ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СПОСОБ МОДЕРНИЗАЦИИ
INLET DEVICE FOR FLUID MEDIUM, ITS USE AND METHOD FOR MODERNISATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к входному устройству для текучей среды, подходящему для ввода смеси жидкости и газа в технологический аппарат, к использованию такого устройства, к способу модернизации входного устройства для текучей среды и к каналам уловителей жидкости.
Уровень техники
Во многих установках, используемых в нефтяной и газовой, а также в химической и нефтехимической отраслях промышленности, в технологический аппарат выше и ниже по ходу движения потока требуется вводить смесь жидкости и газа. Технологический аппарат может представлять собой сепаратор, предназначенный для разделения потока, например потока природного газа, включающего нефть и/или воду, на жидкий и газовый потоки. Технологическим аппаратом также может быть аппарат для проведения процесса контактирования газа и жидкости, в котором газ и жидкость контактируют друг с другом в противотоке и обмениваются теплотой или веществом. Примером такого аппарата для контактирования газа и жидкости является ректификационная или перегонная колонна, в частности колонна для вакуумной перегонки.
В настоящем описании и в формуле изобретения термин "газ" используется в значениях "газ" и "пар".
В описании к патенту Великобритании №1119699 раскрыта конструкция входного устройства для текучей среды, предназначенного для ввода смеси жидкости и газа в перегонную колонну.
Известное входное устройство для текучей среды содержит канал для входа потока, имеющий входной конец для приема смеси жидкости и газа, и множество криволинейных направляющих лопаток, размещенных одна за другой вдоль канала для входа потока среды, при этом каждая лопатка включает отсекающую часть, проходящую в направлении входного конца канала для входа потока, и отклоняющую часть, выступающую из канала наружу. Отсекающая и отклоняющая части каждой лопатки расположены так, что лопатка отсекает и отклоняет часть потока перемешанного сырья, и способна осуществлять разделение жидкости и пара за счет действия силы инерции и центробежной силы.
При нормальной работе устройства смесь газа и жидкости подают к входному патрубку колонны, который сообщается по текучей среде с входным концом входного устройства. Лопатки искривлены таким образом, что они отклоняют смесь и отводят ее из входного устройства наружу. Изменение направления потока приводит к предварительному разделению смеси, в результате чего жидкость отклоняется к вогнутой поверхности лопатки, и на вогнутой поверхности формируется поток, богатый жидкостью, а через остальную часть выходного канала, образованного между двумя лопатками, проходит поток, богатый газовой фазой. После того, как эти потоки покидают выходной канал, поток, богатый жидкостью, стекает в колонне вниз под действием сил гравитации, в то время как поток, богатый газом, перемещается в колонне вверх. В определенном воплощении известного устройства на хвостовой кромке лопатки имеется канал для улавливания жидкости, перпендикулярный основному направлению потока вдоль лопатки. Этот канал служит для отвода всей жидкости, которая отделена с помощью лопаток в бок, т.е. в направлении, перпендикулярном основному направлению потока.
Важным параметром, характеризующим процесс разделения во входном устройстве, является общий унос остальной части жидкости в газовом потоке, т.е. содержание остальной жидкости в потоке газа, который движется вверх. Некоторая часть жидкости находится в потоке газа вследствие неполного разделения исходного сырья во входном устройстве, в то время как наличие в восходящем потоке другой ее части связано с повторным уносом жидкости, которая уже была отделена, и этот повторный унос происходит, в основном, в определенной зоне, в которой потоки газа и жидкости покидают входное устройство.
Повторный унос является основной проблемой, в том числе для применений устройства в процессах перегонки и разделения, поскольку он создает большую нагрузку по жидкости для оборудования, размещенного ниже по потоку. Повторный унос снижает общую эффективность процесса разделения во входном устройстве, поскольку жидкость, которая уже была отделена с осаждением на вогнутую поверхность лопатки и находилась на ней, и которая в идеале должна стекать в направлении днища резервуара тем не менее переносится вверх вместе с потоком газа.
Предполагается, что повторный унос, как правило, увеличивается при высоких скоростях, которые являются, например, следствием минимизации размеров аппарата по соображениям стоимости и занимаемой площади, например, в плавучих установках.
Хотя известное устройство для входа текучей среды успешно использовалось со времени его изобретения, желательно иметь возможность работать с меньшим уносом и, следовательно, с большей эффективностью разделения, чем это возможно в настоящее время.
Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предложено входное устройство для текучей среды, подходящее для ввода смеси жидкости и газа в технологический аппарат, содержащее
канал для входа текучей среды, имеющий входной конец для приема смеси жидкости и газа; и
множество криволинейных направляющих лопаток, расположенных одна за другой вдоль канала для входа потока, при этом каждая лопатка включает отсекающую часть, проходящую в направлении входного конца канала для входа потока, и направленную наружу отклоняющую часть, имеющую хвостовой конец, проходящий между продольными кромками, при этом криволинейная лопатка имеет в целом выпуклую поверхность и в целом вогнутую поверхность, причем отклоняющие части двух соседних лопаток образуют выходной канал входного устройства,
при этом, по меньшей мере, одна из лопаток снабжена каналом уловителя жидкости, размещенным вдоль, по меньшей мере, части одной или обеих продольных кромок отклоняющей части лопатки.
Заявитель понимает, что механизм, ответственный за повторный унос уже отделенной жидкости в поток газа, реализуется на кромках известной лопатки, в особенности на хвостовом конце отклоняющей части лопатки.
Этот повторный унос обусловлен протеканием газа поперек кромки лопатки, на которой находится жидкая пленка и/или с которой жидкость покидает лопатку.
Большая часть газа в известном входном устройстве протекает поперек концевой кромки лопатки, которая расположена вертикально, когда основной поток газа в целом горизонтальный. В известных устройствах-аналогах предпринята попытка снизить унос за счет размещения вдоль вертикальной концевой кромки вертикального канала уловителя жидкости, как это описано, например, в патентном документе GB 1119699 и опубликованной международной заявке WO 2005/018780. Однако заявитель установил, что наличие таких вертикально расположенных элементов конструкции является причиной повторного уноса вследствие возмущения потока газа за счет их ориентации перпендикулярно по отношению к основному направлению течения газа. Кроме того, заявитель установил, что существует некоторая подъемная сила, действующая на жидкость в вертикальных каналах уловителей, которая может привести к вытеснению жидкости из верхней части вертикального канала, ее отрыву и повторному уносу, даже если верхний конец этого канала закрыт.
