УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ НА ПАРАЛЛЕЛЬНОПОТОЧНЫЕ ТАРЕЛКИ ДЛЯ ПАРОЖИДКОСТНОГО КОНТАКТИРОВАНИЯ
PERFECTED FEED OF FLUID TO PARALLEL-FLOW TRAYS FOR VAPOUR-FLUID CONTACT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к контактным аппаратам для осуществления парожидкостного контактирования, такого как фракционная перегонка или другие процессы с массо- и/или теплопереносом. Более конкретно, изобретение относится к системам распределения текучей среды, такой как жидкость, по параллельным контактным уровням, используемым для обеспечения высокопроизводительного и высокоэффективного контактирования.
Уровень техники
Парожидкостные контактные устройства, такие как тарелки и насадки фракционной колонны, используют для проведения широкого ряда разделений, в частности в нефтяной и нефтехимической промышленностях. Фракционирующие тарелки используют, например, для разделения углеводородов на фракции, имеющие близкую относительную летучесть или точку кипения. В число этих фракций входят продукты нефтепереработки и нефтехимической переработки на основе сырой нефти, такие как лигроин, дизельное топливо, сжиженный природный газ и полимеры. В некоторых случаях тарелки используют для отделения определенных соединений от других соединений, принадлежащих к тому же химическому или функциональному классу, например спиртов, простых эфиров, алкилароматических соединений, мономеров, растворителей, неорганических соединений и т.д. Тарелки также используют при переработке газов и в процессах абсорбционного разделения. Разработано большое множество тарелок и других контактных устройств, обладающих различными преимуществами и недостатками.
Фракционирующие тарелки и насадки являются преобладающими формами традиционных парожидкостных контактных устройств, используемых в перегонных аппаратах, например для указанных выше применений. В случае тарелок в типичной фракционной колонне используется от 10 до 250 этих контактных устройств, число которых зависит от легкости разделения (разницы в относительной летучести) и заданной чистоты продукта. Обычно конструкция всех тарелок в колонне одинакова, но при этом известно, что соседние по вертикали конструкции могут отличаться одна от другой (например, в чередующемся порядке). Тарелки устанавливаются горизонтально, обычно на одинаковом расстоянии по вертикали, называемом интервалом колонны. Это расстояние может, например, варьировать в разных секциях колонны. Тарелки часто поддерживаются кольцами, приваренными к внутренней поверхности стенки колонны.
Фракционная перегонка традиционно проводится в поперечнопоточных или противоточных контактных устройствах, в которых присутствуют одновременно нисходящий поток жидкости и восходящий поток пара. В различных точках или на уровнях в устройстве паровая и жидкая фазы приходят в контакт, что обеспечивает обмен компонентами паровой и жидкой фаз и достижение парожидкостного равновесия между фазами или максимальное приближение к нему. После этого паровая и жидкая фазы разделяются, движутся в соответствующих направлениях и вновь контактируют с другими порциями соответствующей текучей среды на другом уровне. Во многих традиционных парожидкостных контактных устройствах пар и жидкость контактируют на каждом уровне в поперечнопоточной конфигурации. Одно из альтернативных устройств отличается по своей работе от традиционного многоуровневого контактирования тем, что при сохранении в устройстве в целом противоточного потока каждый уровень фактического контактирования между жидкой и паровой фазами по крайней мере частично осуществляется в зоне параллельнопоточного массопереноса. Известны устройства, обеспечивающие поперечнопоточное или параллельнопоточное парожидкостное контактирование, так же как и устройства, направляющие паровой и жидкий потоки на уровнях контактирования в других конфигурациях.
В процессах фракционной перегонки с использованием традиционных тарелок образуемый в низу колонны пар поднимается через большое количество небольших отверстий, рассредоточенных на площади лицевой поверхности тарелки, на которой находится некоторое количество жидкости и которая может быть разделена на отдельные области и/или зоны. При прохождении пара через жидкость образуется слой пузырьков, называемый пеной. Большая площадь поверхности пены способствует установлению композиционного равновесия между паровой и жидкой фазами на тарелке. Далее пене позволяют разделиться на пар и жидкость. Во время парожидкостного контактирования пар отдает менее летучие материалы жидкости и вследствие этого по мере своего прохождении вверх через каждую тарелку становится несколько более летучим. Одновременно по мере того, как жидкость перемещается вниз от тарелки к тарелке, в жидкости происходит концентрирование менее летучих соединений. Жидкость отделяется от пены и движется вниз в сторону следующей более низкорасположенной тарелки. Непрерывное образование пены и разделение пара и жидкости осуществляется на каждой тарелке. Таким образом, устройства для парожидкостного контактирования осуществляют две функции: контактирование восходящего пара с жидкостью и последующее разделение обеих фаз, текущих в разных направлениях. После прохождения через достаточное количество указанных стадий на разных тарелках может быть достигнуто множество равновесных стадий разделения, приводящих к эффективному разделению химических соединений по их относительной летучести.
С целью улучшения указанного выше разделения было разработано множество различных типов устройств для парожидкостного контактирования, включая насадки и тарелки. Разные устройства, как правило, имеют различные преимущества. Например, многие тарелки со сливной трубой обладают высокими паровой и жидкостной емкостями и способностью к эффективному функционированию в значительном диапазоне рабочих скоростей. Структурированные насадки характеризуются, как правило, малым перепадом давления, что делает их пригодными для работы при низком давлении или в вакууме.
Важными параметрами, используемыми для оценки рабочих характеристик какого-либо устройства для парожидкостного контактирования, такого как фракционирующая тарелка, являются производительность и эффективность. Под производительностью подразумевается общее количество пара и жидкости, которое может эффективно контактировать на тарелке и поступать к последующим тарелкам без переполнения. Эффективность подразумевает результативность, или приближение к равновесию массопереноса между паровой и жидкой фазами, происходящему от тарелки к тарелке. Как производительность, так и эффективность могут ухудшиться, если в устройстве парожидкостного контактирования имеет место неправильное распределение жидкости или пара. Неправильное распределение жидкости или пара имеет тенденцию распростаняться от одной тарелки к следующей, ухудшая тем самым рабочие характеристики устройства в целом.
