專利名稱：包括冷凝機(jī)構(gòu)的組分分離系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分離組分的系統(tǒng)。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及從一冷凝表面除去液體來(lái)分離組分。
本發(fā)明技術(shù)背景冷凝是一種在許多工業(yè)處理中使用的普通的分離技術(shù)。它通常與一傳熱表面一起使用，該傳熱表面被控制在一溫度上，并從該傳熱表面上除去一氣流中的特殊蒸汽。當(dāng)蒸汽在這些表面上凝結(jié)時(shí)，它們形成由液膜、細(xì)流或水滴組成的混和物，在重力的作用下，它們流到該表面的最下部，然后以水滴形式從該表面上落下。在大多數(shù)情況下，該傳熱表面必須遠(yuǎn)離蒸汽的原始高濃度源，以防止水滴重新回到該處理過(guò)程中去。將該表面安裝在遠(yuǎn)離原始高濃度源的距離處一般要求冷凝處理在一較低的蒸汽濃度中進(jìn)行。這將導(dǎo)致低效率，即需要較冷的工作溫度，更大的表面積，或降低冷凝速度。
在某些處理過(guò)程中，活動(dòng)系統(tǒng)從該表面上除去冷凝的液體。例如，帶有刮刀的轉(zhuǎn)動(dòng)表面除去冷凝的液膜。這類系統(tǒng)可安裝在該表面的附近，由于液體被機(jī)械裝置除去，故液體不會(huì)重新回到處理過(guò)程中去。然而，這類系統(tǒng)是復(fù)雜的、昂貴的，并具有有限的設(shè)計(jì)靈活性以適應(yīng)具體的處理過(guò)程。
組分分離系統(tǒng)的一個(gè)例子是傳統(tǒng)的帶涂層基體的干燥機(jī)，它將大量氣體引導(dǎo)到該帶涂層表面，將該液體蒸發(fā)，并以蒸汽形式將其除去。在許多情況下，由于環(huán)境或經(jīng)濟(jì)原因，必須在排到大氣中前除去在氣流里的蒸汽。冷凝是從氣流里除去這些蒸汽的一種普通方法。
使用冷凝的系統(tǒng)通常是大的熱交換機(jī)或帶有刮片的激冷軋輥。它們安裝在大容積氣體流里遠(yuǎn)離散熱片的地方。通常，熱交換機(jī)位于大容積氣體流里，而表面溫度降低到可供蒸汽冷凝的一點(diǎn)，以便從處理過(guò)程中將它們除去。
在大容積氣體流里的蒸汽濃度必須保持在可燃極限以下，通常是氣體流的1-2％。為了在低的蒸汽濃度下獲得可接受的分離效果，熱交換表面必須很大，而工作溫度必須很低，一般在-30℃-0℃范圍內(nèi)，這是非常昂貴的，而且?guī)?lái)若干處理問(wèn)題，諸如在熱交換機(jī)表面上形成冰。在提高蒸汽濃度上已耗費(fèi)了大量的努力，以改進(jìn)處理效率。其中一個(gè)例子是使用惰性氣體作氣體流，以便增加蒸汽濃度，因?yàn)榭扇夹缘南拗票幌?。然而，這種方法仍然是非常昂貴的，并產(chǎn)生了另外的處理問(wèn)題，即限制了它們?cè)诠I(yè)中的使用。在帶涂層表面、或氣體/液體交界面處的蒸汽濃度是非常高的，它們?cè)诒砻娴膸桌迕變?nèi)迅速減弱。
將熱交換表面置于氣體/液體交界面的幾厘米內(nèi)對(duì)于最大程度的分離效率是十分理想的。冷凝表面通常不能位于靠近該表面的地方，因?yàn)樵谥亓Φ淖饔孟?，冷凝液體將回流到該涂層表面?；顒?dòng)系統(tǒng)、諸如帶刮刀的轉(zhuǎn)動(dòng)軋輥可靠近該處理過(guò)程，但它們的形狀不適合移動(dòng)基體所要求的平坦表面，而且它們相當(dāng)復(fù)雜和昂貴。因此，需要一種系統(tǒng)，它能夠從一組分分離系統(tǒng)的冷凝表面上除去液體。
