|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] Предложен способ регулирования веществ, присутствующих в жидкости, согласно которому масса жидкости доводится до температуры и давления, при которых происходит значительное испарение массы жидкости; по меньшей мере одна твердая поверхность расположена частично внутри массы жидкости и частично снаружи массы жидкости таким образом, что образуется по меньшей мере один мениск жидкости на этой твердой поверхности; регулируют форму, и/или размер, и/или протяженность, и/или положение, и/или температуру указанного мениска таким образом, чтобы регулировать испарение жидкости через указанный мениск; любое осаждение этих веществ также регулируют. 
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
Предложен способ регулирования веществ, присутствующих в жидкости, согласно которому масса жидкости доводится до температуры и давления, при которых происходит значительное испарение массы жидкости; по меньшей мере одна твердая поверхность расположена частично внутри массы жидкости и частично снаружи массы жидкости таким образом, что образуется по меньшей мере один мениск жидкости на этой твердой поверхности; регулируют форму, и/или размер, и/или протяженность, и/или положение, и/или температуру указанного мениска таким образом, чтобы регулировать испарение жидкости через указанный мениск; любое осаждение этих веществ также регулируют.
СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВЕЩЕСТВ, ПРИСУТСТВУЮЩИХ В
ЖИДКОСТИ, И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
Область техники
Настоящее изобретение относится к способам регулирования содержания веществ, присутствующих в жидкости, и их применениям.
В частности, настоящее изобретение относится к устройству для выделения по меньшей мере одного вещества, присутствующего в жидкости, в котором реализуются указанные способы.
Уровень техники
Термин "регулирование содержания веществ" в данном контексте означает меры, направленные на уменьшение или поддержание постоянным, или увеличение содержания этих веществ в соответствии с хорошо известным и широким значением, которое придают слову "регулирование" в "технической" области, поэтому термин "регулирование веществ", используемый здесь, не означает только проверку наличия определенных вещества или только измерение количества присутствующих веществ.
Регулирование содержания веществ, присутствующих в жидкости, например (но не только) в воде, имеет множество практических применений.
Существует ряд известных способов выполнения данной операции. Известны физические способы и химические способы. Известны также способы, которые оперируют с большим количеством семейств веществ, и способы, которые оперируют лишь с одним или двумя веществами.
Сущность изобретения
Изобретение направлено на создание способов регулирования для широкого применения, как в отношении жидкости, так и в отношении веществ.
Изобретения предназначены для использования, в особенности, применительно к твердым веществам, т. е. таким, которые находятся в жидкости в виде твердых частиц очень мелкого размера, мелкого или среднего размера; крупные и тяжелые твердые частицы стремятся к естественному осаждению. Однако способы в соответствии с настоящим изобретением также полезны в других ситуациях.
Регулирование содержания веществ выполняют путем регулирования явления испарения жидкости, но с учетом явление уноса (унос за счет потока пара, возникающего на поверхности жидкости) и явления, возникающего там, где существует мениск, включая осаждение материала на твердой поверхности, примыкающей к мениску. При этом необходимо учитывать, что явление испарения также имеет место при температурах, меньших температуры кипения.
Основной способ регулирования содержания веществ, присутствующих в жидкости, в соответствии с настоящим изобретением определен в прилагаемой формуле изобретения, которая является неотъемлемой частью настоящего описания.
Два наиболее важных применения данного способа, выделение веществ и реагирование веществ, определены в двух прилагаемых пунктах формулы, которые являются неотъемлемой частью настоящего описания.
Этот основной способ может быть осуществлен различными путями с помощью множества устройств. В настоящей заявке описаны несколько таких устройств, но заявлено только одно конкретное и предпочтительное устройство. Для лучшего понимания, указанное конкретное и предпочтительное устройство описано со ссылкой на фиг. 1 и фиг. 7.
Краткое описание чертежей
Технические характеристики настоящего изобретения и его преимущества станут очевидны из дальнейшего подробного описания, которое следует рассматривать вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:
на фиг. 1 изображено устройство, которое может использоваться для выполнения способов регулирования веществ, присутствующих в жидкости, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 2 изображен мениск, примыкающий к стенке контейнера;
на фиг. 3 изображен охлаждаемый мениск, примыкающий к стенке контейнера;
на фиг. 4 изображен вогнутый мениск жидкости, примыкающий к твердой слоистой поверхности, которая, в свою очередь, примыкает к стенке периметра контейнера,
на фиг. 5 изображены три вогнутых мениска, образованных одной стороной периферической стенки контейнера, и обеими сторонами твердой подвижной поверхности,
на фиг. 6 изображен мениск, примыкающий к стенке контейнера, которая принудительно поддерживается смоченной, и
на фиг. 7 изображен мениск, примыкающий к стенке контейнера, которая снабжена "юбкой" для сбора пара.
Подробное описание изобретения
Указанные описание и чертежи должны рассматриваться только с иллюстративной целью, и поэтому не являются исчерпывающими. Настоящее изобретение может быть реализовано в соответствии с другими и отличными вариантами осуществления.
