СЕКЦИЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ КОЛОННЫ, РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ КОЛОННА И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ
SECTION OF SEPARATION COLUMN, SEPARATION COLUMN AND METHOD OF ITS OPERATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к разделительным колоннам, в частности к дистилляционным колоннам, в которых сырьем является газ, жидкость или газожидкостная смесь. Такие колонны включают секцию, в которую поток сырья направляют через одно или несколько впусков.
Уровень техники
В дистилляционной колонне, где по меньшей мере один из сырьевых потоков содержит газожидкостную смесь, и большая доля газа образуется в испарительном оборудовании до дистилляционной колонны, необходимо направлять этот газ в разделительную секцию над точкой подачи. Обычно желательно отделить жидкость от газа более или менее полностью. Кроме того, желательно изменить направление потока газовой доли смеси. Чаще всего, направление потока газовой фазы нужно изменить с горизонтального на вертикальное, иными словами, получить восходящий поток. Кроме того, разделительная секция, в которую поступает поток газа, функционирует лучше, когда газ равномерно распределен по всей площади поперечного сечения разделительной секции.
В устройствах газожидкостного контакта, функционирующих при разрежении, смесь часто поступает в такое устройство с высокой скоростью. Из-за высокой скорости какое-либо резкое изменение направления осуществить трудно. Неидеальное распределение газовой доли смеси по поперечному сечению над точкой подачи означает наличие потока газа с высокими локальными пиками вертикального компонента скорости на входе в секцию газожидкостного контакта.
Высокая скорость этих потоков создает трудности при проектировании устройств газожидкостного контакта. Расстояние по вертикали между впусками для сырья и разделительной секцией над ними должно быть минимальным, чтобы сохранить приемлемой стоимость производства устройства газожидкостного контакта. Кроме того, увеличенная высота устройства газожидкостного контакта в этой части также влечет за собой дополнительные затраты на вспомогательное оборудование, такое как насосы, так как их необходимо проектировать в соответствии с повышенными параметрами нагрузки (такими как напор на выходе насоса). Дополнительные статьи затрат, на которые влияет увеличение высоты устройства, включают конструкционную сталь, кабельную разводку, основания и т.д.
Одна из областей, в которой превалируют устройства газожидкостного контакта с описанными выше условиями, является нефтепереработка; а именно, это установки атмосферной перегонки нефти, установки вакуумной дистилляции кубового продукта атмосферной перегонки и всевозможные другие дистилляционные колонны. Особое место среди другого дистилляционного оборудования занимает система рециркуляции из ребойлера в колонну, при помощи которой газожидкостную смесь из ребойлера подают в колонну, часто в режиме мгновенного испарения, при этом ребойлер выполняет роль испарительного оборудования.
Специалистам в данной области очевидно, что описанные выше условия имеют место, по меньшей мере до некоторой степени, во всех устройствах газожидкостного контакта там, где в устройство подают сырье.
WO 2007/089888 и патент США № 5972171 направлены на решение отдельной проблемы уноса - явления, при котором восходящий пар сырьевого потока захватывает примеси или загрязняющие вещества, путем изменения места и схемы расположения впусков для сырья. Помимо этого, в зоне впуска для сырья добавлены устройства предотвращения уноса, состоящие из одной или нескольких последовательных пластин, расположенных радиально, подобно неподвижному вентилятору, и имеющих канал, расположенный в центре радиальных пластин. Целью этих устройств, в отличие от настоящего изобретения, является создание путем расположения пластин, по существу, в одной плоскости с впуском для сырья, таких условий, чтобы сырьевой поток перемещался вдоль поверхности пластины с образованием более чистого потока пара.
Настоящим изобретением обеспечивается усовершенствование по сравнению с известным уровнем техники по меньшей мере потому, что устройство распределения сырья, само по себе, создает результирующее распределение сырьевого потока во входной секции колонны, не требующее перераспределения впусков для сырья, создает минимальное падение давления и, по существу, обладает более простой конструкцией, благодаря чему динамика сырьевого потока в этой системе может быть без труда рассчитана и смоделирована.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является упрощение распределения сырья в момент его подачи в контактную колонну.
Эта задача решена путем обеспечения секции колонны с устройством распределения сырья, как описано в настоящем документе и формуле изобретения.
Более конкретно, задачей изобретения является обеспечение устройства распределения сырья, которое может быть использовано для распределения газовой или парообразной доли сырья более равномерно по площади поперечного сечения разделительной секции над точкой подачи по сравнению с распределением без устройства распределения сырья. Дополнительной задачей, отдельной или в сочетании с более равномерным распределением сырья, является использование устройства для распределения сырья с целью уменьшения максимальной величины локальной скорости по меньшей мере части сырья в момент его подачи в разделительную секцию над точкой подачи.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение распределения сырья без создания значительного падения давления в системе.
