專利名稱：具有渦流接觸級(jí)的氣-液接觸設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在反應(yīng)器、分餾塔或其它在蒸氣流和液體流之間進(jìn)行傳質(zhì)和/或傳熱的設(shè)備中的氣-液接觸。更具體地，本發(fā)明涉及包括一個(gè)或多個(gè)氣-液接觸級(jí)的氣-液接觸設(shè)備。
背景技術(shù)：
在整個(gè)化學(xué)和精煉技術(shù)中，重要的目的是改善氣相和液相之間接觸的效率。目前，存在多種可以通過增加接觸相之間的界面面積和湍流并因而提高傳質(zhì)速率常數(shù)而從增加的氣-液傳質(zhì)和/或傳熱的速率獲益的多相反應(yīng)和分離方法。這些方法通常使用很多傳統(tǒng)氣-液接觸裝置中的任一種。用于根據(jù)它們的相對揮發(fā)性來分離組分的蒸餾過程例如通常依靠分餾塔盤和填料來改善在容器內(nèi)多個(gè)級(jí)處的氣-液接觸。在石油和石油化學(xué)工業(yè)中，使用分餾塔盤和其它接觸裝置來分解具有所需沸點(diǎn)范 圍的餾分、例如石油精煉和石油化學(xué)加工的原油衍生產(chǎn)品，所述產(chǎn)品包括液化石油氣、石腦油、柴油和其它烴類餾分等。在某些情況下，使用接觸裝置來將特定化合物與同一化學(xué)或功能類的其它化合物分離，例如醇類、醚類、烷基芳香烴類、單體類、溶劑類、無機(jī)化合物等。典型的分懼塔在塔內(nèi)各接觸級(jí)(contacting stage)處使用10到250個(gè)分懼塔盤。具體的級(jí)數(shù)取決于分離的方便性(相對揮發(fā)性差異)和所需的產(chǎn)品純度。塔中每個(gè)塔盤的結(jié)構(gòu)通常類似，但豎直方向上相鄰的塔盤在結(jié)構(gòu)上可以不同(例如，交替)也是已知的。傳統(tǒng)的分餾過程因此在容器內(nèi)包含氣相和液相之間的多級(jí)接觸，氣相和液相分別具有總體向上的流動(dòng)和總體向下的流動(dòng)。在不同的離散的接觸級(jí)中，氣相和液相的成分交換，以便實(shí)現(xiàn)或盡可能接近氣-液平衡。所產(chǎn)生的蒸氣餾分和液體餾分然后被分離，朝它們各自的方向移動(dòng)，并在不同的級(jí)處與另一些量的合適流體再次接觸。在具有穿孔平臺(tái)作為氣-液接觸裝置的傳統(tǒng)塔盤的情況下，在塔的底部處產(chǎn)生的蒸氣上升穿過大量散布在塔盤的平臺(tái)面積上的小穿孔，所述塔盤支承一定量液體并可以分成若干離散的區(qū)域和/或區(qū)。蒸氣穿過液體產(chǎn)生一層稱作泡沫的氣泡。泡沫的高表面積有助于在塔盤上在氣相和液相之間建立組分平衡。然后泡沫被允許分離成蒸氣和液體。在氣-液接觸期間，蒸氣失去較不易揮發(fā)的材料傳給液體，并因此隨著它向上穿過每個(gè)塔盤而變得稍微更易揮發(fā)。同時(shí)，隨著液體從泡沫中分離并向下在塔盤之間移動(dòng)，液體中較不易揮發(fā)的化合物的濃度增加。因此，氣-液接觸裝置執(zhí)行使上升的蒸氣與液體接觸和然后允許兩相分離并沿不同方向流動(dòng)的兩種功能。當(dāng)在不同的塔盤上將各步驟執(zhí)行合適的次數(shù)(例如，以連續(xù)方式)時(shí)，能實(shí)現(xiàn)多個(gè)分離平衡級(jí)，從而導(dǎo)致各化合物基于它們的相對揮發(fā)性的有效分離。在努力改善這種分離時(shí)已研制出許多不同類型的包括填料和塔盤的氣-液接觸裝置。不同的裝置往往會(huì)具有不同的優(yōu)點(diǎn)。例如，上述的穿孔平臺(tái)塔盤是有效的接觸裝置，但會(huì)在塔中引起高壓降，尤其是當(dāng)平臺(tái)面積較小時(shí)，即使分餾開口面積高也是如此。多降液管塔盤具有高蒸氣和液體容量以及在相當(dāng)大的運(yùn)行率的范圍內(nèi)有效地起作用的能力。有結(jié)構(gòu)的填料往往會(huì)具有低壓降，這使它們在低壓或真空操作中有用。用來評價(jià)任何氣-液接觸裝置、例如分餾塔盤的性能的兩個(gè)重要參數(shù)是容量和效率。容量是指能有效地在連續(xù)的塔盤上接觸和轉(zhuǎn)到連續(xù)的塔盤上而不溢流的蒸氣和液體的總量。效率是指在塔盤之間發(fā)生的氣相和液相之間傳質(zhì)的有效性或接近平衡。重要的是，在分離過程、例如分餾和汽提中，各相之間的密切接觸僅對所產(chǎn)生的相在接觸之后然后被分開或分離的程度有好處。盡管在分餾塔或類似分離容器中各相之間的總體流動(dòng)是逆流的，但許多類型的用于這些容器內(nèi)的接觸級(jí)的傳統(tǒng)氣-液接觸裝置在接觸相之間可以產(chǎn)生交叉流動(dòng) 、同向流動(dòng)或其它流動(dòng)取向。例如，在US 5223183、US5318732和US7204477中描述了使用平行流塔盤的接觸級(jí)。例如，在US6682633、US5837105、US6059934和US7424999中描述了使用同向流動(dòng)接觸的接觸級(jí)。在Kuzmin，A. O等人的“渦流離心鼓泡反應(yīng)器” CHEM. ENG. JOURNAL. 