Настоящее изобретение может быть понятно при наличии хороших технических и научных знаний эффектов испарения, кипения, эффекта Марангони, менисков и капиллярного действия, трения и адгезии между жидкостями и твердыми телами, и, конечно, физики, динамики текучей среды, термодинамики и основ химии. В последующем подробном описании предполагается, что такие принципы известны.
На фиг. 1 изображен контейнер 101, содержащий массу жидкости 102, которая содержит вещества (не показаны на чертеже). Контейнер обладает цилиндрической симметрией, и, в частности, выглядит как котел с крышкой.
Имеются нагревательные средства 103, выполненные с возможностью нагревания жидкости 102. На рассматриваемом чертеже нагревательные средства 103 примыкают ко дну (в частности, это плоское дно) контейнера 101, расположены по центру и могут представлять собой, например, электрическое сопротивление. Нагревательные средства 103 нагревают дно контейнера 101 и далее, за счет конвективного теплообмена, нагревают массу жидкости 102. Как известно, нагревание приводит к испарению жидкости 102 и, если температура возрастает в достаточной степени, к кипению жидкости 102. Верхняя часть контейнера 101 выполнена куполообразной и имеет отверстие 105, предназначенное для выпуска пара, образующегося при нагревании. Существуют два канала 104А и 104В (в частности, один справа и один слева от нагревательных средств 103), выполненные с возможностью введения жидкости в контейнер 101, например, для наполнения его в начале процесса и для замены всей испаренной жидкости или ее части во время процесса. Количество каналов, их положение и ориентация могут отличаться по сравнению с данным чертежом, например, может быть предусмотрен лишь один центральный вертикальный канал в середине нагревательных средств 103, но в случае если их больше одного, предпочтительно, чтобы они располагались симметрично. На данном чертеже изображен вогнутый мениск (его размеры на данном чертеже намеренно преувеличены), который образован внутри, на определенной высоте, по всей боковой стенке контейнера 101 (которая, таким образом, является его периферической стенкой); в центральной зоне 106 (которая, в частности, является кругом) свободная поверхность жидкости 102 (которая расположена в верхней части) является совершенно плоской; в периферийной зоне 107 (которая является, в частности, круглой верхушкой) свободная поверхность жидкости 102 (которая расположена в верхней части, и которая включает мениск) изогнута вверх - эта периферийная зона может иметь, например, несколько миллиметров в ширину; тонкий слой жидкости в центральной зоне 106, под верхней свободной поверхностью, может считаться свободным от других веществ, и на данном чертеже он схематически представлен горизонтальной пунктирной линией. Данный чертеж схематически изображает поток вещества в жидкой фазе от нижней центральной зоны контейнера 101 к верхней периферийной зоне (где существует мениск) контейнера 101, а также поток вещества в газообразной фазе от верхней свободной поверхности жидкости 102 к отверстию 105. Как будет
лучше пояснено ниже, испарение со свободной поверхности в периферийной зоне 107, т. е. от мениска, значительно превышает испарение с центральной области 106.
Устройство, показанное на фиг. 1, может использоваться для выполнения способов регулирования содержания веществ, присутствующих в жидкости, в соответствии с настоящим изобретением.
В соответствии с настоящим изобретением масса жидкости (в которой имеются другие вещества) доводится до такой температуры и давления, при которых возникает существенное испарение жидкости, и по меньшей мере одна твердая поверхность расположена частично внутри указанной массы жидкости и частично снаружи указанной массы жидкости таким образом, что образуется один (или большее количество) значительных менисков жидкости на данной твердой поверхности. В частном случае, показанном на фиг. 1, твердая поверхность образована внутренней поверхностью боковой стенки контейнера 101, которая является вертикальной, но которая может также быть наклонной.
Соответствующие приемы могут использоваться для обеспечения того, что пар, выходящий из отверстия 105, в частности, будет "обогащен" или, в частности, будет "обеднен" одним или некоторым, или всеми веществами, присутствующими в жидкости. Следовательно, жидкость будет "обедненной" или "обогащенной" этими веществами. Очевидно, что любое добавление дополнительной жидкости в контейнер изменяет ситуацию.
Для целей настоящего изобретения "значительное испарение" означает, например, что 5-25%, предпочтительно 10-20%, массы жидкости, содержащейся в контейнере для обработки, испаряется за один час; как вариант, например, можно сослаться на температуру (например, среднюю температуру) массы жидкости и гарантировать, что она выше, чем температура кипения жидкости, уменьшенная на 60°С, предпочтительно гарантировать, что она выше, чем температура кипения жидкости, уменьшенная на 40°С, более предпочтительно гарантировать, что она выше, чем температура кипения жидкости, уменьшенная на 20°С.
Для целей настоящего изобретения "значительный мениск" означает, например, что жидкость поднимается вблизи твердой поверхности по меньшей мере на 2 мм, предпочтительно по меньшей мере на 4 мм, более предпочтительно по меньшей мере на 6 мм. На фиг. 2 подъем соответствует разности между высотой В1 и высотой А1, а на фиг. 3 подъем соответствует разности между высотой В2 и высотой А2.