Кромка может быть также продольной кромкой, т.е. ориентированной, по существу, вдоль лопаток, в основном направлении потока газа. В сложной структуре течения, которая преобладает на практике, в особенности при высоких входных скоростях, может иметь место поперечный поток газа, обтекающего продольные кромки. Например, в практически важных случаях применения входного устройства для текучей среды, в которое исходная смесь поступает горизонтально и которое вводит разделенные потоки газа и жидкости, по существу, горизонтально в колонну, где продольные верхняя и нижняя кромки лопаток ориентированы также, по существу, горизонтально, протекание газа вверх поперек продольных кромок может привести к отрыву некоторого количества жидкости с жидкой пленки, находящейся на лопатке. Таким путем за счет локально высоких скоростей газа могут повторно уноситься относительно большие капли жидкости диаметром от 0,1 до нескольких миллиметров.
В заявке на патент Германии DE 102004018341 A1 описано в целом горизонтально расположенное входное устройство с лопатками, в котором вдоль верхних горизонтальных кромок лопаток размещены карманы для улавливания жидкости, предназначенные для того, чтобы текучая среда, протекающая на лопатках вверх, не покидала лопатки с дальнейшим перемещением в направлении вверх.
В дальнейшем заявитель сделал вывод о том, что подходящим средством для предотвращения повторного уноса жидкости является канал уловителя жидкости. Жидкость улавливается и, по меньшей мере, частично направляется к одной стороне лопатки посредством кромки уловителя, и в результате, по меньшей мере, часть газа не протекает поперек через кромку, с которой возможен срыв жидкости. Понятие "канал уловителя жидкости" предполагает включение в него любых средств, которые принуждают поток жидкости на лопатке отклоняться от основного направления потока газа в направлении, устанавливаемом с помощью элемента конструкции, подобного каналу.
Приемлемо, чтобы виртуальная линия тока жидкости отклонялась от основного направления потока газа на угол не более чем на 75 градусов или менее, предпочтительно на 65 градусов или менее. При величине угла отклонения более 75 градусов вероятность повторного уноса за счет возмущения потока газа и/или за счет вытеснения жидкости из канала уловителя в направлении вверх становится слишком высокой. Подходящая величина угла составляет, по меньшей мере, 10 градусов или более, предпочтительно 20 градусов или более, более предпочтительно 30 градусов или более, например 35 градусов или более.
Целесообразно, чтобы, по меньшей мере, позиция канала уловителя, находящаяся выше по потоку, соответствовала, по существу, кромке лопатки. При этом расположенный выше по потоку конец канала может немного выходить за пределы лопатки.
Предпочтительно канал уловителя жидкости проходит вдоль, по меньшей мере, части кромки лопатки.
В конкретном воплощении основное направление потока газа при нормальном функционировании устройства - горизонтальное, а отклоняющая часть лопатки проходит между верхней и нижней кромками, при этом указанная позиция канала выше по потоку находится на первом расстоянии от нижней кромки, а позиция канала ниже по потоку находится на втором, меньшем, расстоянии от нижней кромки.
В предпочтительном воплощении входное устройство для текучей среды содержит стенки, образующие конструкцию наподобие короба, при этом канал уловителя жидкости образован на части лопатки, выходящей из этого короба, причем канал уловителя в его позиции, находящейся выше по потоку, герметизирован относительно одной из стенок.
Приемлемо, чтобы ширина отклоняющей части лопатки уменьшалась в направлении вниз по потоку.
В конкретном воплощении на лопатке выполнено множество каналов уловителей жидкости.
Еще в одном конкретном воплощении на лопатке имеется два канала уловителей жидкости, которые расположены с наклоном в различных направлениях относительно основного направления движения газового потока. Такое воплощение может быть, в частности, использовано в том случае, когда лопатки во входном устройстве для текучей среды образуют выходные каналы, направляющие поток вниз, так что, например, жидкость, с помощью двух каналов для улавливания жидкости, может быть направлена к осевой линии лопатки.
В одном варианте воплощения канал уловителя жидкости может проходить от первой кромки канала, расположенной сзади от выпуклой поверхности лопатки, до второй кромки канала, находящейся в плоскости отклоняющей части лопатки, или за этой плоскостью, и направленной в сторону вогнутой поверхности лопатки.
Кромка канала, находящаяся сзади выпуклой поверхности лопатки, может быть прикреплена к этой выпуклой поверхности, в частности прикреплена или присоединена к ней герметично.
Кроме того, возможно, чтобы продольная кромка канала, находящаяся сзади выпуклой поверхности лопатки, образовала щель с выпуклой поверхностью. В таком воплощении, если кромка является верхней кромкой лопатки, захваченная жидкость будет переноситься и отводиться в направлении вдоль канала, в то время как газ может выходить через щель в направлении вниз. Если кромка является нижней кромкой лопатки, то указанная щель может обеспечить выход с переливом в тех случаях, когда канал уловителя жидкости может быть полностью заполнен жидкостью.
В другой форме воплощения канал уловителя жидкости присоединен к кромке лопатки или выполнен с ней заодно.
Приемлемо также, чтобы расположенный ниже по потоку конец канала уловителя жидкости проходил до расположенного ниже по потоку хвостового конца лопатки или выходил за пределы хвостового конца лопатки. За счет прохождения канала уловителя жидкости за пределы лопатки жидкость может быть направлена в некоторую область, в которой скорости газового потока намного меньше. Часть канала уловителя жидкости, находящаяся ниже по потоку, может быть также выполнена так, чтобы изменить направление стекания жидкости внутри аппарата. Например, если основное направление течения во входном устройстве для текучей среды горизонтальное, расположенная ниже по потоку часть канала может быть направлена вниз, хотя предпочтительно не вертикально вниз.
