УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРОВОЙ И ЖИДКОЙ ФАЗ
DEVICE AND METHOD OF STEAM AND LIQUID PHASE DISTRIBUTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам для распределения пара и жидкости, а также способам с использованием данных устройств. В указанных устройствах соответствующие самые верхние или самые нижние отверстия (например, отверстия в крышке и/или боковые отверстия) для потока текучей среды через различные продолговатые колпачки находятся на разных высотах над тарелкой, с которой колпачки простираются. Таким образом, неравномерное распределение текучей среды уменьшают или исключают, например, при неполном выравнивании тарелки.
Уровень техники
Устройства для распределения паровой и жидкой фаз используют в широком диапазоне промышленных областей применения, включая технологические процессы нефтепереработки и нефтехимии. Например, устройства для распределения нисходящих потоков паровых и жидких фаз, содержащих, соответственно, главным образом, водород и углеводороды, часто используют в операциях гидрообработки нефтеперерабатывающего завода, особенно в реакторах гидрокрекинга и гидроочистки.
Во многих вариантах применения, предполагающих течение паровой и жидкой фаз, сохранение профиля постоянной скорости течения (например, побочное течение) и профиля температуры по всему поперечному сечению, перпендикулярному направлению потока, крайне важно для всего процесса, например, включающего в себя реакцию между текущим паром и жидкостью в присутствии неподвижного слоя частиц катализатора. К тому же, указанные профили скорости течения и температуры могут взаимодействовать, поскольку неравномерное распределение либо потока паров, либо потока жидкости может приводить к изменению в температурном профиле и наоборот. Данное взаимодействие является крайне важным для успешной долгосрочной работы реактора гидрообработки нефтеперерабатывающего завода или другого типа реактора, где желательно работать с одной загрузкой катализатора в течение длительного периода времени. Гидрокрекинг и другие реакции гидрообработки, включая реакции гидроочистки (например, гидрообессеривание), являются очень экзотермичными, так что температура нисходящего потока парообразного и жидкого реагентов существенно возрастает по мере завершения реакции. К тому же, показатели работы катализатора, и особенно его способность промотировать превращение в желаемые продукты с наивысшим возможным выходом на протяжении наиболее длительного по возможности периода сильно зависят от температуры, при которой его эксплуатируют. Следовательно, экзотермический характер реакции оказывает влияние на эффективность катализатора и процесса в целом.
Неравномерное распределение и/или недостаточное смешивание реагирующих паровой и жидкой фаз может вызывать локализованные отклонения температуры от номинального значения («горячие точки»), которые обусловливают неконтролируемое снижение выхода желаемого продукта и стабильности катализатора вследствие образования неселективных продуктов (например, очень легких малоценных углеводородов, таких как метан, и очень тяжелых углеводородов, таких как кокс и его предшественники, которые осаждаются на катализаторе и дезактивируют его). Следовательно, неравномерное распределение парообразного и/или жидкого потока может приводить в целом к снижениям селективности по желаемому(ым) продукту(ам) и/или активности катализатора (т.е. конверсии при данной температуре), так что может быть необходимой эксплуатация реактора при более высокой температуре для достижения желаемой конверсии (за счет селективности) или ограничение скорости потока сырья в реактор для достижения желаемого выхода продукта. В любом случае суммарная производительность процесса по желаемому продукту снижается, а общая экономика процесса становится менее благоприятной.
Кроме того, поскольку ускоренное образование кокса на катализаторе в результате локализованных отклонений температуры преждевременно сокращает срок службы катализатора, могут требоваться более частые остановки процесса для замены отработанного катализатора на свежий или регенерированный катализатор. Это дополнительно отрицательным образом влияет на экономику процесса, поскольку отключение, повторная загрузка и повторный пуск реактора гидрообработки являются и сложными, и трудоемкими операциями, которые могут выводить из рабочего режима не только установку гидрообработки, но и связанные с ней установки, размещенные выше или ниже по технологической схеме. Это может оказать неблагоприятное воздействие на объем выпуска продукции всего нефтеперерабатывающего завода. Качество продукции и/или действующая мощность ниже оптимальных значений, в дополнение к преждевременным остановкам реактора, все указанные факторы обусловливают проявление значительных отрицательных экономических эффектов в отношении функционирования нефтеперерабатывающего завода.
