帶有催化表面的混合器的製作方法

2023-08-09 14:12:01 2

專利名稱：帶有催化表面的混合器的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及一種混合器以及用於混合化合物的方法。
背景技術：
在本領域中眾所周知的是，紊流混合是混合化合物的一種方法。紊流混合允許反應的化合物之間更頻繁地相互作用。在本領域中已知有各種類型的用於紊流混合的混合裝置。在本領域中還眾所周知的是，一些化學反應可以通過催化劑加強。通常，催化劑被 認為是通過為反應提供一種替代途徑來加強反應，其中，活化能低於沒有催化劑的化學反 應的初始途徑的活化能。催化劑被認為是參與反應的，但其既不是反應物也不是其所催化 的反應的產物。催化劑自身在整個反應中並不被消耗。因此，期望得到一種用於混合以及用於加強化學反應的改良的設備。

發明內容
本文所披露的實施例涉及一種混合器以及混合器組件，其用於化合物的紊流混合 並用於加強反應物的化學反應以生產產品。本文所披露的實施例包括帶有催化表面的混合 器，其中，化學反應被催化劑加強。這些實施例還披露了一種具有表面特徵的混合器，其允 許催化劑與化合物之間的相互作用加強。本公開還涉及一種用於化學品的分批混合(batch mix，配合料混合)和連續混合的混合器組件。本文所披露的其他實施例包括處理來自工業 中心的流體的方法。本文披露了用於流體的紊流混合以及加強化學反應的混合器和混合器組件。這種 混合器和混合器組件用於各種方式。例如，這種混合器以及混合器組件可以在實驗室中用 於小規模反應。作為另一個例子，這種混合器以及混合器組件可以在工業製造中用於大規 模反應。作為又一個例子，這種混合器以及混合器組件可以是工業中心和/或建築物的一 部分，其中，排出的化學品在它們被排放到環境中之前已改變。基於本文的披露，本領域技 術人員將容易認識並理解這些以及其它的應用。混合器的一個實施例為帶有構造成用於流體的紊流混合的表面的細長形狀。本文 中所定義的流體包括，例如，液體、氣體、小顆粒固體、以及它們的任何組合。液體的例子包 括但不限於，發電廠或造紙廠的汙水。氣體的例子包括但不限於，NOx, SOx, CO、CO2, 02、CH4, 以及H2。顆粒固體的例子包括但不限於，聚合物顆粒、或用於製造較長聚合物的較小段的聚 合物。混合器的實施例包括催化劑，承載在表面上；以及表面，其構造成用於當使用混合 器時加強催化劑與化學反應物之間的相互作用。在另一實施例中，表面具有螺旋狀構造。螺旋狀構造可以包括中央杆，其中，帶狀 表面圍繞中央杆沿螺旋路徑旋轉。因此，螺旋狀構造包括螺杆(screw)狀構造。在另一實 施例中，螺旋狀構造沒有沿著混合器的長軸長度延伸的中央杆。螺旋的方向可以是右旋、左 旋或兩者。
在另一實施例中，混合器包括催化套管，該催化套管包圍混合器並提供用於加強 化學反應的額外的催化表面。在另一實施例中，電動機連接至混合器。因此，電動機使混合器旋轉，產生流體和 /或化學品的紊流混合。在又一實施例中，混合器的一端連接有磁體，並且混合器的旋轉可通過磁場實現。 其它方面還包括混合器組件。在一個實施例中，混合器組件包括用於分批混合的 流體容器，其中，適當構造的混合器被插入流體容器內。在另一實施例中，流體容器與溫度 控制設備接觸。在又一實施例中，流體容器設置成充分靠近磁場發生器。在又一實施例中，混合器組件包括用於連續混合的管道，其中，適當構造的混合器 插入管道內。在混合器的作用下，流體和/或化學品從管道的一端進入且流過管道，並且從 管道的另一端流出。在又一實施例中，組件可以包括催化套管，該催化套管設置在管道內並 且在混合器與管道內表面之間徑向地設置，其中，催化套管提供用於加強化學反應的額外 的催化表面。在另一實施例中，混合器組件包括用於連續混合的管道；混合器構件，其中，混 合器構件包括至少兩段，一段具有螺旋狀構造，而另一段具有多個表面，其中，至少部分表 面上載有催化劑。優選的是多於兩段。還優選的是，具有螺旋狀構造的一段以及具有多個 表面的一段以交替的方式沿著管道的長軸布置。在另一實施例中，混合器具有第一段和第二段，第一段具有構造成用於流體的紊 流混合的混合器表面；而第二段具有至少一個表面，其中，至少部分的表面載有催化劑，其 中，第一段及第二段線性地設置並且平行於混合器長軸。另一實施例包括減少由工業中心產生的有害於環境的化工副產品的方法。減少來 自氣體的有害化學品的方法是一個這樣的實施例。處理流進水源中的汙水的方法是另一實 施例。參照下面的附圖、描述以及權利要求，將更好地理解這些以及其它的特徵。


