CN106122521B - 一种多种流体周期性定向导流装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多种流体周期性定向导流装置，包括二个定子和一个转子，二个定子都包括一个圆柱管部件和一个圆盘部件；所述转子为圆柱‑圆锥‑圆柱体或圆柱‑圆柱‑圆柱体结构，可转动地设置在由二个定子围成的空间内；在第一定子的圆盘部件的内部设置有多条定子分布通道，在第二定子圆盘部件的内部设置有多条定子集合通道；在转子的圆柱面间隔设置有多条圆周通道；在定子圆柱管部件上设置有多条定子供液通道和多条定子排液通道；在转子的内部设置有多条转子分布通道、多条转子集合通道和多条转子连通通道。

Description

一种多种流体周期性定向导流装置
技术领域
本发明涉及一种多种流体周期性定向导流装置，其用于多种液体经各自独立的流路向各自独立的目标地定向地进行导流。
背景技术
具有多种液体周期性定向导流功能的多通道阀，在物理、化学和色谱分析过程中有着广泛的应用。
1953年，美国专利US2706532公开了第一个多通道阀的结构，它的结构特点是：(1)包括两个圆盘状定子和一个圆柱状转子，定子的分集通道和供排液通道均位于同一定子内；(2)转子通道与定子通道连通的开口以及供排液圆周通道都位于转子的两端面，转子与定子之间依靠两个平面密封密闭。
1959年美国UOP公司公开了第一个上市的多通道阀的结构(US3040777)，它的结构特点是：包括一个圆盘状定子和一个圆盘状转子，转子与定子之间依靠一个平面密封密闭，供排液圆周通道在一个平面内同心分布。
1986年国UOP公司公开了一个较理想的多通道阀结构(US4569371)，它的结构特点是：(1)包括三个圆柱管形定子和一个圆柱形转子，定子分集通道位于中部直径大的定子上，定子供排液通道位于两端直径较小的两个定子上；转子通道位于转子两端直径较小的圆柱体内，转子通道与定子通道连通的开口位于转子中部直径较大圆柱体的圆柱面上。(2)转子与定子之间形成三个圆柱面密封，密封依靠位于通道开口内弹簧的弹力。
1986年国UOP公司公开了另一个较理想的多通道阀(US4574840)结构，其结构与(US4569371)公开的结构类似，不同之处在于：转子通道与定子分集通道之间的密封由圆柱面密封改为平面密封，转子轴一个转子分割为两个转子。
1995年，美国Advanced Separation Technologies Incorporated公开了第二个上市多通道阀结构(US5676826)，该结构由一个定子和一个转子构成，定子上只有供排液通道，无供排液圆周通道，多通道阀的其它功能依靠反应器与转子同步旋转完成。
2004年，Puritech公司公开了第三个上市的多通道阀结构(US6802970)，它的结构特点是：(1)包括二个圆盘形定子，一个圆柱管形定子和一个圆柱体转子，转子位于三个定子围成的空间内；定子供排液通道位于两端的两个圆盘形定子上，定子分集通道位于中部圆柱管形定子上；供排液圆周通道位于转子两个端面与两个圆盘形定子之间；转子通道与定子分集通道连通的开口位于转子的圆柱或圆锥面上。(2)转子与定子之间形成三个密封：两个平面密封和一个圆柱面(或圆锥面)密封。
上述专利中，US4574840和US4569371的结构的缺陷是，阀在步进过程中其密封方式存在瞬时的返流泄漏。US3040777、US5676826和US6802970公开的结构的缺陷是，随着通道数量的增多或/和通道直径的增大，阀的直径和密封面积将急剧增大，制造和密封等都将面临严峻挑战。如对于7通道24口US3040777阀(5个反应器)，目前最大转子直径只能到4.5英尺，此阀占地面积8.5×8.5平方英尺，高15英尺，26,000重达英磅。US5676826公开的结构面临反应器与阀旋转同步，以及反应器旋转载架的载重限制等挑战。
至今为止，尚未见到满足工业需求的大通道大直径的高压多通道旋转阀上市，提示高压多通道旋转阀的密封是一个严峻的挑战。
综上所述，物理、化学和色谱相关领域迫切需求直径体更小、重量更轻、能容纳更多通道或/和更大直径通道、能用于高压流体的多通道旋转阀。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种直径体更小、重量更轻、能容纳更多通道和/或更大直径通道、能用于高压流体的多种流体周期性定向导流装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：包括二个定子和一个转子；所述二个定子中，其中一个定子包括法兰部件和厚壁管部件，称为第一定子，另一个定子包括圆盘部件和厚壁管部件，成为第二定子；所述转子为圆柱-圆锥-圆柱体或圆柱-圆柱-圆柱体结构，转动设置在由所述二个定子围成的空间内，由轴承定位。
