Аппараты для контактирования пара и жидкости, содержащие вихревые контактные ступени
Аппараты для контактирования пара и жидкости, например реакторы и дистилляционные колонны, содержащие резервуар с одной или несколькими вихревыми контактными ступенями. Техническим результатом является, то, что одна или несколько ступеней обеспечивают большую зону межфазного контакта для эффективного контактирования разных фаз и последующего эффективного разделения указанных фаз после их контактирования. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники
Изобретение относится к процессам контактирования пара и жидкости в реакторах, ректификационных колоннах или других аппаратах, в которых происходит массопередача и/или теплопередача между потоками пара и жидкости. Конкретнее изобретение относится к аппаратам для контактирования пара и жидкости, содержащим одну или несколько вихревых контактных ступеней.
Известный уровень техники
При существующей химической технологии и технологии рафинирования существенной задачей является улучшение эффективности контактирования паровой и жидкой фаз. В настоящее время существует большое разнообразие многофазных реакций и процессов разделения, эффективность которых можно повысить увеличением скорости массопередачи и/или теплопередачи пар - жидкость за счет увеличения зоны межфазного контакта и турбулентности между контактирующими фазами, т.е., при повышении константы скорости массопередачи. Указанные процессы проводят при использовании любого устройства из широкого диапазона обычных устройств для контактирования пара и жидкости. В процессах дистилляции для разделения компонентов на основе их относительной летучести обычно используют тарелки ректификационной колонны и насадки, чтобы улучшить контактирование пара и жидкости за счет множества ступеней внутри резервуара.
В нефтяной и нефтехимической отраслях промышленности используют тарелки ректификационной колонны и другие устройства для контактирования, чтобы согласно требуемому диапазону температур кипения отделить фракции, например полученные при переработке сырой нефти и химической обработке нефти, включая сжиженный газ, нафту, дизельное топливо и другие продукты перегонки углеводородных дистиллятных фракций, и т.д. В некоторых случаях устройства для контактирования используют при отделении определенных композиций от других композиций того же химического или функционального класса, например спиртов, эфиров, алкилароматических соединений, мономеров, растворителей, неорганических соединений и т.д. В типичной ректификационной колонне на ступенях контактирования внутри колонны применяется от 10 до 250 ректификационных тарелок. Конкретное количество ступеней зависит от легкости отделения композиций (от разности значений их относительной летучести) и от требуемой чистоты получаемого продукта. Обычно в колонне тарелки имеют аналогичную конструкцию, но также известны колонны, в которых вертикально расположенные смежные тарелки отличаются по конструкции (например, чередуются).
Традиционные процессы фракционированной перегонки таким образом включают многочисленные ступени контактирования паровой и жидкой фаз, соответственно внутри резервуара имеются восходящие потоки и нисходящие потоки. На различных дискретных ступенях контактирования происходит обмен компонентов паровой и жидкой фаз, в результате чего достигается состояние равновесия пар - жидкость или состояние, насколько это возможно, близкое к нему. Полученные паровая фракция и жидкая фракции затем отделяются, перемещаются в соответствующих направлениях и снова контактируют с другим количеством соответствующей текучей среды на разных ступенях.
Обычные тарелки в качестве устройств для контактирования пара и жидкости имеют перфорированные площадки с множеством распределенных по перфорированной площадке тарелки отверстий, по которым поднимается генерируемый в донной части колонны пар, при этом определенное количество жидкости удерживается на тарелке, которая может быть разделена на дискретные области и/или зоны. При прохождении пара через жидкость образуется слой пузырьков, так называемая пена. Образование пены, имеющей большую поверхность, способствует установлению на тарелке композиционного равновесия между паровой и жидкой фазами. Затем пена разделяется на пар и жидкость. При контактировании пара и жидкости менее летучий компонент пара переходит в жидкость, благодаря чему пар постепенно становится более летучим при прохождении вверх через каждую тарелку. Одновременно концентрация менее летучих компонентов в жидкости возрастает, когда жидкость отделяется от пены и стекает от тарелки к тарелке. Таким образом устройства для контактирования пара и жидкости выполняют две функции, а именно обеспечивают контактактивание поднимающегося пара с жидкостью и затем обеспечивают разделение этих двух фаз и прохождение их в разных направлениях. Когда разделение выполняется на разных тарелках в несколько этапов (например, непрерывно), можно обеспечить множество равновесных ступеней разделения и достичь эффективного разделения химических соединений на основе их относительной летучести.
С целью усовершенствования разделения было разработано множество различных типов устройств для контактирования пара и жидкости, включая насадки и тарелки. Разные устройства имеют различные преимущества и недостатки. Например, тарелки с перфорированной площадкой, описанные выше, в качестве устройств для контактирования являются эффективными, но при их применении может произойти значительное падение давления в колонне, в частности когда перфорированная площадка тарелок является относительно малой, несмотря на то, что площадь пропускного сечения достаточно большая. Многочисленные сливные стаканы тарелок обладают высокой пропускной способностью для пара и жидкости и могут эффективно функционировать в большом диапазоне рабочих скоростей. При применении структурированных насадок происходит малое падение давления, что делает их предпочтительными при проведении процесса в условиях низкого давления или в вакууме. Для оценки работы любого устройства для контактирования пара и жидкости, например ректификационной тарелки, используют два существенных показателя, а именно производительность и эффективность. Производительность относится к общему количеству пара и жидкости, которые, эффективно контактируя на тарелке, проходят к последующим тарелкам без захлебывания. Эффективность относится к продуктивности, т.е. характеризует приближение к равновесию процесса массопередачи между паровой и жидкой фазами, который происходит от тарелки к тарелке. Следует отметить, что в таких процессах разделения, как ректификация и отгонка легких фракций, непосредственный контакт между фазами существенен только с точки зрения результирующих фаз, полученных после контактирования, которые затем могут быть отделены или разделены.
