремния, оксид алюминия, муллит и кордиерит, или металлические материалы, но, не ограничиваясь ими, такие как алюминиевые сплавы или нержавеющая сталь, или широкий ряд пластиковых материалов.
Особое преимущество распределительного элемента в соответствии с настоящим изобретением заключается в том, что его можно легко изготовить генеративным способом, таким как трафаретная печать, например, способом, описанным в публикации WO 2016/095059 A1.
В частности, когда площадь сечения, по которой должна быть распределена первая текучая среда, является очень большой, предпочтительно, чтобы распределитель содержал не только один, но два или более распределительных элементов, описанных выше.
Как описано выше, распределительный элемент, описанный выше, может использоваться также в качестве коллектора, т.е. в качестве элемента для сбора первой текучей среды, распределенной по большой плоскости сечения и собираемой в одной точке. Для этой цели, распределительный элемент, описанный выше, должен быть только перевернутым.
Таким образом, настоящее изобретение также относится к коллекторному элементу для равномерного сбора первой текучей среды с плоскости сечения, в частности, с плоскости сечения массообменной колонны, при этом коллекторный элемент выполнен в виде распределительного элемента, за исключением, что он является перевернутым.
В частности, когда площадь сечения, на которой должна собираться первая текучая среда, является очень большой, предпочтительно, чтобы коллектор содержал не только один, но два или более коллекторных элементов, описанных выше.
Согласно другому аспекту, настоящее изобретение относится к устройству, которое содержит один или несколько вышеупомянутых распределительных элементов и/или один или несколько вышеупомянутых коллекторных элементов.
Например, устройство может представлять собой массообменную колонну, смеситель, диспергатор, пенообразователь, химический реактор, кристаллизатор или испаритель.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, устройство представляет собой массообменную колонну и содержит ниже одного или нескольких распределительных элементов и/или выше одного или нескольких коллекторных элементов массообменную структуру, выбранную из группы, состоящей из контактных тарелок, неупорядоченных насадок и структурированных насадок.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, устройство представляет собой массообменную колонну и содержит ниже одного или нескольких распределительных элементов и/или выше одного или нескольких коллекторных элементов массообменную структуру, которая имеет сотовую форму, включающая капилляры, при этом стенки, образующие каналы, имеют ступенчатую форму или выполнены из ткани или представляют собой пенопласты с открытыми порами произвольной формы. Такие массообменные структуры более подробно описаны в публикациях WO 2014/043823 A1 и WO 2017/167591 A1.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, устройство содержит ниже одного или нескольких распределительных элементов и/или выше одного или нескольких коллекторных элементов массообменную структуру, которая включает зону контакта, причем зона контакта предназначена для проведения второй текучей среды, и при этом в зоне контакта, первая текучая среда может быть приведена в контакт со второй текучей средой, причем в зоне контакта предусмотрен, по меньшей мере, один прерыватель потока для прерывания потока второй текучей среды.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, устройство содержит ниже одного или нескольких распределительных элементов и/или выше одного или нескольких коллекторных элементов массообменную структуру, которая выбрана из группы, состоящей из тканей, материалов с открытыми порами, капилляров, ступенчатых структур и произвольных комбинаций двух или более вышеупомянутых структур.
Другим аспектом настоящего изобретения является способ для равномерного распределения первой текучей среды по плоскости сечения, при этом вторая основная текучая среда течет в прямоточном потоке и/или в противоточном потоке относительно первой текучей среды через плоскость, включающий этапы протекания первой текучей среды, по меньшей мере, в одно из одного или нескольких полых пространств, образующих путь для текучей среды, и протекания второй текучей среды через каналы распределительного элемента, как описано выше.
Впоследствии, настоящее изобретение описывается посредством иллюстративных, но не ограничивающих фигур.
Фиг.1 показывает вид сбоку в перспективе распределительного элемента согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг.2 показывает вид сверху распределительного элемента по фиг.1.
Фиг.3а показывает вид сечения первого уровня ниже первой фрактальной пластины распределительного элемента, показанного на фиг.1.
Фиг.3b показывает схематичный вид по фиг.3а.
Фиг.4а показывает вид сечения второго уровня ниже второй фрактальной пластины распределительного элемента, показанного на фиг.1.