在所述第二定子的圆盘部件内部设置有多条定子分布通道和多条定子集合通道；每条所述定子分布通道在所述圆盘部件表面形成两个开口，其中一个开口位于所述圆盘部件的外侧面，用于与一个反应器的进液口连接，另一个开口位于所述圆盘部件朝向所述转子的一侧；每条所述定子集合通道在所述圆盘部件表面形成两个开口，其中一个开口位于所述圆盘的外侧面，用于与一个反应器的排液口连接，另一个开口位于所述圆盘朝向所述转子的一侧。
在所述转子两侧的圆柱面间隔设置有多个圆周凹槽，所述圆周凹槽与所述定子的厚壁管部件内壁围成多条圆周通道，在所述第一定子一侧的圆周通道用于供液圆周通道，在所述第二定子一侧的圆周通道用于排液圆周通道。
在所述第一定子的厚壁管部件上设置有多条定子供液通道，每条所述定子供液通道的内端与一条供液圆周通道相通，外端用于与供液储罐连接；在所述第二定子的厚壁管部件上设置有多条定子排液通道，每条所述定子排液通道的内端与一条排液圆周通道相通，外端用于与排液储罐连接。
在所述转子内部设置有多条转子分布通道和多条转子集合通道，每条所述转子分布通道的一端与一条通向所述定子供液通道的供液圆周通道相通，另一端在所述转子朝向第二定子圆盘部件的一侧形成开口且与一条所述定子分布通道对接；每条所述转子集合通道的一端与一条通向所述定子排液通道的排液圆周通道相通，另一端在所述转子朝向第二定子圆盘部件的一侧形成开口且与一条所述定子集合通道对接；在所述转子中部直径较大的圆柱体或圆锥体内部设置有多条转子连通通道，每条所述转子连通通道沿所述转子的轴线平行布置，其一端在所述转子朝向所述第二定子圆盘的一侧形成开口且与一条所述定子分布通道对接，另一端在所述转子朝向所述第二定子圆盘部件的一侧形成开口且与一条所述定子集合通道对接。
在每条所述圆周通道两侧均设置两个密封圈，每个所述密封圈均设置于开设在所述转子的圆柱面上的环形凹槽中。
在所述第二定子圆盘部件与转子中部之间设置有圆锥形非金属密封，所述第二定子圆盘密封面与转子中部密封面的对应关系为定子圆锥面-转子圆锥面、定子圆锥面-转子圆柱面或定子圆柱面-转子圆锥面，圆锥的锥度为5°～70°的圆锥结构，以30°～40°为佳，当密封面的对应关系定子圆锥面-转子圆锥面时，定子密封面的锥度可大于、等于或小于转子密封面的锥度。在所述装置内，单一液体流向为：定子供液通道→供液圆周通道→转子分布通道→定子分布通道0→反应器0→定子集合通道0→转子连通通道0→定子分布通道1→反应器1→定子集合通道1→转子连通通道1→定子分布通道2→反应器2→定子集合通道2→排液圆周通道→定子排液通道。
所述装置可导流的的液体种类数为1～20，常用1～10种。
在所述装置单一流通管路上，定子供液通道、供液圆周通道、转子分布通道、定子分布通道、转子连通通道、定子集合通道、转子集合通道、排液圆周通道和定子排液通道的总横截面积相等；用于供液的所述圆周通道数或用于排液的所述圆周通道数大于等于液体种类数；所述定子供液通道数或定子排液通道数大于等于用于供液的所述圆周通道数或用于排液的所述圆周通道数；所述转子分布通道数或转子集合通道数大于等于用于供液的所述圆周通道数或用于排液的所述圆周通道数。
所述反应器数量为转子分布通道数或转子集合通道数的1～10倍。
所述反应器数量为转子分布通道数或转子集合通道数的1～3倍。
所述密封面和密封圈的材料为橡胶、聚氨酯、聚酰胺、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯、聚氟乙烯、PEEK之一。
所述定子和转子的材料为金属材料、塑料或塑料包覆金属的复合材料。
所述定子和转子的材质为钛或不锈钢。
本发明由于采取以上技术方案，即：1、将定子供液通道和定子排液通道与定子分布通道和定子集合通道分布在空间不同的区域；将供、排液圆周通道等半径同轴排布于转子的两侧；从而在幅度降低了装置的空间尺寸；2、采用圆锥面密封，相对于平面密封，大幅度降低了密封面的加工误差、装配误差和(使用过程中的)材料变形；从而提供了一种直径体更小、重量更轻、能容纳更多通道和/或更大直径通道、能用于高压流体的流体定向导流装置，可满足物理、化学和色谱相关领域的切实需求。
附图说明
图1是本发明沿转子分布通道的纵剖示意图；
图2是本发明定子分布通道和定子集合通道在第二定子圆盘部件内的平面布置图；