Канал, в частности, может быть сформирован с помощью углового профиля, например в форме перевернутых букв L, V или U. В соответствии с другим возможным выполнением канал имеет форму трубчатой секции, которая представляет собой трубку, из которой в продольном направлении вдоль ее длины вырезана некоторая часть.
Во входном устройстве для текучей среды в соответствии с изобретением отклоняющая часть, по меньшей мере, одной из лопаток также может иметь продольную кромку, снабженную каналом уловителя жидкости.
Входное устройство для текучей среды согласно изобретению может также содержать, по меньшей мере, две лестничные структуры из лопаток, размещенные одна над другой, при этом канал уловителя жидкости расположен вдоль, по меньшей мере, нижней кромки верхней лопатки или верхней кромки лопатки, находящейся ниже.
Входное устройство для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением может быть использовано в качестве входного устройства, установленного в аппарате для контактирования газа и жидкости, в частности, в качестве входного устройства перегонной колонны, в том числе колонны для перегонки под высоким вакуумом или разделительного аппарата.
Изобретение, кроме того, предлагает способ модернизации входного устройства для текучей среды, подходящего для ввода смеси жидкости и газа в технологический аппарат, содержащего
канал для входа текучей среды, имеющий входной конец для приема смеси жидкости и газа; и
множество криволинейных направляющих лопаток, расположенных одна за другой вдоль канала для входа потока, при этом каждая лопатка включает отсекающую часть, проходящую в направлении входного конца канала для входа потока, и направленную наружу отклоняющую часть, образующую в целом выпуклую поверхность и в целом вогнутую поверхность криволинейной лопатки, причем отклоняющие части двух соседних лопаток образуют выходной канал входного устройства и определяют основное направление движения потока газа в выходном канале,
при этом предложенный способ включает обеспечение, по меньшей мере, одной из лопаток, каналом уловителя жидкости, проходящим от позиции, находящейся выше по потоку, по отношению к лопатке, до позиции ниже по потоку, и, кроме того, виртуальная линия тока жидкости, проходящая вдоль лопатки между позициями, находящимися выше и ниже по ходу движения потока, отклоняется от основного направления течения газа.
Подходящим образом это осуществляется путем присоединения к лопатке концевого участка, при этом на указанном концевом участке лопатки расположена, по меньшей мере, часть канала уловителя жидкости.
Заявленное изобретение, кроме того, предлагает множество каналов уловителей жидкости, выполненных с возможностью установки на лопатках существующих входных устройств для текучей среды, в соответствии со способом модернизации согласно изобретению.
Краткое описание чертежей
Изобретение далее будет раскрыто более подробно и со ссылками на сопровождающие чертежи.
Фиг.1 - схематическое изображение входного устройства для текучей среды, установленного в вертикальной колонне.
Фиг.2-4 - схематическое изображение различных воплощений лопатки в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 - схематическое изображение различных лопаток, соответствующих изобретению, вместе с одной стенкой входного устройства для текучей среды.
Фиг.6 - схематическое изображение поперечного сечения, проходящего через хвостовую часть двух лопаток, соответствующих настоящему изобретению.
Фиг.7 - схематическое изображение поперечного сечения, проходящего через хвостовую часть других лопаток, соответствующих настоящему изобретению.
Фиг.8 - схематическое изображение еще одного воплощения лопатки в соответствии с изобретением.
В тех случаях, когда на различных чертежах используются одинаковые ссылочные номера позиций, иногда с добавлением индекса а, b, с, d, e, эти номера относятся к одинаковым или подобным объектам.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 схематически показано входное устройство 1 для текучей среды, установленное в вертикально расположенной колонне 5 и служащее для ввода в зону 6 колонны, в которой осуществляется технологический процесс смеси газа и жидкости, предварительно разделенной и относительно равномерно распределенной по поперечному сечению колонны.
Входное устройство 1 содержит протяженный канал 8 для входа потока, имеющий входной конец 10, сообщающийся по текучей среде с впускным патрубком 12 колонны 5, через который может поступать исходная смесь жидкости и газа. Канал для входа потока в представленном на фиг.1 воплощении проходит в вертикальной колонне 5 горизонтально между верхней и нижней стенками 14, 15 из листового материала. Криволинейные направляющие поток лопатки 20 размещены одна за другой, образуя два ряда, по одному с каждой боковой стороны канала, вдоль канала 8 для входа потока так, что образована конструкция наподобие короба, две боковые стороны которого снабжены рядом лопаток. Каждая лопатка содержит отсекающую часть 22, проходящую в направлении входного конца 10 канала для входа потока, и отклоняющую часть 25, направленную наружу (из входного устройства во внутренний объем резервуара), имеющую хвостовой конец 27, проходящий между верхней кромкой 30 и нижней кромкой 31 к хвостовой кромке 32. Хвостовой конец 27 вообще представляет собой расположенную ниже по потоку часть лопатки, на которой происходит разделение большей части текучей среды, и часто именно эта часть лопатки выступает из конструкции наподобие короба, ограниченного стенками 14, 15.
Отклоняющие части 25 включают выпуклую и вогнутую поверхности каждой лопатки. Вогнутая поверхность лопатки на фиг.1 является поверхностью, в целом обращенной к входному концу входного устройства для текучей среды. Отклоняющие части 25 двух соседних лопаток 20 образуют выходной канал 35 входного устройства. Выходной канал устанавливает основное направление газового потока 37 вдоль лопаток, которое, как показано на фиг.1, проходит во входном устройстве в горизонтальной плоскости. Направляющий и хвостовой концы лопатки могут быть плоскими, но каждый из них или оба эти конца могут иметь также криволинейный профиль. Термин "основное направление потока газа", используемый в описании, означает направление, которое поток газа будет иметь в процессе работы вдоль вогнутой поверхности лопаток, когда входное устройство для текучей среды размещено в большом открытом пространстве так, что окружающее оборудование не влияет на траекторию вытекающих газа и жидкости. Очевидно, что в вертикальной колонне во время работы на направление потока газа в выходной части лопатки уже будет влиять распределение давления в колонне и наличие близлежащей стенки колонны, и, как правило, газ отводится не в горизонтальном направлении, а с направленной вверх составляющей скорости, которая будет зависеть от точного размещения лопатки в колонне и от рабочих параметров.
