РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ЖИДКОСТИ СО СМЕСИТЕЛЕМ
FLUID DISTRIBUTOR WITH MIXER

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Устройство и способы заявителей касаются устройств и способов для смешения и распределения жидкости, нисходящей в обменных колоннах для процессов тепло- и/или массопереноса. Данное устройство и способы имеют особое применение в процессах криогенного разделения воздуха, использующих дистилляцию, хотя данное устройство и способы также могут быть использованы в других процессах тепло- и/или массопереноса, которые используют насадку (например, произвольную или структурированную насадку). Способы заявителей также касаются способов сборки устройств для смешения и распределения жидкости, нисходящей в обменных колоннах.
Применяемый здесь термин "колонна" (или "обменная колонна") означает колонну дистилляции или фракционирования, т. е. колонну, где жидкая и паровая фазы противоточно контактируют, чтобы вызвать разделение текучей смеси, например, путем контакта паровой и жидкой фаз на насадочных элементах (в "насадочной колонне") или на последовательности вертикально разнесенных тарелок или пластин, установленных внутри колонны.
Криогенное разделение воздуха выполняют в дистилляционных колоннах, в которых жидкие и газовые смеси вступают в тесный контакт друг с другом. В каждой дистилляционной колонне паровая фаза смеси поднимается вверх с увеличением концентрации более летучих компонентов (например, азота), тогда как жидкая фаза смеси опускается вниз с увеличением концентрации менее летучих компонентов (например, кислорода). Различные средства, такие как насадки или тарелки, могут быть использованы, чтобы приводить жидкую и паровую фазы смеси в контакт, чтобы осуществлять массоперенос между фазами.
Существует много рабочих циклов для криогенного разделения воздуха на его основные компоненты, а именно азот, кислород и аргон. Типичный процесс, известный как цикл с колонной двойной ректификации, схематично показан на фигуре 1. Для краткости на этом схематичном изображении показаны только дистилляционные колонны и соответствующие криогенные теплообменники. Цикл с колонной двойной ректификации включает в себя колонну 10 высокого давления, колонну 12 низкого давления, аргоновую колонну 14, основной конденсатор 16 ребойлера, переохладитель 18, аргоновый конденсатор 20 и кожух 22 аргонового конденсатора.
Подаваемый воздух высокого давления 24 при давлении 4,5-5,5 бар абс. и ниже его точки росы подается в основание колонны 10 высокого давления. Внутри колонны 10 высокого давления воздух разделяется на обогащенный азотом пар 26 и обогащенную кислородом жидкость 28. Обогащенная кислородом жидкость 28 переохлаждается в переохладителе 18, понижается в давлении до приблизительно 1,2-1,4 бар абс. и подается в кожух 22 конденсатора аргона. Обогащенный азотом пар 26 проходит в основной ребойлер-конденсатор 16, где он конденсируется относительно кипящего кислорода, который обеспечивает подъем пара в колонну 12 низкого давления. Конденсированная, обогащенная азотом жидкость 30 частично используется в качестве орошения 32 для колонны 10 высокого давления и частично используется в качестве орошения 34 для колонны 12 низкого давления после переохлаждения последней в переохладителе 18 и снижения в давлении до приблизительно 1,2-1,4 бар абс. В колонне 12 низкого давления различное сырье разделяется криогенной дистилляцией на богатый кислородом и богатый азотом компоненты.
Газообразный кислородный продукт 35, также известный как GOX, выпускается из дна колонны 12 низкого давления, а газообразный азотный продукт 36, также известный как LPGAN, выпускается из верхней части колонны 12 низкого давления и нагревается в переохладителе 18 перед подачей в другие части установки. Поток отходов 38 также выпускается из промежуточного положения в колонне 12 низкого давления, нагревается в переохладителе 18 и подается в другие части установки.
Газофазный боковой поток 40 выпускается из другого промежуточного положения в колонне 12 низкого давления и подается на дно аргоновой колонны 14, где, после течения вверх в аргоновой колонне 14 и конденсации, он возвращается в виде жидкого потока 42, который подается обратно в колонну 12 низкого давления. Охлаждение конденсатора аргона 20 обеспечивается путем частичного испарения потока 28 в кожухе 22 конденсатора аргона, откуда он подается частично в виде пара 46 и частично в виде жидкости 48 в колонну низкого давления. Часть пара у вершины аргоновой колонны 14 выпускается в виде сырого аргона 50, также известного как CGAR, и подается в другие части установки для дополнительной переработки.
В каждой дистилляционной колонне разделение выполняется в одной или нескольких секциях, таких как секция 11 в колонне 10 высокого давления, секции 13, 15, 17, 19 и 21 в колонне 12 низкого давления и секции 23 и 25 в аргоновой колонне 14. Хотя могут быть использованы разные типы средств контакта, такие как тарелки или насадка, в примерах, обсуждаемых заявителями, предполагается, что все средства контакта сделаны из структурированной насадки и показаны таким образом.
Существует много устройств для равномерного распределения жидкого потока над насадочной секцией в насадочной колонне. Такие устройства раскрываются в различных патентах и книгах. Например, есть желобчатые распределители с множеством параллельных областей, в которых жидкость собирается и течет сквозь ряд отверстий на насадку внизу. Желоба с жидкостью могут равномерно располагаться по сечению колонны и могут питаться с помощью центрального канала, который идет перпендикулярно желобам и который сам может покрывать основную часть диаметра колонны. В больших колоннах желоба с жидкостью также могут соединяться возле стенки посредством кольцевой канавки, которая может быть средством для выравнивания гидравлических градиентов. Пар течет в параллельных областях между желобами с жидкостью в обычно прямоугольных стояках. Паровые области могут иметь колпаки, расположенные над ними, чтобы предохранять жидкость из секции выше от падения сквозь них вместо того, чтобы направлять жидкость в желоба, которые собирают и переносят жидкость в секцию колонны ниже. Такие распределители могут называться дымоходными распределителями. Есть также лотковые распределители, в которых паровые стояки могут быть, в общем, круглыми в сечении, и жидкость течет вокруг них и через отверстия на насадку внизу. Таким образом, есть много базовых конструкций и многочисленных вариаций базовой конструкции.
Начальную подачу жидкости и пара в насадку колонны выполняют с помощью таких распределителей. Распределитель жидкости, роль которого орошать насадку жидкостью, по существу равномерно расположен над насадкой, тогда как распределитель пара, роль которого в том, чтобы создавать, по существу, равномерный поток пара ниже насадки, находится под насадкой. В добавление к распределителю пара под насадкой также находится коллектор жидкости, роль которого в том, чтобы собирать жидкость, покидающую насадку, и направлять эту жидкость далее вниз колонны. Обычно коллектор жидкости и распределитель пара заключены в одном устройстве, которое выполняет обе роли.
Традиционно было только несколько распределителей, которые связаны со смешением, независимо или в комбинации с распределением жидкого потока. Эти устройства не являются хорошо выполненными с точки зрения их качества состава жидкости и распределения потока, особенно для больших криогенных дистилляционных колонн установки разделения воздуха, имеющих диаметр больше чем приблизительно 2 метра, так как данные устройства не обеспечивают полного смешения (а скорее только частичное смешение) и равномерного распределения жидкости в насадочную колонну для достижения высокой эффективности разделения, как делает устройство и способ заявителей. Надежность насадочных колонн также улучшается с помощью устройства и способов заявителей, которые предохраняют насадочные колонны от производственных отходов и эксплуатационных отходов путем применения фильтров.
Различные типы устройств использовали в насадочных колоннах или колоннах массопереноса, где такие устройства выполняют, по меньшей мере, частично одну или несколько следующих функций в отношении жидкости, нисходящей в колонне: сбор, распределение, перераспределение и смешение. Однако по разным причинам эти устройства не полностью перемешивают жидкость и, следовательно, не обеспечивают равномерность потока и состава жидкости. Например, такие устройства раскрываются в патенте США № 5158713 (Ghelfi, et al.); в патентах США № 5776316 (Potthoff, et al.); 5752538 (Billinham, et al.); 5935389 (Hine, et al.) и 7114709 (Ender, et al.). Смотри также коллектор и перераспределитель жидкости, раскрытый в публикации патентной заявки США № 2009/0049864 (Kovak, et al.). Другие примеры таких устройств включают в себя устройства, раскрытые в патентах США № 5240652 (Taylor, et al.); 5897748 (Kaibel); 6086055 (Armstrong, et al.) и 7007932 (Armstrong, et al.).
КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ
Есть различные аспекты устройства и способов заявителей и много вариаций каждого аспекта.
Один аспект представляет собой устройство для распределения потока жидкости, нисходящей во внутреннем пространстве насадочной колонны. Данное устройство включает в себя коллектор, смеситель, первый трубопровод и второй трубопровод. Коллектор имеет множество секторов, расположенных во внутреннем пространстве насадочной колонны, и приспособлен собирать, по меньшей мере, часть потока жидкости, нисходящей во внутреннем пространстве насадочной колонны. Смеситель находится ниже коллектора и вертикально разнесен от него во внутреннем пространстве насадочной колонны. Смеситель имеет множество зон, находящихся во внутреннем пространстве насадочной колонны, и приспособлен принимать и перемешивать, по меньшей мере, часть жидкости, собранной на коллекторе. Первый трубопровод имеет первый конец в сообщении по текучей среде с первым сектором коллектора и второй конец в сообщении по текучей среде с первой зоной смесителя. Первый трубопровод приспособлен принимать и передавать вниз, по меньшей мере, часть жидкости из первого сектора коллектора в первую зону смесителя. Второй трубопровод имеет первый конец в сообщении по текучей среде со вторым сектором коллектора и второй конец в сообщении по текучей среде со второй зоной смесителя. Второй трубопровод приспособлен принимать и передавать вниз, по меньшей мере, часть жидкости из второго сектора коллектора во вторую зону смесителя. Геометрический центр первого сектора коллектора смещен по окружности относительно геометрического центра первой зоны смесителя, и/или геометрический центр второго сектора коллектора смещен по окружности относительно геометрического центра второй зоны смесителя.
В первом варианте данного устройства геометрический центр первого сектора коллектора смещен по окружности относительно геометрического центра первой зоны смесителя на от приблизительно 60° до приблизительно 180° и предпочтительно от приблизительно 120° до приблизительно 180° и наиболее предпочтительно приблизительно на 180°.
В одном варианте данного первого варианта устройства геометрический центр второго сектора коллектора смещен по окружности относительно геометрического центра второй зоны смесителя на от приблизительно 60° до приблизительно 180° и предпочтительно от приблизительно 120° до приблизительно 180° и наиболее предпочтительно приблизительно на 180°.
В другом варианте любого устройства, обсуждаемого в трех предыдущих параграфах, площадь сечения смесителя занимает не больше чем приблизительно 25% и предпочтительно не больше чем приблизительно 20% площади сечения внутреннего пространства насадочной колонны.
Второе устройство аналогично первому устройству или любым вариантам, обсуждаемым выше, но также включает в себя предварительный распределитель. Предварительный распределитель расположен во внутреннем пространстве насадочной колонны и приспособлен принимать, по меньшей мере, часть потока смешанной жидкости из смесителя и передавать, по меньшей мере, часть принятого потока смешанной жидкости наружу из предварительного распределителя.
Третье устройство аналогично второму устройству или любому варианту, обсуждаемому выше, но также включает в себя конечный распределитель. Конечный распределитель расположен во внутреннем пространстве насадочной колонны и приспособлен принимать, по меньшей мере, часть потока предварительно распределенной жидкости из предварительного распределителя и передавать, по меньшей мере, часть принятого потока предварительно распределенной жидкости, по существу, равномерно над, по меньшей мере, частью площади сечения внутреннего пространства насадочной колонны.
В одном варианте третьего устройства предварительный распределитель включает в себя множество каналов, приспособленных передавать вниз, по меньшей мере, часть принятого потока смешанной жидкости. Дополнительно конечный распределитель включает в себя множество желобов, приспособленных передавать, по меньшей мере, часть потока предварительно распределенной жидкости. Каждый желоб имеет, по меньшей мере, одно отверстие и находится в сообщении по текучей среде с, по меньшей мере, одним каналом предварительного распределителя.
Четвертое устройство аналогично первому, второму или третьему устройствам или любым их вариантам, обсуждаемым выше, но также включает в себя фильтр. В одном варианте любого из этих устройств или их вариантов данный фильтр находится в смесителе.
Другой аспект представляет собой способ распределения потока жидкости, нисходящей во внутреннем пространстве насадочной колонны, который включает в себя девять этапов. Первый этап должен обеспечивать коллектор, имеющий множество секторов, расположенных во внутреннем пространстве насадочной колонны и приспособленный собирать, по меньшей мере, часть потока жидкости, нисходящей во внутреннем пространстве насадочной колонны. Второй этап должен обеспечивать смеситель под коллектором и вертикально разнесенный от него во внутреннем пространстве насадочной колонны, где данный смеситель имеет множество зон, расположенных во внутреннем пространстве насадочной колонны, и приспособлен принимать и перемешивать, по меньшей мере, часть жидкости, собранной на коллекторе. Третий этап должен обеспечивать первый трубопровод, имеющий первый конец в сообщении по текучей среде с первым сектором коллектора и второй конец в сообщении по текучей среде с первой зоной смесителя, где первый трубопровод приспособлен принимать и передавать вниз, по меньшей мере, часть жидкости из первого сектора коллектора в первую зону смесителя. Четвертый этап должен обеспечивать второй трубопровод, имеющий первый конец в сообщении по текучей среде со вторым сектором коллектора и второй конец в сообщении по текучей среде со второй зоной смесителя, где второй трубопровод приспособлен принимать и передавать вниз, по меньшей мере, часть жидкости из второго сектора коллектора во вторую зону смесителя. По меньшей мере, один из геометрического центра первого сектора коллектора смещен по окружности относительно геометрического центра первой зоны смесителя, и геометрического центра второго сектора коллектора смещен по окружности относительно геометрического центра второй зоны смесителя. Пятый этап должен вводить во внутреннее пространство насадочной колонны над коллектором поток жидкости, нисходящей во внутреннем пространстве насадочной колонны. Шестой этап должен собирать на коллекторе, по меньшей мере, часть потока жидкости, нисходящей во внутреннем пространстве насадочной колонны. Седьмой этап должен передавать вниз через первый трубопровод, по меньшей мере, часть жидкости из первого сектора коллектора в первую зону смесителя. Восьмой этап должен передавать вниз через второй трубопровод, по меньшей мере, часть жидкости из второго сектора коллектора во вторую зону смесителя. Девятый этап должен смешивать в смесителе жидкость, переданную в первую зону смесителя из первого сектора коллектора, с жидкостью, переданной во вторую зону смесителя из второго сектора коллектора, тем самым образуя смешанную жидкость.
В первом варианте данного способа геометрический центр первого сектора коллектора смещен по окружности относительно геометрического центра первой зоны смесителя на от приблизительно 60° до приблизительно 180° и предпочтительно от приблизительно 120° до приблизительно 180° и наиболее предпочтительно на приблизительно 180°.
В одном варианте первого варианта данного способа геометрический центр второго сектора коллектора смещен по окружности относительно геометрического центра второй зоны смесителя на от приблизительно 60° до приблизительно 180° и предпочтительно от приблизительно 120° до приблизительно 180° и наиболее предпочтительно на приблизительно 180°.
В другом варианте любого из способов, обсуждаемых в трех предыдущих параграфах, площадь сечения смесителя занимает не больше чем приблизительно 25% и предпочтительно не больше чем приблизительно 20% от площади сечения внутреннего пространства насадочной колонны.
Второй способ аналогичен первому способу или любому из вариантов, обсуждаемых выше, но включает в себя три дополнительных этапа. Первый дополнительный этап должен обеспечивать предварительный распределитель, расположенный во внутреннем пространстве насадочной колонны и приспособленный принимать, по меньшей мере, часть потока смешанной жидкости из смесителя и передавать, по меньшей мере, часть принятого потока смешанной жидкости наружу из предварительного распределителя. Второй дополнительный этап должен передавать из смесителя в предварительный распределитель, по меньшей мере, часть потока смешанной жидкости. Третий дополнительный этап должен передавать наружу из предварительного распределителя, по меньшей мере, часть принятого потока смешанной жидкости, принятой из смесителя.