图3是本发明沿转子连通通道的纵剖示意图；
图4是本发明转子沿定子转子分布通道连通水平横切示意图；
图5是本发明提供的另一实施例沿转子分布通道的纵剖示意图；
图6是本发明提供的又一实施例沿转子分布通道的纵剖示意图；
图7是本发明转子分布通道所在圆周面的展开示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括定子11、12和转子13，其中，第一定子11包括一个法兰部件14和一个厚壁管部件15，第二定子12包括一个圆盘部件16和一个厚壁管部件17；转子13为圆柱18-圆锥19-圆柱体20结构，转子13通过轴承29定位于法兰部件14和圆盘部件16，可转动地设置在由第一定子11和第二定子12围成的空间内。
在第二定子圆盘部件16的内部设置有多条定子分布通道21和多条定子集合通道22；各定子分布通道21呈放射状均匀分布于第二定子圆盘部件16的一个截面内(如图2所示)，每条定子分布通道21在第二定子圆盘部件16表面形成两个开口，其中一个开口位于第二定子圆盘部件16的外侧面，用于与一个反应器(目标地)的进液口连接，另一个开口位于第二定子圆盘部件16朝向转子13的一侧；各定子集合通道22呈放射状均匀分布于第二定子圆盘部件16的另一个截面内，每条定子集合通道22在第二定子圆盘部件16表面形成两个开口，其中一个开口位于第二定子圆盘部件16的外侧面，用于与一个反应器的排液口连接，另一个开口位于第二定子圆盘部件16朝向转子13的一侧。
在转子13两个小直径圆柱体18和20的圆柱面上间隔设置有多个圆周凹槽，圆周凹槽与定子厚壁管部件15和17的内壁围成多条圆周通道。在第一定子11厚壁管部件15上设置有多条定子供液通道24，其中，每条定子供液通道24的内端与一条圆周通道23相通，外端用于与供液储罐(图中未示出)连接；在第二定子12厚壁管部件17上设置有多条定子排液通道25，每一条定子排液通道25的内端与一条圆周通道23相通，外端用于与排液储罐(图中未示出)连接。
转子13的内部设置有多条转子分布通道26、多条转子集合通道27和多条转子连通通道28；其中，每条转子分布通道26的一端与一条通向定子供液通道24的圆周通道23相通，另一端在转子13朝向第二定子圆盘部件16的一侧形成开口且与一条定子分布通道21对接；每一条转子集合通道27的一端与一条通向定子排液通道25的圆周通道23相通，另一端在转子13朝向第二定子圆盘部件16的一侧形成开口且与一条定子集合通道22对接。转子连通通道28沿转子13的轴线平行布置，其一端在转子13朝向第二定子圆盘部件16的一侧形成开口且与一条定子分布通道21对接，另一端在转子13朝向第二定子圆盘部件16的一侧形成开口且与一条定子集合通道22对接(图、图2和图3)。如图1、图3和图4所示，转子分布通道26和转子集合通道27，均匀分布在转子13的一个同轴圆周上，转子连通通道分布在转子13中部圆锥体内一个与转子13同轴的大直径圆周上。
上述实施例中，在所述第二定子圆盘部件16与转子13中部19之间设置有圆锥形非金属密封34，圆盘部件16的密封面32与转子中部的密封面33的锥度为5°～70°，以30°～40°为佳，定子密封面的锥度可大于、等于或小于转子密封面的锥度。
如图5所示本发明所提供的另一实施例中，所述转子13中部19的密封面33为圆柱面，所述第二定子圆盘部件16的密封面32的为圆锥面，锥度为5°～70°，以30°～40°为佳。
如图6所示本发明所提供的又一实施例中，所述第二定子圆盘部件16的密封面32为圆柱面，所述转子13中部19的密封面33为圆锥面，锥度为5°～70°，以30°～40°为佳。
上述实施中，本发明还包括轴(图中未示出)，轴的一端与转子13的任一端紧固连接，轴的另一端通过减速器与驱动电机或气缸连接，以驱动转子13实现步进旋转。
上述实施例中，每条所述圆周通道两铡均设置两个液密性密封圈30，每个所述密封圈均设置于开设在所述转子13小直径圆柱面上的环形凹槽31中，密封圈30为(但不限于)“O”形、矩形、“K”形、“COP”形，以及其任意组合形。
当本发明转子13发生步进旋转时，转子13上的转子分布通道26、转子连通通道28与第二定子圆盘部件16上的定子分布通道21的对接情况以及转子13上转子集合通道27、转子连通通道28与第二定子圆盘部件16上定子集合通道22的对接情况将发生变化，导致各流体改变目标地(反应器)。步进变位后，供液储罐、反应器和排液储罐的相互连通的逻辑关系不变，变化的仅仅是被连通的反应器，这种变化是由转子的步进变位导致定子分布通道21和定子集合通道22的位置切换而实现的。如由“0”位步进到“1”位时，n0个反应器、定子分布通道和定子集合通道都由0～j位变至1～j+1位。