107 55-62(2005)中描述了另一種氣_液接觸裝置的使用，該裝置在蒸氣和液體之間產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)了每單位體積很高的界面面積的渦流離心鼓泡層。改進(jìn)的氣-液裝置，尤其是在接觸和隨后的分離效率方面具有提高的效率是被持續(xù)地探索的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面與使用一個(gè)或多個(gè)接觸級(jí)的氣-液接觸設(shè)備有關(guān)，所述一個(gè)或多個(gè)接觸級(jí)具有用于實(shí)施氣相和液相之間的渦流離心接觸的裝置。所述接觸級(jí)和裝置克服了與目前用于產(chǎn)生渦流鼓泡層以實(shí)施氣-液接觸的那些接觸級(jí)和裝置有關(guān)的若干缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)包括對蒸氣范圍(可以處理的液體流量比)的應(yīng)用限制，該限制減少了商業(yè)應(yīng)用的潛在范圍。另外，盡管傳統(tǒng)裝置通過渦流的離心作用足以使液體與蒸氣分離(即，在離開裝置的蒸氣流中基本上不夾帶液滴)，但從液體中分離蒸氣泡仍然有問題，因?yàn)檎魵饬髟跊]有用于形成脫氣液體的分離區(qū)的情況下穿過液相。例如，當(dāng)用于分餾時(shí)，在液體流中夾帶蒸氣降低了級(jí)效率(例如，基于理論板當(dāng)量高度，HETP)，或者甚至?xí)鸾佑|裝置或整個(gè)設(shè)備溢流，從而使它不能工作。夾帶蒸氣的趨勢隨液體流動(dòng)的增加而增加，因此高夾帶蒸氣會(huì)導(dǎo)致對氣-液接觸裝置和使用該裝置的設(shè)備的總?cè)萘康膽?yīng)用限制。因此，本發(fā)明的實(shí)施例針對氣-液接觸設(shè)備，例如反應(yīng)器和蒸餾塔(以及反應(yīng)蒸餾設(shè)備)，該設(shè)備包括具有一個(gè)或多個(gè)渦流接觸級(jí)的容器。除了在接觸之后將不同相有效分離之外，所述一個(gè)或多個(gè)級(jí)還提供用于這些相的有效接觸的高界面面積，從而將蒸氣和液體(具有與它們的初始組成不同的最終組成)從一個(gè)或多個(gè)級(jí)中除去，而在除去的相中分別減少了液體和蒸氣的夾帶。此外，所述級(jí)避免了以渦流鼓泡方式工作的已知裝置的限制液體流量比和最大蒸氣和/或液體流量。渦流接觸級(jí)和有關(guān)的裝置與使用傳統(tǒng)氣-液接觸的那些裝置相比具有低壓降。此外，當(dāng)在反應(yīng)器、蒸餾塔或其它氣-液接觸設(shè)備中使用時(shí)，所述裝置提供高機(jī)械整體性、合理的成本及安裝和檢修的方便性。因此，本發(fā)明的具體實(shí)施例針對包括渦流接觸級(jí)的氣-液接觸設(shè)備。所述渦流接觸級(jí)包括具有圓形橫截面的接觸區(qū)，該圓形橫截面的半徑沿著所述接觸區(qū)的軸向高度的至少一部分總體上減小(即，接觸區(qū)沿著所述軸向高度部分逐漸變小)，但在接觸區(qū)的頂部部分通常具有恒定的圓形橫截面。所述接觸區(qū)被限定在底表面(液體可以穿過該底表面通過液體入口引入)、逐漸變小的(tapering)內(nèi)表面和圓筒形切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置之間，所述切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置設(shè)置在所述底表面與所述內(nèi)表面之間。所述切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置大致設(shè)置在所述底表面和所述逐漸變小的內(nèi)表面的周邊部分處或其附近，并例如通過產(chǎn)生切向流動(dòng)方向的渦流導(dǎo)向葉片提供用于蒸氣流入接觸區(qū)的入口。因此，通常為接觸區(qū)提供例如分別沿切向方向和軸向方向的蒸氣入口和液體入口，并且使用氣-液分離裝置來分離離開接觸區(qū)的相。氣-液分離裝置可以包括圓形入口表面，該圓形入口表面具有內(nèi)徑并形成所述逐漸變小的內(nèi)表面的頂部部分。氣-液分離裝置的該入口表面與接觸區(qū)流體連通。氣-液分離裝置的相對的外部出口表面可以例如與所述入口表面同心并具有較大的外徑。外部出口表面任選地與氣-液分離裝置的其它表面(例如，底部出口表面)結(jié)合可以用來從接觸區(qū)除去分開的(或分離的)蒸氣流和液體流。在一代表性的實(shí)施例中，分離的蒸氣主要流動(dòng)穿過與入口表面相對的出口表面，而分離的液體主要流動(dòng)穿過底部出口表面。本發(fā)明的另一些實(shí)施例針對多級(jí)氣-液接觸設(shè)備，該多級(jí)氣-液設(shè)備在該設(shè)備的豎直設(shè)置的圓筒形殼體內(nèi)包括如上所述的多個(gè)渦流接觸級(jí)。在多級(jí)的情況下，一個(gè)級(jí)的氣-液分離裝置的出口表面與緊接上面(immediately superior)(較高)的接觸級(jí)的蒸氣 入口和緊接下面(immediately inferior)(較低)的接觸級(jí)的液體入口流體連通。