В хорошо известном исследовании Льюиса (W.K.Lewis, 1936) было установлено, что эффективность массопереноса тарелок для парожидкостного контактирования можно довести до максимума путем введения несмешанного пара в контакт с жидкими потоками вдоль каждой последующей тарелки в одном и том же направлении (Случай 2). Под Случаем 2 подразумевают параллельный поток, который в соответствии с изобретением относится к потокам жидкости на соседних по вертикали или последовательных тарелках, а не к потокам жидкости на единственной тарелке. Случай 2 Льюиса обеспечивает условие, при котором движущая сила массопереноса на какой-либо данной тарелке практически одинакова вне зависимости от того, в каком месте на тарелке происходит массоперенос. Благодаря этому при использовании тарелки, работающей в соответствии со случаем 2 Льюиса, можно добиться значительного повышения эффективности.
Уровни контактирования для аппаратов парожидкостного контактирования, в которых используются параллельнопоточные тарелки, известны в технике и описаны, например, в US 5223183, который относится к параллельнопоточной тарелке с по меньшей мере одной центральной сливной трубой и без боковых сливных труб. Другой подобный контактный уровень описан в US 5318732, в котором использованы несколько сливных труб и который включает в себя тарелочные элементы для повышения производительности. Усовершенствованная высокопроизводительная параллельнопоточная тарелка описана в US 7204477, полностью включенном в настоящую заявку в качестве ссылочного материала.
Описанные выше параллельнопоточные тарелки, так же как и другие тарелки и аппараты для парожидкостного контактирования, в которых используются эти тарелки, требуют эффективного распределения текучих сред, включающих сырье, которое может вводиться на разных уровнях аппаратов и, соответственно, в разных положениях относительно множества дистанцированных по вертикали тарелок. Например, сырье для перегонной колонны может вводиться над верхней тарелкой в виде потока жидкого орошения либо же, в другом случае, вводиться между тарелками в средней секции аппарата в виде промежуточного сырья, содержащего как парообразные, так и жидкие компоненты или фракции. В случае аппаратов с уровнями, в которых использованы параллельнопоточные тарелки, способ, в котором текучая среда (например, жидкое сырье) вводится над какой-либо данной тарелкой, имеет значительное влияние на общие технические характеристики аппарата. В частности, каждый уровень высокопроизводительного, высокоэффективного контактного аппарата может иметь 4, 6, 8 или более отдельных зон парожидкостного контактирования с восходящим паровым потоком через жидкость, протекающую горизонтально через поверхностную зону к сливной трубе для жидкости. Оптимальная подача текучей среды к каждой контактной зоне параллельнопоточной тарелки представляет, таким образом, важную проблему, которая побудила продолжать усилия в поиске усовершенствований.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение относится к созданию усовершенствованных систем распределения для жидкого сырья и других текучих сред в аппарате парожидкостного контактирования, например при вводе вне аппарата (например, из внешнего ввода жидкого сырья). Эти распределительные системы применимы, в частности, для подачи текучих сред на контактные уровни, включающие в себя параллельнопоточные тарелки (т.е. контактные уровни из параллельнопоточных тарелок), в которых жидкость, стекающая вниз через сливные трубы выше расположенного соседнего уровня, должна протекать через поверхностную зону парожидкостного контактирования расположенного непосредственно ниже контактного уровня, включающего параллельную тарелку, к другой сливной трубе для жидкости, которая не выровнена по вертикали со сливной трубой для жидкости, используемой для стекания жидкости с соседнего более высокого уровня. Контактные поверхностные зоны перфорированы с целью обеспечения прохода восходящего пара и образования пены на тарелке, что способствует парожидкостному контактированию и приближению к композиционному равновесию между фазами. Представляющие особый интерес параллельнопоточные тарелки для применения с указанными распределительными системами описаны в US 7204477.
Одной из важных характеристик распределительных систем является их способность подавать оптимальным образом текучие среды, такие как жидкое сырье (возможно вместе с паровой фракцией), в каждую контактную поверхностную зону расположенной непосредственно ниже параллельнопоточной тарелки. В случае, например, поступающих потоков жидкого сырья особенно необходима способность распределения жидкости пропорционально контактной площади каждой контактной поверхностной зоны. При этом жидкость должна идеально хорошо распределяться по входным участкам этих контактных поверхностных зон, благодаря чему подаваемое на параллельнопоточную тарелку жидкое сырье должно протекать (например, в виде пены) в существенной степени через поверхностные зоны и вследствие этого в существенной степени контактировать с паром, поднимающимся через перфорации в поверхностных зонах. Достичь этого становится труднее с увеличением размера аппарата парожидкостного контактирования (например, перегонной колонны), что сильно влияет не только на число контактных поверхностных зон, но также и на число различных участков поверхностных зон, на которые должна распределяться жидкость.
Эти и другие относящиеся к настоящему изобретению варианты осуществления представлены в приведенном ниже детальном описании.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схема поперечного сечения типичного аппарата, включающего в себя контактные уровни с параллельнопоточными контактными тарелками.
Фиг.2 - вид сверху параллельнопоточной контактной тарелки.
Фиг.3 - схема поперечного сечения аппарата, включающего в себя параллельнопоточную контактную тарелку фиг.2.
Фиг.4А и 4В - виды в поперечном сечении и сверху, соответственно, типичного аппарата, включающего в себя систему распределения текучей среды, расположенную выше всех контактных уровней в аппарате.
