УСТРОЙСТВО ВХОДА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ДЛЯ АППАРАТА Российский патент 2011 года по МПК B01D3/00 

Изобретение относится к устройству входа текучей среды для аппарата, в частности для колонны, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Оно относится также к колонне с устройством входа текучей среды согласно изобретению, а также к способу эксплуатации такого устройства входа текучей среды.

Из DE-A-1519711 известно устройство входа текучей среды, а именно впускное и распределительное устройство для смеси жидкости и пара, с помощью которого можно подавать такую двухфазную текучую среду в аппарат, в частности колонну, при этом одновременно обеспечивается отделение находящейся в текучей среде жидкости (в виде капелек жидкости). При этом входящий поток текучей среды разделяется с помощью множества изогнутых направляющих пластин или направляющих лопаток в частичные потоки, и каждый частичный поток отклоняется так, что более плотная фаза под действием центробежных сил может, по меньшей мере, частично отделяться. Пар распределяется по поперечному сечению аппарата, в то время как жидкость отделяется. Это известное устройство входа текучей среды можно, естественно, применять также для подачи однофазной текучей среды (жидкости или газа). Оно обеспечивает равномерный поток у нижнего входа, например, насадки, которая расположена на расстоянии над устройством входа текучей среды. Вместо насадки могут быть предусмотрены другие внутренние устройства в аппарате или в колонне, например устройство для отделения находящихся в потоке капелек жидкости, которые не были отделены в устройстве входа текучей среды. Устройство входа текучей среды состоит из относительно сложной конструкции из стальных листов.

Из ЕР-А-1018360 (=Р.6929) известно другое и значительно более простое устройство входа текучей среды, которое образовано с помощью относительно небольшого отклоняющего блока для подаваемой в колонну текучей среды. Для отклоняющего блока необходимо меньше материала, и он более прост в изготовлении. Однако простейший вариант выполнения этого отклоняющего блока не пригоден для одновременного распределения газа и отделения жидкости при двухфазной текучей среде. В отклоняющем блоке образуются два боковых частичных потока, которые протекают по существу зеркально симметрично вдоль внутренней стенки колонны и затем после объединения образуют протекающий обратно поток, горизонтальная составляющая скорости которого направлена радиально и к отклоняющему блоку. С помощью отклоняющего блока образуется, по меньшей мере, один третий центральный частичный поток, который направлен радиально и противоположно относительно текущего обратно потока снова объединенных частичных потоков. Третий поток образуется настолько сильным, что текущему обратно потоку в основном воспрещается протекание по центру колонны. Таким образом, с помощью отклоняющего устройства создаются один центральный и два боковых частичных потока, которые за счет взаимодействия в средней зоне аппарата (колонны) вызывают успокоение потока, при этом образуется вид потока, который приводит к равномерному распределению скорости под насадкой. После выхода из отклоняющего блока поток газа распространяется свободно; нет необходимости его направления с применением сложной конструкции из стальных листов.

Задачей изобретения является создание устройства входа текучей среды, которое является максимально простым отклоняющим блоком для содержащего жидкость газового потока, с помощью которого обеспечивается возможность одновременного распределения газа и отделения, по меньшей мере, части жидкости.

Эта задача решена с помощью устройства входа текучей среды, охарактеризованного признаками пункта 1 формулы изобретения.

Устройство входа текучей среды предусмотрено для аппарата, в частности для колонны. Это устройство содержит подводящий патрубок и примыкающий к его выходу отклоняющий блок с изогнутыми направляющими пластинами. С помощью отклоняющего устройства обеспечивается возможность создания из подаваемого потока текучей среды центральных и боковых потоков, которые за счет взаимодействия в средней зоне аппарата приводят к успокоению течения. Отклоняющий блок содержит входную зону с множеством подводящих каналов, в которой поперечные сечения каналов остаются постоянными. Эта входная зона может быть расположена, по меньшей мере частично, в подводящем патрубке. Подводящие каналы переходят в диффузорообразные, образованные изогнутыми направляющими пластинами каналы. Имеется, по меньшей мере, два яруса, по меньшей мере, с одним центральным каналом и двумя боковыми каналами. Частичные потоки второго и при необходимости третьего расположенного ниже яруса отклоняются вниз изогнутыми направляющими пластинами.

