TWI635894B

TWI635894B - 流體分散盤及其設計方法

Info

Publication number: TWI635894B
Application number: TW106103086A
Authority: TW
Inventors: 陳建霖; 梁明在; 梁茹茜; 劉丞哲
Original assignee: 義守大學
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2018-09-21
Also published as: TW201827122A

Abstract

一種流體分散盤的設計方法包括以下步驟。提供流體分散盤。從流體分散盤的表面中心繪製徑向線以獲得一條半徑線，並將半徑線劃分為N個線段。於N個線段上分別製作N-1個環圈以及對應於表面中心的供料管所在的內圈，其中N-1個環圈與內圈為同心圓。於各N-1個環圈上以及內圈上分別設置均勻間隔的多個開孔，其中於各N-1個環圈以及內圈上的各開孔的面積密度具有相同的數值。於流體分散盤對應供料管的入口的位置上設置多條流道以連接到各開孔，其中每一條從供料管的入口連接到各開孔的流道的總長度皆為相同。

Description

流體分散盤及其設計方法

本發明是有關於一種分散盤，且特別是有關於一種流體分散盤及其設計方法。

模擬移動床(simulated moving bed；SMB)的生產設備需要大型的高壓層析管柱，其中主要的關鍵製造技術是管柱前後端的流體分散盤(distributor)與集中盤(collector)之設計。隨著層析分離挑戰的增加以及製成設備技術的提升，層析管柱內之固態顆粒填料越趨細小，因此整體管柱的壓降顯著增加，迫使放大的設計只能在不增加管柱長度的條件下，增加管柱直徑以為因應。換言之，為增加產量，管柱直徑要增加，然而此類管柱長徑比(L/D)的縮減將導致流體流動分布受到嚴重影響，因此顯著降低了層析的分離效率。有鑑於此，為了獲得更良好的分離效果，目前有必要對分散盤的設計再進行檢討。

本發明提供一種流體分散盤的設計方法，利用此方法所設計出的流體分散盤可使層析管柱之流場速度形成一致的均勻流，使層析管柱內的不同組分能夠明確分離。

本發明的一種流體分散盤的設計方法包括以下步驟。提供流體分散盤。從流體分散盤的表面中心繪製徑向線以獲得一條半徑線，並將半徑線劃分為N個線段。於N個線段上分別製作N-1個環圈以及對應於表面中心的供料管所在的內圈，其中N-1個環圈與內圈為同心圓。於各N-1個環圈上以及內圈上分別設置均勻間隔的多個開孔，其中於各N-1個環圈以及內圈上的各開孔的面積密度具有相同的數值。於流體分散盤對應供料管的入口的位置上設置多條流道以連接到各開孔，其中每一條從供料管的入口連接到各開孔的流道的總長度皆為相同。

在本發明的一實施例中，上述的多條流道包括從供料管的入口分散出去的多條主流道以及從各主流道分散出去的多條分支流道。

在本發明的一實施例中，上述的多條流道包括從供料管的入口分散出去的四條主流道，且每一條主流道包括從主流道分散出去的三條分支流道，且各分支流道分別連接至對應的開孔。

在本發明的一實施例中，上述的多條流道包括從供料管的入口分散出去的四條主流道，且四條主流道中的其中兩條主流道各自包括從主流道分散出去的五條分支流道，且各分支流道分別連接至對應的開孔。