Указанные выше задачи решены благодаря расположению по меньшей мере одной группы пластин со свободным пространством между ними, известной как устройство для распределения сырья, по существу, перед одним или несколькими впусками для сырья. Группа пластин расположена в таком месте и в таком порядке, что достаточно изменяет поток из впуска для сырья, который более равномерно распределяется по площади поперечного сечения разделительной секции над точкой подачи, и максимум локальной скорости потока сырья, поступающего в разделительную секцию, уменьшается.
Секция колонны для разделения подаваемого продукта на компоненты в соответствии с настоящим изобретением включает по меньшей мере один впуск для подачи сырья во внутреннюю часть колонны и по меньшей мере одно устройство для распределения сырья, расположенное, по существу, перед по меньшей мере одним впуском для сырья. Размеры предпочтительного устройства для распределения сырья таковы, что размер по вертикали каждой пластины равен по меньшей мере размеру по вертикали впуска для сырья, а размер по горизонтали группы пластин и свободного пространства между ними равен по меньшей мере размеру по горизонтали впуска для сырья. Однако, размер по вертикали каждой пластины не должен быть равен по меньшей мере размеру по вертикали впуска для сырья при условии, что этот размер по вертикали достаточен для достижения целей данной конструкции. То же относится к размеру по горизонтали группы пластин и свободного пространства между ними.
В ходе функционирования пластины по меньшей мере одного устройства для распределения сырья отклоняют по меньшей мере часть потока сырья, подаваемого в данную секцию через указанный первый впуск для сырья, от его первоначального направления, определяемого указанным впуском для сырья, до другого направления, обычно приближающегося к направлению, по существу параллельному стенкам колонны, то есть, вертикальному. Другая часть потока сырья проходит через свободное пространство, не отклоняясь или отклоняясь под существенно меньшим углом. Таким образом достигается более равномерное распределение потока в разделительной секции над впуском для сырья по сравнению со случаем, когда перед впуском для сырья нет устройства для распределения сырья.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения разделительная колонна включает по меньшей мере один впуск для сырья, через который из ребойлера в нижнюю часть колонны подают испаренное сырье и в котором имеется по меньшей мере одно устройство для распределения сырья, расположенное на траектории движения испаренного сырья.
Способ изменения свойств потока сырья, подаваемого в разделительную колонну, или колонну газожидкостного контакта, сырья, в соответствии с настоящим изобретением, включает подачу сырья, содержащего некоторую долю пара, в секцию разделительной колонны, снабженную устройством для распределения сырья, по существу, на траектории движения потока сырья так, что по меньшей мере часть потока сырья, направляемого в разделительную секцию над впуском для сырья, обладает сниженной величиной максимальной локальной скорости, и указанная часть потока сырья распределяется по площади поперечного сечения указанной разделительной секции по существу более равномерно.
В отличие от конструкций, описанных в WO 2007/089888 и патенте США № 5972171, указанных выше, устройство для распределения потока настоящего изобретения размещено так, чтобы отклонять, рассеивать и распределять поток. Предпочтительно, поток, который может представлять собой поток невскипающего сырья или вскипающего сырья, на некоторый угол отклоняется от исходного потока сырья и не является по существу параллельным этому исходному направлению, как это имеет место в устройствах предотвращения уноса.
Более конкретно, настоящее изобретение отличается тем, что изложено в описывающих частях формулы изобретения пунктов 1 и 13.
Настоящее изобретение позволяет достичь значительных преимуществ. Благодаря добавлению в данную систему одного или нескольких распределительных устройств для сырья в точке подачи, можно смягчить свойства потока сырья, неблагоприятные для внутренней части системы, главным образом, высокую скорость. Кроме того, благодаря отклонению направления потока так, что он равномерно распределяется по площади поперечного сечения разделительной секции над указанным устройством для распределения сырья, повышается эффективность указанной распределительной секции и одновременно появляется возможность сведения к минимуму размера этой секции колонны по вертикали. При уменьшении размера секции колонны по вертикали конструкция колонны и ее техническое обслуживание становятся более рентабельными. Дополнительные преимущества настоящего изобретения заключаются в том, что оно позволяет расположить множество впусков для сырья ближе друг к другу, если это нужно для технического обслуживания и оптимизации конструкции, при этом сохраняя по существу равномерное распределение части сырья, направляемого в разделительную секцию, расположенную над рассматриваемой секцией колонны, а также минимизировать гидравлические потери в указанной секции колонны.
Устройства для распределения сырья обычно включают удлиненные пластины и свободное пространство между ними, ориентированные вдоль продольной оси колонны.