Расчеты модели (имитации CFD) подтверждают, что устройство согласно изобретению с направляющими стальными листами, которые образуют диффузорообразные каналы потока (однако каналы с относительно большим углом раскрыва), приводит к равномерному распределению скорости у насадки. Эксперименты показывают, что отделение находящейся в газовом потоке жидкости является относительно хорошим, а именно практически таким же, как и в более сложном устройстве входа текучей среды, которое раскрыто в указанном выше DE-A-1519711.

Зависимые пункты 2-7 формулы изобретения относятся к предпочтительным вариантам выполнения устройства входа текучей среды согласно изобретению для аппарата, в частности колонны.

Задачей изобретения является также создание колонны, в которой используются устройства входа текучей среды согласно изобретению для обеспечения одновременного распределения газа и отделения, по меньшей мере, части жидкости.

В колонне, содержащей, по меньшей мере, одно устройство входа текучей среды согласно изобретению, поставленная задача решается тем, что заданное центральным каналом направление течения обращено к центру или эксцентрично.

Еще один аспект изобретения направлен на разработку способа эксплуатации устройства входа текучей среды согласно изобретению, при котором обеспечивается одновременное распределение газа и отделение, по меньшей мере, части жидкости.

Согласно изобретению эта задача в способе эксплуатации предлагаемого устройства входа текучей среды решается тем, что многофазную или однофазную текучую среду подают в устройство входа текучей среды, где происходит ее распределение, причем устройство входа текучей среды загружают фазой высокой плотности в форме капель жидкости, которая представляет собой дисперсную фазу, причем эту дисперсную фазу высокой плотности осаждают, по меньшей мере частично, за счет использования ее инерции.

При этом текучая среда включает поток газа.

Асимметричный поток поступающей текучей среды течет через подводящие патрубки асимметрично.

Такая колонна, а также способ эксплуатации устройства входа текучей среды согласно изобретению являются предметами независимых пунктов 8 и 9 формулы изобретения соответственно.

Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - поперечный разрез колонны с устройством входа текучей среды согласно изобретению, создающим частичные потоки;

фиг.2 - половина устройства входа текучей среды согласно фиг.1 со схематично показанными частичными потоками;

фиг.3 - то же устройство входа текучей среды, но в увеличенном масштабе;

фиг.4 - поперечный разрез подводящего патрубка колонны согласно фиг.1 с предпочтительной конфигурацией каналов;

фиг.5 - отклоняющий блок устройства входа текучей среды на виде из положения под отклоняющим блоком; и

фиг.6 - отклоняющий блок согласно фиг.5, который содержит дополнительные элементы и в котором отсутствует одна пластина.

Аппарат, в частности колонна 2 с устройством входа текучей среды согласно изобретению, показан в поперечном разрезе на фиг.1. В подводящем патрубке 3 расположена составленная из плоских отрезков стены решетка 30, которая образует подводящие каналы 31, 32, …, 36 (смотри конфигурацию каналов на фиг.4 - разрез по линии IV-IV на фиг.1). На выходе к подводящему патрубку 3 примыкает отклоняющий блок 1, который содержит изогнутые направляющие пластины 11, 12, 13. Текучая среда, которая может быть однофазной или многофазной, подается в колонну 2. Она с помощью направляющих пластин 11, 12, 13 проводится по изогнутым траекториям и после выхода из отклоняющего блока 1 распределяется по поперечному сечению колонны 2. В отклоняющем блоке 1, в случае двухфазной текучей среды, по меньшей мере частично, отделяется дисперсная фаза большей плотности с использованием ее инерции (например, центробежной силы). Решетка 30 в подводящем патрубке 3 может быть очень короткой или даже совсем отсутствовать. Однако в отклоняющем блоке 1 должна быть предусмотрена соответствующая решетчатая входная зона, в которой поперечные сечения каналов остаются постоянными. Эта входная зона может быть расположена, по меньшей мере частично, в подводящем патрубке. После входной зоны стенки каналов образуют изогнутые участки направляющих пластин 11, 12, 13.

В показанном варианте выполнения подводящие каналы 31, 32, …, 36, которые образуют расположенную в подводящем патрубке 3 входную зону и имеют каждый постоянную площадь поперечного сечения, переходят в диффузорообразные, образованные изогнутыми направляющими пластинами 11, 12, 13 и стенкой 20 колонны каналы отклоняющего блока. За счет диффузорообразной формы, кинетическая энергия потока преобразуется в увеличение статического давления, так что уменьшается потеря давления. Подводящие каналы 31, 32, …, 36 и примыкающие к ним на выходе диффузорообразные участки каналов выполнены так, что потеря давления во входящем потоке текучей среды является минимальной или в основном минимальной.