Стрелка 37, кроме того, показывает направление в целом - вниз по потоку для отдельной лопатки.
Примеры каналов уловителей жидкости в соответствии с изобретением показаны на фиг.1 в общем ссылочными позициями 40, и более подробно они будут рассмотрены со ссылками на фиг.2-8.
В колонне 5 в соответствии с конкретным ее применением может быть установлено другое внутрикорпусное оборудование (не показано). Например, в случае разделительной колонны в ней может быть установлено одно или большее количество таких устройств, как проволочная сетка, пакетная система лопаток и/или центробежный сепаратор для жидкости, как это имеет место, например, в конструкции, известной из европейского патента ЕР 0195464 В1.
В случае установки входного устройства для текучей среды в колонне для перегонки под высоким вакуумом, оно может быть установлено ниже промывочного слоя.
При нормальном функционировании входного устройства 1 для текучей среды смесь газа и жидкости подают через впускной патрубок 12 и входной конец 10 устройства в, по существу, горизонтально расположенный канал 8. Каждая из лопаток 20 отсекает часть потока исходной смеси и отклоняет его в боковом направлении, направляя наружу. Первая лопатка с каждой стороны канала, т.е. лопатка самая ближняя к входному концу 10, расположена в потоке исходной смеси таким образом, что она отсекает и отклоняет часть потока, в то время как остальная часть потока исходной смеси перемещается вдоль входного канала 8. Эта остальная часть потока последовательно встречает на своем пути последующие лопатки, каждая из которых отсекает и отклоняет некоторую часть потока исходной смеси. Передняя кромка каждой последующей лопатки смещена относительно передней кромки предшествующей лопатки так, что постепенно поток уменьшается до тех пор, пока, наконец, не будет захвачен и отклонен последними лопатками.
Поскольку лопатки имеют криволинейный профиль, за счет действия силы инерции и центробежной силы частицы жидкости ударяются о поверхность лопаток и одновременно происходит разделение пара и жидкости. Жидкость накапливается на вогнутой поверхности лопаток до образования значительного по массе потока жидкости.
В воплощении устройства с двусторонним распределением потока, показанном на фиг.1, основное направление потока газа находится в целом в горизонтальной плоскости.
Фиг.2 иллюстрирует воплощение лопатки 20 в соответствии с настоящим изобретением, которая показана в перспективе со стороны с выпуклой поверхностью.
Лопатка 20 имеет отсекающую часть 22, имеющую прямолинейный профиль, и отклоняющую часть 25, содержащую криволинейный участок и хвостовой конец 27 с прямолинейным профилем. Радиус кривизны, вообще, выбирают в зависимости от размера входного патрубка. Угол между хвостовым концом и находящимся выше по потоку концевым участком (с направляющей кромкой), как правило, составляет от 70 до 110 градусов, предпочтительно от 80 до 100 градусов, например, по существу, равен 90 градусов. Канал 40 уловителя жидкости проходит от позиции 42, находящейся на верхней кромке 30 лопатки 20 выше по потоку, до позиции 44a хвостовой кромки 32, находящейся ниже по потоку. Указанные позиции выше по потоку и ниже по потоку отделены друг от друга вдоль основного направления потока 37 газа некоторым расстоянием. Канал также может проходить по хвостовой кромке так, как показано пунктирными линиями, до позиции 44b, находящейся еще ниже по потоку, которая может находиться даже ниже нижней кромки 31, как это показано на фиг.2 позицией 44c. Концевая часть канала, которая проходит по хвостовой кромке, кроме того, может быть частично криволинейной и/или направлять жидкость за пределы плоскости хвостовой кромки лопатки. С удалением от входного устройства в боковом направлении локальные скорости газа становятся более низкими, так что вероятность повторного уноса жидкости в этом месте, кроме того, минимизирована. Участок, проходящий за пределы хвостовой кромки 32 лопатки, подходящим образом образован полностью замкнутым по окружности трубчатым элементом, имеющим на торце выходной отверстие, но, конечно, трубчатый элемент может быть выполнен частично открытым сбоку, например открытым с нижней стороны. Изгиб части канала, проходящей по хвостовой кромке, например, изгиб, направленный вниз, может иметь преимущества в случае лопаток, которые заканчиваются вблизи стенки колонны, обеспечивая подавление механизма повторного уноса, связанного с ударом потока жидкости с высокой скоростью о стенку колонны.
Угловую часть 47 лопатки, находящуюся выше канала уловителя жидкости, предпочтительно срезают, поэтому она показана пунктирными линиями, и, следовательно, в этом случае канал уловителя жидкости проходит вдоль верхней кромки лопатки. Ширина отклоняющей части лопатки в результате такого выполнения уменьшается в направлении вниз по ходу течения потока. Угловой участок 47, однако, может быть оставлен на месте.
Позиция 42 выше по потоку представляет собой первое расстояние от нижней кромки 31, которое измеряют перпендикулярно направлению 37 движения основного потока. Позиция 44a, 44b, 44c ниже по потоку во всех случаях находится на меньшем расстоянии от нижней кромки, причем очевидно, что некоторое отрицательное расстояние в случае позиции 44с также является меньшим по величине расстоянием.
В любом случае виртуальная линия тока жидкости, протекающей вдоль лопатки, отклоняется между позицией 42, находящейся выше по потоку, и позицией 44a, 44b, 44c, находящейся ниже по потоку, от основного направления потока газа, которое в целом параллельно нижней кромке 31.
Приемлемый угол между основным направлением потока 37 и виртуальной линией, которая параллельна прямолинейному каналу 40 уловителя жидкости, показанный на фиг.2, составляет 10 градусов или более, предпочтительно 20 градусов или более, в частности 30 градусов или более, например, 45 градусов. Приемлемая величина этого угла не превышает 75 градусов, предпочтительно не превышает 65 градусов или менее, в частности, приемлем угол 60 градусов или менее.
