CN1635926A - 用于处理流体的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于处理流体的装置，包括至少一个处理区(2)，及一个其中所设置的流体入口(3)和分离装置，用于将一种经过分离的液体和气体的混合物引入到处理区(2)中。流体入口(3)装置包括一系列同轴式设置的圆周叶片(9A－9E)，其中每个圆周叶片在一个截断部分和一个偏转部分之间弯曲式延伸，上述截断部分具有一个基本上朝向轴向的前沿，而上述偏转部分具有一个基本上径向上向外延伸的后沿，及其中入口装置(3)的中心轴线(A’)与处理区(2)向上延伸的轴线平行或同轴延伸。本发明还涉及一种流体入口装置(3)，涉及一种流体入口装置的应用，及涉及一种用于处理流体的方法。

Description

用于处理流体的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于处理流体的装置，所述装置包括至少一个处理区及一个设置于其中的流体入口和分离装置，所述装置用于将液体和气体的混合物引入到处理区中。

背景技术

在化学工业和石油化学工业中，经常的情况是一些液体和蒸汽的混合物必需加入到一个处理区，比如一种垂直塔的入口处理区中，上述垂直塔具有多个相邻的处理区，其中气体和液体逆流式接触，以便交换热量和物质。这种塔的一个例子是一种蒸馏塔，比如，如EP-A-195 464中所述的一种真空蒸馏塔和一些小型气-液分离器。

在这种塔中，在正常运行期间，液体从顶部向下流到底部，而气体从底部向上流到顶部。在本说明书和权利要求书中，术语“气体”用来涉及气体和蒸汽。下面，本发明将参照蒸馏塔进行讨论，然而，应该理解，本发明可用于任何处理一种流体的装置，上述装置包括至少一个处理区，所述处理区具有一个流体入口装置，用于将液体和气体的混合物引入到处理区中。

在蒸馏法中，将包括液体和气体的混合物的流体，在一个入口区处径向上向内送入到一个总的是垂直设置的圆筒形蒸馏塔中，上述入口区是在塔的顶部和底部之间。在一些具有大容量和产量的设备中，混合物的供给速度一般很高；这些高供给速度对于把待处理流体分配在流体送入其中的塔的整个横截面上可能是不利的。

实际上理想情况是，尤其是在蒸馏法中，气相和液相在进入塔中后尽可能多地立即在入口处理区中进行分离，和比如通过塔板将每个相分开送到相邻的处理区中，而同时尽可能合适地分配在塔的横截面上。

如果没有采取特殊的措施，则不能实施在一高供给速度下合适地分离送入塔中的气体/液体混合物，因为进料将然后用过大的力撞击位于入口对面的壁，以致随后在塔中升起的气体将带走大部分液相。此外，未被带走的液体大部分在入口对面的塔壁中向下流动，因而造成液体在入口下方的相邻塔板上不均匀分布。另外，与进料相对的塔壁部分由于液体/蒸汽混合物的强力冲击而可能迅速磨损，因此必需采取一些措施来保护或加强塔壁。

为了减轻上述问题，在GB 1 119 699中提出了提供一种流体入口装置用于将一种液体和气体的混合物加入到塔中，上述流体入口装置包括一种箱形构造，所述箱形构造包括一系列叶片，上述一系列叶片沿着一个水平设置的中心轴线一个接在另一个后面安放，上述水平设置的中心轴线朝塔的径向向内方向上延伸。在这种构造中，各叶片使混合物相对于入口装置的中心轴线向侧面偏转，因此流动方向的变化由于惯性而造成气体和液体之间的第一次分离。在插入处理区之后，气体在塔中向上流动，在此处发生与供给到塔顶部的液体进一步接触。经过分离的液体从各叶片向下落到入口装置下方的一个气/液接触塔板上。

尽管已知的流体入口装置提供了很大的改善，但流体入口装置在入口处理区中产生一种气体涡流。这种涡流降低了最大进料速率和增加了为实施完全蒸馏所必需的塔的高度。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的用于处理一种流体的装置，所述装置具有一个用于将一种液体和气体的混合物引入处理区的流体入口，其中入口处理区中的涡流大大减少。此外，本发明提供一种用于处理一种流体的装置，所述装置包括至少一个具有一轴线的处理区，及一个设置于其中的流体入口和分离装置，用于将经过分离的液体和气体混合物引入到处理区中，流体入口和分离装置包括一系列同轴式设置的圆周叶片，其中每个圆周叶片相对于入口装置在一个截断部分和一个偏转部分之间的中心轴线弯曲式延伸，上述截断部分具有一个基本上朝向轴向上的前沿，而上述偏转部分具有一个基本上径向上向外延伸的后沿，入口装置的中心轴线与处理区的轴线平行或同轴延伸。

