ВПУСКНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ФАЗ ПОТОКА ЖИДКОЙ СРЕДЫ В СОСУДЕ И СПОСОБ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННОГО УСТРОЙСТВА
INLET DEVICE FOR SEPARATION OF PHASES OF LIQUID MEDIUM FLOW IN VESSEL AND METHOD USING DEVICE THEREOF

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США №62/484,460, поданной 12 апреля 2017 г., описание которой включено в настоящий документ путем ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Настоящее изобретение относится по существу к сосудам, в которых газовая фаза должна быть отделена от жидкой фазы в потоке текучей среды и, более конкретно, к впускному устройству для облегчения такого разделения, а также способу использования впускного устройства для осуществления частичного отделения газовой фазы от жидкой фазы в потоке текучей среды.
[0003] Во многих промышленных процессах поток текучей среды, содержащий газовую фазу и жидкую фазу, вводят в сосуд, в котором желательно выполнить по меньшей мере частичное отделение газовой фазы от жидкой фазы. Для облегчения разделения фаз применяют впускные устройства различных типов. Во впускном устройстве одного типа применяется один или более циклонов, в которых поток текучей среды закручивается или завихряется, при этом более тяжелая жидкая фаза отбрасывается на стенку циклона, а затем стекает вниз, выходя из открытого нижнего конца циклона. Более легкая газовая фаза стекает вниз внутри циклона к входному отверстию центральной газовой трубы, которая расположена над нижним концом циклона и ниже того места, где поток текучей среды заходит в циклон. Газовая труба проходит вверх через в другом случае закрытый верхний конец циклона так, что газовая фаза может восходить, а затем выходить из циклона после поступления в центральную газовую трубу. Для предотвращения выхода газовой фазы из открытого нижнего конца циклона нижний конец, как правило, погружают в жидкость с образованием статического напора жидкости, препятствующего прорыву газовой фазы. При недостаточном статическом напоре жидкости газовая фаза может выходить через открытый нижний конец циклона, что приводит к нежелательному уносу жидкости в потоке газа. Таким образом, существует потребность в усовершенствованном впускном устройстве, в котором имеется меньше возможностей для нежелательного уноса жидкости в отделенном потоке газа.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В одном аспекте настоящее изобретение относится к впускному устройству для отделения газовой фазы от жидкой фазы в потоке текучей среды при радиальном введении в сосуд. Впускное устройство включает в себя проточный канал, имеющий впускной конец, где поток текучей среды входит в проточный канал, и выпускные концы, где отдельные части потока текучей среды выходят из проточного канала, причем выпускные концы расположены на расстоянии от впускного конца, а на каждом из выпускных концов проточного канала может располагаться разделительный стакан. Каждый из разделительных стаканов включает в себя цилиндрическую стенку, имеющую внутреннюю поверхность и наружную поверхность и образующую открытую внутреннюю область, открытую на противоположных верхнем и нижнем концах, удлиненный впускной проем в цилиндрической стенке и расположенный смежно с ним один из выпускных концов проточного канала, что позволяет одной из частей потока текучей среды при выходе из выпускного конца проточного канала проходить по касательной через впускной проем в цилиндрической стенке в открытую внутреннюю область, где она закручивается или завихряется в пределах открытой внутренней области, что облегчает отделение газовой фазы от жидкой фазы в потоке текучей среды, и щели, образованные в цилиндрической стенке, что позволяет части жидкой фазы потока текучей среды во время закручивания или завихрения в открытой внутренней области проходить наружу через щели и выходить из разделительного стакана, тогда как отделенная газовая фаза течет вверх и выходит из разделительного стакана через открытый верхний конец открытой внутренней области.
[0005] В другом аспекте настоящее изобретение относится к сосуду, включающему в себя оболочку, внутреннюю область, образованную оболочкой, радиальное питающее сопло в оболочке и впускное устройство, как описано выше, которое расположено во внутренней области и выровнено с радиальным входным отверстием.
