專利名稱：用于分離多相流的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的領域為將具有不同密度的兩相或多相的一種多相流分離為具有可比較 的相成分的兩個或多個流束(stream)。
背景技術：
現(xiàn)有技術中已知多種流分離設備，并且在許多場合，進料管和分配管的特定布置 并不是關鍵性的。然而，當供給到流分離設備的是多相流時，流分離設備的構造對于形成最 終分開的流束的可比較(即，接近相同)成分就顯得更加重要。例如，如W02004/113788中所描述的，提供了相分離元件，兩個或多個分配管從該 相分離元件抽取分離的進料(feed)。替代性地，堰或池可與旁路管道一起聯(lián)接到進料管， 以適應并消除分配不均，如美國專利M15195和5218985所描述的那樣。同樣，如美國專 利5551469所描述的，分配管中的孔板與旁路管道一起可用于適應并消除分配不均。在另 外已知的設備和方法中，可以在分配管中安裝預分離葉片和各自的噴嘴以增強相的一致分 配，如美國專利5810032所描述的那樣。還可以設置具有如美國專利4522218所示的控制 閥的特殊管路布置。雖然這些已知的設備和方法通常在分離兩相流時具有至少一些優(yōu)點，但也存在一 些缺點，特別是當兩相流包含兩個或多個具有顯著密度差異的相時。這樣，仍然需要用于將 具有不同密度的材料的流分離成兩個或多個具有可比較相成分的流束的改進的設備和方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及分離包括至少兩個不同密度的相的多相流的設備和方法，該至少兩個 相任選地可以是不能相互混合的。在流分離前最好先利用重分配元件將具有不同密度的相 進行徑向重新分配，重分配元件會向相中引起切向動量。值得注意的是，在這里術語“流體” 用于指所有流動的材料，即包括氣體、液體和固體，以及它們的所有組合。這樣，例如多相流 可由具有不同密度的兩種液體、一種液體和一種氣體、或者夾帶有固體顆粒的液體組成。在本發(fā)明的一個方面，一種用于混合相流體(例如，包括至少兩個具有不同密度 的組分，其中至少一種組分為流體)的流分離設備包括具有進料端和出口端的進料管，其 具有與分離器布置中的出口端流體連通地聯(lián)接的多個分配管；其中分配管相對于進口管的 軸線對稱布置。流重分配元件流體連通地聯(lián)接到進料管，并構造成向混合相引起切向動量， 從而優(yōu)先促使至少一些較高密度的組分向進料管的內壁運動。值得注意的是，流體中的切 向動量將在流體中引起漩渦運動或旋轉運動，術語“漩渦運動”和“旋轉運動”在此可互換 地使用。
特別構想的流重分配元件構造成一個或多個靜止混合器，和/或在混合相流體中 引起漩渦(旋轉運動)。因此，至少一些重分配元件包括一個或多個彎曲(例如螺旋狀)元 件。進一步優(yōu)選地，重分配元件設置在進料管中的進料端和出口端(最通常的情況下包括 兩個或多個分配管)之間，流分離設備進一步包括沖擊對稱接頭(impacting symmetrical fitting)(例如，用于分枝的T形或Y形接頭)作為流分離元件。因此，分離混合相流體的流的方法包括將混合相流體輸送給進料管的步驟，其中， 混合相流體包括具有第一密度的第一組分和具有大于第一密度的第二密度的第二組分，以 及對混合相引起切向動量的步驟，從而優(yōu)先促使第二組分中的至少一些向進料管的內壁運 動。在另一個步驟中，在流重分配元件的下游位置，混合相被分離成兩部分或更多部分。關 于流重分配元件和分離元件，適用與前面提到的相同的考慮因素。參考附圖，本發(fā)明各種目的、特征、方面和優(yōu)點從本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的下面詳 細描述中將變得更加明顯。


圖1A-1C顯示流重分配元件的示例性構造。圖2A顯示位于兩個分配管上游的進料管中的流分離設備的第一實施例，圖2B顯 示在圖2A的設備中的兩相流體的模擬流。圖3A顯示位于兩個分配管上游的進料管中的流分離設備的第二實施例，圖:3B顯 示在圖3A的設備中的兩相流體的模擬流。圖4A顯示位于兩個分配管上游的進料管中的流分離設備的第二實施例，圖4B顯 示在圖4A的設備中的兩相流體的模擬流。
