СЕКЦИЯ ПОДАЧИ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ КОЛОННЫ
FEED SECTION OF SEPARATION COLUMN

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в основном, относится к разделительным колоннам. В частности, оно относится к дистилляционным колоннам, в которых поток подаваемого материала представляет собой жидкую фазу или смесь газа и жидкости на входе колонны, но в которых подаваемый материал испаряется или испаряется больше, когда он поступает в колонну. Такие колонны содержат секцию колонны, в которую поток подаваемого материала направляется из одного или более впусков. Данная область техники испытывает потребность в усовершенствовании ввода потока подаваемого материала в такие колонны и в усовершенствовании распределения подаваемого материала в таких секциях.
Общее описание уровня техники
Мгновенное испарение представляет собой обычное явление в дистилляционных колоннах, где, по меньшей мере, часть потока подаваемого материала изменяет фазовое состояние при уменьшении давления до уровня, преобладающего внутри колонны. Тогда полученный в результате поток подаваемого материала, который поступает в колонну, представляет собой смесь газа и жидкости. На основании технологических требований это оказалось затруднительным в применении, чтобы рационально и эффективно вводить такой подаваемый материал в колонну.
Когда существует верхняя разделительная секция, по меньшей мере, одна секция выше точки ввода подаваемого материала, одно требование заключается в том, что газовая часть потока подаваемого материала должна быть распределена равномерно в верхней разделительной секции. Связанное с ним требование заключается в том, что в идеальном случае не должно быть пиков скорости газового потока. Когда существует нижняя разделительная секция, по меньшей мере, одна секция ниже точки ввода подаваемого материала, требование заключается в том, что любую жидкую часть потока подаваемого материала необходимо собирать и направлять в нижнюю разделительную секцию. Нижняя разделительная секция может содержать определенную точку, такую как впуск в жидкостный распределитель.
Еще один фактор, влияющий на рациональность и эффективность ввода потока подаваемого материала в колонну, представляет собой любой газовый поток, поступающий вверх из нижней разделительной секции в результате любой разделительной работы нижней секции. Восходящий газовый поток должен проходить через секцию ввода подаваемого материала и затем в верхнюю разделительную секцию. Для идеальной работы газовая часть, полученная из потока подаваемого материала, и восходящий газовый поток необходимо полностью смешивать, чтобы получать один однородный газ, у которого отсутствуют колебания состава или температуры по площади поперечного сечения верхней разделительной секцией.
В настоящее время промышленная практика заключается в том, чтобы предотвращать мгновенное испарение больших масс внутри колонн путем снижения давления потоков исходных материалов перед вводом подаваемого материала в колонну. Эту функцию осуществляет устройство перед колонной, которое уменьшает давление потока подаваемого материала до уровня, желательного для самой колонны. Поток подаваемого материала, выходящий перед устройством и поступающий в колонну, как правило, через трубу, представляет собой смесь газа и жидкости, содержащую значительную долю газа. Большое количество газа означает, что труба должна иметь относительно большой диаметр, чтобы сохранять низкую скорость потока смеси газа и жидкости внутри трубы, или в случае малого диаметра трубы полученный в результате поток будет иметь нежелательно высокую скорость внутри трубы.
Наличие большой трубы является нежелательным, потому что для этого требуется большая высота принимающей поток подаваемого материала секции колонны. Это увеличивает суммарную высоту, необходимую для колонны, что неблагоприятно влияет на стоимость проектирования, стоимость сооружения, стоимость эксплуатации и стоимость обслуживания. Размещение большой трубы также является более затруднительным, занимает больший объем пространства и приводит к более значительным расходам. Недостаток наличия малых труб заключается в повышенном риске проблем эрозии вследствие высокой скорости потока и других характеристик смеси газа и жидкости. Как правило, предварительное устройство представляет собой регулирующее поток устройство в форме регулирующего клапана. Регулирующий клапан обеспечивает основную часть снижения давления. Значительная доля газа, образующегося на этой стадии уменьшения давления, создает дополнительные проблемы в проектировании и определении размеров таких клапанов. Это обусловлено тем, что условия выпуска значительно отличаются от условий впуска. Поскольку образуется двухфазный поток (смесь газа и жидкости), расположение клапана перед колонной, а также труб после клапана необходимо тщательно спроектировать во избежание проблем, создаваемых неустойчивостью потока и эрозией.
