Тарелка для распределения жидкости и пара

Изобретение относится к устройству для распределения жидкости и пара для использования в переливных сосудах с двумя сопутствующими фазами. Устройство содержит уровень, горизонтальную тарелку, перфорированную отверстиями, причем каждое перфорационное отверстие через горизонтальную тарелку снабжено пароподъемной трубкой. Пароподъемная трубка состоит из, по меньшей мере, одной удлиненной ветви восходящего потока и одной ветви нисходящего потока, образующих одну или две области восходящего потока, область нисходящего потока и переходную область между одной или двумя областями восходящего потока, при этом одна или две ветви восходящего потока пароподъемной трубки установлены вдоль ветви нисходящего потока, так что каждая ветвь восходящего потока является неконцентричной по отношению к ветви нисходящего потока. Отвесный элемент выполнен в виде направляющей лопатки, изогнутой по направлению ветвей потоков пароподъемной трубки, и расположен в переходной области пароподъемной трубки. Технический результат: улучшение распределения жидкости и пара. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к устройству для распределения жидкости и пара для использования в переливных сосудах с двумя сопутствующими фазами. Более конкретно, изобретение касается тарелки для распределения жидкости, снабженной вертикальными паровыми трубками, которые улучшают распределение жидкой и паровой фаз по площади сечения сосуда под тарелкой для достижения термического и структурного равновесия. Данное устройство особенно полезно в реакторах для обработки жидкости.

Известные конструкции устройств для распределения жидкости относятся к одной из пяти категорий. Первая категория представляет собой ряд тарелок и переливных буртиков, предназначенных для равномерного подразделения жидкости на множество струй перед ее контактом с основанием. Этот тип часто используют в жидкостных контакторах или противоточных абсорбирующих устройствах. Пример такого типа описан в патенте США №5,192,465.

Ко второй категории относятся устройства для распределения жидкости, представляющие собой перфорированную горизонтальную тарелку. Она может иметь или не иметь выдавленные буртики вокруг перфорации. Эта тарелка также может иметь трубки для потока пара. Этот тип распределительного устройства можно использовать для грубого распределения жидкости совместно с более сложной тарелкой для окончательного распределения жидкости. Примеры такого типа описаны в патенте США №4,836,989.

К третьей категории распространенных устройств для распределения жидкости относятся тарелки с паровыми трубками. В таких устройствах используют множество вертикальных трубок, расположенных в правильном квадратном или треугольном сетчатом узоре на горизонтальной тарелке. Вертикальные трубки обычно имеют отверстия в боковых сторонах для прохождения жидкости. Верхние части вертикальных трубок открыты, чтобы позволить пару протекать вниз через центр трубок. В таких конструкциях используют специальные переточные трубки для отвода большей части потока пара. Этот тип известен из патентов США №4,126,540 и 3,353,924.

Четвертый вид устройства для распределения жидкости представляет собой тарелку с барботажными колпачками. Это устройство использует множество барботажных колпачков, установленных с равными интервалами на горизонтальной тарелке. Барботажный колпачок образован колпачком, расположенным по центру концентрично на вертикальной трубке. Стороны колпачка имеют щели для прохода потока пара. Жидкость затекает под колпачок и вместе с паром протекают вверх в кольцевую область, а затем вниз через центр вертикальной трубки, как описано в патенте США 5,158,714.

Еще один известный вид устройства для распределения жидкости представляет собой перфорированную тарелку, снабженную пароподъемными трубками в виде длинной ветви для отвода, снабженной одной или более короткими ветвями для забора, образующими область с восходящим потоком и область с нисходящим потоком внутри трубки. Стороны короткой ветви для забора имеют щели в пароподъемных трубках, а жидкость, протекающая параллельно пару, поднимается с помощью потока пара вверх в область восходящего потока и равномерно распределяется вместе с паром через область нисходящего потока к нижележащему слою катализатора, как дополнительно описано в патенте США №5,942,162.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение представляет собой улучшенное устройство для распределения жидкости и пара для использования в переливных сосудах с двумя сопутствующими фазами. Распределительное устройство в соответствии с самым широким вариантом выполнения изобретения содержит горизонтальную тарелку с перфорированными отверстиями. Каждое перфорационное отверстие снабжено пароподъемной трубкой, состоящей из по меньшей мере одной удлиненной ветви для восходящего потока и одной ветви для нисходящего потока и создающей по меньшей мере одну область восходящего потока и область нисходящего потока и переходную область между областью восходящего потока и областью нисходящего потока. Чтобы улучшить характеристики распределения устройства, отвесный элемент устанавливают в переходной области трубки для подъема пара и/или в области восходящего потока или области нисходящего потока смежно переходной области трубки для подъема пара.

Выражение «отвесный элемент» при использовании здесь выше и в последующем описании означает элемент, имеющий некоторую форму, направляющий движущуюся жидкостную среду от области восходящего потока к области нисходящего потока без создания существенного сопротивления потоку.

Отвесному элементу может быть придана любая форма, улучшающая стабильность потока, таким образом создавая более низкую чувствительность распределения по отношению к ровности тарелки.