具體實施例方式發(fā)明人已經發(fā)現(xiàn)利用位于兩個或多個分配管上游的一個或多個流重分配元件，可 將多相流分離成與多相流相比具有基本相同的相分布的兩個或更多流束，其中，該重分配 元件(通常置于進料管的內腔中)給混合相施加切向動量，以優(yōu)先促使第二組分中的至少 一些向進料管的內壁運動。這里使用的術語“基本相同的相分布”表示相內容(content)的 不同不大于10 %，更典型地不大于5 %。例如，當多相流被分成兩支并且具有60wt %的第一 組分以及40wt %的第二組分時，分配管中的重分配元件下游形成的流束，如果所形成流束 之一具有56wt%的第一組分和的第二組分，那么就可以說具有基本相同的相分布。 在該例中，另一個形成的流束具有的第一組分和36wt%的第二組分。所構想的設備和方法尤其適宜分離全部或大部分相在基本不能混合的多相流束 (即，將在相之間形成清晰的界面，且具有不同的密度(例如，至少10%，更典型地至少25% 的差異))。例如，第一和第二相可以是碳氫化合物流束和非碳氫化合物(例如水)流束， 或者液態(tài)水流束和水蒸氣流束。本發(fā)明主題的最典型方面，所構想的設備具有豎直的管和 位于下游位置的對稱的多支分離器(例如，沖擊T型或Y型)，分離器具有流體連通地聯(lián)接 到豎直管的二個或多個分配管，其中，流重分配元件包括一個或多個流重定向葉片，并且其 中，流重分配元件位于分離器的上游。盡管在本公開剩余部分中使用術語“沖擊T形管”來 表示具有兩個出口的分離器，但是下面論述的所有對稱多支分離器都在構想之中。本文使用的術語“豎直”指的是與垂直于水平面的方向偏離不大于20度的方向。最通常地，其是 與地球重力平行的方向。需要尤其指出的是，優(yōu)選的設備和方法無需相分離器皿、堰或者其它管外部的結 構，因為一個或多個流重定向元件(例如，葉片)優(yōu)選地置于豎直管內部或與位于沖擊T形 管的上游位置的管的內壁相聯(lián)接，在該位置處發(fā)生兩相(或更高相)的分離。流重定向元 件通過在管中引起切向流(例如，渦流運動)而在多相流進入分離器之前調節(jié)多相流，因為 切向流使得更密集的相在管道外周周圍重新分配。因此，應該認識到，更密集的相在入口管 外圍周圍的重新分配促使相對于出口管的每個相的流對稱，這進而促使每個相均勻分配進 入每個出口管。從不同的角度看，并與密切混合兩相的靜態(tài)混合設備相比，應該認識到本文構想 的相的重新分配促使兩相朝向下游分離器的基本均勻但分離的分配，這進而允許幾乎均勻 地將兩(或更多)相分配到從分離器開始的每個分配管(即，在每個分配管中基本相同的 相分配)。這樣的構造有利地不再需要分離的相分離器皿和旁路管道。與之相反，迄今所知 的大部分設備和方法是利用各種特殊的管道系統(tǒng)和接頭布置以達到促使相對均勻地分離 兩相蒸氣/液體流(例如，W02004/113788的圖1)的目的。替代性地，需要安裝平行排列 的設備以避免分離兩相流(例如，W02004/113788的圖4)。應當進一步認識到，所構想的構造和方法也可以通過使用具有兩個或多個分配管 的豎直沖擊T形管而幫助避免需要平行的設備排列，從而減少處理設備的資本費用。這樣， 在單一管道中的兩相流可以近乎均勻地分配到兩個或多個分配管中。因此，本文構想的設 備和方法在設計和運行商業(yè)處理設備時是尤其期望的，在商業(yè)運行設備中，相分配不均將 對設備的性能和/或容量產生不利影響。例如，本文提供的設備和方法可被有利地采用以 將兩相流分配到多通道火焰加熱器、多灣空氣冷卻器、大直徑蒸餾塔以及其它能在各種煉 油加工單元中普遍發(fā)現(xiàn)的利用平行流路徑的設備，包括原油單元、真空單元、重整器、加氫 器和氫化裂解器。至于適當?shù)牧髦胤峙湓梢詷嬙焖械慕Y構、構造和設備都認為是適當?shù)?，?要這些結構、構造和設備可以向混合相施加切向動量，從而優(yōu)先促使至少第二組分的至少 一些向進料管的內壁運動。因此，適當?shù)牧髦胤峙湓ㄒ粋€或多個葉片、螺旋元件 (通常在進料管中同軸地布置)、噴口或噴嘴，其向進料管中的混合相流施加切向動量。然而，尤其優(yōu)選地，流重分配元件是靜止混合器，其中一個或多個葉片或槳片 (blade)向混合相施加切向動量。