Третий способ аналогичен второму способу или любому из вариантов, обсуждаемых выше, но включает в себя три добавочных дополнительных этапа. Первый добавочный дополнительный этап должен обеспечивать конечный распределитель, расположенный во внутреннем пространстве насадочной колонны и приспособленный принимать, по меньшей мере, часть потока предварительно распределенной жидкости из предварительного распределителя и передавать, по меньшей мере, часть принятого потока предварительно распределенной жидкости, по существу, равномерно над, по меньшей мере, частью площади сечения внутреннего пространства насадочной колонны. Второй добавочный дополнительный этап должен принимать с помощью конечного распределителя, по меньшей мере, часть потока предварительно распределенной жидкости из предварительного распределителя. Третий добавочный дополнительный этап должен передавать, по меньшей мере, часть принятого потока предварительно распределенной жидкости, по существу, равномерно над, по меньшей мере, частью площади сечения внутреннего пространства насадочной колонны.
В одном варианте третьего способа предварительный распределитель включает в себя множество каналов, приспособленных передавать вниз, по меньшей мере, часть принятого потока смешанной жидкости. Дополнительно конечный распределитель включает в себя множество желобов, приспособленных передавать, по меньшей мере, часть потока предварительно распределенной жидкости, где каждый желоб имеет, по меньшей мере, одно отверстие и находится в сообщении по текучей среде с, по меньшей мере, одним каналом предварительного распределителя.
Четвертый способ аналогичен первому, второму или третьему способу или любому их варианту, обсуждаемому выше, но включает в себя два дополнительных этапа. Первый дополнительный этап должен обеспечивать фильтр. Второй дополнительный этап должен фильтровать, по меньшей мере, часть жидкости. В одном варианте любого из этих способов или их вариантов данный фильтр расположен в смесителе.
Еще один аспект представляет собой способ сборки устройства для распределения потока жидкости, нисходящей во внутреннем пространстве насадочной колонны, где данный способ сборки включает в себя пять этапов. Первый этап должен обеспечивать насадочную колонну, имеющую внутреннее пространство. Второй этап должен обеспечивать во внутреннем пространстве насадочной колонны коллектор, имеющий множество секторов и приспособленный собирать, по меньшей мере, часть потока жидкости, нисходящей во внутреннем пространстве насадочной колонны. Третий этап должен обеспечивать во внутреннем пространстве насадочной колонны смеситель внизу от коллектора и вертикально разнесенный от него, где данный смеситель имеет множество зон, расположенных во внутреннем пространстве насадочной колонны и приспособленных принимать и перемешивать, по меньшей мере, часть жидкости, собранной на коллекторе. Четвертый этап должен обеспечивать первый трубопровод, имеющий первый конец в сообщении по текучей среде с первым сектором коллектора и второй конец в сообщении по текучей среде с первой зоной смесителя, где первый трубопровод приспособлен принимать и передавать вниз, по меньшей мере, часть жидкости из первого сектора коллектора в первую зону смесителя. Пятый этап должен обеспечивать второй трубопровод, имеющий первый конец в сообщении по текучей среде со вторым сектором коллектора и второй конец в сообщении по текучей среде со второй зоной смесителя, где второй трубопровод приспособлен принимать и передавать вниз, по меньшей мере, часть жидкости из второго сектора коллектора во вторую зону смесителя. Геометрический центр первого сектора коллектора смещен по окружности относительно геометрического центра первой зоны смесителя и/или геометрический центр второго сектора коллектора смещен по окружности относительно геометрического центра второй зоны смесителя.
В первом варианте способа сборки геометрический центр первого сектора коллектора смещен по окружности относительно геометрического центра первой зоны смесителя на от приблизительно 60° до приблизительно 180° и предпочтительно от приблизительно 120° до приблизительно 180° и наиболее предпочтительно на приблизительно 180°.
В одном варианте первого варианта способа сборки геометрический центр второго сектора коллектора смещен по окружности относительно геометрического центра второй зоны смесителя на от приблизительно 60° до приблизительно 180° и предпочтительно от приблизительно 120° до приблизительно 180° и наиболее предпочтительно на приблизительно 180°.
В другом варианте любого из способов, обсуждаемых в трех предыдущих параграфах, площадь сечения смесителя занимает не больше чем приблизительно 25% и предпочтительно не больше чем приблизительно 20% от площади сечения внутреннего пространства насадочной колонны.
Второй способ сборки устройства аналогичен первому способу сборки или любому из вариантов, обсуждаемых выше, но включает в себя дополнительный этап. Данный дополнительный этап должен обеспечивать во внутреннем пространстве насадочной колонны предварительный распределитель, приспособленный принимать, по меньшей мере, часть потока смешанной жидкости из смесителя и передавать, по меньшей мере, часть принятого потока смешанной жидкости наружу из предварительного распределителя.
Третий способ сборки устройства аналогичен второму способу сборки или любому из вариантов, обсуждаемых выше, но включает в себя другой дополнительный этап. Данный другой дополнительный этап должен обеспечивать во внутреннем пространстве насадочной колонны конечный распределитель, приспособленный принимать, по меньшей мере, часть потока предварительно распределенной жидкости из предварительного распределителя и передавать, по меньшей мере, часть принятого потока предварительно распределенной жидкости, по существу, равномерно над, по меньшей мере, частью площади сечения внутреннего пространства насадочной колонны.
В одном варианте третьего способа сборки предварительный распределитель включает в себя множество каналов, приспособленных передавать вниз, по меньшей мере, часть принятого потока смешанной жидкости. Дополнительно конечный распределитель включает в себя множество желобов, приспособленных передавать, по меньшей мере, часть потока предварительно распределенной жидкости, где каждый желоб имеет, по меньшей мере, одно отверстие и находится в сообщении по текучей среде с, по меньшей мере, одним каналом предварительного распределителя.
Четвертый способ сборки устройства аналогичен первому, второму или третьему способу сборки или любому их варианту, обсуждаемому выше, но включает в себя дополнительный этап обеспечения фильтра. В одном варианте любого из этих способов или их вариантов данный фильтр расположен в смесителе.
Другой аспект представляет собой способ криогенного разделения воздуха, который включает в себя противоточное контактирование восходящего пара и нисходящей жидкости в насадочной колонне, имеющей внутреннее пространство с первой секцией массопереноса в данном внутреннем пространстве и вторую секцию массопереноса снизу и разнесенную от первой секции массопереноса во внутреннем пространстве. В этом способе устройство, такое как обсуждаемое выше устройство или любые его варианты, расположено между первой секцией массопереноса и второй секцией массопереноса и распределяет поток нисходящей жидкости из первой секции массопереноса во вторую секцию массопереноса.
Еще один аспект представляет собой способ распределения потока жидкости, нисходящей во внутреннем пространстве насадочной колонны, который включает в себя пять этапов. Первый этап должен вводить во внутреннее пространство насадочной колонны над коллектором, расположенным во внутреннем пространстве, поток жидкости, нисходящей во внутреннем пространстве насадочной колонны. Второй этап должен собирать на данном коллекторе, по меньшей мере, часть потока жидкости, нисходящей во внутреннем пространстве насадочной колонны. Третий этап должен передавать вниз через первый трубопровод в сообщении по текучей среде с коллектором, по меньшей мере, часть жидкости из первого сектора коллектора в первую зону смесителя, расположенного в данном внутреннем пространстве ниже и разнесенного от коллектора, посредством чего жидкость, передаваемая через первый трубопровод, переносится по окружности из первого сектора коллектора в первую зону смесителя. Четвертый этап должен передавать вниз через второй трубопровод в сообщении по текучей среде с коллектором, по меньшей мере, часть жидкости из второго сектора коллектора во вторую зону смесителя, посредством чего жидкость, передаваемая через второй трубопровод, переносится по окружности из второго сектора коллектора во вторую зону смесителя. Пятый этап должен смешивать в смесителе жидкость, переданную в первую зону смесителя из первого сектора коллектора, с жидкостью, переданной во вторую зону смесителя из второго сектора коллектора, тем самым образуя смешанную жидкость.
В первом варианте этого способа жидкость, передаваемая через первый трубопровод, переносится по окружности из первого сектора коллектора в первую зону смесителя на от приблизительно 60° до приблизительно 180°, предпочтительно от приблизительно 120° до приблизительно 180° и наиболее предпочтительно приблизительно на 180°.
В одном варианте первого варианта этого способа жидкость, передаваемая через второй трубопровод, переносится по окружности из второго сектора коллектора во вторую зону смесителя на от приблизительно 60° до приблизительно 180°, предпочтительно от приблизительно 120° до приблизительно 180° и наиболее предпочтительно приблизительно на 180°.
