JP2019520973A - フラクタル流デバイスおよび使用方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのフラクタルパックを備えるフラクタル流デバイス。少なくとも１つのフラクタルパックは、少なくとも２つのフラクタルセルを備え、各フラクタルセルは、フラクタル分配器、このフラクタル分配器に隣接するチャンバ、およびこのチャンバに隣接するフラクタル回収器を備える。フラクタル流デバイスを使用する方法も開示されている。

Description

優先権の主張
本出願は、２０１６年６月８日に出願された、「Ｆｒａｃｔａｌ Ｆｌｏｗ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｕｓｅ」の米国特許出願第１５／１７６，９１９号の出願日の利益を主張する。

本出願の実施形態は、概して、フラクタル流デバイス、およびフラクタル流デバイスを使用して複数成分の流体流れの成分（または複数の成分）を分離または精製する方法に関する。より具体的には、本開示の実施形態は、少なくとも２つのフラクタルセルを含む少なくとも１つのフラクタルパックを有するフラクタル流デバイス、およびそのフラクタル流デバイスを使用する方法に関する。

従来、流体処理は、層圧の降下、動態、および流動の非均一性のため、運転に深刻な制限が生じる。これらの制限は、例えば、生産性、処理効率、エネルギー使用、システムサイズ、環境適合性、および資本／運転費にかけられる。これらの制限がどのように生じるかという一例として、流速が上がると層圧力の降下が増加するため、層を通過する流速が抑制され得ることがある。圧力降下により、層を含むカラムが圧力定格を超えた段階に到達することがあり、層は容認できないほど圧縮し、層の粒子が破壊され得、過剰なエネルギーが運転に要求され得る。明らかに、この現象により、生産性（流速の制限）および設計、ならびに費用（高い圧力が追加の構造強度を必要とする）に制限がかかる。別の例として、高い線速度により、流体と層の材料との相互作用または反応が容認できないほど乏しい結果になることがある。すなわち、システムの運動要件が自己制限される。層を通る流体の線速度が過剰に高いと、結果的に、層粒子と流体の接触時間が不十分になる。明らかに、これが生産性に制限をかける（二度目になるが、流速が制限される）。

層を、高い（移動経路が長い）、狭い（流動方向を横断する比較的小さな断面）形状ではなく、広い（大きな断面）または浅い（深度が浅いまたは移動経路が短い）形状に広げることにより、層の圧力降下と層を通過する流体の線速度との両方が低減する。これらの効果はいずれも非常に有益であり得るが、広く浅い層（広い断面）にわたる、流体の分布および回収は困難であるため、このようなカラムの構造は、一般的ではない。カラムに導入される流体の不均質性または乱れはいずれも、広く浅い層では通常、減衰することができず、不均質性は、結果として、非効率性および許容できない処理を招く。例えば、クロマトグラフィーにおいて、かかる問題は、バンド拡大および供給混合物の成分の不十分な分離をもたらす。

流体処理装置は、Ｂｒｏｗｎに対する米国特許第４，６７３，５０７号に開示されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。流体処理装置は、浅型層の運転に使用可能である。しかしながら、この流体処理装置は、流体供給物の有意な分散および回収システムがなく、粒子が常に圧縮を受けるように粒子を樹脂層内に拘束する過充填の状態に層を維持することに依存している。微粒子サイズ（実質的に均一な）の樹脂を利用することにより、層にわたる実施的に均一な流体流の分散を実現するが、これは過充填の状態で維持される。この流体処理装置は、層にわたるプロセス流体流を制限する。

Ｃｈｉｎｎに対する米国特許第５，６２６，７５０号は、流体を処理する装置について開示しており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。この装置において、第１および第２の「粒子なし空洞」が滞留粒子層の上および下に設けられる。第１および第２の空洞内の圧力の作用である、滞留粒子層にわたる圧力降下により、滞留粒子層を通過する均一な流体の流動が簡単に提供される。滞留粒子層の表面近くのプロセス流体流れにおいて、流体流の特性（渦、または乱流区域）を実質的に制御するための対策はしない。

米国特許第７，３９０，４０８号は、フラクタル幾何学を用いて設計した分配器および回収器を備える浅型層を使用して上述の問題を解決している。このタイプの容器は、産業的実施において成功し、この容器の設計にはいくつかの利点がある。例えば、流体の分配および回収がきわめて均一である。この均一性のため、処理媒体のチャネリング問題または非被覆性問題なく、処理媒体の非常に浅い層を使用することができる。圧力降下は、実質的に非常に低く、これはこの技術を用いた容器が従来の装置よりも低い圧力で格付けされることを意味する。浅型層容器のヘッドは、多くの従来の圧力容器の球面または窪んだヘッドとは、対照的に平板である。浅型層容器の能力を増加するために、容器の直径を増加しなければならず、これがヘッドへの圧力の増加を引き起こす。直径が増加すると、ヘッドへの圧力が相対的に増加し、ヘッドの機械的補助を強化しなければならない。浅型層容器は高容量、高スループット使用に対して構築されるため、直径の増加により寸法と重さが増加する。寸法の増加は、さらに浅型層容器の占める面積を増加させ、浅型層容器の取り扱いをより困難にする。

ろ過器は、スラリーまたは懸濁液から固体を除去するために１００年以上使用されている。フィルタプレスは、複数のろ過プレートを備え、各ろ過プレートはスラリーが通過するクロスフィルタとチャンバとを備える。スラリーは、単一の入口を通ってろ過プレートの各々に侵入し、スラリー液がろ過プレートを通過するにつれて、固体がクロスフィルタ上に蓄積する。ろ過プレートは、ろ過された液体がろ過器を退出したとき、ろ過した液体を回収する小さな穴を備えている。クロスフィルタから固体（すなわち、ろ過ケーキ）を圧縮し除去する様々な方法が開発されている。水分除去の後、ろ過プレートを互いに分解させることにより、フィルタプレスからろ過ケーキが取り外され、重力により落ちた固体がフィルタプレスから排出される。クロスフィルタのろ過により固体が除去されるので、スラリーはろ過プレートを均一に流れる必要はない。