Фиг.5А и 5В - виды в поперечном сечении и сверху, соответственно, типичного аппарата, включающего в себя систему распределения текучей среды, расположенную ниже верхнего контактного уровня.
Фиг.6А и 6В - виды в поперечном сечении и сверху, соответственно, типичного аппарата, включающего в себя систему распределения текучей среды, которая используется в сочетании с тарелкой с вытяжным патрубком.
На всех чертежах для иллюстрации одних и тех же или аналогичных позиций использованы одни и те же ссылочные номера. Следует иметь в виду, что чертежи представляют собой иллюстрацию изобретения и/или содержащихся в нем принципов. Специалисту в данной области, ознакомившемуся с настоящим раскрытием, несложно представить себе, что аппараты, параллельнопоточные контактные тарелки или системы распределения текучих сред согласно различным другим вариантам осуществления изобретения будут иметь конфигурации и компоненты, определяемые отчасти их конкретным применением.
Осуществление изобретения
Аспекты изобретения связаны с созданием систем для эффективного распределения текучей среды на фракционирующие тарелки, в частности параллельнопоточные тарелки, включающие в себя множественные контактные поверхностные зоны. Системы распределения текучей среды способны выгодным образом подавать жидкость к каждой контактной поверхностной зоне пропорционально ее площади. Кроме того, один или более удлиненных желобов, имеющих выводные наконечники в отдельных участках (выводных зонах), выровнены с лотками для распределения жидкости, расположенными по входным участкам каждой поверхностной зоны для равномерного распределения жидкости из желобов по этим участкам. Лотки для распределения жидкости могут быть расположены перпендикулярно желобам, которые их запитывают, и параллельно сливным трубам для жидкости параллельного тарелочного контактного уровня, на который подается жидкость. Таким образом, число выводных наконечников каждого желоба обычно должно быть по меньшей мере равным числу распределительных лотков, с которыми желоб сообщается по текучей среде (т.е. на которые желоб распределяет текучую среду). Однако часто в каждой выровненной по вертикали области (или зоне выводных окончаний) распределения от желоба к распределительному лотку используется множество выводных наконечников. Выводные наконечники могут быть щелевидными, либо же в других случаях могут иметь любую подходящую форму поперечного сечения, например круглую, прямоугольную (в частности, квадратную), овальную или многоугольную. Возможны комбинации разных форм. Выводные наконечники обычно расположены на дне желоба, например на донной поверхности, но могут также располагаться на одной из сторон или на противоположных сторонах желоба.
Распределительные системы могут также включать в себя трубную систему для предварительного распределения, сообщающуюся по текучей среде как с находящимся вне аппарата входом, так и с по меньшей мере одним удлиненным желобом. Трубная система для предварительного распределения используется, как правило, для распределения текучей среды, такой как жидкий сырьевой поток (например, от внешнего ввода в аппарат парожидкостного контактирования), к желобу или, чаще всего, к множеству желобов. Трубная система для предварительного распределения может быть также интегрирована (например, выполнена в виде единого целого) с желобами или даже отсутствовать, в результате чего жидкость от внешнего ввода распределяется непосредственно в желоба и затем в лотки для распределения жидкости.
Одна из типичных систем распределения текучей среды включает в себя трубную систему для предварительного распределения, сообщающуюся по текучей среде с внешним вводом для текучей среды в аппарат и имеющую Н-форму с двумя удлиненными желобами, каждый из которых имеет по нескольку выводных наконечников. Две ветви трубной системы для предварительного распределения и два желоба в этом варианте осуществления направлены перпендикулярно сливным трубам для жидкости параллельного тарелочного контактного уровня. В каждый желоб поступает по существу одинаковое количество жидкости из трубной системы для предварительного распределения через верхние открытые или частично открытые участки желоба. Для параллельного тарелочного контактного уровня, имеющего контактные поверхностные зоны одинаковой площади, в каждую из этих зон распределяются по существу одинаковые количества жидкости путем выравнивания выводных наконечников (или зон наконечников) желобов с отдельными лотками для распределения жидкости и при этом суммарные площади открытых наконечников в каждый распределительный лоток являются одинаковыми. Например, каждый из двух желобов может иметь две отдельные зоны выпускных наконечников (при этом каждая зона включает в себя один или более отдельных наконечников) для подачи жидкости в четыре отдельных лотка для распределения жидкости, проходящих через четыре входных участка соответствующих контактных поверхностных зон.
Таким образом, лотки для распределения жидкости установлены под выводными наконечниками желобов и выровнены с ними. Выводные наконечники, как правило, сконцентрированы в отдельных зонах наконечников, которые подают текучую среду в каждый лоток для распределения жидкости, обычно расположенный перпендикулярно к желобам, в количествах, пропорциональных открытой площади каждой из зон наконечников. Лотки для распределения жидкости, как правило, устанавливаются на относительно малом расстоянии, например в пределах от 1 до 15 см (0,5 до 6 дюймов) над перфорированными поверхностными зонами парожидкостного контактирования, благодаря чему поверхностные участки, находящиеся непосредственно под лотками для распределения жидкости, активны в отношении парожидкостного контактирования. Лотки для распределения жидкости также с успехом выполняют роль гасителя механического момента для жидкости, стекающей из желобов вверху, тем самым минимизируя или предотвращая непосредственное проникновение стекающей жидкости через перфорированные контактные поверхностные зоны вниз. Кроме того распределительные лотки могут обеспечивать маршрут потока жидкости, который отклоняется от прилегающих по вертикали сливных труб для жидкости параллельнопоточной тарелки, предотвращая тем самым боковой обход жидкостью тарелки без прохождения ею через поверхностную зону парожидкостного контактирования. Желаемому маршруту потока может способствовать использование неперфорированных наклонных боковин лотков для распределения жидкости. При этом относительно малая глубина лотков для распределения жидкости уменьшает пространство, необходимое для системы распределения текучей среды, в отличие от использования других конструкций, например вытянутых «ложных сливных труб» для протекания жидкости от распределительных лотков к контактным поверхностным зонам.