Ввиду упомянутых существенных недостатков, связанных с неравномерным распределением потоков текучих сред, в способах предшествующего уровня техники потрачены значительные усилия в направлении разработки устройств для однородного смешивания паровой и жидкой фаз, а также их равномерного распределения, например, по поперечному сечению реактора гидрообработки или другого реактора конверсии углеводородов, и в частности реактора с нисходящим потоком. Различные устройства для распределения и/или смешивания потоков, и в частности в связи с каталитическими реакторами, в которых указанные устройства используют до слоя катализатора или между слоями катализаторов, описаны, например, в патентах США 3824080, 3824081, 4140625, 5158714, 5232283, 5690896, 5837208, 5942162. 6183702 и 6769672. Такие распределители могут, как правило, включать в себя распределительную тарелку (пластину) с множеством перепускных каналов, которые снабжены отдельными комплектами распределителей, например цилиндрическими патрубками и барботажными колпачками, которые направляют поток текучих сред определенным образом с целью максимального улучшения распределения и/или смешивания.
В идеальных условиях упомянутые устройства предшествующего уровня техники, как правило, обеспечивают довольно равномерное распределение паровой и/или жидкой фаз по площади поперечного сечения, прилегающей к тарелке. Идеальные условия включают в себя, например, горизонтальную тарелку, при этом каждый комплект распределителей установлен на одинаковой высоте и эксплуатируется при одинаковой толщине окружающей ее жидкости, при расчетных скоростях течения паров и жидкости на тарелке. Однако отклонения от идеальных условий неизменно имеют место на практике, и особенно в случае промышленных операций, в которых тарелки, как правило, не являются в полной мере горизонтальными и в действительности могут быть установлены со смещением от горизонтального положения от одной стороны тарелки до другой, составляющим 1,3 см (0,5 дюйма) или больше.
Несовершенства компоновки, в результате которых распределитель располагается вне горизонтального уровня, могут приводить к наличию неравных уровней жидкости на тарелке. В других обстоятельствах силы, порожденные потоком паровой или жидкой фаз в ходе работы, могут аналогичным образом приводить к возникновению неравномерности уровней жидкости на тарелке с распределителями. Например, в реакторах гидрообработки указанные силы, в сочетании с высокими давлениями и температурами, обусловливают возникновение значительного напряжения на опорах и других внутренних элементах реактора. Несмотря на то, что данные напряжения обычно поглощаются опорными балками распределителей и/или смесителей, некоторое смещение тарелок все же может иметь место. Градиенты толщины слоя жидкости также могут возникать при попадании нисходящей жидкости на тарелку лишь в нескольких отдельных точках, так что ударная сила данной жидкости вызывает локализованные возмущения и нарушения уровня жидкости. Важно, что, когда единообразно конфигурированные комплекты для распределения маршрутов потоков текучих сред подвергаются воздействию различных уровней жидкости на тарелке, маршруты, выбираемые паром и жидкостью, больше не являются одинаковыми. Например, жидкость на нижнем уровне в окрестности одного комплекта может проходить большее расстояние до достижения уровня, который позволяет ей выходить через отверстие в комплекте. Следовательно, в таких условиях каждый из комплектов, хотя и единообразно конфигурированных, не обеспечивает достижение одинаковых скоростей течения пара и жидкости надлежащим образом. Неравномерное распределение пара и жидкости по площади поперечного сечения под тарелкой (например, в слое катализатора) усиливается в результате неодинаковых уровней жидкости на тарелке.
Еще одна причина неравномерного распределения связана с использованием скоростей течения пара и/или жидкости вне рабочего диапазона, в пределах которого конкретная конструкция распределителя или смесителя является эффективной. Несмотря на то, что такие устройства рассчитаны для оптимального функционирования в своих нормальных рабочих условиях, очевидно, что скорости течения пара и жидкости, например, в реакторе гидрообработки, часто изменяются с течением времени как функция рабочей температуры реактора (иди других рабочих параметров), состава сырья, технических характеристик продуктов и/или использования другого катализатора. Например, повышение конверсии в реакторе гидрокрекинга приводит к усиленному испарению углеводородов, поскольку молекулярная масса продуктов ниже и, следовательно, они являются более летучими. В данном случае средний уровень жидкости на тарелке может понижаться. В целом, изменения рабочих характеристик, которые приводят к изменению скорости течения жидкости на тарелке с распределителями, в зависимости от ее конструкции, могут вызывать изменения в уровне жидкости, остающейся на данной тарелке. Неравномерное распределение жидкости может иметь место, когда потоки пара и жидкости, в дополнение к уровням жидкости, характеризуются значениями вне пределов расчетных величин для конкретного устройства.