Одним из основных элементов (возможно, наиболее важным) способа регулирования веществ является регулирование формы и/или размера, и/или протяженности, и/или положения, и/или температуры мениска (или менисков, в случае существования более чем одного мениска) таким образом, чтобы осуществлялось регулирование испарения жидкости через мениск. Мениск может быть вогнутым или выпуклым, и изогнутым в большей или меньшей степени; мениск может быть более или менее высоким; мениск может быть более или менее длинным; мениск может быть устойчивым или подвижным, и расположенным на разном расстоянии относительно деталей устройства для обработки; мениск может быть более или менее горячим. Несомненно, понятно, что имеется много возможностей осуществления.
В результате наблюдений автор изобретения выявил, что в случае вогнутого мениска, существует сильное испарение в зоне мениска, которое вызывает унос присутствующих веществ в процессе испарения, что в зоне мениска увеличена концентрация веществ, присутствующих в жидкости, что вещество, присутствующее в жидкости, склонно к осаждению на твердой поверхности, и осаждение зависит от различных параметров, включая концентрацию вещества, тип жидкости, тип вещества, тип материала твердой поверхности (конечно, температура также влияет на осаждение). В случае выпуклого мениска ситуация изменяется.
"Регулирование формы, размера, протяженности, положения, температуры мениска" в используемом контексте означает действия, которые направлены на уменьшение или поддержание постоянным, или увеличение этих величин, в соответствии с хорошо известным и широким значением, придаваемым слову "регулирование" в "технической" области, поэтому выражение
"регулирование...", используемое в данном контексте, не означает только проверку или только измерение этих величин.
Другое важное наблюдение автора изобретения заключается в том, что испарение (на единицу площади) со свободной (криволинейной) поверхности, на которой существует (вогнутый) мениск, является очень высоким, и целесообразно сравнивать его с испарением (на единицу площади) со свободной (плоской) поверхности, на которой мениск отсутствует, и в том, что на свободной, плоской поверхности жидкости (тонком верхнем слое) жидкость очень чистая. Следовательно, существует по меньшей мере два вида испарений, имеющих несколько отличное содержимое, подлежащее рассмотрению. В действительности существует также третий вид испарения, который сильно отличается от этих двух, так как это резкое и периодическое испарение, т. е. испарение, происходящее из-за образования пузырьков пара в массе жидкости и из-за их подъема в направлении свободной поверхности жидкости.
Стоит отметить, что исходя из последних исследований, область (вогнутого) мениска разделена на три подобласти: нижняя подобласть внутреннего мениска, над этой подобластью имеется тонкая испаряющаяся пленка и над ней еще подобласть, имеющая тонкую пленку, адсорбированную твердой, неиспаряющейся поверхностью. При представлении мениска самая верхняя подобласть обычно игнорируется.
Как уже упоминалось, среди различных возможных элементов регулирования существует регулирование осаждения веществ, присутствующих в жидкости, на твердую поверхность у мениска; это можно более эффективно выполнить для одного (или большего количества) вещества, если они присутствуют в твердом состоянии в виде частиц очень мелкого размера, мелкого или среднего размера (крупные и тяжелые твердые частицы стремятся к естественному осаждению). Поскольку жидкость и эти вещества, как правило, очень зависят от процесса обработки, регулирование осуществляется путем выбора материала твердой поверхности и его поверхностных свойств (которые могут также зависеть от способа изготовления поверхности), в частности, его способности прочно удерживать одно (или большее количество) из веществ,
присутствующих в жидкости, что приводит к увеличению "налипших отложений" - например, процесс в соответствии с настоящим изобретением может быть направлен только на регулирование очень специфического вещества или семейства веществ.
Для используемой твердой поверхности можно создать мениск, соответствующий внутренней поверхности стенки периметра контейнера, содержащего жидкость, как в случае устройства, показанного на фиг. 1. Однако может возникнуть необходимость в создании множества менисков и/или создании менисков, которые выступают за периметр контейнера, и/или материала, который должен использоваться для твердой поверхности, не подходит для изготовления контейнера. В этих случаях, например, твердая поверхность или твердые поверхности отличаются от поверхностей стенок контейнера по меньшей мере на свободной поверхности жидкости.
Твердая поверхность может быть подвижной, как показано на фиг. 4 и фиг. 5 (на обоих чертежах мениски имеют намеренно преувеличенные размеры); на фиг. 4, твердая поверхность 408 имеет слои, которые могут быть перемещены, в частности, унесены вверх; на фиг. 5, твердая поверхность 508 может перемещаться как по вертикали (стрелка V), в частности, неоднократно вверх и вниз, так и по горизонтали (стрелка Н), в частности, неоднократно влево и вправо, особенно вблизи стенки периметра контейнера 501.
Твердая поверхность может быть неоднократно вставлена в жидкость и извлечена из нее. Этого можно добиться, например, при помощи вращательного движения: если твердая поверхность представляет собой круг, расположенный с осью, параллельной к поверхности жидкости, при вращении круга существует непрерывная смена поверхности, находящейся в контакте с жидкостью.
Твердая подвижная поверхность может быть нагрета для влияния на осаждение материала. Твердая подвижная поверхность может быть очищена (от отложений вещества/веществ) перед повторным вставлением в жидкость.