Из подаваемого потока текучей среды с помощью отклоняющего блока 1 создаются центральные частичные потоки 131, 132, 133 и боковые частичные потоки 134, 135, 136 (см. фиг.1 и 2). Боковые частичные потоки 134, 135, 136, которые зеркально симметрично проходят вдоль стенки 20, образуют затем после соединения поле 4 течения, в котором горизонтальные составляющие скорости протекающего обратно газа направлены в основном радиально и к отклоняющему блоку 1. За счет взаимодействия с центральными частичными потоками 131, 132, 133 в средней зоне аппарата происходит успокоение течения.

Решетка 30 и, соответственно, отклоняющий блок 1 содержат ярусы с соответствующим одним центральным каналом 31, 32, соответственно 33 и боковыми каналами 34, 35, соответственно 36, которые присутствуют попарно и зеркально. Имеется, по меньшей мере, два яруса. В показанном на фиг.1-4 варианте выполнения имеются три яруса с тремя каналами в каждом. Площади поперечного сечения имеют, как правило, различные величины. Ось симметрии конфигурации каналов может в отличие от показанной лежать на центральной стенке решетки 30. В этом случае ярусы имеют два центральных канала.

Изогнутые направляющие пластины 11, с помощью которых боковые частичные потоки 134, 135, 136 отклоняются в отклоняющем блоке 1 к стенке 20 колонны, отделяют центральные каналы от боковых каналов. Частичные потоки 132, 133, 135 и 136 второго и третьего расположенных внизу ярусов отклоняются изогнутыми направляющими пластинами 12 и 13 вниз, см. фиг.2, на которой показана левая половина зеркально симметричного устройства входа текучей среды. За счет этого направленного вниз отклонения значительно улучшается распределение газа по сравнению с известным из ЕР-А-1018360 отклоняющим блоком.

На фиг.3 показано немного более наглядно, чем на фиг.2, устройство входа текучей среды согласно изобретению, которое состоит из части подводящего патрубка 3, решетки 30 и отклоняющего блока 1. Показана лишь половина отклоняющего блока 1, которая находится позади вертикальной, лежащей на центральной оси аппарата 2 плоскости 21. Передняя половина выполнена зеркально симметрично задней половине. Решетка 30 и отклоняющий блок 1 могут быть отдельными частями или образовывать единую конструкцию. Подводящие каналы 31-36, число которых предпочтительно составляет девять, обеспечивают возникновение различных сопротивлений потоку для протекающей через эти каналы текучей среды. Эта мера приводит к благоприятному для распределения газа образованию частичных потоков. Поэтому площади поперечного сечения подводящих каналов 31-36 могут иметь различную величину. Оптимальные площади поперечного сечения можно определять эмпирически посредством измерений или же цифровым способом с помощью компьютерных моделей. При этом для распределения вертикальных составляющих скорости (w, среднее значение w_m) в заданном горизонтальном поперечном сечении потока, например, у нижнего входа в насадку вычисляют коэффициент вариации (K_p=√∫(w/w_m-1)²dA/∫dA). Этот коэффициент вариации при оптимальном течении является минимальным.

Отклоняющий блок 1 может быть выполнен также асимметрично, а именно с асимметрией относительно проходящего асимметрично через подводящий патрубок 3 течения потока текучей среды. Асимметричный поток имеется, например, когда перед входом в подводящий патрубок 3 расположено колено.

Отклоняющий блок 1 и решетку 30 можно выполнять в виде конструкции из стальных листов. Отклоняющий блок 1 можно изготавливать из двух стальных листов 12, 13, входные зоны которых являются горизонтальными, а выходные зоны изогнуты в виде языков вниз, а также из двух стальных листов 11, которые изогнуты в виде дуги вокруг приблизительно вертикальной оси. Конструкция из четырех стальных листов 11, 12, 13 закрыта крышей. Самые верхние каналы закрыты сверху участками 10 стенки, которые ориентированы горизонтально в направлении самого верхнего центрального частичного потока 131. Служащие крышей участки 10 стенки могут быть также изогнуты вниз в направлении потока. Каналы отклоняющего блока 1 имеют за счет изогнутых стальных листов 11, 12, 13 изменяющиеся поперечные сечения, которые расширяются в виде диффузора в направлении потока.

