ПАРОЖИДКОСТНОЕ РАСПРЕДЕЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ В РЕЗЕРВУАРАХ С ДВУХФАЗНЫМ ОДНОНАПРАВЛЕННЫМ НИСХОДЯЩИМ ПОТОКОМ Российский патент 2002 года по МПК B01J8/02 B01D3/20 

Настоящее изобретение относится к устройству для распределения жидкости тарельчатого типа, которое улучшает распределение жидкости по поперечному сечению резервуара, расположенного за тарелкой. Это устройство так же находится в близком контакте с жидкой и паровой фазами для обеспечения теплового и структурного равновесия. Это устройство обычно используется в гидротехнологическом реакторе.

Большинство известных конструкций устройств для распределения жидкости относится к одной из четырех категорий. К первой категории относятся наборы желобков и переливных буртиков, предназначенных для равномерного распределения жидкости на большое количество струек перед ее контактом с основанием. Эта конструкция часто используется в жидкостных контакторах или в противоточных абсорберах. Пример такой конструкции описан в патенте США 5192465.

Ко второй категории относятся устройства распределения жидкости, представляющие собой перфорированную горизонтальную тарелку. Она может иметь или не иметь выдавленные бортики вокруг перфорации. Тарелка также может иметь паровые трубки для потока пара. Этот тип распределительных устройств может использоваться для грубого распределения жидкости совместно с более сложной по конструкции тарелкой для окончательного распределения жидкости. Примеры такого типа описаны в патенте США 4836989.

К третей категории распространенных устройств для распределения жидкости относятся тарелки с паровыми трубками. В таких устройствах используются наборы вертикальных трубок, размещаемых обычно на горизонтальной тарелке по схеме правильной прямоугольной или треугольной сетки с постоянным интервалом. Вертикальные трубки обычно имеют отверстия в боковых стенках для прохода жидкости. Верхние части этих трубок открыты для прохождения потока пара вниз через центры паровых трубок. В некоторых конструкциях предусмотрены специальные циркуляционные паровые переточные трубки для отвода большей части потока пара. Этот тип известен из патентов США 4126540 и 3353924.

Четвертый тип устройства для распределения жидкости представляет собой тарелку с барботажными колпачками. Это устройство использует набор барботажных колпачков, установленных с равными интервалами на горизонтальной тарелке.

Барботажный колпачок - это крышка, установленная концентрично на вертикальной трубке. По бокам колпачка выполнены щели для прохода потока пара. Жидкость затекает под крышку и вместе с паром протекает вверх в кольцеобразную зону, а затем вниз через центр вертикальной трубки, как это описано в патенте США 5158714.

Устройство, выполненное в соответствии с настоящим изобретением, называется "пароподъемная распределительная тарелка". Она установлена горизонтально в резервуаре". Тарелка может или состоять из секций, или представлять собой цельную пластину. Независимо от того, состоит ли она из секций или представляет собой цельную конструкцию, все кромки тарелки снабжены прокладками или подобными им уплотнениями для получения поверхности, по существу не имеющей протечки.

Тарелка перфорирована отверстиями, равномерно расположенными по всей ее поверхности. Отверстия могут быть круглыми, квадратными, прямоугольными или иметь другую геометрическую форму. Отверстия лучше всего располагать в соответствии с квадратной, треугольной, радиальной или другой симметричной схемой расположения. Если горизонтальная тарелка выполнена секционной, то оптимально перфорационные отверстия могут быть расположены на каждой секции тарелки. Во всех случаях лучше всего использовать такую схему расположения отверстий, которая обеспечивает приблизительно равномерное расстояние между всеми перфорациями и обеспечивает приблизительно равномерное отношение площади перфорационного отверстия к горизонтальной площади тарелки по всей поверхности горизонтальной тарелки.

Каждая перфорация снабжена устройством в форме перевернутой буквы "U", которое называется "пароподъемная трубка". Пароподъемную трубку прикрепляют к тарелке таким способом, который не допускает протечку.

С нижней стороны тарелки для каждого отверстия перфорации выполнена капельная кромка. Она получается благодаря тому, что пароподъемная трубка выступает за пределы тарелки, или благодаря тому, что ее отдельная часть прикреплена к тарелке, или за счет того, что тарелка выгнута вниз, или с помощью какого-либо другого аналогичного средства.