С примерами и обсуждением текущей промышленной практики можно ознакомиться в книге «Технология дистилляции», автор Н. Kister, издательство McGraw-Hill, ISBN 0-07-034910-Х, где, в частности, фиг. 2,2j представляет использование тангенциального входа в колонну для выполнения требований, описанных выше.
В книге «Конструкция и применение колонны с насадкой», автор R.F. Strigle-младший, издательство Gulf Publishing Co., 1994 г., второе издание, ISBN 0-88415-179-4, на фиг. 10-15 и 10-16 приведены некоторые примеры потоков исходных материалов, в которых образуются смеси газа и жидкости, когда давление потока подаваемого материала уменьшается до уровня давления в колонне. В одном примере используют камеру, в которой происходит мгновенное испарение. Во втором примере предусмотрен круглый канал вдоль стенок колонны, и подаваемый материал направляется выше в этот канал. Оба примера применяются к колоннам с малым диаметром.
Некоторые конкретные примеры, в которых имеют преобладающее значение описанные выше условия в отношении мгновенного испарения потоков исходных материалов, представляют собой нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы, в частности работающие при атмосферном и другом давлении дистилляционные колонны и конкретно вакуумные дистилляционные колонны. Как правило, конкретное место в некоторых вакуумных дистилляционных колоннах представляет собой возврат ребойлера в колонну, где смесь газа и жидкости поступает в колонну из ребойлера, когда ребойлер служит в качестве испарительного устройства.
Обычные специалисты в данной области техники подтвердят, что описанные выше условия и связанные с ними проблемы присутствуют, по меньшей мере, в некоторой степени во всех контактных устройствах, где в системе присутствует мгновенное испарение подаваемого материала.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы упростить ввод и распределение мгновенно испаряющегося потока подаваемого материала в контактной колонне.
Задача заключается в том, чтобы предусмотреть устройство, распределяющее подаваемый материал, которое практически предотвращает мгновенное испарение потока подаваемого материала до тех пор, пока оно не выходит из устройства, распределяющего подаваемый материал, путем сохранения давления потока подаваемого материала на достаточно высоком уровне. Сохранение давления достигается за счет размещения отверстий с достаточным снижением давления перед указанным устройством, распределяющим подаваемый материал, в котором происходит мгновенное испарение или вскипание. Более конкретно, мгновенное испарение потока подаваемого материала в существенной степени происходит, когда поток проходит через отверстия и поток через отверстия находится в дросселированном (или критическом) состоянии.
Кроме того, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предусмотреть устройство, распределяющее подаваемый материал, которое можно использовать для более равномерного распределения газа, образующегося при мгновенном испарении подаваемого материала, по площади поперечного сечения разделительной секции выше местонахождения подаваемого материала по сравнению с распределением при отсутствии или наличии других устройств, распределяющих подаваемый материал. Дополнительная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы, отдельно или в сочетании с более равномерным распределением подаваемого материала, использовать устройство, распределяющее подаваемый материал для уменьшения максимальной величины местной скорости, по меньшей мере, части газа, мгновенно испаряющегося из подаваемого материала при его введении в разделительную секцию выше расположения подаваемого материала.
Следующая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы способствовать идеальному и равномерному смешиванию газа, образующегося при мгновенном испарении подаваемого материала с газом, поступающим из разделительной секции, ниже секции впуска подаваемого материала.
Задачи настоящего изобретения выполняются при использовании устройства и способа, которые далее описаны более подробно.
Согласно формуле предлагается секция контактной колонны, содержащая:
- впуск подаваемого материала, способный содержать подаваемый материал, который, по меньшей мере, частично, представляет собой жидкость,
- устройство, направляющее поток подаваемого материала, расположенное внутри указанной секции колонны и присоединенное к указанному впуску подаваемого материала, причем устройство, направляющее поток подаваемого материала, имеет ряд отверстий, каждое из отверстий имеет площадь отверстия, выбранную таким образом, чтобы поток подаваемого материала через отверстие был в дросселированном состоянии и одновременно, по меньшей мере, частично испарялся.
Предпочтительно разделительная секция установлена выше, ниже или выше и ниже секции контактной колонны, и разделительная секция предназначена для разделения, дистилляции, теплопередачи, экстракции, промывки или абсорбции.
Предпочтительно устройство, направляющее поток подаваемого материала включает два или более каналов для потока подаваемого материала, расположенных последовательно или параллельно, или параллельно и последовательно.
Предпочтительно поток подаваемого материала разделяется на, по меньшей мере, две части потока подаваемого материала и каждая часть потока подаваемого материала поступает через свой собственный впуск подаваемого материала и устройство, направляющее поток подаваемого материала.