在本發明的一實施例中，上述的多條流道包括從供料管的入口分散出去的八條主流道，且每一條主流道包括從主流道分散出去的三條分支流道，且各分支流道分別連接至對應的開孔。

在本發明的一實施例中，將一條半徑線劃分為N個線段時，是均勻地將一條半徑線劃分為N個線段。

在本發明的一實施例中，在同一個N-1個環圈或內圈中的開孔的大小相同，且在不同的N-1個環圈或內圈中的開孔的大小不同。

在本發明的一實施例中，將一條半徑線劃分為N個線段時，是不均勻地將一條半徑線劃分為N個線段。

在本發明的一實施例中，在N-1個環圈與內圈中的各個開孔的大小皆為相同。

本發明另提供一種流體分散盤可使層析管柱之流場速度形成一致的均勻流，使層析管柱內的不同組分能夠明確分離。

本發明的一種流體分散盤包括多個環圈、一內圈、多個均勻間隔的開孔以及多條流道。內圈是對應於流體分散盤的表面中心的供料管的位置設置，其中各環圈與內圈為同心圓，且各環圈環繞內圈。多個均勻間隔的開孔是分別設置在各環圈以及內圈上，其中於各環圈以及內圈上的各開孔的面積密度具有相同的數值。多條流道是從流體分散盤對應供料管的入口的位置分別連接到各開孔，其中每一條從供料管的入口連接到各開孔的流道的總長度皆為相同。

在本發明的一實施例中，上述流體分散盤包括一個內圈以及環繞內圈的兩個環圈，其中在每一內圈以及兩個環圈上分別設置有四個均勻間隔的開孔。

在本發明的一實施例中，當上述流體分散盤的半徑為R1時，內圈的半徑為R0.167，兩個環圈中的第一個環圈的半徑為R0.500，兩個環圈中的第二個環圈的半徑為R0.833，且設置於內圈上的各開孔的半徑為R0.029，設置於該第一個環圈上的各開孔的半徑為R0.050，設置於第二個環圈上的各開孔的半徑為R0.065。

在本發明的一實施例中，當上述流體分散盤的半徑為R1時，內圈的半徑為R0.289，兩個環圈中的第一個環圈的半徑為R0.697，兩個環圈中的第二個環圈的半徑為R0.908，且各開孔的半徑皆為R0.050。

在本發明的一實施例中，上述流體分散盤包括一個該內圈以及環繞內圈的兩個環圈，其中在每一內圈以及兩個環圈上分別設置有八個均勻間隔的開孔。

基於上述，本發明流體分散盤的設計方法所設計出的流體分散盤中，於各環圈以及內圈上的各開孔的面積密度具有相同的數值，且每一條從供料管的入口連接到各開孔的流道的總長度皆為相同。因此，本發明的流體分散盤可使層析管柱之流場速度形成一致的均勻流，使層析管柱內的不同組分能夠明確分離。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧高壓層析管柱

102‧‧‧柱體

103‧‧‧過濾盤

104、104A、104B、104C‧‧‧流體分散盤

106‧‧‧供料管

106A‧‧‧入口

108‧‧‧出料管

20A‧‧‧環圈

20B‧‧‧內圈

C1‧‧‧主流道

C2‧‧‧分支流道

H、H1、H2、H3‧‧‧開孔

N0‧‧‧表面中心

N1、N2、N3‧‧‧線段

R‧‧‧半徑線

圖1A是依照本發明實施例的高壓層析管柱的架構示意圖。

圖1B是圖1A實施例的高壓層析管柱的爆炸示意圖。

圖2A至圖2D是本發明一實施例的流體分散盤的設計方法流程圖。

圖3是本發明另一實施例的流體分散盤的示意圖。

圖4是本發明另一實施例的流體分散盤的示意圖。

圖5是本發明另一實施例的流體分散盤的示意圖。

圖1A是依照本發明實施例的高壓層析管柱的架構示意圖。圖1B是圖1A實施例的高壓層析管柱的爆炸示意圖。請同時參考圖1A及圖1B，本發明的流體分散盤104是可運用在高壓層析管柱100中的一種分散盤。另外，高壓層析管柱100例如為模擬移動床中所使用的管柱。如圖1A及圖1B所示，高壓層析管柱 100包括柱體102、過濾盤103、流體分散盤104、供料管106以及出料管108。

在圖1A及圖1B的實施例中，柱體102中可填充顆粒內部具有孔隙之固定相。柱體102是分別與供料管106以及出料管108連接，其中，過濾盤103與流體分散盤104位於柱體102與供料管106之間。此外，在柱體102與出料管108之間亦會有過濾盤與流體集中盤(未繪示)之設置，其中，流體集中盤的設計是與流體分散盤104的設計相對應，因此，不特別進行說明。在一般的模擬移動床中，流體是經由高壓層析管柱100中的供料管106的供料入口106A透過流體分散盤104以及過濾盤103流動至柱體102中以進行層析分離。特別是，流體分散盤104的設計將影響到高壓層析管柱100內的流體之流動速度及流量，進而，影響到層析的分離效率。因此，本發明以流體力學之原理為基礎，提出針對流體分散盤104的設計方法，以改善傳統的分散盤所造成的層析分離效率不佳的問題。