與液體入口的連通可以沿著由曲線形外表面限定的流動(dòng)路徑并通過一個(gè)或多個(gè)降液管提供，所述曲線形外表面與限定接觸區(qū)的逐漸變小的內(nèi)表面相對并終止于所述一個(gè)或多個(gè)降液管。在運(yùn)行期間幫助保持穩(wěn)定的渦流形成、改善液體處理容量、簡化構(gòu)造和降低成本的特定實(shí)施例中，限定離開接觸區(qū)的液體的流動(dòng)路徑的一部分的曲線形外表面終止于多個(gè)液體降液管段處，所述液體降液管段在處于渦流接觸級(jí)的外部且通常環(huán)繞所述多個(gè)渦流接觸級(jí)的環(huán)形空間的離散部分中延伸。有利地，所述液體降液管段可以在徑向上設(shè)置在緊接上面的和/或緊接下面的渦流接觸級(jí)的其它液體降液管段之間。為了進(jìn)一步改善機(jī)械整體性和減少作用在本文所述的多級(jí)設(shè)備上的應(yīng)力，連續(xù)的接觸級(jí)的切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置可以設(shè)置成使入口蒸氣沿交替的順時(shí)針/逆時(shí)針方向渦旋，以便使渦流旋轉(zhuǎn)方向以交替的方式改變方向。本發(fā)明的另一些實(shí)施例針對包括多個(gè)渦流接觸級(jí)的多級(jí)氣-液接觸設(shè)備。每一級(jí)都具有氣-液分離裝置，所述氣-液分離裝置具有與緊接上面的渦流接觸級(jí)的蒸氣入口以及液體降液管流體連通的出口表面，所述液體降液管與緊接下面的渦流接觸級(jí)的液體入口流體連通。如本文所述的在這些級(jí)中用來實(shí)施氣-液接觸的渦流接觸級(jí)和裝置可以在任何希望以高界面面積接觸以進(jìn)行傳質(zhì)、在接觸之后進(jìn)行有效的相分離、在很寬范圍(液體流量比和絕對流率)的蒸氣上取得良好的性能、低壓降以及簡化的制造的設(shè)備中使用。其中一個(gè)或多個(gè)接觸級(jí)可以在反應(yīng)器、蒸餾塔、吸附器、汽提塔等中使用。在一代表性的實(shí)施例中，多個(gè)接觸級(jí)用于蒸餾。本發(fā)明的另一些實(shí)施例因此針對用于使蒸氣流和液體流接觸的方法。該方法包括將蒸氣送入如本文所述的渦流接觸級(jí)的蒸氣入口和將液體送入該渦流接觸級(jí)的液體入口(例如，分別沿切向方向和軸向方向)。在蒸餾方法的情況下，在級(jí)與級(jí)間的接觸期間在內(nèi)部產(chǎn)生蒸氣流和液體流，液體總體向下流動(dòng)并連續(xù)地富集成一個(gè)或多個(gè)沸點(diǎn)較高的成分，而蒸氣總體上向上流動(dòng)并連續(xù)地富集成一個(gè)或多個(gè)沸點(diǎn)較低的成分。然而，某些接觸級(jí)可以通過外部流進(jìn)料，例如液體返回到塔頂、蒸氣再沸器返回到塔底、或作為蒸氣或液體的塔進(jìn)料或者另外具有蒸氣餾分和液體餾分二者的塔進(jìn)料。從下面的詳細(xì)說明中可以更清楚地發(fā)現(xiàn)涉及本發(fā)明的這些和另一些實(shí)施例。


圖I是傳統(tǒng)渦流接觸級(jí)的側(cè)視圖。圖2是用于將氣-液分離裝置的板保持成徑向布置的代表性的開槽的外部保持環(huán)。圖3是具有多個(gè)渦流接觸級(jí)的代表性的氣-液接觸設(shè)備的側(cè)視圖。 圖4A示出液體穿過圖3的氣-液接觸設(shè)備流動(dòng)。圖4B示出蒸氣穿過圖3的氣-液接觸設(shè)備流動(dòng)。圖5A示出液體降液管的末端部分，該液體降液管具有浸潰管導(dǎo)管，該浸潰管導(dǎo)管從所述末端部分延伸出來并穿過底表面到達(dá)向液體降液管進(jìn)料的接觸區(qū)的緊接下面的接觸區(qū)。圖5B示出液體降液管的末端部分，該液體降液管具有槽式導(dǎo)管，該槽式導(dǎo)管從所述末端部分延伸出來并穿過底表面到達(dá)向液體降液管進(jìn)料的接觸區(qū)的緊接下面的接觸區(qū)。圖6示出在處于渦流接觸級(jí)外部的環(huán)形空間段內(nèi)延伸的液體降液管段，還示出液體流動(dòng)方向。在所有附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來指示相同的或類似的特征。附圖應(yīng)理解為提供本發(fā)明和/所涉及的原理的圖示說明。對于具有本公開的知識(shí)的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯而易見的是，包括根據(jù)本發(fā)明的各種其它實(shí)施例的渦流接觸級(jí)和包括這些級(jí)的渦流接觸設(shè)備會(huì)具有部分地由它們的特定用途所決定的構(gòu)造和部件。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的方面與改善的渦流接觸級(jí)的發(fā)現(xiàn)有關(guān)，該渦流接觸級(jí)如上所述在它們的性能及它們的機(jī)械設(shè)計(jì)和安裝與檢修/維護(hù)方便性方面具有許多優(yōu)點(diǎn)。