Участки 10 стенки могут быть выполнены сплошными и, например, в виде дугообразного куска стального листа. Стальные листы 12 и 13 могут быть составлены из двух частичных поверхностей, которые граничат друг с другом на плоскости 21 (см. фиг.3) и при этом образуют V-образную форму наподобие плуга, изогнутый гребень или складка которого лежит на вертикальной плоскости 21 симметрии. Обе частичные поверхности, которые по сторонам гребня изогнуты вниз, отклоняют поток частично из середины к сторонам аппарата.

Подводящие каналы с постоянной площадью поперечного сечения отличаются в показанном варианте выполнения следующим (см. фиг.4): горизонтальная ширина центральных подводящих каналов сужается сверху вниз, и подводящие каналы среднего яруса имеют наибольшую площадь поперечного сечения. Возможны также конфигурации с другими размерами, например такие, в которых не предусмотрено сужение.

На фиг.5 показан отклоняющий блок 1 устройства входа текучей среды согласно изобретению, который показан из положения под отклоняющим блоком (с «лягушечьей перспективы»). На вогнутых поверхностях, т.е. видимых нижних поверхностях пластин 12 и 13, отделяется жидкость при двухфазной текучей среде (кривые пересечения центральной плоскости 21 (здесь не изображена) с пластинами 12 и 13 показаны штрихпунктирными линиями 121, соответственно 131). На фиг.6, так же как на фиг.5, показан отклоняющий блок 1, при этом показана лишь пластина 12, а пластина 13 опущена. На нижней стороне пластины 12 расположены два дополнительных элемента 14, которые образуют ребра для отвода жидкости. Такие отклонители 14 жидкости могут быть также изогнутыми ребрами с L-образным или U-образным профилем, при этом одна из боковых сторон этих профилей должна плотно прилегать к поверхности пластин. Возможна также открытая против течения половинная трубочка. Соответствующие отклонители предпочтительно расположены также на вогнутых, в основном невидимых наружных сторонах боковых пластин 11. Такие отклонители направляют отделяемую жидкость на основе формы с подходящим изгибом вниз.

Дополнительно к этому изогнутые пластины 11, 12, 13 могут быть выполнены на выходных краях в виде карманов, так что отделяемая на направляющих пластинах жидкая фаза отводится из подаваемого потока текучей среды через сливные прорези в кармановидных краях (не изображены).

Аппарат, в частности колонна 2, содержит, по меньшей мере, одно устройство входа текучей среды согласно изобретению. При этом направление течения, которое задается центральным каналом 31, указывает на центр средней зоны перед отклоняющим блоком 1. Этот частичный поток может быть направлен, например, при асимметричном варианте выполнения устройства входа текучей среды, также на эксцентричную точку в средней зоне.

Устройство входа текучей среды согласно изобретению можно применять для подачи текучей среды, которая является многофазной или однофазной, в аппарат или колонну 2 и распределения в ней. Текучая среда является, в частности, газом, который несет более плотную фазу, например капельки жидкости. Она может также состоять лишь из одного вещества или однофазной смеси веществ. В отклоняющем блоке 1, в случае двухфазной текучей среды, дисперсная фаза более высокой плотности, по меньшей мере частично, отделяется, при этом для отделения используются центробежные силы или в более обобщенном виде инерция дисперсной фазы.