圖2A至圖2D是本發明一實施例的流體分散盤的設計方法流程圖。首先，參考圖2A，提供有一流體分散盤104。從流體分散盤104的表面中心N0繪製徑向線以獲得一條半徑線R，並將此半徑線R劃分為N個線段。流體分散盤104的表面中心N0的位置例如是對應圖1A、圖1B中供料管106的供料入口106A。另外，在本實施例中，是將半徑線R劃分為三個線段，而三個線段分別為以表面中心N0為起點的N1線段、N2線段以及N3線段，例如N2線段是指N0與N2之間的線段。此外，在本實施例中，將半徑線R劃分為N個線段時，是均勻地將半徑線R劃分為N個線段。在本發明實施例中，所指「均勻地」將半徑線R劃分為N個線段意於表示第N個線段與第N+1個線段之間的距離相同。參考圖2A的實施例，N1線段與N2線段之間的距離相等於N2線段與N3線段之間的距離。此外，本實施例是以三個線段為例，但需注意的是，本發明的流體分散盤104的設計並不以三個線段為限，而可依據需求進行改變。

接著，請參考圖2B，於N個線段上分別製作N-1個環圈20A以及對應於表面中心N0的供料管106所在的內圈20B，其中N-1個環圈20A與內圈20B為同心圓。更詳細來說，在本實施例中，是於N1線段、N2線段以及N3線段的三個線段上製作一個內圈20B以及環繞內圈20B的兩個環圈20A，且內圈20B與兩個環圈20A是同心圓。

再來，請參考圖2C，於各N-1個環圈20A上以及內圈20B上分別設置均勻間隔的多個開孔(H1、H2、H3)，其中於各N-1個環圈20A以及內圈20B上的各開孔(H1、H2、H3)的面積密度具有相同的數值。更詳細來說，在本實施例中，是在每一內圈20B以及兩個環圈20A上分別設置有四個均勻間隔的開孔(H1、H2、H3)。此外，上述四個均勻間隔的開孔在每一內圈20B或是各環圈20A上的面積密度具有相同的數值。也就是說，內圈20B的四個開孔H1於內圈20B上具有相同面積密度。較靠近內圈20B的兩個環圈20A中的第一環圈20A的四個開孔H2於第一環圈20A上具有相同面積密度，且較遠離內圈20B的兩個環圈20A中的第二環圈20A的四個開孔H3於第二環圈20A上具有相同面積密度。由於面積密度的值相同，因此，可保持每個環(內圈20B或是環圈20A)的相同總流量。

此外，在圖2C的實施例中，在同一個環圈20A或內圈20B中的開孔(H1、H2或H3)的大小相同，且在不同的環圈20A或內圈20B中的開孔(H1、H2及H3)的大小不同。亦即，在內圈20B的四個開孔H1的大小相同，在在第一環圈20A的四個開孔H2的大小相同，且在第二環圈20A的四個開孔H3的大小相同。另外，在內圈20B的開孔H1小於在第一環圈20A的四個開孔H2，且在第一環圈20A的四個開孔H2小於在第二環圈20A的四個開孔H3。在本實施例中，越靠近流體分散盤104的表面中心N0的開孔(H1、H2、H3)會越小，而遠離表面中心N0的開孔(H1、H2、H3)則會越大，然而，本發明不限於此。在其它實施例中，位於內圈20B以及多個環圈20A上的開孔亦可具有相同大小。另外，本發明實施例的開孔(H1、H2、H3)是以圓形開孔為例，但需注意的是，本發明的開孔設計並不以圓形為限，而可選擇其他適用的形狀。