[0006] В дополнительном аспекте настоящее изобретение относится к способу отделения газовой фазы от жидкой фазы в потоке текучей среды с использованием впускного устройства, как описано выше. Способ включает этапы, на которых поток текучей среды течет внутри проточного канала от впускного конца к выпускным концам, отдельные части потока текучей среды поступают из выпускных концов в разделительные стаканы через впускные проемы в цилиндрических стенках разделительных стаканов, при этом отдельные части потока текучей среды начинают закручиваться или завихряться в открытых внутренних областях так, что под действием центробежной силы, возникающей в результате завихрения отдельных частей потока текучей среды, жидкая фаза в отдельных частях потока текучей среды отбрасывается на внутренние поверхности цилиндрических стенок, а газовая фаза отделяется от жидкой фазы и поднимается вверх, жидкая фаза удаляется с внутренних поверхностей цилиндрических стенок через щели в цилиндрических стенках и через открытые нижние концы открытых внутренних областей, а восходящая газовая фаза удаляется через открытые верхние концы открытых внутренних областей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] На сопроводительных графических материалах, являющихся частью описания, на которых одинаковые компоненты на разных видах указаны под одинаковыми номерами позиций, представлено следующее:
[0008] на Фиг. 1 представлен местный вид в перспективе сосуда, в котором часть оболочки сосуда не показана для демонстрации впускного устройства в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
[0009] на Фиг. 2 представлен увеличенный местный вид части сосуда, показанного на Фиг. 1, где впускное устройство показано с другой перспективы по сравнению с Фиг. 1;
[0010] на Фиг. 3 представлен вид сверху в горизонтальной проекции части сосуда, показанной на Фиг. 2;
[0011] на Фиг. 4 представлен вид в вертикальной проекции части сосуда, показанной на Фиг. 2 и 3;
[0012] на Фиг. 5 представлен вид сверху в горизонтальной проекции части сосуда и впускного устройства, показанных на Фиг. 2 4, взятый в горизонтальном сечении;
[0013] на Фиг. 5а представлен вид сверху в горизонтальной проекции части сосуда и впускного устройства, показанных на Фиг. 5, но в увеличенном масштабе;
[0014] на Фиг. 6 представлен вид в перспективе впускного устройства, показанного на Фиг. 1-5;
[0015] на Фиг. 7 представлен дополнительный увеличенный местный вид впускного устройства, показанного на Фиг. 6, где часть разделительного стакана не показана для демонстрации внутреннего завихрителя;
[0016] на Фиг. 8 представлен местный вид, аналогичный показанному на Фиг. 7, на котором показан второй вариант осуществления впускного устройства с использованием другого разделительного стакана;
[0017] на Фиг. 9 представлен местный вид части сосуда, в которой установлен третий вариант осуществления впускного устройства;
[0018] на Фиг. 10 представлен вид сверху в горизонтальной проекции части сосуда и впускного устройства, показанных на Фиг. 9;
[0019] на Фиг. 11 представлен вид сверху в горизонтальной проекции сосуда и впускного устройства, показанных на Фиг. 9 и 10, взятый в горизонтальном сечении; и
[0020] на Фиг. 12 представлен местный вид, аналогичный показанному на Фиг. 9, где не показана часть верхней пластины впускного устройства.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0021] Как более подробно показано на графических материалах, начиная с Фиг. 1, сосуд, подходящий для применения в массообменном или теплообменном процессах, представлен по существу под номером 10. Сосуд 10 может включать в себя вертикальную или горизонтальную внешнюю оболочку 12, которая может иметь по существу цилиндрическую конфигурацию, хотя возможны и другие конфигурации, которые не выходят за рамки объема настоящего изобретения, в том числе многоугольная конфигурация. Оболочка 12 может иметь любой подходящий диаметр и высоту и может быть сконструирована из одного или более жестких материалов, которые желательно являются инертными по отношению к текучим средам и условиям при работе сосуда 10 или каким-либо иным образом совместимы с ними.
[0022] Сосуд 10 может относиться к типу, применяемому для разделения или обработки потоков текучей среды, обычно потоков жидкости или пара, на более тяжелые и более легкие фракции, и/или для получения продуктов фракционирования, или для осуществления массообмена или теплообмена между потоками текучей среды иным образом. Например, в сосуде 10 могут протекать такие процессы, как атмосферная перегонка, вакуумная перегонка масляного профиля, вакуумная перегонка, фракционирование продуктов флюидизированного или термического крекинга, коксования или висбрекинга, очистка кокса, очистка отходящего из реактора газа, закалка в потоке газа, дезодорирование пищевых масел, очистка для борьбы с загрязнениями, или другие процессы.