На фиг.3 показано воплощение, в котором канал 40 уловителя выполнен искривленным. Показана также виртуальная прямая линия 46. Предпочтительно также, чтобы максимальный угол, образованный касательной 48, проведенной к криволинейному каналу уловителя, и основным направлением 37 потока, составлял 10 градусов или более, предпочтительно 20 градусов или более, в частности 30 градусов или более, например, 45 градусов. Подходящая величина этого угла составляет не более 80 градусов, предпочтительно 75 градусов или менее, более предпочтительно 65 градусов или менее, в частности, 60 градусов или менее.
В соответствии с другим видом воплощения, представленного на фиг.3, позиция 44 ниже по потоку канала уловителя жидкости находится на нижней кромке 31, так что отсутствует концевая кромка лопатки конечной длины, показанная позицией 32 на фиг.1 или 2. Такой вид воплощения, конечно, также может быть применимым и в других воплощениях, таких, как показанное на фиг.2.
Фиг.4 иллюстрирует еще одно воплощение лопатки 50 в соответствии с изобретением. Если лопатка относительно высокая, то на лопатке может быть недостаточно места для размещения кромок с уловителями в соответствии с изобретением под некоторым углом, который не слишком большой. В этом случае на лопатке может быть выполнена более чем одна кромка с уловителем, например 2, 3 или 4 кромки. В примере, иллюстрированном на фиг.4, показано три кромки 51, 52, 53 с уловителями, проходящими от позиций 55, 56, 57, находящихся выше по потоку, до позиций 61, 62, 63 ниже по потоку. Позиция выше по потоку самой высоко расположенной кромки уловителя находится на верхней кромке 30 лопатки 50. Каналы уловителей перекрывают друг друга в основном направлении потока 37 газа так, что позиция 56 кромки 52, находящаяся выше по потоку, выше позиции 61 кромки 51, находящейся ниже по потоку, а позиция 57 кромки 55, находящаяся выше по потоку, выше позиции 62 кромки 52, находящейся ниже по потоку. Участки лопатки, в общем, треугольного профиля, которые находятся в теневой области кромок с уловителями, могут быть отрезаны, как показано на фиг.4, но могут быть также и оставлены. Пунктирные линии за пределами позиций кромок, находящихся ниже по потоку, показывают, что каналы с уловителями могут быть продолжены дальше, как уже было отмечено выше со ссылкой на фиг.1, например, так, что все они освобождаются от жидкости на одинаковой высоте по вертикали, если это позволяет расстояние до стенки колонны. Следует отметить, что нет необходимости в том, чтобы каналы и/или возможные их концевые участки, выходящие за пределы конца лопатки, обязательно проходили параллельно, как это показано, и они могут быть, по меньшей мере, частично искривленными.
Входные устройства для текучей среды иногда содержат два или большее количество расположенных один над другим рядов криволинейных лопаток, например, в так называемой двойной (или многорядной) лестничной структуре. Такое решение, как правило, используют в том случае, когда лопатки в противном случае могут стать слишком большими для прохождения через технологический люк при их установке в колонне. Если в таком комплекте лопатки различных лестничных структур снабжены каналами с уловителями в соответствии с изобретением, получается конфигурация, сходная с иллюстрируемой на фиг.4.
На фиг.5 схематически показаны три криволинейных лопатки 71, 72, 73, установленные вровень с изготовленной из листового материала верхней стенкой 75 входного устройства для текучей среды. Концы 77, 78 кромок 81, 82 с уловителями, находящиеся выше по потоку, лопаток 71, 72 расположены на кромке верхней стенки 75. Предпочтительно между верхней стенкой и каналом уловителя отсутствует проход для жидкости с лопатки. Приемлемо, чтобы концы 77, 78, расположенные выше по потоку, были герметично присоединены или прикреплены к верхней стенке. В частности, конец, расположенный выше по потоку, может быть расположен под верхней стенкой (включая расположение под продолжением по горизонтали до верхней стенки), например, за счет отрезания лопатки немного больше, в направлении внутреннего объема устройства, и размещения конца, расположенного выше по потоку, так, что он фиксируется в контакте с верхней стенкой и может быть приварен к ней.
В лопатке 73 кромка уловителя также проходит из позиции, в которой верхняя кромка лопатки выходит из верхней стенки 75. Первая часть 85 канала уловителя проходит вдоль верхней продольной кромки лопатки 73, в общем, горизонтально с последующим изгибом канала уловителя вниз. Первая часть 85 канала может также представлять собой отдельный канал, или она может отсутствовать.
Концевая часть 87 лопатки 83 за пределами пунктирной линии 88 может быть продолжением лопатки 73, которое не сформовано заодно с лопаткой, а присоединено к части 89 лопатки, расположенной выше по потоку. Такая концевая часть, например, может быть прикреплена в процессе модернизации уже существующего (имеющегося в распоряжении) входного устройства для текучей среды для того, чтобы изменить/улучшить его характеристики. Соединение указанных элементов лопатки может быть осуществлено с помощью любого из известных способов, например путем сварки. Если желательно, то может быть смонтирована также верхняя продольная кромочная часть 85 канала. Кроме того, в качестве альтернативы модернизация устройства может быть произведена путем размещения кромок с уловителями на имеющихся в устройстве лопатках, что более приемлемо после обрезания ее углов.
На фиг.6 показано поперечное сечение двух вариантов выполнения лопаток 20a и 20c, проведенное через их соответствующие хвостовые концы, если смотреть в направлении выше по ходу движения потока. На этом чертеже используются ссылочные номера позиций, принятые на фиг.1. Фиг.6 иллюстрирует несколько различных вариантов выполнения каналов уловителей жидкости в соответствии с настоящим изобретением.
Канал 40a уловителя жидкости образован трубчатым элементом, который проходит от первой продольной кромки 104a канала, прикрепленной к выпуклой поверхности 106a лопатки, до второй продольной кромки 108a канала, расположенной за пределами верхней кромки 30a и направленной в сторону вогнутой поверхности 109a, т.е. за пределами плоскости, ограниченной хвостовым концом 27 криволинейной лопатки.
Жидкость, которая будет протекать вдоль основного направления потока газа, будет попадать в канал 40a уловителя жидкости и направляться в сторону конца канала, находящегося в направлении вниз по потоку, и тем самым повторный унос жидкости предотвращается.