少なくとも１つのフラクタルパックを含む、フラクタル流デバイスが開示される。少なくとも１つのフラクタルパックは、少なくとも２つのフラクタルセルを備え、各フラクタルセルはフラクタル分配器、このフラクタル分配器に隣接するチャンバ、およびこのチャンバに隣接するフラクタル回収器を備える。

フラクタル流デバイスを使用する方法も開示される。本方法は、フラクタル流デバイスに流体流れを導入することと、流体流れを少なくとも１つのフラクタルパックに流すことと、流体流れから少なくとも１つの成分を分離し、生成物流を生成することとを含む。フラクタル流デバイスは、少なくとも２つのフラクタルセルを含む少なくとも１つのフラクタルパックを備え、各フラクタルセルは、フラクタル分配器、フラクタル分配器に隣接するチャンバ、およびチャンバに隣接するフラクタル回収器を備える。

本明細書の実施形態によるフラクタルパックの図式表現である。 本明細書の実施形態によるフラクタルセルの図式表現である。 本明細書の実施形態によるフラクタルセルの図式表現である。 本発明の実施形態による２つのフラクタルパックを含むフラクタル流デバイスの写真である。 本明細書の実施形態による１つのフラクタルパックとコネクタ要素とを含むフラクタル流デバイスの概略図である。 本明細書の実施形態によるＳＭＢ運転で構成された１つのフラクタルパックおよびコネクタ要素を含むフラクタル流デバイスの概略図である。 本明細書の実施の形態による２つのフラクタルパックおよびコネクタ要素を備えたフラクタル流デバイスの概略図である。

少なくとも１つのフラクタルパックを有するフラクタル流デバイスが開示される。フラクタルパックは、使用および運転中のフラクタル流デバイス内の圧力を増加することなしに、フラクタル流デバイスの容量の増加を提供する。容量の増加は、フラクタル流デバイスの寸法または重量を大幅に増加させることなく達成される。そのため、フラクタル流デバイスは、小型であり、フラクタル流デバイスの占める容積（すなわち装置の設置面積）は増加しない。フラクタル流デバイスは、フラクタル流デバイスの希望される用途に合わせて並列または直列に構成される単一のフラクタルパックまたは複数のフラクタルパックを備え得る。フラクタルパックは、フラクタル流デバイスの所望の用途に合わせて並列または直列に構成されたフラクタルセルを含む。フラクタル流デバイスは、多成分の流体流れの成分を分離するために使用される。

本明細書で使用される場合、「フラクタル」という用語は、元のパターン（すなわち、形または形状）と同じまたは類似する小部分に反復的に分割され得る、または大部分に反復的に拡大され得るパターン（すなわち、形または形状）を意味し、それを含む。本開示のフラクタル流デバイスは、１つもしくは複数のフラクタルプレート、フラクタル分配器、フラクタル回収器、フラクタルセル、またはフラクタルパックなどの、フラクタルパターンを有する、少なくとも１つの構成部品を有する。

図１に示すように、フラクタル流デバイス１００の実施形態は、少なくとも２つのフラクタルセル１２０のような複数のフラクタルセル１２０を有するフラクタルパック１１０を含む。図１に図示されるフラクタル流デバイス１００は、８つのフラクタルセル１２０を含むが、フラクタルパック１１０は、より少ないまたはより多いフラクタルセル１２０を含み得る。フラクタルセル１２０は、フラクタル流デバイス１００の所望の用途に応じて直列または並列に構成され得る。フラクタルセル１２０の各々は、フラクタル分配器１３０、チャンバ１４０、およびフラクタル回収器１５０を備える。フラクタル分配器１３０は、流体流れがフラクタル流デバイス１００に侵入するフラクタルセル流入口１６０を有し、フラクタル回収器１５０は、そこを通過して流体流れがフラクタル流デバイス１００から退出するフラクタルセル排出口１７０を備える。フラクタル分配器１３０、チャンバ１４０、およびフラクタル回収器１５０により、フラクタル分配器１３０およびフラクタル回収器１５０がチャンバ１４０内の流体処理媒体（図示しない）への流体流れの均一な分配を提供しながら、フラクタルパック１１０は所望の流体流れの分離を実現することができる。

図２に示され、以下に詳細に説明されるように、フラクタル分配器１３０およびフラクタル回収器１５０の各々は、徐々に増加する寸法または徐々に減少するスケール流経路を提供するフラクタルパターン２１５を有するフラクタルプレート２０５を含む。フラクタルセル１２０は、図１に図示されるように互いに水平（すなわちｘ方向）に隣接して配置されて、または互いに垂直（すなわちｙ方向）に隣接して配置されて、フラクタルパック１１０を形成する。フラクタルセル１２０は、互いに直接接触し、任意に、エンドプレート、支持ヘッド、液圧プレス、液圧ジャッキ、ボルト、または他の締付要素などの締付要素２２５により収容されてもよい。締付要素２２５は、フラクタル流デバイス１００の使用および運転の間、フラクタルセル１２０に機械的強度を提供し、フラクタルセル１２０が運転および圧力の変化を受けるとき、フラクタルセル１２０が互いに接触した状態で同じ位置にとどめる。締付要素２２５は、フラクタルセル１２０の間で流体連通を維持しつつ、フラクタル流デバイス１００を比較的高い圧力で運転することを可能にし得る。単に例として、締付要素２２５は、図１に示されるように、フラクタルパック１１０の対向する端部上に配置されたエンドプレートを含み得る。エンドプレートは、フラクタルセル１２０を互いに接触させ、フラクタルセル１２０の間の流体連通を可能にし、フラクタルセル１２０上への圧力を維持するように調整され得る。あるいは、締付要素２２５は、フラクタルパターン２１５によって占有されていないフラクタルセル１２０の部分に、適切に整列させた穴（図示せず）を通過するボルトおよびナット（図示せず）を含み得る。締付要素２２５は、あるいは、フラクタルパック１１０の対向する端部に固定された液圧ジャック（図示せず）を含み得る。