[0023] Оболочка 12 сосуда 10 образует открытую внутреннюю область 14, в пределах которой впускное устройство 16 настоящего изобретения расположено с возможностью приема потока текучей среды, который поступает в сосуд 10 через питающее сопло 18. Питающее сопло 18, как правило, представляет собой радиальное питающее сопло и соединено с питающей линией 19. Питающее сопло 18 может включать в себя переход от круглого поперечного сечения питающей линии 19 к квадратному или прямолинейному поперечному сечению. Сосуд 10 может включать в себя другие сопла и линии, такие как нижняя отводная линия 20 для удаления жидкой или более тяжелой фазы и верхняя отводная линия 22 для удаления газовой или более легкой фазы из внутренней области 14 сосуда 10.
[0024] Другие компоненты сосуда 10, которые обычно присутствуют, такие как линии потока флегмы, ребойлеры, конденсаторы, паровые горны, распределители жидкости и т.п., не проиллюстрированы на фигурах, так как они являются обычными по своей сути и считается, что иллюстрация этих компонентов не является обязательной для понимания настоящего изобретения.
[0025] Как дополнительно показано на Фиг. 2-7, впускное устройство 16 проходит горизонтально во внутренней области 14 и выровнено с питающим соплом 18. Впускное устройство 16 включает в себя проточный канал 24 (Фиг. 4-7) и множество разделительных стаканов 26 (например, 26а, 26b, 26с), которые соединены с проточным каналом 24 и сообщаются с ним по текучей среде. Разделительные стаканы 26а, 26b и 26с расположены на противоположных сторонах проточного канала 24. Проточный канал 24 имеет впускной конец 28, где поток текучей среды поступает в проточный канал 24. Впускной конец 28 примыкает к внутренней поверхности 30 оболочки 12. Проточный канал 24 включает в себя множество выпускных концов 32 (например, 32а, 32b и 32с), находящихся на расстоянии в нисходящем направлении потока от впускного конца 28.
[0026] Проточный канал 24 образован верхней пластиной 34, нижней пластиной 36, двумя боковыми стенками 38 и торцевой стенкой 40, которые взаимно соединены друг с другом с образованием по существу коробчатой полости. Каждая из боковых стенок 38 включает в себя отдельные разделительные сегменты 42 (например, 42а, 42b и 42с), которые проходят в направлении потока текучей среды, поступающего во впускное устройство 16 через впускной конец 28. Первый разделительный сегмент 42а каждой из двух боковых стенок 38 проходит от оболочки 12 к первому разделительному стакану 26а, расположенному ближе всего к впускному концу 28 проточного канала 24. Второй разделительный сегмент 42b проходит между первым разделительным стаканом 26а и вторым разделительным стаканом 26b. Третий разделительный сегмент 42с аналогичным образом проходит от второго разделительного стакана 26b к третьему разделительному стакану 26с. Разделительные сегменты 42а, 42b и 42с расположены в шахматном порядке относительно друг друга так, что проточный канал 24 постепенно сужается в направлении потока текучей среды. Каждый из разделительных сегментов 42b и 42с имеет U-образную переднюю кромку, которая находится на расстоянии в направлении вовнутрь от и перекрывает заднюю часть смежных выше по потоку разделительных сегментов 42а и 42b соответственно. Торцевая стенка 40 имеет аналогичную U-образную переднюю кромку, которая находится на расстоянии в направлении вовнутрь от и перекрывает заднюю часть разделительных сегментов 42с. Благодаря такому расположению разделительных сегментов 42а, 42b и 42с и торцовой стенки 40 образуются подканалы 44а, 44b и 44с, которые ведут к выпускным концам 32а, 32b и 32с и разделительным стаканам 26а, 26b и 26с соответственно. В одном варианте осуществления подканалы 44а, 44b и 44с имеют по существу одинаковую площадь поперечного сечения, так что для прохождения через каждый из подканалов 44а, 44b и 44с поток текучей среды можно разделить на приблизительно равные части. Хотя в совокупности показано шесть разделительных стаканов 26а, 26b и 26с, следует понимать, что допускается использование большего или меньшего числа разделительных стаканов.