Колонна предпочтительно представляет собой дистилляционную, вакуумную дистилляционную колонну, отпарную, абсорбционную, экстракционную, промывную колонну или их сочетание. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения пластины устройства для распределения сырья или, в случае множества последовательных устройств, каждое из устройств для распределения сырья, расположены в линейном порядке, то есть, вдоль прямой линии. В качестве альтернативы, этот порядок может представлять собой шахматный порядок, регулярную кривую, сложнопрофильную кривую или, например, V-образный порядок. В соответствии с результатами моделирования и испытаний особенно эффективным порядком является простая дуга с центром кривизны дальше от впуска для сырья.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, помимо первого устройства для распределения сырья, имеется по меньшей мере одно второе устройство для разделения сырья, отделенное от первого устройства для распределения сырья и расположенное относительно него последовательно, параллельно или концентрически. Пластины одного или нескольких вторых устройств для распределения сырья, последовательного с первым устройством для распределения сырья, предпочтительно расположены, по меньшей мере частично, на одной линии с промежутками первого устройства для распределения сырья. То есть, эти устройства обладают по меньшей мере одним промежутком на линии в направлении потока сырья на виде со стороны впуска для сырья.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения выше и/или ниже одного или нескольких устройств для распределения сырья имеется разделительная секция. Эта разделительная секция может представлять собой секцию, предназначенную для разделения, дистилляции, теплопередачи, экстракции, промывки или абсорбции.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения в этой секции имеется два впуска для сырья, направление которых не точно соответствует противоположным сторонам колонны. То есть, они разделены менее чем 180 градусами. Напротив обоих впусков для сырья расположены устройства для распределения сырья, соответствующие настоящему изобретению. В качестве альтернативы используется единственное устройство для распределения сырья, соответствующее настоящему изобретению, обладающее достаточным размером по горизонтали для того, чтобы находиться по существу напротив обоих впусков для сырья.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения впуск для сырья соединен с выходным отверстием устройства, такого как ребойлер, в котором образуется испаренное сырье для колонны. Пластины по меньшей мере одного устройства для распределения сырья расположены так, чтобы отклонять по меньшей мере часть потока испаренного сырья и уменьшать величину его скорости. Настоящее изобретение особенно эффективно в случае мгновенно испаряющегося сырья, которое, как таковое, может создавать неравномерное распределение потока в разделительной секции над впуском для сырья, таким образом снижая эффективность разделения.
Далее варианты осуществления изобретения описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1А представляет собой вид сверху секции колонны с одним впуском для сырья и одним устройством для распределения сырья.
Фиг.1В представляет собой трехмерное изображение секции, представленной на фиг.1А.
Фиг.2А представляет собой вид сверху секции колонны с одним впуском для сырья и двумя параллельными устройствами для распределения сырья.
Фиг.2В представляет собой трехмерное изображение секции, представленной на фиг.2А.
Фиг.3 представляет собой вид сверху секции колонны с одним впуском для сырья и двумя концентрическими устройствами для распределения сырья.
Фиг.4 представляет собой трехмерное изображение секции колонны с одним впуском для сырья и одним устройством для распределения сырья в виде сложной дуги.
Фиг.5 представляет собой вид сверху секции колонны с двумя впусками для сырья и двумя концентрическими устройствами для распределения сырья.
Фиг.6А представляет собой вид спереди устройства для распределения сырья.
Фиг.6В представляет собой вид спереди устройства для распределения сырья, имеющего горизонтальную часть.
На фиг.7А-7Е показаны различные варианты порядка и расположения устройств для распределения сырья.
На фиг.8А-8G показаны различные варианты порядка и расположения устройств для распределения сырья в секции колонны с более чем одним впуском для сырья.
На фиг.9 показана схема дистилляционной колонны.
На фиг.10 показана схема нижней части дистилляционной колонны с двумя впусками для сырья.
Подробное описание примерных вариантов осуществления изобретения
Существует множество типов и вариантов контактных колонн. Некоторыми стандартными контактными колоннами являются дистилляционные колонны, отпарные колонны, абсорбционные колонны, экстракционные колонны и промывные колонны. Помимо одноцелевых колонн, имеется много контактных колонн, объединяющих два или более стандартных процессов (то есть, дистилляцию и абсорбцию). Кроме того, существуют такие категории, как насадочные колонны и вакуумные колонны. Для специалистов в данной области очевидна применимость настоящего изобретения для всех типов и вариантов устройств газожидкостного контакта, перечисленных выше, дополнительно к тем, которые специально не указаны, но приняты в данной области техники.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения контактная колонна снабжена по меньшей мере одним впуском для сырья и по меньшей мере двумя впусками, по одному впуску для каждой части сырья, подлежащего разделению в этой колонне. Во многих случаях имеется петля рециркуляции, в которой поток, отбираемый из колонны, нагревают, после чего снова подают в колонну. Повторно подаваемый поток также считается сырьевым. В любой секции контактной колонны, в которой имеется впуск для сырья, через который в систему вводят сырье, существует потенциал для неравномерного распределения газовой доли сырья в секции над впуском для сырья, а также наличие локальных скоростей газовой доли сырья, которые либо разрушительны, либо неидеальны для указанной секции. Размещение возле впуска для сырья устройства для распределения сырья позволяет достичь более эффективной работы контактной колонны и обеспечить более рентабельную конструкцию контактной колонны.