这样，可以使一种包括液体和气体混合物的流体以一种方式进入处理区，以便产生比已知入口装置小的流型扰动。在按照本发明所述的流体入口装置中，通过顺序的叶片将流体截断和径向上向外偏转，以便气体可以在一个相对于中心轴线朝外的方向上均匀地分布到处理区中，而同时液流中的液体微粒由于惯性和离心力而撞击到叶片表面上，并且作为来自叶片圆周后沿的更聚集的液流而随后从叶片排放。流体入口装置和处理区二者的轴线通常在轴向方向上对准，能用一种以更好考虑处理区的对称的方式加入流体。

叠加式圆周叶片能完成双重功能，即分离气体和液体的混合物，及朝一个总的是径向向外的方向上引入经过分离的混合物，因而防止了如在已知入口装置情况下所观察到的涡流。这样与气体分离的液体将在离开叶片的尾端之后在重力的影响下下沉。应该理解，在入口装置中进行的分离不需要很完全。它常常足以达到第一次分离(预分离)，其中大量液体和气体分离，而且其中某种程度的一相夹带在另一相中不是主要的。

各圆周叶片一般是一种广义钟罩形状的末端敞开的管状物，其中它们沿着入口装置在一个截断部分和一个偏转部分之间相对中心轴线弯曲式延伸，上述截断部分具有一个基本上朝向轴向方向的前沿，而上述偏转部分具有一个基本上径向上向外延伸的后沿。各叶片的水平横截面不必是圆形，那就是采用上位术语“钟罩形状”的原因。各圆周叶片在下面还简称为叶片。为了保证气流的均匀分布，优选地，各叶片相对于它们的中心轴线对称式设置，尤其是旋转对称式设置。

通过提供多个具有一基本上是圆筒形截断部分的圆周叶片，各叶片可以用一种平滑的方式截断液流。优选地，各顺序叶片的截断部分具有逐渐减小的直径。这样，液流可以分成多个同心层，其中每个同心层都径向上向外偏转。

优选地，一个顺序的叶片截断部分伸入前面的叶片中。在说明书和权利要求书中，把在叶片后沿和入口装置的入口端之间具有最短轴向距离的叶片看成是第一叶片。第二叶片是第一叶片随后的叶片，依此类推直至最后的叶片在它的后沿和入口端之间具有最大的轴向距离。

在一个有利的实施例中，各叶片的前沿沿着中心轴线间隔开，优选地，以等距离间隔开。这样，各叶片可以具有相同的基本形状。可供选择地，各截断部分可以比如每个都在流体流动装置的入口端处在轴向上延伸到一个径向入口平面。径向入口平面的正常运行期间是一个水平面，相对于入口端处的流体流动方向成横向。各叶片的前沿可以沿着一个线性锥体发散离开流体入口装置的入口端，上述线性锥体具有一个顶角α在10-50°之间，优选地在20-40°之间，尤其是在36和37°之间，同时锥体与入口装置的中心轴线同轴延伸。

各顺序的叶片的偏转部分有利的是在轴向上间隔开，优选的是以等间距间隔开。通过提供多个带后沿的顺序叶片，所述后沿延伸到逐渐减小的径向直径，气流可以沿着处理区的半径，亦即在处理区的横截面上更均匀地分布。

一些实验表明，叶片数优选地在2-10个范围内，更优选地是在4-6个范围内，及尤其是5个。

在一个优选实施例中，入口装置与一个垂直设置的塔中一个处理区的中心纵向轴线同轴延伸。优选地，入口装置设置在塔的两个水平延伸的隔板或塔板之间，上述两个水平延伸的隔板或塔板限定处理区。下面的隔板可以是塔的底部。

一些实验表明，在这种构造中，第一径向上最外面叶片在它的前沿处的横截面适当地比一个具有一直径约为塔直径的20％的圆柱形筒的横截面小，优选的是这个横截面是实际上尽可能小。

为了进一步增加流体的分布，当流体混合物在入口装置的下端处进入入口装置时，至少许多顺序的后面叶片的偏转部分比多个顺序的前面叶片更加沿轴向向上朝它们的后沿延伸。尤其是，最后两个或三个叶片可以越来越沿轴向向上朝它们的后沿延伸。前面的叶片是它们的后沿离入口装置入口端的轴向距离比后面的叶片短的叶片。