圖1是混合器的實施例的透視圖，示出了構造為用於流體的紊流混合的混合器表 面以及具有構造為用於加強其上的催化劑與流體之間的相互作用的表面結構的混合器表 面的例子。圖2是混合器的另一實施例的側視圖，示出了具有螺旋狀構造並且其上具有構造 為用於加強催化劑與流體之間的相互作用的脊狀結構的混合器表面的例子。圖3A是混合器的另一實施例的側視圖，示出了具有螺旋狀構造並且其上具有構 造為用於加強催化劑與流體之間的相互作用的半球狀表面結構的混合器表面的例子。圖3B是混合器的另一實施例的側視圖，示出了構造為用於加強其上的催化劑與 流體之間的相互作用的脊狀表面結構。圖3C是混合器的另一實施例的透視圖，示出了附設於表面的多個重複凸起表面 結構。圖4A是混合器的另一實施例的透視圖，示出了帶有三段的混合器，第一和第三段 具有用於流體的紊流混合的螺旋狀構造的混合表面，而第二段具有至少一個表面，其中，至少部分表面載有催化劑。圖4B是圖4A的混合器的側視圖。圖5A是混合器組件的實施例的透視圖，示出了插入流體容器內的混合器，其中，混合器具有螺旋狀構造以及構造成用於加強催化劑與流體之間的相互作用的結構，其中， 流體容器與溫度控制設備接觸。圖5B是混合器組件的橫截面圖，示出了插入流體容器內的混合器，其中，混合器 具有螺旋狀構造以及構造成用於加強催化劑與流體之間的相互作用的結構，此外還具有與 混合器相連的電動機。圖6A是混合器組件的實施例的側視圖，示出了插入流體容器內的混合器，其中， 混合器具有螺旋狀構造以及構造成用於加強催化劑與流體之間的相互作用的脊狀結構，此 外還具有連接在混合器的一端處的磁體，以及設置在流體容器外的磁場發生器。圖6B是混合器組件的實施例的透視圖，示出了插入流體容器內的混合器，其中， 混合器具有螺旋狀構造以及構造成用於加強催化劑與流體之間的相互作用的脊狀結構，此 外還具有徑向地設置在混合器與流體容器內表面之間的催化套管。圖7A是用於連續混合的混合器組件的實施例的縱向橫截面圖。圖7B是用於連續混合的混合器組件的實施例的橫截面圖。圖8A是混合器組件的實施例的視圖，其中，示出了用於工業中心的兩個不同的實 施例。圖8B是混合器組件的實施例的視圖，其中，示出了用於工業中心的兩個不同的實 施例。圖9是帶有催化套管的混合器的實施例的透視圖。圖10是包括催化套管的混合器組件的實施例的分解圖。
具體實施例方式圖1中示出了根據一個實施例的混合器。該實施例是混合器10，其具有混合器第 一端112、混合器第二端114、以及從混合器第一端112延伸至混合器第二端114的混合器 長軸116。圖1示出了一個實施例，其中，中央杆118連接於至少一個構造成用於紊流混合 的表面120。雖然圖1示出的混合器10具有4個從中央杆118向外徑向延伸的方形的表 面120、122、124、126，本領域的技術人員應理解也可以使用其它形狀和其它數量的表面以 及其它布置。圖1中的表面120、122、124、126載有催化劑。可以優選地，催化劑是貴金屬 類型或貴金屬合金類型的。不同於大多數賤金屬(basemetal)，貴金屬是能夠抗腐蝕或抗氧 化的金屬。貴金屬的例子有但不限於，金、銀、鉭、鉬、鈀和銠。還可以優選的是，催化劑是生 物催化劑。生物催化劑是具有催化效應的生物分子。生物分子的例子包括但不限於，酶、單 鏈或雙鏈DNA、RNA、胺基酸、脂肪、磷脂、蛋白質、金屬蛋白、輔酶以及它們的組合。本領域技 術人員將易於認識並理解也可以使用其它類型的催化劑。圖1還示出了構造成用於在混合時加強該表面載有的催化劑與化學反應物之間 的相互作用的表面結構130的例子。如圖1所示，這種結構可以是表面上的凸起部分，以增 加載有催化劑的表面面積的量。因此，催化劑與流體的接觸面積增大。本文示出了這種表 面結構的其他例子。本領域技術人員將容易地認識並理解也可以使用其它的結構來達到相同的效果。認為催化劑的這種增大的接觸面積將增加催化劑與流體中的反應化合物之間相 互作用的概率。因此，這樣的增加將加強整個化學反應，例如通過但不限於這些參數，反應 物的更快反應時間，產品的更快生產，和/或反應物的更有效利用以生產更高產量的產品。