На фиг.1А показана боковая стенка контактной колонны 10, охватывающая внутреннюю часть контактной колонны, впуск 12 для сырья и устройство 14 для распределения сырья, расположенное по существу напротив впуска для сырья и включающее шесть пластин, показанных жирными линиями, и пять промежутков между пластинами, расположенными на прямой линии. На фиг.1В показана та же секция и то, что пластины устройства 14 для распределения сырья размещены вертикально, при этом их размер по вертикали больше, чем диаметр впуска 12 для сырья. Кроме того, размер по горизонтали устройства для распределения сырья больше, чем диаметр трубы. На практике размеры устройства для распределения сырья по вертикали и по горизонтали необязательно должны быть больше диаметра трубы. Под размещением устройства для распределения сырья по существу напротив впуска для сырья подразумевается, что устройство расположено так, что поток, выходящий из впуска для сырья, вступает в контакт по меньшей мере с частью устройства для распределения сырья, то есть, либо с пластинами, и/или с промежутками между пластинами. Подразумевается, что данное устройство может быть расположено либо непосредственно напротив впуска для сырья, либо на некотором расстоянии от впуска для сырья, при этом, оставаясь, по существу, напротив впуска для сырья, как показано на фиг.1А и 1В. Кроме того, является предпочтительным, но не обязательным, чтобы устройство для распределения сырья, по существу, напротив впуска для сырья было ориентировано так, чтобы лицевая сторона устройства для распределения сырья с группой пластин и промежутков между ними была обращена к впуску для сырья, как показано на фиг.1А и 1В.
В зависимости от параметров потока сырья может оказаться эффективным предусмотреть наличие множества устройств для распределения сырья, расположенных по существу напротив впуска для сырья. На фиг.2А показана боковая стенка контактной колонны 20, охватывающая внутреннюю часть контактной колонны, впуск 22 для сырья и два устройства 24А и 24В для распределения сырья. Так же, как и на фиг.1А, каждое устройство для распределения сырья расположено по существу напротив впуска для сырья и включает шесть пластин и пять промежутков между ними. Кроме того, оба устройства для распределения сырья расположены одно за другим параллельно друг другу, при этом пластины второго устройства 24В соответствуют пластинам первого устройства 24А. На фиг.2В показан другой вид той же системы.
На фиг.3, так же как и на фиг.2, показана боковая стенка контактной колонны 30, охватывающая внутреннюю часть контактной колонны, впуск 32 для сырья и два устройства 34А и 34В для распределения сырья. В отличие от фиг.2, каждое из устройств 34А и 34В для распределения сырья имеет вид сложной дуги с переменным радиусом, а вместе они расположены одно за другим в виде концентрических сложных дуг. На фиг.4 показано единственное устройство 44 для распределения сырья, имеющее вид сложной дуги, так же как 34А и 34В, и расположенное, по существу, перед впуском 42 для сырья во внутренней части контактной колонны образованным контактной колонной 40.
Для контактных колонн, в которых имеется два или более впусков для сырья, общим является то, что множество потоков сырья подают в одну секцию контактной колонны. В такой ситуации указанные для системы с одним впуском для сырья проблемы могут усугубляться. Например, на фиг.5 показана боковая стенка контактной колонны 50, охватывающая внутреннюю часть контактной колонны, два впуска 52А и 52В для сырья и два устройства 54А и 54В для распределения сырья, расположенные одно за другим в виде концентрических сложных дуг. Два впуска для сырья могут быть расположены асимметрично под углом менее 180 градусов между ними, как показано на фигуре. В таких случаях потоки из впусков 52А и 52В, поступающие в эту секцию, не являются идеальными, что является причиной далеко не однородного распределения по площади поперечного сечения разделительной секции над впусками для сырья. В данном примере устройства 54А и 54В для распределения сырья обладают достаточными размерами по горизонтали для того, чтобы располагаться, по существу, напротив обоих впусков для сырья одновременно.
Пример устройства 62 для распределения сырья представлен на фиг.6А. Каждое устройство для распределения сырья включает группу пластин 68А-F. Между этими пластинами имеется группа промежутков 66А-Е. В данном примере количество промежутков на единицу меньше количества пластин в группе. Материал для изготовления пластин может быть подобран конструктором на основании конструкционных параметров контактной колонны, состава сырья, параметров потока сырья, эксплуатационных расходов и т.д. и может быть одним и тем же для всех пластин или может отличаться для разных пластин в составе одного устройства для распределения сырья. Пластины могут быть сплошными или могут иметь отверстия. Пластины также могут иметь плоскую поверхность или могут быть текстурированными или иметь рисунок на одной или обеих сторонах. Размеры по горизонтали, вертикали и толщина каждой отдельной пластины могут изменяться в одном устройстве для распределения сырья, а также в разных устройствах для распределения сырья в зависимости от механического напряжения, создаваемого высокоскоростным потоком сырья, поступающим в данную секцию колонны и, в конце концов, соударяющимся с пластинами указанного устройства для распределения сырья.