図２に示すように、フラクタルセル１２０は、フラクタル分配器１３０、チャンバ１４０、およびフラクタル回収器１５０を含む。各フラクタルセル１２０のフラクタル分配器１３０は、流体流れをチャンバ１４０に流す（すなわち分配する）ように構成されており、各フラクタルセル１２０のフラクタル回収器１５０は、流体流れがチャンバ１４０を通過した後、流体流れを回収するように構成されている。フラクタル分配器１３０は、フラクタルパターン２１５内に用意された再起流経路内で、チャンバ１４０に流体流れを均一に分配する。フラクタル回収器１５０は、チャンバ１４０を退出する流体流れを、フラクタル流デバイス１００を退出する単一の流体流に合流させる。簡単に言えば、コネクタ要素は、フラクタルパック１１０のフラクタルセル１２０の間の流体連通を提供する、またはフラクタルパック１１０への侵入および退出ないしはフラクタルパック１１０間の流体連通を提供するが、図１および２に示されない。しかしながら、コネクタ要素は後に詳細に説明される。

フラクタル分配装置１３０は、１つまたは複数のフラクタルプレート２０５を含む。簡略化のために、本明細書において、フラクタルプレートは、フラクタルプレート（ｆｒａｃｔａｌ ｐｌａｔｅ）２０５またはフラクタルプレート（ｆｒａｃｔａｌ ｐｌａｔｅｓ）２０５と呼ぶが、特定のフラクタルプレートは、フラクタルプレート２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃなどと呼ぶ。図３に示すように、フラクタル分配器１３０は、３つのフラクタルプレート２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃを含む。しかしながら、フラクタル分配器１３０は、所望の流体流れの分離に応じて、より多いまたはより少ないフラクタルプレート２０５を含み得る。フラクタル分配器１３０のフラクタルプレート２０５は、その中を流体流れが流れる、フラクタルプレート流入口３３５、フラクタルプレート排出口３４５、およびチャネル３５５を含む。フラクタルプレート流入口３３５、フラクタルプレート排出口３４５、およびチャネル３５５は、フラクタルパターン２１５に用意された流経路を形成する。チャネル３５５は、流体流れがフラクタル分配器１３０を退出する前に、フラクタルプレート流入口３３５とフラクタルプレート排出口３４５との間に流体流れを分配する。後続する各フラクタルプレート（すなわち、フラクタルプレート２０５ｂ、２０５ｃ）上のフラクタルパターン２１５は、フラクタルプレート２０５ａのフラクタルパターンと比較して累進的に縮小することを除いて、フラクタルプレート２０５ａなどのフラクタルプレート上にあるフラクタルパターン２１５は、フラクタルプレート２０５ｂ、２０５ｃなどの別のフラクタルプレート上のフラクタルパターンと同一または類似している。単に例として、フラクタルパターン２１５は、図２および３に図示されるように、Ｈ字型であり得る。しかしながら、Ｔ字型、Ｙ字型、または３次元形状などの他のフラクタルパターン２１５を使用し得る。フラクタルパターン２１５は、Ｋｅａｒｎｅｙらに対する米国特許第６，６１６，３２７号およびＫｅａｒｎｅｙらに対する第７，３９０，４０８号に記述されたフラクタルパターンの１つを含むがこれに限定されず、それらの各々の開示全体は，参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

フラクタル分配器１３０のフラクタルプレート２０５は、流体流が、チャネル３５５を通ってフラクタルプレート流入口３３５に移行し、フラクタルプレート２０５のフラクタルプレート排出口３４５を退出し、チャネル３５５を通ってフラクタルプレート流入口３３５に移行し、次のフラクタルプレート２０５の次のフラクタルプレート排出口３４５を退出するよう、互いに整列される。フラクタル分配器１３０は、Ｋｅａｒｎｅｙらに対する米国特許第６，６１６，３２７号およびＫｅａｒｎｅｙらに対する第７，３９０，４０８号に記述されるように構成され形成される。フラクタル分配器１３０のフラクタルプレート２０５は、流体流がフラクタル分配器１３０を通過するとき、大きい縮尺から累進的に小さい縮尺へのフラクタルの分布が生じるように、互いに隣接するように配置され得る。同一のフラクタルパターン２１５を有する１つまたは複数のフラクタルプレート２０５を含むことにより、フラクタル分配器１３０は、その長さまたは高さに対し、比較的幅が小さい（すなわち厚さ）。フラクタルプレート２０５の幅に対する高さの比は、約２：１から約２０：１またはそれ以上の範囲であり得る。

フラクタル分配器１３０は、流体流がチャンバ１４０に移行するとき、流体流の乱流や内部混合を低減させるのに十分な排出口密度を含み得る。より小さいおよび小さい縮尺でフラクタルパターン２１５を再帰的に乗算することにより、所望の通り排出口密度を増加し得る。本明細書で使用される場合、「排出口密度」という用語は、チャンバ１４０に直接隣接するフラクタルプレート２０５の単位断面領域内の排出口の数を意味し、含む。単に例として、フラクタル分配器１３０は、およそ６４個／ｆｔ２以上（およそ６８９個／ｍ２以上）排出口密度、例えば、およそ１００個／ｆｔ２以上（およそ１０７６個／ｍ２以上）、およそ２００個／ｆｔ２以上（およそ２１５３個／ｍ２以上）、およそ５００個／ｆｔ２以上（およそ５３８２個／ｍ２以上）、およそ５３８２個／ｆｔ２以上（およそ１１，０２２個／ｍ２以上）、排出口密度を有し得る。チャンバ１４０に直接隣接するフラクタルプレート２０５の排出口密度が大きいほど、チャンバ１４０への流体流の分配がより均一になる。