Предпочтительно секция контактной колонны дополнительно включает:
- по меньшей мере, один дополнительный впуск подаваемого материала, причем каждый дополнительный впуск подаваемого материала содержит подаваемый материал, который представляет собой жидкость или, по меньшей мере, является частично жидким при определенном давлении, и
- каждый дополнительный подаваемый материал отличается по составу от по меньшей мере одного другого подаваемого материала, причем каждый дополнительный впуск подаваемого материала присоединен к своему собственному устройству, направляющему поток, расположенному внутри указанной секции колонны, причем каждое устройство, направляющее поток, имеет ряд отверстий, каждое из отверстий имеет площадь отверстия, выбранную таким образом, чтобы поток подаваемого материала через отверстие был в дросселированном состоянии и одновременно, по меньшей мере, частично испарялся.
Предпочтительно секция контактной колонны дополнительно включает:
- по меньшей мере, один дополнительный впуск подаваемого материала, причем каждый дополнительный впуск подаваемого материала содержит подаваемый материал, который представляет собой жидкость, и
- каждый дополнительный подаваемый материал схож по составу с указанным подаваемым материалом,
причем каждый дополнительный впуск подаваемого материала присоединен к устройству, направляющему поток подаваемого материала.
Предпочтительно секция контактной колонны дополнительно содержит:
- собирающее жидкость устройство, расположенное, по меньшей мере, частично под упомянутым устройством, направляющим поток подаваемого материала, и способное изменять направление жидкой части подаваемого материала, поступающего в секцию колонны,
причем собирающее жидкость устройство представляет собой тарелку с проходами для газа, пластинчатый коллектор или аналогичное устройство для по меньшей мере одной из ее целей - сбора жидкости.
Предпочтительно собирающее жидкость устройство согласовано с каналом для потока подаваемого материала устройства, направляющего поток подаваемого материала, и перенаправляет, по меньшей мере, часть газового потока из-под собирающего жидкость устройства в точку выше устройства, направляющего поток подаваемого материала.
Предпочтительно конструкция собирающего жидкость устройства и конструкция устройства, направляющего поток подаваемого материала, основаны на расчетах вычислительной гидродинамики.
Предпочтительно суммарная площадь всех отверстий устройства, направляющего поток подаваемого материала, выбрана таким образом, чтобы поток через все и каждое из отверстий находился в дросселированном состоянии.
Кроме того, согласно формуле предлагается секция контактной колонны, содержащая:
- впуск подаваемого материала, содержащий подаваемый материал при первом давлении, который представляет собой жидкость или является, по меньшей мере, частично жидким, и
- секцию колонны, работающую при втором давление,
- устройство, направляющее поток подаваемого материала, расположенное внутри секции колонны и присоединенное к впуску подаваемого материала, причем устройство, направляющее поток подаваемого материала, содержит подаваемый материал из впуска подаваемого материала и имеет ряд отверстий для поступления подаваемого материала в секцию колонны, причем каждое отверстие имеет площадь отверстия,
- различие между первым и вторым давлением, и
причем поток подаваемого материала при прохождении через все отверстия одновременно испаряется частично или полностью или испаряется больше и находится в дросселированном состоянии.
Также, согласно формуле предлагается способ эксплуатации секции контактной колонны, включающий следующие стадии, на которых:
- подают подаваемый материал, который представляет собой, по существу, жидкость в контактную колонну через впуск подаваемого материала при первом давлении, и
- обеспечивают функционирование секции контактной колонны при втором давлении,
- вынуждают подаваемый материал испаряться, при его поступлении в контактную колонну из впуска подаваемого материала через устройство, направляющее поток подаваемого материала, имеющее ряд отверстий, и
- вынуждают поток подаваемого материала при его прохождении через отверстия находиться в дросселированном состоянии.
Предпочтительно поток через все и каждое из отверстий находится в дросселированном состоянии.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет схему дистилляционной колонны.
Фиг. 2А представляет вид сверху секции колонны с устройством, распределяющим подаваемый материал, включающим тарелку с проходами для газа.
Фиг. 2В представляет вид сбоку секции на фиг. 2А.
Фиг. 3А представляет вид сверху секции колонны с распределяющими подаваемый материал устройствами, расположенными в нижней секции контактной колонны.
Фиг. 3В представляет вид сбоку секции на фиг. 3А.