На фиг. 1 изображен первый вариант выполнения пароподъемной трубки, выполненный в соответствии с настоящим изобретением;
На фиг.2-5 представлены альтернативные варианты выполнения пароподъемной трубки, выполненные в соответствии с настоящим изобретением.

Принцип конструкции пароподъемной трубки изображен на фиг.1. В верхней части перевернутой "U" между ножками выполнено внутреннее отверстие 4. Благодаря этому устройство обеспечивает проход для потока сквозь тарелку - вход через отверстие, выполненное в конце короткой ножки, вертикальный проток через короткую ножку, изменение направления в верхней зоне перевернутой "U", нисходящий поток через длинную ножку и выход через открытый конец длинной ножки, расположенной ниже тарелки.

Вертикальная щель 5 выполнена в боковой стенке короткой ножки, на противоположной стороне от длинной ножки. Верхняя точка щели находится на уровне или ниже "дна" указанного внутреннего отверстия между ножками. В других вариантах выполнения могут быть выполнены две или большее количество щелей в боковых стенках короткой ножки, расположенных вблизи или на противоположной стороне от более длинной ножки.

Во время работы на тарелке будет установлен некоторый уровень жидкости. Уровень жидкости по отношению к трубке должен быть выше нижней части короткой ножки пароподъемной трубки, но ниже верхней точки щели, выполненной в короткой ножке. Пар будет проходить через щель в короткой ножке, создавая падение давления между внутренним и внешним пространствами относительно пароподъемной трубки. Благодаря более низкому давлению во внутреннем пространстве пароподъемной трубки уровень жидкости в ней будет выше по сравнению с уровнем жидкости снаружи пароподъемной трубки. Пар и жидкость будут смешиваться в короткой ножке, при этом пар будет поднимать жидкость, и она будет подниматься вверх, а затем перетекать через соединительную стенку, выполненную между короткой и длинной ножками. Жидкость будет частично разделяться при протекании над соединительной стенкой и при протекании вниз по длинной ножке. При выходе из отверстия под тарелкой жидкость и пар будут продолжать разъединяться, при этом жидкость будет стекать с капельной кромки.

Другие варианты выполнения пароподъемной трубки представлены на фиг.2, 3, 4 и 5. На фиг.1 ножки перевернутой "U" имеют квадратное или прямоугольное поперечное сечение. На фиг.2 устройство выполнено из одной круглой трубки 6 и вертикальной перегородкой 7, формирующих короткую и длинную ножки. На фиг. 3 устройство составлено из пары не концентричных круглых трубок 8 и 9. Длинная ножка представляет собой трубку 9 меньшего диаметра, а короткая ножка образована кольцевым пространством 10, ограниченным большей трубкой 8. На фиг. 4 показано устройство, выполненное в форме буквы "М", внешние ножки которой являются эквивалентом коротких ножек, а средняя ножка является эквивалентом длинной ножке. Этот вариант выполнения используется при высоких нагрузках жидкости и пара. На фиг.5 изображена пароподъемная трубка, конструкция которой основана на том же основном принципе, что и трубка на фиг.4, за исключением того, что центральная ножка представляет собой круглую трубку. Во всех вариантах показано, что верхняя часть выполнена в виде плоской пластины. Верхняя часть может также быть закругленной, куполообразной, остроконечной или иметь любую другую геометрическую форму.

Согласно предпочтительному варианту выполнения пароподъемная трубка представляет собой конструкцию, показанную на фиг.5. Этот вариант может быть предназначен для работы в широком диапазоне парожидкостных нагрузок, он обеспечивает геометрические соотношения, оптимальные для работы, и он может быть изготовлен экономично и эффективно.

Известные распределительные устройства желобкового типа являются механически сложными и обладают высокой чувствительностью к уровню жидкости. В зависимости от конструкции переходов между желобками качество распределения также может быть восприимчиво к загрязнению.

Известная конструкция с перфорированной пластиной аналогична конструкции с паровыми трубками. Конструкция с вытяжными трубками является более предпочтительной, так как она может быть разработана для более широкого диапазона парожидкостных нагрузок, при этом она менее восприимчива к загрязнению.