Распределительные системы и связанные с ними методы могут быть использованы в сочетании с различными конфигурациями тарелок, в том числе параллельнопоточных тарелок, имеющих четыре или более (например, от 4 до 16) поверхностных зон для парожидкостного контактирования и одну или более (например, от 1 до 6) средних, или центральных сливных труб на каждой тарелке. В случае больших колонн система распределения текучей среды может содержать в себе две или более (например, от 2 до 8) трубных ветвей и ассоциированных с ними желобов. Желоба могут быть соединены между собой коммуникационными каналами или туннелями, обеспечивающими выравнивание жидкости.
Таким образом, варианты осуществления изобретения относятся к системам распределения текучей среды и, в частности, к системам распределения текучей среды, которые могут эффективно распределять текучую среду одновременно на ряд участков в пропорции, способствующей улучшению или оптимизации в целом технических характеристик аппарата для парожидкостного контактирования (например, перегонной или фракционной колонны, в которой используются параллельнопоточные тарелки с множеством поверхностных зон парожидкостного контактирования). Типичные распределительные системы содержат в себе по меньшей мере один вытянутый желоб, имеющий некоторое множество выводных наконечников и некоторое множество распределительных лотков, и при этом такие системы помещаются в аппараты для осуществления контактирования в параллельных потоках. Эти системы применимы для распределения жидкости в контактный уровень с параллельнопоточной тарелкой, причем эта тарелка имеет две или более поверхностные зоны для парожидкостного контактирования с горизонтальным потоком жидкости. Под контактными поверхностными зонами расположено множество сливных труб для жидкости, направленных к наклонным экранам сливных труб. Кроме того, над контактными поверхностными зонами и между (например, перпендикулярно) по меньшей мере двумя сливными трубами расположена центральная перегородка, имеющая, как правило, параллельную конфигурацию. Центральные перегородки и сливные трубы для жидкости (как центральные, так и боковые сливные трубы) ограничивают зоны горизонтального потока.
Система распределения текучей среды согласно некоторым вариантам осуществления может быть помещена над всеми контактными уровнями в аппарате для парожидкостного контактирования, например над (i) всеми высокопроизводительными, высокоэффективными параллельнопоточными контактными уровнями, содержащими в себе параллельнопоточные тарелки; (ii) всеми традиционными (например, тарельчатыми) контактными уровнями; или (iii) всеми из этих двух типов уровней. Системы распределения текучей среды являются, таким образом, применимыми для ряда положений по длине аппарата и могут подавать текучую среду, например, на верхний контактный уровень (над всеми другими контактными уровнями). Типичной текучей средой в этом случае является возвращаемый в перегонную колонну поток верхнего орошения, для которого могут использоваться параллельнопоточные тарелки. В другом случае системы распределения текучей среды могут быть расположены между контактными уровнями, т.е. ниже верхнего контактного уровня, который находится, например, над вводом для промежуточного сырья, в случае чего этот ввод находится над контактным уровнем, на который распределительная система подает промежуточный поток сырья или по крайней мере жидкую фракцию этого потока, если этот поток содержит и жидкую и паровую фракции. В случае промежуточного сырья между контактными уровнями, могут быть установлены наклонные экраны сливных труб верхнего контактного уровня (например, содержащего верхнюю параллельнопоточную тарелку), позволяющие направлять жидкость в распределительные лотки системы распределения текучей среды. При этом контактные уровни выше и ниже ввода сырья будут во многих случаях принимать меньшие или большие потоки жидкости соответственно. Следовательно, во многих случаях окажется желательным использовать меньшее число сливных труб для жидкости в верхнем контактном уровне над вводом сырья по сравнению с контактным уровнем, на который распределяется промежуточное сырье (или его жидкая фракция).
Как правило, когда система распределения текучей среды сообщается по текучей среде (возможно через трубную систему предварительного распределения) с внешним вводом сырья в центральную область аппарата для парожидкостного контактирования, верхний контактный уровень может находиться выше или над вводом сырья и системой распределения текучей среды, в то время как контактный уровень, на который распределяется жидкость, может находиться ниже или под вводом сырья и системой распределения текучей среды. В этом случае контактный уровень над системой распределения текучей среды или выше нее может иметь наклонные экраны сливных труб, которые непосредственно направляют сырье (т.е. сообщаются по текучей среде) на входные участки поверхности парожидкостного контактирования контактного уровня, на который система распределения текучей среды распределяет жидкость. В других случаях этот более высоко расположенный контактный уровень может иметь экраны сливных труб для жидкости, сообщающиеся по текучей среде с желобом (желобами) или лотками для распределения жидкости системы распределения текучей среды. Для размещения системы распределения текучей среды наклонные экраны сливных труб, отходящие от верхнего контактного уровня, могут иметь углубленные части со скосами или другими отклоняющими приспособлениями для направления потока жидкости от верхнего контактного уровня к распределительному лотку.
В некоторых случаях, в которых осуществляется распределение текучей среды (например, промежуточного сырья) между контактными уровнями, число сливных труб верхнего контактного уровня может отличаться (например, в меньшую сторону) от числа сливных труб контактного уровня под системой распределения текучей среды. Таким образом, для сбора жидкости с верхнего контактного уровня и распределения его в один или более желобов системы распределения жидкости может оказаться желательной другая распределительная система, например тарелка с вытяжным патрубком с паровыми стаканами. Как было указано выше, система распределения текучей среды, в свою очередь, распределяет жидкость из упомянутых выше желобов, которые теперь содержат как жидкость с верхнего контактного уровня, так и промежуточное сырье (или какое-либо другое вводимое в аппарат сырье) на расположенный непосредственно ниже параллельнопоточный контактный уровень.
