СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2001 года по МПК B01D53/18 B01D3/00 

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию внутренних структур, часто именуемых "распределителями жидкости", которые используются в резервуарах (колоннах), применяемых на химических и нефтеперегонных заводах для массо- и теплопередачи, таких как дистилляция (перегонка), фракционирование, абсорбция, очистка газа, контактная очистка (контактное фильтрование), отгонка легких фракций и гашение (резкое охлаждение).

В таких колоннах жидкость протекает сверху вниз и входит в контакт с парами, протекающими в противотоке снизу вверх. В этих контактных колоннах часто предусматривают множество сегментов, каждый из которых содержит систему распределения и насадку, расположенные последовательно в одной и той же колонне.

Часто желательно, чтобы жидкость протекала в таких сегментах в виде тонкой пленки, так чтобы максимально увеличить степень и время контакта с жидкостью. Это может быть обеспечено, например, за счет предусмотрения в сегментах структурированных или случайных насадочных элементов, над которыми струи жидкости, выходящие из распределителя, протекают в виде тонкой пленки. Известны и иные способы обеспечения контакта.

При использовании любого из указанных способов жидкость в результате поступает на дно указанного сегмента колонны, содержащего такие контактные структуры, где она должна накапливаться. Обычно это осуществляют при помощи серий коллекторных устройств, которые затем канализируют жидкость в трубопроводы распределителя, из которых она опять может быть пропущена вниз к следующему расположенному ниже сегменту колонны для массопередачи. Аналогичные распределительные структуры предусмотрены у вершины колонны, в точке, в которой вводится жидкость.

В каждом случае важно обеспечить равномерное распределение жидкости по всему поперечному сечению колонны, так чтобы максимально увеличить контактный потенциал пар/жидкость, созданный элементами насадки, и предотвратить неоднородную обработку жидкости и/или пара, проходящих через устройство. Для этого распределительные структуры обычно содержат распределительные трубопроводы, такие как, например, желоба и питающие разветвленные трубопроводы, которые сами имеют отверстия в стенках, через которые поток жидкости может быть направлен на верхние уровни насадки.

Совершенно очевидно, что можно увеличить число отверстий в стенке ветви (трубопровода) для развития полного и быстрого смачивания элементов насадки совершенно однородным образом. Однако это означает, что такие отверстия должны быть относительно малыми для обеспечения ввода в каждое из них одного и того же количества жидкости для распределения. К сожалению, малые отверстия более подвержены закупорке (блокировке, засору) твердыми загрязнениями в потоке жидкости, что приводит к неоднородному распределению, которого стремятся избежать.

Хорошо известно решение указанной проблемы за счет использования относительно меньшего количества более крупных отверстий и использования устройств для рассеивания потока из каждого такого отверстия, так что он доходит до насадки в виде множества капель. Это осуществляют путем ввода в контакт потока жидкости, выходящего горизонтально из каждого отверстия, с вертикальными поверхностями, которые производят распределение потока и заканчиваются множеством капельных кромок или точек, которые контактируют с верхними поверхностями насадки. Подходящие устройства описаны, например, в патентах США 4,264,538; 4,816,191; и 4,855,089. Такие устройства обычно имеют разделительную пластину, установленную напротив отверстия в стенке трубопровода, так что вытекающая жидкость сталкивается с указанной пластиной и растекается в виде относительно тонкого слоя, который затем проходит к капельным кромкам или пальцам. Недостатком такого подхода является то, что установка пластины обязательно ограничивает возможность приближения друг к другу смежных трубопроводов. Кроме того, в частично перекрытых отверстиях поток может уменьшаться до такой степени, что появляется неравномерность потока при его доходе до пластины. Кроме того, если поток является мощным, то положение пластины приходится регулировать, чтобы избежать разбрызгивания и обеспечить канализацию потока в желательном направлении.