Канал 40c уловителя жидкости образован угловым профилем, а не трубчатым участком. Продольная кромка 104c канала сзади лопатки не присоединена к выпуклой поверхности 106c, за счет чего образована щель 110c. Канал уловителя жидкости согласно данному воплощению также улавливает жидкость, но газ может выходить через щель 110c в направлении вниз.
Следует понимать, что варианты каналов уловителя жидкости, показанные на верхних кромках, могут быть аналогичным образом применены на кромках, имеющих в колонне другую ориентацию. В дополнение к каналам уловителей, которые в соответствии с изобретением расположены с наклоном относительно основного направления потока газа, кроме того, лопатки могут быть снабжены и другими каналами уловителей, например, каналами, проходящими в продольном направлении вдоль, по меньшей мере, верхней или нижней кромки, в целом, параллельно основному направлению движения потока газа.
Хотя на каком-либо из чертежей не показано, но возможно также, чтобы конец канала уловителя жидкости, находящийся ниже по потоку, был расположен перед концом лопатки, находящимся ниже по потоку. Это может быть, например, достаточным для улавливания, когда хвостовой конец отклоняющей части лопатки проходит далеко внутрь резервуара аппарата, где скорости газа достаточно низкие уже выше по потоку от хвостовой кромки лопатки.
На фиг.7 схематически представлен ряд других вариантов выполнения каналов уловителя жидкости в поперечном сечении, подобных каналам, показанным на фиг.3.
Канал 111 уловителя жидкости образован трубчатым участком, в целом подобным участку 40a (на фиг.6), но этот канал не доходит до плоскости, в которой расположена хвостовая кромка лопатки, не пересекает эту плоскость и не направлен в сторону вогнутой поверхности кромки.
Канал 113 уловителя жидкости проходит с другой стороны так далеко в направлении вогнутой стороны лопатки, что образуется лишь относительно небольшая входная щель 114.
Канал 115 уловителя образован трубчатым участком, однако не присоединенным к выпуклой поверхности лопатки, по меньшей мере, не по всей длине, так что образуется щель 116, подобная по своему функционированию щели 110с.
Каналы 117 и 119 уловителя жидкости образованы угловыми профилями и герметично присоединены к выпуклой поверхности лопатки.
Канал 121 уловителя жидкости образован L-образным профилем, к которому присоединен трубчатый участок в форме полуцилиндра.
Необходимо понимать, что в тех случаях, когда канал уловителя жидкости (имеющий трубчатый, угловой или иной профиль) присоединен к выпуклой поверхности лопатки, отдельные отверстия для выхода газа могут быть выполнены в нижней части канала сзади выпуклой поверхности, если это необходимо.
Каналы 123, 125, 127, 129, 131 и 133 уловителя жидкости все выполнены заодно целое с лопаткой, что может обеспечить эффективное и рентабельное изготовление устройства.
Предпочтительно отсекающая часть каждой лопатки образует некоторый угол с основным направлением потока, протекающего через входной конец. Приемлемо, чтобы величина этого угла составляла 10 градусов или менее.
Выбор конкретной конфигурации канала уловителя жидкости будет зависеть от конкретной практической ситуации.
Вообще говоря, расстояние между лопатками, измеренное по их выходным торцам, предпочтительно сохраняют в определенных пределах. Это расстояние предпочтительно составляет не менее 5 см и не более 60 см, например, около 10 см или около 40 см.
Максимальную высоту (или ширину) лопаток выбирают в соответствии с размером входного патрубка аппарата, и, как правило, она находится в интервале от 10 до 80 см. При больших величинах входных патрубков устройство может быть укомплектовано двойной или многорядной лестничной структурой из лопаток, как это отмечено выше.
Выбранный размер канала уловителя жидкости будет зависеть, главным образом, от количества переносимой каналом жидкости, что, в частности, зависит от высоты лопатки на входе. В каналах, соответствующих заявленному изобретению, во многих случаях большая часть жидкости, осажденной на лопатках за счет разделения, должна будет отводиться за пределы лопаток, и необходимо, чтобы размеры канала соответствовали этой задаче. Типичный размер канала, например диаметр трубчатого элемента или ширина, или высота углового профиля, как правило, будет составлять от 3 до 50 мм, приемлемо от 5 до 30 мм, в частности, от 5 до 20 мм. Преимущество размещения канала на кромке таким образом, как это было описано выше, состоит в том, что часть канала легко можно разместить на выпуклой поверхности, где этот канал в наименьшей степени возмущает поток газа, за счет чего его продолжение в направлении вогнутой поверхности, где преобладают самые высокие скорости потока, может быть минимизировано.
Канал уловителя жидкости имеет входное отверстие для жидкости, предпочтительно в виде продольной щели, проходящей вдоль соответствующей продольной кромки лопатки, при этом подходящая ширина входного отверстия находится в пределах от 1 до 20 мм, предпочтительно от 1 до 12 мм, более предпочтительно от 2 до 10 мм.
Воплощение, схематически представленное на фиг.1, представляет собой типичную конструкцию входного устройства для текучей среды, выполненного с лопатками. Однако помимо типа входного устройства для текучей среды, показанного на фиг.1, каналы уловителя жидкости, выполненные в соответствии с заявленным изобретением, могут быть также применены и к другим типам входного устройства, например, таким как известное из вышеупомянутого патентного документа GB 1119699 и описанное выше со ссылкой на фиг.1-3, представленные в указанном документе. В известном воплощении лопатки размещены так, что они все отклоняют поток исходной смеси в одну сторону, при этом с другой стороны от лопаток внутренний объем ограничен стенкой, которая соединена с боковыми стенками так, что получается конструкция типа короба, одна сторона которого образована рядом лопаток. Этот ряд лопаток может быть в этом случае ориентирован в направлении вниз, так, что жидкая фаза стекает вниз в виде некоторого количества отдельных потоков на расположенный ниже лоток или собирается непосредственно в нижней части колонны. Следует отметить, что на фиг.4 и фиг.5, сопровождающих описание изобретения к указанному патенту Великобритании, показано входное устройство общего типа с настоящим, представленным на фиг.1, но без каналов уловителей жидкости, соответствующих настоящему изобретению.