接著，請參考圖2D，於流體分散盤104對應供料管106的入口106A(如圖1B所示)的位置上設置多條流道(C1、C2)以連接到各開孔(H1、H2、H3)，其中每一條從供料管106的入口106A 連接到各開孔(H1、H2、H3)的流道的總長度皆為相同。更詳細來說，流道包括從供料管106的入口106A(對應表面中心N0位置)分散出去的四條主流道C1，且每一條主流道C1包括從主流道C1分散出去的三條分支流道C2，且各分支流道C2分別連接至對應的開孔(H1、H2或是H3)。特別是，每一條從主流道C1連接到分支流道C2並連接到開孔(H1、H2或是H3)的總長度皆為相同。詳細來說，從每一主流道C1分散出去的三條分支流道C2分別是以主流道C1的分散點為中心，而分支流道C2是從此中心點分散出去的半徑線。如圖2D所示，當流體分散盤104的半徑為R1時，所述的分支流道C2的半徑線的長度約為R0.367至R0.369。此外，從入口106A(對應表面中心N0位置)到開孔(H1、H2或是H3)的流道截面積保持不變，因此，能夠使流體分散盤104中流體的流量保持一致。

另外，在本實施例中，當流體分散盤104的半徑為R1時，內圈20B的半徑為R0.167，兩個環圈20A中的第一環圈20A的半徑為R0.500，兩個環圈20A中的第二環圈20A的半徑為R0.833，且設置於內圈20B上的開孔H1的半徑為R0.029，設置於第一環圈20A上的開孔H2的半徑為R0.050，設置於第二環圈20A上的開孔H3的半徑為R0.065。如此，本發明的流體分散盤104的設計能夠使各區域的單位面積的流量皆維持相同，而獲至相同的平均出料速度。也就是說，層析管柱之流場速度形成一致的均勻流，使層析管柱內的不同組分能夠更有效率地分離。

圖3是本發明另一實施例的流體分散盤的示意圖。圖3的流體分散盤104A與圖2D的流體分散盤104類似，因此，相同元件以相同標號表示，且不予贅述。圖3的實施例與圖2D的實施例的差異在於，流體分散盤104A的流道設計不同。參考圖3，流道包括從供料管106的入口106A分散出去的四條主流道C1，且四條主流道C1中的其中兩條主流道C1各自包括從主流道C1分散出去的五條分支流道C2，且各分支流道C2分別連接至對應的開孔(H1、H2或H3)。此外，四條主流道C1中的另外兩條主流道C1則是直接與開孔H3連接。

相同地，在圖3的實施例中，當流體分散盤104A的半徑為R1時，內圈20B的半徑為R0.167，兩個環圈20A中的第一環圈20A的半徑為R0.500，兩個環圈20A中的第二環圈20A的半徑為R0.833，且設置於內圈20B上的開孔H1的半徑為R0.029，設置於第一環圈20A上的開孔H2的半徑為R0.050，設置於第二環圈20A上的開孔H3的半徑為R0.065。如此，本發明的流體分散盤104A的設計能夠使各區域的單位面積的流量皆維持相同，而獲至相同的平均出料速度。也就是說，層析管柱之流場速度形成一致的均勻流，使層析管柱內的不同組分能夠更有效率地分離。

圖4是本發明另一實施例的流體分散盤的示意圖。圖4的流體分散盤104B與圖2D的流體分散盤104類似，因此，相同元件以相同標號表示，且不予贅述。圖4的實施例與圖2D的實施例差異在於，圖2D的流體分散盤104是以等半徑距環的方式設計，而圖4的流體分散盤104B是以等面積的方式設計。詳細來說，在圖2A至圖2D的實施例中，將一條半徑線R劃分為N個線段時，是均勻地將一條半徑線R劃分為N個線段，亦即等半徑距的方式設計。相對來說，在圖4的實施例中，將一條半徑線R劃分為N個線段時，是不均勻地將一條半徑線R劃分為N個線段。也就是說，內圈20B與各環圈20A之間的距離並不相等。另外，在圖4的實施例中，在兩個環圈20A與內圈20B中的各開孔H的大小皆為相同。此外，從每一主流道C1分散出去的三條分支流道C2分別是以主流道C1的分散點為中心，而分支流道C2是從此中心點分散出去的半徑線。如圖4所示，當流體分散盤104的半徑為R1時，所述的分支流道C2的半徑線的長度可為R0.382或是R0.498。更詳細來說，上述半徑線的長度是可依據分支流道C2的配置方式/角度不同而有所改變。