На фиг.6В показано то же устройство для распределения сырья с дополнительными горизонтальными участками 64А-Е, соединяющими вертикальные пластины и разделяющими каждый промежуток на две части: 66A'-E' и 66A”-E”. Горизонтальные участки могут предназначаться для повышения устойчивости устройства для распределения сырья или для улучшения рассеивания и распределения сырья. Хотя и описанные здесь как множество горизонтальных участков, они могут представлять собой один горизонтальный участок, соединяющий все или только часть пластин устройства для распределения сырья. Кроме того, может иметь место множество горизонтальных участков, присоединенных к одной пластине в различных точках по вертикали.
Поскольку контактные колонны существуют во множестве разновидностей и конструкций с различными типами сырья, является эффективным располагать пластины каждого устройства для распределения сырья в различном порядке в зависимости от требований конкретной системы. На фиг.7А-Е показаны различные секции с одним впуском для сырья с примерами порядка расположения единственного и множеств устройств для распределения сырья.
На фиг.7А показано три устройства для распределения сырья, расположенных последовательно, при этом пластины каждого из устройств для распределения сырья размещены на прямой линии, параллельно друг другу. Можно видеть, что пластины среднего устройства для распределения сырья расположены так, что находятся на одной линии с промежутками между пластинами переднего и заднего устройства для распределения сырья. Часто для рассеивания и распределения определенного потока сырья выгодно располагать пластины одного устройства для распределения сырья так, чтобы они находились на одной линии по меньшей мере с частью промежутков между пластинами второго устройства для распределения сырья на виде со стороны впуска для сырья. То же можно сказать про горизонтальные участки, если они есть, нескольких устройств для распределения сырья, расположенных последовательно. Кроме того, расстояние между любыми из устройств для распределения сырья, между первым устройством для распределения сырья и впуском для сырья, а также последним устройством для распределения сырья и противоположной частью стенки может изменяться, его определяют на основании конструкционных параметров системы. На этой фигуре также видно, что расстояние между дальними концами каждого из устройств для распределения сырья и прилегающей частью стенки может изменяться.
На фиг.7В показано единственное устройство для распределения сырья с пластинами, расположенными в шахматном порядке.
На фиг.7С показано единственное устройство для распределения сырья с пластинами, расположенными в V-образном порядке, вершина которого обращена к впуску для сырья. Хотя описывается один V-образный порядок, также предусматривается, что два различных устройства для распределения сырья могут быть расположены под углом друг к другу, образуя более или менее V-образную форму.
На фиг.7D показано два концентрических устройства для распределения сырья, каждое из которых имеет порядок простой дуги с постоянным радиусом.
На фиг.7Е показана секция, в которой имеется два устройства для распределения сырья, при этом первое имеет V-образный порядок, а второе - прямолинейный. Хотя в данном описании представлено несколько примеров, не подразумевается, что они имеют ограничительную природу. Специалистам в данной области ясно, что существуют многочисленные иные варианты расположения, порядка и сочетаний устройств для распределения сырья, которые соответствуют задаче рассеивания и распределения конкретных и общих потоков сырья в секции колонны и, тем самым, включаются в объем настоящего изобретения.
На фиг.8А-F показаны различные секции контактной распределительной колонны, снабженные более, чем одним впуском для сырья с примерами расположения единственного устройства для распределения сырья и множества устройств для распределения сырья.
На фиг.8А показана секция с двумя впусками для сырья, расположенными под углом друг к другу менее 180 градусов, и единственное устройство для распределения сырья, расположенное в форме простой дуги. Размер по горизонтали, или длина дуги, единственного устройства для распределения сырья достаточен для того, чтобы располагаться перед обоими впусками для сырья.
На фиг.8В показана аналогичная секция с двумя впусками для сырья, но снабженная двумя различными устройствами для распределения сырья, каждое из которых расположено в виде простой дуги и расположено по существу напротив соответствующего впуска для сырья.
На фиг.8С показана секция с двумя впусками для сырья, при этом каждому впуску для сырья соответствует собственный набор из двух устройств для распределения сырья, расположенных параллельными прямыми линиями. Может оказаться, что при наличии двух или более впусков для сырья, имеется разница в свойствах потока сырья в каждом из них. В таком случае может быть эффективным применение двух разных конструкций и порядка расположения одного или каждого из нескольких устройств для распределения сырья перед каждым из соответствующих впусков для сырья.
На фиг.8D показано единственное устройство для распределения сырья V-образной формы, расположенное так, что каждая сторона V-образного порядка находится, по существу, перед отдельным впуском для сырья.