В EP 0501615A2 жидкость, вытекающая из отверстий в боковой стороне желоба, канализируется под трубой и подается к горизонтальной квадратной разделительной пластине, окруженной вертикальными стенками, имеющими выпускные отверстия по углам. Это позволяет разделить поток от желоба на четыре меньших потока.

В другом устройстве, которое было выпущено на рынок фирмой Hydronyl Ltd (Великобритания) в начале семидесятых годов, поток жидкости распределяется при помощи замкнутых трубопроводов, имеющих множество отверстий на противоположных концах горизонтального диаметра или хорды, установленной на соответствующей глубине. Жидкость из трубопровода выходит через отверстия и входит в контакт с вертикальной разделительной пластиной из листового металла, нижний участок которой направляет образованную на пластине пленку жидкости к вертикальной перфорированной пластине, расположенной непосредственно под трубой, так что жидкость стекает вниз по обеим сторонам перфорированной пластины. В предпочтительном варианте вертикальная перфорированная пластина затем контактирует с аналогичной вертикальной перфорированной пластиной, установленной под прямым углом к первой. Это позволяет отделить часть жидкости под прямым углом к остальному потоку, за счет чего повышается однородность распределения жидкости через насадку, в которую в конечном счете поступает текущая вниз жидкость. Такое устройство хорошо работает, но имеет многие из указанных ранее недостатков.

В еще одной известной системе использован трубопровод в виде яруса, снабженного стояками, через которые может протекать вверх газ, и множеством отверстий, через которые может протекать вниз жидкость. Это устраняет проблемы размещения, однако жидкость выдается скорее струями, а не каплями, что менее эффективно для обеспечения равномерного потока в системе. В соответствии с настоящим изобретением предлагается новая и предпочтительная альтернатива указанным устройствам. Преимуществом предлагаемого здесь решения является использование относительно больших отверстий, которые позволяют свести к минимуму блокирование, но одновременно обеспечивают широкое и равномерное распределение потока в широком диапазоне условий протекания жидкости.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается система распределения жидкости, которая содержит трубопровод распределения жидкости, имеющий множество отверстий для распределения жидкости, а также прикрепленную непосредственно к трубопроводу направляющую трубу, адаптированную для приема выходящего через отверстие из трубопровода потока жидкости и направления его к разделительной пластине, расположенной по меньшей мере частично ниже уровня трубопровода, которая имеет наклон к горизонтали 75^o или меньше. Преимущественно наклон к горизонтали разделительной пластины составляет от 70^o до 10^o, а еще лучше от 50^o до 40^o. Степень наклона к горизонтали в основном зависит от скорости потока и, соответственно, от степени его разделения ранее достижения капельных точек. Ясно, что желательно иметь максимальное разделение, что часто означает, что предпочтительными являются малые углы наклона к горизонтали в указанном диапазоне.

Устройство для распределения жидкости, которое является частью настоящего изобретения, описано здесь как "трубопровод", причем следует иметь в виду, что этот термин включает в себя любое средство доставки потока жидкости к множеству отверстий в корпусе трубопровода. Такое устройство может иметь вид открытого желоба или закрытой трубы с любым желательным поперечным сечением, при условии, что оно выполняет функцию распределения протекающей в нем жидкости при помощи указанных выше отверстий. Трубопровод может также иметь вид ярусного распределителя, в котором жидкость протекает через ярус и выходит через отверстия на дне яруса. В таком случае "направляющая труба" представляет собой канал по толщине самого яруса.

В некоторых случаях желательно иметь текстурированную поверхность разделительной пластины для замедления потока и усиления разделения. Одна пластина, вытянутая по длине трубопровода, может быть использована для обработки жидкости, вытекающей из всех направляющих труб, связанных с трубопроводом. Альтернативно, но часто менее желательно, каждая направляющая труба может иметь свою собственную индивидуальную разделительную пластину. Когда предусмотрены такие индивидуальные пластины, то каждая из них преимущественно имеет форму веера для усиления разделения протекающей над ней жидкости.