例如，適當?shù)闹胤峙湓膸缀谓Y構可以在靜止混合 器中發(fā)現(xiàn)，如美國專利4，068，830(描述成用于粘性液體的層流混合/混成)，美國專利 4，111，402 (使用螺旋軸線)，美國專利4，461，579 (使用等腰三角形基板和葉片)，以及美國 專利3，觀6，992(多個彎曲元件)中所教導的那樣。關于(一個或多個)流重分配元件的 位置，應該認識到，(一個或多個)元件通常置于分離器的上游，并且設備的具體本質將至 少在一定程度上決定相對于進料管的位置。然而，通常優(yōu)選的是，(一個或多個)流重分配 元件位于進料管的內腔中以節(jié)省空間。進一步構想的重分配元件將包括這樣的元件，其中一個或多個葉片或其它結構處 于進料管內腔中的固定位置，并且其中葉片或其它結構可以是靜止的或運動的。例如，靜止 葉片可以與進料管的內部相聯(lián)接，和/或在進料管的內表面上形成為脊或來復線。類似地，一個或多個槳片可以被置于進料管中，或者具有葉片或來復線的圓錐體可以被置于進料管 的內腔中。替代性地，可包括一個或多個運動的尤其是旋轉的結構(其優(yōu)選相對于管在固 定位置)。例如，適當?shù)倪\動結構包括一個或多個旋轉推進器，其可由電機或其它力主動地 驅動，或者可由多相流的力被動地驅動。類似地，一個或多個旋轉圓錐(優(yōu)選包括一個或多 個葉片或來復線)可位于管道的內腔中，從而向多相流施加切向動量。不管(一個或多個)重分配元件的具體構造如何，還需要注意，雖然重分配元件的 構造優(yōu)選是固定的，但是可調構造也被認為是合適的以調整到不同的流速和/或成分。例 如，當重分配元件包括葉片、螺旋槳片或來復線時，葉片、槳片或來復線角(通常表示成每 單位長度的轉數(shù))可以是可調的。類似地，當重分配元件包括推進器時，推進器槳片角也可 以是可調的。圖1A-1C表示了流重分配元件的多種示例性構造。此處，重分配元件130A構 造成非運動的螺旋槳片，其固定聯(lián)接到進料管IlOA的內部，而重分配元件130B構造成旋轉 的推進器槳片，其(通過推進器架)聯(lián)接到進料管IlOB的內部。在另一個構造中，重分配元 件130C構造成非運動的成螺旋形排列的來復線，其固定地聯(lián)接到進料管IlOC的內部。在 這些例子中，管道優(yōu)選豎直定向(平行于地球重力)，流在重分配元件下方的位置進入，并 且重新分配的流在重分配元件上方的位置沖擊流分離結構(未顯示)。通常優(yōu)選地，流重分配元件構造成使得第二、較高密度的組分被促使運動到進料 管的大部分內壁(例如，至少50%，更典型地至少70%，最典型地至少90% )上。圖2A示 例性地示出了渦旋葉片，其中，槳片的前緣與分離部(T形管)垂直，圖213顯示了兩相在進 料管和分配管中的經計算的分配。進一步參見圖2A，流分離設備200包括進料管210，具有 兩個分配管的沖擊T形管220流體連通地聯(lián)接到進料管210的出口端214。流重分配元件 230布置在進料端212和出口端214之間，流重分配元件230被構造成螺旋槳片，其中，槳片 前緣垂直于分配管的縱向軸線。在用于本文給出的圖的計算中，假定在流重分配元件上游 的兩相的不均勻分配(此處更密集的相被偏壓抵靠壁的一側)。類似地，圖3A示例性地示出了渦旋葉片，其中，槳片的前緣平行于分配管(此處 構造成沖擊T形管)的縱向軸線，圖:3B顯示了兩相在進料管和分配管中的經計算的分配。 圖4A示例性地示出了雙渦旋葉片的兩個串行布置的級，其中，前緣平行且垂直于分配管的 縱向軸線，圖4B顯示了兩相在進料管和分配管中的經計算的分配。顯然，所有的構造都提 供了顯著的重新分配，而使用多級和/或每級多葉片來對進料管中的兩相進行更強烈的分 離，將使第二、較高密度的組分更加顯著地重新分配到進料管的內壁上。在所示的示例性計 算中，圖4B中的更密集的相被迫使幾乎完全靠著進料管的內壁，并且從而促進進料更加均 勻地分配進入分配管。尤其優(yōu)選地，當需要兩個管道時，分離器元件可以包括單一的沖擊T形管。當出 現(xiàn)多于兩個的出口管道時，具有多個分支的沖擊T形管是優(yōu)選的。另一個優(yōu)選構造使用具 有出口管的分離器，但出口管并不垂直于進口管，例如當需要兩個出口管時用Y形分離器。 類似地，用對稱的三叉分離器可以實現(xiàn)三個出口管，用對稱的四叉分離器實現(xiàn)四個出口，等 等。