На фиг.8 представлено еще одно воплощение лопатки в соответствии с изобретением. Изображенная на фиг.8 лопатка 90, в частности, является подходящей для входного устройства, направляющего текучую среду вниз.
Лопатка 90 снабжена двумя каналами 92, 93 уловителя жидкости, проходящими от двух позиций 94, 95, находящихся выше по потоку, до позиций 96, 97, находящихся ниже по потоку, которые в данном примере, как показано, почти совмещаются. Помимо того, можно устроить общий направляющий канал 99 для жидкости, как показано, который может быть прямолинейным, как это показано, или искривленным в направлении подходящей позиции для выпуска жидкости. По аналогии с описанием воплощения, представленного на фиг.5, концы каналов, расположенные выше по потоку, предпочтительно герметично присоединены или прикреплены к стенкам/листовым элементам (не показано), образующим входной канал.
Каналы уловителя жидкости могут быть выполнены из того же металла, что и лопатка, и могут быть присоединены к лопатке или выполнены с ней заодно с использованием сварки, болтового соединения, изгибания (кромки лопатки).
За счет уменьшения количества жидкости, уносимой потоком газа вверх, что достигается в соответствии с настоящим изобретением, разделение жидкости и газа на оборудовании, размещенном выше входного устройства, сводится к минимуму.
Входное устройство для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением может быть с преимуществом использовано в перегонной колонне, работающей под высоким вакуумом. В таких колоннах исходная смесь, как правило, содержит 30-50 мас.% жидкости. Было установлено, что при высоких входных скоростях, превышающих 100 м/с, унос жидкости может стать существенным, так что относительная доля общего количества жидкости, поступающей во входное устройство, которая увлекается потоком газа вверх, превышает 10%. При более высоких скоростях унос жидкости становится еще больше. Большой унос жидкости представляет проблему для промывочных слоев, которые обычно установлены выше входного устройства для текучей среды. Настоящее изобретение позволяет значительно снизить этот унос.
Входное устройство для текучей среды согласно настоящему изобретению, кроме того, может быть с выгодой использовано в разделительном аппарате. Чем больше общая эффективность разделения входного устройства, тем легче могут выполнить свои функции другие разделительные устройства, размещенные внутри корпуса аппарата, такие как коагулятор, сетчатая насадка, пакетная система лопаток или центробежный сепаратор для жидкости (вихревая тарелка, циклон, мультициклон). Это позволит снизить требования, предъявляемые к конструкции такого внутрикорпусного оборудования, и/или обеспечит большую производительность, и/или позволит встраивать меньшие и/или более дешевые сепараторы.
Технологическим аппаратом может быть вертикальная колонна, но, помимо того, и другие типы аппаратов.
Пример
Входное устройство для текучей среды было испытано до и после его модернизации - снабжения каналами уловителей жидкости в соответствии с настоящим изобретением. Входное устройство было установлено в горизонтальном положении в колонне диаметром 1 м, в целом такое, как показано на фиг.1, но выполнено с двойной лестничной структурой, состоящей в общем из 28 лопаток, по 14 лопаток с каждой стороны устройства, установленных в два ряда, по 7 лопаток в каждом ряду. Каждая лопатка имела высоту 0,144 м, а диаметр подводящего трубопровода, присоединенного к входу колонны, составлял 0,28 м.
Входное устройство для текучей среды было испытано перед установкой каналов уловителей жидкости. К подводящему трубопроводу подводилась смесь из воды и воздуха, при этом в подводящем трубопроводе вода диспергировалась в потоке воздуха в виде капель такого размера, который обычно реализуется в транспортных трубопроводах, подключенных к аппаратам, работающим при высоком вакууме. Опыты проводились в интервале скоростей 30-60 м/с при массовом соотношении воды и воздуха, равном 0,3.
Количество уносимой воды в потоке газа определяли, используя пакетную систему лопаток, установленную выше входного устройства с лопатками. Воду, захваченную пакетом лопаток, сливали и измеряли ее количество. Унос можно было определить как массу жидкости, отведенной из потока с помощью пакета лопаток, отнесенную к единице объема газа.
Затем входное устройство для текучей среды было снабжено треугольными концевыми участками лопаток, такими, как показаны позицией 87 на фиг.5, имеющими одинаковую высоту и длину, равную 0,144 м, в результате чего была создана одна кромка под углом 45 градусов с горизонтальным основным направлением потока газа. Вдоль этой кромки был размещен канал 83 уловителя, образующий, таким образом, с основным направлением потока газа угол также равный 45 градусов. Длина участка 83 канала составляла 0,22 м. Канал был продолжен дальше вдоль горизонтальной верхней кромки исходной лопатки до верхнего листового элемента, образующего верхнюю стенку устройства, так, как это показано на фиг.5 позицией 85.
Канал уловителя имел профиль 121, иллюстрируемый на фиг.7. Диаметр трубчатого элемента, выполненного в виде половины цилиндра и размещенного на вершине лопатки, был равен 10 мм. Размер щели на вогнутой поверхности лопатки между верхней кромкой лопатки и кромкой канала составлял 3 мм.
Эксперименты, проведенные после установки каналов уловителя в соответствии с изобретением, сохраняя во всем остальном идентичные условия, показали, что в интервале реализуемых скоростей входа воздуха унос был уменьшен от 2 до 3 раз.
Как уже было отмечено, могут быть использованы и другие каналы уловителей, например, такие каналы уловителей, которые проходят вдоль, по меньшей мере, части верхней или нижней кромки, в общем параллельно основному направлению потока газа. Они могут быть установлены в дополнение или даже вместо каналов уловителей, наклоненных относительно основного направления потока газа, например, в случае конкретных лопаток входного устройства, для которых установка наклонных каналов уловителей при модернизации устройства не возможна, но возможна модернизация посредством установки продольных каналов.