При относительно низкой скорости протекания жидкости, например 3 галлона в минуту на кв.фут (0,12 m³ в минуту на м²), и в особенности ниже 2 галлонов в минуту на кв. фут (0,08 m³ в минуту на м²), предпочтительно, чтобы разделительная пластина заканчивалась кромкой, с которой сходит тонкая пленка жидкости. Альтернативно и более предпочтительно указанная кромка может быть замена множеством капельных точек, выдающих жидкость управляемым образом к расположенной ниже насадке.

Часто предпочтительной является разделительная пластина, которая заканчивается вертикальным удлиняющим элементом, который на своем нижнем конце имеет капельную кромку или капельные точки. Этот вертикальный удлиняющий элемент также может быть перфорированным, что позволяет проходящей по его поверхности жидкости также проходить и по толщине пластины. Капельные точки в такой перфорированной пластине могут быть образованы за счет прохождения нижнего края указанного элемента через множество таких перфораций. Капельные точки также могут быть образованы за счет пальчиковых удлинений от нижнего края элемента. Потенциальным преимуществом такого построения является разделение жидкости в полосе, которая толще ширины собственно пластины, за счет деформирования (изгиба) пальцев наружу от плоскости пластины.

Однако описанные выше структуры постепенно становятся менее эффективными, когда скорости протекания жидкости становятся выше ориентировочно 2 галлонов в минуту на кв. фут (0,08 m³ в минуту на м²); в таких случаях предпочтительно, чтобы разделительная пластина подавала жидкость в коллекторный желоб, имеющий множество средств распределения жидкости, таких как, например, отверстия, щели, пороги, V-образные канавки или перегородки с отверстиями.

Коллекторный желоб преимущественно имеет расположенные напротив друг друга образующие стенки, соединенные при помощи элемента основания, причем средство распределения жидкости преимущественно предусмотрено вдоль нижнего участка по меньшей мере одной из указанных стенок. Это позволяет обеспечить однородность потока жидкости во всех средствах распределения жидкости коллекторного желоба, даже при превышении пропускной способности блока направляющая труба/разделительная пластина, необходимой для эффективной работы. Коллекторный желоб может быть полностью отделен от разделительной пластины, причем это может быть желательно, если коллекторный желоб установлен в качестве элемента модернизации устройства для обеспечения его работы с повышенной пропускной способностью. Однако если система распределения жидкости с самого начала предназначена для систем с высокой пропускной способностью, то удобно использовать вертикальное удлинение разделительной пластины для образования одной из стенок коллекторного желоба.

Коллекторный желоб обычно устанавливают непосредственно под трубопроводом. Это может быть осуществлено за счет предусмотрения удлинения одной из стенок коллекторного желоба, которое непосредственно соединено с трубопроводом, по меньшей мере на части его длины.

Разделительная пластина преимущественно содержит порог (водослив) в промежуточной точке между точкой, в которой поток жидкости контактирует с пластиной, и вертикальной секцией (если она есть, в противном случае с нижним концом пластины), установленный под прямым углом к прямой линии, образованной продолжением осевой линии направляющей трубы через разделительную пластину. Функцией порога является прерывание потока поперек (по ширине) разделительной пластины и усиление эффекта разделения. Высота порога может быть постоянной по ширине разделительной пластины, но часто желательно иметь более высокий порог вдоль линии снижения наклонной разделительной пластины и менее высокий в крайних точках. Альтернативно и часто предпочтительно порог может иметь V-образные канавки, так что смещенные по его длине участки имеют уменьшенную высоту, что позволяет пропускать больший объем жидкости над порогом на этих участках. Порог может идти по всей ширине разделительной пластины, но обычно он заканчивается, не доходя до кромок разделительной пластины на обеих сторонах.