図２および３に図示されるように、フラクタルプレート２０５は、形状が略正方形または長方形であり、フラクタルプレート２０５上のフラクタルパターン２１５の効率的なパッキングが可能である。しかしながら、フラクタル流デバイス１００に望まれる効率およびその用途に応じて円形または他の形状のフラクタルプレート２０５が使用され得る。

フラクタルセル１２０のチャンバ１４０は、イオン交換樹脂または他の分離媒体などの流体処理媒体、吸収媒体、触媒媒体、ないしは反応媒体を収容するための開口１８０を含む。図４に示すように、チャンバ１４０は、それを通って流体処理媒体を投入させるポート１９０（図１および２も参照）を含み得る。流体処理媒体は、スクリーンまたはろ布（図示しない）により、チャンバ１４０内に収容され得る。流体処理媒体は、流体流の成分およびフラクタル流デバイス１００の用途に応じて選択され得る。フラクタルパック１１０の各フラクタルセル１２０内の流体処理媒体は、同一でも異なっていてもよい。例えば、カチオン交換樹脂は、１つのフラクタルセル１２０で使用し得、さらにアニオン交換樹脂は別のフラクタルセルで使用され得る。さらに、複数のフラクタルパック１１０が使用される状況では、各フラクタルパック１１０での流体処理媒体は、同一でも異なっていてもよく、あるいは、フラクタルパック１１０の各フラクタルセル１２０の流体処理媒体は、同一であっても異なっていてもよい。例えば、カチオン交換樹脂は、１つのフラクタルパック１１０のフラクタルセル１２０で使用され得、アニオン交換樹脂は別のフラクタルパック１１０のフラクタルセル１２０で使用され得る。フラクタル分配器１３０を退出するとすぐに、流体流は、分離のためにチャンバ１４０に侵入して通過する。チャンバ１４０内の開口部１８０は、その長さまたは高さに対して、比較的幅（すなわち厚み）が小さい。フラクタル流デバイス１００内には、複数のフラクタルセル１２０が存在しているので、少量の流体処理媒体のみ各チャンバ１４０内で使用され得る。したがって、従来の装置で使用されるには高価すぎる流体処理媒体が、本明細書の実施形態によるフラクタル流デバイス１００では使用することができる。さらに、少量の流体処理媒体が使用されると、チャンバ１４０にわたる圧力降下の減少をもたらす。したがって、流体処理媒体の非常に小さなサイズの粒子が使用され得る。そのため、流体処理媒体は単位体積当たりの高い表面積を有するため、より高速な分離または反応速度が達成され得る。

フラクタルセル１２０のフラクタル回収器１５０は、また、１つまたは複数のフラクタルプレート２０５を含む。図３のフラクタル回収器１５０の実施形態は、３つのフラクタルプレート２０５ｅ、２０５ｆ、２０５ｇを含み得るが、フラクタル回収器１５０は、希望する流体流の分離に応じて、より多いまたはより少ないフラクタルプレート２０５を含み得る。フラクタル回収器１５０のフラクタルプレート２０５は、また、その中を流体流が流れる、フラクタルプレート流入口３３５、フラクタルプレート排出口３４５、およびチャネル３５５を含む。フラクタルプレート流入口３３５、フラクタルプレート排出口３４５、およびチャネル３５５は、フラクタルパターン２１５に用意された流経路を形成する。チャネル３５５は、フラクタル回収器１５０を退出する前に、フラクタルプレート流入口３３５とフラクタルプレート排出口３４５との間に流体流れを分配する。フラクタル分配器１３０のフラクタルプレート２０５上のフラクタルパターン２１５と同様に、フラクタル回収器１５０のフラクタルプレート２０５の１つ、例えばフラクタルプレート２０５ｅ上のフラクタルパターン２１５は、後続する各フラクタルプレート（すなわち、フラクタルプレート２０５ｆ、２０５ｇ）のフラクタルパターン２１５が、フラクタルプレート２０５ｅのフラクタルパターンと比較して累進的に拡大することを除いて、フラクタルプレート２０５ｅなどのフラクタルプレート上にあるフラクタルパターン２１５は、フラクタルプレート２０５ｆ、２０５ｇなどの別のフラクタルプレート上のフラクタルパターンと同一または類似している。

一実施形態において、フラクタル回収器１５０は、フラクタル分配器１３０と同じ数のフラクタルプレート２０５を有する。フラクタル回収器１５０のフラクタルプレート２０５上のフラクタルパターン２１５は、また、フラクタル分配器１３０のフラクタルプレート２０５上のフラクタルパターン２１５と実質的に類似している。しかしながら、フラクタル回収器１５０のフラクタルプレート２０５が構成される順序は、最大の数のフラクタルプレート流入口３３５を有するフラクタルプレート２０５が、チャンバ１４０に直接隣接するよう、逆転される。言い換えれば、フラクタル回収器１５０の最後のフラクタルプレート２０５（すなわち、チャンバ１４０の遠位にあるフラクタルプレート２０５ｇ）が最低排出口密度を有する。排出口密度は、より大きいおよびより大きい縮尺でフラクタルパターン２１５を再帰的に除算することにより、所望の通り排出口密度を低下し得る。フラクタル回収器１５０のフラクタルプレート２０５は、流体流がフラクタル回収器１５０を通過する際、小さい縮尺から累進的に大きな縮尺へのフラクタル分配が生じるように、互いに隣接して配置され得る。