圖2中示出了混合器20的實施例，其中，混合器表面220具有螺旋狀構造。在該 實施例中，混合器表面220類似於具有沿著中央杆222的螺旋構造的帶狀物，該中央杆限定 該實施例的混合器長軸224。螺旋狀混合器表面220具有表面結構226，例如從中央杆222 延伸(擴展)出的、構造成用於增加表面面積並在混合時產生紊流的凸起的脊。圖2中的 實施例在螺旋狀表面上、以及在從中央杆222且遠離該中央杆延伸出的凸起的脊226處載 有催化劑。因此，催化劑與流體的接觸面積增大。圖3A、3B和3C示出了具有螺旋狀構造表面的混合器30、40、45的其它實施例。混 合器30、40、45的每個實施例都具有混合器表面320、420、450，該混合器表面具有圍繞中心 軸線322、422、452扭曲的至少兩個主表面。這種圍繞中心軸線的扭曲既可以是左手螺旋狀 扭曲也可是右手螺旋狀扭曲或者兩者的組合。參照圖3A，混合器30的實施例示出了帶有分散的凸半球狀表面結構324的混合器 表面320的例子。這些結構是用於加強催化劑與流體之間的相互作用的構造的另一例子。 參照圖3B，混合器40的實施例示出了帶有規律重複交替的凸起和凹陷的脊和谷 表面結構424的混合器表面420的例子。參照圖3C，混合器45的實施例示出了具有多個遠離混合器長軸延伸出並以角度 454連接至表面的突出結構的混合器表面450的例子。多個突出結構454可以以直角或任 何其它角度連接至表面450。在另一實施例中，多個突出結構可以連接至基本上平行於混合 器長軸的中央杆，其中，多個突出結構基本上為金屬絲狀。在該實施例中，多個突出結構中 的至少一部分載有催化劑。因此，具有催化劑的多個突出結構具有較高的表面面積並同時 導致流體的紊流混合。如圖3A、3B以及3C所示，構造成用於加強催化劑與流體的相互作用的表面結構 324、424、454例如可以是但不限於，凸起部分、凹陷部分、半球狀隆起、半球狀凹陷、脊、谷或 它們的任何組合。本領域技術人員將容易地認識並理解也可以使用其它的結構來獲得催化 劑與流體之間增強的相互作用。如圖4A和4B所示，增強化學反應的用於混合流體的混合器47的實施例可以具有 多段，其中，每段構造成用於實現特定功能。例如，在圖4A和4B中，其中示出的混合器47 具有三段460、461、462。不過，預見混合器可以具有兩段或更多段。這些段沿著混合器47 的長軸以任何順序設置。在圖4A和圖4B中，其中示出了第一段460具有混合器表面470， 該混合器表面具有用於流體的紊流混合的螺旋狀構造。第三段462也具有混合器表面472， 該混合器表面具有用於流體的紊流混合的螺旋狀構造。螺旋狀構造可以是左手螺旋、右手 螺旋或兩者的組合。在該實施例中，第二段461沿著混合器47的長軸設置在第一段460與 第三段462之間。第二段461具有至少一個表面490，並且優選地多於一個表面，其中，該表 面的至少一部分載有催化劑。因此，圖4A和4B所示混合器47的實施例允許流體的紊流混 合併且同時加強了流體的化學反應。現在把注意力轉到圖5A。圖5A示出了混合器組件50，其中，混合器510的實施例 類似於圖3A的實施例。圖5A示出的混合器組件50包括流體容器512的實施例，該流體容器具有開口端514、封閉端516、內表面518和內徑520。混合器510插入流體容器512的內部區域522中，使得混合器長軸524平行於流體容器512的縱向中心軸線526。圖5A示出了具有溫度控制設備530的混合器組件50的構造的實施例，該溫度控 制設備設置成與流體容器512相接觸。如圖5A所示，溫度控制設備530設置在流體容器 512的底部處。因此熱能可以在流體容器512的內部區域522與溫度控制設備530之間傳 遞。例如，溫度控制設備530可以構造為向流體容器512輸入熱能，接著流體容器512將熱 能傳遞給流體容器512的內部區域522。因此裝在流體容器512內的流體能夠接收被傳遞 的熱能。被傳遞的熱能可以轉化成動能，以加強反應物的分子運動，從而獲得比化學反應所 需的激活能級高的能態。因此，這將加強混合器組件50內的整個化學反應。在本實施例的範圍內的還有，熱能可以從內部區域522傳遞至流體容器512，然後 從流體容器512傳遞至溫度控制設備530。對於某些已知為放熱反應的化學反應，在反應完 成之後，產生過剩能量在產品中。該過剩能量通常表現為熱能。