按照本发明所述装置的另一些有利的实施例在所附权利要求书中说明。

按照本发明，还提供了一种流体入口装置，尤其是用于将一种经过预分离的液体和气体的混合物加入按照权利要求书其中之一所述的装置处理区中，上述流体入口装置包括一系列同轴式设置的圆周叶片，其中每个圆周叶片都相对于入口装置在一个截断部分和一个偏转部分之间相对中心轴线弯曲式延伸，上述截断部分具有一个基本上朝向轴向方向的前沿，而上述偏转部分具有一个基本上径向上向外延伸的后沿。

另外，本发明涉及利用这种流体入口装置预分离液体和气体的混合物及将上述经过预分离的混合物引入一个处理区中，尤其是引入按照本发明所述的一个装置的处理区中。

本发明还涉及一种用于将一种液体和气体的混合物引入一个容器的方法，其中混合物是通过将起初基本上是圆柱形的流体分成多个同心层加入到容器中，上述多个同心层是径向上向外偏转。每一层都是在一不同的轴向位置处加入。在上述方法中，优选地，更径向上向内设置的各层用一比更径向上向外设置的各层小的径向偏转分量向外偏转。

本发明的另一些优选实施例在所附的权利要求书中说明。

附图说明

现在，将参照附图更详细地说明本发明，在附图中：

图1示出一种形成一个入口处理区的垂直设置式蒸馏塔的示意剖视图。图1仅是一个示例性实施例的示意表示法。在该图中，相同的或对应的各部件用同样的标号表示。

具体实施方式

参见图1，图1示出蒸馏塔1的其中一个分段，所述蒸馏塔的其中一个分段通常以一种垂直取向使用，如图所示。蒸馏塔具有一个垂直的纵向轴线A和一个基本上是圆形的水平横截面。蒸馏塔1包括一个第一处理区2和一个流体入口装置3，上述第一处理区2具有一个与蒸馏塔1的轴线A一致的轴线，而上述流体入口装置3设置在处理区2中。第一处理区2设置在蒸馏塔1的顶端和底端之间的中途，上述蒸馏塔1的顶端和底端位置分别用箭头4和5表示，上述箭头4和5还代表在正常运行期间通过上述蒸馏塔的相应的向上气流和向下液流。

第一处理区2在塔顶方向上以一个水平设置的气体处理塔板6为界，和在塔底5的方向上以一个水平设置的第一液体塔板7为界。因此流体入口装置是在两个顺序的塔板6、7之间。

流体入口装置3包括5个圆周叶片9A-9E，本实施例的圆周叶片是具有一圆形横截面喇叭状的环形叶片9A-9E。叶片9A-9E围绕一个中心轴线A’同轴式设置，上述中心轴线A’与塔1的中心向上延伸的轴线A一起同轴式延伸。入口装置3与一个入口喷嘴8成流体连通，上述入口喷嘴8安装到流体入口装置3的一个入口端10上。入口喷嘴可以如图所示通过塔1的侧壁，而且也可以沿着塔1的轴线A延伸更多。现已发现，在对蒸馏塔中气体分配没有负面影响的情况下，入口装置可以在入口管道中一个弯头后面不远处安装。这样例如可使入口管道在进入塔之前从外部安装到塔上。用按照GB-A-11 19 699所述的装置这是不可能的。

各叶片沿着中心轴线A’一个接另一个后面以等间距设置。各叶片9A-9E各在一基本上是圆筒形截断部分11A-11E之间弯曲式延伸，上述截断部分11A-11E各具有一基本上轴向延伸的、各面向入口10的前沿部分15A-15E和一个偏转部分12A-12E，上述偏转部分12A-12E各具有一个基本上向外延伸的后沿16A-16E。具有基本上轴向延伸的前沿的基本上是圆筒形截断部分与轴线A’形成一个小于约20°，优选地是小于约10°，更优选地是小于约5°的角度，和优选地使得截断部分在正常运行期间在流体流的方向上具有恒定的或变宽的直径。各顺序的叶片9A-9E的截断部分分别具有逐渐减小的直径Da-De(为了清楚起见，图中只示出Da)，并沿着中心轴线A以均匀的间隔一个接在另一个后面安放，及这样使一个随后的叶片截断部分伸入前一个叶片中，比如，叶片9C的截断部分11C伸入叶片9B中。截断部分11A-11E的前沿15A-15E这样设置，以使它们沿着一个线性锥体的表面发散，上述线性锥体具有一个顶角α＝20°。第一叶片9A截断部分11A的直径Da限定流体入口装置3的外部入口直径，并与处理区处塔的内部直径D具有一比值为0.133。