本发明提供的多种流体周期性定向导流装置，液体种类数n0为1～20，常用1～8；反应器数量n3为转子分布通道数n2-11或转子集合通道数n2-12的1～10倍，常用1～3倍。反应器数量n3＝定子分布通道数n1-11＝定子集合通道数n1-12＝转子分布通道数n2-11+转子连接通道数n2-2＝转子集合通道数n2-11+转子连接通道数n2-2。液体种数n0≤定子供液通道数n1-21≥供液圆周通道数n4-1≤转子分布通道数n2-11＝定子分布通道数n2-11-转子连接通道数n2-2＝反应器数量n1-转子连接通道数n2-2＝定子集合通道数n2-12-转子连接通道数n2-2＝转子集合通道数n2-12≥排液圆周通道数n4-2≤定子排液通道数n1-22。
当转子13与定子11和12处于对接连通的某特定位置时，如“0”位，n0条定子供液通道24→n0条供液圆周通道23→n0条转子分布通道26→n0条(0～j，j＝n0-1)定子分布通道21→n0个(0～j，j＝n0-1)反应器→n0条(0’～j’，j’＝n0-1)定子集合通道22→n0条转子集合通道27→n0条排液圆周通道23→n0条定子排液通道25之间相互连通；n3个反应器的供液口与n3条定子分布通道21连通，反应器的排液口与→n3条定子集合通道22连通，n3-n0条转子连通通道28将n3-n0条定子分布通道21与n3-n0条定子集合通道22连通。
上述实施中，如图7所示，转子分布通道26与转子集合通道27之间错位一个单元，如以6通道18口的导流装置为例，一个单元含3个反应器，占位60°，转子分布通道26与转子集合通道27的对应关系为1-2’、2-3’、3-4’，4-5’、5-6’和6-1’。
上述实施例中，在单一液体流向为：定子供液通道24→供液圆周通道23→转子分布通道26→定子分布通道21-0→反应器0→定子集合通道22-0→转子连通通道28-0→定子分布通道21-1→反应器1→定子集合通道22-1→转子连通通道28-1→定子分布通道21-2→反应器2→定子集合通道22-2→转子集合通道27→排液圆周通道23→定子排液通道25。
上述实施例中，在单一流通管路上，定子供液通道24、供液圆周通道23、转子分布通道26、定子分布通道21、转子连通通道28、定子集合通道21、转子集合通道27、排液圆周通道23和定子排液通道25的总横截面积相等。用于供液的圆周通道数或用于排液的圆周通道数大于等于液体种类数；定子供液通道数或定子排液通道数大于等于用于供液的圆周通道数或与用于排液的圆周通道数；转子分布通道数或转子集合通道数大于等于用于供液的圆周通道数或用于排液的圆周通道数。
上述实施例中，所述密封圈30和所述圆锥形非金属密封34的材质为(但是不限于)橡胶(丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚丙烯酸酯橡胶、乙丙橡胶、夹布橡胶)、聚氨酯、聚酰胺、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯、聚氟乙烯、PEEK等，及其复合材料。
上述实施例中，定子11和12，以及转子13的制作材料为(但不限于)钛、不锈钢、Cr系(400系列)、Cr-Ni系(300系列)、Cr-Mn-Ni系(200系列)及其析出硬化系列等金属材料，聚酰胺、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯、聚氟乙烯、PEEK等塑料，以及塑料包覆金属的复合材料。
上述实施例中，反应器为中空容器，容器内填充物为(但不限于)需要再生的各种色谱填料(如硅胶、键合硅胶、聚合物、生物胶等)、吸附剂、催化剂、过滤介质等，及需要定时周期性更换液相反应物的液固反应的固相引物。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、通道设置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：包括二个定子和一个转子；所述二个定子中，其中一个定子包括法兰部件和厚壁管部件，称为第一定子，另一个定子包括圆盘部件和厚壁管部件，称为第二定子；所述转子为圆柱-圆锥-圆柱体或圆柱-圆柱-圆柱体结构，转动设置在由所述二个定子围成的空间内，由轴承定位；