Подробное описание примерных вариантов осуществления
Существуют многочисленные типы и варианты колонн с контактными устройствами. Некоторые из стандартных колонн с контактными устройствами представляют собой дистилляционные колонны, отпарные колонны и абсорбционные колонны. В отличие от одноцелевых колонн, во многих контактных колоннах осуществляется сочетание двух или более стандартных процессов (т.е. дистилляция и абсорбция). Кроме того, существуют такие категории, как колонны с насадками и вакуумные колонны. Обычные специалисты в данной области техники подтвердят применимость настоящего изобретения во всех типах и вариантах контактных устройств, которые перечислены выше, помимо тех, которые не перечислены особо, но признаны в технике, где такие условия для мгновенного испарения подаваемого материала имеют, по меньшей мере, возможность существования.
Фиг. 1 представляет в качестве контактной колонны 1 вакуумную дистилляционную колонну с одним основным впуском 2 подаваемого материала и двумя выпусками 3 и 4. По одному выпуску предусмотрено для каждого продукта, отделяемого от подаваемого материала разделительными секциями 5 и 6, установленными, соответственно, выше и ниже места основного впуска подаваемого материала. Помимо основного впуска 2 подаваемого материала существует возвратный впуск 7 подаваемого материала, обратный ток, расположенный выше основного впуска подаваемого материала, и впуск 8 подаваемого материала, возврат ребойлера, расположенный в нижней секции колонны. Для простоты на чертеже не представлена создающая вакуум система.
Секция впуска подаваемого материала представлена более подробно на фиг. 2А и 2В. Фиг. 2 представляет боковую стенку контактной колонны 10, включая внутреннюю часть контактных колонн, устройства 11 и 12, впускающие подаваемый материал, тарелку с нижними панелями 14 и соответствующее число проходов 13 для газа. Устройства 11 и 12, впускающие подаваемый материал, расположенные за пределами контактных колонн, прикреплены к устройствам 16, направляющим поток подаваемого материала внутри колонны. Направляющие поток подаваемого материала устройства 16 содержат соответствующее число отверстий 15, расположенных на их внешних и внутренних стенках и находятся выше дна тарелки 14.
Основная особенность направляющих поток подаваемого материала устройств заключается в том, что поток подаваемого материала, который проходит через отверстия, находится в критическом (дросселированном) состоянии. Поток дросселируется у отверстий, и это дросселирование устанавливает максимальную скорость потока, который может быть обеспечен через отверстие.
Подаваемый материал поступает через впускающие подаваемый материал устройства при некоторой массовой скорости потока и при первом давлении. Контактную колонну выдерживают при втором давлении, которое является ниже, чем первое. Когда подаваемый материал выходит из направляющего поток подаваемого материала устройства, присоединенного к впуску подаваемого материала, на основании разности давлений жидкая часть подаваемого материала расширяется и испаряется, и подаваемый материал поступает в колонну из каждого отверстия, и подаваемый материал, поступающий через отверстия, находится в критическом (дросселированном) состоянии.
В зависимости от массовой скорости потока при впуске подаваемого материала существует точка, в которой разность между первым давлением и вторым давлением в колонне больше не влияет на количество подаваемого материала, поступающего в контактную колонну. Это обусловлено тем, что подаваемый материал больше не может выходить из отверстий направляющего поток подаваемого материала устройства вследствие явления дросселирования. Точка, в которой снижение второго давления не влияет на количество подаваемого материала, поступающего в колонну через отверстия, определяется как критическая точка. Для всех значений второго давления от критической точки до всех значений давления ниже критической точки считается, что поток через отверстия находится в критическом или дросселированном состоянии.
Таким образом, размер каждого отверстия в направляющем поток подаваемого материала устройстве и суммарная площадь отверстий в направляющем поток подаваемого материала устройстве необходимо устанавливать так, чтобы обеспечивать критическое состояние потока через отверстия. Эти размеры будут изменяться при переходе от одной установки к другой, и конкретные размеры выбирают для работы в технологических условиях каждой установки. Выбор размера каждого отверстия, суммарного числа отверстий и суммарной площади отверстий можно осуществлять в процессе стандартных вычислений или с помощью таких средств, как программное обеспечение вычислительной гидродинамики.
Когда поток подаваемого материала в критическом (дросселированном) состоянии, средства увеличения максимальной скорости потока представляет собой только увеличение суммарной площади отверстий или увеличение первого давления.
