ПОПЛАВКОВЫЙ КЛАПАН ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
FLOAT VALVE FOR CHEMICAL REACTOR

Настоящее изобретение относится к поплавковому клапану для управления потоком жидкости и для перекрытия прохождения как жидкости, так и газа. Более конкретно, изобретение относится к химическому реактору с одной или более фильтрующими тарелками, с поплавковыми клапанами, установленными на фильтрующих тарелках, для контроля уровня жидкости в тарелке и для предотвращения обхода газа во время работы реактора при недостаточном уровне или отсутствии жидкости в тарелках и, таким образом, чтобы не допустить падения давления. Реактор может представлять собой каталитический реактор с нисходящими потоками газа и жидкости, который содержит вертикально расположенные один над другим уплотненные слои каталитического материала в виде частиц. Этот тип реактора используется в нефтеперерабатывающей и химической промышленности для проведения различных каталитических реакций, таких как конверсия серы и азота (HDS/HDN - гидрообессеривание и гидродеазотирование), гидрирование олефинов (HYD) и ароматических углеводородов (гидродеароматизация - HDA), удаление металлов (гидродеметаллизация - HDM), конверсия кислорода (гидродезоксигенирование - HDO) и гидрокрекинг (НС). Альтернативно, реактор представляет собой радиальный конвертер, в котором элементы полок должны крепиться к реактору. В этом реакторе используется радиальный поток, который проходит через уплотненный слой каталитического материала, и он, как правило, используется в нефтеперерабатывающей и химической промышленности для проведения каталитических реакций, таких каталитический риформинг и синтез аммиака.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В некоторых технологиях переработки, использующих двухфазные потоки, существует потребность в преимущественном выпуске жидкости из ограниченного пространства.
Один из типичных примеров можно найти в реакторах для гидропроцессинга, работающих с низкокипящим сырьем. При обычных рабочих условиях в таких реакторах перерабатывают сырье в газовой фазе. Однако во время запуска, когда система находится в холодном состоянии, загружаемое сырье полностью или частично находится в жидкой фазе, любое замкнутое пространство, в котором жидкость может накапливаться внутри таких реакторов, может подвергаться риску возникновения сбоев. Такая ситуация может возникнуть на тарелках для улавливания окалины, установленных внутри установок гидроочистки нафты.
Такие тарелки устанавливаются на установках, испытывающих проблемы с перепадом давления, когда твердые частицы различного происхождения, а также продукты коррозии, попадающие в реактор от расположенного выше по потоку оборудования, накапливаются в сортировочных или каталитических слоях. Чтобы продлить длительность рабочего цикла установки и контролировать изменения перепада давления с течением времени, в некоторых реакторах таких установок устанавливают различные типы систем для улавливания твердых частиц/окалины. Несмотря на то, что газовая фаза является единственной фазой в реакторах при нормальных условиях эксплуатации, такие системы улавливания твердых частиц/окалины должны также иметь возможность обрабатывать жидкость.
Жидкость подается в реактор(-ы) при запуске в течение периода времени от подачи сырья до момента, когда температура на входе в реактор будет выше, чем конечная точка кипения сырья, загружаемого при запуске. Поскольку данный период времени находится в диапазоне нескольких часов, подается большое количество жидкости, и любая установленная тарелка в реакторе должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечивать перекачку жидкости на следующий уровень.
В данной области техники эта проблема обычно решается установкой трубок для перекачки жидкости. Одним из недостатков таких систем является то, что эти трубки остаются открытыми на протяжении всего цикла, и газ технологического процесса, содержащий твердые частицы и окалину, может обходить систему для улавливания окалины.
Следовательно, существует потребность в технологии клапана, который открывается, когда жидкость находится в тарелке, предпочтительно, обеспечивая поток жидкости в направлении вниз по потоку, но закрывается, если жидкость отсутствует, таким образом, чтобы обрабатывался газ и тарелки для улавливания окалины могли выполнять свою функцию в отношении всего сырья в газовой фазе, без какого-либо обхода.