В другом варианте любого из способов, обсуждаемых в трех предыдущих параграфах, площадь сечения смесителя занимает не больше чем приблизительно 25% и предпочтительно не больше чем приблизительно 20% от площади сечения внутреннего пространства насадочной колонны.
Второй способ аналогичен первому способу (описанному в четырех предыдущих параграфах) или любому из вариантов, обсуждаемых выше, но включает в себя два дополнительных этапа. Первый дополнительный этап должен передавать из смесителя в предварительный распределитель, расположенный во внутреннем пространстве насадочной колонны, по меньшей мере, часть потока смешанной жидкости. Второй дополнительный этап должен передавать наружу из предварительного распределителя, по меньшей мере, часть принятого потока смешанной жидкости, принятой из смесителя.
Третий способ аналогичен второму способу в предыдущем параграфе или любому из вариантов, обсуждаемых выше, но включает в себя два добавочных дополнительных этапа. Первый добавочный дополнительный этап должен принимать с помощью конечного распределителя, расположенного во внутреннем пространстве насадочной колонны, по меньшей мере, часть потока предварительно распределенной жидкости из предварительного распределителя. Второй добавочный дополнительный этап должен передавать, по меньшей мере, часть принятого потока предварительно распределенной жидкости, по существу, равномерно над, по меньшей мере, частью площади сечения внутреннего пространства насадочной колонны.
В одном варианте третьего способа в предыдущем параграфе предварительный распределитель включает в себя множество каналов, приспособленных передавать вниз, по меньшей мере, часть принятого потока смешанной жидкости. Дополнительно конечный распределитель включает в себя множество желобов, приспособленных передавать, по меньшей мере, часть потока предварительно распределенной жидкости, где каждый желоб имеет, по меньшей мере, одно отверстие и находится в сообщении по текучей среде с, по меньшей мере, одним каналом предварительного распределителя.
Четвертый способ аналогичен первому, второму или третьему способу сборки или любому их варианту, обсуждаемому выше в семи предыдущих параграфах, но включает в себя два дополнительных этапа. Первый дополнительный этап должен обеспечивать фильтр. Второй дополнительный этап должен фильтровать, по меньшей мере, часть данной жидкости. В одном варианте любого из этих способов или их вариантов данный фильтр расположен в смесителе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Устройство и способы заявителей будут описаны с помощью примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, где:
фигура 1 представляет собой схематичное изображение типичного цикла с колонной двойной ректификации для криогенного разделения воздуха;
фигура 2А представляет собой схематичное изображение вида сверху в разрезе для одного варианта осуществления устройства заявителя;
фигура 2В представляет собой схематичное изображение вида спереди в разрезе, изображающее один тип коллектора с входами трубопроводов одного варианта осуществления устройства заявителей;
фигура 2С представляет собой схематичное изображение другого вида в разрезе, изображающее смеситель и одно расположение трубопроводов одного варианта осуществления устройства заявителей;
фигуры 2D и 2F представляют собой схематичные изображения вида спереди в разрезе, изображающие секторы коллектора и геометрические центры секторов одного варианта осуществления устройства заявителей;
фигуры 2Е и 2G представляют собой схематичные изображения вида спереди в разрезе, изображающие зоны смесителя и геометрические центры зон одного варианта осуществления устройства заявителей;
фигура 3А представляет собой схематичное изображение вида сверху в разрезе другого варианта осуществления устройства заявителя;
фигуры 3В и 3D представляют собой схематичные изображения вида спереди в разрезе, изображающие секторы коллектора и геометрические центры секторов другого варианта осуществления устройства заявителей;
фигуры 3С и 3Е представляют собой схематичные изображения вида спереди в разрезе, изображающие зоны смесителя и геометрические центры зон другого варианта осуществления устройства заявителей;
фигура 4А представляет собой схематичное изображение вида сверху в разрезе части устройства заявителей между двумя насадочными секциями в насадочной колонне;
фигура 4В представляет собой схематичное изображение вида спереди в разрезе части устройства заявителей между двумя насадочными секциями в насадочной колонне;
фигура 5 представляет собой схематичное изображение вида сверху в разрезе другого варианта осуществления части устройства заявителей между двумя насадочными секциями в насадочной колонне;
фигура 6 представляет собой схематичное изображение, используемое при анализе параллельных колонн в примере 1;
фигура 7 представляет собой другое схематичное изображение, используемое при анализе параллельных колонн в примере 1 для базового случая диспропорции жидкости;
фигура 8 представляет собой график, изображающий влияние диспропорции жидкости с постоянным CGAR потоком, показывающий результаты примера 1;
фигура 9 представляет собой другое схематичное изображение, используемое при анализе параллельных колонн в примере 1 для случая перемешивания промежуточной жидкости;
фигура 10 представляет собой другое схематичное изображение, используемое при анализе параллельных колонн в примере 1 для случая переноса промежуточной жидкости на 180°;
фигура 11 представляет собой другое схематичное изображение, используемое при анализе параллельных колонн в примере 1 для случаев переноса промежуточной жидкости на 120° и переноса промежуточной жидкости на 60°;
фигура 12 представляет собой график, изображающий влияние угла, под которым промежуточная жидкость переносится в примере 1;
фигура 13 представляет собой схематичное изображение, используемое при анализе параллельных колонн в примере 2; и
фигура 14 представляет собой график, изображающий влияние диспропорции жидкости с постоянным CGAR потоком, показывающий результаты примера 2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Устройство и способы заявителей смешивают и распределяют жидкость, нисходящую в колонне, равномерно по площади сечения насадочной секции колонны. Данное устройство включает в себя коллектор, смеситель, предварительный распределитель, чтобы распространять жидкость наружу из смесителя, и конечный распределитель, чтобы осаждать жидкость равномерно по площади сечения насадочной секции колонны. Один вариант осуществления данного устройства также включает в себя средства (например, трубопроводы, организованные определенным образом, описанным здесь), чтобы компенсировать любую неадекватность смешения, которая может происходить в смесителе. Необязательно данное устройство может включать в себя фильтр, через который может протекать, по меньшей мере, часть жидкости, чтобы защитить насадочную колонну от эксплуатационных обломков и технологических обломков. Если внешнюю подачу жидкости в колонну необходимо вводить в насадочную секцию ниже, такую подачу можно подходящим образом вводить в смеситель после отделения такой жидкости от любого газа, который может присутствовать в ней.
Характеристики насадочной колонны зависят от качества распределения жидкости и пара, что включает равномерность потока и состава двух фаз по сечению на входе колонны. Разные секторы насадочной колонны имеют разные уровни чувствительности к диспропорции в зависимости от отношения между их равновесными и рабочими линиями. Хотя важность равномерности течения хорошо понятна в литературе, композиционные эффекты менее понятны. Для чувствительных секций считается важным перемешивать всю или, по существу, всю приходящую жидкость и затем перераспределять жидкость, по существу, равномерно по площади сечения колонны. Хотя равномерное течение может быть достигнуто, полное перемешивание требует тонких и дорогих устройств и часто приводит к увеличению высоты колонны. Это особенно верно для колонн большого диаметра, таких как колонны с диаметром больше чем приблизительно 2 метра.
Устройство и способы заявителей достигают преимуществ полного перемешивания экономичным образом без введения более скрупулезных этапов, которые были бы необходимы для получения полного композиционного перемешивания. Необязательный фильтр помогает защищать распределитель жидкости и насадочную колонну от обломков, которые могут накапливаться из секций дистилляции и/или подачи выше. Такие обломки могут забивать отверстия в распределителе жидкости и приводить к недостатку производительности в насадочной колонне ниже. Таким образом, в дополнение к обеспечению высокой эффективности насадочной колонны, что может давать меньшую высоту слоев, что возможно с распределителями предшествующего уровня техники, устройство и способы заявителей обеспечивают более надежную работу благодаря устранению или минимизации проблем, которые могут вызываться обломками.
Для ясности фигуры 2А-2G, 3А-3Е, 4А-4В и 5 изображают только части всего устройства описанных вариантов осуществления.
Как показано на фигурах 2А-2С, устройство 60 установлено во внутреннем пространстве колонны 62. (Внутреннее пространство представляет собой пространство, содержащееся внутри внутренней стенки колонны 62). Внутреннее пространство колонны 62 на фигурах 2А-2С разделено на две стороны колонны "А" и "В".