Фиг.4b показывает схематичный вид по фиг.4а.
Фиг.5а показывает вид сечения третьего уровня ниже третьей фрактальной пластины распределительного элемента, показанного на фиг.1.
Фиг.5b показывает схематичный вид по фиг.5а.
Фиг.6а показывает вид сечения четвертого уровня ниже первой распределительной пластины распределительного элемента, показанного на фиг.1.
Фиг.6b показывает схематичный вид по фиг.6а.
Фиг.6с показывает схематично часть фиг.6b увеличенной.
Фиг.7а показывает схематичный вид пятого уровня ниже второй распределительной пластины распределительного элемента, показанного на фиг.1.
Фиг.7b показывает схематично часть фиг.7а увеличенной.
Фиг.7с показывает схематичный вид шестого уровня ниже третьей распределительной пластины распределительного элемента, показанного на фиг.1.
Фиг.7d показывает схематично часть фиг.7 с увеличенной.
Фиг.7е показывает схематичный вид седьмого уровня ниже четвертой распределительной пластины распределительного элемента, показанного на фиг.1.
Фиг.7f показывает схематично часть фиг.7е увеличенной.
Фиг.8 показывает вид сбоку в перспективе внутренней части массообменной колонны, включающей распределительный элемент, структурированную насадку и коллекторный элемент согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг.9 показывает вид сбоку в перспективе внутренней части массообменной колонны, включающей в себя множество распределительных элементов, множество структурированных насадок и множество коллекторных элементов согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг.10 показывает фрактальную пластину согласно согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения;
Фиг.11 показывает распределительный элемент, включающий первую фрактальную пластину согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения.
v
v
v
v
Фиг.1 показывает вид сбоку в перспективе распределительного элемента 10 согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения. Распределительный элемент 10 содержит три фрактальные пластины 12, 12’, 12’’ и ниже третьей фрактальной пластины 12’’’ пять распределительных пластин 16, 16’, 16’’, 16’’’, 16’. Между каждыми двумя смежными пластинами 12, 12’, 12’’, 16, 16’, 16’’, 16’’’, 16’ образован уровень 18. Каждая пластина 12, 12’, 12’’, 16, 16’, 16’’, 16’’’, 16’ содержит отверстия 20, при этом каждое отверстие 20 имеет квадратное сечение с закругленными краями. Каждое отверстие 20 окружено стенкой 22, образующей на каждом уровне 18 ниже каждой пластины 12, 12', 12'', 16, 16', 16'', 16'''16’ канал 24, через который должна протекать вторая основная текучая среда. Над центром первой фрактальной пластины 12 расположен впуск 26 в виде трубы.
Фиг.2 показывает вид сверху распределительного элемента 10, показанного на фиг.1. Самая верхняя фрактальная пластина 12 содержит шестнадцать расположенных в виде сетки, по меньшей мере, по существу, квадратных отверстий 20 имеющих закругленные края. Каждое из отверстий 20 имеет одинаковый размер и форму, при этом 16 отверстий расположены в первой самой верхней фрактальной пластине 12 на равном расстоянии в 4 ряда и 4 колонны отверстий 20. По существу, крестообразный проход 28 расположен в центре первой фрактальной пластины 12 и окружен впуском 26, имеющим соответствующую форму.
