[发明专利]流体交换装置、压力交换器和相关方法

说明书

优先权声明

本申请要求保护在2012年8月16日提交的“Fluid Exchange Devices, Pressure Exchangers, and Related Methods”美国专利申请序列号No. 13/587,722的提交日期的权益。

技术领域

本公开大体而言涉及交换装置。更特定而言，本公开的实施例涉及用于在流体与流体混合物之间的交换性质中的一个或多个（例如压力）的流体交换装置，其中交换装置包括固定交换管和一个或多个旋转阀。

背景技术

压力交换器有时被称作“流动功交换器”或“等压装置”并且是用于从相对高压流动流体系统向相对低压流动流体系统交换压力能的机器。如本文所用的术语流体包括气体、液体、以及液体与固体的可泵送混合物。

在某些工业过程中，在操作的特定部分中需要升高的压力以实现所希望的结果，之后，将经加压的流体减压。在其它过程中，在过程中使用的某些流体可以在高压提供/可用而其它在低压提供，并且希望在这两种流体之间交换压力能。因此，在某些应用中，如果在两种流体之间高效地转移压力，则能实现经济性的显著改进。

举例而言，存在下面这样的工业过程：其中催化剂在高压用于造成流体中发生化学反应并且一旦已发生了反应，则不再需要流体处于高压，而是需要在高压的新鲜流体供应。在这种过程中，可以利用压力交换机器来将反应过的高压流体的压力转移到新鲜的较低压力流体的供应，因而，通过需要供应更少的泵送能量而改进了该过程的经济性。

压力交换机可以应用的另一示例是使用反渗透膜过程来提纯盐溶液。在这个过程中，输入盐溶液流被持续地泵送到高压并且被提供给膜阵列。输入盐溶液流持续地被膜阵列分成仍处于相对高压的超盐溶液（盐水）流和处于相对低压的经提纯的水流。虽然高压盐水流通常不再在这个过程中用作流体，但其所包含的流动压力能是很有价值的。采用压力交换机以回收盐水流中的流动压力能并且将其转移到输入盐溶液流。在压力能从盐水流转移之后，盐水由低压输入盐溶液流以低压排出到排水管。因而，使用压力交换机减小了对输入盐溶液流加压所需的泵送能量。

美国专利4,887,942和美国专利6,537,035披露了一种压力交换机，其用于将压力能从一个液体系统的液体流动转移到另一液体系统的液体流动。这个压力交换机包括外壳，其具有用于每种液体流动的入口和出口管，和布置于外壳中并且适于围绕其纵向轴线旋转的圆柱形转子。圆柱形转子设有平行于纵向轴线延伸并且在每一端处具有开口的多个通路或内孔。活塞或自由活塞可以被插入于每个内孔内以用于分离液体系统。圆柱形转子可以由旋转轴或者由流体流动所赋予的力而驱动。由于多个通路或内孔总是与两个液体系统的入口管和出口管对准，则在两个液体系统中的流动基本上是连续的并且平稳的。由于装置的性质，利用单个旋转移动零件，可以实现机器的高旋转和因而高循环速度，这继而相反地减小转子中通路或内孔的体积，得到紧凑并且经济的机器。

美国专利3,489,159、美国专利5,306,428、美国专利5,797,429和PCT 专利公开WO 2004/111509全都描述了一种压力交换机的替代布置，其运用一个或多个固定的交换器容器，在这种容器的每一端处具有各种阀布置。这些机器具有以下优点：关于大小的按比例增大并无明确限制，并且利用WO 2004/111509的装置，能使高压流与低压流之间的泄漏最小。活塞可以插入于每个交换器容器中以用于分离所述液体系统。

基于美国专利4,887,942的压力交换机的缺点可以包括：为了高流率，需要增加圆柱形转子的大小，并且对于这种装置能按比例增加的量存在限制，因为离心力将试图分裂所述转子，类似于在按比例增加飞轮到较大大小和速度中遇到的问题；在圆柱形转子端部与入口管和出口管之间需要很小空隙以维持着在高压流体系统与低压流体系统之间的低泄漏速率，且其中这种泄漏导致效率降低并且难以维持这种小空隙；当以相对高旋转速度操作时，运用从动轴来控制所述转子的旋转而不是利用流体流动所赋予的非线性力（这能减小给定装置能高效地操作的流动范围）可能是不实际的；并且当以相对高旋转速度操作时，运用所述转子中的通路中的活塞可能是不实际的，因而通过增加在两种流体流之间的混合而降低了效率。