На фиг.8Е показана секция с двумя отдельными устройствами для распределения сырья с прямолинейным порядком каждое, расположенными под углом друг к другу. Также можно видеть, что каждое из устройств для распределения сырья размещается по меньшей мере частично в обеих полусферах данной секции колонны. Наконец, на фиг.8F показана секция с тремя впусками для сырья, при этом перед каждым впуском для сырья имеется по меньшей мере часть устройства для распределения сырья. Специалистам в данной области ясно, что существуют многочисленные иные варианты расположения, порядка и сочетаний устройств для распределения сырья, которые соответствуют задаче рассеивания и распределения конкретных и общих потоков сырья в секции колонны с несколькими впусками для сырья и, тем самым, включаются в объем настоящего изобретения.
На фиг.8G показана секция с двумя впусками для сырья, ориентированными под углами 0 и 180 градусов, то есть, противоположными друг другу, с группой устройств для распределения сырья, расположенной, по существу, перед каждым впуском для сырья. Первое устройство для распределения сырья в каждой группе расположено, предпочтительно, ближе к впуску для сырья, чем к центру данной секции колонны, для обеспечения оптимального распределения сырья. Хотя на фигуре показано четыре устройства для распределения сырья в двух группах, зеркально отражающих друг друга, могут быть применены многие другие варианты расположения. Кроме того, показанные отдельные группы могут также быть соединены друг с другом, образуя по существу два круглых или овальных кольца вокруг центра секции колонны.
На фиг.7А-8G показаны многочисленные примеры расположения устройств для распределения сырья. Каждое из них занимает лишь небольшую часть площади поперечного сечения контактной колонны. Кроме того, хотя пластины устройства(устройств) для распределения сырья расположены так, что отклоняют часть сырья, поступающего через впуск для сырья, общее ограничение потока сырья, подаваемого в данную секцию колонны, сведено к минимуму благодаря тому, что часть потока сырья проходит через устройство(а) для распределения сырья беспрепятственно или по существу беспрепятственно. Из-за отсутствия изменения направления или придания формы воронки всему потоку сырья, поступающему в секцию колонны, величина скорости потока сырья уменьшается при столкновении с устройством(ами) для распределения сырья. Поскольку падение давления равно квадрату скорости, при расположении устройств для распределения сырья, как показано на фигурах и описано выше, может возникнуть только небольшое или почти пренебрежимо малое падение давления, что благоприятно для функционирования многих разделительных колонн.
На фиг.9 показано общее устройство вакуумной дистилляционной колонны 90 с наружной стенкой 91, ограничивающей внутреннюю часть, предназначенную для разделения сырья на два потока, при этом каждый из этих потоков обладает составом, отличным от состава сырья и от состава другого потока. В колонне имеется два основных впуска 92А и 92В для сырья, питающих одну секцию колонны и расположенных под углом 92' друг к другу. Эти два основных впуска для сырья могут находиться на одной и той же высоте колонны по вертикали или на разных высотах, однако соответствующее сырье через них поступает в одну и ту же секцию. Хотя угол 92' может составлять 180 градусов, часто он меньше 180 градусов в силу конструкционных параметров колонны и ее окружения. Секция колонны, в которую поступает сырье через данные впуска для сырья, ограничена наружной стенкой 91 колонны и верхней и нижней разделительными секциями 93 и 93', образованными одним или несколькими слоями насадки или группой тарелок, непосредственно над и под впусками для сырья. Каждая из разделительных секций 93 или 93', показанная заключенным в рамку прямоугольником, может состоять или быть образовала несколькими разделительными секциями, которые могут предназначаться для разделения, дистилляции, теплопередачи, экстракции, промывки или абсорбции в зависимости от конструкции колонны.
Кроме того, в зависимости от расположения впусков для сырья по вертикали колонны, верхняя или нижняя разделительная секция может быть конечной частью внутренней части колонны. В нижней части колонны имеется выходное отверстие 94 для одного потока, через которое часть выходящего потока отводят из системы, а вторую часть подают в ребойлер 94' и после достаточного нагревания этот поток снова вводят в колонну через впуск для сырья 94”. Выходящий из колонны поток нагревают в ребойлере, после чего снова подают в систему, обеспечивая тепло, необходимое для разделения, обычно ниже по вертикали, чем основной впуск для сырья.
Кроме того, состав повторно подаваемого из ребойлера потока сырья и его свойства в этой точке обычно отличаются от аналогичных параметров основного сырья из-за разделения, произошедшего в колонне. Точно так же выходящий поток 95 в верхней части колонны представляет собой газ, образовавшийся в результате разделительного действия колонны. Выходящий поток охлаждают в конденсаторе 95' с целью конденсации, по меньшей мере частично, этого потока и, одновременно, снятия тепла, переносимого через колонну при разделении. Поток 95'”, выходящий из конденсатора 95', поступает в барабан 96 конденсатора, находящегося над колонной, где газовая и жидкая части потока 95'” отделяются друг от друга. Газовую часть потока 95'” отводят как поток продукта 97. Насыщенную или переохлажденную жидкую часть потока 95'” снова подают в колонну через впуск 95” для сырья.