Преимущества пароподъемной трубки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с паровыми трубками состоит в использовании значительно более широкой области поворота вниз, которая заложена в конструкции пароподъемной трубки. При снижении скорости потока жидкости правильно сконструированная паровая трубка должна стать или выше, или иметь меньшие по размеру отверстия, просверленные в ее боковой поверхности. Из-за допусков при изготовлении, неточностей установки и отклонений, вызванных рабочими нагрузками, не все разделительные устройства будут находиться на одинаковом уровне в резервуаре. При некотором уровне поворота вниз некоторая часть отверстий будет покрыта жидкостью, а другая часть - нет. Это приведет к неравномерному распределению жидкости по поверхности, расположенной под тарелкой. При правильной конструкции устройство с пароподъемными трубками будет уменьшать разность потоков жидкости между пароподъемными трубками на различных уровнях лучше, чем это можно достичь с помощью конструкции с паровыми трубками. Дополнительное преимущество пароподъемной трубки над паровой трубкой заключается в повышенной степени контакта жидкой и парообразной фаз. Близкий контакт, который возникает в восходящей части пароподъемной трубки, обеспечивает близкое приближение к тепловому и структурному равновесию, чем это можно достичь при использовании тарелки с паровыми трубками.

В принципе устройство пароподъемной трубки аналогично устройству барботажного колпачка, но по сравнению с ним имеет целый ряд преимуществ. Так как пароподъемная трубка меньше по размерам, то на распределительной тарелке можно расположить большее их количество для достижения лучшего распределения жидкости. Кроме этого, так как стандартная схема расположения представляет собой квадратную или треугольную сетку постоянного шага, то вблизи стенок резервуара обычно образуются разрывы в области распределении жидкости. При уменьшении шага размер этих разрывов уменьшается. Общая эффективность смачивания под тарелкой лучше при меньшем шаге, чем этот же показатель при большем шаге. Тарелка с барботажными колпачками ограничена относительно большим интервалом установки, и необходимо принимать дополнительные меры для улучшения потока жидкости из крышек, например, используя пластинку сдвига, описанную в патенте г-на Ших (Shih). Увеличение количества барботажных колпачков при уменьшении расстояния между ними приведет к увеличению количества точек распределения, но отрицательно повлияет на отношение жидкость/пар потока через каждый колпачок. Использование большего количества барботажных колпачков потребует изготовление каждого барботажного колпачка меньшего размера, который будет иметь щели меньшего размера и приведет к уменьшению их количества. Использование щелей меньшего размера не практично, так как существует минимальный размер щели, ограниченный возможностью загрязнения. Использование меньшего количества щелей нежелательно, так как это может привести к образованию местных сквозных протоков пара в кольцеобразных элементах и приводит к менее эффективному контакту с жидкой фазой. Дополнительным преимуществом устройства пароподъемной трубки является ее простота, что делает ее более простой и менее дорогостоящей при производстве с оптимальными размерами, обусловленными условиями процесса.

Во многих процессах, в которых будет использоваться данная тарелка, например в гидротехнологических реакторах, в которых могут возникать различные соотношения паровой и жидкой фаз и различные физические свойства в ходе операций, сопровождающихся поворотом вниз, из-за производственных допусков и неточностей в установке неизбежны отклонения уровня по в распределительной тарелке. Жидкость, капающая на распределительную тарелку из входного распределительного устройства или из смесителя зоны резкого охлаждения, может распределяться неравномерно, что приводит к возникновению градиентов высоты жидкости по тарелке, вызванных брызгами, волнами или из-за гидравлического напора. Существует оптимизированная конструкция распределителя жидкости, использующего принцип работы пароподъемной трубки, которая обеспечивает лучшее распределение жидкости под тарелкой, чем то, которое может быть получено с помощью оптимизированных конструкций распределительных устройств желобового типа, или простых перфорированных пластинчатых распределительных тарелок, или распределительных тарелок с паровыми трубками, или концентрических распределительных тарелок с барботажными колпачками.

Тарелки для распределения жидкости, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, обычно будут использоваться в гидротехнологических реакторах. Благодаря равномерному распределению жидких реагентов по всему поперечному сечению реактора весь катализатор на заданном уровне равномерно смочен. Таким образом, все катализаторы на заданном уровне работают с одинаковой эффективностью, что повышает общую эффективность реактора. Кроме того, равномерное распределение жидкости позволяет поддерживать равномерный радиальный профиль температуры по всему реактору. Это приводит к минимизации пиковых температур реактора, что с течением времени уменьшает коксование и снижает скорость деактивации катализатора. Следовательно, реактор работает более эффективно и с большей продолжительностью цикла. При этом достигается положительный эффект благодаря снижению требований к катализатору, более высоким технологическим возможностям реактора и/или большей продолжительности технологического цикла. Устройство будет работать с любым двухфазным реактором или контактором с нисходящим потоком. Это устройство найдет широкое применение при гидрообработке, гидрокрекинге, ароматическом насыщении, каталитической депарафинизации и в реакторах окончательной гидрообработки.

