CN101056684B - 流体分布设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于流体-固体接触容器(1)中的固体粒子床(2)之间的混合器-分布器-收集器设备(3)。该设备(3)包括固体阻滞筛(5)、流体偏转装置(8)、通道(9)、流体分布器(6)和流量控制器(7)。流量控制器(7)是具有比流体分布器(6)的开口面积比大的开口面积比的装置，诸如蜂窝状物体、多孔固体、穿孔板、丝网或栅格，并且流量控制器(7)位于流体分布器(6)的下方且与流体分布器间隔开。该设备(3)通过最小化或消除可干扰下游粒子床的流体高速射流和/或其它流体扰动来改进流体流动特征。在一示例性应用中，本发明用于模拟移动床(SMB)吸附分离过程。

Description

流体分布设备
技术领域
本发明涉及用于分布和/或混合流体的设备。更具体地，本发明涉及一种分布和/或混合在含有固体粒子的容器中流动的流体的设备。在一示例性应用中，本发明用于模拟移动床(SMB)吸附分离过程。
背景技术
当流体流经含有固体粒子的容器时混合和/或分布流体的各种设备在本技术领域中是公知的。可在容器内安置一个或多个此种设备并将固体粒子分成两个或多个床。这种流体分布设备的使用可以通过提供穿过该容器的截面区域的更均匀的流体特性来增加操作的效率。例如，这些设备可最小化或消除流动速率变化或沟道作用；温差；以及流体组合物中的变化。这些设备还可包括多种装置以将流体流引入该容器中并且/或者从该容器抽取流体流。这种设备被称为“混合器-分布器-收集器”。
混合器-分布器-收集器的多种变型在本领域中是公知的。例如，在US3,214,247、US 3,789,989、US 4,378,292和US 6,024,871中示例性示出这些设备在诸如SMB吸附分离的吸附分离或层析过程中的应用。以下是这种设备的共同部件：1)上边界，其包含用于将固体粒子床保持在该设备上且容许流体向下流经该设备的装置；2)位于所述上边界之下且与所述上边界间隔开的流体偏转板；3)位于所述偏转板之下且与所述偏转板间隔开的流体分布器；及4)贯穿所述流体偏转板的通道，该通道提供上边界与流体分布器之间的流体连通。无数其它部件及其大量变型以及上文列出的共同部件在本领域也是公知的。
这种混合器-分布器-收集器的期望特征在本领域也是公知的。示例包括：1)具有最小的体积；2)防止逆向混合；3)收集流经该容器的液体且将其彻底混合以最小化区域浓度梯度；4)当有需要时提供另一流体流的引入及彻底混合；5)当有需要时从该容器移除流体流且不对操作产生负面影响；以及6)最小化该设备中的压降。最后，该混合器-分布器-收集器在该容器的截面区域上提供流体的均匀再分布，同时阻止高速射流和/或其它流体扰动干扰下游的固体粒子床。术语“上游”和“下游”在本文中按其常规意义使用且基于流体在容器中流动的总体方向来解释。因此，下游相当于容器中向下的或较低的位置。
由纽约McGraw-Hill在1997年出版、D.W.Green等人编辑的Perry’sChemical Engineers’Handbook第7版，第6-33页至第6-34页描述了公知的用法，即在流动通道中加入足够的均匀阻力以消除通道或处理设备中不均匀的速度分布。各种流体流量控制器及其组合的详细研究由J.Tan-Atichat、H.M.Nagib及R.I.Loehrke在“Interaction of free-streamturbulence with screens and grids：a balance between turbulence scales”，J.of Fluid Mech.，1982，第114卷，第501-528页中加以描述。流体流量控制器装置例如蜂窝状物体、丝网、穿孔板、诸如烧结材料及网状垫板的多孔固体、栅格及其组合——其在混合器-分布器-收集器的下游或出口边界具有足够的均匀阻力且提供更均匀的再分布(更均匀的速度分布)——的使用在本领域中是公知的。本文中，将该混合器-分布器-收集器的此部件称为“流体分布器”。