圖I是示出與渦流接觸級(jí)10相關(guān)聯(lián)的某些基本特征的側(cè)視圖。在接觸區(qū)15中，能產(chǎn)生高度分散的氣-液混合物的旋轉(zhuǎn)渦流并且該旋轉(zhuǎn)渦流被保持在離心力場中。尤其是，當(dāng)穿過蒸氣入口 22和切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置19進(jìn)入的蒸氣使穿過液體入口 17進(jìn)入的液體旋轉(zhuǎn)時(shí)，在接觸區(qū)15中形成渦流。進(jìn)入蒸氣的圓形旋轉(zhuǎn)具有基本上與圓筒形容器的軸線重合的旋轉(zhuǎn)軸線，該圓形旋轉(zhuǎn)可使用切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置19產(chǎn)生，該裝置19例如具有許多設(shè)置在環(huán)形結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)流葉片和切向狹縫。接觸區(qū)15具有圓形橫截面，橫截面的直徑在底表面20上方的軸向高度處是橫跨切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置19的距離(例如，它的內(nèi)徑)或者是橫跨由逐漸變小的內(nèi)表面21所限定的開口的距離。因此，接觸區(qū)15的橫截面直徑在圖I所示的接觸級(jí)10中可以總體上從底部到頂部減小。接觸區(qū)15限定在底表面20、逐漸變小的內(nèi)表面21和切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置19之間，所述切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置19設(shè)置在這些表面20、21之間并靠近這些表面的外周部分(即，遠(yuǎn)離接觸區(qū)15的軸向中心)。液體因此可以穿過液體入口 17沿總體上軸向流動(dòng)方向進(jìn)入接觸區(qū)15，該液體入口 17穿過底表面20與接觸區(qū)15連通。液體入口 17比切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置19更靠近接觸區(qū)15的中心軸線(或包含接觸級(jí)10的容器的中心軸線)。循環(huán)蒸氣因此可以穿過通常具有最窄橫截面的接觸區(qū)開口或頂部出口 23離開接觸區(qū)15。在離開接觸區(qū)15之后，蒸氣體積然后在出口 23上方膨脹以與包含接觸級(jí)10的容器或器皿的整個(gè)直徑相符合。循環(huán)蒸氣的離心力使離開出口 23的蒸氣所攜帶的任何液體流向容器的外周，從而可以在接觸區(qū)出口 23上方的具有擴(kuò)大直徑的空間中發(fā)生氣-液分離。分離的液體然后可以沿向下的方向流過曲線形外表面24，該外表面24處于接觸區(qū)15外部并與逐漸變小的內(nèi)表面21相對。內(nèi)表面21和相對的外表面24因此可以是流動(dòng)引導(dǎo)擋板25的表面，該流動(dòng)引導(dǎo)擋板25的表面是大致光滑的并能在接觸區(qū)15中保持穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)渦流。內(nèi)表面和相對的外表面是大致曲線形的，但是平直的表面、例如沿著直線傾斜地變窄的逐漸變小的內(nèi)表面和/或直的傾斜的相對的外表面也是可以的?？梢允褂酶郊拥脑⒗缰行娜~片轉(zhuǎn)子(未示出)增強(qiáng)渦旋流動(dòng)，但是這些元件是任選的。沿著曲線形外表面24向下流回的分離的液體可以被引到液體排放口 26。不是單獨(dú)依靠離心力來使離開接觸區(qū)的蒸氣和液體分離，而是通過使用如例如在圖3中示出的多級(jí)氣-液接觸設(shè)備中所示的氣-液分離裝置顯著地減少不希望的夾帶的流 體和尤其是分離的液體中夾帶的蒸氣的量。為方便起見，示出了三個(gè)連續(xù)的接觸級(jí)10，不過應(yīng)該理解，在設(shè)備、例如蒸餾塔中總級(jí)數(shù)通常高得多。使用其它類型的接觸級(jí)(例如，穿孔平臺(tái)塔盤)與本文所述的渦流接觸級(jí)結(jié)合也是可以的。另外，為簡單起見，未示出用于引入和抽出流體(例如，引入進(jìn)料、塔頂冷凝液體和底部再沸器蒸氣或抽出分餾產(chǎn)品)的外部入口和出口管線。如圖I中所示，每個(gè)接觸區(qū)15都限定在底表面20、逐漸變小的內(nèi)表面21和切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置19之間，并具有相關(guān)聯(lián)的蒸氣入口 22和液體入口 17。然而，在圖3中，示出氣-液分離裝置30具有入口表面31，該入口表面31形成逐漸變小的內(nèi)表面21的頂部部分。氣-液分離裝置30的該入口表面31與接觸區(qū)15流體連通。像切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置19一樣，氣-液分離裝置30因此可以是環(huán)形的。