Направляющая труба может иметь обычный вид, когда боковая сторона трубопровода образует участок стенки трубы, причем элемент соответствующей конфигурации, соединенный с боковой стороной желоба, создает однородное поперечное сечение трубы от отверстия в стенке трубопровода до точки подачи жидкости к разделительной пластине. Указанное поперечное сечение может быть поэтому квадратным, прямоугольным или в основном круговым, с уплощенным одним участком окружности. Однако это поперечное сечение также может иметь и не типичную форму, с образованием в трубе двух или более каналов. Эти каналы могут быть (но не обязательно) полностью разделены, однако преимущественно они должны быть достаточно четкими для того, чтобы выходящий из конца трубы к разделительной пластине объем жидкости не был однородным по ширине трубы. Такая труба может иметь, например, поперечное сечение в виде буквы "В". Это инициирует разделение за счет образования по меньшей мере частично разделенного потока фактически внутри направляющей трубы.

При использовании часто желательно предусмотрение прикрепления нижнего конца разделительной пластины или любого соединенного с ней вертикального элемента удлинения к верхней части насадки, для предотвращения относительного движения за счет разности давления и его вариаций. Устройство крепления, которое обычно именуют "прижимной штангой", может иметь любую желательную функциональную форму.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, которые являются неотъемлемой частью настоящего изобретения.

На фиг. 1 схематично показано поперечное сечение желобной системы в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2A и 2B показаны поперечные сечения двух альтернативных конфигураций направляющей трубы.

На фиг. 3 показан вид сбоку желобной системы в соответствии с настоящим изобретением, с показанной на фиг. 2B канальной трубой.

На фиг. 4 показан вид в перспективе, с частичным вырывом, альтернативной конфигурации коллекторного желоба.

На фиг. 5 схематично показано поперечное сечение вариации показанного на фиг. 4 варианта, в котором вертикальное удлинение разделительной пластины образует одну из стенок коллекторного желоба.

На фиг. 1 показан направляющий желоб 1 с прямоугольным поперечным сечением, имеющий два выпускных отверстия 2 и 3. Верхнее отверстие 2 предназначено для использования только в случае переполнения или когда нижнее отверстие блокировано (закупорено). Нижнее отверстие является основным, при помощи которого происходит распределение жидкости в желобе. Показаны круглые отверстия, однако на практике они могут иметь любую желательную форму. Часто наиболее предпочтительными являются отверстия рваной формы, так как они менее подвержены закупорке. Желоб обычно имеет множество отверстий, а два отверстия на чертеже показаны только для упрощения.

При использовании жидкость выходит из желоба через отверстия и поступает в направляющую трубу 4, из которой она вытекает на наклонную разделительную пластину 5 и растекается по ней, пока не встречает порог 6, который дополнительно усиливает разделение жидкости. При движении вниз жидкость контактирует с вертикальным элементом удлинения 7, который преимущественно текстурирован или даже имеет отверстия. Элемент удлинения прикреплен к структурам насадки 8 при помощи прижимной штанги 9. Нижний конец элемента удлинения 7 может иметь множество капельных точек, при помощи которых текущая вниз жидкость может быть распределена по насадке.

На фиг. 2A показана в поперечном сечении конструкция направляющей трубы, использованной в устройстве фиг. 1. Можно видеть, что труба 4 образована дуговидным элементом, который прикреплен к боковой стенке желоба 1 над отверстием 2. На фиг. 2B показана конструкция направляющей трубы, используемой в устройстве фиг. 3. Такая труба имеет поперечное сечение в виде буквы "B", что позволяет потоку жидкости разделяться на два потока после его вытекания из отверстия в желоб.

На фиг. 3 показано устройство с направляющей трубой 4, имеющей поперечное сечение в виде буквы "B". После прохождения по направляющей трубе жидкость входит в контакт с наклонной разделительной пластиной 5, растекается и входит в контакт с имеющим канавки порогом 6. В других отношениях данная структура аналогична показанной на фиг. 1.