Что касается подаваемых через впуск для сырья потоков, которые испаряются, по меньшей мере частично, при давлении, превалирующем в области впуска для сырья данной колонны, существует вероятность того, что поток сырья и его распределение в разделительной секции над точкой подачи не будет идеальным. В определенных случаях может быть выгодным добавление одного или нескольких устройств для распределения сырья в той секции, где имеется впуск для сырья, с целью рассеивания и/или распределения сырья в секции выше и/или ниже более оптимально. Устройства для распределения сырья 98В и 98С расположены в секции, включающей два основных впуска для сырья 92А и 92В. Эти устройства для распределения сырья могут иметь любой порядок и расположение по желанию разработчика системы в зависимости от параметров данной секции, а также других критериев проектирования.
В зависимости от конструкции и требований, диктуемых условиями эксплуатации колонны, устройства для распределения сырья могут быть прикреплены более или менее стационарно либо могут быть присоединены съемным или допускающим замену способом. Устройства для распределения сырья 98В и 98С показаны как расположенные между верхней и нижней разделительными секциями 93 и 93'. В зависимости от различия состава сырья и свойств потока в 92А, 92В, 94”, 95” и их соответствующего расположения в колонне устройства для распределения сырья 98В-D могут иметь аналогичный или разный порядок и расположение. Устройство для распределения сырья 98D показано как находящееся под самой нижней разделительной секцией 93'.
Для полноты картины можно отметить, что даже если в описанных выше вариантах осуществления изобретения сырье не вскипает в месте расположения устройства для распределения сырья 98А, понятно, что возможно расположить такое устройство для распределения сырья в этом месте.
В некоторых случаях подаваемое через первичные впуски для сырья сырье, представленное потоками 92А и 92В, будет вскипать. Фактически, сырье перед поступлением в колонну может представлять собой газ, жидкость или их смесь, однако после поступления в колонну это смесь газа и жидкости. Аналогично, поток сырья 94” может представлять собой газ или жидкость или их смесь, но на практике это вскипающее сырье и, следовательно, сырье, поступившее в колонну, представляет собой смесь газа и жидкости. Поток сырья 95” обычно представляет собой оросительную флегму, следовательно, при поступлении в колонну это только жидкость. Однако если поток 95” - это вскипающее сырье, а не флегма, устройство для распределения сырья 98А будет полезным.
Хотя в колонне вакуумной дистилляции, показанной на фиг.9, имеется только два выходящих потока, возможно наличие более двух выходящих потоков и более, чем показано, впусков для сырья и соответствующих потоков. Независимо от числа впусков и выходящих потоков предусматривается, что устройство для распределения сырья может быть размещено в любой секции, в которой имеется впуск для сырья.
На фиг.9 показана обобщенная колонна вакуумной дистилляции с основным или первичным впуском для сырья, расположенным по вертикали вблизи середины колонны, и петлей рециркуляции у каждой оконечности колонны, одна петля предназначена для повторного испарения, вторая - для конденсации. Однако в некоторых вариантах применения, а именно при перегонке машинного масла или его производных, нижняя петля должна быть разделена на две параллельные петли, каждая из которых имеет собственный впуск для повторной подачи сырья в нижнюю часть колонны. Через каждый из впусков для сырья поток, выходящий из ребойлера, поступает в колонну вакуумной дистилляции.
Такая нижняя секция 100 колонны 101 показана на фиг.10, здесь сырье через два впуска 102 и 103 для сырья из петель рециркуляции, соединенных с двумя параллельно функционирующими ребойлерами, поступает в колонну. Предпочтительно располагать два впуска для сырья напротив друг друга под углом 180 градусов, как показано, однако также используют углы менее 180 градусов. Без устройства для распределения сырья для облегчения создания близкого к идеальному распределения потока газа в разделительной секции над этими впусками для сырья обычно предусматривается наличие большого полого вертикального пространства. Идеальный поток газа - это такой поток, когда газ однородно распределен по площади поперечного сечения разделительной секции, обращенной к этому потоку, 109. Однако такая конструкция, требующая дополнительного увеличения высоты, недостаточна для обеспечения равномерно распределенного объединенного потока газа в разделительной секции над впусками для сырья. Путем размещения двух устройств 108 для распределения сырья, размещенных, как показано на фиг.8G (впуски противоположны друг другу), напротив каждого отверстия, распределение потока газа может быть значительно улучшено.