Твердая поверхность может быть неоднократно перемещена ближе и дальше от периферической стенки контейнера, содержащего жидкость, как показано стрелкой Н на фиг. 5, относительно поверхности 508 и к стенке периметра контейнера 501; таким образом, мениски изгибаются больше, и смачивают верхние части поверхности и стенки. Также, в данном случае твердая поверхность и/или периферическая стенка может быть нагрета для влияния на осаждение материала. Кроме того, в данном случае твердая поверхность и/или стенка периметра могут быть неоднократно очищены.
Твердая поверхность, используемая для создания мениска или менисков, может быть выполнена с возможностью удаления; например, она может быть удалена, когда отложения вещества/веществ превышают определенный уровень или толщину; это удаление может быть полным или частичным, например, только из наружного слоя твердой поверхности (т. е. поверхности, находящейся в контакте с жидкостью, в частности, с зоной мениска). На фиг. 4 показана твердая поверхность 408, примыкающая к стенке периметра контейнера 401, образованной множеством тонких слоев, которые примыкают друг к другу, и которые могут скользить друг по другу; таким образом, когда отложения вещества/веществ превышает определенный уровень или толщину, внешний слой (т. е. тот, который находится в контакте с жидкостью, в частности с зоной мениска) может быть удален, в частности, унесен вверх, и новый слой остается в контакте с жидкостью 402.
Как упоминалось ранее, можно расположить множество твердых поверхностей частично внутри массы жидкости и частично снаружи массы жидкости, так что множество менисков жидкости образуется на твердых поверхностях. Стоит пояснить, что эта твердая поверхность, как правило, но не обязательно, является жесткой. Следует иметь в виду, что поведение менисков отличается в зависимости от того, являются ли они вогнутыми или выпуклыми, и что конфигурация мениска зависит от жидкости и от материала твердой поверхности в зоне раздела между жидкостью и газом. Очистка твердой поверхности (при необходимости или полезности, или в любом желательном случае) может быть выполнена различными способами.
Твердая поверхность может быть очищена от веществ, осевших на ней, посредством скольжения. Это скольжение может быть получено с помощью одного или большего количества элементов, примыкающих к твердой поверхности, и перемещаемых с помощью средств перемещения (используя, в частности, магнитные силы). Это скольжение может быть получено с помощью плавучих и свободно перемещаемых элементов на свободной поверхности жидкости.
Как вариант, например, твердая поверхность может быть очищена с учетом веществ, осажденных на ней, с помощью ультразвука.
Явления, которые происходят в зоне мениска, находятся под влиянием температуры твердой поверхности, используемой для создания мениска, поэтому, в зависимости от использования способа регулирования, может быть полезным нагревание или охлаждение этой области мениска. Наиболее прямым способом воздействия этой температуры является способ регулирования температуры твердой поверхности - может быть сделана ссылка на фиг. 2, на которой подробно показан мениск 209, примыкающий к части боковой стенки контейнера 201. Такое регулирование особенно важно, когда твердая поверхность совпадает со стенкой контейнера, т.к. если контейнер подогревается для получения испарения жидкости (как на фиг. 1), часть тепла передается в области мениска благодаря теплопроводности.
На фиг. 2, не использован конкретный прием для регулирования температуры стенки контейнера 201, и мениск 209 принимает определенную форму и определенную протяженность, т. е. он начинается на высоте А1 (с учетом уровня жидкости в контейнере) и заканчивается (по существу) на высоте В1.
На фиг. 3, на наружной стороне стенки контейнера 301, расположены средства 310, которые охлаждают саму стенку и, таким образом, примыкающий мениск 309. Было отмечено, что мениск 309 принимает различную форму и имеет различную протяженность, т. е. он начинается на высоте А2 (с учетом уровня жидкости в контейнере) и заканчивается (по существу) на высоте В2, большей, чем высота В. Таким образом твердая поверхность поддерживается смоченной, и
поэтому уменьшается вероятность отсоединения и уноса паром осажденных на ней твердых частиц. Кроме того, если мениск холодный, испарение уменьшается, и вероятность образования в нем пузырьков пара дополнительно снижается. Стоит пояснить, что на фиг. 3, средства 310 полностью выровнены с высотами А2 и В2, но это не обязательно; напротив, они должны проходить немного ниже высоты А2 и немного выше высоты В2. Кроме того, средства 310 должны учитывать уровень жидкости в контейнере, если он не будет постоянным в течение всего периода обработки.
Как вариант решения, показанного на фиг. 3, существует много способов воздействия на температуру стенки контейнера у мениска; например, даже простое утончение этой стенки оказывает влияние. Различные возможные решения можно разделить на две категории: активные решения, которые связаны со стенками или интегрированы в них, и которые вводят или удаляют тепло в зоне, выровненной по горизонтали с мениском, или в зоне, которая находится немного ниже и/или немного выше, и пассивные решения, которые связаны со стенками или интегрированы в них, и которые способствуют или препятствуют потоку тепла вдоль стенки. Следует отметить, что температура стенки контейнера также зависит от подвода тепла за счет конвективного движения жидкости по направлению к зоне мениска и поглощения тепла вследствие испарения в зоне мениска.
Кроме того, можно выполнять очень точное регулирование температуры, которая изменяется от точки к точке стенки.