Потоки подаваемого материала 31 и 32 поступают в свои соответствующие впускающие подаваемый материал устройства 11 и 12 снаружи стенки контактной колонны. В настоящем примере впускающие подаваемый материал устройства 11 и 12 представляют собой круглые трубы, имеющие аналогичные диаметры. Кроме того, направляющие поток подаваемого материала устройства 16 представляют собой круглые трубы, имеющие такой же диаметр, как впускающие подаваемый материал устройства. Впускающие подаваемый материал устройства снаружи стенки колонны и направляющие поток подаваемого материала устройства внутри стенки колонны могут быть непрерывными, как представлено на фиг. 2А, или они могут быть отдельными и соединенными на поверхности или вблизи стенки колонны, что не показано на чертеже. Устройство, распределяющее подаваемый материал, согласно настоящему изобретению включает устройства 16, направляющие поток подаваемого материала, расположенные внутри стенок колонны, и их соответствующие отверстия 15.
Устройство, распределяющее подаваемый материал, можно использовать в сочетании с тарелкой с проходами для газа, или, в качестве альтернативы, можно использовать другие устройства, известные специалистам в данной области техники. Такие известные устройства могут представлять собой кольцевой канал, ряд соответствующим образом расположенных расширителей или другие конфигурации, которые позволяют проходить через секцию подачи газу, поступающему из разделительной секции снизу, и собирать жидкость, поступающую из распределяющего подаваемый материал устройства и из разделительной секции сверху (если такая секция существует).
Устройства 16, направляющие поток подаваемого материала, показанные на фиг. 2А, представляют собой прямые параллельные трубы. Хотя устройства, направляющие поток подаваемого материала, показаны как множество отдельных труб, они могут также представлять собой два или более ответвлений одной трубы, присоединенных к одному впуску подаваемого материала или приспособлению для соединения впуска подаваемого материала. Аналогичным образом, две отдельные прямые трубы могут включать одно или более ответвлений. Возможны многочисленные геометрические конфигурации в зависимости от конструкции контактной колонны, реологических свойств конкретного подаваемого материала, а также желательного распределения подаваемого материала в секции колонны. Размер и число отверстий 15 выбирают таким образом, что впускаемый поток подаваемого материала внутри устройства 16, направляющего поток подаваемого материала, поддерживается, в основном, в жидкой фазе. В качестве альтернативы, поток подаваемого материала содержит в себе очень малую долю газа. Впускаемый поток по мере своего прохождения через отверстия 15 в секцию впуска подаваемого материала испаряется или испаряется больше и одновременно находится в дросселированном состоянии.
Как показано на фиг. 2В, когда смесь газа и жидкости выходит из отверстий 15, она образует газовый поток 34 в результате мгновенного испарения (вскипания) и жидкий поток 35. В данном конкретном варианте осуществления, используя два устройства, направляющих поток, как показано, можно обеспечить, что газовый поток 34, образующийся при мгновенном испарении, и газовый поток 33, поступающий через проходы для газа, однородно смешиваются, образуя объединенный газовый поток 36 с помощью тарелки с проходами для газа. Хотя показаны два устройства, направляющие поток, можно использовать дополнительные устройства, направляющие поток, которые являются идентичными двум показанным устройствам или отличаются по длине и/или конструкции.
Отверстия 15 могут представлять собой отверстия, вырезанные на поверхности направляющего поток подаваемого материала устройства (устройств), или они могут представлять собой сопла, прикрепленные к устройству (устройствам), направляющему поток подаваемого материала. В том случае, когда они представляют собой отверстия, вырезанные на поверхности устройства (устройств), направляющего поток подаваемого материала, их можно вырезать, используя любое хорошо известное приспособление, такое как плазменный резак, механический резак, механический штамп или лазер. В том случае, когда отверстия представляют собой сопла, прикрепленные к устройству (устройствам), и направляющему поток подаваемого материала, эти сопла могут иметь простую или сложную конструкцию, и их можно изготавливать неотъемлемо с устройством, направляющим поток подаваемого материала. В качестве альтернативы, сопла могут постоянно или временно прикрепляться/присоединяться к устройству, направляющему поток подаваемого материала. Примеры способов прикрепления сопел представляют собой сварку, приклеивание или изготовление нарезных отверстий в устройстве, направляющем поток подаваемого материала, для соответствующей резьбы на соплах.