В то время как движение фаз в ректификационной колонне или в подобных разделительных резервуарах является противоточным, в целом ряде обычных устройств для контактирования пара и жидкости, применяемых для ступеней контактирования, потоки контактирующих фаз могут направляться в поперечном, параллельном или другом направлении. Ступени контактирования, в которых применяются прямоточные тарелки, например, описаны в патенте США №5223183, патенте США №5318732 и патенте США №7204477. Устройства, в которых используется параллельное контактирование, описаны, например, в патенте США №6682633, патенте США №5837105, патенте США №6059934 и патенте США №7424999. Использование альтернативного устройства для контактирования пара и жидкости, в котором создается вихревой центробежный барботирующий слой и достигается большая зона межфазного контакта между паром и жидкостью на единицу объема, описал Kuzmin A.O. и др. в статье "Vortex centrifugal bubbling reactor", опубликованной в Chem. Eng. Journal. 107: 55-62 (2005).
Непрестанно проводятся работы по усовершенствованию устройств для контактирования пара и жидкости, в особенности с точки зрения повышения эффективности процессов контактирования и последующего разделения фаз.
Раскрытие изобретения
Аспекты изобретения связаны с аппаратами для контактирования пара и жидкости, в которых используется одна или несколько ступеней контактирования, содержащих устройства для обеспечения вихревого центробежного контактирования паровой и жидкой фаз. Использование ступеней контактирования и указанных устройств позволяет устранить ряд недостатков, связанных с применяемыми в настоящее время устройствами для создания вихревых барботирующих слоев, способствующих контактированию пара и жидкости. На практике к указанным недостаткам относятся ограничения диапазона соотношений поток пара/поток жидкости, которые могут подвергаться обработке, что уменьшает потенциальную область промышленного применения. Кроме того, наряду с тем, что в обычных устройствах адекватно отделяется жидкость от пара посредством вихревого центробежного действием (т.е. капельки жидкости, по существу, не захватываются потоком пара, выходящего из устройства), отделение пузырьков пара от жидкости остается проблематичным, поскольку при прохождении потока пара через жидкую фазу отсутствует эффект зоны разделения, способствующий формированию дегазированной жидкости. При проведении процесса ректификации с применением указанных устройств происходит, например, захват пара потоком жидкости, что снижает эффективность ступени (например, основанную на высоте насадочной колонны, эквивалентной теоретической тарелке, НЕТР), или даже может вызвать захлебывание устройства для контактирования или всего аппарата, выводя его из строя. Тенденция к захвату пара жидкостью возрастает с увеличением потока жидкости, в результате чего при захвате большого количества пара могут быть достигнуты практические пределы общей пропускной способности как устройства для контактирования пара и жидкости, так и аппарата, в котором применяется это устройство.
В связи с вышеизложенным варианты осуществления изобретения направлены на аппараты для контактирования пара и жидкости, такие как реакторы и дистилляционные колонны (а также аппараты реакционной дистилляции), содержащие резервуар с одной или несколькими вихревыми ступенями контактирования. Одна или несколько ступеней обеспечивают большую зону межфазного контакта для эффективного контактирования разных фаз и последующего эффективного разделения указанных фаз после их контактирования таким образом, чтобы пар и жидкость (при результирующих композициях, отличающихся от их первоначальных композиций) удалялись со ступени(ей) при уменьшении захвата соответственно жидкости и пара удаленными фазами. Использование ступеней также позволяет устранить ограничения, присущие известным устройствам, работающим в вихревом барботирующем режиме, в частности ограничения, касающиеся рабочего диапазона соотношений поток пара/поток жидкости и максимального потока пара и/или потока жидкости. Предпочтительно, на вихревых контактных ступенях и в связанных с ними устройствах происходит малое падение давления по сравнению с обычными устройствами для контактирования пара и жидкости. Дополнительно, при использовании в реакторах, дистилляционных колоннах или других аппаратах для контактирования пара и жидкости указанных устройств обеспечивается высокой уровень механической целостности при приемлемых материальных затратах, а также облегчается монтаж и технический контроль.
В связи с этим конкретные варианты осуществления изобретения направлены на аппараты для контактирования пара и жидкости, содержащие вихревые контактные ступени. Вихревые контактные ступени содержат зону контактирования с круглым поперечным сечением, причем радиус этого круглого поперечного сечения, как правило, уменьшается на протяжении, по меньшей мере, одного участка осевой высоты зоны контактирования (т.е. зона контактирования сужается на протяжении этого участка осевой высоты), однако на верхнем участке зоны контактирования зачастую круглое поперечное сечение является постоянным. Зона контактирования ограничена нижней поверхностью (через которую жидкость может вводиться посредством входного отверстия), внутренней конической поверхностью, и цилиндрическим устройством, направляющим тангенциальный поток, которое расположено между нижней поверхностью и внутренней поверхностью. Устройство, направляющее тангенциальный поток, обычно расположено между периферийными секциями нижней поверхности и конической внутренней поверхности или около них и обеспечивает входной канал для поступающего в зону контактирования потока пара, например, посредством направляющих завихряющих лопаток, которые придают направление тангенциальному потоку. Обычно в зоне контактирования предусмотрены входные каналы для пара и для жидкости, поступающих, например, соответственно в тангенциальном и осевом направлениях, а также используются устройства для разделения пара и жидкости, чтобы выходящие из зоны контактирования фазы были разделены.