在所述第二定子的圆盘部件内部设置有多条定子分布通道和多条定子集合通道；每条所述定子分布通道在所述圆盘部件表面形成两个开口，其中一个开口位于所述圆盘部件的外侧面，用于与一个反应器的进液口连接，另一个开口位于所述圆盘部件朝向所述转子的一侧；每条所述定子集合通道在所述圆盘部件表面形成两个开口，其中一个开口位于所述圆盘部件的外侧面，用于与一个反应器的排液口连接，另一个开口位于所述圆盘部件朝向所述转子的一侧；
在所述转子两侧的圆柱面间隔设置有多个圆周凹槽，所述圆周凹槽与所述定子的厚壁管部件内壁围成多条圆周通道，在所述第一定子一侧的圆周通道用于供液圆周通道，在所述第二定子一侧的圆周通道用于排液圆周通道；
在所述第一定子的厚壁管部件上设置有多条定子供液通道，每条所述定子供液通道的内端与一条供液圆周通道相通，外端用于与供液储罐连接；在所述第二定子的厚壁管部件上设置有多条定子排液通道，每条所述定子排液通道的内端与一条排液圆周通道相通，外端用于与排液储罐连接；
在所述转子内部设置有多条转子分布通道和多条转子集合通道，每一条所述转子分布通道的一端与一条通向所述定子供液通道的供液圆周通道相通，另一端在所述转子朝向第二定子圆盘部件的一侧形成开口且与一条所述定子分布通道对接；每一条所述转子集合通道的一端与一条通向所述定子排液通道的排液圆周通道相通，另一端在所述转子朝向第二定子圆盘部件的一侧形成开口且与一条所述定子集合通道对接；在所述转子中部直径较大的圆柱体或圆锥体内部设置有多条转子连通通道，每一条所述转子连通通道沿所述转子的轴线平行布置，其一端在所述转子朝向所述第二定子圆盘部件的一侧形成开口且与一条所述定子分布通道对接，另一端在所述转子朝向所述第二定子圆盘部件的一侧形成开口且与一条所述定子集合通道对接。
2.如权利要求1所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：在单一液体流通管路上，所述的定子供液通道、供液圆周通道、转子分布通道、定子分布通道、转子连通通道、定子集合通道、转子集合通道、排液圆周通道和定子排液通道的总横截面积相等；用于供液的所述圆周通道数或与用于排液的所述圆周通道数等于或大于液体种类数；所述定子供液通道数或定子排液通道数等于或大于用于供液的所述圆周通道数或与用于排液的所述圆周通道数；所述转子分布通道数或转子集合通道数等于或大于用于供液的所述圆周通道数或与用于排液的所述圆周通道数。
3.如权利要求2所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：液体种类数为1～20。
4.如权利要求1所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：圆盘部件密封面与转子中部密封面的对应关系为定子圆锥面-转子圆锥面、定子圆锥面-转子圆柱面或定子圆柱面-转子圆锥面。
5.如权利要求4所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：圆锥面的锥度为5°～70°。
6.如权利要求5所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：圆锥面的锥度为30°～40°。
7.如权利要求1所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：所述反应器数量为转子分布通道数或转子集合通道数的1～10倍。
8.如权利要求6所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：所述反应器数量为转子分布通道数或转子集合通道数的1～3倍。
9.如权利要求1所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：所述第二定子的圆盘部件与所述转子的中部之间设有圆锥形密封，每条所述圆周通道两侧均设置两个液密性密封圈，所述密封和密封圈的材料为橡胶、聚氨酯、聚酰胺、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、聚氟乙烯、聚醚醚酮之一。
10.如权利要求1所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：所述定子和转子的材料为金属材料、塑料或塑料包覆金属的复合材料。
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