Пример
Эффективность пароподъемного распределителя была испытана по сравнению с традиционным распределителем с барботажными колпачками (Патент США 3218249, пример IV) при атмосферном давлении, температуре окружающей среды, применяя воду и воздух.

Барботажный колпачок, используемый в ходе испытаний, описан в указанном выше американском патенте. Колпачок имел следующие размеры: стакан представлял собой стальную трубку, имеющую внешний диаметр 79 мм, толщину стенок 2,11 мм и высоту 180 мм. Колпачок был изготовлен из стальной трубки с внутренним диаметром 111 мм, толщиной стенок 2,11 мм и высотой 129 мм, при этом его верхний конец был закрыт плоской стальной пластиной. В кольцевом пространстве между стаканом и колпачком были помещены разделители. Каждый колпачок имел семь равномерно распределенных щелей шириной 6,4 мм и высотой 64 мм. Расстояние по вертикали от вершины стакана до внутренней стенки колпачка составляло 19 мм.

Используемая в ходе испытаний пароподъемная трубка показана на фиг.4.

Испытание проводилось в испытательной установке, при этом использовались два идентичных распределительных устройства, установленных на пластине тарелки. Эти два распределительных устройства были установлены на расстоянии 10 мм за пределами уровня. Вода и воздух подавались к тарелке с регулируемой скоростью. Вода, выходящая из каждого из двух распределительных устройств, собиралась одновременно в два контейнера в течение определенного периода времени. Содержимое контейнеров взвешивалось для того, чтобы определить расход из нижнего распределительного устройства и расход из верхнего распределительного устройства.

Чувствительность потока жидкости из распределительного устройства в направлениях тарелки определялась следующим образом:
,
где W^low - это вес жидкости, собранной из нижнего распределительного устройства;
W^high _ вес жидкости, собранной из верхнего распределительного устройства.

Расход воды и воздуха, подаваемых к тарелке, менялся для имитации действительных условий нагрузки пара/жидкости в гидротехнологическом реакторе. В гидротехнологическом реакторе расход пара/жидкости меняется от блока к блоку в зависимости от состава масла, скорости обрабатывающего газа и состава, а также от рабочего давления и температуры реактора. В эксперименте имитировались три типичных случая нагрузки пара/жидкости: случай с высокой нагрузки жидкости, случай со средней нагрузки жидкости и случай с низкой нагрузки жидкости.

Кроме того, для данного реактора расход пара/жидкости должен быть различным для работы при низкой температуре реактора и со свежим катализатором (начало работы: HP), затем для работы с высокой температурой реактора и с деактивированным катализатором (конец работы: КН). Этот эффект также моделировался в ходе испытаний.

Оба типа распределительных устройств испытывались при нагрузках воды/воздуха, приведенных ниже в таблице 1.

Измеренная характеристика распределения в терминах чувствительности потока жидкости при изменении уровня на 10 мм в соответствии с уравнением (1) приведена в таблице 2 для традиционного барботажного колпачка и в таблице 3 для пароподъемного распределителя.

Как видно, пароподъемные трубки имеют существенно лучшую характеристику распределения, чем распределительное устройство с барботажными колпачками. В среднем чувствительность потока жидкости по отношению к уровню приблизительно в 4 раза выше для распределительного устройства с барботажными колпачками, чем для пароподъемного распределительного устройства.

Хотя настоящее изобретение было описано по отношению к конкретному варианту его осуществления, однако для специалистов в данной области очевидно большое количество других разновидностей и модификаций и других вариантов воплощения и использования. Поэтому ясно, что настоящее изобретение не ограничено приведенным описанием, а должно быть рассмотрено только в объеме и в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.