各叶片的偏转部分可以径向上向外延伸到一个完全水平的方向，但优选地是各叶片的其中一部分或全部封闭在它的后沿处的偏转部分与水平面之间的一个角度，其中0和90°之间的角度这样计算，使得后沿朝向离开入口端。在附图所示的取向中，这是一种向上的角度。更优选的是更靠中心安放的叶片封闭在它们后沿处，比如在后沿16D和16E处的一个向上角度。在各叶片的后沿是水平的情况下，角度优选地在0和85°之间，其中一个叶片的角度优选地大于或等于流体入口装置前面(下一个较大)叶片的角度。更优选地，最靠中心设置的叶片，也就是最后叶片9E，具有一角度是在50和85°之间，而最优选地为约80°。各个具有如上所述较大角度的叶片优选的是如图1所示地夹紧并在下面讨论。

各叶片支承在杆件13上。或者，各叶片可以通过多个径向上延伸的肋条连接，比如在一个实施例中其中各叶片的截断部分延伸到一个同轴的束中。也可以，但一般不需要，将各叶片支承在一个轴向杆件上。

各叶片9A-9E具有基本上相同的基本形状。最上面的两个叶片，亦即在轴向朝上方向上的两个后面叶片9D和9E被夹紧或整平，亦即它们比头3个较低的前面叶片9A-9C越过一较短的相对长度。这样，与三个后面的叶片9A-9C相比，最上面两个叶片9D-9E越来越轴向朝上朝它们的后沿16D、16E方向延伸。各叶片相对于从截断部分底部边缘开始的整个叶片9A-9C的长度，以一个长度比为0.4-0.5，优选的是以长度比为0.48夹紧。顺序的叶片9A-9E的偏转部分12A-12E延伸到一个径向上逐渐减小的直径。

各叶片合适的是具有一个使流体在顺序的叶片之间流动的阻碍最小的表面，以便流体能在大体积流速下通过入口装置。各叶片的内表面和/或外表面合适的是不设置显著降低各叶片之间环形空间入口横截面的阻碍物。

优选的是由位于最中心的叶片9E后沿16E所形成的环形出口是(部分地)闭合(图1中未示出)。更优选的是存在一个小开口以便减小刚好在上述流体入口装置上方的气体循环。这个开口的面积优选的是占上述由后沿16E所形成的圆形出口总面积的高达25％。当位于最中心的叶片是一个在它的后沿和水平面之间具有一个角度是在50和85°之间的夹紧叶片时，这种闭合或部分闭合的出口优选地安排。

如箭头F所示，使包括液体和气体的混合物的流体利用喷嘴8穿过流体入口装置的入口端10，作为一种基本上是圆柱形液流向上进入处理区2。各叶片9A-9E的截断部分11A-11E的顺序后沿15A-15E将液流分成多个同心层。各同心层随后通过顺序的偏转部分12A-12E径向上向外偏转。各相邻的叶片协同工作，以便形成管道，所述管道使流体流动相对于中心轴线A’和A径向上向外转向。由于惯性，液体撞击各叶片的偏转区，并且径向上向外流向塔壁。气体径向上向外流向塔1的内壁。随着各顺序的叶片后沿延伸到一个逐渐减小的径向直径，进入液流的更径向上向内设置的部分比圆柱形液流更径向上向外设置的部分径向上向外传导少得多。另外，圆柱形液流的更径向上向内设置的各层比径向上向外设置的各层更轴向上朝上偏转，因此使气流均匀地分布在第一处理区2的范围内。

显然，本发明不限于附图中所示的优选实施例。尤其是，处理区可以包括多个流体入口装置，每个流体入口装置都具有一个中心轴线，所述中心轴线平行于处理区一个中心向上的轴线延伸。尤其是，在这种型式中，许多具有自身中心轴线的流体入口装置可以围绕一个优选的流体入口装置设置，上述任选的流体入口装置沿着处理区主向上延伸的轴线延伸。另外，顶部叶片的截断部分可以形成为一个闭合的刺状物，使得堵塞直接的轴向朝上流动。叶片数可以是较多，比如10个，或较少，比如3个。上位概念的钟罩形圆周叶片的水平横截面可以不是圆形，比如是卵形、星形、多角形、矩形、方形或者比如由叠放在一个圆上的波形线限定。然而，优选的是，环形叶片相对于它们的中心轴线对称。与图1相比时，流体入口装置也可以颠倒安装，因此入口端是在上端处，并且各叶片往朝下的方向上变宽。