単なる例として、図３に示すように、フラクタル分配器１３０の第１のフラクタルプレート２０５ａは、単一のフラクタルプレート流入口（図示せず）および４つのフラクタルプレート排出口３４５を有するＨ字型チャネル３５５を含む。フラクタル分配器１３０の第２のフラクタル板２０５ｂは、第１のフラクタルプレート２０５に隣接し、４つの流入口（図示せず）および４つのＨ字型チャネル３５５を備えた１６個のフラクタルプレート排出口３４５を含む。フラクタル分配器１３０の第３のフラクタルプレート２０５ｃは、第２のフラクタルプレート２０５ｂに隣接し、１６個の流入口（図示せず）および１６個のＨ字型チャネルを備えた２５６個のフラクタルプレート排出口３４５を含む。フラクタルプレート２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃは、それらのプレートを通過する流体流が、第１のフラクタルプレート２０５ａのフラクタルプレート排出口３４５から第２のフラクタルプレート２０５ｂのフラクタルプレート流入口３３５、第２のフラクタルプレート２０５ｂのフラクタル排出口３４５から第３のフラクタルプレート２０５ｃのフラクタルプレート流入口３３５へ、さらに、第３のフラクタルプレート２０５ｃのフラクタルプレート排出口３４５からチャンバ１４０を通過するように、整列される。３つのフラクタルプレート２０５が図３に示されるが、用途に応じて、より多いまたはより少ないフラクタルプレート２０５が存在し得る。チャンバ１４０は、フラクタル分配器１３０の第３のフラクタルプレート２０５ｃに隣接する。フラクタル回収器１５０は、フラクタル分配器１３０と同じ数のフラクタルプレート２０５を含み得る。フラクタル回収器１５０のフラクタルプレート２０５ｅ、２０５ｆ、２０５ｇは、フラクタルプレート２０５の順序が逆方向に構成されることを除いて、フラクタル分配器１３０のフラクタルプレートと同じフラクタルパターン２１５を含み得る。言い換えれば、フラクタルプレート２０５ｅ、２０５ｆ、２０５ｇ上のフラクタルパターン２１５は、それぞれ、フラクタルプレート２０５ｃ、２０５ｂ、２０５ａ上のフラクタルパターン２１５に対応する。例えば、チャンバ１４０に隣接するフラクタル分配器１３０の第５のフラクタルプレート２０５ｅは、２５６個のフラクタルプレート流入口（図示せず）および１６本のＨ字型チャネルを備えた１６個のフラクタルプレート排出口（図示せず）を含み得、第５のフラクタルプレート２０５ｅに隣接する第６のフラクタルプレート２０５ｆは１６個の流入口（図示せず）および４本のＨ字型チャネルを備えた４個のフラクタルプレート排出口（図示せず）を含み得、第６のフラクタルプレート２０５ｆに隣接する第７のフラクタルプレート２０５ｇは４個の流入口（図示せず）および１本のＨ字型チャネルを備えた１個のフラクタルプレート排出口（図示せず）を含み得る。フラクタル回収器１５０の第５、第６、および第７のフラクタルプレート２０５ｅ、２０５ｆ、２０５ｇは、それらのプレートを通過する流体流が、第５のフラクタルプレート２０５ｅのフラクタルプレート排出口から第６のフラクタルプレート２０５ｆのフラクタルプレート流入口、第６のフラクタルプレート２０５ｆのフラクタルプレート排出口から第７のフラクタルプレート２０５ｇのフラクタルプレート流入口を通過し、第７のフラクタルプレート２０５ｇの排出口から退出するように、整列される。流体流は、第５および第６のフラクタルプレート２０５ｅ、２０５ｆの複数のフラクタルプレート排出口から、第７のフラクタルプレート２０５ｇの単一の排出口に合流する。

フラクタル分配器１３０のフラクタルプレート２０５、チャンバ１４０、およびフラクタル回収器１５０のフラクタルプレート２０５の側面上の肩部４６５は、図１、２および４に示すように、フラクタルセル１２０が互いに隣接するように配置するために使用され得る。例えば、図４に示されるように、フラクタルセル１２０は、肩部４６５を指示構造４７５に係合することにより、水平に互いに隣接するよう配置され得、実質的にはフラクタルセル１２０に対して垂直に配向されている。フラクタル分配器１３０、チャンバ１４０およびフラクタル回収器１５０は、指示構造４７５上に配置され得、フラクタル流デバイス１００の使用および運転中、締付要素２２５により、互いの直接接触が維持され得る。追加の構成要素を例示するための便宜上、フラクタル分配器１３０、チャンバ１４０、およびフラクタル回収器１５０は、図４において、離間配置された構成に示される。フラクタル分配器１３０、チャンバ１４０、およびフラクタル回収器１５０は、ガスケットのような封止要素４８５により互いに離間され得る。封止要素４８５は、フラクタル流デバイス１００の使用および運転中、フラクタル分配器１３０、チャンバ１４０、およびフラクタル回収器１５０の間の流体流の漏出を防止し得る。

フラクタル分配器１３０およびフラクタル回収器１５０のフラクタルプレート２０５は、その上にフラクタルパターン２１５が形成されるべき任意の適合材料から形成され得る。材料は、流体流の構成要素と適合し得る。例えば、プラスチック材料または金属材料などの、材料は、腐食、酸、または流体中に含まれる基本成分に耐性があり得る。プラスチック材料には、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリテトラフルオロエチレンが含まれ、金属材料にはステンレス鋼が含まれるがこれに限定されない。フラクタル流デバイス１００は、従来の装置よりも低圧力で運転され得、フラクタル分配器１３０およびフラクタル回収器１５０の材料は、構造要件が低下したため、従来の装置で使用されていない材料から選択し得る。チャンバ１４０は、同一または類似の材料から形成されてもよい。フラクタル分配器１３０、チャンバ１４０、およびフラクタル回収器１５０の材料は、また、フラクタル流デバイス１００が使用される運転温度、例えば室温（２０℃から２５℃）から約８５℃に適合し得る。フラクタル分配器１３０、チャンバ１４０、およびフラクタル回収器１５０の材料は、また、フラクタル流デバイス１００が使用される運転圧力、例えば約４バール以下（約４００ｋパスカル以下）圧力に適合し得る。単に例として、フラクタル分配器１３０、チャンバ１４０、およびフラクタル回収器１５０は、ＰＭＭＡで形成され得る。