因此，可能希望從化合物中 轉移該過剩熱能。因此，溫度控制設備530可以包括冷卻功能，使得流體容器512被冷卻以 吸收流體內的過剩熱能。例如，這種溫度控制設備530可以用於將流體保持在恆定溫度，無 論化學反應產生多少過剩熱能。圖5B示出了混合器組件60，其中，具有螺旋狀表面622的混合器620插入流體容 器612內。混合器表面結構具有構造成用於加強催化劑與流體的相互作用的脊624。靠近 流體容器612的開口端622的是與混合器620的第一端632相連的電動機630。電動機630 的啟動為混合器620圍繞混合器620的長軸634的旋轉供以動力。雖然未示出，本領域技 術人員應理解也本文公開的其它混合器實施例可以以這種方式構造。圖6A示出了混合器組件70的另一實施例，其包括插入錐形燒瓶(Erlenmeyer flask) 712內的混合器720。示出的錐形燒瓶712僅是一個例子，並且也可以使用具有不同 形狀的其它類型的燒瓶。混合器70包括連接於混合器第二端724的磁體722。在這個具體 的實施例中，磁體的磁極設置成與混合器長軸726垂直。燒瓶712外是磁場發生器730，該 磁場發生器730設置在連接至混合器720的磁體722的附近。磁場發生器730在被啟動時 產生磁場，使得連接至混合器720的磁體722受影響。磁場發生器730可以影響磁場，使得 連接至混合器720的磁體722圍繞混合器長軸726旋轉。該旋轉為混合器720的混合運動 供以動力，以產生裝在燒瓶712內的流體的紊流混合。圖6B示出了混合器組件80的另一實施例，其中，催化套管810插入流體容器812 中，徑向地設置在混合器820與流體容器812的內表面822之間。催化套管810具有環狀 結構824以及連接於環狀結構824的至少一個套管表面826，該套管表面遠離環狀結構824 朝向流體容器812的內表面822徑向地延伸。套管表面826的至少一部分載有用於加強化 學反應的催化劑。催化套管810是又一實施例，其中，為反應物引入額外的催化表面，這可 以加強整個化學反應。雖然，圖6B僅示出了三個套管表面826、827、828，本領域技術人員應 理解可以使用任何數量的套管表面。圖7A還示出了用於流體的連續混合的混合器組件90的又一實施例。混合器組件 90包括插入管道920中的混合器910。混合器910具有螺旋狀構造的混合器表面912。管 道920具有供流體進入的第一端922、以及供流體流出的第二端924。管道920包括具有混 合器912的內部區域926以及內部區域926的內徑930，該內徑大於混合器短軸932的長度。混合器910設置成使得混合器長軸934平行於管道中心軸線936。如圖7A所示，流體從第一端922進入所示區域。具有螺旋狀表面912的混合器910 導致流體的紊流混合，其中，載有催化劑的混合器表面結構940加強流體的化學反應。當流 體從管道920的第一端922流至管道920的第二端924時，混合器910的結構可以加強整 個化學反應。圖7B中示出了該實施例如何可以由大型工業機械使用的例子。圖7B示出了具有混合器組件管道900的實施例。例如，第一方向箭頭1001指示 包含反應物的流體的輸入。例如，第二方向箭頭1002指示包含產品的流體的輸出。圖7B 還示出了連接至混合器990的端部994的電動機1010。圖7B的電動機1010示出了在該實 施例中可以如何驅動用於紊流混合的混合器的旋轉。通常，以上公開的表面結構構造成用於加強催化劑與流體之間的相互作用。因此， 預見以上公開的任何實施例的表面結構均可以構造成，例如但不限於，凸起部分、凹陷部 分、半球狀隆起、半球狀凹陷、脊、谷、孔或它們的任何組合。表面結構的尺寸可以是規則的 或者表面結構的尺寸可以是不規則的。表面結構可以有規則地設置在表面上或隨機地設 置。本領域技術人員應容易地認識並理解也可以使用其它結構來實現催化劑與流體之間增 強的相互作用。圖8A是示出了工業中心1100的卡通圖，其中，工業中心1100的某一部分被放大， 以進一步示出剖開的部分1150、1160。工業中心的實例是造紙廠，但其他類型的工業中心也 將受益於本文披露的實施例的優點。這樣的工業中心1100可以具有各種管道結構，從而運 輸各種流體。可以用本發明的實施例來構造這種管道結構，使得紊流混合和催化反應均可 以使得將被排放到環境中的有害化學品減少。