Следовательно, способы и устройства для распределения пара и жидкости в идеале должны быть способны эффективно компенсировать различия в относительной толщине жидкости, окружающей отдельные комплекты распределителей, размещенные на различных частях тарелки. Данные способы и устройства также должны быть относительно нечувствительны к изменениям скоростей течения пара и/или жидкости.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение связано с обнаружением преимуществ, обусловленных использованием неодинаковых высот отверстий продолговатых колпачков, простирающихся над поверхностью тарелки, относительно данной поверхности. Например, по сравнению с режимом при использовании одинаковых высот отверстий, жидкости на тарелке характеризуются пониженной тенденцией способствовать равновесию на уровне, соответствующем уровню отверстий, используемых для прохода пара и жидкости через колпачки. В целом, когда уровень жидкости повышается до высоты данного отверстия и перекрывает его, перепад давления через тарелку возрастает. Ввиду того, что пластины большого реактора обычно имеют смещение от горизонтали, широкий диапазон скоростей потоков жидкости будет приводить к режиму с непропорциональным количеством равновесной жидкой фазы, постоянно пребывающей на уровне отверстий или вблизи данного уровня на одной стороне реактора, вызывая таким образом неравномерное распределение потока.
Упомянутую проблему можно наблюдать при прохождении потоков пара и жидкости через множество продолговатых колпачков, распространяющихся от тарелки с распределителем, охватывающей площадь поперечного сечения устройства для парожидкостного контактирования, такого как реактор. Когда скорость потока жидкости является достаточной для возникновения уровня жидкости, достигающего самых верхних отверстий колпачков, при котором все указанные самые верхние отверстия находятся на одинаковой высоте над поверхностью тарелки, колпачки, расположенные на нижнем (пониженном) абсолютном уровне (например, вследствие того, что тарелка установлена с отклонением от уровня), пропускают значительно бόльшую часть потока жидкости, чем колпачки, расположенные на приподнятом (повышенном) абсолютном уровне. Кроме того, перекрывание отверстий уровнем жидкости при данной скорости потока жидкости обусловливает увеличение общего перепада давления через тарелку, так что дальнейшие приращения потока жидкости необязательно приводят к значительным дополнительным повышениям уровня жидкости. Иными словами, повышенные перепад давления и скорость потока жидкости способствуют стабилизации или установлению равновесия уровня жидкости вблизи отверстий колпачков в пониженной области тарелки. Проблему нелегко устранить, когда скорость потока жидкости изменяется, поскольку более высокие скорости потока не обусловливают возникновения более высоких уровней жидкости, которые приводили бы к перекрыванию отверстий колпачков в повышенной области тарелки.
Следовательно, тенденция систем распределения пара и жидкости заключается в поддержании системы в рабочем режиме, в котором уровень жидкости покрывает только, или, по меньшей мере, главным образом, отверстия колпачков в локализованной, пониженной зоне или стороне тарелки. Указанную проблему трудно корректировать посредством изменения уровня жидкости вследствие неотъемлемой «инертности», обусловленной изменениями перепада давления, обсужденной выше. Такое же поведение системы наблюдают даже в случаях, в которых нижние отверстия колпачков для выпуска жидкости используют в сочетании с отверстиями в крышке и боковыми отверстиями для облегчения пропускания текучей среды. Поскольку внутренние элементы емкости часто устанавливаются, или часто оказываются, вне уровня, со смещением, по меньшей мере, равным 1,3 см (0,5 дюйма) от наиболее пониженной до наиболее повышенной части или стороны тарелки, значительная доля жидкости пребывает в пониженной области и проходит через нее, когда уровень жидкости находится на высоте отверстий в колпачках или вблизи нее. Таким образом, используются или нет нижние отверстия для выпуска жидкости, непропорциональный поток жидкости в пониженной области тарелки обусловливает неравномерное распределение потоков пара и жидкости в ущерб всему процессу (например, гидроочистки или гидрокрекинга).
В устройствах и способах согласно настоящему изобретению упомянутые недостатки выгодным образом преодолевают посредством варьирования высоты колпачков и/или их отверстий для регулирования профиля (распределения) потока жидкости, который образуется при повышении уровня жидкости. Например, согласно некоторым вариантам осуществления высоты колпачков, имеющих отверстия в крышке (т.е. в случае колпачков с открытыми концами), варьируются относительно верхней поверхности тарелки. В других вариантах осуществления варьируются высоты самых верхних отверстий, таких как боковые отверстия, в колпачках с закрытыми концами. Можно также использовать сочетания колпачков с открытыми и закрытыми концами, при этом основное соображение заключается в том, что их самые верхние отверстия (например, отверстия в крышке или боковые отверстия) не являются одинаковыми для всех колпачков в отношении расстояния от верхней поверхности тарелки. Указанной неоднородности можно достигать при помощи случайного или неслучайного варьирования самых верхних отверстий. В последнем случае возможны чередования самых верхних отверстий, схемы размещения самых верхних отверстий или, как правило, симметричные конфигурации самых верхних отверстий (например, постепенное увеличение или уменьшение высот самых верхних отверстий с увеличением радиального расстояния от центра тарелки). Любой из указанных принципов можно применять для уменьшения возможности неравномерного распределения потоков пара и жидкости через тарелку, а также ослабления внезапных изменений перепада давления и скорости потока при повышении уровня жидкости до высот отверстий. Отмеченную выше «инертность», которая стремится противостоять изменениям уровня жидкости, как только он достигает высот отверстий, также снижают при помощи варьирования высот самых верхних отверстий колпачков.