Устройство для разделения пара и жидкости может содержать кольцевую входную поверхность, внутренний диаметр которой уменьшается к верхнему участку, таким образом образуется внутренняя коническая поверхность. Указанная входная поверхность устройства для разделения пара и жидкости сообщается с зоной контактирования. Противоположная наружная выходная поверхность устройства для отделения пара от жидкости может быть, например, концентрической с входной поверхностью и указанная выходная поверхность может иметь больший наружный диаметр. Наружная выходная поверхность в некоторых случаях в сочетании с другими поверхностями (например, нижней выходной поверхностью) устройства для разделения пара и жидкости может использоваться для удаления отделенного (или разделенного) потока пара от потока жидкости из зоны контактирования. Согласно типичному варианту осуществления изобретения отделенный от жидкости пар отводится, предпочтительно, по выходной поверхности, противоположной входной поверхности, в то время как отделенная от пара жидкость отводится, предпочтительно, по нижней выходной поверхности.
Другие варианты осуществления изобретения направлены на многоступенчатые аппараты для контактирования пара и жидкости, содержащие множество вихревых контактных ступеней, как описано выше, внутри вертикально расположенного цилиндрического корпуса аппарата. При применении многоступенчатых аппаратов выходные поверхности устройства для разделения пара и жидкости одной ступени сообщаются как с впускным каналом для пара непосредственно верхней (вышестоящей) ступени контактирования, так и с впускным каналом для жидкости непосредственно нижней (нижестоящей) ступени контактирования. Коммуникация ступени с впускным каналом для жидкости может быть обеспечена посредством потока, ограниченного криволинейной наружной поверхностью, противоположной конической внутренней поверхности, которая ограничивает зону контактирования, и проходящего через один или несколько сливных стаканов для жидкости, на которых заканчивается криволинейная наружная поверхность.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, в котором обеспечивается поддержание устойчивого формирования вихря во время работы, при упрощении конструкции и снижении затрат улучшается обработка жидкости благодаря тому, что криволинейная наружная поверхность, ограничивающая участок пути потока жидкости, выходящей из зоны контактирования, заканчивается на сегментах сливных стаканов для жидкости, продолжающихся в дискретных секциях кольцевого пространства, обычно окружающего снаружи множество вихревых контактных ступеней. Предпочтительно, сегменты сливных стаканов для жидкости могут быть расположены радиально между сегментами других сливных стаканов для жидкости непосредственно под вихревыми контактными ступенями и/или непосредственно ниже вихревых контактных ступеней. Также, чтобы улучшить механическую целостность и уменьшить напряжения, возникающие в описанных здесь многоступенчатых аппаратах, устройства, направляющие тангенциальный поток, которые применяются в последовательных ступенях контактирования, приспособлены попеременно завихрять потоки входящего пара в направлении по часовой стрелке и против часовой стрелки, таким образом направление вихревого вращения изменяется на обратное.
Дополнительные варианты осуществления изобретения направлены на многоступенчатые аппараты для контактирования пара и жидкости, содержащие множество вихревых контактных ступеней. Каждая ступень содержит устройство для разделения пара и жидкости, имеющее выходные поверхности, сообщающиеся как с впускным каналом для пара непосредственно верхней вихревой контактной ступени, так и со сливным стаканом для жидкости, сообщающимся с впускным каналом для жидкости непосредственно нижней вихревой контактной ступени.
Описанные здесь вихревые контактные ступени и устройства, применяемые в указанных ступенях для обеспечения контактирования пара и жидкости, могут использоваться в любом аппарате, чтобы для массопередачи обеспечивалась большая зона межфазного контакта, достигалось эффективное разделение фаз после контактирования, обеспечивались хорошие эксплуатационные характеристики в широком диапазоне соотношений поток пара/поток жидкости и их абсолютные расходы, а также малое падение давления и простота изготовления. В реакторе, дистилляционной колонне, абсорбционной колонне, стриппинг-колонне и т.д. может использоваться одна или несколько ступеней контактирования. Согласно типичному варианту осуществления изобретения при дистилляции используется множество ступеней контактирования. Соответственно, дополнительные варианты осуществления изобретения направлены на способы проведения контактирования потоков пара и потоков жидкости. Указанные способы включают подачу пара по впускному каналу для пара и подачу жидкости по впускному каналу для жидкости (например, в тангенциальном и осевом направлениях, соответственно) вихревой контактной ступени, как описано выше.
Если говорить о способах дистилляции, то потоки пара и жидкости, обычно производимые внутри при контактировании пара и жидкости, перемещаются от одной ступени до другой, при этом жидкость проходит, как правило, вниз, последовательно обогащаясь одним или несколькими высококипящими компонентами, а пар проходит, как правило, вверх, последовательно обогащаясь одним или несколькими низкокипящими компонентами. Однако некоторые ступени контактирования могут снабжаться внешними потоками, такими как отток жидкости, подаваемый в верхнюю часть колонны, пар, генерируемый в ребойлере и подаваемый в нижнюю часть колонны, либо сырьем ректификационной колонны, содержащим или пар или жидкость, либо потоками, содержащими паровую и жидкую фракции.
Указанные и другие варианты настоящего изобретения будут очевидны из следующего подробного описания изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид сбоку обычной вихревой контактной ступени.
Фиг.2 - типичное наружное крепежное кольцо с пазами для крепления радиально размещаемых пластин устройства для разделения пара и жидкости.
Фиг.3 - вид сбоку типичного многоступенчатого аппарата для контактирования пара и жидкости с вихревыми контактными ступенями.
Фиг.4А - потоки жидкости, проходящие через аппарат для контактирования пара и жидкости, который представлен на фиг.3.
Фиг.4В - потоки пара, проходящие через аппарат для контактирования пара и жидкости, который представлен на фиг.3.
Фиг.5А - концевая часть сливного стакана для жидкости с погружными патрубками, продолжающимися от его нижней поверхности к зоне контактирования, расположенной непосредственно под зоной контактирования, из которой в сливной стакан поступает жидкость.