例如，圖8A示出了結合有本發明的實施例的 煙囪(smokestack) 1102。這種具有管道結構1104的煙囪1102可以包括混合器1106，該混 合器具有構造成用於在各種氣體從煙囪1102向上排出時使氣體紊流混合的表面1108。當 混合器1106加強氣體的紊流混合時，於下端進入煙@ 1102的各種有害氣體可以與混合器 1106上載有的催化劑發生反應。混合器1106的表面1108具有構造成用於增強催化劑與有 害氣體反應物之間的接觸的結構1110。因此，當氣體流體離開煙囪1102並進入環境中時， 有害氣體的量可顯著減少。圖8B所示的工業中心1250也具有煙囪1260，該煙囪被放大以進一步示出橫截面 圖1280。煙囪1260是用於氣態流體從工業中心1250流入環境中的管狀結構1262。煙囪 1260的內表面1263具有多個突出物狀結構1264，這些結構是從煙囪1260的內表面1263 突出的固定突出物，並且被構造成相對於煙囪1260的內表面1263成一定角度，以導致氣態 液體的紊流混合。煙囪1260的內表面1263或突出物狀結構1264或兩者可載有催化劑，以 加強用於氣態流體的處理的氣態流體流的化學反應。根據實施的方法可以被減少的各種有害氣體的例子包括但不限於，一氧化碳 (CO)、二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOx)以及硫氧化物(SOx)。許多工業中心還具有通向環境(例如，水源1202、1254)的排汙管。水源1202、1254 的例子包括但不限於，湖泊或河流。用於處理廢汙水的混合器組件1204的實施例在圖8A 中示出，其中，混合器1206插入管狀管道1200中。例如，混合器1206具有構造成用於使其 上載有的催化劑紊流混合的表面1208，並且混合器的表面具有構造成用於在流體流下管道 1200時增加催化劑與流體之間的接觸的結構1210。
圖8B是示出了工業中心1250的另一卡通圖，該工業中心具有各種管道結構，所述 管道結構被放大以進一步示出橫截面部分1280、1290。例如，工業中心1250可以具有用於 使汙水1252流到水源1254中的管道結構。用於汙水1252的流動的管道結構構造成帶有 混合器構件1256，該混合器構件具有螺旋狀構造。混合器構件1256具有表面1257，該表面 載有用於汙水處理的催化劑。因此，當有害流體從工業中心流出並流下管道1252時，本實 施例的混合器構件1256能夠增強管道1200內的化學反應。增強的反應能夠導致對廢汙水 的更好處理。對汙水的這種處理的例子包括改變汙水流體的PH值，使得水源1202較少地 受到由於汙水的流出導致的水源1202、1254的PH值的突然改變的影響。作為實施例，披露了一種用於工業汙水的處理的方法。工業汙水將對水源以及其 中的活體造成危害。因此，當這種有害流體離開工業中心1100、1250並流下具有例如但不 限於如以上圖8A和8B所披露的管狀結構的管道1200、1252時，混合器組件構造成用於加 強管道1200、1252內的化學反應，以通過加強汙水的處理來減少有害化學品的量。可以優 選的是，用於工業汙水的處理的方法中所用的催化劑是貴金屬或貴金屬合金類型。與大多 數賤金屬不同，貴金屬是抗腐蝕或抗氧化的金屬。還可以優選的是，工業汙水的處理的方法 中所用的催化劑是四氨基大環配體分子。四氨基大環配體分子是與過氧化氫及各種其它氧 化物一起工作以分解很多種汙染物的催化劑。四氨基大環配體分子的鐵複合物也是氧化催 化劑。還可以優選的是，催化劑是生物催化劑。生物催化劑是具有催化作用的生物分子。生 物催化劑的例子包括但不限於，酶、單鏈和雙鏈的DNA、RNA、胺基酸、脂肪、磷脂、蛋白質、金 屬蛋白、輔酶以及它們的組合。例如過氧化物酶的酶是優選的。本領域技術人員將容易地 認識並理解也可以使用其它類型的催化劑 。一種實施例的方法允許汙水中的氧(O2)濃度水平升高。另一種實施例的方法可加 強化學反應，其中，某些化學品反應成較低危害的產物。這些方法的例子包括汙水中的含分 子離子的某些氮的氧化反應和/或還原反應。含分子離子的氮的例子包括，例如，銨(NH4+)、 硝酸鹽(NO3-)和亞硝酸鹽(NO2-)。用於工業汙水的處理的方法中可以被加強的化學反應包 括脫氮作用。脫氮作用是將含分子離子的氮還原成氣態氮(N2)的過程。