Типичные варианты осуществления изобретения относятся, таким образом, к аппаратам для парожидкостного контактирования, содержащим в себе систему распределения текучей среды в сочетании с высокопроизводительным, высокоэффективным контактным уровнем, включающим параллельнопоточную тарелку. Другие варианты осуществления относятся к системам распределения текучей среды, содержащим один или более удлиненных желобов, имеющих некоторое множество наконечников, выровненных для распределения во множество лотков для распределения жидкости, которые могут быть расположены перпендикулярно к желобу (желобам). Чтобы увеличить пропускную способность для жидкости или улучшить регулировку потока, могут использоваться лотки для распределения жидкости или какие-либо другие направляющие поток элементы для проведения жидкости от выводных наконечников желобов до поверхностных зон парожидкостного контактирования контактного уровня, расположенного непосредственно под желобами. Согласно одному из вариантов осуществления каждый желоб может быть объединен в одно целое с каким-либо лотком или другим направляющим поток элементом (желоб(ы), может, например, быть выполнен в виде единого целого или приварен, привинчен болтами, прибандажирован или прикреплен или присоединен к лоткам (например, герметично) каким-либо иным способом). Согласно альтернативному варианту осуществления желоб может подавать жидкость или сообщаться по жидкости с одним или множеством лотков для распределения жидкости, не соединенными с желобом физически. Например, выводной наконечник или множество выводных наконечников желоба могут быть расположены непосредственно вблизи одного или более лотков для распределения жидкости для подачи в них жидкости (например, из указанных выше лотков или изнутри этих лотков, например в том случае, когда лоток имеет выводной наконечник на выходе из лотка).
В любом из описанных выше вариантов осуществления выводные наконечники желоба (желобов) системы распределения текучей среды выровнены для распределения в распределительные лотки, которые могут быть расположены перпендикулярно желобу (желобам). Распределительные лотки, в свою очередь, могут быть расположены параллельно сливным трубам для жидкости параллельного тарелочного контактного уровня, на который подается текучая среда. Согласно типичным вариантам осуществления число сливных труб для жидкости меньше числа распределительных лотков, но больше числа желобов системы распределения текучей среды. Например, выводные наконечники двух желобов могут быть выровнены со всеми четырьмя распределительными лотками (или подавать жидкость на них), и при этом каждый желоб сообщается с двумя лотками. В этом случае находящийся непосредственно ниже ассоциированный параллельнопоточный контактный уровень будет, как правило, иметь три сливные трубы для жидкости, например центральную сливную трубу для жидкости и две боковые сливные трубы для жидкости. Четыре контактные поверхностные зоны с горизонтальным потоком расположены между сливными трубами для жидкости и центральной перегородкой, расположенной перпендикулярно сливным трубам для жидкости и между ними (например, на уровне середины труб). Отверстия в каждом из распределительных лотков рассредоточены по входным участкам каждой из контактных поверхностных площадей. Таким образом, центральная перегородка выполняет функцию разграничения двух отдельных областей потоков, в которых жидкость течет в противоположных направлениях. Каждая из этих двух областей потоков разделена, в свою очередь, на две отдельные контактные поверхностные зоны.
Дополнительные варианты осуществления относятся к способам для контактирования потоков пара и жидкости, включающим контактирование этих потоков на параллельнопоточной тарелке аппарата, содержащего в себе как систему распределения текучей среды, так и параллельнопоточный контактный уровень, на который эта система подает жидкость, как это описано в изобретении.
На фиг.1 иллюстрируется высокоэффективный, высокопроизводительный аппарат парожидкостного контактирования, содержащий уровни внутри резервуара 10. Резервуар 10 включает в себя наружную оболочку, имеющую, как правило, цилиндрическое поперечное сечение. Резервуар 10 может, например, быть перегонной колонной, абсорбером, контактным теплообменником или какой-либо другой емкостью, используемой для осуществления парожидкостного контактирования. Резервуар 10 содержит контактные уровни в виде параллельнопоточных тарелок 16 и при этом верхний, средний и нижний контактные уровни показаны в направлении сверху вниз. Фракционная, или перегонная, колонна содержит, как правило, от 10 до 250 или более таких контактных уровней. Конструкция контактных параллельнопоточных тарелок 16 в колонне может быть по существу одинаковой по всей колонне, но может также меняться, например, чтобы соответствовать изменениям в скоростях потока текучей среды в разных частях колонны. На фиг.1 в целях простоты показаны только три контактных уровня. Следует иметь в виду, что аппарат типа перегонной колонны может содержать несколько секций, каждая из которых имеет множество контактных уровней. Кроме того, между и/или внутри секций может иметься некоторое количество вводов для текучей среды и/или выводов для текучего продукта. Используемые при перегонке традиционные контактные устройства (например, тарелки и/или насадки) могут быть смешаны в одной и той же и/или разных секциях аппарата (например, сверху и/или снизу), которые имеют описанные выше контактные уровни.
Резервуар включает в себя цилиндрическую внутреннюю камеру 11, верхнюю секцию 12, нижнюю секцию 14 и множество параллельнопоточных тарелок 16, имеющих круглый периметр. Верхняя секция 12 собирает пар из камеры 11 и подает жидкость в камеру 11. Нижняя секция 14 собирает жидкость из камеры 11 и подает пар в камеру 11. Резервуар 10 может также включать одну или более верхних, промежуточных и/или донных подающих или отводящих линий, которые добавляют или отводят жидкость, пар или парожидкостную смесь в или из резервуара 10. Каждая параллельнопоточная тарелка 16 контактного уровня содержит некоторое множество поверхностных зон 18 парожидкостного контактирования, по меньшей мере одну сливную трубу 20 для жидкости и по меньшей мере два наклонных экрана 22 для сливной трубы для жидкости.