[0027] Каждый из разделительных стаканов 26а, 26b и 26с открыт в верхней и нижней частях и включает в себя стенку 46, которая является, как правило, цилиндрической и образует открытую внутреннюю область 48, которая открыта на противоположных верхнем и нижнем концах 50 и 52 соответственно. Вертикально удлиненный впускной проем 54 (Фиг. 5 и 5а) образован в цилиндрической стенке 46 и расположен смежно и выровнен с выпускным концом 32а, 32b или 32с проточного канала 24 так, что часть потока текучей среды, проходящая через подканал 44а, 44b или 44с, выходит из выпускного конца 32а, 32b или 32с и поступает в разделительный стакан 26а, 26b или 26с через впускной проем 54 по пути потока, который проходит по касательной по отношению к цилиндрической стенке 46. Вследствие этого направленного по касательной пути поток текучей среды закручивается или завихряется в открытой внутренней области 48 в разделительном стакане 26а, 26b или 26с для облегчения отделения некоторой части или всей газовой фазы от жидкой фазы в потоке текучей среды с образованием таким образом более тяжелой фракции и более легкой фракции потока текучей среды. В одном варианте осуществления впускной проем 54 имеет высоту, которая меньше высоты цилиндрической стенки 46, и по меньшей мере частично расположен в нижней части цилиндрической стенки 46. В качестве одного примера впускной проем 54 имеет высоту, которая составляет от 25 до 75% или от 40 до 60% от высоты цилиндрической стенки 46. Впускной проем 54 может проходить вверх из-под нижнего конца цилиндрической стенки 46.
[0028] Щели 56 в цилиндрической стенке 46 расположены на расстоянии друг от друга, что позволяет части жидкой фазы в потоке текучей среды при завихрении внутри открытой внутренней области 48 проходить наружу через щели 56 и выходить из разделительного стакана 26а, 26b или 26с, тогда как отделенная газовая фаза течет вверх и выходит из разделительного стакана 26а, 26b или 26с через открытый верхний конец 50 открытой внутренней области 48. Щели 56, как правило, равномерно распределены по существу по всей высоте и окружности цилиндрической стенки 46. В одном варианте осуществления щели 56 расположены в несколько продольных рядов, расположенных по вертикали на расстоянии друг от друга. Каждая из щелей 56 может быть вертикально удлиненной, причем высота значительно превышает ее ширину, например, высота в 10, 20, 30 или более раз превышает ширину. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 8, щели 56 включают в себя язычки 58, отходящие наружу от передней кромки, которая расположена выше по потоку относительно направления закручивания потока жидкости в пределах цилиндрической стенки 46.
[0029] Как лучше всего видно на Фиг. 3 и 7, каждый из разделительных стаканов 26а, 26b и 26с может включать в себя завихритель 60, расположенный внутри цилиндрической стенки 46 для поддержания момента закручивания потока текучей среды при высвобождении части его жидкой фазы и подъема под воздействием газовой фазы в открытой внутренней области 48. Завихритель 60 может принимать различные формы, такие как радиально проходящие лопасти 62, которые наклонены вверх в направлении закручивания потока текучей среды. В одном варианте осуществления завихритель 60 расположен на верхней кромке впускного проема 54 или немного выше него.
[0030] Разделительные стаканы 26а, 26b и 26с также могут включать в себя капельное кольцо 64, расположенное на открытом верхнем конце 50 открытой внутренней области 48 и проходящее наружу за пределы наружной поверхности 66 цилиндрической стенки 46 и вовнутрь внутренней поверхности 68 цилиндрической стенки 46. Капельное кольцо 64 функционирует таким образом, чтобы сдерживать непрерывное движение жидкой фазы вверх по мере ее протекания вверх вдоль наружной поверхности 66 и внутренней поверхности 68. Капельное кольцо 64 может иметь перевернутую U-образную форму для перехода восходящего движения жидкой фазы в нисходящее движение.