利用被實施的其 它方法來處理汙水，使得當汙水離開管道並進入水源時，汙水具有在約6. 0至約8. 5範圍內 的PH值。本領域技術人員將容易地認識並理解，對於來自工業中心的汙水的處理，其它類 型的化學反應也可以被加強。期望的化學反應的加強取決於來自特殊工業中心的特殊廢汙 水內的化學品的各種類型。因此，本領域技術人員也將容易地認識並理解可以使用什麼樣 的催化劑來實現加強流體的所期望的化學反應。圖9示出了帶有催化套管1302的混合器1300的實施例。圖9示出了混合器構 件1304，該混合器構件帶有構造成用於紊流混合的表面1306，其進一步具有螺旋狀構造， 其中，該表面包括構造成用於增加其上載有的催化劑與流體的接觸的表面結構1308、1309。 該實施例示出了混合器構件1304的表面1306上的交替的脊與谷的表面結構1308以及重 復的半球狀隆起結構1309。此外，圖9示出了根據本發明的至少一個方面的催化套管1302 的實施例。如圖所示，催化套管1320包括第一環狀結構1310和第二環狀結構1312。四個 套管表面結構1314、1315、1316、1317連接至第一環狀結構1310和第二環狀結構1312。套 管表面結構1314、1315、1316、1317從環狀結構1310、1312向外延伸。至少部分的套管表面 結構1314、1315、1316、1317在其上載有催化劑。雖然所示套管表面結構1314、1315、1316、1317大體上為平面方形表面，表面結構也可以具有各種形狀而不需要是平面。本領域技術 人員將容易地認識並理解到也可以使用其它的形狀和結構。本領域技術人員還將容易地認 識到還可以使用不同數量的套管表面結構。例如，催化套管可以包括多個環狀結構和/或 多個套管表面結構。現在參照圖10，這裡所示的實施例是混合器組件1400的分解圖，該混合器組件包 括管道1402、混合器構件1404以及催化套管1406。在這點上，能夠更好地理解該實施例的 另一優點。雖然通常催化劑在整個化學反應中並不被消耗，但實際上，催化劑在多次使用後 可能變得不是很有效。例如，催化劑可能變成被氧化的，因此催化劑的電子傳輸特性可能減 小。作為另一例子，催化劑可能變成覆蓋有不希望的非反應化學品，因此在使用一段時間後 阻擋了催化劑與反應物之間的接觸。作為又一例子，對於生物催化劑，在使用一段時間後生 物材料可能退化。因此，會期望再裝載、清潔或再沉積催化劑，以繼續使用混合器組件1400 來加強化學反應。如圖10所示，包括混合 器構件1404和催化套管1406的混合器組件1400 例如將允許使用者從管道1402中取出並分離混合器構件1404和催化套管1406，以用於重 激活、重裝載、清潔和/或更換催化劑。這在如果管道1402是工業中心的一部分或複雜設 備的一部分而使得難於進入管道1402的內表面的情況下是尤其有利的。本領域技術人員 還將容易地認識並理解該實施例的其它優點。為了說明的目的已經描述了優選實施例。本領域技術人員將理解，在不背離本發 明的範圍的前提下，各種修改和替換都是可能的，本發明的範圍包括其等同物的全部範圍。
權利要求
一種用於混合流體並加強化學反應的混合器，包括混合器第一端；混合器第二端；混合器長軸，從所述混合器第一端延伸至所述混合器第二端；混合器短軸，其垂直於所述混合器長軸；混合器表面，構造成用於所述流體的紊流混合；以及表面結構，構造成用於加強所述催化劑與所述流體的相互作用；其中，所述表面結構的至少部分包括承載在所述混合器表面上的催化劑。
2.根據權利要求1所述的混合器，其中，所述表面結構設置在所述混合器表面上，並且 所述表面結構從以下各項組成的組中選出凸起脊、凸起半球結構、交替凸起和凹陷的脊和 谷的結構、遠離所述混合器長軸延伸的多個突出結構、所述表面的凸起部分、所述表面的凹 陷部分、半球狀隆起以及半球狀凹陷。
3.根據權利要求1所述的混合器，進一步包括第一段，其中，所述混合器表面設置在所述第一段中；以及 第二段，包括至少一個表面，其中，所述表面的至少部分包括 催化劑，承載在所述表面的所述部分上；其中，所述第一段和所述第二段線性地設置並且平行於所述混合器長軸。
4.根據權利要求1所述的混合器，進一步包括催化套管，所述催化套管包括 環狀結構；以及至少一個套管表面，連接於所述環狀結構並遠離所述環狀結構的中心徑向地延伸； 其中，所述套管表面的至少部分包括承載在其上的所述催化劑； 其中，所述混合器設置在所述環狀結構內。