在圖4的實施例中，當流體分散盤104B的半徑為R1時，內圈20B的半徑為R0.289，兩個環圈20A中較靠近內圈20B的第一環圈20A的半徑為R0.697，兩個環圈20A中較遠離內圈20B的第二環圈20A的半徑為R0.908，且各開孔H的半徑皆為R0.050。如此，本發明的流體分散盤104B的設計能夠使各區域的單位面積的流量皆維持相同，而獲至相同的平均出料速度。也就是說，層析管柱之流場速度形成一致的均勻流，使層析管柱內的不同組分能夠更有效率地分離。

在圖2D至圖4的實施例中，皆是以每個環(內圈20B、環圈20A)上的區域分別具有四個出料的開孔(H或是H1、H2、H3)為例，但本發明不限於此。在其它實施例中，每個環上的區域的開孔數目可依據需求設置。以下，將以圖5的實施例進行說明。

圖5是本發明另一實施例的流體分散盤的示意圖。圖5的流體分散盤104C與圖4的流體分散盤104B類似，且是以等面積的方式設計，因此，相同元件以相同標號表示，且不予贅述。圖5的實施例與圖4的實施例差異在於，開孔的數目與流道的設置方式不同。在圖5的流體分散盤104C中，每個環上的區域的開孔數目為八個。詳細來說，在每一個內圈20B以及兩個環圈20A上分別設置有八個均勻間隔的開孔H，且在內圈20B以及兩個環圈20A上的開孔H的大小皆為相同。另外，在圖5中，流道包括從供料管106的入口106A分散出去的八條主流道C1，且每一條主流道C1包括從主流道C1分散出去的三條分支流道C2，且各分支流道C2分別連接至對應的開孔H。此外，從每一主流道C1分散出去的三條分支流道C2分別是以主流道C1的分散點為中心，而分支流道C2是從此中心點分散出去的半徑線。如圖5所示，當流體分散盤104的半徑為R1時，所述的分支流道C2的半徑線的長度可為R0.268或是R0.330。更詳細來說，上述半徑線的長度是可依據分支流道C2的配置方式/角度不同而有所改變。

在圖5的實施例中，當流體分散盤的半徑為R1時，內圈20B的半徑為R0.289，兩個環圈20A中較靠近內圈20B的第一環圈20A的半徑為R0.697，兩個環圈20A中較遠離內圈20B的第二環圈20A的半徑為R0.908，且各開孔H的半徑皆為R0.050。如此，本發明的流體分散盤104C的設計能夠使各區域的單位面積的流量皆維持相同，而獲至相同的平均出料速度。也就是說，層析管柱之流場速度形成一致的均勻流，使層析管柱內的不同組分能夠更有效率地分離。