フラクタル分配器１３０およびフラクタル回収器１５０のフラクタルプレート２０５の寸法は、フラクタル流デバイス１００の所望の容量に応じて選択され得る。単に例として、フラクタルプレート２０５およびチャンバ１４０の長さと高さそれぞれは、独立的に、約２インチ（約５．０８ｃｍ）から約４８インチ（約１２１．９２ｃｍ）の範囲であり得る。フラクタルプレート２０５の厚さ（すなわち幅）は、約０．１インチ（約０．２５４ｃｍ）から約３インチ（約７．６２ｃｍ）の範囲であり得る。チャンバ１４０の厚さ（すなわち幅）は、約０．２インチ（約０．５０８ｃｍ）から約６インチ（約１５．２４ｃｍ）のように、流体処理媒体を収容するため大きくなり得る。一実施形態において、フラクタルプレート２０５は、１２．２５インチ（３１．１２ｃｍ）平方であり、１インチ（２．５４ｃｍ）の厚さである。チャンバ１４０は、１２．２５インチ（３１．１２ｃｍ）平方であり、２インチ（５．０８ｃｍ）厚さである。

フラクタル流デバイス１００は、また、チュービング、配管、開口など、フラクタル流デバイス１００の構成要素の間の流体連通を可能にするコネクタ要素を含む。例えば、流体流は、フラクタルセル１２０内（すなわち内部）に配置されたフラクタルプレート流入口３３５、チャネル３５５、およびフラクタルセル１２０のフラクタルプレート排出口３４５およびチャンバ１４０の間を通過し得る。流体流は、フラクタルセル１２０内のチュービングまたは開口により、フラクタル分配器１３０からチャンバ１４０を通って、フラクタル回収器１５０に入り得る。あるいは、流体流は、外部に配置されたチュービング（図示せず）を用いてフラクタルセル１２０の構成要素の間を通過し得る。したがって、フラクタルパック１１０のフラクタルセル１２０は、外部コネクタ要素または内部コネクタ要素を用いて流体連通し得る。フラクタル流デバイス１００は、また、コネクタ要素を含み、コネクタ要素は、流体流をフラクタル流デバイス１００に導入し、流体流がフラクタル流デバイス１００を退出したとき流体流を回収する。図に図示されていないが、コネクタ要素の単純な構成は、図１または図２の各フラクタルセル１２０のフラクタルセル流入口１６０およびフラクタルセル排出口１７０に接続されているチュービングで使用され得る。チュービングは、流体流をフラクタルセル１２０に導入し、流体流がフラクタルセル１２０を退出するとき、流体流を回収し得る。フラクタル流デバイス１００は、また、流体をフラクタル流デバイス１００の構成要素の間に分配する、弁、ポンプ、供給タンク、圧力制御因子、計量装置、流体制御装置、およびマイクロプロセッサ装置を含む。フラクタル流デバイス１００のこれらの要素は、当該技術分野で周知であり、本明細書において詳細に記載されない。

フラクタルパック１１０の外部に位置するコネクタ要素は、フラクタル流デバイス１００のより複雑な実施形態でも使用され得る。コネクタ要素は、単一のフラクタルパック１１０（図５および６参照）または複数のフラクタルパック１１０（図７参照）を通じて、流体流を分配し得る。図５〜７は、８つのフラクタルセル１２０を有するフラクタルパック１１０を示しているが、フラクタルパック１１０はより少ないまたはより多い数のフラクタルセル１２０を含み得る。複数のフラクタルパック１１０は、用途に応じて、直列運転、並列運転、一次／二次直列運転、模擬移動層運転、またはカルーセル型流体運転のために構成され得る。

図５に図示されるフラクタル流デバイス１００’の実施形態において、流体流をフラクタルパック１１０に分配するためフラクタルプレ分配器をコネクタ要素５９５として使用し得る。フラクタルプレ分配器は、フラクタルセル１２０のフラクタル分配器１３０およびフラクタル回収器１５０に存在するフラクタルパターン２１５（図２参照）に加えて、それ自体がフラクタルパターンに構成されるチュービングを含む。フラクタルフラクタルプレ分配器は、流体流の各フラクタルセル１２０への最適な同等の流量を供給する。フラクタルプレ分配器を通過するとすぐに、流体流は、各フラクタルセル１２０のフラクタル分配器１３０に侵入するポーションに分配される。流体流のポーションは、その後、チャンバ１４０内の流体処理媒体を通過し、フラクタル回収器１５０に入った後、フラクタルセル１２０を退出する。フラクタル回収器１５０を退出する流体流のポーションは単一の供給流に合流され、回収される。

さらに別の実施形態では、図６に図示されるように、フラクタル流デバイス１００’’は、模擬移動層（ＳＭＢ）として運転するために構成される。ＳＭＢ構成において、１つのフラクタルセル１２０は、２つのフラクタル分配器１３０、２つのチャンバ１４０および２つのフラクタル回収器１５０を含む。フラクタルパック１１０を用いて流体流を分配するために、チュービングは、バルブ装置６０５とともにコネクタ要素５９５として使用される。バルブ装置６０５は、各フラクタルセル１２０に４つのバルブ、流体流バルブ６０５’、ウォータバルブ６０５’’、エキストラクトバルブ６０５’’’、およびラフィネートバルブ６０５’’’’を含む。循環ポンプなどのポンプ６１５は、フラクタル流デバイス１００’’を通るよう流体流を流すために使用され得る。フラクタル流デバイス１００’’を通る流体流を分配するため、給水タンク、ろ過器、圧力調整器、計量装置、流体制御装置、およびマイクロプロセッサ装置などの、追加の構成要素が、さらに、存在する。フラクタル流デバイス１００’’は、流体がフラクタルセル１２０（２つのフラクタル分配器１３０、２つのチャンバ１４０、および２つのフラクタル回収器１５０を含む）に同時に侵入および退出するように、２つの平行な流入口および２つの平行な排出口を有する。