Размер, тип и расположение отверстий выбирают на основании, по меньшей мере, характеристик поступающего подаваемого материала, характеристик среды внутри впускной секция контактной колонны, желательного распределения подаваемого материала или сочетания этих факторов. Чтобы свести к минимуму стоимость эксплуатации и обслуживания, желательно сохранять поток, в основном, жидким, на впуске подаваемого материала и снаружи контактной колонны. Условия сохранения данного потока, в основном, в жидкой фазе зависят от самого подаваемого материала, а также от любых процессов, которые происходят перед контактной колонной. Выбор надлежащего размера и расположения отверстий в устройстве (устройствах), направляющем поток подаваемого материала, обеспечивает испарение подаваемого материала в желательных положениях внутри секции контактной колонны.
Фиг. 2А и 2В представляют конкретный вариант осуществления ряда устройств, направляющих поток подаваемого материала, в центральной части контактной колонны. На фиг. 2В ниже впусков подаваемого материала 11 и 12 представлена нижняя разделительная секция, содержащая жидкостной распределитель 21 и разделительное приспособление 22, т.е. слой насадки. Из этой нижней разделительной секции выходит газовый поток 33. Когда впуск подаваемого материала в контактную колонну находится в таком вертикальном положении, что через него поднимается газовый поток, как показано на чертеже, то оказывается выгодным установка проходов для газа 13 и тарелок 14 с проходами для газа. Газовый поток 33 проходит через проходы для газа 13 и, наконец, поступает в верхнюю разделительную секцию. Выше секции впуска подаваемого материала находится верхняя разделительная секция, содержащая разделительное приспособление 20 (слой насадки).
Можно использовать многочисленные конфигурации и конструкции тарелок с проходами для газа в устройствах, направляющих поток подаваемого материала, согласно настоящему изобретению, как обсуждается выше. Тарелки с проходами для газа выполняют двойную функцию. Во-первых, они способствуют равномерному перемешиванию и распределению восходящих газовых потоков при введении исходных газовых потоков из устройств, направляющих поток подаваемого материала. Во-вторых, они удавливают и выделяют любую жидкую фазу из потока потоков подаваемого материала и жидкость, попадающую из разделительной секции, расположенной выше, например, жидкостного распределителя, расположенного наверху разделительной секции ниже тарелки с проходами для газа. Фиг. 2А и 2В представляют один вариант осуществления тарелки с проходами для газа, используемой в сочетании с устройствами, направляющими поток подаваемого материала.
Проходы для газа 13 в настоящем варианте осуществления образуются боковыми стенками, образованными вертикальной частью тарелки 14 с проходами для газа. Горизонтальные колпаки проходов для газа, представленные на фиг. 2В, можно прикреплять к одной или нескольким боковым частям, определяющим проход для газа 13. Колпаки прохода для газа могут закрывать полностью или частично верхнее отверстие прохода для газа. В качестве альтернативы, как представлено на фиг. 2В, колпаки прохода для газа могут выступать за пределы верхнего отверстия прохода для газа.
Число проходов для газа, их размеры, расположение и конструкция могут изменяться в зависимости от реологических свойств газового потока 33 и газовых потоков 34. Предпочтительно геометрия тарелки с проходами для газа и расположение проходов для газа отражают геометрию устройства (устройств), направляющего поток подаваемого материала. На фиг. 2А и 2В представлены проходы для газа, расположенные рядами параллельно прямым устройствам, направляющим поток подаваемого материала. Кроме того, можно видеть, что в то время как центральный ряд включает имеющие одинаковую форму и разделенные равными промежутками проходы для газа 13, верхние и нижние ряды представляют собой ряды имеющих различные размеры, формы и промежутки проходов для газа, что соответствует как геометрии устройств, направляющих поток подаваемого материала (их внутренние края выровнены по прямой линии параллельно направляющим поток подаваемого материала устройствам), так и геометрии контактных колонн.
На практике выбор числа проходов для газа, их размеров и расположения лучше всего определять посредством вычислительного анализа, используя, например, размеры колонны, параметры устройства, направляющего поток подаваемого материала, реологические характеристики газового потока 33 и реологические характеристики газового потока 34. Можно использовать компьютерную программу, чтобы оптимизировать конструкцию или моделировать один или более отдельных случаев для определения наиболее целесообразной конструкции.
Функция проходов для газа заключается, в основном, в том, чтобы способствовать обеспечению более однородного смешивания двух газовых потоков 33 и 34, чем можно обеспечить без тарелки с проходами для газа. Тарелки с проходами для газа можно проектировать в сочетании с устройствами, направляющими поток подаваемого материала, или отдельно. Один способ проектирования системы заключается в использовании программного обеспечения вычислительной гидродинамики для моделирования взаимодействий тарелки с проходами для газа, устройств, направляющих поток подаваемого материала, и разделительной колонны, чтобы определить оптимальную конструкцию системы и ее частей.