Регулирование содержания веществ, присутствующих в жидкости, можно также осуществлять путем регулирования уровня жидкости в контейнере. Несомненно, до тех пор, пока он остается смоченным и устойчивым, никакие отложения на твердой поверхности/поверхностях не вносят большого вклада в унос образующимся паром. Поэтому, чтобы ограничить отделение мелких или очень мелких твердых частиц с твердых поверхностей, очень полезно поддерживать постоянный уровень жидкости в контейнере. Также можно увеличивать, возможно, медленно, уровень жидкости в контейнере, пока контейнер не будет заполнен. Для этих вариантов применения полезно (даже
если не строго необходимо) регистрировать уровень жидкости посредством измерения давления в нижней части контейнера; таким образом, регистрация является непрерывной и точной. Поскольку жидкость испаряется из-за температуры, и для предотвращения уменьшения уровня жидкости (по причине, описанной выше), может быть предусмотрено введение жидкости в контейнер. Предпочтительно, это введение происходит медленно в нижней части контейнера так, чтобы не нарушать область поверхности жидкости (из-за турбулентности или вихрей, вызванных притоком), либо в центре, либо по периметру контейнера, в частности не там, где существуют мениски.
Как ранее упомянуто, чтобы вызвать испарение, жидкость необходимо нагревать.
Первой возможностью является доведение жидкости до температуры ее кипения, при этом испарение будет очень сильным. Однако следует обеспечить, чтобы пузырьки пара не были слишком большими, т. е. чтобы кипение не было бурным.
Чтобы предотвратить (или в любом случае значительно ограничить) образование пузырьков пара, жидкость может быть нагрета до температуры, меньшей температуры кипения, например, до температуры в диапазоне между 70% и 99% от ее температуры кипения (выраженной в градусах Цельсия), или более предпочтительно, до температуры между 80% и 90% от ее температуры кипения (выраженной в градусах Цельсия).
В процессе этих наблюдений над температурой жидкости следует иметь в виду, что источник тепла является концентрированным (как в случае, показанном на фиг. 1), жидкость вблизи от источника тепла может быть значительно горячее и, таким образом, это приводит к образованию пузырьков пара, даже если жидкость, в среднем, находится при более низкой температуре (даже немного), чем ее температура кипения.
Именно по этой причине (любые пузырьки пара), предпочтительно, чтобы источник тепла находился в центральной области, так чтобы конвективное
движение горячей жидкости с любыми пузырьками пара не поднималось по периметру стенок контейнера (или твердым поверхностям, приспособленным для создания менисков) и не достигало мениска или менисков, и не подвергалось риску отсоединения частиц твердых веществ из отложений по периметру стенок контейнера (или твердых поверхностей, приспособленных для создания менисков). Следует принять во внимание, что эти отложения могут быть более или менее налипшими (это зависит, в частности, от материала и свойств стенки) и более или менее компактными (это зависит, в частности, от вещества, образующего отложение). По этой же причине (любые пузырьки пара), предпочтительно выполнять охлаждение периферийных стенок (вертикальных или наклонных) контейнера, чтобы предотвратить риск образования самими стенками конвективного движения и пузырьков пара.
По отношению к пузырькам пара стоит учесть, что на стадии образования пузырька пара, любые вещества, присутствующие в жидкости в зоне образования, стремятся быть включенными в пузырек, и уносятся вверх самим пузырьком, однако включенные вещества стремятся теряться по пути пузырька вверх и, если путь является достаточно длинным, пузырек достигает свободной поверхности жидкости более или менее свободным от других веществ. Эти соображения не применимы в целом, если пузырьки пара образуются вдоль стенок контейнера или в нижней части стенок контейнера, из-за возможных взаимодействий между пузырьками и внутренней поверхностью стенок.
Кроме того или в дополнение к регулированию мениска или менисков, настоящее изобретение может обеспечить регулирование потока из-за испарения жидкости через указанный мениск; согласно наблюдениям автора изобретения, этот поток, как правило, обогащен, веществами, отличающимися от самой жидкости.
Данный поток пара может быть сконденсирован и возвращен в саму жидкость. На фиг. 7, например, стенка контейнера 701 внутри имеет выступ 711 (предпочтительно) отогнутый вниз и расположенный вблизи вогнутого мениска жидкости 702 и над мениском. Выше выступа могут, предпочтительно, находиться охлаждающие средства 712, приспособленные для охлаждения выступа 711 (они
также опосредствованно охлаждают стенку контейнера 701, как ниже, так и выше). Когда пар поднимается вверх от мениска, он задерживается выступом 711, который является холодным, и усиливает его возврат в сторону находящейся ниже жидкости.
Как вариант, поток пара может быть удален из контейнера. Например, на фиг. 7, чуть ниже выступа 711 имеется отверстие 713, которое может быть соединено с отводным каналом. После удаления пар может конденсироваться (например, за счет охлаждения) вне контейнера 701.
Следует заметить, что в решении по фиг. 7, пар будет частично конденсироваться, и частично удаляться из контейнера 701.
Как очевидно для специалиста в данной отрасли, форма и размер выступа могут отличаться от показанных на фиг. 7. Выступ выступает внутрь контейнера, предпочтительно по меньшей мере на 5 мм, более предпочтительно по меньшей мере на 10 мм, еще более предпочтительно по меньшей мере на 15 мм.