Показанная на фиг.2 и 3 одна из контактных тарелок 100 включает в себя по меньшей мере одну центральную сливную трубу 102 и две боковые сливные трубы 104. Между каждыми двумя сливными трубами 102, 104 каждая тарелка 100 имеет активные участки, или контактные поверхностные зоны 106 парожидкостного контактирования в виде перфорированных поверхностей. Центральная перегородка 108 расположена над контактными поверхностными зонами 106 тарелки 100 и разделяет тарелку 100 на две потоковые области, в которых жидкость течет в противоположных направлениях, как это показано стрелками на фиг.2. Таким образом, центральная перегородка 108 вместе со сливными трубами 102, 104 для жидкости в варианте осуществления, показанном на фиг.2, 3, ограничивает суммарно шесть поверхностных зон 106 для парожидкостного контактирования. Центральная перегородка 108 может быть прямой перегородкой, как показано на фиг.2, либо же она может иметь отвернутые части на обеих сторонах или иметь какую-либо другую геометрию.
Множество сливных труб для жидкости каждой тарелки 100 отходят вниз от контактных поверхностных зон 106 к наклонным экранам 120 сливных труб. Центральные сливные трубы 102 включают в себя боковые стенки 110, донную пластину 112, успокоительные площадки 114 и входные барьеры 116. Плоская горизонтальная донная пластина 112 проходит между боковыми стенками 110. В донной пластине выполнен ряд отверстий 118 для выхода жидкости, которая накапливается в центральных сливных трубах 102. Донные пластины 112 предназначены для замедления потока жидкости в такой степени, чтобы донные части сливных труб 102 были динамически закупорены жидкостью, препятствующей прохождению пара вверх. Отверстия могут быть круглыми, квадратными или вытянутыми в любом направлении, т.е. вдоль ширины или длины центральных сливных труб 102. Уплотнение выходов сливных труб для жидкости для предотвращения подъема потока пара можно было бы осуществить также и с помощью других конструкций. Успокоительные площадки 114 не перфорированы и благодаря этому являются неактивными областями непосредственно перед входом в каждую центральную сливную трубу 102. Комбинация входного барьера 116 и успокоительной площадки 114 способствует предотвращению закупорки благодаря наличию площади вблизи входа в центральную сливную трубу 102, которая не добавляет к пене пара.
Центральные сливные трубы 102 могут поддерживаться с помощью любых традиционных средств, таких как опорное кольцо (не показано), которое приварено к внутренней поверхности стенки колонны. Контактные поверхностные зоны 106 могут поддерживаться, например, с помощью уголковой железной опоры, приваренной к боковым стенкам 110, и опорного кольца, приваренного к стенкам колонны. Центральные сливные трубы 102 и контактные поверхностные зоны 106 привинчены болтами, прижаты струбцинами или присоединены к опорам каким-либо другим образом так, чтобы центральные сливные трубы 102 и контактные поверхностные зоны 106 сохраняли во время работы свое положение. Центральные сливные трубы 102 могут выполнять роль опор для тарелки 100, но для очень больших тарелок могут потребоваться дополнительные опорные балки. Кроме того, могут использоваться усиленные центральные сливные трубы.
Наклонный экран 120 сливной трубы для жидкости расположен между донной частью центральной сливной трубы 102 и верхом центральной сливной трубы 102, расположенной непосредственно под ним. Из чертеже видно, что наклонные экраны 120 сливных труб для жидкости расположены между центральными сливными трубами 102 таким образом, что жидкость не может перемещаться горизонтально над центральной сливной трубой 102 от одной поверхностной зоны 106 парожидкостного контактирования к другой. Сливающаяся вниз из центральной сливной трубы 102 жидкость не может попасть в следующую расположенную ниже центральную сливную трубу 102 и должна протекать горизонтально через контактные поверхностные зоны 106 к другой сливной трубе для жидкости (либо к боковой сливной трубе 104, либо к центральной сливной трубе 102), как это показано на фиг.3. Таким образом, наклонные экраны 120 сливных труб определяют маршрут потока жидкости, в результате чего сливающаяся через сливные трубы 102, 104 жидкость должна протекать через поверхностную зону 106 парожидкостного контактирования контактного уровня расположенного непосредственно ниже параллельного тарелочного контактного уровня к другой сливной трубе, которая не является соседней по вертикали.
В одном из приведенных на фиг.2 и 3 вариантов осуществления два наклонных экрана 120 перекрывают вход в каждую из центральных сливных труб 102, причем эти экраны 120 подают жидкость, текущую в противоположных направлениях в каждой из двух потоковых областей по обе стороны центральной перегородки 108. Эти наклонные экраны 120 сливных труб для жидкости имеют противоположные наклоны, которые подают жидкость на контактные поверхностные зоны 106 на разных сторонах центральных сливных труб 102, в результате чего жидкость течет в направлении стрелок, показанных на фиг.2. В этом варианте осуществления все наклонные экраны 120 на одной стороне тарелки 100 (т.е. в одной потоковой области) имеют наклон в одном и том же направлении, а наклонные экраны 120 на другой стороне (в другой потоковой области) имеют наклон в противоположном направлении. В результате этого жидкость на двух сторонах каждой тарелки 100 течет в противоположных направлениях, но течет в одном и том же направлении (параллельное течение) на всех контактных поверхностных зонах 106 в одной и той же потоковой области каждой тарелки 100, ограниченной центральной перегородкой 108. Перфорированный отводящий поток или распределительный экран 122 может быть расположен в низу каждого из наклонных экранов 120. Распределительный экран может иметь наклон к горизонтали от 0 до 90°, преимущественно 45°.