[0031] Альтернативный вариант осуществления впускного устройства показан на Фиг. 9-12, где одинаковые номера позиций с префиксом 1 используются для обозначения компонентов, аналогичных тем, которые показаны на Фиг. 1-8. Впускное устройство 116 отличается от впускного устройства 16 тем, что проточный канал 124 разделен с образованием двух ответвлений 125а и 125b, а на противоположных сторонах каждого ответвления 125а и 125b расположено неравное число разделительных стаканов 126. Таким образом, впускное устройство 116 может вмещать больший по объему поток жидкости.
[0032] Настоящее изобретение также относится к способу отделения газовой фазы от жидкой фазы в потоке текучей среды с использованием впускного устройства 16, 116. Способ включает этапы, на которых поток текучей среды вводят в сосуд 10, 110 и впускное устройство 16, 116 радиально через питающее сопло 18, 118, а затем поток текучей среды течет внутри проточного канала 24, 124 от впускного конца 28, 128 к выпускным концам 32, 132. Затем отдельные части потока текучей среды поступают из выпускных концов 32, 132 в разделительные стаканы 26, 126 через впускные проемы 54, 154 в цилиндрических стенках 46, 146 разделительных стаканов 26, 126. Вследствие подачи потока текучей среды в пределах цилиндрических стенок 46, 146 по касательной отдельные части потока текучей среды закручиваются или завихряются внутри открытых внутренних областей 48, 148 так, что под действием центробежной силы, возникающей в результате завихрения отдельных частей потока текучей среды, жидкая фаза в отдельных частях потока текучей среды отбрасывается на внутренние поверхности 68, 168 цилиндрических стенок 46, 146, а газовая фаза отделяется от жидкой фазы и поднимается вверх. Затем жидкая фаза удаляется с внутренних поверхностей 68, 168 цилиндрических стенок 46, 146 через щели 56, 156 в цилиндрических стенках 46, 146 и через открытые нижние концы 52, 152 открытых внутренних областей 48, 148. Открытые нижние концы 46, 146 расположены над любым уровнем жидкости, которая может находиться ниже впускных устройств 16, 116, таким образом, выходящая жидкость может свободно спускаться в резервуар для сбора жидкости или другое внутреннее устройство, которое может находиться внутри сосуда 10, 110. Восходящая газовая фаза удаляется через открытые верхние концы 50, 150 открытых внутренних областей 48, 148, при этом нет необходимости в том, чтобы она сначала перемещалась вниз для попадания в центральную газовую трубу, как того требуют некоторые обычные впускные устройства.
[0033] Этап способа, на котором происходит закручивание или завихрение отдельных частей потока текучей среды, достигается за счет протекания отдельных частей потока текучей среды в направлении касательной по отношению к цилиндрическим стенкам по мере поступления отдельных частей потока текучей среды из выпускных концов 32, 132 проточных каналов 24, 124 через впускные проемы 54, 154 в цилиндрических стенках 46, 146 и за счет пропускания восходящего потока текучей среды через завихритель 60, 160, когда часть жидкой фазы отделяется, а поток более легкой текучей среды поднимается в пределах открытой внутренней области 48, 148. Способ применения впускных устройств 16 и 116 не требует, чтобы нижние концы 52, 152 открытой внутренней области 48, 148 были погружены в жидкость для создания статического напора, препятствующего прорыву газовой фазы, как того требуют некоторые обычные впускные устройства.
[0034] Из вышесказанного следует, что настоящее изобретение является единственным хорошо приспособленным для решения всех задач и достижения целей, указанных выше в настоящем документе, а также обладает другими преимуществами, присущими структуре.
[0035] Следует понимать, что некоторые признаки и подкомбинации являются полезными и могут использоваться без ссылки на другие признаки и подкомбинации. Это предполагается объемом изобретения и входит в него.
[0036] Так как в рамках объема изобретения могут быть выполнены многочисленные возможные варианты осуществления, следует понимать, что все объекты, описанные в настоящем документе или показанные на сопроводительных графических материалах, следует понимать как приведенные для иллюстрации, а не как имеющие ограничительный смысл.