Патент US 5989414 описывает саморегулирующуюся экстракционную насадку для экстрагирования поверхности, расположенной над базовой жидкостью, включая всасывающую трубку, имеющую, по меньшей мере, одну прорезь, проходящую через нее. Канал насадки простирается наружу от, по меньшей мере, одной прорези. Канал насадки соединен с возможностью скольжения с внешней стороной всасывающей трубки и поплавком для поддержания канала насадки на уровне поверхностной текучей среды.
Патент US 5009079 описывает простое устройство для управления потоком в трубопроводе для отвода конденсата для предотвращения прохождения через него потока пара хладагента и регулирования потока жидкого хладагента в зависимости от уровня накопленного жидкого хладагента в отводном трубопроводе. Единственной движущейся частью является поплавковое устройство, которое перемещается вверх по корпусу цилиндрического клапана в соответствии с уровнем жидкого хладагента, чтобы тем самым воздействовать на прорези в корпусе клапана, которые обеспечивают прохождение потока жидкого хладагента к возвратному трубопроводу хладагента к охладителю.
Патент US 2009158763 описывает поплавковое расширительное устройство для хладагента, включающее в себя основной корпус, напорную трубу, поплавковый элемент и разделительный элемент. Основной корпус включает в себя опорную плиту и трубчатый кожух. Напорная труба, установленная на опорной плите, имеет второе отверстие трубы и третье отверстие трубы. Стенка напорной трубы имеет, по меньшей мере, одно отверстие вблизи второго отверстия трубы. Поплавковый элемент окружает напорную трубу для контроля зоны отверстия для прохождения жидкости. Разделительный элемент, окружающий поплавковый элемент, расположен на опорной плите и образует внутренний канал с трубчатым кожухом. Разделительный элемент имеет несколько каналов для прохождения жидкости вблизи опорной плиты. Жидкость под высоким давлением, поступающая в основной корпус, направляется для прохождения через каналы для жидкости с тем, чтобы перемещать поплавковый элемент для контроля зоны отверстия для прохождения жидкости. Затем жидкость высокого давления преобразуется в жидкость низкого давления.
Несмотря на упомянутый выше известный уровень техники, существует потребность в надежном клапане, который может работать в неблагоприятных условиях окружающей среды при повышенной температуре и давлении в средах, содержащих примеси.
ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к поплавковому клапану, который благодаря своей прочной конструкции особенно хорошо подходит для работы в химических реакторах, в которых присутствуют высокие давления и температуры. Его конструкция также обеспечивает надежную работу даже в средах с примесями, содержащимися в жидкости и газе.
Поплавковый клапан содержит трубку для перекачки жидкости, которая может перекачивать жидкость из одного положения в реакторе в другое, но будет перекрываться для перекачки газа. Высота уровня жидкости, которая приводит в действие клапан, чтобы обеспечить перекачку через трубку для перекачки жидкости, может быть выбрана путем изменения положения, высоты, на которой расположены отверстия для перекачки жидкости в трубке для перекачки. Эти отверстия для перекачки жидкости позволяют жидкости проникать в трубку для перекачки из одного положения или уровня, протекать через трубку для перекачки и вытекать на другом уровне или положении, например, из одной тарелки в реакторе на другую тарелку.
Обычно реакторы были оснащены такими трубками для перекачки, которые позволяют жидкости течь из одного положения в другое, как только достигнут определенный уровень жидкости. Но у таких традиционных трубок для перекачки есть недостаток, который заключается в том, что они также позволяют перекачку технологического газа из одного положения в другое, независимо от того, присутствует ли жидкость или она отсутствует. Это является проблемой, поскольку она позволяет, по меньшей мере, части технологического газа обходить этапы технологического процесса в реакторе и создает перепады давления на внутрикорпусных устройствах реактора.