本發(fā)明的簡(jiǎn)要說(shuō)明本發(fā)明是一種從一混合物里分離組分的方法和裝置。提供一蒸發(fā)液體源，而一冷凝表面位于在蒸發(fā)液體源上方的一高蒸汽濃度區(qū)域內(nèi)。蒸發(fā)的液體在該冷凝表面上冷凝，并從該冷凝表面上除去冷凝的液體，同時(shí)，冷凝的液體仍呈液體狀態(tài)。這種除去基本上只利用毛細(xì)管力。
該方法和裝置還可能包括從該混合物里蒸發(fā)液體，并分離和收集從該混合物里除去的任何液體。
用于這種組分分離系統(tǒng)的冷凝機(jī)構(gòu)包括接受來(lái)自混合物的蒸發(fā)液體的冷凝表面，以及形成于該冷凝表面上的許多敞開(kāi)的槽。這些槽引導(dǎo)冷凝表面上的冷凝液體離開(kāi)混合物。該冷凝表面可以具有小于2米的長(zhǎng)度。
這些槽可以是滿足Concus-Finn不等式的毛細(xì)管槽，并可以互相平行。冷凝表面形狀可以根據(jù)組分分離處理所要求的物理結(jié)構(gòu)來(lái)選擇。
可利用一邊板與冷凝表面接觸，以有利于從冷凝表面上除去冷凝液體。
冷凝裝置可是一冷凝板，并可包括用來(lái)接納熱交換液體的通道。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的裝置的立體圖；圖2是圖1中的裝置的前視圖，帶有局部剖視；圖3是沿圖1中的3-3線的剖視圖。
詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明是一種方法和裝置，它們能用于包括組分分離的各種生產(chǎn)過(guò)程。例如，通過(guò)回收溶媒催干涂層是一種可由該系統(tǒng)進(jìn)行的操作。而蒸餾和流體分離是另一種操作。該系統(tǒng)用來(lái)從一氣體混合物里分離組分，并通過(guò)首先將流體轉(zhuǎn)換成氣體或蒸汽而可用來(lái)從氣體或非氣體混合物中分離流體。該方法和裝置利用毛細(xì)管表面從冷凝表面上除去液體，而該毛細(xì)管表面可控制和引導(dǎo)形成于冷凝表面上的液體。
該系統(tǒng)消除了已知的冷凝組分分離方法的缺陷。它使用簡(jiǎn)單的、無(wú)源的毛細(xì)管表面從一冷凝表面上除去液體，從而防止液體重新進(jìn)入工藝過(guò)程?？蓪⒚?xì)管表面設(shè)計(jì)成適合于任何物理形狀，以便提供可設(shè)計(jì)出工藝過(guò)程所需要的任何物理形狀的靈活性。這將允許熱轉(zhuǎn)換表面為了最大的效率而位于蒸汽的高度集中發(fā)生源附近。這將允許提供一種無(wú)源的、柔軟的、廉價(jià)的途徑來(lái)改進(jìn)在給定的表面面積和溫差情況下的冷凝速度。
可使用任何類型的冷凝結(jié)構(gòu)，諸如板形或其它形式，或者是平的、或者不是平的，或者是葉片、管子或其它結(jié)構(gòu)。本申請(qǐng)描述的板形包括固定的或可移動(dòng)的臺(tái)板，以及類似的設(shè)備。圖1-3顯示了使用一塊臺(tái)板的裝置。該臺(tái)板具有一冷凝和除去液體的表面，它設(shè)置在靠近要分離的混合物的蒸汽源的位置上。
該裝置在各種混合物上進(jìn)行操作。這些混合物可是帶有流體涂料的基體，具有組分混合物的液體槽，或其它的、可從其中分離出液體或氣體組分的組分混和物。
如圖1和2所示，裝置10包括一具有一冷凝表面14的冷凝臺(tái)板12。冷凝表面可置于距盛放在容器17里的混合物16的任何距離處，該混合物作為發(fā)生蒸汽源并具有一蒸發(fā)表面18--液體從該表面蒸發(fā)并使該液體與該混合物里的其它組分分離。來(lái)自混合物16的蒸汽經(jīng)過(guò)將在那里冷凝的冷凝表面14。冷凝表面可位于具有較高蒸汽濃度的區(qū)域內(nèi)，諸如在蒸發(fā)表面的1米內(nèi)。