v
v
v
Фиг.3а показывает вид сечения первого уровня 18 ниже первой фрактальной пластины 12 и выше второй фрактальной пластины 12' распределительного элемента 10, показанного на фиг.1, а фиг.3b показывает схематичный вид по фиг.3а. Ниже отверстий 20 самой верхней фрактальной пластины 12 расположены шестнадцать каналов 24, при этом каждый канал 24 окружен стенкой 22 канала, продолжающейся от нижней поверхности самой верхней первой фрактальной пластины 12 на верхнюю поверхность второй фрактальной пластины 12'. Окружностью 28 на фиг.3b схематично показано расположение прохода 28, образованного в самой верхней фрактальной пластине 12, через который первая текучая среда поступает во время работы распределительного элемента 10 в первый уровень 18. Даже если проход 28, образованный в самой верхней фрактальной пластине 12, имеет, как показано на фиг.2, по существу крестообразную форму, проход пластины 12, расположенный выше уровня 18, показанного на фиг.3b, показан на фиг.3b и на последующих схематичных фигурах 4b и 5b как круг, чтобы показать, что это «входной проход», т.е. проход, через который текучая среда протекает в уровень 18. В отличие от этого, проходы 28', 28'', 28''', 28' пластины 12', расположенные ниже уровня 18, показанного на фиг.3b, показаны на фиг.3b и на последующих дополнительных схематичных фигурах 4b, 5b, 6b, 7а, 7с и 7е прямоугольными, чтобы показать, что они являются «выходными проходами», т.е. проходами, через которые текучая среда перетекает на следующий нижний уровень. Между некоторыми из стенок 22 канала расположены перегородки 32 стенок, которые образуют полое пространство, образующее восемь путей 33 для текучей среды между четырьмя центральными каналами 20 первого уровня 18 и вокруг них. Каждый из восьми путей 33 для текучей среды первого уровня 18 имеет, по меньшей мере, по существу, одинаковую длину. Направление потока первой текучей среды во время работы распределительного элемента 10 в восьми путях 33 для текучей среды, образованных полым пространством, схематично показано стрелками 34. Те части каналов 24, через которые первая текучая среда не может протекать из-за разделительных стенок 32, показаны на фиг.3b затененными или заштрихованными, соответственно. Соответственно, при работе распределительного элемента 10, первая текучая среда, поступающая в полое пространство первого уровня 18 через впуск 26 и центральный проход 28 первой самой верхней фрактальной пластины 12, течет по восьми путям 33 для текучей среды, образованным в полом пространстве между четырьмя центральными каналами 24, при котором первая текучая среда отклоняется на перегородках 32 стенок и направляется к четырем проходам 28', 28'', 28''', 28' второй фрактальной пластины 12', из которой она течет вниз на второй уровень. Таким образом, первая текучая среда распределяется на первом уровне из одной центральной точки 28 по восьми путям 33 для текучей среды, образованным каналами 24 и перегородками 32, и собирается в четырех проходах 28', 28'', 28''', 28'.
v
v
v
v
v
v
Фиг.4а показывает вид сечения второго уровня ниже второй фрактальной пластины 12’ и выше третьей фрактальной пластины 12’’ распределительного элемента 10, показанного на фиг.1, а фиг.4b показывает схематичный вид по фиг.4а. Шестьдесят четыре канала 24 расположены ниже отверстий 20 второй фрактальной пластины 12’, при этом каждый канал 24 окружен стенкой 22 канала, которая продолжается от нижней поверхности второй фрактальной пластины 12’ на верхнюю поверхность третьей фрактальной пластины 12’’. Четыре окружности 28 схематично показывают расположение проходов 28, образованных во второй фрактальной пластине 12’, через который первая текучая среда поступает во время работы распределительного элемента 10 во второй уровень 18. Опять же, проходы 28 пластины 12', расположенные выше уровня, показанного на фиг.4b, показаны на фиг.4b в виде круга, даже если проходы 28', 28'', 28''', 28', образованные в верхней фрактальной пластине 12' имеют, как показано на фиг.3а, по существу, крестообразную форму, чтобы показать, что они являются «входными проходами» 28, т.е. проходами 28, через которые текучая среда протекает в уровень. В отличие от этого, проходы 28', 28'', 28''', 28' пластины 12'', расположенные ниже уровня, показанного на фиг.4b, показаны на фиг.4b прямоугольными, чтобы показать, что они являются «выходными проходами» 28', 28'', 28''', 28', т.е. проходами 28', 28'', 28''', 28', через которые текучая среда протекает на следующий нижний уровень. Между некоторыми из стенок 22 канала расположены перегородки 32, которые образуют 32 пути 33 для текучей среды, причем каждый путь для текучей среды образовывается, соответственно, полыми пространствами между четырьмя каналами 20 и вокруг них, окружающими проход 28' второй фрактальной пластины 12'. Направление потока первой текучей среды при работе распределительного элемента 10 схематично показано стрелками 34. Опять же, те части каналов 24, через которые первая текучая среда не может проходить из-за разделительных стенок 32, показаны на фиг.4b затененными или заштрихованными, соответственно. Соответственно, при работе распределительного элемента 10, первая текучая среда, поступающая на второй уровень через проходы 28, течет по 32 путям 33 для текучей среды, образованным в полых пространствах между соответствующими каналами 24, при этом первая текучая среда отклоняется на перегородке стенки 32 и направляется к шестнадцати проходам 28', 28'', 28''', 28' третьей фрактальной пластины 12'', из которой течет вниз на третий уровень. Таким образом, первая текучая среда распределяется на втором уровне от четырех проходов 28 до шестнадцати проходов 28’, 28’’, 28’’’, 28’.