В случае вакуумной дистилляционной колонны, предназначенной для перегонки машинного масла, нижняя секция 100 колонны 101, как показано на фиг.10, может иметь более пяти метров в диаметре. Входные трубопроводы 102 и 103 для сырья могут иметь диаметр порядка одного или двух метров. В таких случаях пространство, требующееся между впусками и опорной решеткой 109 под первой разделительной секцией, в качестве альтернативы 109 может представлять собой разделительную тарелку, может составлять только один метр, если устройство 108 для распределения сырья имеет высоту от двух до трех метров. Это представляет значительное усовершенствование по сравнению с величиной высоты, требуемой без устройства для распределения сырья.
Иногда, в силу физических ограничений или требований к техническому обслуживанию, не всегда возможно разместить впуски для сырья идеально под углом 180 градусов. Когда один из впусков для сырья смещен так, что угол между двумя впусками для сырья составляет менее 180 градусов, скажем, только 30-90 градусов, например 60 градусов, то общее распределение сырья двух сырьевых потоков в разделительной секции над впусками для сырья недостаточно оптимально, и эффективность функционирования вакуумной дистилляционной колонны в целом снижается. Аналогично, путем использования двух устройств для распределения сырья, как показано на фиг.5 (два впуска под углом 60 градусов между ними и устройство 7D для распределения сырья), распределение потока газа может быть значительно улучшено.
Путем размещения устройств для распределения сырья по существу напротив двух впусков для сырья так, чтобы они не полностью блокировали впуск, но создавали условия соударения с ними части каждого из вскипающих потоков сырья, можно достичь того, что первоначально неравномерно распределенные газовые составляющие сырья по существу более равномерно распределяются по площади поперечного сечения разделительной секции над ними, в результате чего увеличивается эффективность разделения, снижается величина максимума локальной скорости по меньшей мере части вскипающего сырья, снижая требования к конструкции, то есть, к высоте полого пространства в верхней части секции, включающей впуски для сырья. Направление потока газа, образующегося из этих двух вскипающих потоков сырья по существу быстрее изменяется с исходного, по существу горизонтального, направления, определяемого впуском для сырья, на предпочтительное вертикальное направление, по существу перпендикулярное к исходному направлению и параллельное стенкам колонны, тем самым уменьшается необходимая высота самой нижней секции колонны. Благодаря преимуществам использования устройств для распределения сырья настоящего изобретения в такой колонне, становится возможным создание более коротких колонн с меньшим падением давления. Это непосредственным образом ведет к созданию колонн, которые дешевле производить, эксплуатировать и обслуживать.
Благодаря таким устройствам для распределения сырья, возможно создание колонн, в которых два впуска для сырья не обязательно должны быть расположены друг против друга под углом 180 градусов. Кроме того, такие устройства для распределения сырья позволяют создавать колонны с несимметричным расположением впусков для сырья, модернизированных с целью увеличения эффективности и снижения эксплуатационных затрат.
Другим преимуществом описываемых устройств для распределения сырья является их относительная простота. В отличие от других потенциальных устройств для распределения сырья, простой порядок пластин и промежутков между ними, как описано выше, легко переводится в программное обеспечение для расчета и моделирования с целью обеспечения точного и подробного анализа динамики потока с использованием небольших или умеренных вычислительных ресурсов. Условия, имеющие место в секции разделительной колонны с одним или несколькими впусками для сырья, сложные. Введение дополнительной сложной конструкции накладывает серьезные и, часто, требующие неконтролируемо много времени для обработки ограничения на современное программное обеспечение, предназначенное для расчетов и моделирования, а также на компьютерное аппаратное обеспечение. Из-за этого на практике часто невозможно просто и точно произвести моделирование сложных устройств с целью определения того, насколько эффективной будет данная конструкция.
Однако, благодаря относительной простоте конструкции из пластин и промежутков между ними, как описано в настоящем документе, становится чрезвычайно реальным точное моделирование динамики и реологических свойств потока в секции колонны, снабженной таким устройством. Имея возможность точного моделирования ожидаемой динамики потока, теперь вполне осуществимо простое и эффективное определение влияния конкретной конструкции в частном варианте ее применения и оптимизация высоты и параметров потенциального устройства для распределения сырья и соответствующей колонны. Это позволяет создавать более эффективные и рентабельные колонны. Кроме того, те же расчеты и моделирование могут быть применены к существующим колоннам с целью подбора расположения устройства для распределения сырья, обеспечивающего наиболее усовершенствованное, эффективное функционирование. Это увеличение эффективности ведет к снижению затрат на эксплуатацию и обслуживание.
Таким образом, в настоящем документе описаны примерные варианты осуществления настоящего изобретения, включающие конкретные подробности определенных вариантов осуществления. Специалистам в данной области ясно, что всевозможные порядок, расположение, место, состав и способ соединения пластин в устройствах для распределения сырья, прямо не описанные в настоящем документе, могут пониматься как не отступающие от объема и идеи настоящего изобретения.