本发明可以有利地在一种其中气体和液体逆流式接触的塔中应用。这些塔可以在分馏，比如蒸馏中，或是在气体处理中使用。根据实际应用，气-液混合物必需在不同轴向位置处加入这种塔中。按照本发明所述的流体入口装置可以在这些不同位置的其中一个或多个位置处使用。一种可能性是在一个蒸馏塔中的中心加料口。用于气-液混合物入口的另一种可能性是作为一种再沸器中流出液接收，上述再沸器使在塔底部处收集的液体变热。再沸器流出液通常再加入到塔的下面部分中。第三种可能性是从顶部产物冷凝液接收的一种回流液流的入口，并且这种回流液流通常再加入到塔的顶部部分中。

这些实施例都是在如所附权利要求所述的本发明范围之内。

Claims (21)

1.一种用于处理一个流体的装置，包括至少一个具有一轴线的处理区，及一个设置于其中的流体入口和分离装置，用于将经过分离的液体和气体混合物引入到处理区中，流体入口和分离装置包括一系列同轴式设置的圆周叶片，其中每个圆周叶片相对于入口装置的中心轴线在一个截断部分和一个偏转部分之间弯曲式延伸，上述截断部分具有一个基本上朝向轴向的前沿，而上述偏转部分具有一基本上径向上向外延伸的后沿，入口装置的中心轴线与处理区的轴线平行或同轴延伸。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，各圆周叶片具有一种横截面，所述横截面从一组横截面形状中选定，所述这组横截面形状包括圆形、卵形、星形、多角形、矩形、方形横截面及一种由叠放在一个圆上的波形线限定的横截面。

3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述的截断部分基本上是圆筒形。

4.按照权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于各顺序的圆周叶片截断部分具有逐渐减小的横截面。

5.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于各圆周叶片的前沿是沿着中心轴线，优选的是以等距离间隔开。

6.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于各圆周叶片的顺序前沿沿着一个线性锥体发散，上述线性锥体具有一个顶角在10-50°之间，优选地在20-40°之间。

7.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于各顺序的圆周叶片的后沿延伸到逐渐减小的直径。

9.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于各叶片具有基本上相等的形状。

10.按照权利要求1-8之一所述的装置，其特征在于各圆周叶片这样向外延伸，以使后沿处与水平面的角度是在0和85°之间。

11.按照权利要求10所述的装置，其特征在于在后沿处偏转部分与一选定的圆周叶片水平面的角度大于或等于流体入口装置前面圆周叶片的角度。

12.按照权利要求11所述的装置，其特征在于位于最中心的叶片在其后沿处偏转部分和水平面之间，具有一个角度是在50和85°之间。

13.按照权利要求12所述的装置，其特征在于大部分位于中心的叶片的出口闭合或部分闭合。

14.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于叶片数是在2-10范围内，更优选的是在4-6范围内。

15.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于处理区位于一垂直设置的塔内，流体入口装置的轴线与塔的纵向轴线平行或同轴。

16.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于处理区位于一垂直设置的圆筒形塔内，流体入口装置的轴线与塔的纵向轴线平行或同轴延伸，及其中入口装置在限定处理区的塔中两个平行延伸的隔板或塔板之间。

17.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于第一叶片在其前沿处的横截面小于一个圆柱体的横截面，上述圆柱体的横截面具有一直径约为塔直径的20％，而优选的是在塔直径的13和14％范围内。

18.按照上述权利要求其中之一所述的装置，其特征在于流体入口和分离装置的轴线垂直式安装，及液体入口和分离装置安装成在其下端处接收气体和液体的混合物。

19.一种流体入口装置，尤其是用于将经过分离的液体和气体的混合物引入按照权利要求1-18之一所述的装置的处理区中，上述流体入口装置包括一系列同轴式设置的圆周叶片，其中每个圆周叶片相对于入口装置在一个截断部分和一个偏转部分之间相对中心轴线弯曲式延伸，上述截断部分具有一个基本上朝向轴向的前沿，而上述偏转部分具有一个基本上径向上向外延伸的后沿。

20.按照权利要求19所述的流体入口装置的应用，用于分离液体和气体的混合物，和用于将经过分离的混合物引入到一个处理区中，尤其是加入到按照权利要求1-18其中之一所述的一种装置处理区中。

21.一种用于将液体和气体的混合物引入到一个容器的方法，其中通过将一种起初基本上是圆筒形液流分成多个同心层把混合物加入到容器中，上述各同心层径向上向外偏转。

22.按照权利要求21所述的方法，其特征在于更径向上向内设置的各层比径向上向外设置的各层更轴向上向上偏转。

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