Для улучшения управления текучими средами предусмотрены боковые сливные трубы 104. Каждая из боковых сливных труб 104 включает в себя принимающую часть 124 и распределительную часть 126. Принимающая часть 124 включает в себя боковой экран 128 и неперфорированную наклонную донную пластину 130, ориентированную таким образом, чтобы она направляла жидкость к распределительной части 126. Распределительная часть 126 включает в себя донную пластину 112 типа той, которая описана выше для центральных сливных труб 102. Наклонный экран 120 и распределительный экран 122 расположены под распределительной частью 126.
Контактные поверхностные зоны 106 перфорированы с целью прохождения через них пара для контактирования с жидкостью, протекающей через контактные поверхностные зоны 106. Перфорации могут иметь множество форм, включая равномерно распределенные круглые отверстия и некоторое количество направляющих пар щелей. Эти щели ориентированы так, чтобы пар, поднимающийся вверх по этим щелям через контактные поверхностные зоны 106, производил горизонтальный толчок или импульс на жидкость или пену на тарелке 100 в направлении к ближайшей сливной трубе для жидкости. Этим путем достигается более быстрое прохождение пены в сливную трубу для жидкости и понижение высоты пены на тарелке. Что более важно, при подходящем расположении щелей жидкость протекает равномерно через контактные поверхностные зоны 106 в соответствующие им сливные трубы. В альтернативных вариантах осуществления в перфорации могут входить паровые стаканы.
Особенно предпочтительно, чтобы (1) количество жидкости, поступающей на данную контактную поверхностную зону параллельнопоточного контактного уровня, было пропорционально площади зоны, а также чтобы (2) жидкость, поступающая в каждый лоток для распределения жидкости, равномерно распределялась относительно входного участка каждой контактной поверхностной зоны. Эти требования могут быть в значительной степени или полностью выполнены при использовании систем распределения текучих сред, в которых для подачи жидкости в лотки для распределения жидкости из множества выводных наконечников использованы один или более удлиненных желобов, (необязательно) имеющих трубную систему для предварительного распределения от внешнего источника жидкости к аппарату через желоб (желоба), причем лотки для распределения жидкости расположены латерально по отношению к входным участкам контактных поверхностных зон. Указанное выше требование (1) может быть удовлетворено путем варьирования площади выводного наконечника (или вывода для жидкости) желоба на участках, на которых желоб выровнен или сообщается с лотком для распределения жидкости. Требование (2) может быть удовлетворено путем расширения лотков для распределения жидкости, а также рассредоточения отверстий от донных частей этих лотков над подходящими для этого входными участками контактных поверхностных зон.
На фиг.4А и 4В иллюстрируется верхняя секция аппарата для парожидкостного контактирования, имеющая верхнюю параллельнопоточную тарелку 16, к которой текучая среда подается посредством системы 60 распределения текучей среды, имеющей два желоба 62, проходящих горизонтально через значительную часть поперечного сечения резервуара. Каждый из двух удлиненных желобов 62 имеет множество выводных наконечников 64 для выдачи требуемой пропорции жидкости, например из потока жидкого сырья от внешнего входа в аппарат в каждый из четырех лотков 65 для распределения жидкости, расположенных ниже или под желобами 62. Параллельнопоточная тарелка 16 какого-либо контактного уровня может быть верхним или самым верхним контактным уровнем резервуара, в результате чего система 60 распределения текучей среды располагается выше всех контактных уровней аппарата. Система 60 распределения текучей среды имеет также связанную с ней систему труб 66 для предварительного распределения, которая в данном случае может быть Н-образным трубным распределителем, боковые трубы которого сообщаются с каждым из желобов 62 системы распределения текучей среды с двумя желобами. В случае больших аппаратов парожидкостного контактирования (например, перегонных колонн) могут использоваться более двух желобов и двух ветвей трубного распределителя. В альтернативном случае для дополнительного улучшения распределения жидкости под показанной на фиг.4А и 4В системой распределения текучей среды с двумя желобами может быть помещен дополнительный горизонтальный слой распределения с помощью желобов, имеющий более двух желобов. Как это иллюстрируется на фиг.4В, желоба 62 проходят под прямым углом (перпендикулярно) к лоткам 65 для распределения жидкости, благодаря чему каждый из желобов 62 независимо сообщается по текучей среде через выводные наконечники 64 с каждой из поверхностных зон 106 парожидкостного контактирования расположенной ниже параллельнопоточной тарелки 16.
В варианте осуществления, иллюстрируемом на фиг.4А и 4В, центральная перегородка 108 не является прямой, а имеет отвернутые концы для увеличения входного пространства боковой сливной трубы 104, что повышает ее производительность и снижает вероятность закупорки. Производительность боковой сливной трубы 104 может быть повышена в такой степени, что она становится по существу равной производительности центральных сливных труб 102. На фиг.4а иллюстрируется также использование первой боковой стенки 110а и противоположной ей второй боковой стенки 110b для образования центральных сливных труб 102. Вторая боковая стенка 110b вытянута на более короткое расстояние по вертикали под контактной поверхностной зоной 106, чем первая боковая стенка 110а, и при этом от нижнего конца первой боковой стенки 110а отходит горизонтально донная пластина 112. Кроме того, от второй боковой стенки 110b отходят наклонные экраны 120 для жидкости до по крайней мере вертикальной плоскости, образуемой первой боковой стенкой 110а. Благодаря использованию удлиненного экрана 120 уменьшается давление на поток текучей среды в центральную сливную трубу 102 без использования успокоительной площадки 114, как показано на фиг.2 и 3.