v
v
v
Фиг.5а показывает вид сечения третьего уровня 18 ниже третьей фрактальной пластины 12’’ и выше первой распределительной пластины 16 распределительного элемента 10, показанного на фиг.1, а фиг.5b показывает схематичный вид по фиг.5а. Сто пятьдесят шесть каналов 24 расположены ниже отверстий 20 третьей фрактальной пластины 12’’, при этом каждый канал 24 окружен стенкой 22 канала, которая продолжается от нижней поверхности третьей фрактальной пластины 12’’ на верхнюю поверхность первой распределительной пластины 16. Шестнадцать окружностей 28 схематично показывают расположение проходов 28’, 28’’, 28’’’, 28’, образованных в третьей фрактальной пластине 12’’, через которые первая текучая среда поступает во время работы распределительного элемента 10 в третий уровень 18. Опять же, проходы 28 пластины 12’’, расположенные выше уровня, показанного на фиг.5b, показаны на фиг.5b в виде круга, даже если проходы 28', 28'', 28''', 28' образованные в верхней фрактальной пластине 12’’ имеют, как показано на фиг.4а, по существу, крестообразную форму, чтобы показать, что они являются «входными проходами» 28, т.е. проходами 28, через которые текучая среда протекает в уровень. В отличие от этого, проходы 38 распределительной пластины 16, расположенные ниже уровня, показанного на фиг.5b, показаны на фиг.5b прямоугольными, чтобы показать, что они являются «выходными проходами» 38, т.е. проходами 38, через которые текучая среда протекает на следующий нижний уровень. Однако на самом деле, как показано на фиг.5а, проходы 38 распределительной пластины 16, а также проходы всех нижних распределительных пластин 16', 16'', 16''', 16' являются не круглыми, как в верхних фрактальных пластинах 12, 12', 12''', а, по существу, крестообразными. Между некоторыми из стенок канала 22 расположены перегородки (не показаны на фиг.5а и фиг.5b), которые образуют 128 путей 33 для текучей среды, причем каждый путь 33 для текучей среды определен или образован, соответственно, в полых пространствах третьего уровня. Направление потока первой текучей среды при работе распределительного элемента 10 схематично показано стрелками 34. Опять же, те части каналов 24, через которые первая текучая среда не может проходить из-за разделительных стенок 32, показаны на фиг.5b затененными или заштрихованными, соответственно. Соответственно, при работе распределительного элемента 10, первая текучая среда, поступающая на третий уровень через проходы 28, течет по 128 путям 33 для текучей среды, образованным в полых пространствах между соответствующими каналами 24, во время чего первая текучая среда отклоняется на перегородках стенок и направляется к шестидесяти четырем проходам 38 первой распределительной пластины 16, из которой течет вниз на четвертый уровень. Таким образом, первая текучая среда распределяется в третьем уровне от шестнадцати проходов 28 до шестидесяти четырем проходам 38.
v
v
Фиг.6а показывает вид сечения четвертого уровня ниже первой распределительной пластины и выше второй распределительной пластины 16’ распределительного элемента, показанного на фиг.1. Фиг.6b показывает схематичный вид по фиг.6а, а фиг.6 с показывает часть фиг.6b увеличенной. Первая распределительная пластина 16 имеет такую же форму и такое же количество и размеры отверстий 20, как и третья фрактальная пластина 12'', при этом первая распределительная пластина 16 не имеет проходы 38 в точках пересечения ниже тех, в которых расположены проходы 28', 28'', 28''', 28' третьей фрактальной пластины 12'', но при этом первая распределительная пластина 16 имеет проходы 38 в любой точке пересечения, смежной к тем, в которых расположены проходы 28', 28'', 28''', 28' третьей фрактальной пластины 12''. Таким образом, во время работы распределительного элемента 10 достигается дополнительное распределение первой текучей среды в путях 33 для текучей среды, образованных полым пространством (пространствами), как показано на фигурах 6b и 6c.