Изобретение предназначено для одновременного распределения газа и отделения, по меньшей мере, части жидкости. Устройство входа текучей среды для колонны (2) содержит подводящий патрубок (3) и примыкающий к его выходу отклоняющий блок (1), который содержит изогнутые направляющие пластины (11, 12, 13). Отклоняющий блок содержит входную зону, содержащую подводящие каналы (31, 32, 33, 34, 35, 36), причем поперечные сечения каналов остаются постоянными. Входная зона может быть расположена, по меньшей мере, частично в подводящем патрубке (3). Подводящие каналы переходят в диффузорообразные каналы, образованные изогнутыми направляющими пластинами (11, 12, 13). Причем подводящие каналы имеют, по меньшей мере, первый ярус и второй ярус, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один центральный канал (31, 32, 33) и два боковых канала (34, 35, 36), причем предусмотрено отклонение вниз изогнутыми направляющими пластинами частичных потоков второго яруса, расположенного ниже первого яруса. Колонна (2) содержит, по меньшей мере, одно устройство входа текучей среды, причем заданное центральным каналом (31) направление течения обращено к центру или эксцентрично. Способ эксплуатации устройства входа текучей среды включает подачу многофазной или однофазной текучей среды в устройство, где происходит ее распределение, причем устройство загружают фазой высокой плотности в форме капель жидкости, которая представляет собой дисперсную фазу. Технический результат: одновременное распределение газа и отделение, по меньшей мере, части жидкости. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство входа текучей среды для колонны (2), предназначенное для одновременного распределения газа и отделения, по меньшей мере, части жидкости, содержащее подводящий патрубок (3) и примыкающий к его выходу отклоняющий блок (1), который содержит изогнутые направляющие пластины (11, 12, 13), при этом отклоняющее устройство выполнено с возможностью создания из подаваемого потока текучей среды нескольких центральных и боковых частичных потоков (131, 132, 133, 134, 135, 136), отличающееся тем, что отклоняющий блок (1) имеет входную зону, содержащую подводящие каналы (31, 32, 33, 34, 35, 36), причем поперечные сечения подводящих каналов остаются постоянными, и входная зона расположена, по меньшей мере, частично в подводящем патрубке (3), и подводящие каналы (31, 32, 33, 34, 35, 36) переходят в диффузорообразные каналы, образованные изогнутыми направляющими пластинами (11, 12, 13), причем подводящие каналы (31, 32, 33, 34, 35, 36) имеют, по меньшей мере, первый ярус и второй ярус, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один центральный канал (31, 32, 33) и два боковых канала (34, 35, 36), причем предусмотрено отклонение вниз изогнутыми направляющими пластинами частичных потоков второго яруса, расположенного ниже первого яруса.

2. Устройство входа текучей среды по п.1, отличающееся тем, что предусмотрено по три канала на первом, на втором и на третьем ярусах, и в отклоняющем устройстве (1) две изогнутые пластины (11) отделяют центральные каналы от боковых каналов.

3. Устройство входа текучей среды по п.1 или 2, отличающееся тем, что отклоняющий блок (1) выполнен зеркально симметрично относительно вертикальной, лежащей на центральной оси колонны плоскости (21).

4. Устройство входа текучей среды по п.1 или 2, отличающееся тем, что отклоняющий блок выполнен асимметрично.

5. Устройство входа текучей среды по п.1 или 2, отличающееся тем, что самые верхние каналы закрыты сверху, по меньшей мере, одним плоским или изогнутым участком (10) стенки, который ориентирован горизонтально или с наклоном вниз в направлении самого верхнего центрального частичного потока (131).

6. Устройство входа текучей среды по п.1, отличающееся тем, что служащие крышей участки (10) стенки изогнуты вниз в направлении течения.

7. Устройство входа текучей среды по п.1, отличающееся тем, что центральные подводящие каналы (31, 32, 33) имеют ширину по горизонтали, которая сужается сверху вниз.

8. Устройство входа текучей среды по п.1, отличающееся тем, что за подводящими каналами (31, 32, 33) вниз по течению следуют диффузорообразные участки каналов.

9. Устройство входа текучей среды по п.1, отличающееся тем, что на вогнутых поверхностях изогнутых направляющих пластин (11, 12, 13) расположены реброобразные отклонители (14) жидкости.

10. Устройство входа текучей среды по п.8, отличающееся тем, что изогнутые направляющие пластины (11, 12, 13) на выходных краях выполнены в виде карманов, так что отделяемая на направляющих пластинах жидкая фаза за счет этих карманов на краях отводится из подаваемого потока текучей среды.

11. Колонна (2) для одновременного распределения газа и отделения, по меньшей мере, части жидкости, содержащая, по меньшей мере, одно устройство входа текучей среды по одному из пп.1-10, причем заданное центральным каналом (31) направление течения обращено к центру или эксцентрично.

12. Способ эксплуатации устройства входа текучей среды по одному из пп.1-10, при котором многофазную или однофазную текучую среду подают в устройство входа текучей среды, где происходит ее распределение, причем устройство входа текучей среды загружают фазой высокой плотности в форме капель жидкости, которая представляет собой дисперсную фазу, причем эту дисперсную фазу высокой плотности осаждают, по меньшей мере, частично за счет использования ее инерции.

13. Способ по п.12, причем текучая среда включает поток газа.

14. Способ по п.12, причем асимметричный поток поступающей текучей среды течет через подводящие патрубки асимметрично.