Подходящие формы отвесного элемента представляют собой направляющие лопатки, изогнутые по направлению к ветвям подъема пара и/или обтекателям, как показано на приложенных чертежах.

Тарелка по изобретению горизонтально поддерживается в емкости. Тарелка может либо состоять из секций, либо быть сплошной пластиной. И у секционной, и у сплошной тарелки края уплотнены манжетами либо иначе уплотнены, чтобы обеспечить по существу не имеющую протечек поверхность.

Тарелка перфорирована и имеет равноразнесенные отверстия по всей ее поверхности. Отверстия могут быть круглыми, квадратными, прямоугольными или иметь любую другую геометрическую форму. Эти отверстия лучше всего располагать в соответствии с квадратной, треугольной, радиальной или другой симметричной схемой расположения. Если горизонтальная тарелка выполнена секционной, то оптимально перфорационные отверстия могут быть расположены на каждой секции тарелки. Во всех случаях лучше всего использовать такую схему расположения отверстий, чтобы обеспечить приблизительно равное расстояние между всеми перфорациями и чтобы обеспечить приблизительно равное отношение площади перфорационных отверстий к площади горизонтальной тарелки по всей горизонтальной тарелке.

В одном варианте выполнения изобретения каждая перфорация снабжена пароподъемной трубкой М-образной формы, снабженной направляющей лопаткой и/или обтекателем. Пароподъемные трубки прикреплены к тарелке таким образом, чтобы быть жидкоплотными.

В еще одном варианте выполнения пароподъемные трубки выполнены в форме перевернутой U.

На нижней стороне тарелки может быть образован капельный край (для отекания) для каждой перфорации посредством отводящей ветви пароподъемной трубки, продолжающейся через тарелку, или посредством отдельной части трубки, прикрепленной к тарелке. Капельный край, кроме того, может быть образован с помощью экструдированных средств на тарелке или эквивалентных средств.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А, 1В и 1C - вид сбоку, вид спереди и вид сверху соответственно первого варианта выполнения пароподъемной трубки по настоящему изобретению.

Фиг.2А, 2В и 2C - вид в сечении дополнительного варианта выполнения изобретения.

Фиг.3А, 3B, 4 и 5 - вид в сечении различных форм отвесного элемента в соответствии с конкретными вариантами выполнения изобретения.

Подробное описание изобретения

В пароподъемной трубке в соответствии с конкретным вариантом выполнения изобретения, показанным на Фиг.1, ветвь 1 для нисходящего потока М-образной пароподъемной трубки установлена над перфорацией в поддерживающей тарелке 2 или через нее. Ветви 3а и 3b для восходящего потока прикреплены на каждой боковой стенке ветви 1 нисходящего потока и являются более короткими, чем ветвь 1, чтобы поднять входные отверстия 7а и 7b ветвей 3а и 3b над поверхностью тарелки 2. Ветви 3а и 3b восходящего потока и ветвь 1 нисходящего потока образуют область 4а и 4b восходящего потока, а ветвь 1 нисходящего потока - область 8 нисходящего потока. Переходная область 5 образована между ветвями 3а, 3b и 1. Переходная область 5 снабжена направляющими лопатками 6. Пароподъемная трубка, имеющая такую форму, обеспечивает прохождение потока через тарелку, через входные концы 7а и 7b к областям 4а и 4b восходящего потока внутри стенок коротких ветвей 3а и 3b восходящего потока в вертикальном направлении потока. Поток затем принудительно направляют в горизонтальном направлении в переходной области 5, а затем в вертикальном направлении в области 8 нисходящего потока. Наконец, поток пара и жидкости выпускают через выходной конец 9 в нижней части ветви 8 нисходящего потока на дне тарелки 2.

Вертикальные щели 11 (Фиг.1А) вырезаны в боковой стенке ветви 3а и 3b, противоположной ветви 1. Верхняя часть щелей 11 находится на одном уровне с переходной областью 5 или ниже нее. Альтернативно две или более щелей могут быть вырезаны в боковых стенках ветвей 3а и 3b смежно или противоположно стенке более длинной ветви 1.

При работе вышеописанной трубки на тарелке 2 будет установлен некоторый уровень жидкости. Уровень жидкости пароподъемной трубки будет над входным отверстием 7а, 7b ветвей 3а, 3b и под верхней частью щелей 11. Пар проходит через щель и образует перепад давлений между областями 4а, 4b восходящего потока и наружной стороной пароподъемной трубки. Из-за более низкого давления внутри пароподъемной трубки уровень жидкости будет выше в областях восходящего потока, чем с наружной стороны пароподъемной трубки. Пар и жидкость смешиваются в областях 4а, 4b восходящего потока, при этом пар поднимает жидкость для течения вверх к переходной области 5. Жидкость будет частично отделяться при протекании над соединительной стенкой ветвей 3а, 3b и 1 и при протекании вниз через область 8 нисходящего потока. В выходном отверстии 9 области 8 жидкость и пар дополнительно разделяются путем стекания жидкости с капельного края 10.