На фиг. 4 показана конструкция, которая предназначена для использования при более высоких скоростях потока. Трубопровод, отверстия, направляющая труба и разделительная пластина соответствуют показанным на фиг. 1-3, однако в данном случае разделительная пластина служит для подачи жидкости в направляющий желоб 10, имеющий отверстия 11, предусмотренные вдоль нижнего участка по меньшей мере одной из его стенок. Как уже упоминалось здесь ранее, эти отверстия могут быть заменены или дополнены щелями, порогами (водосливами) и/или выемками (канавками). Направляющий желоб прикреплен к трубопроводу при помощи удлинительного кронштейна 12, предусмотренного на одной из стенок указанного желоба.

На фиг. 5 схематично показано изменение показанного на фиг. 4 варианта, причем в этом случае разделительная пластина имеет вертикальное удлинение 13, предусмотренное на одной из стенок направляющего желоба.

Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в них специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения. Например, показанные на чертежах направляющие трубы можно заменить отдельной трубой, подключенной над (поверх) отверстием к боковой стенке трубопровода. Диаметр такой трубы должен быть преимущественно больше размера отверстия для обеспечения свободного протекания потока без его ограничения. Возможно также изменение формы поперечного сечения трубопровода. На чертежах показана прямоугольная форма поперечного сечения, однако это не является обязательным и трубопровод может иметь круглое или V-образное поперечное сечение. Трубопровод также может быть открытым или закрытым.

Предложена система распределения жидкости, которая позволяет получить существенную экономию пространства в колонне для массопереноса. В такой системе обеспечено эффективное однородное распределение жидкости, вытекающей из таких трубопроводов, как желоба, трубы или ярусные распределители, при помощи устройств распределения жидкости, расположенных в основном ниже трубопровода, что позволяет иметь меньшие промежутки между точками распределения жидкости в колонне. Система содержит наклонную разделительную пластину, расположенную, по меньшей мере, частично ниже трубопровода, причем разделительная пластина имеет наклон к горизонтали не более 75^o так, что выходящая из трубопровода жидкость растекается в виде относительно тонкого слоя. 9 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Система распределения жидкости, отличающаяся тем, что она содержит трубопровод распределения жидкости, имеющий множество отверстий для распределения жидкости, а также прикрепленные непосредственно к стенке трубопровода множество направляющих труб, каждая из которых предназначена для приема потока жидкости, выходящего из трубопровода через вертикально расположенные отверстия, и непосредственного направления жидкости к наклонной разделительной пластине, расположенной, по меньшей мере, частично ниже трубопровода, причем разделительная пластина имеет наклон к горизонтали не более 75^o так, что выходящая из трубопровода жидкость растекается в виде относительно тонкого слоя. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что разделительная пластина имеет наклон к горизонтали 10 - 70^o. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что разделительная пластина содержит порог. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что разделительная пластина содержит идущий в направлении вниз вертикальный элемент удлинения. 5. Система по п.4, отличающаяся тем, что вертикальное удлинение разделительной пластины заканчивается множеством капельных точек. 6. Система по п.1, отличающаяся тем, что разделительная пластина заканчивается множеством капельных пальцев. 7. Система по п.1, отличающаяся тем, что разделительная пластина заканчивается нижней кромкой, расположенной над направляющим желобом, имеющим образующие стенки, по меньшей мере на одной из которых предусмотрено множество распределительных отверстий. 8. Система по п.4, отличающаяся тем, что вертикальное удлинение разделительной пластины служит образующей стенкой направляющего желоба, который содержит множество средств распределения, по меньшей мере, в одной своей образующей стенке. 9. Система по п.1, отличающаяся тем, что направляющая труба имеет поперечное сечение, образующее, по меньшей мере, два внутренних канала внутри трубы. 10. Система по п.1, отличающаяся тем, что направляющая труба прикреплена к боковой стенке трубопровода.