Характерной ситуацией, в которой такие продольные каналы уловителей являются полезными, являются входные устройства с так называемой двойной (или многорядной) лестничной структурой из лопаток. Эти устройства, в целом сходные с устройством, представленным на фиг.1, но содержат две или более лестницы (или слоя) лопаток, установленные одна выше другой. Такое конструктивное исполнение обычно выбирают, когда, в противном случае, лопатки могут стать слишком большими для прохождения через люк, используемый при монтаже колонны. Например, лопатка, показанная на фиг.4, может быть образована из трех уложенных одна на другую лопаток, каждая из которых имеет один наклонный канал 51, 52, 53 уловителя жидкости.
Во входном устройстве с лопатками, образующими двойную (или многорядную) лестничную структуру, более высоко установленные лопатки будут подвержены воздействию подъемного потока газа, поперечно обтекающего лопатки, выходящего из образованной лопатками нижней лестницы, на их нижние продольные кромки. Канал уловителя жидкости, размещенный на нижней продольной кромке верхней лопатки, будет собирать жидкость на нижней кромке, и в то же время экранировать нижнюю кромку от восходящего потока газа, так что вероятность повторного уноса сведена к минимуму. Кроме того, канал уловителя жидкости может быть полезным при его размещении на самой нижней продольной кромке лопаточного входного устройства.
Очевидно, что в конструкции с двойной (или многорядной) лестничной структурой лопаток нижняя кромка верхней лопатки и верхняя кромка лопатки, находящейся ниже, могут быть обе снабжены каналом уловителя жидкости. В характерном воплощении два смежных соседних продольных канала могут быть соединены или объединены друг с другом, что выгодно, когда между лопатками образовано небольшое пространство. Одно такое характерное воплощение схематически представлено на фиг.9, где, как и на фиг.6, показан вид в поперечном сечении хвостовых концов нижней части верхней лопатки 181 и верхней части нижней лопатки 182. При этом на фиг.9 представлено одно возможное воплощение объединенных каналов 185, 186 уловителей жидкости, размещенных на нижней кромке 188 верхней лопатки и на верхней кромке 189 нижней лопатки соответственно.
Таким образом, согласно изобретению обеспечивается также входное устройство для текучей среды, подходящее для ввода в технологический аппарат смеси жидкости и газа, содержащее входной канал для потока, имеющий входной конец для приема смеси жидкости и газа, и большое количество криволинейных направляющих лопаток, размещенных одна за другой вдоль входного канала для потока, при этом каждая лопатка содержит отсекающую часть, проходящую в направлении входного конца входного канала устройства, и направленную наружу отклоняющую часть лопатки, имеющую хвостовой конец, расположенный между продольными кромками, при этом криволинейная лопатка имеет в целом выпуклую поверхность и в целом вогнутую поверхность, причем отклоняющие части двух соседних лопаток образуют выходной канал входного устройства, и, по меньшей мере, одна из лопаток снабжена вдоль, по меньшей мере, части одной или обеих продольных кромок ее отклоняющей части каналом уловителя жидкости.
Высокие скорости подвода текучей среды могут служить важным фактором повторного уноса уже отделенной жидкости в поток газа, происходящего с продольных кромок лопатки, в особенности на хвостовом конце отклоняющей части лопатки. Термин "продольный" используется в настоящем описании для обозначения направления, по существу совпадающего с основным направлением потока текучей среды вдоль лопаток, как правило, горизонтальным при нормальной работе устройства, ориентированного так, как показано на фиг.1.
Кромка лопатки, снабженная уловителем, предотвращает повторный унос, обусловленный воздействием потока газа, обтекающего под некоторым углом продольную кромку.
На фиг.10 в увеличенном масштабе схематически представлена часть входного устройства 201 для жидкости с лопатками 220a, 220b, 220с и 220d, показанными с горизонтальными верхней и нижней кромками 230a, b, с, d и 231а, b, с, d соответственно вместе с хвостовыми концами 27а, b, с, d лопаток. Устройство 201 в целом в значительной степени сходно с устройством, изображенным на фиг.1. В то же время фиг.10 иллюстрирует на различных лопатках ряд различных вариантов выполнения продольных каналов 240а, b, с, d уловителей жидкости. На фиг.6 представлено поперечное сечение, проведенное через хвостовые кромки, если смотреть на них в направлении стрелки А (фиг.10). Здесь следует отметить, что для установления соответствующей ссылочной позиции на фиг.10, к ссылочным номерам позиций, указанным на фиг.6, необходимо добавлять цифру 200. Далее сделана ссылка на приведенное выше описание в отношении фиг.6, которое применяется здесь по аналогии.
Жидкость, которую будет увлекать с собой газ, протекающий над кромкой вверх, например, над кромкой 230a, будет захвачена в канал 240a и направлена в сторону находящегося ниже по потоку конца 252a канала 240a уловителя жидкости, и таким образом повторный унос предотвращается.
Канал 240b уловителя жидкости выполнен подобным, за исключением того, что конец 252b, расположенный ниже по потоку, проходит за пределы хвостовой кромки 32b. При удалении от входного устройства в боковом направлении локальные скорости газа снижаются, поэтому вероятность повторного уноса в этом месте еще больше минимизируется. Участок, проходящий за пределы хвостовой кромки 32b лопатки, образован полностью замкнутой по окружности трубкой, имеющей на конце выходное отверстие 252с.
Канал 240c уловителя жидкости образован угловым профилем вместо трубчатого элемента, рассмотренного выше, со ссылкой на фиг.6.
Канал уловителя 240d также образован трубчатым элементом, однако его часть 258d, выходящая за пределы лопатки, согнута вниз так, чтобы направить жидкость в желательном направлении. Это может быть выгодным в том случае, если лопатки заканчиваются близко к стенке колонны, для подавления механизма повторного уноса, обусловленного ударом потока жидкости с высокой скоростью о стенку колонны.
Следует понимать, что варианты каналов уловителей жидкости, показанные на верхних продольных кромках, аналогичным образом могут быть использованы и на нижних продольных кромках, или на негоризонтальных продольных кромках лопаток другой формы или другую ориентацию в колонне.
Одним таким примером является канал 40e уловителя жидкости, размещенный на нижней продольной кромке лопатки 220d. На нижней кромке силы гравитации тянут жидкость с кромки вниз. С другой стороны, следует понимать, что, кроме того, на нижней кромке возможно протекание потока газа в поперечном направлении.