5.根據權利要求1所述的混合器，其中，所述混合器表面進一步包括螺旋狀構造。
6.根據權利要求5所述的混合器，進一步包括附設於所述混合器第二端的磁體。
7.根據權利要求1所述的混合器，其中，所述催化劑包括貴金屬。
8.根據權利要求1所述的混合器，其中，所述催化劑包括四氨基大環配體分子。
9.根據權利要求1所述的混合器，其中，所述催化劑包括四氨基大環配體分子的鐵復 合物。
10.根據權利要求1所述的混合器，其中，所述催化劑包括生物催化劑。
11.根據權利要求1所述的混合器，其中，所述催化劑包括酶。
12.根據權利要求11所述的混合器，其中，所述酶包括過氧化酶。
13.—種包括根據權利要求1所述的混合器的用於分批混合流體 並加強化學反應的組件，進一步包括流體容器，包括 開口端； 封閉端；中心軸線，從所述開口端延伸至所述封閉端； 內部區域；內表面，以及；所述內部區域的內徑，垂直於所述中心管軸線； 其中，所述內部區域的所述內徑大於或等於所述混合器短軸； 其中，所述混合器插入所述流體容器的所述內部區域中使得所述混合器長軸和所述中 心軸線相互平行。
14.根據權利要求13所述的組件，其中，所述混合器表面進一步包括螺旋狀構造。
15.根據權利要求14所述的組件，進一步包括連接於所述混合器第一端的電動機。
16.根據權利要求14所述的組件，進一步包括 磁體，附設於所述混合器第二端，以及磁場發生器，設置在所述流體容器外；其中，當所述磁場發生器啟動時，附設於所述混合器第二端的所述磁體受影響並且導 致所述混合器圍繞所述混合器長軸旋轉。
17.根據權利要求14所述的組件，進一步包括催化套管，所述催化套管徑向地設置在 所述混合器與所述流體容器之間，所述催化套管包括環狀結構；至少一個套管表面，連接於所述環狀結構並且從所述環狀結構朝向所述流體容器的內 表面徑向地延伸；其中，所述套管表面的至少部分包括承載在其上的催化劑。
18.根據權利要求17所述的混合器，其中，所述催化劑包括貴金屬。
19.根據權利要求17所述的混合器，其中，所述催化劑包括四氨基大環配體分子。
20.根據權利要求17所述的混合器，其中，所述催化劑包括四氨基大環配體分子的鐵 複合物。
21.根據權利要求17所述的混合器，其中，所述催化劑包括生物催化劑。
22.根據權利要求17所述的混合器，其中，所述催化劑包括酶。
23.根據權利要求22所述的混合器，其中，所述酶包括過氧化酶。
24.根據權利要求13所述的組件，進一步包括溫度控制設備，所述溫度控制設備設置 為與所述流體容器相接觸，其中，所述流體容器進一步構造成在所述內部區域與所述溫度 控制設備之間傳熱。
25.—種包括根據權利要求1所述的混合器的用於連續混合流體並加強化學反應的組 件，進一步包括管道，包括第一管端， 第二管端，中心管軸線，從所述第一端延伸至所述第二端， 內部區域， 內表面，以及所述內部區域的內徑，垂直於所述中心管軸線；其中，所述內部區域的所述內徑大於或等於所述混合器短軸；其中，所述混合器插入所述管道的所述內部區域中使得所述混合器長軸與所述中心管軸線相互平行。
26.根據權利要求25所述的組件，其中，所述混合器表面的表面進一步包括螺旋狀構造。
27.根據權利要求26所述的組件，進一步包括溫度控制設備，所述溫度控制設備設置 為與所述管道相接觸，其中，所述管道構造為在所述內部區域與所述溫度控制設備之間傳 熱。
28.根據權利要求26所述的組件，進一步包括催化套管，所述催化套管徑向地設置在 所述構件與所述流體容器之間，所述催化套管包括環狀結構；以及至少一個套管表面，連接於所述環狀結構並且從所述環狀結構朝向所述流體容器的內 表面徑向地延伸；其中，所述套管表面的至少部分包括承載在其上的所述催化劑。
29.根據權利要求28所述的混合器，其中，所述催化劑包括貴金屬。
30.根據權利要求28所述的混合器，其中，所述催化劑包括四氨基大環配體分子。
31.根據權利要求28所述的混合器，其中，所述催化劑包括四氨基大環配體分子的鐵 複合物。
32.根據權利要求28所述的混合器，其中，所述催化劑包括生物催化劑。
33.根據權利要求28所述的混合器，其中，所述催化劑包括酶。
34.根據權利要求33所述的混合器，其中，所述酶包括過氧化酶。