Фигуры 2А-2С показывают некоторые признаки одного варианта осуществления устройства, которые будут описаны, чтобы проиллюстрировать, как работает этот вариант осуществления. На фигуре 2А жидкость из насадочной секции (не показана) выше капает вниз на коллектор 61. В изображенном варианте осуществления коллектор 61 имеет кольцевой элемент возле внутренней стенки колонны 62. Жидкость течет из коллектора 61 в смеситель 64 через трубопроводы 66 и 68. Потоки жидкости из двух трубопроводов объединяются в смесителе 64. Жидкость покидает смеситель 64 и в итоге распределяется на насадку (не показана) ниже.
Предпочтительно вся или, по существу, вся жидкость, нисходящая сверху в колонне 62, проходит через коллектор 61 и трубопроводы (66 и 68), и не обходит коллектор 61 или трубопроводы (66 и 68). Примеры оборудования, которое может быть использовано для коллекторов, показаны на фигурах 3-7 в публикации патентной заявки США № 2009/0049864 А1 (Kovak, et al.), которая включена сюда посредством ссылки в своей полноте для всего, что она описывает без исключения любой ее части.
В варианте осуществления, изображенном на фигурах 2А-2С, трубопровод 66 переносит собранную жидкость из стороны колонны "В" выше на сторону колонны "А" ниже, тогда как трубопровод 68 переносит собранную жидкость из стороны колонны "А" выше на сторону колонны "В" ниже. Другими словами и как изображено стрелкой на фигуре 2С, жидкость, входящая в трубопровод 66 из коллектора 61, переносится на 180 градусов в направлении окружности ко времени, когда она покидает трубопровод 66 в смеситель 64 (т. е. жидкость переносится по окружности). Хотя желательно, чтобы сторона колонны "А" и сторона колонны "В" в изображенном варианте осуществления были однородными, специалист в данной области технике будет понимать, что возможны варианты для механического рассмотрения.
Чтобы прояснить работу устройства и способов заявителей для систем с асимметричными положениями трубопроводов или для систем с более чем двумя трубопроводами, полезно понимать, где происходит поток в трубопровод и где идет сток трубопровода. Это можно объяснить, используя схематичные изображения на фигурах 2D-2G.
На фигуре 2D вводится понятие "сектора" коллектора 61. Как показано на фигуре 2D, жидкость из насадки (не показана) над коллектором 61 капает на коллектор 61, течет в направлениях, указанных стрелками, во входы трубопроводов (66 и 68). Из-за симметрии положений трубопроводов (т. е. входы трубопроводов 66 и 68 находятся под 180°) жидкость течет в два сектора коллектора 61, первый сектор 63 и второй сектор 73. Жидкость из первого сектора 63 течет во вход трубопровода 66; а жидкость из второго сектора 73 течет во вход трубопровода 68.
На фигуре 2F геометрия первого сектора 63 коллектора 61 представляет собой область, ограниченную полукругом и хордой, идущей от 90° до 270° (т. е. область, помеченная поперечной штриховкой). Геометрический центр первого сектора 63 лежит на линии, идущей от центра круга (центр колонны 62) к точке 0° на внутренней стенке колонны 62. Положение этого геометрического центра такое, как приблизительно указано стрелкой 67.
На фигуре 2Е вводится понятие "зоны" смесителя 64. Как показано на фигуре 2Е, жидкость из трубопроводов 66 и 68 выпускается в смеситель 64, течет в направлении, указанном стрелками, выходит в конечный распределитель (не показан) и, в итоге, переносится на насадку (не показана) внизу. Из-за симметрии положения трубопроводов (т. е. выходы трубопроводов 66 и 68 находятся под 180°) жидкость течет в две зоны смесителя 64, первую зону 65 и вторую зону 75. Жидкость течет из выхода трубопровода 66 в первую зону 65; и жидкость течет из выхода трубопровода 68 во вторую зону 75.
На фигуре 2 геометрия первой зоны 65 смесителя представляет собой прямоугольную область, обозначенную поперечной штриховкой. Геометрический центр первой зоны 65 лежит на линии, идущей от центра окружности (центра колонны 62) к точке 180° на внутренней стенке колонны 62. Положение этого геометрического центра находится приблизительно, как показано стрелкой 69.
Для варианта осуществления, описанного в предыдущих параграфах и показанного на фигурах 2А-2G, жидкость из первого сектора 63 коллектора 61 переносится по трубопроводу 66 в первую зону 65 смесителя 64, где геометрический центр 67 первого сектора 63 коллектора 61 смещен по окружности относительно геометрического центра 69 первой зоны 65 смесителя 64 на 180°.
Фигуры 3А-3Е показывают некоторые признаки другого варианта осуществления, которые будут описаны, чтобы проиллюстрировать, как работает этот вариант осуществления с большим числом трубопроводов. На фигуре 3А есть четыре трубопровода 70, 72, 74 и 76, которые собирают жидкость из коллектора 61 и доставляют эту жидкость в смеситель 64. Предпочтительно вся или, по существу, вся жидкость, нисходящая сверху в колонне 62, проходит через коллектор 61 и трубопроводы (70, 72, 74 и 76) и не обходит коллектор 61 или трубопроводы.
На фигуре 3В жидкость из насадки (не показана) выше капает на коллектор 61, течет в направлениях, указанными стрелками и во входы четырех трубопроводов (70, 72, 74 и 76). Вследствие симметрии положений трубопроводов (т. е. входы трубопроводов 70, 72, 74 и 76 расположены через 90°) жидкость течет в четыре сектора коллектора 61. Жидкость из первого сектора 63 течет в трубопровод 70.
На фигуре 3D геометрия первого сектора 63 коллектора 61 представляет собой область в форме пирога, ограниченную частью окружности (внутренняя стенка колонны 62) и двумя линиями: одна линия идет от точки 45° на окружности к центру (центр колонны 62); другая линия идет от точки 315° на окружности к центру. Область в форме пирога обозначена поперечной штриховкой. Геометрический центр этого первого сектора 63 коллектора 61 лежит на линии, идущей от центра круга (центр колонны 62) к точке 0° на внутренней стенке колонны 62. Положение геометрического центра приблизительно показано стрелкой 67.
На фигуре 3С жидкость из трубопроводов (70, 72, 74, 76) выпускается в смеситель 64, течет в направлениях, указанных стрелками, и выходит в конечный распределитель (не показан) и в итоге на насадку (не показана) ниже. Вследствие симметрии положений трубопроводов (т. е. выходы трубопроводов 70, 72, 74 и 76 расположены через 90°) жидкость течет в четыре зоны смесителя 64. Жидкость течет из выхода трубопровода 70 в первую зону 65.
На фигуре 3Е геометрия первой зоны 65 смесителя 64 представляет собой треугольную область, обозначенную поперечной штриховкой. Геометрический центр первой зоны лежит на линии, идущей от центра круга (центр колонны 62) к точке 90° на внутренней стенке колонны 62. Положение геометрического центра приблизительно показано стрелкой 69.
Для вариантов осуществления, описанных в предыдущих параграфах и показанных на фигурах 3А-3Е, жидкость из первого сектора 63 коллектора 61 переносится по трубопроводу 70 в первую зону 65 смесителя 64, причем геометрический центр 67 первого сектора 63 коллектора 61 смещен по окружности относительно геометрического центра 69 первой зоны 65 смесителя на 90°.
Как обсуждается выше и изображено на фигурах 2А-2G и 3А-3Е, применяемый здесь термин "сектор" коллектора 61 представляет собой геометрическую часть площади верхней поверхности коллектора 61, из которой жидкость принимается трубопроводом, а "зона" смесителя 64 представляет собой геометрическую часть объема смесителя 64, в которую жидкость переносится трубопроводом. Так как формы и размеры секторов коллектора 61 могут меняться, как могут меняться формы и размеры смесителя 64, относительное положение, на которое сектор смещен по окружности относительно зоны (например, 60 градусов, 180 градусов или некоторое другое число градусов), может измеряться от геометрического центра упомянутого сектора к геометрическому центру упомянутой зоны.
Заметим, что варианты осуществления, изображенные на фигурах 2А-2G и 3А-3Е, являются только типичными вариантами осуществления. Другие варианты осуществления могут переносить жидкость из множества трубопроводов в регулярном порядке, или некотором другом порядке, и в разные направления окружности. Например, жидкость может смещаться по окружности в трубопроводе на приблизительно от 60 до 180 градусов, предпочтительно приблизительно от 120 до 180 градусов и наиболее предпочтительно приблизительно на 180 градусов.