Фиг.5В - концевая часть сливного стакана для жидкости, имеющего трубопровод в виде желоба, продолжающийся через его нижнюю поверхность к зоне контактирования, расположенной непосредственно под зоной контактирования, из которой в сливной стакан поступает жидкость.
Фиг.6 - сегменты сливного стакана для жидкости, продолжающиеся в секциях кольцевого пространства, которое окружает снаружи вихревые контактные ступени, при этом показаны направления потока жидкости.
На всех чертежах используются одинаковые ссылочные позиции для обозначения одинаковых или аналогичных элементов. Следует понимать, что чертежи представлены для иллюстрации изобретения и/или его принципов. Для специалистов в данной области техники совершенно очевидно, что вихревые контактные ступени и аппараты, которые содержат указанные ступени, в соответствии с другими вариантами осуществления изобретения могут иметь конфигурации и компоненты, определяемые, в частности, их конкретным применением.
Подробное описание изобретения
Аспекты изобретения тесно связаны с усовершенствованными вихревыми контактными ступенями, обладающими множеством преимуществ, которые описывались выше, касательно их работы, механической конструкции, легкости монтажа, технического контроля и обслуживания. На фиг.1 представлен вид сбоку вихревой контактной ступени 10, иллюстрирующий некоторые основные признаки изобретения. В зоне 15 контактирования создается и удерживается центробежными силами вращающийся вихрь высокодисперсной смеси пар - жидкость. В частности, вихрь создается в зоне 15 контактирования при поступлении пара через впускной канал 22 и при вращении жидкости, поступающей через впускной канал 17, посредством устройства 19, создающего тангенциальный поток. Круговое вращение поступающего пара, ось вращения которого, по существу, совпадает с осью цилиндрического резервуара, может обеспечиваться посредством устройства 19, создающего тангенциальный поток и имеющего, например, множество направляющих лопастей, а также тангенциальных прорезей, расположенных в кольцевой конструкции.
Зона 15 контактирования имеет круглое поперечное сечение, при этом диаметр поперечного сечения по мере увеличения осевой высоты от нижней поверхности 20 определяется расстоянием между устройствами 19, направляющими тангенциальный поток (например, его внутренний диаметр) и расстоянием между внутренними коническими поверхностями 21, образующими отверстие. Таким образом диаметр поперечного сечения зоны 15 контактирования, как правило, уменьшает от нижней части к верхней части ступени 10 контактирования, показанной на фиг.1. Зона 15 контактирования ограничена нижней поверхностью 20, внутренней конической поверхностью 21 и устройством 19, создающим тангенциальный поток, которое расположено между указанными поверхностями 20, 21 и ближайшими периферийными секциями (т.е. удаленными от осевого центра зоны 15 контактирования) этих поверхностей. В результате жидкость может входить в зону 15 контактирования, как правило, в осевом направлении потока, через впускной канал 17 для жидкости, находящийся в коммуникации с зоной 15 контактирования посредством нижней поверхности 20. Впускной канал 17 для жидкости расположен ближе к центральной оси зоны 15 контактирования (или центральной оси резервуара, содержащего ступень 10 контактирования), чем устройство 19, создающее тангенциальный поток.
Таким образом, циркулирующий пар может выходить из зоны 15 контактирования через отверстие зоны контактирования или выходное отверстие 23, поперечное сечение которого обычно является наименьшим. После выхода из зоны 15 контактирования пар, поднимающийся над выходным отверстием 23, увеличивается в объеме и заполняет весь корпус резервуара или контейнера, содержащего ступень 10 контактирования. Центробежная сила циркулирующего пара направляет жидкость, которую несет выходящий из выходного отверстия 23 пар, к периферии резервуара, чтобы разделение пара и жидкости могло происходить в пространстве большого диаметра над выходным отверстием 23 зоны контактирования. Затем отделенная жидкость может проходить в нисходящем направлении по криволинейной наружной поверхности 24, которая является наружной относительно зоны 15 контактирования и противоположной внутренней конической поверхности 21. Таким образом, внутренняя поверхность 21 и противоположная наружная поверхность 24 могут быть поверхностями направляющего лотка 25 для потока, которые, как правило, являются гладкими и способны поддерживать стабильный вращающийся вихрь в зоне 15 контактирования. Внутренние поверхности и противоположные наружные поверхности являются обычно криволинейными, хотя также могут использоваться прямые поверхности, например внутренняя коническая поверхность, которая сужается диагонально вдоль прямой линии, и/или прямая, диагональная противоположная наружная поверхность. Можно увеличить циркулирующий поток, используя дополнительные элементы, такие как центральный лопастной ротор (не показан), хотя такие элементы вводятся дополнительно. Отделенная жидкость стекает по криволинейной наружной поверхности 24 и может быть направлена в дренажный канал 26 для жидкости.
Чтобы при разделении пара и жидкости, выходящих из зоны контактирования, не рассчитывать только на центробежные силы, было предложено усовершенствованное устройство для разделения пара и жидкости, показанное, например, в аппарате для контактирования пара и жидкости, представленном на фиг.3, при использовании которого значительно уменьшается количество нежелательно захваченных текучих сред и, в частности, пара, захваченного отделенной жидкостью. Для упрощения чертежа показаны только три последовательные ступени 10 контактирования, хотя подразумевается, что общее количество ступеней в аппаратах, таких как дистилляционная колонна, обычно намного больше. Могут использоваться ступени контактирования других типов (например, тарелки с перфорированными площадками) в сочетании с описанными здесь вихревыми контактными ступенями. Кроме того, для упрощения чертежа не показаны наружные входные и выходные линии трубопроводов для введения и выпуска текучей среды (например, для введения сырья, жидкости из конденсатора колонны, пара из ребойлера или для выпуска ректифицированных продуктов).