Устройство содержит плоскую горизонтальную тарелку, изготовленную и установленную таким образом, чтобы практически не было протечки в местах соединения тарелки со стенками резервуара, при этом эта горизонтальная тарелка имеет перфорированные отверстия равного размера и эти отверстия распределены по оптимальной схеме по всей поверхности горизонтальной тарелки, причем каждое отверстие перфорации снабжено пароподъемной трубкой, которая проходит сквозь горизонтальную тарелку. Парожидкостное устройство имеет существенно улучшенную характеристику распределения потоков. 10 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

1. Парожидкостное распределяющее устройство, используемое в резервуарах с двухфазным однонаправленным нисходящим потоком, содержащее плоскую горизонтальную тарелку, изготовленную и установленную таким образом, что по существу не имеет протечек в местах соединения тарелки со стенками резервуара, указанная горизонтальная тарелка перфорирована с образованием отверстий равного размера, эти отверстия распределены с соответствии с оптимальной схемой по поверхности горизонтальной тарелки, отличающееся тем, что каждое отверстие перфорации, выполненное в горизонтальной тарелке, снабжено пароподъемной трубкой. 2. Парожидкостное распределяющее устройство по п. 1, отличающееся тем, что пароподъемная трубка представляет собой устройство, форма которого повторяет форму перевернутой буквы U или перевернутой буквы М, и содержащее часть трубки для пропускания потока вниз и часть трубки для пропускания/перехода потока вверх, в котором часть трубки для пропускания потока вниз представляет собой трубку или канал с той же геометрической формой поперечного сечения, что и у отверстия перфорации, при этом трубка для протекания потока вниз прикреплена к горизонтальной тарелке средством, обеспечивающим непроницаемое для протечек уплотнение, и, при необходимости, основание трубки для пропускания потока вниз выступает через горизонтальную тарелку для формирования капельной кромки и для обеспечения равномерного разделения жидкостей, протекающих через трубку для пропускания потока вниз, что улучшает распределение жидкости. 3. Парожидкостное распределяющее устройство по п. 2, отличающееся тем, что трубки для пропускания потока вниз имеют одинаковую высоту во всех точках горизонтальной тарелки. 4. Парожидкостное распределяющее устройство по п. 2, отличающееся тем, что часть трубки для пропускания/перехода потока вверх пароподъемной трубки представляет собой трубку или канал, которая создает зону восходящего потока, находящуюся в непосредственной близости от трубки для пропускания потока вниз, и переходной зоны потока в верхней части трубки для пропускания потока вниз, таким образом пар и жидкость текут вверх через трубку для пропускания потока вверх, затем изменяют направление в переходной зоне и протекают вниз через трубку для пропускания потока вниз и тарелку, обеспечивая, таким образом, проход сквозь горизонтальную тарелку. 5. Парожидкостное распределяющее устройство по п. 2, отличающееся тем, что часть трубки для пропускания потока вверх пароподъемной трубки имеет, по меньшей мере, одну вертикальную щель, выполненную в ее боковой стенке и приспособленную для прохода парообразной фазы в зону восходящего потока пароподъемной трубки и для смешивания ее с жидкой фазой, при этом верхняя точка щели находятся на одном или ниже уровня вершины трубки для пропускания потока вниз. 6. Парожидкостное распределяющее устройство по п. 2, отличающееся тем, что основание части трубки для пропускания потока вверх заканчивается выше уровня горизонтальной тарелки, таким образом для жидкости нет препятствий для ее протекания в нижнюю часть трубки для пропускания потока вверх. 7. Парожидкостное распределяющее устройство по п. 2, отличающееся тем, что часть трубки для пропускания/перехода потока вверх представляет собой отдельный элемент, закрывающий трубку и отделенный от трубки для пропускания потока вниз. 8. Парожидкостное распределяющее устройство по п. 1, отличающееся тем, что в горизонтальной тарелке выполнено большое количество малых перфорационных отверстий, каждое из которых имеет площадь поперечного сечения, лежащую в пределах 1 - 25 см². 9. Парожидкостное распределяющее устройство по п. 1, отличающееся тем, что полная площадь отверстий перфорации составляет 4 - 33% от площади поверхности горизонтальной тарелки. 10. Парожидкостное распределяющее устройство по п. 1, отличающееся тем, что часть трубки для пропускания потока вверх приспособлена к установке напротив трубки для пропускания потока вниз таким образом, чтобы ограничить зону восходящего потока практически до одной стороны трубки для пропускания потока вниз. 11. Парожидкостное распределяющее устройство по п. 1, отличающееся тем, что отношение площади поперечного сечения восходящего потока к его периметру больше 4 мм, что необходимо для уменьшения фрикционного падения давления и эффекта стенок.