Хотя варианты осуществления, изображенные на фигурах 2А-2G и 3А-3Е, предполагают однородность трубопроводов, секторов коллектора 61 и зон смесителя 64, из которых и в которые жидкость переносится трубопроводами, специалисты в данной области техники будут понимать, что возможны варианты в коллекторе 61 и смесителе 64, и в формах, размерах и положениях трубопроводов, учитывая механическое рассмотрение.
Стрелки на фигуре 2Е являются идеализированными и представляют случай с малым смешением жидкостей или без смешения. Специалисты в данной области техники будут понимать, что различные средства могут быть использованы в смесителе, чтобы поддерживать лучшее или более полное смешивание, но эти средства (i) добавляют механическую сложность; (ii) добавляют стоимость; и (iii) обычно являются только частично эффективными, так как обычно предлагается компромисс для достижения "достаточно хорошего" смешения. Устройство и способы заявителей преодолевают эти проблемы путем обеспечения хороших показателей даже для случая, показанного на фигурах с малым смешением или без смешения.
Площадь сечения смесителя 64 составляет относительно небольшой процент от полной площади сечения внутреннего пространства колонны 62. Чтобы усилить полное смешивание, обеспечивается перенос жидкости по окружности из коллектора 61 в смеситель 64, чтобы компенсировать любой недостаток полного смешения, который может иметь место в смесителе 64. Это может быть важно в насадочных секциях, выполняющих чувствительные разделения, и в очень больших дистилляционных колоннах. Если жидкость извне колонны 62 необходимо ввести в нее, такая жидкость может помещаться внутри смесителя 64 в пространстве между трубопроводами или возле них, так что вся или, по существу, вся жидкость, поступающая в насадочную секцию ниже, будет хорошо перемешана, или, по меньшей мере, будет разделяться, по существу, равномерно на стороны колонны "А" и "В" (изображенные на фигурах 2А и 2В).
В описанных вариантах осуществления смеситель 64 занимает не больше чем 25% и предпочтительно не больше чем 20% площади сечения внутреннего пространства колонны 62.
Фигуры 2А-2С показывают расположение с двумя трубопроводами 66, 68, а фигура 3 показывает расположение с четырьмя трубопроводами 70, 72, 74, 76. Однако может быть использовано другое число трубопроводов, и трубопроводы могут иметь разные формы. Также, трубопроводы в альтернативных организациях не обязаны быть идентичными друг другу. Трубопроводы (например, 66 и 68, или 70, 72, 74 и 76) показанные на фигурах 2С и 3А, изображены как трубопроводы круглой формы, расположенные в местах, показанных относительно колонны 62 и смесителя 64. Однако трубопроводы могут иметь другие формы и/или могут быть расположены в других местах.
Специалисты в данной области техники будут понимать, что возможны многочисленные варианты в отношении размера, положения, длины, организации и числа трубопроводов. Трубопроводы многих типов, расположенные и организованные различным образом, могут выполнять задачи трубопроводов, показанных в вариантах осуществления, обсуждаемых и изображенных здесь.
Другие части данного устройства описываются теперь со ссылкой на фигуры 4А, 4В и 5. Фигуры 4А и 4В показывают один вариант осуществления части устройства, установленного в колоне 62 между двумя насадочными секциями 78 и 80. Насадочные секции могут включать в себя структурированную насадку, произвольную насадку или любое другое подходящее средство контактирования жидкости и газа.
Данное устройство включает в себя смеситель 64, который является прямоугольным в сечении в варианте осуществления, изображенном на фигурах 4А и 4В. Специалисты в данной области техники будут понимать, что смеситель 64 может иметь разные формы и может быть расположен в других местах, хотя изображен центральный смеситель 64. Необязательно фильтр 82 расположен внутри смесителя 64. Для ясности коллектор и трубопроводы, которые подают жидкость в смеситель из секции 78 выше, не показаны, но они будут подавать всю или, по существу, всю жидкость внутри фильтра 82 внутри смесителя 64 со смещением по окружности, как описано ранее.
Смеситель 64 имеет твердое дно 84 в варианте осуществления, изображенном на фигурах 4А и 4В. Таким образом, вся жидкость, собранная в смесителе 64, течет через фильтр 82, когда фильтр 82 применяется, и затем через перфорированные вертикальные стенки 86 в предварительный распределитель 88, который включает в себя каналы 90А-90F. Другие участки перфорированных вертикальных стенок 86 смесителя 64, которые не соединяются с каналами 90А-90F, являются сплошными, чтобы удерживать жидкость и поддерживать некоторый уровень внутри смесителя 64.
Каждый из каналов 90А-90F имеет верхнюю камеру и нижнюю камеру. Камеры разделены перфорированной пластиной с отверстиями 93. Таким образом, жидкость из верхней камеры каждого канала 90А-90F спускается через отверстия 93 перфорированной пластины в соответствующую нижнюю камеру. Нижние камеры каналов 90А-90F соединяются с множеством желобов, таких как желоб 94, показанный в качестве примера.
Каждый желоб имеет ряд отверстий 96, подающих жидкость в насадочную секцию 80 ниже. В изображенном варианте осуществления желоба расположены параллельным образом, перемежаясь с промежутками 98 для подъема пара колонны 62. Желоба также присоединяются к кольцевой канавке 100. Существует взаимосвязанная сеть желобов, кольцевой канавки 100 и участков нижних камер каналов 90А-90F, которая позволяет выравниваться гидравлическим градиентам, чтобы создавать очень равномерный поток через отверстия 96 в насадочную секцию 80 ниже.
Фигура 5 показывает другой вариант осуществления, который также имеет шесть каналов 90А-90F, которые организованы в шестиугольный рисунок. На фигуре 5 показан только вид сверху. В отношении других признаков вариант осуществления на фигуре 5 аналогичен варианту осуществления на фигурах 4А и 4В. Они представляют собой только типичные примеры, в которых предварительный распределитель имеет шесть каналов 90А-90F. Специалисты в данной области техники поймут, что могут быть использованы различные организации с несколькими каналами (например, 2 или 4 канала) или множеством каналов (например, 8 или 10 каналов). Также, механические средства для поддержания смесителя, предварительного распределителя, конечного распределителя и насадочных секций внутри колонны не показаны для ясности.
В вариантах осуществления, изображенных на фигурах 4А, 4В и 5, кольцевая канавка 100 может принимать часть жидкости. Кольцевая канавка 100 предпочтительно является непрерывной и соседствует с периметром внутренней стенки колонны 62, как показано на фигурах 4А и 5.
Хотя вышеприведенные описания нескольких вариантов осуществления данного устройства приведены для насадочной колонны с круглым сечением, другие варианты осуществления данного устройства могут быть использованы в некруглых колоннах, включая, например, колонны, разделенные стенками. Признаки смесителя с ограниченной площадью сечения, трубопроводов со смещением по окружности, фильтра, предварительного распределителя и конечного распределителя должны быть разработаны и организованы надлежащим образом, принимая во внимание некруглую природу секций насадочной колонны в одной или обеих сторонах разделенной колонны или другой колонне некруглой формы.
Способ заявителей для отделения газов, например азота, кислорода и/или аргона от воздуха путем криогенной дистилляции, который применяет, по меньшей мере, одну колонну с контактированием жидкости и газа с, по меньшей мере, двумя секциями контактирования жидкости и газа, может включать в себя устройство для сбора, смешения и распределения нисходящей жидкости из верхней секции контактирования жидкости и газа в нижнюю секцию контактирования жидкости и газа, подобное устройству заявителей, обсуждаемому выше. Необязательно когда подаваемая жидкость вводится между верхней и нижней секциями контактирования жидкости и газа данной колонны извне колонны, вся внешняя подача или часть ее может помещаться в смеситель, как обсуждается выше.
Один вариант осуществления способа заявителей для сборки устройства для распределения жидкости в колонне контактирования жидкости и газа с, по меньшей мере, двумя секциями контактирования жидкости и газа включает в себя этапы обеспечения и сборки компонентов устройства, подобного устройству заявителей, обсуждаемому выше. Сборка компонентов в колонне контактирования жидкости и газа может быть сделана с помощью подходящего опорного средства, которое может включать в себя заклепки и сварные швы.