Как показано на фиг.1, каждая зона 15 контактирования ограничена нижней поверхностью 20, внутренней конической поверхностью 21 и устройством 19, создающим тангенциальный поток, и взаимосвязана с впускным каналом 22 для пара и впускным каналом 17 для жидкости. На фиг.3 показана входная поверхность 31 устройства 30 для разделения пара и жидкости, которая формирует верхний участок внутренней конической поверхности 21. Входная поверхность 31 устройства 30 для разделения пара и жидкости сообщается с зоной 15 контактирования. Поэтому устройство 30 для разделения пара и жидкости, подобно устройству 19, создающему тангенциальный поток, может иметь кольцеобразную форму. Согласно варианту осуществления изобретения, который представлен на фиг.3, кольцеобразная входная поверхность 31 (или внутренняя поверхность) в верхней части зоны 15 контактирования имеет наименьший диаметр, при этом диаметр верхнего участка внутренней конической поверхности 21, создаваемого устройством 30 для разделения пара и жидкости, является постоянным.
В отличие от вихревой контактной ступени, представленной на фиг.1, на контактных ступенях, представленных на фиг.3, текучие среды не выходят из зоны 15 контактирования аксиально через верхнее отверстие, а отклоняются в радиальном направлении через входную поверхность 31 устройства 30 для разделения пара и жидкости. Чтобы для достижения требуемого разделения не рассчитывать только на центробежную силу и только на силу тяжести, в конструкции устройства 30 для разделения пара и жидкости предусмотрены специальные разделительные приспособления, такие как каплеотбойники в форме концентрических пластин (или разделительных пластин), которые способствуют разделению потоков пара и потоков жидкости после их контактирования. Конкретнее, текучие среды, принудительно проходящие через входную поверхность 31, должны вступать в контакт со специальными разделительными приспособлениями, чтобы через выходные поверхности 32, 33 выходили отделенные или разделенные потоки пара и потоки жидкости. Таким образом, в относительно малом пространстве обеспечивается эффективное разделение фаз.
Согласно варианту осуществления изобретения, который представлен на фиг.3, одна из указанных выходных поверхностей является наружной выходной поверхностью 32, которая соосна с входной поверхностью 31, и ее диаметр является наибольшим в кольцеобразном устройстве 30 для разделения пара и жидкости. В устройстве 30 для разделения пара и жидкости, кроме наружной выходной поверхности 32, имеется нижняя выходная поверхность 33. Может быть обеспечено прохождение текучей среды через входную поверхность 31, наружную выходную поверхность 32 и нижнюю выходную поверхность 33 устройства 30 для разделения пара и жидкости, если указанные поверхности, по меньшей мере, частично открыты, например, при использовании на этих поверхностях перфорированных пластин. Напротив, верхняя поверхность 34 может быть неперфорированной, чтобы текучая среда не могла выйти из устройства 30 для разделения пара и жидкости без вступления в контакт со специальными разделительными приспособлениями. Следует отметить, что на фиг.3 показаны две отдельные выходные поверхности 32, 33, но подразумевается, что согласно другим вариантам осуществления изобретения может быть предусмотрена только одна выходная поверхность 32. Например, угловое соединение наружной выходной поверхностью 32 и нижней выходной поверхностью 33 может быть выполнено таким образом, чтобы были неотличимы отдельные выходные поверхности 32, 33.
В одном из примеров надлежащего специального разделительного приспособления, которое может использоваться в устройстве для разделения пара и жидкости, имеется множество радиально размещенных пластин. Благодаря конструкции устройства для разделения пластины размещены радиально, чтобы текучая среда (например, содержащая как пар, так и жидкие фракции), выходящая из зоны 15 контактирования, проходила радиально наружу между размещенными пластинами, поверхности которых затрудняют прохождение потока, обеспечивая эффективное разделение пара и жидкости. В связи с этим, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, устройство 30 для разделения пара и жидкости содержит множество кольцеобразных пластин. Указанные радиально расположенные пластины смонтированы в верхней части зоны 15 контактирования, причем пластины имеют отверстие такого диаметра, что формируется, по меньшей мере, одна часть входной поверхности устройства 30 для разделения пара и жидкости.
Согласно конкретному варианту осуществления изобретения радиальное размещение пластин обеспечивается крепежными кольцами с пазами. На фиг.2 показано типичное наружное крепежное кольцо 40 с пазами для крепления пластин, в котором пазы 45 используются для радиального размещения пластин (например, таким образом, чтобы плоскости этих пластин при продолжении пересекали линию, совпадающую с центральной осью: (а) наружного крепежного кольца 40 с пазами, (б) зоны 15 контактирования, окружающей радиальные пластины и крепежные кольца, и/или аппарата для контактирования пара и жидкости, содержащего зону 15 контактирования). Таким образом, наружное крепежное кольцо 40 с пазами имеет по внутреннему периметру 47 множество фрезерованных пазов 45. Внутреннее крепежное кольцо (не показано), используемое в сочетании с наружным крепежным кольцом 40 с пазами для установки или закрепления радиально размещенных пластин, имеет кольцевую форму, аналогичную форме наружного кольца, но меньший внутренний диаметр (например, соответствует диаметру верхней секции зоны контактирования) и меньший наружный диаметр, причем пазы расположены по наружному периметру.
Возможны разнообразные подходящие разделительные приспособления, которые могут использоваться в устройстве для разделения пара и жидкости. Эти конструкции включают, например, каплеуловители, такие как каплеотбойники лопастного типа, имеющие различные каналы и створки, чтобы жидкость, проходящая через каплеотбойник, несколько раз изменяла направление, в результате чего захваченные капельки жидкости вынуждены ударяться об участки разделительного приспособления и стекают вниз к дну каплеотбойника. Другим примером известных приспособлений для разделения пара и жидкости являются сетчатые насадки или плетеные сетки. Также может использоваться сочетание этих каплеотбойных устройств. Различные конструкции отделительных (или разделительных) приспособлений для каплеотбойников, перфорированные и неперфорированные пластины, которые взаимодействуют с этими конструкциями, так же как ориентация этих конструкций и пластин, подробно описаны, например, в патенте США №7424999 столбец 7, строки 16-64 и от столбца 9, строка 61 до столбца 11, строка 30, этот предмет изобретения включен ссылкой в настоящее изобретение.