v
v
v
v
Как показано на фигурах 7a-7e, между каждой смежной из четырех дополнительных распределительных пластин 16’, 16’’, 16’’’, 16’ образован уровень. Каждая из четырех дополнительных распределительных пластин 16’, 16’’, 16’’’, 16’ имеет ту же форму и такое же количество и размеры отверстий 20, что и третья фрактальная пластина 12’’ и первая распределительная пластина 16. Однако, каждая из дополнительных распределительных пластин 16', 16'', 16''', 16' имеет большее количество проходов 38, 38', 38'', чем смежная с ней верхняя пластина 16, 16', 16'', 16'''. Это позволяет заполнить любую часть полого пространства(пространств), образующего пути 33 для текучей среды, во время работы распределительного элемента, первой текучей средой и, таким образом, через большое количество проходов 38, 38', 38'' в самой нижней из распределительных пластин 16' достигается особенно высокая плотность распределения.
Фиг.8 показывает вид сбоку в перспективе внутренней части 40 массообменной колонны 8, включающей распределительный элемент 10, структурированную насадку 42 и коллекторный элемент 44. Массообменная колонна 8 может быть ректификационной колонной 8. Распределительный элемент 10 выполнен, как описано выше и как показано на фигурах 1-7. Коллекторный элемент 44 составлен как распределительный элемент 10, но просто перевернут, так что первая фрактальная пластина является самой нижней пластиной, а пятая распределительная пластина является самой верхней пластиной. При работе массообменной колонны 8 жидкость поступает в распределительный элемент 10 через впуск 16 и распределяется по плоскости сечения, как описано выше со ссылкой на фигуры 1-7. Распределенная жидкость затем стекает вниз на поверхность структурированной насадки 42 и далее вниз. Газ непрерывно течет во встречном направлении, т.е. снизу массообменной колонны 8 вверх. В структурированной насадке происходит интенсивный перенос массы и энергии между жидкостью и газом, так как и то, и другое распределено по большой удельной поверхности структурированной насадки 42. Затем жидкость стекает на поверхность коллекторного элемента 44, в котором она собирается и концентрируется в одной точке, откуда выходит во внутреннюю часть через выпуск 46.
Фиг.9 показывает вид сбоку в перспективе внутренней части массообменной колонны 8, включающей в себя множество распределительных элементов 10, множество структурированных насадок 42 и множество коллекторных элементов 44, каждый из которых составлен, как описано выше и как показано на фиг.8. Для распределения первой текучей среды на все из множества распределительных элементов 10, над множеством распределительных элементов 10 расположена распределительная магистраль 48. Аналогичным образом коллекторная магистраль 50 расположена ниже множества коллекторных элементов 44.
Фиг.10 показывает фрактальную пластину 12’’ согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения; Фрактальная пластина 12’’ является аналогичной третьей фрактальной пластине 12’’ варианта выполнения, показанного на фигурах 1, 2 и 4, за исключением того, что размеры проходов 28, имеющих, по существу, крестообразное сечение, немного отличаются.
Фиг.11 показывает распределительный элемент, включающий первую фрактальную пластину 12 согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения. Первая фрактальная пластина 12 является аналогичной первой фрактальной пластине 12 варианта выполнения, показанного на фигурах 1 и 2, за исключением того, что в каналах 24 расположены статические смесители 52 для перемешивания смешивания второй основной текучей среды, протекающей через них при работе распределительного элемента 10.
ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ
8 Массообменная колонна
10 Распределительный элемент
12, 12’, 12’’ Фрактальная пластина
v
16, 16’, 16’’, 16’’’, 16’Распределительная пластина
18 Уровень
20 Отверстие
22 Стенка канала
24 Канал
26 впуск
v
28, 28’, 28’’, 28’’’, 28’Проход фрактальной пластины
32 Перегородка
33 Путь текучей среды
34 Направление потока первой текучей среды по пути текучей среды
38, 38’, 38’’ Проход распределительной пластины
40 Внутренняя часть массообменной колонны
42 Структурированная насадка
44 Коллекторный элемент
46 выпуск
48 Распределительная магистраль
50 Коллекторная магистраль
52 Статический смеситель