在圖3所示的實(shí)施例中，環(huán)的入口(或內(nèi))表面31在接觸區(qū)15的頂部處提供最小直徑，使得由氣-液分離裝置30所提供的逐漸變小的內(nèi)表面21的頂部部分是恒定直徑部分。在圖3中，與圖I的渦流接觸級(jí)不同，流體不是穿過頂部開口沿軸向離開接觸區(qū)15，而是穿過氣-液分離裝置30的入口表面31在徑向方向上轉(zhuǎn)向。與僅依靠離心力和重力來完成所需的分離相比，在氣-液分離裝置中的物理分離結(jié)構(gòu)、例如以同心板(或分離板)形式的除沫器大大有益于蒸氣流和液體流在它們接觸之后的分離。尤其是，被強(qiáng)制穿過入口表面31離開的流體在作為分開的或分離的蒸氣流和液體流穿過出口表面32、33排出之前必須與物理分離結(jié)構(gòu)接觸。在相對緊湊的空間中提供了有效的相分離。在圖3所示的實(shí)施例中，這些出口表面中的一個(gè)是外部出口表面32，該外部出口表面32與入口表面31同心，并具有環(huán)形氣-液分離裝置30的較大直徑。在外部出口表面32下方的是氣-液分離裝置30的底部出口表面33。如果這些表面例如通過使用在這些表面處的穿孔板至少部分地開放，則可以形成穿過氣-液分離裝置30的入口表面31、外部出口表面32和底部出口表面33的流體通道。相反，頂部表面34可以不穿孔，以便防止流體在沒有與氣-液分離裝置30的物理分離結(jié)構(gòu)充分接觸的情況下離開該氣-液分離裝置30。另外，盡管在圖3中示出兩個(gè)分開的出口表面32、33，但應(yīng)該理解，在另一些實(shí)施例中可能只需要一個(gè)出口表面。例如，在外部出口表面32和底部出口表面33之間的拐角連接處可以是曲線形的，從而分開的出口表面32、33不再是可以區(qū)分開的。用于氣-液分離裝置的合適的物理分離結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例包括多個(gè)沿徑向堆疊的板。分離裝置可以設(shè)置成所述板沿徑向堆疊，使得離開接觸區(qū)15的流體(例如，含有蒸氣餾分和液體餾分)在堆疊的板之間沿徑向向外流動(dòng)，所述堆疊的板在流體流動(dòng)路徑上提供表面并引起復(fù)雜性，從而導(dǎo)致有效的氣-液分離。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，氣-液分離裝置30包括多個(gè)環(huán)形的板。這些板在接觸區(qū)15的頂部周圍可以保持成徑向布置，所述板的內(nèi)徑形成氣-液分離裝置30的入口表面的至少一部分。根據(jù)一特定的實(shí)施例，可以使用開槽的保持環(huán)保持所述板的徑向布置。圖2示出使用外部槽45將板緊固成徑向布置的代表性的開槽的外部保持環(huán)40 (例如，使得這些板的平面如果延伸的話會(huì)在公共線處相交，該公共線與(i)開槽的外部保持環(huán)40、(ii)徑向板和保持環(huán)所環(huán)繞的接觸區(qū)15、和/或包含接觸區(qū)15的氣-液接觸設(shè)備的中心軸線重合)。因此，開槽的外部保持環(huán)40在其內(nèi)周邊47上具有多個(gè)機(jī)加工的槽45。與開槽的外部保持 環(huán)結(jié)合使用來保持或緊固沿徑向堆疊的板的內(nèi)部保持環(huán)(未示出)具有類似的環(huán)形形狀，但具有較小的內(nèi)徑(例如，與接觸區(qū)的頂部部分的直徑匹配)和較小的外徑以及在其外周邊上的槽。用于氣-液分離裝置的許多合適的分離結(jié)構(gòu)是可以的。這些結(jié)構(gòu)包括例如諸如葉片型除沫器的除霧器，該葉片型除沫器具有不同通道和魚鱗板(louver)，從而穿過該除沫器的流體必須經(jīng)歷若干方向改變，這導(dǎo)致任何夾帶的液滴沖擊分離結(jié)構(gòu)的多個(gè)部分并向下流到除沫器的底部。另一個(gè)已知的氣-液分離結(jié)構(gòu)的示例是網(wǎng)墊或編織線。也可以使用這些除霧技術(shù)的組合。用于除沫器的各種分離結(jié)構(gòu)、與這些結(jié)構(gòu)配合使用的穿孔板和無孔板以及這些結(jié)構(gòu)和板的取向例如在US7424999的第7欄第16至64行和第9欄第61行至第11欄第30行有詳細(xì)描述,該內(nèi)容包括在本公開中作為參考。圖4A和圖4B示出液相和氣相穿過圖3的多級(jí)氣-液接觸設(shè)備中的接觸區(qū)15的流動(dòng)。如圖4A中所示，液體穿過氣-液分離裝置30的相關(guān)入口表面31離開每一級(jí)的接觸區(qū)15。分離的液體主要穿過底部出口表面33排出，該底部出口表面33與曲線形外表面24連通，該曲線形外表面24處于接觸區(qū)15外部并與逐漸變小的內(nèi)表面21相對。分離的液體因此向下排出曲線形外表面24，在該曲線形外表面24上方是用于殘留在該液體中的任何蒸氣氣泡的額外分離的足夠空間。液體流動(dòng)路徑在圖4A中被液體降液管35進(jìn)一步限定，曲線形外表面24在該降液管35處終止。液體降液管35與相關(guān)的緊接下面或較低的渦流接觸級(jí)的液體入口 17連通。