На фиг.4А и 4В показаны потоки жидкой и паровой фаз, проходящие через зону 15 контактирования многоступенчатого аппарата для контактирования пара и жидкости, представленного на фиг.3. Как показано на фиг.4А, из зоны 15 контактирования каждой ступени жидкость выходит через соответствующие входные поверхности 31 устройства 30 для разделения пара и жидкости. Затем отделенная жидкость выходит, предпочтительно, через нижние выходные поверхности 33, которые находятся в коммуникации с криволинейными наружными поверхностями 24, являющимися наружными относительно зоны 15 контактирования и противоположными коническим внутренним поверхностям 21. В результате отделенная жидкость стекает вниз по криволинейным наружным поверхностям 24, над которыми имеется достаточное пространство для дополнительного отделения пузырьков пара, остающихся в этой жидкости. Кроме того, путь потока жидкости ограничен, как показано на фиг.4А, сливными стаканами 35 для жидкости, на которых заканчиваются криволинейные наружные поверхности 24. Сливные стаканы 35 для жидкости сообщаются с впускными каналами 17 для жидкости соответствующих непосредственно нижних или нижележащих вихревых контактных ступеней. В частности, сливные стаканы 35 для жидкости направляют отделенную жидкость, выходящую из вихревой контактной ступени через нижние выходные поверхности 33 устройства 30 для разделения пара и жидкости, к указанным впускным каналам 17 для жидкости. Как показано на фиг.3, 4А и 4В, все сливные стаканы 35 для жидкости от конкретной вихревой контактной ступени, соответственно, могут продолжаться в кольцевых пространствах до непосредственно нижней вихревой контактной ступени, окружая их. Следовательно, согласно описанию, указанные кольцевые пространства могут быть образованы в кольцевой области аппарата для контактирования пара и жидкости, которая окружает вихревые контактные ступени.
На фиг.4В показан поток пара, проходящий через вихревые контактные ступени 10. В частности, пар, выходящий из зоны 15 контактирования, проходит через входную поверхность 31 устройства 30 для разделения пара и жидкости и несет захваченную жидкость. Затем отделенный пар с существенно уменьшенным содержанием захваченной жидкости выходит из указанного устройства 30, предпочтительно, через наружную выходную поверхность 32, которая противоположна входной поверхности 31 и имеет больший диаметр, чем входная поверхность 31 (например, противоположные поверхности 31, 32, являющиеся концентрическими, образуют внутреннюю и наружную поверхности кольцевого устройства 30 для разделения пара и жидкости). Наружная выходная поверхность 32 устройства 30 для разделения пара и жидкости сообщается с впускным каналом 22 для пара непосредственно верхней или вышележащей вихревой контактной ступени 10.
Аспекты изобретения связаны со сливными стаканами для жидкости, которые, как описано выше, используются для того, чтобы жидкость, выходящая из вихревой контактной ступени, эффективно передавалась к соответствующей зоне контактирования, а именно к зоне контактирования непосредственно нижней ступени аппарата. В общем, когда из вихревой контактной ступени выходит жидкость с захваченными пузырьками пара, может возникать тенденция к захлебыванию. Чтобы исключить возникновение тенденции к захлебыванию, труба или канал сливного стакана для жидкости, используемый для отвода отделенной жидкости из вихревой контактной ступени непосредственно к нижней ступени, должен иметь достаточно большой размер, позволяющий обеспечить самовентилируемый поток. Соответствующие корреляции размеров можно найти, например, в работе Sewell, A., "Practical Aspects of Distillation Column Design", опубликованной в The Chemical Engineer, 299/300: 442 (1975), которые могут использоваться при расчете минимально требуемого среднего гидравлического диаметра для обеспечения самовентилируемого потока.
Не говоря уже о выборе соответствующего размера сливного стакана, перемещение жидкости от ступени до ступени дополнительно усложняется в связи с тем, что осевая симметрия аппарата для контактирования пара и жидкости и его вихревых контактных ступеней должна быть сохранена, чтобы обеспечивалось формирование и поддержание стабильных вихрей. Кроме того, каналы сливных стаканов для жидкости, проходящей к последующим ступеням контактирования, должны идеально распределять указанную жидкость равномерно по периметру вихря посредством впускных каналов для жидкости в каждой ступени. За счет улучшения симметрии, предпочтительно, достигается устойчивая работа в более широком диапазоне расходов текучих сред по сравнению со случаями, при которых жидкость поступает в вихревую зону контактирования неравномерно относительно ее центральной оси. Другое соображение относится к конструкции и связано с исключением трубопровода, по которому отделенная жидкость выходит и повторно входит в вертикальный, цилиндрический корпус типичного аппарата для контактирования пара и жидкости, поскольку для установки наружного трубопровода требуются существенные монтажные работы и соответствующие затраты.
На фиг.3, 4А и 4В показаны наружные кольцевые сливные стаканы 35, которые, предпочтительно, предназначены для переноса жидкости в аппаратах для контактирования пара и жидкости с многочисленными вихревыми контактными ступенями. При работе аппарата отделенная жидкость собирается на наружных поверхностях 24, которые, как правило, являются криволинейными и наружными по отношению к зонам 15 контактирования, и отводится в кольцевую область или пространство, расположенное вне этих зон. Сливные стаканы 35 продолжаются в указанном пространстве от одной вихревой контактной ступени до другой, перемещая отделенную жидкость к соответствующей непосредственно нижней вихревой контактной ступени и, предпочтительно, посредством впускных каналов для жидкости, расположенных симметрично вокруг центральной оси зоны 15 контактирования, которая обычно является центральной осью аппарата для контактирования пара и жидкости.