在所有情況下，分離器最優(yōu)選地構造成這樣，當沿著進口管的軸線看時出口管繞進口管 的中心線對稱分布。因此，應當意識到，在本發(fā)明主題的優(yōu)選方面中，出口管布置成相對于 進口管的縱向軸線旋轉對稱。這樣，已經公開了用于分離多相流的具體實施例和應用。然而對本領域技術人員而言顯然在不背離本文的創(chuàng)造性概念的情況下可以進行除已經描述過的之外的許多進一 步改進。因此，除了在所附權利要求的精神中之外，本發(fā)明的主題并不受限制。此外，在解 釋說明書和權利要求時，所有的術語都應當理解為與上下文一致的最寬的可能方式。特別 地，術語“包括”和“包含”應當理解為以非排他方式涉及部件、組分或步驟，表示所涉及的部 件、組分或步驟可與其他沒有明確提及的部件、組分或步驟一起出現(xiàn)、或被利用或相組合。
權利要求
1.一種用于多相流體的流分離設備，所述多相流體包括具有第一密度的第一組分和具 有大于所述第一密度的第二密度的第二組分，所述分離設備包括進料管，其具有進料端和出口端，多個分配管流體連通地聯(lián)接到所述出口端； 其中，所述分配管相對于所述進料管的縱向軸線對稱布置；和流重分配元件，其在所述出口端上游的位置流體連通地聯(lián)接到所述進料管或者與所述 進料管一體地形成，并構造成向所述多相流體引起切向動量，從而優(yōu)先促使所述第二組分 中的至少一些向所述進料管的內壁運動。
2.如權利要求1所述的流分離設備，其中，所述分配管相對于所述進料管的縱向軸線垂直布置。
3.如權利要求1所述的流分離設備，其中，所述流重分配元件包括具有螺旋形狀的葉片。
4.如權利要求3所述的流分離設備，其中，所述流重分配元件包括具有螺旋形狀的第 二葉片。
5.如權利要求1所述的流分離設備，其中，所述流重分配元件位于所述進料管內所述 進料端和所述出口端之間。
6.如權利要求1所述的流分離設備，包括至少兩個分配管。
7.如權利要求1所述的流分離設備，包括沖擊T形管或沖擊Y形管作為所述流分離元件。
8.如權利要求1所述的流分離設備，包括至少兩個串行聯(lián)接的流重分配元件。
9.一種分離多相流體的方法，包括將所述多相流體輸送入進料管，其中，所述多相流體包括具有第一密度的第一組分和 具有大于所述第一密度的第二密度的第二組分；以及用流重分配元件向所述多相流體引起切向動量，從而優(yōu)先促使所述第二組分中的至少 一些向所述進料管的內壁運動；在所述流重分配元件下游的位置將所述多相流體對稱地分離為至少兩部分；并且 其中，所述分離步驟是利用相對于所述進料管的縱向軸線對稱布置的至少兩個分配管 進行的。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述流重分配元件位于所述進料管中。
11.如權利要求9所述的方法，其中，所述至少兩個分配管相對于所述進料管的縱向軸線垂直布置。
12.如權利要求9所述的方法，其中，所述流重分配元件包括具有螺旋形狀的葉片。
13.如權利要求9所述的方法，其中，所述流重分配元件包括具有螺旋形狀的第二葉片。
14.如權利要求9所述的方法，其中，所述流重分配元件位于所述進料管內所述進料端 和所述出口端之間。
15.一種將多相流體分離為具有基本相同的相分布的多個流束的方法，包括利用向心 力依據他們的密度分離至少兩個相的步驟，并且包括利用多個分配管將所述兩個相分離為 所述多個流束的進一步的步驟。
16.如權利要求15所述的方法，其中，所述分配管相對于所述多相流體的流動方向的縱向軸線對稱布置。
17.如權利要求15所述的方法，其中，所述分配管構造成沖擊T形管或沖擊Y形管。
18.如權利要求15所述的方法，其中，所述多相流體包括液體水和水蒸氣，碳氫化合物 組分和水組分，或者兩種碳氫化合物組分。
全文摘要
多相流體在流分離設備中被分離，流分離設備包括進料管，在進料管中，流重分配元件在相中引起切向運動，使得更密集的相被促使在進料管的外圍周圍重新分配。然后，這樣重新分配的流被分離進入通常垂直于進料流的流動方向的兩個或更多個分配管中。更加典型地，進料管位于豎直位置。
文檔編號F04F1/00GK102084136SQ200980116339
公開日2011年6月1日 申請日期2009年5月5日 優(yōu)先權日2008年5月6日
發(fā)明者G·E·雅各布斯, G·蔡寧格 申請人:氟石科技公司