さらに別の実施形態では、図７に図示されるように、フラクタル流デバイス１００’’’は、複数のフラクタルパック１１０およびチュービングなどのコネクタ要素５９５を含み得る。少なくとも２つのフラクタルパック１１０は、チュービングを通じて互いに流体連通している図７に示されるように、それぞれ８つのフラクタルセル１２０を有する２つのフラクタルパック１１０は、フラクタルパック１１０への外部のチュービングにより互いに流体連通している。しかしながら、フラクタル流デバイス１００’’’は、２つより多いフラクタルパック１１０を含み得、各フラクタルパックはより多いまたはより少ないフラクタルセル１２０を有する。図７に図示されるように、各フラクタルパック１１０のフラクタルセル１２０は、並列に構成されるが、２つのフラクタルパック１１０は直列に構成される。他の実施形態では、コネクタ要素５９５がフラクタルパック１１０の内部（図示せず）であり得ると考えられている。また、２つのフラクタルパック１１０は、並列に構成され得るとも考えられている。

本明細書の実施形態によるフラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’は、多成分流体から成分を分離または精製するために使用され得る。例えば、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’は、複数の成分を含有する流体流を脱色またはそうでなければ精製するために使用され得る。あるいは、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’は、複数の成分を含有する流体流を脱塩化するために使用され得る。単に例として、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’は、水処理、食品および甘味料、化学物質、バイオマス、再生エネルギー、採鉱、または石油産業で使用され得る。

本明細書の実施形態によれば、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’の使用および運転中、流体流は、第１のフラクタルセルのフラクタル分配器１３０のフラクタルプレート２０５に侵入し、複数の流体流に分配される。流体流は、第１のフラクタルセル１２０のチャンバ１４０の流体処理媒体に均一に分配される。流体流がチャンバ１４０を通るとき、流体流内の成分は、チャンバ１４０内で使用される流体処理媒体との相互作用に応じて分離される。チャンバ１４０を通過した後、分配された流体流は、フラクタルセル１２０のフラクタル回収器１５０のフラクタルプレート２０５を通るように流れ、単一の処理済みの流体流として、第１のフラクタルセル１２０を退出する。流体流は、単一の処理済み流体中が、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’の第２およびそれ以降のフラクタルセル１２０を退出するように、第２およびそれ以降のフラクタルセル１２０を同様に通過し並列に処理される。各フラクタルセル１２０の処理済み流体流は、所望の成分が流体流の別の成分から分離された生成物流に合流される。

フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’内のフラクタルパック１１０を利用することにより、容量の増加、設置面積の削減圧力増加の削減、および流量の増加が達成され得る。本明細書の実施形態によれば、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’の容量は、各フラクタルパック１１０内のフラクタルセル１２０の数を増減することにより、および／または、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’内のフラクタルパック１１０の数を増減することにより、調整され得る。フラクタルパック１１０は、互いに隣接するよう配置された複数のフラクタルセル１２０を含むので、それぞれがフラクタル分配器１３０、チャンバ１４０およびフラクタル回収器１５０を含み、フラクタルパック１１０は、用途に応じてより多いまたはより少ないフラクタルセル１２０を含むことにより、所望の容量を達成するように簡単に変更され得る。このようなモジュール設計を用いることにより、フラクタルパック１１０は、フラクタルプレート２０５の直径またはフラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’の他の構成要素を増加する必要なく、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’に容量の増加を提供する。したがって、所望の容量に変更する度ごとのフラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’の再設計の必要性は回避され、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’は、容易に経済的な方法で簡単に拡張され得る。

本明細書における実施形態によれば、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’の容量は、フラクタル流パック１１０またはフラクタルセル１２０をそれぞれ追加または削減することにより簡単に増減できるため、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’は、さらに、略同じ寸法で維持され得る。したがって、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’の容量が増加しても、従来の装置で必要なように、全体寸法を増加することはない。追加のフラクタルセル１２０および／またはフラクタルパック１１０によって処理容量が増加されるため、小さな設置面積を占有する容積内に同じ処理領域が提供され、フラクタルセル１２０および／またはフラクタルパック１１０はフレキシブルで効率的な空間の使用を実現する。また、所望の容量が増加しても、フラクタルプレート２０５またはフラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’の他の構成要素が増加しないため、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’のための追加の支持部材が不要である。対照的に、従来の装置で追加の容量が必要の場合には、プレートの直径を増加することにより、従来の装置を再設計しなければならず、従来の装置内部の圧力を増加し、従来の装置の設置面積を増加し、従来の装置の寸法および重要を増加する。

フラクタルパック１１０を使用することにより、フラクタルプレート２０５の直径またはフラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’の他の構成要素を同様に増加させる必要がないため、フラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’内の圧力増加も削減または排除される。流体流の線速度の大幅な減少およびチャンバ１４０にわたる圧力降下の大幅な減少により、従来の装置を通る流体流と比較し、フラクタルパック１１０を通過する流体流の流量の増加も可能である。さらに、流量の増加に伴う従来装置の共通の問題である、流体のチャネリングおよび乱流は、本明細書の実施形態に従うフラクタル流デバイス１００、１００’、１００’’、１００’’’では観察されない。