尤其是，液體降液管35引導(dǎo)離開渦流接觸級(jí)的分離液體穿過氣-液分離裝置30的底部出口表面33流到這些液體入口 17。如圖3、4A和4B中所示，給定渦流接觸級(jí)的液體降液管35都可以在它們相關(guān)的緊接下面的渦流接觸級(jí)的周圍(或其外部)的環(huán)形空間中延伸。這些環(huán)形空間因此可以包含在氣-液接觸設(shè)備的圍繞本文所述的渦流接觸級(jí)的環(huán)形區(qū)域中。圖4B示出蒸氣穿過渦流接觸級(jí)10的流動(dòng)。尤其是，離開接觸區(qū)15的蒸氣流動(dòng)穿過氣-液分離裝置30的入口表面31并攜帶有夾帶的液體。具有顯著減少的夾帶液體的含量的分離蒸氣然后主要穿過外部出口表面32排出該裝置30，所述外部出口表面32與入口表面31相對并具有比該入口表面31的直徑大的直徑(例如，相對的表面31、32是環(huán)形氣-液分離裝置的同心的內(nèi)表面和外表面)。氣-液分離裝置30的外部出口表面32與緊接上面或較高的渦流接觸級(jí)10的蒸氣入口 22連通。本發(fā)明的方面與使用如上所述的液體降液管來將離開渦流接觸級(jí)的液體有效轉(zhuǎn)移到合適的接觸區(qū)、即設(shè)備的緊接下面的級(jí)的接觸區(qū)相關(guān)聯(lián)。通常，在從渦流接觸級(jí)抽出的液體中的任何夾帶的蒸氣氣泡的餾分都會(huì)產(chǎn)生溢流的趨勢。為了消除這種潛在的溢流的趨勢，必須使允許分離的液體從一個(gè)渦流接觸級(jí)流到下面的緊接下面的渦流接觸級(jí)的液體降液管的管道或通道的尺寸足夠大，以用于自排氣流動(dòng)。合適的尺寸關(guān)系例如在Sewell，A的“蒸餾塔設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面”，化學(xué)工程師，299/300 =442(1975)中有記載，這可以用來預(yù)測所希望的自排氣流動(dòng)的最小所需平均液壓直徑。除了合適的降液管尺寸之外，液體從級(jí)到級(jí)的路徑還由于必須保持氣-液接觸設(shè)備及其渦流接觸級(jí)裝置的軸向?qū)ΨQ以允許形成和保持穩(wěn)定的渦流這一事實(shí)而被進(jìn)一步復(fù)雜化。而且，用于液體穿過連續(xù)的接觸級(jí)的液體降液管的通道應(yīng)該理想地使該液體在每一級(jí)處穿過液體入口圍繞渦流周邊均勻地分散。與液體圍繞渦流接觸區(qū)的中心軸線以非均勻方式進(jìn)入渦流接觸區(qū)的情況相比，增強(qiáng)的對稱性有利地在很寬的流量比范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的 運(yùn)行。從機(jī)械方面來看的另一個(gè)考慮是免除了用于離開和再進(jìn)入典型的氣-液接觸設(shè)備的豎直的圓筒形殼體的分離的液體的管道，而外部管道需要相當(dāng)大的安裝工作和成本。在圖3、4A和4B中所示的外部環(huán)形降液管35有利地針對與液體在具有多個(gè)渦流接觸級(jí)的氣-液接觸設(shè)備中的轉(zhuǎn)移有關(guān)的考慮。在運(yùn)行時(shí)，從通常是曲線形的并處于接觸區(qū)15外部的外表面24收集分離的液體并將其排入圍繞這些接觸區(qū)的外部設(shè)置的環(huán)形區(qū)域或空間中。在該空間中從各渦流接觸級(jí)延伸出來的降液管35將分離的液體轉(zhuǎn)移到緊接下面的合適的渦流接觸級(jí)并優(yōu)選地穿過圍繞接觸區(qū)15的中心軸線以對稱方式設(shè)置的液體入口，該中心軸線通常是氣-液接觸設(shè)備自身的中心軸線。用于離開降液管35的分離的液體的這種轉(zhuǎn)移的特殊結(jié)構(gòu)在圖5A和5B中示出。這些結(jié)構(gòu)在液體降液管35的末端部分(例如下面部分)處或其附近延伸，與該末端部分相對的是與外表面24連通的一部分(例如上面部分)，分離的液體從所述外表面24排入降液管35。更具體地，該延伸的結(jié)構(gòu)用作用于將一部分或全部液體穿過底表面引到接觸區(qū)15的導(dǎo)管。如上所述，這些提供液體入口 17的液體導(dǎo)管優(yōu)選地圍繞它們各自的接觸區(qū)15的中心軸線分布。在圖5A所示的實(shí)施例中，該接觸區(qū)的液體入口包括一個(gè)或多個(gè)從液體降液管35的末端部分延伸出來的浸潰管導(dǎo)管50，所述液體入口處于液體從其穿過降液管35提供的渦流接觸級(jí)的緊接下面的渦流接觸級(jí)中。在圖5B的實(shí)施例中，從降液管35延伸出來的導(dǎo)管是為緊接下面的接觸區(qū)15提供一部分或全部液體入口的槽形導(dǎo)管55。圖5A和5B中的浸潰管導(dǎo)管50或槽形導(dǎo)管55構(gòu)造成在部分地限定有關(guān)接觸區(qū)的底表面20下方延伸?？傮w上，在底表面20的下方延伸并然后向上穿過底表面20的導(dǎo)管的取向可以提供豎向的液位并因而幫助保證液體密封，以防止蒸氣穿過液體入口進(jìn)入接觸區(qū)15(即，消除蒸氣“漏氣，，)。