Специальные конструктивные элементы для указанного перемещения отделенной жидкости, выходящей из сливных стаканов 35, показаны на фиг.5А и 5В. Указанные конструктивные элементы продолжаются вдоль или от концевой части (например, нижней части) сливных стаканов 35 для жидкости, которая противоположна части стаканов (например, верхней части), находящейся в коммуникации с наружными поверхностями 24, по которым отделенная жидкость стекает в сливные стаканы 35. Конкретнее, указанные конструктивные элементы выполняют функцию трубопроводов для введения некоторой части или всей жидкости через нижние поверхности 20 в зону 15 контактирования. Как описывалось выше, указанные трубопроводы, снабжающие впускной канал 17 для жидкости, предпочтительно, распределены вокруг центральной оси соответствующих зон 15 контактирования. Согласно варианту осуществления изобретения, представленному на фиг.5А, по впускному каналу жидкость подается в зону контактирования непосредственно нижней вихревой контактной ступени относительно ступени контактирования, от которой жидкость подается в сливной стакан 35, содержащий один или несколько погружных патрубков 50, продолжающихся от концевой части сливного стакана 35 для жидкости. Согласно варианту осуществления изобретения, представленному на фиг.5В, трубопровод, продолжающийся от сливного стакана 35, является трубопроводом 55 в виде желоба, который снабжает некоторые или все впускные каналы, подающие жидкость в зону 15 контактирования непосредственно нижней ступени. Погружные патрубки 50 или трубопровод 55 в виде желоба, представленные на фиг.5А и 5В, конфигурированы таким образом, чтобы продолжались ниже нижней поверхности 20, которая частично ограничивает соответствующую зону контактирования. Поскольку указанные трубопроводы продолжаются ниже нижней поверхности 20 и затем направляются вверх через нижнюю поверхность 20, может быть обеспечен постоянный уровень жидкости, который способствует обеспечению гидравлического уплотнения, препятствующего выходу пара из зоны 15 контактирования через впускной канал 17 для жидкости (т.е. исключается «прорыв» пара).
В общем, посредством множества сливных стаканов 35 жидкость может перемещаться от конкретной вихревой контактной ступени к смежной нижней вихревой ступени в кольцевом пространстве, которое, как описано выше, окружает снаружи вихревые контактные ступени. Таким образом, для перемещения жидкости между любыми двумя конкретными ступенями могут быть образованы сегменты сливных стаканов для жидкости, продолжающиеся в дискретных секциях кольцевого пространства и, предпочтительно, расположенные с равномерным радиальным или круговым интервалом в указанном кольцевом пространстве, и выполняющие функцию сливных стаканов. Расположение с равномерным интервалом нескольких сливных стаканов конкретной ступени способствует улучшению симметрии ступеней контактирования. Согласно конкретному варианту осуществления изобретения поддерживается хорошая симметрия и эффективное радиальное размещение множества трубопроводов (например, погружных труб или желобов, как показано на фиг.5А и 5В) относительно зоны контактирования, которые продолжаются от радиально расположенных сегментов сливных стаканов и находятся в коммуникации с зоной контактирования непосредственно нижней ступени, проходя через нижнюю поверхность в радиальных местоположениях, которые равномерно располагаются относительно центральной оси зоны контактирования.
Таким образом, наружная поверхность конкретной вихревой контактной ступени, по которой перемещается поток отделенной жидкости, выходящей из устройства для разделения пара и жидкости, может заканчиваться, как описано выше, на множестве сегментов сливных стаканов для жидкости, продолжающихся в дискретных радиальных секциях, расположенных в кольцевом пространстве, окружающем снаружи множество вихревых контактных ступеней. Как показано на фиг.3, нижняя часть сливного стакана 35 для жидкости конкретной ступени продолжается ниже верхней части сливного стакана 35а для жидкости непосредственно нижней ступени контактирования. Вследствие чего, как показано на фиг.6, кольцевое пространство 60 может быть разделено на чередующиеся сегменты сливных стаканов. В частности, сегменты 35′ сливных стаканов для жидкости конкретной ступени контактирования, которые продолжаются в дискретных радиально разделенных секциях кольцевого пространства 60, расположены радиально между сегментами 35а′ сливных стаканов 35 для жидкости непосредственно нижней вихревой контактной ступени и сегментами 35b′ сливных стаканов 35 для жидкости непосредственно верхней вихревой контактной ступени. Горизонтальными стрелками на фиг.6 показаны типичные горизонтальные уровни секций, на которых жидкость выходит и входит в N-ю и (N+1)-ю ступени контактирования.
Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения сегменты сливных стаканов в кольцевом пространстве могут быть заменены трубами, располагаемыми в вертикальной стенке аппарата для контактирования пара и жидкости. Однако при использовании труб уменьшается площадь сечения потока (в связи с чем может потребоваться резервуар увеличенного диаметра), а также усложняется изготовление аппарата (например, требуется дополнительная сварка). И тем не менее, трубы могут более эффективно обеспечить гидравлическое уплотнение в стенке и минимизировать потенциальные проблемы, связанные с утечкой жидкости к непосредственно нижней вихревой контактной ступени. Специалисты в данной области техники, принимая во внимание настоящее изобретение, смогут оценить компромиссы между использованием труб или кольцевых сегментов сливных стаканов для любого конкретного применения аппарата для контактирования пара и жидкости.