本開示を通知された後、当業者は、本発明を容易に作製および使用できる。

本開示は様々な修正および代替形態に対して影響を受けやすいが、具体的な実施形態は、図面において例として示され、本明細書において詳細に説明されている。しかしながら、本開示は、開示される特定の形態に限定されることを意図しない。むしろ、本開示は、以下の添付の特許請求の範囲およびそれらの法的等価物によって定義されるように、本明細書の範囲内にある全ての修正、均等物、および代替物を網羅することである。

Claims (24)

1. フラクタル流デバイスであって、
   少なくとも１つのフラクタルパックを備え、前記少なくとも１つのフラクタルパックは、
   少なくとも２つのフラクタルセルを備え、各フラクタルセルが、フラクタル分配器と、前記フラクタル分配器に隣接するチャンバと、前記チャンバに隣接するフラクタル回収器と、を備える、フラクタル流デバイス。
2. 前記フラクタル分配器、前記チャンバ、および前記フラクタル回収器が互いに流体連通している、請求項１に記載のフラクタル流デバイス。
3. 前記フラクタル分配器および前記フラクタル回収器の各々が、フラクタルパターンを備える、請求項１または２に記載のフラクタル流デバイス。
4. 前記少なくとも２つのフラクタルセルが水平方向に構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフラクタル流デバイス。
5. 前記少なくとも２つのフラクタルセルが、前記少なくとも２つのフラクタルセルを水平方向に配置するように構成された肩部を備える、請求項４に記載のフラクタル流デバイス。
6. 前記少なくとも２つのフラクタルセルが垂直方向に構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフラクタル流デバイス。
7. 前記フラクタル分配器および前記フラクタル回収器の各々が、フラクタルパターンを有する少なくとも１つのフラクタルプレートを備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載のフラクタル流デバイス。
8. 前記フラクタル分配器および前記フラクタル回収器の前記フラクタルパターンが同一である、請求項７に記載のフラクタル流デバイス。
9. 前記フラクタル分配器および前記フラクタル回収器の前記フラクタルパターンが異なる、請求項７に記載のフラクタル流デバイス。
10. 前記フラクタル分配器および前記フラクタル回収器は、同じ数のフラクタルプレートを備える、請求項７に記載のフラクタル流デバイス。
11. 前記フラクタル分配器または前記フラクタル回収器の前記少なくとも１つのフラクタルプレートが、少なくとも１つのフラクタルプレート流入口と、少なくとも１つのフラクタルプレート排出口と、前記少なくとも１つのフラクタルプレート流入口および前記少なくとも１つのフラクタルプレート排出口と流体連通する少なくとも１つのチャネルと、を備える、請求項７に記載のフラクタル流デバイス。
12. 前記フラクタル分配器は、約６８９個／ｍ^２より大きい排出口密度を備える、請求項１１に記載のフラクタル流デバイス。
13. 前記フラクタル分配器は、３つのフラクタルプレートを備え、第１のフラクタルプレートは１つのフラクタルプレート流入口および４つのフラクタルプレート排出口を備え、第２のフラクタルプレートは４つのフラクタルプレート流入口および１６個のフラクタルプレート排出口を備え、第３のフラクタルプレートは１６個のフラクタルプレート流入口および２５６個のフラクタルプレート排出口を備える、請求項７に記載のフラクタル流デバイス。
14. 前記フラクタル回収器は、３つのフラクタルプレートを備え、第１のフラクタルプレートは２５６個のフラクタルプレート流入口および１６個のフラクタルプレート排出口を備え、第２のフラクタルプレートは１６個のフラクタルプレート流入口および４つのフラクタルプレート排出口を備え、第３のフラクタルプレートは４つのフラクタルプレート流入口および１つのフラクタルプレート排出口を備える、請求項７に記載のフラクタル流デバイス。
15. 前記チャンバは、流体処理媒体を含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のフラクタル流デバイス。
16. 前記流体処理媒体は、イオン交換樹脂を含む、請求項１５に記載のフラクタル流デバイス。
17. 前記少なくとも１つのフラクタルパックが、直列運転、並列運転、一次／二次直列運転、模擬移動層運転、またはカルーセル型流体運転のために構成される、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のフラクタル流デバイス。
18. 前記少なくとも１つのフラクタルパックの前記少なくとも２つのフラクタルセルを固定する締付要素をさらに備える、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のフラクタル流デバイス。
19. 前記締付要素が、エンドプレート、支持ヘッド、液圧プレス、液圧ジャッキ、またはボルトを含む、請求項１８に記載のフラクタル流デバイス。
20. フラクタル流デバイスを使用する方法であって、
    フラクタル流デバイスに流体流れを導入することであって、前記流体流れは複数の成分を含み、前記フラクタル流デバイスは少なくとも１つのフラクタルパックを備え、前記少なくとも１つのフラクタルパックが、
    少なくとも２つのフラクタルセルを備え、各フラクタルセルが、フラクタル分配器と、前記フラクタル分配器に隣接するチャンバと、前記チャンバに隣接するフラクタル回収器とを備える、導入することと、
    前記少なくとも１つのフラクタルパックを通して前記流体流れを流すことと、
    前記流体流れから少なくとも１つの成分を分離して生成物流れを生成することと、を含む、方法。
21. 前記少なくとも１つのフラクタルパックを通して前記流体流れを流すことが、並列の前記少なくとも２つのフラクタルセルを通して前記流体流れを流すことを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記少なくとも１つのフラクタルパックを通して前記流体流れを流すことが、直列の少なくとも２つのフラクタルパックを通して前記流体流れを流すことを含む、請求項２０に記載の方法。
23. 前記少なくとも１つのフラクタルパックを通して前記流体流れを流す前に、フラクタルプレ分配器を通して前記流体流れを流すことをさらに含む、請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 前記少なくとも１つのフラクタルパックを通して前記流体流れを流すことが、流体処理媒体の層を含むチャンバを通して前記流体流れを均一に分配することを含む、請求項２０〜２３のいずれか１項に記載の方法。

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