Согласно настоящему изобретению эта проблема решается с помощью поплавка, который может блокировать отверстия при отсутствии жидкости, находящейся вокруг клапана, или когда уровень жидкости ниже определенного предела. Таким образом, технологический газ не может проходить через трубку для перекачки во время нормальной эксплуатации, когда присутствует только технологический газ; следовательно, отсутствует обход технологического газа и не возникает никаких перепадов давления. Поплавок содержит центральную трубку, которая свободно скользит вокруг трубки для перекачки, верхнюю плиту и одну или несколько боковых стенок. Верхняя плита может иметь тороидальную форму, а поплавок может иметь цилиндрическую форму. В таком варианте осуществления внутренний край плиты тороидальной формы соединен с центральной трубкой, а наружный край плиты тороидальной формы соединен с цилиндрической боковой стенкой. Однако для настоящего изобретения особенно важно, что поплавок не имеет закрытой нижней плиты. Могут использоваться элементы жесткости или плита с большими отверстиями, но для поплавка характерно, чтобы его дно было открытым таким образом, чтобы жидкость не попадала в ловушку внутри в поплавок. Таким образом, поплавок может работать, даже если он производится при нормальном атмосферном давлении и должен работать при высоких давлениях, а также в поплавке не улавливается газ, который может представлять риск, если он во время работы контактирует с технологическим газом реактора. Следовательно, в варианте осуществления изобретения поплавок может быть колоколообразным, с закрытым верхом и боковыми стенками, но с открытым дном. Объем и вес поплавка спроектированы таким образом, что любая технологическая жидкость, поднимающаяся в реакторе, способна поднимать поплавок благодаря его плавучести.
Центральная трубка поплавка предназначена для закрывания отверстий для перекачки. В варианте осуществления изобретения это делается с помощью уплотнительного кольца, которое соединено вокруг трубки для перекачки ниже отверстий для перекачки. Когда поплавок находится в своем нижнем положении (когда жидкость не поднимает поплавок), нижний край центральной трубки плотно прилегает к уплотнительному кольцу, и таким образом блокирует отверстия для перекачки трубки для перекачки.
Чтобы защитить поплавковый клапан от примесей, которые в противном случае могут заблокировать или затруднить работу клапана, защитный колпак может, в одном варианте осуществления, защитить верхнюю часть поплавкового клапана. Защитный колпак также может иметь колоколообразную форму с круглой верхней плитой, цилиндрической боковой стенкой и открытым дном. Но другие формы, такие как кубическая, прямоугольная, многогранные или подобные, могут также использоваться как для поплавка, так и для защитного колпака. В другом варианте осуществления поплавкового клапана, вентиляционные отверстия могут располагаться в верхней части защитного колпака для обеспечения свободного хода и скольжения поплавка.
Поплавковый клапан может быть использован для типов реакторов, используемых в нефтеперерабатывающей и химической промышленности для проведения различных каталитических реакций, таких как конверсия серы и азота (HDS/HDN - гидрообессеривание и гидродеазотирование), гидрирование олефинов (HYD) и ароматических углеводородов (гидродеароматизация - HDA), удаление металлов (гидродеметаллизация - HDM), конверсия кислорода (гидродезоксигенирование - HDO) и гидрокрекинг (НС). Альтернативно, поплавковый клапан может использоваться в реакторе, таком как радиальный конвертер, в котором элементы полок должны крепиться к реактору. В этом реакторе используется радиальный поток, который проходит через уплотненный слой каталитического материала, и он, как правило, используется в нефтеперерабатывающей и химической промышленности для проведения каталитических реакций, таких каталитический риформинг и синтез аммиака.
ОСОБЕННОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Поплавковый клапан для химического реактора, содержащий
- трубку для перекачки жидкости, содержащую, по меньшей мере, одно отверстие для перекачки жидкости;
- уплотнительное кольцо, расположенное на указанной трубке для перекачки ниже указанного, по меньшей мере, одного отверстия для перекачки жидкости;
- поплавок, содержащий центральную трубку, выполненную с возможностью размещения вокруг указанной трубки для перекачки жидкости в свободном скользящем зацеплении,
причем указанный поплавок имеет достаточно большое соотношение объема к весу, чтобы позволить ему плавать на жидкости, и выполнен с возможностью находиться в уплотняющем зацеплении с указанным уплотнительным кольцом, когда указанный поплавок находится в нижнем положении относительно указанной трубки для перекачки жидкости, причем указанный поплавок представляет собой закрытый объем на его верхнем конце и боковых стенках и имеет отверстие на его нижнем конце.
2. Поплавковый клапан по признаку 1, в котором указанный поплавок имеет цилиндрическую форму с верхней плитой тороидальной формы и цилиндрической боковой стенкой и, причем наружная окружность указанной тороидальной плиты соединена с верхним краем цилиндрической боковой стенки, а внутренняя окружность указанной тороидальной плиты соединена с верхним концом указанной центральной трубки, и, в котором указанный поплавок не имеет нижней плиты.
3. Поплавковый клапан по любому из предшествующих признаков, в котором указанное уплотняющее зацепление имеется между нижним краем указанной центральной трубки и указанным уплотнительным кольцом.
4. Поплавковый клапан по любому из предшествующих признаков, в котором указанное, по меньшей мере, одно отверстие для перекачки жидкости выполнено в виде одной или нескольких прорезей.
5. Поплавковый клапан по любому из предшествующих признаков, дополнительно содержащий защитный колпак поверх указанной трубки для перекачки жидкости с открытым нижним концом и внутренним диаметром, большим наружного диаметра указанного поплавка, для защиты указанного поплавкового клапана от окалины и загрязнений.
6. Поплавковый клапан по признаку 5, в котором указанный защитный колпак содержит вентиляционные отверстия в его верхней части.
7. Химический реактор, содержащий, по меньшей мере, одну тарелку, содержащую, по меньшей мере, один поплавковый клапан, в котором указанный поплавковый клапан содержит
- трубку для перекачки жидкости, содержащую, по меньшей мере, одно отверстие для перекачки жидкости;
- уплотнительное кольцо, расположенное на указанной трубке для перекачки ниже указанного, по меньшей мере, одного отверстия для перекачки жидкости;
- поплавок, содержащий центральную трубку, выполненную с возможностью размещения вокруг указанной трубки для перекачки жидкости в свободном скользящем зацеплении,
причем указанный поплавок имеет достаточно большое соотношение объема к весу, чтобы позволить ему плавать на жидкости, и выполнен с возможностью находиться в уплотняющем зацеплении с указанным уплотнительным кольцом, когда указанный поплавок находится в нижнем положении относительно указанной трубки для перекачки жидкости, причем указанный поплавок представляет собой закрытый объем на его верхнем конце и боковых стенках и имеет отверстие на его нижнем конце.
8. Химический реактор, содержащий, по меньшей мере, одну тарелку, содержащую, по меньшей мере, один поплавковый клапан по признаку 7, в котором указанный поплавок имеет цилиндрическую форму с верхней плитой тороидальной формы и цилиндрической боковой стенкой и, причем наружная окружность указанной тороидальной плиты соединена с верхним краем цилиндрической боковой стенки, а внутренняя окружность указанной тороидальной плиты соединена с верхним концом указанной центральной трубки, и, в котором указанный поплавок не имеет нижней плиты.
9. Химический реактор, содержащий, по меньшей мере, одну тарелку, содержащую, по меньшей мере, один поплавковый клапан по любому из признаков 7, 8, в котором указанное уплотняющее зацепление имеется между нижним краем указанной центральной трубки и указанным уплотнительным кольцом.