Как очевидно для специалиста в данной отрасли, охлаждающие средства, при их наличии, могут быть связаны с выступом чрезвычайно малого, даже нулевого размера; в частности, форма и выступание вверх контейнера 701 может действовать в качестве выступа. Назначением охлаждающих средств является содействие конденсации пара, образующегося из мениска.
Выступ, равный или аналогичный элементу 711, может быть определен как "юбка" и, в частности, "охлаждаемая юбка". Юбка расположена вблизи мениска, т. е. вблизи твердой поверхности, на которой он образуется. Может существовать множество юбок, по одной на каждый мениск. Юбка может также быть подвижной и, таким образом, следовать за перемещением (подъемом или опусканием) уровня жидкости в контейнере.
Пар, образующийся над поверхностью мениска, может быть отделен с помощью юбки от пара, образующегося над плоской поверхностью жидкости и от
пара, образующегося из поднимающихся пузырьков пара; разграничение может происходить на основании содержимого пара из этих трех источников.
В дополнение к регулированию мениска или менисков или в качестве альтернативы, согласно настоящему изобретению может быть создан тонкий слой жидкости (который, в соответствии с наблюдениями автора изобретения, является чрезвычайно чистым и свободным от веществ), подлежащий удалению со свободной (верхней) поверхности жидкости, исключая свободную поверхность мениска.
Удаление может быть выполнено, например, путем нагревания жидкости посредством нагревающих излучением средств таким образом, чтобы возникало значительное испарение, и путем размещения этих нагревательных средств таким образом, чтобы облучать свободную (верхнюю) поверхность жидкости, и не облучать мениск или мениски.
Как вариант, это удаление может быть выполнено, например, с помощью механических средств, в частности, путем поддержания уровня жидкости немного выше у края периферической стенки контейнера, содержащего саму жидкость.
В дополнение или в качестве альтернативы регулированию мениска или менисков, согласно настоящему изобретению может быть выполнено смачивание твердой поверхности, используемой для создания мениска или менисков, в частности, смачивание выше мениска. Таким образом, вероятность отделения твердых частиц, осажденных на ней, и унос паром уменьшается.
На фиг. 6 смоченной поверхностью является периферические стенки контейнера 601, содержащего жидкость 602. В частности, создается нисходящий поток 615 жидкости на твердой поверхности, который выходит из отверстия 614. Конечно, отверстия представляют собой множество отверстий, расположенных по длине твердой поверхности.
Как вариант, может быть предусмотрено распыление жидкости на твердую поверхность.
Ранее описанные и проиллюстрированные решения могут быть объединены.
Жидкость, содержащая вещества, может быть обработана по меньшей мере на первом этапе, и на втором этапе, который является последующим за первым этапом. При этом на первом этапе происходит по меньшей мере частичная агломерация одного или большего количества из указанных веществ, а на втором этапе выполняют выпаривание жидкости с по меньшей мере частично агломерированными веществами. Одно или большее количество из ранее описанных и проиллюстрированных решений могут быть использованы на втором этапе. Агломерированные вещества, таким образом, гораздо менее вероятно будут унесены в потоке пара. В самом деле, если агломерация была значительной, частицы будут оставаться на дне контейнера.
Настоящее изобретение особенно эффективно в случае твердых веществ.
Следует отметить, что жидкие вещества могут вести себя точно таким же образом, как твердые вещества. Действительно, жидкое вещество в жидкости может вызывать возникновение "эмульсии", то есть гетерогенной дисперсии, или "коллоидного раствора", т.е. "микрогетерогенной" дисперсии. В этих случаях, капли жидкости аналогичны частицам твердого вещества. Кроме того, нахождение вещества в твердом состоянии или в жидком состоянии, зависит от его температуры плавления и от температуры жидкости, в которой оно диспергировано. Довольно часто температура кипения жидкости ниже температуры плавления вещества, диспергированного в ней, тем не менее, настоящее изобретение может быть полезно даже тогда, когда это условие не выполняется.
Кроме того, в случае жидких веществ в гомогенном растворе, имеют место высокая концентрация веществ в областях менисков и различное испарение между областями с криволинейной свободной (верхней) поверхностью жидкости (где существуют мениски) и областями с плоской свободной (верхней) поверхностью жидкости (где мениски отсутствуют).
Настоящее изобретение не относится к газообразным веществам, которые могут иметься в жидкости.
Как уже упоминалось, способы регулирования содержания веществ, присутствующих в жидкости, как описано и проиллюстрировано ранее, имеют различные применения, но по существу используются два применения:
выделение веществ,
реагирование веществ.
В общем случае, способ выделения по меньшей мере одного вещества,
присутствующего в жидкости, предусматривает:
создание по меньшей мере одного мениска жидкости, и регулирование испарения жидкости через свободную поверхность
мениска, в результате которого получают регулируемый поток вещества через
свободную поверхность мениска.
Кроме того, осаждение вещества можно регулировать по меньшей мере на одной твердой поверхности, частично внутри жидкости и частично снаружи жидкости на мениске, в результате чего получают регулируемый поток вещества через свободную поверхность мениска.