Соответственно, варианты осуществления изобретения относятся к способам распределения пара и жидкости. Типичные способы включают в себя пропускание пара и жидкости через множество продолговатых колпачков, простирающихся над верхней поверхностью тарелки. Колпачки могут быть с открытыми концами или с закрытыми концами, можно использовать и сочетания указанных типов колпачков. В любом случае колпачки имеют самые верхние отверстия на крышках колпачков с открытыми концами или на боковых поверхностях колпачков с закрытыми концами. Для обеспечения варьирования высот отверстий, по меньшей мере, первый колпачок (т.е. приподнятый колпачок) имеет самое верхнее отверстие на большей высоте, по сравнению с самым верхним отверстием, по меньшей мере, второго колпачка (т.е. опущенного колпачка). Высота отверстий представляет собой высоту по отношению к верхней поверхности тарелки, которая, как обсуждалось выше, может находиться вне уровня, так что отверстия с различными высотами относительно поверхности тарелки в действительности могут находиться по существу в одинаковом положении по вертикали относительно уровня грунта.
Согласно другим вариантам осуществления колпачки имеют самые нижние отверстия (но не обязательно нижние отверстия для выпуска жидкости), характеризующиеся высотами по отношению к верхней поверхности тарелки, которые можно варьировать аналогично тому, как было обсуждено выше для самых верхних отверстий.
Дополнительные варианты осуществления изобретения относятся к устройствам для парожидкостного контактирования (например, реакторам гидрообработки), содержащим вертикальную продолговатую емкость с размещенной в ней тарелкой, перекрывающей всю площадь поперечного сечения емкости (например, площадь круглого поперечного сечения) или ее часть, как и содержащей множество колпачков, простирающихся над верхней поверхностью тарелки и характеризующихся варьирующимися высотами отверстий, как описано выше.
Еще дополнительные варианты осуществления изобретения относятся к парожидкостным распределителям, содержащим тарелку и колпачки, простирающиеся над верхней поверхностью тарелки. Колпачки характеризуются варьирующимися высотами отверстий, как описано выше.
Кроме того, дополнительные варианты осуществления изобретения относятся к способам распределения пара и жидкости, включающим в себя пропускание пара и жидкости либо прямотоком, либо противотоком через устройства для парожидкостного контактирования, или парожидкостные распределители, описанные выше.
Указанные и другие варианты осуществления изобретения, а также аспекты, относящиеся к настоящему изобретению, станут понятнее из следующего ниже подробного описания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид сбоку двух типичных колпачков парожидкостного распределителя. Самые верхние отверстия колпачков с закрытым концом распространяются на одинаковой высоте над верхней поверхностью тарелки, которая находится вне уровня по отношению к уровню грунта.
Фиг.2 представляет собой вид сбоку двух типичных колпачков парожидкостного распределителя согласно варианту осуществления изобретения, в котором самое верхнее отверстие колпачка в пониженной области тарелки находится на большей высоте над верхней поверхностью тарелки относительно самого верхнего отверстия колпачка в повышенной области тарелки.
Фиг.3 представляет собой вид сбоку, отображающий конфигурацию самых верхних отверстий колпачков, которая варьируется неслучайным образом относительно верхней поверхности тарелки.
Фиг.4 является видом сверху тарелки с множеством колпачков, отображающим неравномерное распределение потока, связанное с уровнем жидкости, непропорционально закрывающим отверстия колпачков в пониженной области тарелки.
Фиг.5 представляет собой вид сверху тарелки с множеством колпачков, отображающим улучшенное распределение потока, обусловленное колпачками, имеющими отверстия на варьирующихся высотах.
Признаки, показанные с отсылкой к фиг.1-5, необязательно вычерчены в масштабе и их необязательно следует понимать для представления иллюстрации изобретения и/или заключенных в него принципов. Некоторые изображенные признаки были укрупнены или искажены относительно других с целью облегчения объяснения и восприятия. Парожидкостные распределители, устройства для парожидкостного контактирования с использованием распределителей, а также способы парожидкостного распределения или контактирования с использованием распределителей или устройств, раскрытых в настоящем документе, имеют конфигурации, компоненты и рабочие параметры, определяемые отчасти предназначенным применением, а также окружающей средой, в которой их используют.