可以是固定的或移動(dòng)的冷凝臺(tái)板位于混合物16的上方，但靠近混合物16。冷凝臺(tái)板12可任意取向。冷凝臺(tái)板12可在混合物16的上方，在混合物的下面，而且該系統(tǒng)可在臺(tái)板垂直或處于任何角度時(shí)進(jìn)行操作，只要混合物允許這種取向。
圖示的冷凝表面14位于蒸發(fā)表面18的上面，并且是平的。然而，冷凝表面14可以是任何形狀，并能設(shè)計(jì)得與所需的工藝相配合。冷凝表面14可置于距混合物16任何距離處。來(lái)自混合物16的蒸汽經(jīng)過(guò)它們將在那里冷凝的冷凝表面14。
如圖所示，作為毛細(xì)管表面的冷凝表面14是平的，但不是光滑的。它具有開(kāi)放的毛細(xì)管溝或槽20，這些溝或槽可用來(lái)向臺(tái)板12的橫向兩側(cè)輸送冷凝液體。邊板22位于冷凝表面14的兩側(cè)，如圖1所示。邊板22被顯示垂直于冷凝表面14，雖然也可取其它的角度。邊板22可以是光滑表面，毛細(xì)管表面，多孔介質(zhì)，或其它表面。
可利用位于混合物相對(duì)冷凝表面12另一側(cè)的任何類型的熱源、諸如加熱器使液體從混合物16中蒸發(fā)。從混合物16中蒸發(fā)的液體經(jīng)過(guò)在蒸發(fā)表面18和冷凝臺(tái)板12之間的間隙24，并在冷凝臺(tái)板12的冷凝表面14上冷凝。冷凝表面14上的槽20利用毛細(xì)管力使冷凝液體向邊板22移動(dòng)。此外，其它的毛細(xì)管機(jī)構(gòu)也可用來(lái)從冷凝臺(tái)板12的表面14除去冷凝液體，以防止冷凝液體返回到混合物16里。當(dāng)然，根本不需要從臺(tái)板上除去冷凝液體，只要從冷凝表面14上除去就可以了，以防止它返回到混合物16里。
當(dāng)液體到達(dá)槽20的端部，它與以一定角度形成于邊板22和槽20之間的其它毛細(xì)管表面相交。液體聚集在交界面上，重力克服毛細(xì)管力，液體作為薄膜或小滴26沿邊板22的表面下流。小滴26從各邊板22落下，可被收集在一收集裝置里，該收集裝置可位于罩殼外或罩殼內(nèi)，只要它們能防止被分離的液體重新返回到混合物里。例如，可環(huán)繞各邊板22的底邊設(shè)置一帶縫槽的管子28，以便收集液體和將液體引導(dǎo)到一容器里。
冷凝臺(tái)板12可包括內(nèi)部通道，諸如孔道。通過(guò)一外部裝置可冷卻或加熱一傳熱液體，并使其在冷凝臺(tái)板12的通道內(nèi)循環(huán)。
除了毛細(xì)管槽20的有效傳送速度外，臺(tái)板在寬度上沒(méi)有限制。毛細(xì)管槽20可設(shè)計(jì)成為毛細(xì)管表面。一毛細(xì)管表面被定義為一幾何學(xué)上的特殊表面，它滿足Concus-Finn不等式α+θs＜90°，其中，α是任一角隅的夾角的一半，而θs是氣體/液體/固體的靜態(tài)接觸角。該靜態(tài)接觸角由提供給氣體里的給定表面材料的液體的表面張力控制。關(guān)于毛細(xì)管表面的詳細(xì)討論可見(jiàn)Lopez de Ramos，A.L.，“在多孔介質(zhì)中的CO2的毛細(xì)管增強(qiáng)擴(kuò)散”，Tulsa大學(xué)Thesis哲學(xué)博士(1993)。
利用毛細(xì)管表面除去冷凝液體提供了將冷凝表面14靠近高蒸汽濃度源安裝的可能性，而該高蒸汽濃度源恰在蒸發(fā)表面18的上方。由于蒸發(fā)的液體在該表面上冷凝，且不會(huì)在重力作用下重新進(jìn)入處理過(guò)程，因此它能夠被動(dòng)地從該處理過(guò)程除去。本發(fā)明是一種獲得較高操作效率的廉價(jià)方法，它允許較高的操作溫度，較小的表面面積和高的冷凝速度。
權(quán)利要求