Здесь следует подчеркнуть, что в зависимости от того, как осуществляется и используется настоящее изобретение, выделение вещества из жидкости может происходить путем создания жидкости с пониженным содержанием этого вещества, или пара с пониженным содержанием вещества; другими словами, унос вещества в части пара может быть повышен, или унос вещества в части пара может быть затруднен.
Это, в частности, твердое вещество, то есть в виде очень мелких или мелких, или средних размеров твердых частиц.
В общем случае, способ активации реакций (в частности, химических
реакций) между по меньшей мере двумя веществами, присутствующими в
жидкости, предусматривает:
создание по меньшей мере одного мениска жидкости, и регулирование испарения жидкости через свободную поверхность
мениска; в результате чего получают регулируемый поток двух веществ в
направлении объема мениска.
Таким образом, существует увеличение концентрации реагентов в малом объеме (т. е. объеме, очерченном мениском) и поэтому увеличивается вероятность их реагирования.
Кроме того, осаждение двух веществ можно регулировать по меньшей мере на одной твердой поверхности, частично внутри жидкости и частично снаружи жидкости, на мениске, в результате чего получают регулируемый поток двух веществ в направлении твердой поверхности.
Это, в частности, два твердых вещества, а именно, в виде очень мелких или мелких, или средних размеров твердых частиц.
Стоит отметить, что, используя технические принципы, описанные в данном документе, путем регулирования испарения жидкости можно также регулировать содержание веществ, присутствующих в паре, и происходящих из веществ, присутствующих в жидкости. Практическим применением этого является регулирование запахов, исходящих из контейнера, содержащего жидкость при высокой температуре (например, при температуре кипения); в данном случае, котлов для приготовления пищи. На самом деле, ощущения запаха вызываются любыми пахучими веществами, растворенными в газе, который достигает рецепторов обонятельной системы.
Для полноты следует уточнить, что многие технические принципы, описанные в настоящем документе, также могут быть использованы в случае, в котором дисперсной фазой является плазма, а не жидкость.
Описанные ранее способы и устройство имеют очевидное промышленное применение.
Например, со ссылкой на устройство, такое как показано на фиг. 1, с добавлением устройства, показанного на фиг. 7 (и заявленного в настоящем документе), когда жидкость 102, содержащаяся в контейнере 101, нагревается, пар, который выходит из верхнего отверстия 105, практически лишен дополнительных веществ, присутствующих в самой жидкости. Действительно, это происходит из-за испарения над центральной зоной свободной поверхности жидкости 102, из которой поднимается много жидкости (в виде пара) и некоторое количество дополнительных веществ; в то время как пар, возникающий на периферийной зоне 107, где есть мениск, и из которой поднимается заметное количество дополнительных веществ, перехватывается выступом 711 и повторно конденсируется с помощью устройства 712 или выводится через отверстия 713. Таким образом осуществляют отделение жидкости от дополнительных веществ и выходящего из верхней части контейнера поток, который является чистым.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство для выделения по меньшей мере одного вещества, присутствующего в жидкости, содержащее:
контейнер (101, 701), выполненный с возможностью вмещения в себя массы указанной жидкости (102, 702), в которой присутствует некоторое количество указанного по меньшей мере одного вещества и
нагревательные средства (103), выполненные с возможностью нагревания указанной массы жидкости (102, 702) при температуре, вызывающей значительное испарение указанной жидкости (102, 702);
при этом верхняя часть контейнера (101, 701) выполнена куполообразной и имеет отверстие (105) для выпуска пара, образующегося при нагревании указанной массы жидкости (102, 702),
причем периферийная стенка контейнера (101, 701) выполнена с внутренней стороны с возможностью образования значительно вогнутого мениска указанной жидкости (102, 702),
характеризующееся тем, что
периферийная стенка контейнера (101, 701) имеет внутренний выступ (711) возле указанного мениска, который расположен над указанным мениском и предпочтительно отогнут вниз.
2. Устройство по п. 1, в котором указанные нагревательные средства (103) выполнены с возможностью нагревания указанной массы жидкости (102, 702) при температуре, превышающей температуру кипения указанной жидкости, уменьшенной на 60°С, предпочтительно на 40°С, более предпочтительно на 20°С.
3. Устройство по п. 1 или 2, в котором указанные нагревательные средства (103) выполнены с возможностью вызывать испарение 5-25%, предпочтительно 10-20%, от указанной массы жидкости за один час.
4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором периферическая стенка указанного контейнера (101, 701) выполнена с внутренней стороны с возможностью образования вогнутого мениска указанной жидкости (102, 702),
2.
поднятого по меньшей мере на 2 мм, предпочтительно по меньшей мере на 4 мм, более предпочтительно по меньшей мере на 6 мм.
5. Устройство по любому из пп. 1-4, в котором выступ (711) выступает по направлению внутрь указанного контейнера (101, 701) по меньшей мере на 5 мм, предпочтительно по меньшей мере на 10 мм, более предпочтительно по меньшей мере на 15 мм.
6. Устройство по любому из пп. 1-5, в котором выше указанного выступа (711) имеются охлаждающие средства (712), выполненные с возможностью охлаждения указанного выступа (711).