35.一種用於連接混合流體並加強化學反應的組件，包括 混合器，包括混合器第一端， 混合器第二端，混合器長軸，從所述混合器第一端延伸至所述混合器第二端， 混合器短軸，其垂直於所述混合器長軸，以及 混合器表面，其中，所述混合器表面具有用於所述流體的紊流混合的螺旋狀構造；以及 管道，包括第一管端， 第二管端，中心管軸線，從所述第一管端延伸至所述第二管端，內部區域，以及內表面，包括至少一個內部表面結構，催化劑，承載在所述內表面結構的至少部分上，其中，所述內表面結構構造成用於加強所述催化劑和所述流體的相互作用，以及所述內部區域的內徑，垂直於所述中心管軸線，其中，所述內部區域的所述內徑大於或等於所述混合器短軸；其中，所述混合器插入所述管道的所述內部區域中使得所述混合器長軸與所述中心管軸線相互平行。
36.一種降低來自具有煙囪的工業中心的廢氣中的汙染物濃度水平的方法，包括步驟設置煙 ，包括 第一煙囪端， 第二煙囪端，中心軸線，從所述第一煙 端延伸至所述第二煙囪端， 內部區域，以及 內表面，包括 至少一個內表面結構，催化劑，承載在所述內表面結構的至少部分上， 其中，所述內表面結構構造成用於所述廢氣的紊流混合；其中，所述廢氣在所述煙 的所述內部區域中從所述第一煙 端流至所述第二煙囪端；其中，所述內表面結構導致所述廢氣的紊流混合； 其中，所述廢氣與所述催化劑接觸以進行化學反應；並且 其中，所述化學反應降低了所述廢氣中的汙染物濃度水平。
37.根據權利要求36所述的方法，其中，所述汙染物是一氧化碳(CO)。
38.根據權利要求36所述的方法，其中，所述汙染物是二氧化碳(CO2)。
39.根據權利要求36所述的方法，其中，所述汙染物是氮氧化物(NOx)。
40.根據權利要求36所述的方法，其中，所述汙染物是氧化硫(SOx)。
41.根據權利要求36所述的方法，其中，所述催化劑包括四氨基大環配體分子。
42.根據權利要求36所述的方法，其中，所述催化劑包括四氨基大環配體分子的鐵復 合物。
43.一種用於來自工業中心的汙水的處理方法，包括步驟 設置構造成用於所述汙水的流動的混合器組件，包括 混合器，包括混合器第一端， 混合器第二端，混合器長軸，從所述混合器第一端延伸至所述混合器第二端； 混合器短軸，其垂直於所述混合器長軸；以及 混合器表面，其中，所述混合器表面具有用於所述汙水的紊流混合的螺旋狀構造以及承載在所述混 合器表面的至少部分上的催化劑，以及 管道，包括管道第一端， 管道第二端，中心管軸線，從所述管道第一端延伸至所述管道第二端， 內部區域，以及所述內部區域的內徑，垂直於所述中心管軸線，其中，所述內部區域的所述內徑大於或等於所述混合器短軸，其中，所述混合器插入所述管道的所述內部區域中使得所述混合器長軸與所述中心管 軸線相互平行；其中，所述汙水在所述管道的所述內部區域中從所述管道第一端流至所述管道第二端；其中，所述混合器表面導致所述汙水的紊流混合； 其中，所述汙水接觸所述催化劑，允許化學反應；並且 其中，所述化學反應導致所述汙水的處理。
44.根據權利要求43所述的汙水的處理方法，其中，所述化學反應增加了汙水中氧 (O2)的濃度水平。
45.根據權利要求43所述的汙水的處理方法，其中，所述化學反應降低了汙水中含離 子的氮的濃度水平。
46.根據權利要求45所述的汙水的處理方法，其中，用於降低含離子的氮的濃度水平 的化學反應是脫氮反應。
47.根據權利要求43所述的汙水的處理方法，其中，所述化學反應影響所述汙水的PH 值，使得所述第二管端處的汙水的PH值在約6. 0至約8. 5的範圍內。
48.根據權利要求43所述的方法，其中，所述催化劑包括四氨基大環配體分子。
49.根據權利要求43所述的方法，其中，所述催化劑包括四氨基大環配體分子的鐵復 合物。
全文摘要
提供一種用於紊流混合併加強化學反應的混合器以及混合器組件。還提供一種使用混合器以及混合器組件來處理流體的方法。該混合器大體上包括第一端和第二端、構造成用於紊流混合的表面、在該表面上載有的催化劑、以及構造成用於增加催化劑與反應物的相互作用的表面結構。混合器組件大體上包括插入流體容器或管道中的混合器，並且還可以包括用於加強催化劑與反應物之間的相互作用的催化套管。
文檔編號B01D53/86GK101848761SQ200880112142
公開日2010年9月29日 申請日期2008年8月14日 優先權日2007年9月18日
發明者加裡·R·耶恩貝裡 申請人:加裡·R·耶恩貝裡