10. Химический реактор, содержащий, по меньшей мере, одну тарелку, содержащую, по меньшей мере, один поплавковый клапан по любому из признаков 7-9, в котором указанное, по меньшей мере, одно отверстие для перекачки жидкости выполнено в виде одной или нескольких прорезей.
11. Химический реактор, содержащий, по меньшей мере, одну тарелку, содержащую, по меньшей мере, один поплавковый клапан по любому из признаков 7-10, дополнительно содержащий защитный колпак поверх указанной трубки для перекачки жидкости с открытым нижним концом и внутренним диаметром, большим наружного диаметра указанного поплавка, для защиты указанного поплавкового клапана от окалины и загрязнений.
12. Химический реактор, содержащий, по меньшей мере, одну тарелку, содержащую, по меньшей мере, один поплавковый клапан по признаку 11, в котором указанный защитный колпак содержит вентиляционные отверстия в его верхней части.
13. Химический реактор, содержащий, по меньшей мере, одну тарелку, содержащую, по меньшей мере, один поплавковый клапан по любому из признаков 7-12, отличающийся тем, что указанный химический реактор представляет собой радиальный конвертер для проведения каталитических реакций, каталитического риформинга или синтеза аммиака, причем указанный радиальный конвертер выполнен с возможностью радиального потока, проходящего через уплотненный слой каталитического материала, и содержит элементы полок, причем указанные элементы полок прикреплены к указанному реактору.
14. Химический реактор, содержащий, по меньшей мере, одну тарелку, содержащую, по меньшей мере, один поплавковый клапан по любому из признаков 7-12, отличающийся тем, что указанный химический реактор представляет собой реактор, предназначенный для проведения каталитических реакций, конверсии серы и азота (HDS/HDN - гидрообессеривания и гидродеазотирования), гидрирования олефинов (HYD) и ароматических углеводородов (гидродеароматизации - HDA), удаления металлов (гидродеметаллизации - HDM), конверсии кислорода (гидродезоксигенирования - HDO) и гидрокрекинга (НС).
15. Применение поплавкового клапана по любому из признаков 1-6 для химического реактора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Изобретение далее иллюстрируется с помощью прилагаемых фигур, показывающих примеры вариантов осуществления изобретения.
Фиг. 1 иллюстрирует схематический чертеж узла поплавкового клапана на нижней плите тарелки.
Фиг. 2 иллюстрирует трубку для перекачки жидкости на нижней плите тарелки.
Фиг. 3 иллюстрирует вид в увеличенном масштабе отверстий для перекачки жидкости и уплотнительного кольца.
Фиг. 4 иллюстрирует поплавок.
Фиг. 5 иллюстрирует вид поплавка в разрезе.
Фиг. 6 иллюстрирует схематический чертеж узла поплавкового клапана на нижней плите тарелки.
Фиг. 7 иллюстрирует изометрический вид защитного колпака.
Фиг. 8 иллюстрирует вид защитного колпака в разрезе.
Фиг. 9 иллюстрирует вид в разрезе узла поплавкового клапана на нижней плите тарелки.
Фиг. 10 иллюстрирует детализированный вид в разрезе поплавкового клапана.
Фиг. 11 иллюстрирует вид в разрезе узла поплавкового клапана на нижней плите тарелки с уровнем жидкости.
Фиг. 12 иллюстрирует вид в разрезе узла поплавкового клапана на нижней плите тарелки с уровнем жидкости, поднимающим поплавок, и
Фиг. 13 иллюстрирует детализированный вид в разрезе узла поплавкового клапана с уровнем жидкости, поднимающим поплавок.
Номера ссылочных позиций
01 Поплавковый клапан.
02 Трубка для перекачки жидкости.
03 Отверстие для перекачки жидкости.
04 Уплотнительное кольцо.
05 Поплавок.
06 Центральная трубка.
07 Верхняя плита тороидальной формы.
08 Цилиндрическая боковая стенка.
09 Защитный колпак.
10 Вентиляционные отверстия.