Осуществление изобретения
Устройства и способы парожидкостного распределения и контактирования описаны в настоящем документе, в частности, в отношении областей применения, в которых равномерное распределение парообразных и жидких реагентов реакционной смеси является решающим. Такие области применения включают в себя гидрообработку, охватывающую процессы гидрокрекинга и гидроочистки, которые, как правило, являются очень экзотермичными и требуют значительного внимания, направленного на исключение «горячих точек» и даже неуправляемых реакций, которые часто связаны с неравномерным распределением потока. Однако устройства и способы, описанные в настоящем документе, широко применимы к любому числу областей использования, включающих контактирование пара и жидкости при взаимодействии между данными фазами с образованием новых продуктов или без такого взаимодействия. Такие области применения охватывают технологические операции нефтепереработки и нефтехимии, включая риформинг, изомеризацию, гидрирование, дегидрирование, алкилирование, циклизацию, диспропорционирование, полимеризацию и т.д. Дополнительные области применения включают в себя варианты, основой которых является парожидкостное контактирование, но не обязательно реакция, такое как дистилляция, абсорбция и отпаривание.
Устройства и способы особенно подходят для областей применения, включающих в себя прямоточное контактирование между паровой и жидкой фазами, в частности в тех случаях, где обе упомянутые фазы пропускают в нисходящем направлении через множество продолговатых колпачков сверху верхней поверхности тарелки. Нисходящий поток имеется именно в отношении колпачков, простирающихся в восходящем направлении над верхней поверхностью тарелки, как описано более подробно ниже. В случае вариантов применения в гидрообработке пар, как правило, содержит водород, и может представлять собой главным образом водород, тогда как жидкость обычно содержит углеводороды, в частности углеводороды, полученные из сырой нефти, как например, прямой атмосферной дистилляцией сырой нефти или вакуумной дистилляцией. Однако распределение и/или контактирование согласно другим вариантам осуществления может включать в себя прямоточные потоки паровой и жидкой фаз в направлении, противоположном относительно направления простирания колпачков от поверхности тарелки. Еще одни дополнительные варианты осуществления (например, включающие в себя дистилляцию) могут заключать в себе противоточное контактирование между паровой и жидкой фазами, с восходящим потоком пара и нисходящим потоком жидкости или наоборот. Следовательно, подразумевается, что ссылки на термины «крышка», «нижняя часть», «приподнятый», «опущенный», «повышенная», «пониженная», «самое верхнее», «самое нижнее» и тому подобное указывают на относительные положения и направления, а также способствуют пониманию в соответствии с различными конкретными вариантами осуществления, но упомянутые термины не предназначены для ограничения изобретения.
В распределителе, изображенном на фиг.1, и паровая, и жидкая фазы перетекают вниз, как указано направлением стрелок 10. Пар и жидкость проходят через первый и второй продолговатые колпачки 12а, 12b, которые могут быть колпачками с открытым концом (т.е. имеющими отверстие в крышке) или в иных случаях колпачками с закрытым концом, показанными в варианте осуществления фиг.1. Первый и второй колпачки 12а, 12b простираются над верхней поверхностью 14 тарелки 16, которая охватывает площадь поперечного сечения (например, круглую площадь поперечного сечения) реактора или другого рода устройства для парожидкостного контактирования. Тарелка 16, как правило, охватывает всю площадь поперечного сечения, но в некоторых вариантах осуществления может лишь частично захватывать указанную площадь. Первый и второй колпачки 12а, 12b с закрытыми концами, показанные на фиг.1, имеют самое верхнее и самое нижнее боковые отверстия 18а, 18b, 20а, 20b, при этом самые верхние боковые отверстия 18а, 18b первого и второго колпачка 12а, 12b, соответственно, находятся практически на одинаковой высоте над верхней поверхностью 14 тарелки 16.
На фиг.1 характеристика тарелки 16, установленной вне уровня, что является обычным в промышленной практике вследствие несовершенной установки и/или механических напряжений, возникающих при эксплуатации, проиллюстрирована при помощи угла между пунктирной линией 25 уровня грунта и верхней и нижней поверхностями 14, 15 тарелки 16. Как показано, колпачок 12а и его самое верхнее боковое отверстие 18а слегка снижены по абсолютной высоте относительно колпачка 12b и его самого верхнего бокового отверстия 18b. Следовательно, уровень 24 жидкости (параллельный пунктирной линии 25 уровня грунта), поскольку он устанавливается на верхней поверхности 14 тарелки 16, перекрывает самое верхнее боковое отверстие 18а первого колпачка 12а в пониженной зоне более полно, чем он перекрывает самое верхнее боковое отверстие 18b второго колпачка 12b в повышенной зоне. В зависимости от степени, в которой тарелка находится вне уровня, уровень жидкости может целиком перекрывать самые верхние отверстия колпачков в пониженной зоне и не захватывать никакие из самых верхних отверстий колпачков в повышенной зоне.