1.一種從混合物(16)里分離組分的方法，它包括提供一蒸發(fā)液體的源(17)；將冷凝表面(14)安裝在蒸發(fā)液體的源(17)的上方；在冷凝表面(14)上冷凝蒸發(fā)的液體；以及基本上只利用毛細(xì)管力從冷凝表面(14)上除去冷凝的液體，同時(shí)，冷凝的液體保持液體狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括從混合物(16)蒸發(fā)液體的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，除去冷凝液體的步驟包括分離和收集從混合物(16)中除去的任何液體。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，安裝步驟包括將冷凝表面(14)安裝在距蒸發(fā)液體源的蒸發(fā)表面(18)的1米距離內(nèi)。
5.一種用于組分分離系統(tǒng)的冷凝機(jī)構(gòu)，以便從作為蒸發(fā)液體源的混合物(16)里除去一種或幾種組分，其特征在于，該冷凝機(jī)構(gòu)包括一冷凝表面(14)，它位于在蒸發(fā)液體源上方的高蒸汽濃度區(qū)域內(nèi)，以接納來(lái)自該混合物的蒸發(fā)液體；以及許多敞開(kāi)的槽(20)，它們形成于冷凝表面(14)上，以便引導(dǎo)在冷凝表面上的冷凝的液體離開(kāi)混合物(16)。
6.如權(quán)利要求5所述的冷凝機(jī)構(gòu)，其特征在于，槽(20)是互相平行的毛細(xì)管槽，它們滿足Concus-Finn不等式。
7.一種從一混合物里分離組分的裝置，包括一冷凝表面(14)，它位于在蒸發(fā)液體源上方的高蒸汽濃度區(qū)域內(nèi)，以接納來(lái)自該混合物的蒸發(fā)液體；許多敞開(kāi)的槽(20)，它們形成于冷凝表面(14)上，以便引導(dǎo)在冷凝表面上的冷凝的液體離開(kāi)混合物(16)；將來(lái)自混合物(16)的蒸發(fā)液體冷凝在冷凝表面(14)上的設(shè)備；以及將冷凝液體從冷凝表面(14)上除去、同時(shí)使冷凝液體保持液體狀態(tài)的設(shè)備。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，冷凝表面具有小于2米的長(zhǎng)度，并滿足Concus-Finn不等式。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，除去冷凝液體的設(shè)備包括至少一塊與冷凝表面(14)接觸的邊板(22)。
10.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，還包括一冷凝板(12)，它包括接納熱交換液體的通道，并位于混合物(16)的上方，其中，冷凝表面(14)是冷凝板(12)的一部分。
全文摘要
一種自混合物(16)分離組分的方法和裝置,包括一在蒸發(fā)液體源上方的高蒸汽濃度區(qū)域內(nèi)的冷凝表面(14)。蒸發(fā)液體在該冷凝表面(14)上冷凝。基本上利用毛細(xì)管力將冷凝液體從冷凝表面(14)上除去,同時(shí)使其保持液體狀態(tài)。在冷凝表面(14)上形成有許多敞開(kāi)的槽(20)。這些槽(20)引導(dǎo)冷凝表面(14)上的冷凝液體離開(kāi)混合物(16)。這些槽(20)可以是滿足Concus－Finn不等式的毛細(xì)管槽。
文檔編號(hào)B01J8/20GK1195999SQ96196869
公開(kāi)日1998年10月14日 申請(qǐng)日期1996年8月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月18日
發(fā)明者威廉·B·科爾布, 加里·L·許爾斯曼 申請(qǐng)人:美國(guó)3M公司