Для однородной смеси считается преимуществом, что реологические характеристики, например скорость и плотность, обоих потоков близки друг к другу. Таким образом, если известны реологические характеристики газового потока 34, то в зависимости от конструкции устройств, направляющих поток подаваемого материала можно спроектировать высоту, расположение и площадь отверстий, чтобы обеспечить однородную смесь.
Как представлено на фиг. 2В, площадь прохода для газа является меньше, чем площадь колонны. Таким образом, поток, выходящий из проходов для газа, имеет более высокую скорость и плотность, чем поток 33 в нижней открытой части секции колонны. Кроме того, колпаки прохода для газа и высота вертикальных стенок тарелки 14 с проходами для газа выступают за пределы отверстий в устройствах, направляющих поток подаваемого материала. Когда поток 34 поднимается в секции колонны, он рассеивается таким образом, что скорость, плотность и местная концентрация уменьшаются при увеличении расстояния от отверстий. Расположение верхней части вертикальных стенок проходов для газа и колпаков проходов для газа следует проектировать таким образом, чтобы реологические характеристики потока, выходящего из проходов для газа, и местные реологические характеристики потока из устройств, направляющих поток подаваемого материала, были близки друг к другу, в результате чего сможет образоваться практически однородная смесь.
Можно использовать и другие конфигурации прохода для газа для обеспечения желательных реологических характеристик потока, выходящего из проходов для газа. Вместо вертикального положения стенок проходов для газа их можно располагать под углом к потоку 33 из проходов для газа, чтобы получать верхнее отверстие, имеющее меньшую площадь по сравнению с нижним отверстием. Это можно использовать для увеличения местной плотности и скорости потока во время его выхода из проходов для газа. В качестве альтернативы, стенки прохода для газа и/или нижняя часть тарелки могут содержать одно или более отверстий, или их можно располагать таким образом, чтобы позволить потоку 33 выходить из прохода для газа во множестве мест. Это можно использовать для сохранения разности реологических характеристик между потоком 33 и потоком, выходящим из прохода для газа, на низком уровне.
Нижняя часть тарелки с проходами для газа 14 может быть, например, горизонтальной, как представлено на фиг. 2В, может наклоняться в каком-либо направлении или может принимать форму перевернутой пирамиды. В любом случае может существовать одно или множество отверстий, которые позволяют жидкому потоку 35 выходить из тарелки с проходами для газа. В том случае, когда нижняя часть тарелки является наклонной или представляет собой перевернутую пирамиду, отверстие для жидкого потока предпочтительно расположено в точке или области наклона тарелки.
В одном варианте осуществления существует циркуляция потока, в котором поток выходит из колонны, нагревается и затем возвращается в колонну. Секция, в которой поток возвращается, представлена на фиг. 3А и 3В. Этот возвращенный поток также рассматривается как подаваемый материал. Поток, выходящий из колонны, часто находится при своей температуре начала кипения, и это означает, что любое дополнительное нагревание будет вызывать мгновенное испарение (вскипание), которое происходит при возвращении потока в колонну.
Фиг. 3А представляет боковую стенку контактной колонны 40, которая ограничивает внутреннюю часть контактных колонн. Колонна 40 содержит устройство 42, впускающее подаваемый материал. Впускаемый поток подаваемого материала поток возвращается в колонну после его нагревания в контуре, как описано выше. Устройство, направляющее поток подаваемого материала 46, содержит соответствующее число отверстий 45, расположенных на внешней стенке 41 устройства 46, направляющего поток подаваемого материала. Устройство, направляющее поток подаваемого материала, представлено в виде двух круглых трубчатых дуг, которые расположены выше нижнего поддона колонны. Поток в контур выходит из выпуска 43. Поток подаваемого материала из указанного контура поступает в устройство 42, впускающее подаваемый материал. Выше секции впуска подаваемого материала находится верхняя разделительная секция, содержащая разделительное приспособление 47 (слой насадки).