一般地，多個(gè)液體降液管35可以在渦流接觸級(jí)外部的環(huán)形空間中將液體從給定渦流接觸級(jí)轉(zhuǎn)移到相鄰的下面的渦流接觸級(jí)，如上所述。用于在任何兩個(gè)特定的級(jí)之間轉(zhuǎn)移液體的液體降液管因此可以是若干液體降液管段的形式的，該液體降液管段在環(huán)形空間的離散的部分中延伸并優(yōu)選地在該環(huán)形空間中設(shè)置有均勻的徑向和圓周間隙。給定級(jí)的若干降液管的該均勻間隙可以幫助提供各接觸級(jí)的良好對稱性。在其中保持接觸區(qū)的對稱性和有效的徑向分布的特定的實(shí)施例中，多個(gè)從這些徑向間隔開的降液管段延伸出來的導(dǎo)管(例如，如圖5A和5B中所示的浸潰管或槽)在圍繞接觸區(qū)的中心軸線均勻間隔開的徑向位置處穿過其底表面與緊接下面的接觸區(qū)連通。因此，為離開如上所述的氣-液分離裝置的分離的液體提供流動(dòng)路徑的給定渦流接觸區(qū)的外表面可以終止于多個(gè)液體降液管段，所述多個(gè)液體降液管段在處于多個(gè)渦流接觸級(jí)外部的環(huán)形空間內(nèi)的離散的徑向部分中延伸。如圖3中所示，液體降液管35的底部延伸到緊接下面的接觸級(jí)的液體降液管35a的頂部下方。因此，如圖6中所示，環(huán)形空間60可以通過交替降液管分成若干段。尤其是，在環(huán)形空間60的離散的沿徑向間隔開的部分中延伸的給定接觸級(jí)的液體降液管段35'在徑向上設(shè)在緊接下面的渦流接觸級(jí)的液體降液管段35a'和緊接上面的渦流接觸級(jí)的液體降液管段35b'之間。圖6中的水平箭頭示出代表性的水平液位，在該水平液位處液體離開和進(jìn)入第N和第N+1接觸級(jí)。在可供選擇的實(shí)施例中，可以使用一系列管道代替環(huán)形空間中的降液管段，所述管道設(shè)置在氣-液接觸設(shè)備的豎直壁的內(nèi)側(cè)。然而，使用管道提供了減小的流動(dòng)面積(并因 此可能需要更大的總?cè)萜髦睆?，并且還會(huì)導(dǎo)致更復(fù)雜的制造(例如，額外的焊接)。然而，管道也可以更有效地在壁處提供液體密封，并減輕在液體泄漏到緊接下面的渦流接觸級(jí)的方面的潛在擔(dān)憂。了解本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道對于任何給定的氣-液接觸應(yīng)用使用管道或環(huán)形降液管段之間的折衷方案。在另一個(gè)特定的實(shí)施例中，通過在交替的渦流接觸級(jí)上使渦旋的方向相反減小了在容器上由渦旋的內(nèi)部流體的轉(zhuǎn)矩所引起的機(jī)械應(yīng)力。來自交替的接觸級(jí)的轉(zhuǎn)矩從而有效地相互抵消，并且總應(yīng)力的減小允許氣-液接觸設(shè)備使用更薄的容器壁，從而降低了成本?？傊?，本發(fā)明的方面涉及使用一個(gè)或多個(gè)渦流接觸級(jí)來改善任何數(shù)量的氣-液接觸設(shè)備、例如反應(yīng)器和蒸餾塔的性能。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到本文所述的設(shè)備、接觸級(jí)及有關(guān)方法的優(yōu)點(diǎn)及它們在其它應(yīng)用中的適用性。由于本公開，應(yīng)該理解，可以得到其它有利的結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員借助于從本公開獲得知識(shí)會(huì)認(rèn)識(shí)到可以在不脫離本公開的情況下對上述設(shè)備和方法進(jìn)行各種改變。用來闡明理論上的或所觀察到的現(xiàn)象或結(jié)果的機(jī)構(gòu)應(yīng)認(rèn)為僅是示例性的，不以任何方式限制所附權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種氣-液接觸設(shè)備，該氣-液接觸設(shè)備包括渦流接觸級(jí)(10),該渦流接觸級(jí)(10)包括 (a)接觸區(qū)(15)，該接觸區(qū)(15)具有圓形橫截面并限定在底表面(20)、逐漸變小的內(nèi)表面(21)和圓筒形切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置(19)之間，所述切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置(19)設(shè)置在所述底表面(20)和所述逐漸變小的內(nèi)表面(21)之間并靠近所述底表面(20)和所述逐漸變小的內(nèi)表面(21)的外周部分； (b)蒸氣入口(22)，該蒸氣入口(22)與所述切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置(19)連通； (c)液體入口(17)，該液體入口(17)穿過所述底表面(20)與所述接觸區(qū)(15)連通；和 (d)氣-液分離裝置(30)，該氣-液分離裝置(30)包括入口表面(31)，所述入口表面(31)形成所述逐漸變小的內(nèi)表面的頂部部分并與所述接觸區(qū)(15)連通。