Согласно другому конкретному варианту осуществления изобретения можно уменьшить механические усилия в резервуаре, вызванные крутящим моментом циркулирующих внутренних жидкостей, в результате реверсирования направления завихрения на чередующихся вихревых контактных ступенях. Таким образом, крутящие моменты, возникающие на чередующихся ступенях, эффективно подавляют друг друга, в результате чего снижаются общие напряжения, что позволяет использовать аппараты для контактирования пара и жидкости с резервуарами, имеющими более тонкие стенки, и, следовательно, снижаются затраты на изготовление аппарата.
В целом, аспекты изобретения направлены на использование одной или нескольких ступеней вихревого контактирования, чтобы улучшить работу любых аппаратов для контактирования пара и жидкости, таких как реакторы и дистилляционные колонны. Специалисты в данной области техники оценят преимущества описанных здесь аппаратов, ступеней контактирования и тесно связанных с ними способов, а также их пригодность для других применений. На основании описания можно сделать вывод, что настоящее изобретение имеет и другие преимущества. Для специалистов в данной области техники, изучивших настоящее изобретение, является очевидным, что могут быть внесены различные изменения в вышеупомянутое оборудование и способ, не выходя за рамки объема настоящего изобретения. Механизмы, используемые для объяснения теоретических или экспериментальных явлений, или результатов, должны в любом случае интерпретироваться только как иллюстративные и не ограничивающие объем прилагаемой формулы изобретения.
1. Аппарат для контактирования пара и жидкости, содержащий вихревую контактную ступень (10), включающую в себя
(а) зону (15) контактирования с круглым поперечным сечением, образованную нижней поверхностью (20), внутренней конической поверхностью (21) и цилиндрическим устройством (19), создающим тангенциальный поток и расположенным между указанными поверхностями вблизи периферийных секций нижней поверхности (20) и внутренней конической поверхности (21);
(б) впускной канал (22) для пара, сообщающийся с устройством (19), создающим тангенциальный поток;
(в) впускной канал (17) для жидкости, сообщающийся с зоной (15) контактирования через нижнюю поверхность (20); и
(г) устройство (30) для разделения пара и жидкости, содержащее входную поверхность (31), формирующую верхний участок внутренней конической поверхности, сообщающийся с зоной (15) контактирования.
2. Аппарат для контактирования по п.1, в котором устройство (30) для разделения пара и жидкости дополнительно содержит:
(а) противоположную наружную выходную поверхность (32), концентрическую с входной поверхностью (31) и имеющую больший диаметр,
(б) нижнюю выходную поверхность (33).
3. Аппарат для контактирования по п.2, в котором каждая из поверхностей устройства (30) для разделения пара и жидкости, а именно, входная поверхность (31), противоположная наружная выходная поверхность (32) и нижняя выходная поверхность (33) содержат перфорированные пластины.
4. Аппарат для контактирования по любому из пп.1-3, в котором устройство для разделения пара и жидкости содержит множество пластин, смонтированных в радиальном размещении между крепежными кольцами (40) с пазами.
5. Аппарат для контактирования по п.2, в котором противоположная наружная выходная поверхность (32) устройства 30 для разделения пара и жидкости сообщается с впускным каналом (22) для пара верхней вихревой контактной ступени (10).
6. Аппарат для контактирования по п.2, в котором нижняя выходная поверхность (33) устройства (30) для разделения пара и жидкости сообщается с криволинейной наружной поверхностью (24) относительно зоны (15) контактирования и противоположной внутренней конической поверхности (21).
7. Способ контактирования пара и жидкости, включающий в себя подачу пара по впускному каналу (22) для пара и подачу жидкости по впускному каналу (17) для жидкости в вихревую контактную ступень (10) аппарата для контактирования пара и жидкости по любому из пп.1-6.
8. Многоступенчатый аппарат для контактирования пара и жидкости, содержащий вертикально расположенный цилиндрический корпус множеством вихревых контактных ступеней (10), содержащих:
(а) впускной канал (17) для жидкости, сообщающийся с нижней поверхностью (20) зоны (15) контактирования;
(б) впускной канал (22) для пара, сообщающийся с зоной (15) контактирования посредством цилиндрического устройства (19), направляющего тангенциальный поток; и
(в) устройство (30) для разделения пара и жидкости, содержащее входную поверхность (31), формирующую верхний участок внутренней конической поверхности (21), сообщающийся с зоной (15) контактирования,
причем зона (15) контактирования имеет круглое поперечное сечение и ограничена нижней поверхностью (20), внутренней конической поверхностью (21) и цилиндрическим устройством (19), создающим тангенциальный поток, расположенным между указанными поверхностями вблизи периферийных секций нижней поверхности (20) и внутренней конической поверхности (21).
9. Многоступенчатый аппарат для контактирования пара и жидкости по п.8, в котором устройство (30) для разделения пара и жидкости дополнительно содержит:
(а) противоположную наружную выходную поверхность (32), концентрическую с входной поверхностью (31), сообщающуюся с впускным каналом (22) для пара непосредственно верхней вихревой контактной ступени (10), и
(б) нижнюю выходную поверхность (33), сообщающуюся с наружной поверхностью относительно зоны (15) контактирования и противоположной внутренней конической поверхности (21),
в котором наружная поверхность заканчивается на множестве сегментов сливных стаканов для жидкости, продолжающихся в дискретных секциях кольцевого пространства, окружающего снаружи множество вихревых контактных ступеней (10), и расположенных радиально между сегментами сливных стаканов для жидкости непосредственно верхней и непосредственно нижней вихревых контактных ступеней (10).
10. Многоступенчатый аппарат для контактирования пара и жидкости, содержащий множество вихревых контактных ступеней (10), причем каждая ступень имеет устройство (30) для разделения пара и жидкости с выходными поверхностями, сообщающимися с впускным каналом (22) для пара непосредственно верхней вихревой контактной ступени и сливным стаканом для жидкости, сообщающимся с впускным каналом (17) для жидкости непосредственно нижней вихревой контактной ступени.