В любом случае даже незначительные отклонения от абсолютной горизонтали тарелки 16 могут оказывать существенное воздействие на распределение потоков, и в частности жидкого потока, по площади поперечного сечения тарелки 16. В частности, по существу непропорциональный поток жидкости может возникать в пониженной зоне тарелки 16 (например, из более 75% жидкости, протекающей через пониженную половину площади поперечного сечения тарелки 16). Сопутствующее неравномерное распределение потоков жидкости и/или пара под тарелкой 16 (например, в слое катализатора гидрокрекинга) может оказать неблагоприятное воздействие на весь процесс, как обсуждалось выше, в отношении более низкого выхода продуктов, производительности и/или срока службы катализатора. Все указанные последствия имеют значительное влияние на экономику процесса в целом. Кроме того, не было показано, что регулирование уровня жидкости легко устраняет проблемы неравномерного распределения в силу причин, обсужденных выше. Например, уровень 24 жидкости можно понижать с помощью необязательных нижних отверстий 30а, 30b для выпуска жидкости с целью увеличения скорости потока жидкости через колпачки 12а, 12b. Например, при использовании парожидкостного распределителя, показанного на фиг.1, увеличение диаметра нижних отверстий 30а, 30b для выпуска жидкости может привести к снижению уровня 24 жидкости до ближайших самых нижних боковых отверстий 20а, 20b. Однако в данной точке наблюдается такое же неравномерное распределение потока жидкости, так что уровень 24 жидкости перекрывает самое нижнее боковое отверстие 20а первого колпачка 12а в пониженной зоне более полно, чем он перекрывает самое нижнее боковое отверстие 20b второго колпачка 12b в повышенной зоне. Кроме того, уровень жидкости в данной точке является относительно нечувствительным к любым дальнейшим регулировкам скорости потока жидкости вследствие «инертности» системы, которая относится к перепаду давления через тарелку, как обсуждалось выше.
Аспекты настоящего изобретения касаются улучшения распределения посредством варьирования высот самых верхних отверстий над верхней поверхностью тарелки. Такое варьирование высот проиллюстрировано на фиг.2, на которой показано самое верхнее отверстие 18 первого колпачка 12, находящееся теперь на большей высоте над верхней поверхностью 14 тарелки 16, по сравнению с самым верхним отверстием 18b второго колпачка 12b. В данном случае «приподнятый» колпачок 12, хотя и находится в пониженной зоне тарелки 16, не принимает жидкий поток через свое самое верхнее отверстие 18, несмотря на уровень 24 жидкости, доходящий до самого верхнего отверстия 18b «опущенного» колпачка 12b.
Охарактеризование колпачка как являющегося «приподнятым» или «опущенным» по отношению к другому колпачку основано на сравнении высот самых верхних отверстий соответствующих колпачков. Самое верхнее отверстие относится к высоте, которой отверстие (например, круглая или овальная прорезь, либо удлиненная вдоль оси или по окружности щель) достигает над верхней поверхностью тарелки. Согласно некоторым вариантам осуществления самое верхнее отверстие приподнятого, первого колпачка может простираться (например, в случае щелевого отверстия) до большей высоты над верхней поверхностью тарелки, по сравнению с самым верхним отверстием опущенного, второго колпачка. Согласно другим вариантам осуществления самое верхнее отверстие приподнятого, первого колпачка может полностью находиться (например, в случае перфорированного отверстия) на большей высоте над верхней поверхностью тарелки, по сравнению с самым верхним отверстием опущенного, второго колпачка. В случае колпачка с открытым концом самое верхнее отверстие, как правило, находится в крышке колпачка, который может иметь одно или несколько дополнительных отверстий на боковой поверхности колпачка, включая самое нижнее отверстие. В случае колпачка с закрытым концом самое верхнее отверстие может быть небольшим отверстием, таким как перфорированное отверстие, полностью находящимся в пределах вертикальной высоты колпачка (т.е. не простирающимся вверх от нижней части колпачка или простирающимся вниз от верхней части колпачка).
Согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения охарактеризование колпачка как являющегося «приподнятым» или «опущенным» по отношению к другому колпачку основано на относительной высоте его самого нижнего отверстия по отношению к указанному колпачку. Самое нижнее отверстие обычно является боковым отверстием, и во многих случаях колпачки обладают и самыми верхними отверстиями (например, отверстиями в крышке в случае колпачков с открытыми концами), и самыми нижними боковыми отверстиями. Часто такие колпачки сконструированы таким образом, что в ходе эксплуатации для распределения потоков пара и жидкости уровень жидкости поддерживается между указанными самым верхним и самым нижним отверстиями, по меньшей мере, для некоторых из колпачков (например, по меньшей мере, 25% колпачков), с целью достижения желаемых скоростей потоков через тарелку.