В варианте выполнения, показанном на Фиг.2, пароподъемная трубка имеет форму перевернутой буквы U. Эта трубка снабжена одной ветвью 3 восходящего потока и ветвью 1 нисходящего потока, установленной в тарелке 2. Ветви образуют одну область 3а восходящего потока, переходную область 5 и область 8 нисходящего потока. Переходная область снабжена направляющей лопаткой 4. Этот вариант выполнения особенно пригоден при малой нагрузке жидкости и пара на распределительную трубку, при этом пароподъемная трубка, показанная на Фиг.1 и описанная выше, может быть выполнена для работы в широком диапазоне нагрузок пара и жидкости.

Вариант выполнения изобретения с обтекателями показан на Фиг.3а и b. В этом варианте выполнения обтекатели 12 расположены на ветви 1 нисходящего потока, либо в области нисходящего потока (Фиг.3А), либо в области восходящего потока (Фиг.3B) в зоне, смежной переходной области 5.

На фиг.4 показан вариант выполнения с обтекателями 12 и направляющими лопатками 6 на верхней части ветви 1 нисходящего потока. Фиг.5 представляет собой вариант выполнения с отбойной пластиной 13, обеспеченной в переходной области 5.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения горизонтальная тарелка снабжена большим количеством малых перфорационных отверстий, каждое из которых имеет площадь отверстия между 1 см² и 25 см². Общая площадь перфорационных отверстий составляет между 4 и 33% площади поверхности горизонтальной тарелки. Отношение площади сечения области восходящего потока к периметру предпочтительно составляет более 4 мм, чтобы снизить фрикционное падение давления и стеночные эффекты.

В реакторах и процессах, где используют распределительное устройство по изобретению, например реакторах для обработки жидкости, могут возникать различия в скоростях паровой и жидкой фаз и физических свойствах через некоторое время и при операциях, сопровождающихся поворотом вниз. Из-за производственных допусков и неточностей в установке неизбежны изменения ровности распределительной тарелки. Жидкости, загружаемые на распределительную тарелку из входного отверстия распределительного устройства или смешивающего устройства области охлаждения, могут неравномерно распределяться, что может привести к возникновению градиентов высоты жидкости по тарелке, вызванных брызгами, волнами или из-за гидравлического напора. Оптимизированная конструкция устройства для распределения жидкости, в котором используется концепция по изобретению, будет обеспечивать распределение жидкости под тарелкой лучше, чем то, которое может быть получено в оптимизированных конструкциях других видов распределительных устройств.

Благодаря равномерному распределению жидких реагентов по всему поперечному сечению реактора весь катализатор на заданном уровне равномерно смочен. Таким образом, все катализаторы на заданном уровне работают с одинаковой эффективностью, что повышает общую эффективность реактора. Кроме того, равномерное распределение жидкости позволяет поддерживать равномерный радиальный профиль температуры по всему реактору. Это приводит к минимизации пиковых температур реактора, что с течением времени уменьшает коксование и снижает скорость деактивации катализатора. Следовательно, реактор работает более эффективно и с большей продолжительностью цикла.

Пароподъемная трубка по изобретению представляет собой улучшенную пароподъемную трубку, описанную в патенте США №5,942,162, и обеспечивает более низкую чувствительность по отношению к ровности размещения распределительной тарелки в реакторе.

Сравнительные испытания пароподъемной тарелки, которая описана в патенте США №5,942,162, и пароподъемной тарелки по настоящему изобретению проводили с нагрузками жидкости в диапазоне 10-30 тонн/час/м². Пароподъемная тарелка по изобретению обеспечивает улучшение чувствительности более чем на 30% при тех же условиях работы, которые применяют в известной тарелке. При испытаниях использовали М-образные пароподъемные трубки, имеющие одинаковые размеры, за исключением того, что в трубках по изобретению был установлен отвесный элемент в форме направляющей лопатки, как описано здесь выше.

1. Устройство для распределения жидкости и пара для использования в переливных сосудах с двумя сопутствующими фазами, содержащее уровень, горизонтальную тарелку, перфорированную отверстиями, причем каждое перфорационное отверстие через горизонтальную тарелку снабжено пароподъемной трубкой, при этом пароподъемная трубка состоит из, по меньшей мере, одной удлиненной ветви восходящего потока и одной ветви нисходящего потока, образующих одну или две области восходящего потока, область нисходящего потока и переходную область между одной или двумя областями восходящего потока, при этом одна или две ветви восходящего потока пароподъемной трубки установлены вдоль ветви нисходящего потока, так что каждая ветвь восходящего потока является неконцентричной по отношению к ветви нисходящего потока, причем отвесный элемент выполнен в виде направляющей лопатки, изогнутой по направлению ветвей потоков пароподъемной трубки, и расположен в переходной области пароподъемной трубки.

2. Устройство для распределения жидкости и пара по п.1, в котором отвесный элемент образован в виде обтекателя.

3. Устройство для распределения жидкости и пара по п.2, в котором один или более обтекателей расположены на ветви нисходящего потока смежно переходной области трубки.