Таким образом, выводные наконечники 64 в нижней части желобов 62 или вблизи нее обращены к участкам, которые пересекают или выровнены по вертикали с лотками 65 для распределения жидкости. При необходимости, например в том случае, когда пересеченные или выровненные по вертикали участки не достаточны для достижения заданной скорости потока жидкости, предназначенной для распределения от желобов к распределительному лотку для жидкости, указанные выровненные по вертикали участки могут быть увеличены путем увеличения ширины желобов 62. Отогнутые неперфорированные стороны 67 распределительных лотков 65 обеспечивают такой маршрут потока для жидкости, стекающей через отверстия 68 распределительных лотков, что эта жидкость отклоняется от непосредственно прилегающей по вертикали сливной трубы 102, 104 для жидкости параллельнопоточной тарелки 16 и должна в результате этого протекать через поверхностные зоны 106 парожидкостного контактирования к соответствующим им другим сливным трубам 102, 104, которые не являются смежными по вертикали. Отверстия 68 в распределительных лотках 65 для жидкости также проходят (преимущественно равномерно) через требуемые входные участки контактных поверхностных зон 106. Эти входные участки могут занимать, например, начальную часть длины контактной поверхностной зоны 106, причем полная длина совпадает с нормальным направлением жидкого потока. Эта начальная часть длины составляет, например, от 0 до 40% (например, начальные 40%), от 0 до 30% и обычно от 0 до 20% от длины поверхностной зоны.
На фиг.5А и 5В иллюстрируется использование системы распределения текучей среды для ввода промежуточного сырья ниже верхней параллельнопоточной тарелки 16а верхнего контактного уровня и параллельнопоточной тарелки 16 контактного уровня, расположенного непосредственно ниже, на которую распределяется жидкость. Вход для промежуточного сырья в колонну может, таким образом, находиться между этими контактными уровнями и сообщаться с трубной системой 66 предварительного распределения, имеющей выводы 75 к сливным трубам 62 системы распределения текучей среды. Наклонные экраны 120а сливных труб верхнего контактного уровня могут иметь углубленные отрезки, которые позволяют вводить и размещать систему распределения текучей среды. Чтобы предотвратить стекание жидкости в желоба 62 и направлять жидкость в лотки 65 для распределения жидкости, вокруг углублений в этих экранах 120а верхнего контактного уровня могут быть установлены отклоняющие устройства типа скосов.
На фиг.6А и 6В иллюстрируется еще один вариант осуществления, в котором для сбора жидкости с верхней тарелки и перераспределения этой жидкости вместе с промежуточным сырьем из желобов системы распределения текучей среды используется тарелка с вытяжным патрубком. Тарелки с вытяжным патрубком или другие распределители жидкости и/или пара могут, таким образом, с успехом использоваться для распределения промежуточного сырья (которое может быть частично испарено) в сочетании с внутренней жидкостью в аппарате парожидкостного контактирования между контактными уровнями. Внутренняя жидкость, которая объединяется с промежуточным сырьем в желобе для распределения жидкости, должна, таким образом, иметь состав, который имеет жидкость верхнего контактного уровня. Преимуществом тарелок с вытяжным патрубком является также то, что они выполняют функцию распределения пара, поднимающегося вверх через паровые стаканы тарелки. Тарелки с вытяжным патрубком и другие дополнительные распределительные устройства в особенности применимы в тех случаях, как это показано на фиг.6А и 6В, когда контактные уровни, содержащие в себе параллельнопоточные тарелки 16а, 16 выше и ниже подачи сырья, имеют разное количество сливных труб. Таким образом, добавляемое распределительное устройство необходимо для эффективного сбора и распределения всех жидкостей (добавляемых как изнутри, так и извне) между контактными уровнями. Тарелка с вытяжным патрубком или какое-либо другое распределительное устройство в сочетании с системой распределения текучей среды могут быть также использованы для отвода текучей среды из резервуара, такого как перегонная колонна. Как следует из фиг.6А, удлиненные желоба 62 расположены ниже и запитываются от площадки 85 для сбора жидкости, имеющей множество паровых стаканов 80. В показанном варианте осуществления верхняя параллельнопоточная тарелка 16а имеет меньше сливных труб 102а, 104а, чем параллельнопоточная тарелка 16, на которую распределяется жидкость от системы 60 распределения текучей среды. Иными словами, параллельнопоточная тарелка 16 имеет дополнительную центральную сливную трубу 102 из их общего числа, равного четырем, которая может оказаться необходимой, например, для обработки дополнительной жидкости, подаваемой системой 60 распределения текучей среды, или же может быть желательной по другим причинам. Площадка 85 для сбора жидкости может, таким образом, функционировать как тарелка с вытяжным патрубком, имеющая паровые стаканы, и направлять жидкость к распределительным желобам 62, которые, в свою очередь, распределяют жидкость в распределительные лотки 65 под желобами 62. Конфигурация трубной системы 66 предварительного распределения для промежуточного сырья над площадкой 85 для сбора жидкости зависит от ряда факторов, включающих скорость подачи сырья, долю пара в сырье и размер резервуара в целом. Трубная система 66 предварительного распределения может подавать текучую среду на площадку 85 для сбора жидкости или в удлиненный желоб 62. Число ветвей трубной системы 66 может быть равным или меньшим числа удлиненных желобов.
Аспекты изобретения в целом относятся к использованию систем распределения текучих сред для высокопроизводительного и высокоэффективного контактирования и, в частности, с применением параллельнопоточных тарелок. Специалистам в данной области очевидны преимущества описанной в заявке аппаратуры и связанных с ней методов, а также их пригодность для других применений. Следует принять во внимание, что на основе настоящего раскрытия можно получить и другие полезные результаты. Специалисты в данной области, обладая знаниями, почерпнутыми из настоящего раскрытия, должны согласиться в том, что в отношении описанной выше аппаратуры и методов могут производиться различные изменения без изменения объема настоящего раскрытия. Используемые для объяснения теоретических и наблюдаемых феноменов механизмы должны интерпретироваться лишь как иллюстративные и ни в коем случае не ограничивающие объема прилагаемой формулы изобретения.