11 Уровень жидкости.
12 Нижняя плита тарелки.
На Фиг. 1 поплавковый клапан 01 показан в изометрическом изображении. Его трубка для перекачки жидкости 02 расположена на нижней плите тарелки 12. Внутренние части клапана не видны, так как они покрыты защитным колпаком 09, который защищает их, например, от примесей и окалины. Чтобы предотвратить стопорение поплавка в защитном колпаке под воздействием давления снизу, защитный колпак оснащен вентиляционными отверстиями 10.
На Фиг. 2 показаны некоторые из внутренних частей поплавкового клапана, без поплавка и защитного колпака. Трубка для перекачки жидкости показана в ее общей длине, делая видимыми отверстия для перекачки жидкости 03, сформированные здесь в виде прорезей. Можно видеть, что уровень жидкости в тарелке можно варьировать, изменяя расстояние от нижней части прорезей до нижней плиты тарелки. Также видно уплотнительное кольцо 04, расположенное ниже отверстий. Эти элементы можно рассмотреть более подробно на Фиг. 3.
На Фиг. 4 и 5, поплавок 05 показан детально и в разрезе. Он представляет собой в принципе тороид цилиндрической формы, полностью открытый на нижней стороне, с верхней плитой тороидальной формы 07 и боковой стенкой цилиндрической формы 08. Центральная трубка 06 имеет чуть больший внутренний диаметр, чем наружный диаметр трубки для перекачки, чтобы обеспечить возможность для поплавка свободно скользить вверх и вниз вокруг трубки для перекачки, но меньший диаметр, чем наружный диаметр уплотнительного кольца, чтобы обеспечить возможность уплотняющего зацепления центральной трубки и уплотнительного кольца. Поплавок расположен на трубке для перекачки, как показано на Фиг. 6.
Защитный колпак детально показан на Фиг. 7 и в разрезе на Фиг. 8. Как и поплавок, защитный колпак также имеет в этом варианте осуществления цилиндрическую форму без нижней стороны. Он расположен поверх трубки для перекачки жидкости, чтобы покрывать и защищать поплавковый клапан и предотвратить попадание твердых частиц и окалины в пространство между поплавком и трубкой для перекачки.
Весь узел поплавкового клапана в сборе можно увидеть в разрезе на Фиг. 9. Защитный колпак покрывает поплавок, который находится в его нижнем положении при отсутствии жидкости. В этом положении центральная трубка опирается на уплотнительное кольцо и перекрывает отверстия для перекачки жидкости, таким образом, жидкость не может проникать в трубку для перекачки жидкости и протекать далее вниз до нижнего уровня ниже нижней плиты тарелки. Детализацию закрытых отверстий для перекачки жидкости можно увидеть в увеличенном масштабе на Фиг. 10. Такое же изображение представлено на Фиг. 11, но в этом случае в присутствии уровня жидкости 11, который может присутствовать в тарелке, без открывания поплавкового клапана, поскольку жидкость еще не превысила уровень плавучести поплавка. Однако на Фиг. 12 и в увеличенном масштабе на Фиг. 13 уровень жидкости в тарелке теперь настолько высок, что поплавок поднимается вследствие своей плавучести, поскольку газ над жидкостью остается в ловушке внутри корпуса поплавка. Это заставляет центральную трубку подниматься от уплотнительного кольца, позволяя прохождение жидкости через прорези / отверстия для перекачки жидкости и вниз по трубке для перекачки жидкости.
Когда температура внутри реактора возрастает выше конечной точки кипения жидкости, и в реактор поступает только газовая фаза, уровень жидкости будет уменьшаться и поплавковый клапан закроется. Оставшаяся жидкость в тарелке испарится и будет перенесена через тарелку в виде газа через трубки для перекачки газа. Перекачка газа через поплавковый клапан будет невозможна, поскольку клапан будет закрыт, когда центральная трубка снова опирается на уплотнительное кольцо.