Устройство и способы заявителей включают в себя многие другие варианты осуществления и их вариации, которые не изображены на чертежах и не обсуждаются в секции подробного описания. Однако эти варианты осуществления и вариации попадают в объем пунктов формулы изобретения и их эквивалентов.
Специалисты в данной области техники поймут, что варианты осуществления и вариации, изображенные на чертежах и обсуждаемые в секции подробного описания, не раскрывают все возможные организации устройства заявителей, и что возможны другие организации. Соответственно все такие другие организации предполагаются устройством и способами заявителей и находятся внутри объема пунктов формулы изобретения и их эквивалентов.
Специалисты в данной области техники поймут, что возможны многие другие варианты осуществления, включающие концепции, предлагаемые заявителями, а также многие вариации вариантов осуществления, изображенных и описанных здесь.
Хотя устройство и способы заявителей обсуждаются здесь в связи со структурированной насадкой, специалисты в данной области техники поймут, что устройство и способы заявителей также могут быть использованы с другими типами насадки (например, произвольной насадкой).
ПРИМЕРЫ
Эффективность дистилляции, которая происходит в разных насадочных секциях цикла с колонной двойной ректификации, чувствительна к диспропорции в составе и течении газовой и жидкой фаз внутри этих секций. На фигуре 1 это особенно правдиво для секций 13, 15, 23 и 25. В примерах ниже чувствительность к диспропорции анализировали с помощью способа, хорошо известного в инженерной химической литературе, который называют анализом параллельных колонн.
Пример 1
Сначала рассмотрим аргоновую колонну 14 с ее секциями 23 и 25, такую как описано ранее для цикла с колонной двойной ректификации на фигуре 1. Схематичное изображение с нормальным течением и рабочими условиями в этих двух секциях показано на фигуре 6. Каждая из двух секций содержит 35 теоретических тарелок и работает при давлении приблизительно 1,3 бар абс. Колонна работает при мольном отношении жидкости к пару приблизительно 0,97 у вершины колонны. Газ, подаваемый у дна, имеет состав 12% аргона, 0,0010% азота и остальное кислород. При нормальной работе состав сырого аргонового продукта (CGAR) в верхней части будет 99,67% аргона, 0,02% азота и остальное кислород.
При выполнении параллельного анализа колонны каждую секцию дополнительно считают разделенной на две равных половины, а именно 23А, 23В и 25А, 25В, как показано в схематичном изображении на фигуре 7. Соответствующие секции А и В равны по сечению и изолированы друг от друга. Номинально они могут нести половину жидкости и пара всей колонны внутри каждой из них. Чтобы определить чувствительность к диспропорции, предполагают, что поток жидкости (сплошные линии на фигуре 7) выше на стороне А и ниже на стороне В, тогда как поток газа (пунктирные линии на фигуре 7) равномерно распределен на две половины. Между двумя половинами секций А и В отсутствует перемешивание или перенос жидкости или пара. Уровень диспропорции, определяемый параметром потока лямбда, задается как разница между высоким и низким потоками жидкости, деленная на среднее двух потоков, математически следующим образом:
Лямбда потока = (высокий поток жидкости - низкий поток жидкости) / (высокий поток жидкости + низкий поток жидкости)
Влияние лямбды потока определяют следующим образом: 1) сначала для данной степени диспропорции вычисляют состав CGAR, используя схему на фигуре 7; 2) затем стадии восстанавливают к схеме на фигуре 6, пока состав CGAR является таким же, как получается для схемы на фигуре 7; и 3) потом фракционные стадии вычисляют как стадии, использованные для схемы на фигуре 6 на этапе 2, деленные на стадии, использованные для схемы на фигуре 7. Фракционные стадии, полученные таким образом, откладывают от лямбды потока в самой нижней кривой на фигуре 8 (обозначенной "базовый случай диспропорции жидкости"). Как видно, производительность существенно снижается с диспропорцией потока.
Второй случай затем моделировали при условиях, показанных на схематичном изображении на фигуре 9. В этом случае жидкости, выходящие из дна секций 25А и 25В, смешиваются в устройстве 51 и перераспределяются оттуда в таких же пропорциях высокого и низкого потока в секции 23А и 23В ниже. Влияние промежуточного перемешивания жидкости показано на фигуре 8 как кривая "промежуточно смешанная жидкость". Как видно, производительность - хотя все еще хуже, чем идеальная величина 1,0 для фракционных стадий, - теперь значительно улучшается по сравнению с базовым случаем диспропорции жидкости без промежуточного перемешивания. Этот эффект хорошо понятен в литературе.
Третий случай затем моделировали при условиях, показанных в схематичном изображении на фигуре 10. В этом случае вся жидкость из верхней секции 25В переносится в 23А посредством смесителя 55, но только часть жидкости, соответствующей низкому потоку, переносится из верхней секции 25А в нижнюю секцию 23В посредством делителя 53. Другая часть из 25А переносится в 23А посредством делителя 53 и смесителя 55. Это самое большее, что может переноситься, хотя также вызывает дисбаланс потока. Видно, что полученная производительность, показанная самой верхней кривой на фигуре 8 как "промежуточный перенос жидкости на 180°", даже лучше, чем для случая, когда жидкость полностью перемешивается. Это является неожиданным открытием, о котором ранее не сообщалось. Эти удивительные и неожиданные результаты были удивительными и неожиданными для заявителей и будут удивительными и неожиданными для специалистов в данной области техники.
Практическую значимость этого вычисления можно объяснить следующим образом. Коллектор, смеситель и распределитель жидкости могут быть использованы между секциями 23 и 25. Но, если жидкость из верхней секции переносится без перемещения в нижнюю секцию и внутри смесителя, происходит неполное перемешивание, производительность будет где-то между базовым случаем и случаем промежуточного перемешивания жидкости на фигуре 8. С другой стороны, если жидкость переносится в диаметрально противоположные стороны в смеситель, и если есть неполное перемешивание, производительность будет где-то между случаем промежуточного переноса жидкости на 180° и случаем промежуточного перемешивания жидкости. Таким образом, результат с перемещением на 180° будет лучше, чем результат без перемещения на 180°.
В этих вычислениях предполагается, что отсутствует перемешивание газа между двумя боковыми половинами насадочных секций. На практике будет некоторое перешивание, которое становится менее эффективным, когда сечение колонны становится больше. Видно, что перенос жидкости на 180° компенсирует неадекватное перемешивание жидкости в распределителе, а также неадекватное перемешивание газа в секциях насадочной колонны. Это является удивительным и неожиданным результатом, который был удивительным и неожиданным для заявителей и будут удивительным и неожиданным для специалистов в данной области техники.
Если существует совершенное перемешивание жидкости в смесителе жидкости, то не будет выгоды от переноса жидкости на 180°. Но средства для достижения совершенного перемешивания, такие как статические смесители, являются дорогими с точки зрения перепада давления, высоты колонны и стоимости всей системы. Устройство и способы заявителей с использованием переноса жидкости на 180° будут превосходить случай без переноса и в самом худшем случае будут, по меньшей мере, соответствовать случаю совершенного перемешивания при очень малой добавленной стоимости.
Хотя вышеприведенные случаи ясно демонстрируют преимущества переноса промежуточной жидкости на 180° в противоположную сторону колонны, есть ситуации, в которых механические конфигурации могут ограничивать угол, на который может выполняться перенос. Но, как будет показано ниже, большая часть выгоды может быть достигнута даже путем переноса на угол, который гораздо меньше, чем 180°. Поэтому четвертый случай моделировали при условиях, показанных в схематичном изображении на фигуре 11. В этом случае только две трети (2/3) жидкости из верхней секции 25В переносится в 23А посредством делителя 57 и смесителя 55, и эквивалентное количество жидкости из верхней секции 25А переносится в 23В посредством делителя 53 и смесителя 59. Остальная жидкость из верхних секций 25А и 25В подается в нижние секции 23А и 23В без переноса посредством делителей и смесителей, показанных непосредственно между ними. Это эквивалентно перемещению жидкости из двух половин колонны на 120° каждая. Видно, что полученная производительность, показанная второй к самой верхней кривой на фигуре 8 как "промежуточный перенос жидкости на 120°", также лучше, чем случай, когда жидкость полностью перемешивается, хотя не так хороша, как случай для переноса на 180°. Но это также является удивительным результатом, что эффект даже частичного перемещения промежуточной жидкости превышает эффект полного перемешивания.