Следовательно, согласно конкретным вариантам осуществления приподнятые колпачки могут иметь самые нижние боковые отверстия, которые, в дополнение к самым верхним отверстиям, находятся на большей высоте над верхней поверхностью тарелки, чем, соответственно, и самые нижние боковые отверстия, и самые верхние отверстия опущенных колпачков. Для целей охарактеризования колпачка как являющегося приподнятым или опущенным, подразумевается, что самые нижние отверстия не включают в себя отверстия для выпуска жидкости в нижней части, которые, как правило, расположены гораздо ниже самых нижних боковых отверстий. Указанные отверстия для выпуска жидкости, в случае либо приподнятых, либо опущенных колпачков, обычно, но не обязательно, имеют большие площади поверхности, чем самые верхние и/или самые нижние боковые отверстия.
Следовательно, самые нижние отверстия относятся к боковым отверстиям в колпачках, которые, как правило, не присутствуют (или не простираются до) в нижних 10%, обычно не имеются в нижних 25%, а часто не присутствуют в нижних 50% от общей длины колпачков. В случае множества колпачков высота над верхней поверхностью тарелки самого верхнего (или самого нижнего) отверстия приподнятого колпачка может превосходить высоту самого верхнего (или самого нижнего) отверстия опущенного колпачка на некоторую разницу высот, что эффективно противодействует проблемам, отмеченным выше в отношении тарелки, находящейся вне уровня. Следовательно, согласно некоторым вариантам осуществления самое верхнее (или самое нижнее) отверстие приподнятого колпачка находится на высоте над верхней поверхностью тарелки, которая обычно составляет, по меньшей мере, на 0,2 см (0,08 дюйма), как правило, по меньшей мере, на 0,5 см (0,20 дюйма), а часто, по меньшей мере, на 1 см (0,39 дюйма) больше высоты самого верхнего (или самого нижнего) отверстия опущенного колпачка над верхней поверхностью тарелки.
На фиг.2 изображены только два типичных колпачка, и принимается тот факт, что в целом не все колпачки в пониженной зоне тарелки являются приподнятыми. Однако присутствие, по меньшей мере, некоторых из таких приподнятых колпачков, вследствие их случайного или неслучайного варьирования или расстановки в пониженной зоне, вместе с присутствием, по меньшей мере, некоторых опущенных колпачков в повышенной зоне, способствует ослаблению изменений перепада давления через тарелку как функции уровня жидкости. Более важно, что использование приподнятых и опущенных колпачков значительно смягчает проблемы распределения потока, и особенно проблемы, связанные с негоризонтальными тарелками, имеющими распределители. Следовательно, согласно конкретным вариантам осуществления изобретения множество приподнятых колпачков имеют самые верхние (или самые нижние) отверстия на большей высоте над верхней поверхностью тарелки, по сравнению с самыми верхними (или самыми нижними) отверстиями множества опущенных колпачков. Множество приподнятых колпачков, как и множество опущенных колпачков, как правило, насчитывает, по меньшей мере, 5, обычно, по меньшей мере, 10, а часто, по меньшей мере, 20 штук в случае данной тарелки для парожидкостного распределения, описанного в настоящем документе.
Приподнятые и опущенные колпачки можно располагать случайным образом на поверхности поперечного сечения тарелки, но более часто их располагают неслучайным образом, как например, по схеме размещения, по меньшей мере, на части верхней поверхности тарелки, например, чередующимися рядами на указанной верхней поверхности. В случае колпачков с открытыми концами приподнятые колпачки могут быть колпачками, которые просто длиннее относительно более коротких опущенных колпачков. Следовательно, использование чередующихся рядов более длинных и более коротких колпачков с открытыми концами предусматривает один конкретный вариант осуществления, в котором приподнятые и опущенные колпачки размещены неслучайным образом. В иных условиях, например, в случае колпачков с закрытыми концами, неслучайного расположения чередующихся рядов приподнятых и опущенных колпачков (т.е. описанных выше в отношении их самых верхних или самых нижних отверстий) достигают аналогичным образом. В целом, желательно иметь приподнятые колпачки, расположенные по окружности тарелки (например, при размещении близко к стенке емкости), для противодействия неблагоприятным эффектам наличия неравномерного распределения жидкого потока в пониженной зоне, как обсуждалось выше.