7. Устройство по любому из пп. 1-6, в котором под выступом (711) имеется по меньшей мере одно отверстие (713), выполненное с возможностью выпуска пара, образующегося при нагревании указанной жидкости (102, 702).
8. Способ регулирования содержания веществ, присутствующих в массе жидкости, в котором указанную массу жидкости доводят до температуры и давления, которые вызывают ее значительное испарение,
причем по меньшей мере одна твердая поверхность расположена частично внутри указанной массы жидкости и частично снаружи указанной массы жидкости таким образом, что образуется по меньшей мере один значительный мениск указанной жидкости на указанной твердой поверхности,
характеризующийся тем, что
регулируют форму и/или размер, и/или протяженность, и/или положение, и/или температуру указанного мениска таким образом, чтобы регулировать испарение указанной массы жидкости через указанный мениск.
9. Способ по п. 8, в котором указанное значительное испарение соответствует испарению 5-25%, предпочтительно 10-20%, указанной массы жидкости в течение одного часа.
10. Способ по п. 8 или 9, в котором указанные температурные условия соответствуют температуре, превышающей температуру кипения указанной
9.
жидкости, сниженной на 60°С, предпочтительно на 40°С, более предпочтительно на 20°С.
11. Способ по одному из пп. 8-10, в котором указанный значительный мениск соответствует подъему или опусканию жидкости по меньшей мере на 2 мм, предпочтительно по меньшей мере на 4 мм, более предпочтительно по меньшей мере на 6 мм.
12. Способ по одному из пп. 8-10, в котором регулируют осаждение указанных веществ на указанную твердую поверхность при указанном мениске.
13. Способ по п. 12, в котором осаждение указанных веществ на указанную твердую поверхность при указанном мениске регулируют с помощью средств, выполненных с возможностью удаления отложений после их образования.
14. Способ по одному из пп. 8-13, в котором указанную твердую поверхность выбирают на основании по меньшей мере ее химических свойств, в частности ее материала, и/или на основании по меньшей мере ее физических свойств, в частности ее шероховатости.
15. Способ по одному из пп. 8-14, в котором регулируют температуру указанной твердой поверхности, в частности посредством нагрева и/или охлаждения.
16. Способ по одному из пп. 8-15, в котором регулируют уровень указанной жидкости в контейнере, содержащем эту жидкость, в частности поддерживают этот уровень постоянным.
17. Способ по одному из пп. 8-16, в котором регулируют поток пара, возникающего при испарении указанной жидкости через указанный мениск .
18. Способ по одному из пп. 8-17, в котором нагревают указанную жидкость с помощью нагревательных средств, расположенных таким образом,
11.
чтобы конвективное движение в указанной жидкости, возникающее под действием указанных нагревательных средств, не влияло на указанный мениск.
19. Способ по одному из пп. 8-18, в котором удаляют тонкий слой жидкости на свободной поверхности указанной жидкости, за исключением свободной поверхности указанного мениска, в частности путем нагревания.
20. Способ по любому из пп. 8-19, в котором увлажняют указанную твердую поверхность, в частности поддерживают влажной выше указанного мениска.
21. Способ выделения по меньшей мере одного вещества, присутствующего в жидкости, в котором используется способ регулирования содержания в соответствии с любым из пп. 4-20.
22. Способ активации реакций между по меньшей мере двумя веществами, присутствующими в жидкости, в котором используют способ регулирования содержания в соответствии с любым из предшествующих пп. 4-20.
19.
ИЗМЕНЕННАЯ ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ (по статье 34 РСТ)
1. Устройство для выделения по меньшей мере одного вещества, присутствующего в жидкости, содержащее:
контейнер (101, 701), выполненный с возможностью вмещения в себя массы указанной жидкости (102, 702), в которой присутствует некоторое количество указанного по меньшей мере одного вещества и
нагревательные средства (103), выполненные с возможностью нагревания указанной массы жидкости (102, 702) при температуре, вызывающей значительное испарение указанной жидкости (102, 702);
при этом верхняя часть контейнера (101, 701) выполнена куполообразной и имеет отверстие (105) для выпуска пара, образующегося при нагревании указанной массы жидкости (102, 702),
причем периферийная стенка контейнера (101, 701) выполнена с внутренней стороны с возможностью образования значительно вогнутого мениска указанной жидкости (102, 702),
характеризующееся тем, что
периферийная стенка указанного контейнера (101, 701) имеет внутренний выступ (711) возле указанного мениска, который расположен над указанным мениском, который выступает внутрь контейнера и предпочтительно отогнут вниз, расположенный так, что пар, поднимающийся вверх от мениска, задерживается указанным внутренним выступом (711);
при этом пар, образующийся над поверхностью мениска может быть отделен от пара, образующегося над плоской поверхностью жидкости, и от пара, образующегося из поднимающихся пузырьков пара.
2. Устройство по п. 1, в котором выше указанного выступа (711) находятся охлаждающие средства (712), выполненные для охлаждления указанного выступа (711).
2.
2.
2.
2.
К заявке № 201491966
К заявке № 201491966
WO 2013/186714
2/4
PCT7IB2013/054803
WO 2013/186714
3/4
PCT/IB2013/054803
|