Дополнительно пятый случай моделировали при условиях, показанных в схематичном изображении на фигуре 11. В этом случае только одна треть (1/3) жидкости из верхней секции 25В переносится в 23А посредством делителя 57 и смесителя 55, и эквивалентное количество жидкости из верхней секции 25А переносится в 23В посредством делителя 53 и смесителя 59. Остальная жидкость из верхних секций 25А и 25В подается в нижние секции 23А и 23В без перемещения посредством делителей и смесителей, показанных прямо между ними. Это эквивалентно переносу жидкости из двух половин колонны на 60° каждая. Видно, что полученная производительность, показанная второй из самых нижних кривых на фигуре 8 как "промежуточный перенос жидкости на 60°", является значительным улучшением над базовым случаем и приближается к преимуществу от случая промежуточного перемешивания жидкости.
В качестве дополнительной иллюстрации фигура 12 показывает влияние угла, на который перемещается промежуточная жидкость, на стадии, полученные для полного перемешивания. Это пояснительная кривая для вычислений, обрисованных выше в примере 1 для особого случая, когда лямбда потока имеет величину 0,08. Величина 1,0 на ординате соответствует стадиям, полученным для случая промежуточного перемешивания жидкости. Как видно, производительность быстро увеличивается, когда увеличивается угол, на который перемещается жидкость, достигая величины выше чем 95% при приблизительно 60°. После этого выигрыш является более постепенным, и полная производительность превышает 100%, когда угол находится в интервале от 120° до 180°.
Пример 2
Теперь рассмотрим дно колонны 12 низкого давления с ее секциями 13 и 15, которые описаны ранее для цикла с колонной двойной ректификации, изображенного на фигуре 1. Схематичное изображение с нормальным потоком и рабочими условиями в двух этих секциях показаны на фигуре 13. Каждая из двух секций содержит 20 теоретических тарелок и работает при давлении приблизительно 1,3 бар абс. Колонна работает при мольном отношении жидкости к пару приблизительно 1,40 в верхней части колонны. Жидкость, подаваемая вверху колонны, имеет состав 12% аргона, 0,0010% азота и остальное кислород. При нормальной работе состав GOX продукта у дна будет 99,80% кислорода и остальное аргон.
Чувствительность к диспропорции моделировали способом, аналогичным использованному в примере 1. Соответствующие пять кривых показаны на фигуре 14. Заметим, что данные кривые демонстрируют такие же соотношения, где случай промежуточного перемешивания жидкости является существенным улучшением над базовым случаем, тогда как случай промежуточного переноса жидкости на 180° еще лучше. Аналогично случай промежуточного переноса жидкости на 120° также лучше, чем случай промежуточного перемешивания жидкости, хотя не так хорош, как случай промежуточного переноса жидкости на 180°. Наконец, случай промежуточного переноса жидкости на 60° имеет существенное улучшение над базовым случаем и приближается к производительности случая промежуточного перемешивания жидкости. Выигрыш в производительности в последнем случае будет больше чем 95% выигрыша от совершенного перемешивания для случая, когда лямбда потока равна 0,08, хотя этот результат не показан в виде явной кривой. Опять эта эффективность переноса промежуточной жидкости является удивительным и неожиданным результатом подобно примеру 1, и этот результат был удивительным и неожиданным для заявителей и будет удивительным и неожиданным для специалистов в данной области техники.
Как отмечается ранее в способе разделения компонентов воздуха путем криогенной дистилляции, две секции, изображенные в этих примерах, очень чувствительны к диспропорции. В одном случае отношение жидкости к пару меньше единицы, а в другом случае данное отношение больше единицы. В обоих случаях видно, что перенос жидкости между насадочными секциями на 120-180° более эффективен, чем совершенное перемешивание и перераспределение жидкости между секциями. А перенос жидкости между насадочными секциями на 60° достигает более чем 95% выигрыша для случая, когда лямбда потока равна 0,08. Это неожиданное поведение не сообщалось в какой-либо литературе, которая известна заявителям.
Эти результаты можно объяснить на основании того, что известно как диаграммы McCabe-Thiele, которые используют, чтобы моделировать разделение путем дистилляции бинарных смесей. В данных примерах, хотя присутствует некоторое количество азота, его доля так мала, что данные смеси можно рассматривать как, по существу, бинарные смеси аргона и кислорода. Диаграмма McCabe-Thiele строится с использованием двух линий. Одна представляет собой линию равновесия, которая показывает соотношение между составами газовой и жидкой фаз, которые покидают равновесную стадию внутри дистилляционной колонны. Насадочная колонна не имеет дискретных равновесных стадий подобно тарелочной колонне, но равновесная линия строится таким же образом. Другая линия в диаграмме McCabe-Thiele представляет собой рабочую линию, которая показывает соотношение между составами газовой и жидкой фаз, которые пересекают друг друга в любом заданном горизонтальном положении или между равновесными стадиями. Наклон рабочей линии задается отношением мольных потоков жидкости и газа внутри колонны. В эффективной дистилляционной колонне равновесная и рабочая линии будут разнесены более или менее равномерно друг от друга, что будет позволять существование достаточных движущих сил для получения полезного массопереноса внутри всей колонны. В случае, обозначенном как базовый случай диспропорции жидкости в примере 1, рабочие линии имеют разные наклоны от номинальной величины 0,97. Вследствие таких условий, рабочие линии в колонне с высоким потоком жидкости сжимаются относительно равновесной линии возле верхней части с тем результатом, что очень маленькое разделение происходит в верхней половине и любое полезное разделение происходит, главным образом, в нижней половине. Аналогично рабочие линии в колонне с низким потоком жидкости сжимаются относительно равновесной линии возле дна с тем результатом, что очень маленькое разделение происходит в нижней половине и любое полезное разделение происходит главным образом в верхней половине. Из-за этой диспропорции составы в середине между верхней и нижней секциями в двух параллельных колоннах очень отличаются друг от друга, и эти условия не идеальны для эффективной работы. Это является причиной плохой производительности в условиях диспропорции жидкости в базовом случае.
Когда промежуточная жидкость перемешивается и перераспределяется, составы между двумя половинами сближаются вместе, и эффект сжатия, хотя все еще присутствует, является менее суровым, и, таким образом, производительность улучшается. Однако когда промежуточная жидкость переносится на 180°, как в примере 1, рабочие линии изменяются так, что донная секция с низким потоком жидкости выполняет более успешное разделение, давая общий состав с более высоким содержанием аргона между верхней и нижней секциями. Этот эффект, в свою очередь, приводит к более высокому общему содержанию аргона в верхней части колонны, приводя к большему общему разделению по сравнению со случаем промежуточного перемешивания жидкости. Механизм, с помощью которого производительность улучшается, когда промежуточная жидкость переносится на углы 120° и 60°, аналогичен механизму для 180°, хотя преимущества являются пропорционально меньшими.
Аналогично результаты, показанные в примере 2, могут быть объяснены таким же образом. В этом случае, подача происходит в верхней части, и промежуточный перенос жидкости на 180° дает общий состав, который выше по кислороду по сравнению со случаем промежуточного перемешивания жидкости. Этот эффект, в свою очередь, приводит к более высокому общему содержанию кислорода на дне колонны, обеспечивая более полное разделение по сравнению со случаем промежуточного перемешивания жидкости. Механизм, с помощью которого производительность улучшается, когда промежуточная жидкость переносится на угол 120° и 60°, аналогичен механизму для 180°, хотя преимущества являются пропорционально меньшими.
Хотя вышеприведенное описание является обоснованным объяснением эффектов, заметных в обеспеченных примерах, устройство и способы заявителей не зависят от этого объяснения для своей обоснованности. Может быть возможным предложить альтернативные объяснения тому, почему наблюдается это поведение. Также, так как аналогичные тенденции наблюдали в двух разных насадочных секциях с разными рабочими условиями, заявители считают, что это является общим явлением, которое будет выгодно в большинстве, если не во всех, типов дистилляционных колонн, разделяющих разные типы смесей. Таким образом, устройство и способы заявителей имеют очень широкую применимость.
Хотя изображается и описывается здесь со ссылкой на определенные конкретные варианты осуществления, настоящее изобретение, тем не менее, не предназначено ограничиваться показанными деталями. Скорее, различные модификации могут быть сделаны в подробностях внутри объема и интервала эквивалентов пунктов формулы изобретения и без отклонения от сущности данного изобретения.