2.如權(quán)利要求I所述的接觸設(shè)備，其特征在于，所述氣-液分離裝置(30)還包括 (dl)相對的外部出口表面(32)，該相對的外部出口表面(32)與所述入口表面(31)同心并具有較大直徑，和 (d2)底部出口表面(33)。
3.如權(quán)利要求2所述的接觸設(shè)備，其特征在于，所述氣-液分離裝置(30)的所述入口表面(31)、所述相對的外部出口表面(32)和所述底部出口表面(33)都包括穿孔板。
4.如權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的接觸設(shè)備，其特征在于，所述氣-液分離裝置(30)包括多個(gè)在開槽的保持環(huán)(40)之間保持成徑向布置的板。
5.如權(quán)利要求2所述的接觸設(shè)備，其特征在于，所述氣-液分離裝置(30)的所述相對的外部出口表面(32)與緊接上面的渦流接觸級(jí)(10)的蒸氣入口(22)流體連通。
6.如權(quán)利要求2所述的接觸設(shè)備，其特征在于，所述氣-液分離裝置(30)的所述底部出口表面(33)與曲線形外表面(24)流體連通，所述曲線形外表面(24)處于所述接觸區(qū)(15)外部并與所述逐漸變小的內(nèi)表面(21)相對。
7.一種用于使蒸氣和液體接觸的方法，該方法包括將蒸氣送入權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的氣-液接觸設(shè)備的渦流接觸級(jí)的蒸氣入口(22)中和將液體送入權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的氣-液接觸設(shè)備的渦流接觸級(jí)的液體入口(17)中。
8.一種多級(jí)氣-液接觸設(shè)備，該多級(jí)氣-液接觸設(shè)備包括豎直設(shè)置的具有多個(gè)渦流接觸級(jí)(10)的圓筒形殼體，所述渦流接觸級(jí)(10)包括 (a)液體入口(17)，該液體入口(17)與接觸區(qū)(15)的底表面(20)流體連通； (b)蒸氣入口(22)，該蒸氣入口(22)穿過圓筒形切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置(19)與所述接觸區(qū)(15)流體連通；和 (c)氣-液分離裝置(30)，該氣-液分離裝置(30)包括入口表面(31)，所述入口表面(31)形成逐漸變小的內(nèi)表面(21)的頂部部分并與所述接觸區(qū)(15)流體連通， 其中，所述接觸區(qū)(15)具有圓形橫截面并限定在底表面(20)、在所述底表面(20)上方的所述逐漸變小的內(nèi)表面(21)和所述圓筒形切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置(19)之間，所述切向流動(dòng)引導(dǎo)裝置(19)設(shè)置在所述底表面(20)和所述逐漸變小的內(nèi)表面(21)之間并靠近所述底表面(20)和所述逐漸變小的內(nèi)表面(21)的外周部分。
9.如權(quán)利要求8所述的多級(jí)氣-液接觸設(shè)備，其特征在于，所述氣-液分離裝置(30)還包括 (dl)相對的外部出口表面(32)，該相對的外部出口表面(32)與所述入口表面(31)同心并與緊接上面的渦流接觸級(jí)(10)的蒸氣入口(22)流體連通；和 (d2)底部出口表面(33)，該底部出口表面與一外表面流體連通，所述外表面處于所述接觸區(qū)(15)外部并與所述逐漸變小的內(nèi)表面(21)相對， 其中，所述外表面在多個(gè)液體降液管段處終止，所述液體降液管段在處于所述多個(gè)渦流接觸級(jí)(10)外部的環(huán)形空間的離散部分中延伸，并在徑向上設(shè)置在緊接上面的渦流接觸級(jí)(10)和緊接下面的渦流接觸級(jí)(10)的液體降液管段之間。
10.一種多級(jí)氣-液接觸設(shè)備,該多級(jí)氣-液接觸設(shè)備包括多個(gè)渦流接觸級(jí)(10)，每個(gè)渦流接觸級(jí)(10)都具有氣-液分離裝置(30)，所述氣-液分離裝置(30)具有與(i)緊接上面的渦流接觸級(jí)的蒸氣入口(22)和(ii)液體降液管流體連通的出口表面，所述液體降液管與緊接下面的渦流接觸級(jí)的液體入口(17)流體連通。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣-液接觸設(shè)備、例如反應(yīng)器和蒸餾塔(以及反應(yīng)蒸餾設(shè)備)，該氣-液接觸設(shè)備包括具有一個(gè)或多個(gè)渦流接觸級(jí)的容器。除了在接觸之后將不同相有效分離外，所述一個(gè)或多個(gè)渦流接觸級(jí)還提供用于這些相的有效接觸的高界面面積。
文檔編號(hào)B01F3/04GK102802780SQ201080025241
公開日2012年11月28日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者G·P·陶勒爾 申請人:環(huán)球油品公司