Согласно другим таким вариантам осуществления, в которых приподнятые и опущенные колпачки расположены неслучайным образом, высота над верхней поверхностью тарелки самых верхних (или самых нижних) отверстий множества колпачков увеличивается или уменьшается, как правило, постепенно. Увеличение или уменьшение высоты, например, может иметь место по отношению (или может быть функцией) к увеличению радиального расстояния от центра тарелки (например, имеющей круглую форму поперечного сечения), по меньшей мере, на части верхней поверхности тарелки. В случае возрастающей высоты высота самых верхних (или самых нижних) отверстий колпачков может иметь минимальное значение в центре тарелки или вблизи него и возрастать с увеличением радиального расстояния от центра тарелки. Например, самые верхние (или самые нижние) отверстия могут задавать форму перевернутого купола. В еще одном конкретном варианте осуществления, представляющем пример неслучайного размещения колпачков, самые верхние (или самые нижние) отверстия, задающие форму перевернутого купола, могут иметь находящиеся между ними в радиальном направлении самые верхние (или самые нижние) отверстия на постоянной высоте, находящейся выше высот всех отверстий, задающих форму купола. Пример упомянутого конкретного варианта осуществления отображен на фиг.3, и такая конфигурация самых верхних отверстий 18 является желательной, поскольку смягчаются проблемы распределения потока, обусловленные негоризонтальной тарелкой, вне зависимости от направления, по которому плоскость уровня жидкости приближается к отверстиям. Максимальное расстояние А между высотами самых верхних отверстий колпачков, которое можно в качестве альтернативы применять к самым нижним отверстиям, как правило, имеет значения в диапазонах, приведенных выше в отношении разностей высот между приподнятыми и опущенными колпачками.
На фиг.4 и 5 продемонстрировано улучшение в распределении потока через тарелку, являющееся результатом использования неслучайного размещения приподнятых и опущенных колпачков, в данном случае расположенных чередующимися рядами на фиг.5. Указанные схемы были разработаны при помощи моделирования повышающегося уровня жидкости на типичной тарелке с колпачками от 1 до 37, равномерно размещенными на ее верхней поверхности. Моделирование включало в себя тарелку, находящуюся вне уровня, при этом колпачки на левой стороне находились в пониженной зоне тарелки. Затемненные рамки вокруг номеров колпачков использовали для указания тех колпачков, которые перекрывались уровнем поднимающейся жидкости. На фиг.4 все отверстия колпачков находились на одинаковой высоте над верхней поверхностью тарелки, а следовательно, на варьирующихся высотах над уровнем грунта, ввиду негоризонтального размещения тарелки. Из фиг.4 очевидно, что при уровне жидкости, перекрывающем около половины отверстий колпачков, все перекрытые отверстия находятся в пониженной зоне тарелки, и, следовательно, поток жидкости ограничивается данной зоной, что приводит к значительному неравномерному распределению потока. Однако представленное на фиг.5 варьирование высот отверстий колпачков при использовании приподнятых и опущенных колпачков, как описано выше, в чередующихся рядах, обусловливало значительное улучшение распределения потока. Как показано, при уровне жидкости, перекрывающем половину отверстий, поток жидкости хорошо распределен по площади поперечного сечения тарелки, несмотря на отклонение тарелки от горизонтали.
В целом, аспекты настоящего изобретения касаются устройств и способов улучшения распределения потоков пара и жидкости в устройствах для парожидкостного контактирования (например, реакторах или дистилляционных колоннах). Конкретные устройства включают в себя продолговатую вертикальную емкость с размещенным в ней парожидкостным распределителем, как описано в настоящем документе. Парожидкостной распределитель включает в себя тарелку, в значительной степени или полностью перекрывающую площадь поперечного сечения (например, круглого) емкости, и содержащую множество продолговатых колпачков с открытыми или закрытыми концами, простирающихся над верхней поверхностью (противоположной нижней поверхности) тарелки и имеющих отверстие в крышке или, по меньшей мере, одно боковое отверстие. По меньшей мере, первый (приподнятый) колпачок имеет самое верхнее (или самое нижнее) отверстие на большей высоте над верхней поверхностью тарелки, по сравнению с самым верхним (или самым нижним) отверстием, по меньшей мере, второго (опущенного) колпачка. Конкретные способы включают в себя пропускание пара и жидкости через данное устройство либо прямотоком, либо противотоком. В силу настоящего раскрытия очевидно, что могут быть достигнуты некоторые преимущества и получены другие предпочтительные результаты. Специалисты в данной области техники, обладающие сведениями, полученными из настоящего раскрытия, должны понимать, что в представленные выше устройства и способы можно вносить различные изменения в пределах объема настоящего изобретения. Механизмы, используемые для объяснения теоретических или наблюдаемых явлений или результатов, следует интерпретировать только в качестве иллюстративных, а не ограничивающих каким-либо образом объем прилагаемой формулы изобретения.