Размер и число отверстий 45 выбирают таким образом, чтобы впускаемый подаваемый материал внутри устройства, направляющего поток 46, оставался, в основном, в жидкой фазе. Хотя подаваемый материал предпочтительно находится в жидкой фазе, в нем может, в качестве альтернативы, содержаться очень небольшая доля газа. Когда впускаемый поток проходит через отверстия 45 в секцию впуска подаваемого материала, он одновременно испаряется или испаряется больше и находится в дросселированном состоянии. Когда смесь газа и жидкости выходит из отверстий 45, она образует газовый поток 49 в результате мгновенного испарения (вскипания) и жидкий поток 48. В данном конкретном варианте осуществления, используя устройство, направляющее поток, можно обеспечить, чтобы газовый поток 49, образующийся при мгновенном испарении, распределялся практически равномерно в верхней разделительной секции.
Поскольку отсутствует или практически отсутствует восходящий поток из-под направляющего поток подаваемого материала устройства, отсутствует необходимость в проходах для газа и тарелках, которые описаны в предыдущем примере. Однако можно использовать круглую перегородку 50 под устройством, направляющим поток подаваемого материала, чтобы отклонять жидкость от прямого стока в поддон вдоль стенок колонны. Эта перегородка может оказаться полезной для выравнивания мерных сопел, а также для поддержания более устойчивого уровня жидкости в поддоне.
Конкретный пример на фиг. 3А представляет собой впускающее подаваемый материал устройство 42 в виде круглой трубы, имеющей номинальный диаметр 6 дюймов (15,24 см). Устройство, направляющее поток подаваемого материала 46, также представляет собой круглую трубу с номинальным диаметром, составляющим 4 дюйма (10,16 см). Контактное устройство 40 имеет диаметр 1,8 м. Форма отверстий 45 является круглой, и все они имеют одинаковый диаметр 14 мм. Суммарное число отверстий равно 34, и их расположение представлено на фиг. 3В.
Поток углеводородов поступает в контактное устройство 40 через устройство 42, впускающее подаваемый материал. Поток углеводородов характеризует кривая дистилляции согласно стандарту ASTM D86, точки которой приведены в следующей таблице:
Кроме того, поток углеводородов имеет плотность API 36, 96. Данная информация полностью характеризует поток.
Давление на устройстве, впускающем подаваемый материал, регулируют, используя установленный выше по потоку регулирующий клапан на впуске теплообменного контура, чтобы получить абсолютное давление 20 кПа на впуске в устройство, направляющее поток 46. Температура потока составляет 281,2°C после теплообменного контура, в то время как температура до контура и выхода из контактной колонны находится на уровне ее температуры начала кипения, составляющей 263°C. Когда скорость потока углеводородов через отверстия составляет 952 кг/ч, перепад давления составляет 10,7 кПа и абсолютное давление в контактном устройстве составляет 9,3 кПа. Когда давление в контактном устройстве дополнительно снижается, отсутствует увеличение потока через отверстия, показывая, что поток достиг дросселированного состояния, т.е. уменьшение давления ниже по потоку не производит воздействия на скорость потока. На практике контактная колонна работает при абсолютном давлении 1,7 кПа, и поток углеводородов через отверстия находится в дросселированном состоянии.
В любой секции контактных колонн, в которой имеется впуск подаваемого материала, который вводит подаваемый материал в систему, существует возможность неравномерного распределения газовой части подаваемого материала в секции выше впуска подаваемого материала. Кроме того, существует возможность того, что местные скорости газовой части подаваемого материала будут нарушенными или неидеальными для указанной выше секции. Размещение устройства, распределяющего подаваемый материал, которое обеспечивает мгновенное испарение подаваемого материала, происходящее в желательных положениях внутри секции впуска подаваемого материала, позволяет контактным колоннам работать более эффективно.
Кроме того, конструирование устройства, направляющего поток подаваемого материала, в соответствии с настоящим изобретением позволяет сохранять подаваемый материал во впуске подаваемого материала в жидкой или практически жидкой фазе перед поступлением в контактную колонну. Это уменьшает сложность системы дистилляции, а также вредное воздействие газовой фазы или высокое процентное содержание газовой фазы, потоки в трубах и впусках, ведущих в контактную колонну. Однако обычные специалисты в данной области техники признают, что данное устройство можно также использовать, когда подаваемый материал содержит в себе больше пара, но без получения всех преимуществ уменьшения вредных эффектов подаваемого материала, как в том случае, когда подаваемый материал представляет собой, в основном, жидкость. Специалисты в данной области техники также признают дополнительные преимущества настоящего изобретения и различных конфигураций устройств, направляющих поток подаваемого материала, проходов для газа, тарелок, а также конструкций отверстий и сопел устройств, направляющих поток подаваемого материала, которые не описаны в данном документе, но не выходят за пределы объема настоящего изобретения.