綜上所述，本發明流體分散盤及其設計方法中，於各環圈以及內圈上的各開孔的面積密度具有相同的數值，且每一條從供料管的入口連接到各開孔的流道的總長度皆為相同。另外，是藉由等面積或是等半徑距的設計方法來設置/定義出環圈與開孔的關係。因此，本發明的流體分散盤能夠使層析管柱之流場速度形成一致的均勻流，獲得良好的分離效果。也就是說，當本發明所設計的流體分散盤是運用在高壓層析管柱中時，能夠有效提升不同組分之分離效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種流體分散盤的設計方法，包括：提供一流體分散盤；從該流體分散盤的一表面中心繪製徑向線以獲得一條半徑線，並將該一條半徑線劃分為N個線段；於該N個線段上分別製作N-1個環圈以及對應於該表面中心的一供料管所在的一內圈，其中該N-1個環圈與該內圈為同心圓；於各該N-1個環圈上以及該內圈上分別設置均勻間隔的多個開孔，其中於各該N-1個環圈以及該內圈上的各該開孔的面積密度具有相同的數值；以及於該流體分散盤對應該供料管的入口的位置上設置多條流道以連接到各該開孔，其中每一條從該供料管的入口連接到各該開孔的該流道的總長度皆為相同。
如申請專利範圍第1項所述的一種流體分散盤的設計方法，其中該些流道包括從該供料管的入口分散出去的多條主流道以及從各該主流道分散出去的多條分支流道。
如申請專利範圍2項所述的一種流體分散盤的設計方法，其中該些流道包括從該供料管的入口分散出去的四條主流道，且每一條該主流道包括從該主流道分散出去的三條分支流道，且該些分支流道分別連接至對應的該開孔。
如申請專利範圍2項所述的一種流體分散盤的設計方法，其中該些流道包括從該供料管的入口分散出去的四條主流道，且該些主流道中的其中兩條主流道各自包括從該主流道分散出去的五條分支流道，且該些分支流道分別連接至對應的該開孔。
如申請專利範圍2項所述的一種流體分散盤的設計方法，其中該些流道包括從該供料管的入口分散出去的八條主流道，且每一條該主流道包括從該主流道分散出去的三條分支流道，且該些分支流道分別連接至對應的該開孔。
如申請專利範圍第1項所述的一種流體分散盤的設計方法，其中將該一條半徑線劃分為該N個線段時，是均勻地將該一條半徑線劃分為該N個線段。
如申請專利範圍第6項所述的一種流體分散盤的設計方法，其中在同一個該N-1個環圈或該內圈中的該些開孔的大小相同，且在不同的該N-1個環圈或該內圈中的該些開孔的大小不同。
如申請專利範圍第1項所述的一種流體分散盤的設計方法，其中將該一條半徑線劃分為該N個線段時，是不均勻地將該一條半徑線劃分為該N個線段。
如申請專利範圍第8項所述的一種流體分散盤的設計方法，其中在該N-1個環圈與該內圈中的各該開孔的大小皆為相同。
一種流體分散盤，包括：多個環圈；一內圈，對應於該流體分散盤的一表面中心的一供料管的位置設置，其中該些環圈與該內圈為同心圓，且該些環圈環繞該內圈；多個均勻間隔的開孔，分別設置在各該環圈以及該內圈上，其中於各該環圈以及該內圈上的各該開孔的面積密度具有相同的數值；以及多條流道，其中該些流道從該流體分散盤對應該供料管的入口的位置分別連接到各該開孔，其中每一條從該供料管的入口連接到各該開孔的該流道的總長度皆為相同。
如申請專利範圍第10項所述的流體分散盤，包括一個該內圈以及環繞該內圈的兩個環圈，其中在每一該內圈以及該兩個環圈上分別設置有四個均勻間隔的該開孔。
如申請專利範圍第11項所述的流體分散盤，其中當該流體分散盤的半徑為R1時，該內圈的半徑為R0.167，該兩個環圈中的第一個環圈的半徑為R0.500，該兩個環圈中的第二個環圈的半徑為R0.833，且設置於該內圈上的該些開孔的半徑為R0.029，設置於該第一個環圈上的該些開孔的半徑為R0.050，設置於該第二個環圈上的該些開孔的半徑為R0.065。
如申請專利範圍第11項所述的流體分散盤，其中當該流體分散盤的半徑為R1時，該內圈的半徑為R0.289，該兩個環圈中的第一個環圈的半徑為R0.697，該兩個環圈中的第二個環圈的半徑為R0.908，且該些開孔的半徑皆為R0.050。
如申請專利範圍第10項所述的流體分散盤，包括一個該內圈以及環繞該內圈的兩個環圈，其中在每一該內圈以及該兩個環圈上分別設置有八個均勻間隔的該開孔。
如申請專利範圍第14項所述的流體分散盤，其中當該流體分散盤的半徑為R1時，該內圈的半徑為R0.289，該兩個環圈中的第一個環圈的半徑為R0.697，該兩個環圈中的第二個環圈的半徑為R0.908，且該些開孔的半徑皆為R0.050。