已发现，即使以较低的流体平均线速度穿过容器，现有技术的混合器-分布器-收集器设备也可产生高速射流和/或扰动，该高速射流和/或扰动导致该设备正下方的接触床中的粒子的显著运动。本发明在容器中的低流体平均线速度的情况下减少流体射流和/或扰动以消除对下部固体粒子床的干扰。此外，即使在流体平均线速度增大四至七倍时，本发明(也可)显著减少或消除对下方粒子床的干扰。
发明内容
本发明提供一种更有用的混合器-分布器-收集器设备，该设备最小化或消除干扰下游粒子床的高速射流和/或其它扰动。具体地说，本发明涉及将另一部件——流量控制器——添加至设备，该部件位于流体分布器和下游固体粒子床之间。该流量控制器与流体分布器间隔开并具有提供从流体分布器到下部粒子床的流体连通的开口。该流量控制器是具有比流体分布器的开口面积比大的开口面积比的装置，诸如蜂窝状物体、多孔固体、穿孔板、丝网或栅格。
附图说明
图1为一容器的剖面侧视图，其描绘出包含具有中间混合器-分布器-收集器的多个叠置粒子床的容器；
图2A-2C为俯视剖面图，其描绘出组装在容器内的混合器-分布器-收集器的剖面；
图3A和3B为分别沿图2A及2B中标记的剖面线截取的本发明的附加实施例的剖面侧视图。
具体实施方式
本发明可用于流体与固体粒子接触的任何过程，所述固体粒子被分隔为包含于容器中的多个床。该容器沿其主轴(major axis)垂直地定向。虽然这种容器通常为圆柱形并因此具有圆形的截面形状，但本发明不受容器的截面形状的限制。该过程可使用一个或多个这种容器。流体在容器内向下流经通过混合器-分布器-收集器分隔开的固体粒子床。无数固体粒子用于这种过程中。这种材料(这种材料中的每一个都具有许多特定的组合物和实体形式)的群组的非限制性示例包括吸附剂、树脂、催化剂以及惰性材料。流体可为蒸汽、液体或超临界流体。虽然本发明不旨在用于多个流体相，但流体可含有许多化合物或为多种流体流的混合物(只要它们基本上是一个相)。因此，在一个实施例中，所有流体都是同相。然而，本发明蕴涵大量的混合物及工艺条件，以使得可存在少量的第二相。因此，如本文中所使用的，术语“基本上为单一流体相”及“基本上为一个相”是指按重量计至少95％的流体是一个相。同样，当本文描述流体基本上为液体时，其意味着按重量计至少95％的流体为液体。许多这种过程是精炼及石化工业中所熟知的，其包括例如各种反应及分离过程。在一个实施例中，该过程是一吸附分离过程。
下面将参照附图给出本发明的详细说明和各种实施例。这些附图是简化的示意图且未按比例画出，其仅示出理解本发明所需的部件。附图用于说明本发明的一些实施例，而不是意图限制如权利要求中提出的本发明的范围。
图1示出适于保持多个垂直隔开的叠置的粒子床2的垂直定位的容器1。在单个容器中可存在两至十二个或更多个粒子床。所述床通过本发明的混合器-分布器-收集器3分隔开。还示出在最上层粒子床上面可选地使用的混合器-分布器-收集器3。通过入口4将一个或多个流体流引入容器1的上部部分。流体按顺序接触每个粒子床2及混合器-分布器-收集器3向下流经容器并通过未示出的出口从该容器的下部部分排出。一可选的混合器-分布器-收集器还可位于该容器中的最下层粒子床的下面。如所示出的，上边界5、流体分布器6及流量控制器7是该混合器-分布器-收集器设备3的部件并且相对于彼此基本上平行地且基本垂直于以虚线13表示的该容器的垂直轴线或主中心线布置。
本文所用的“基本上平行”是指该设备的部件的总间距使所述部件在构造上基本平行。可能出现诸如来自构造、安装或负载支承的所述部件的挠曲或变形。例如，固体阻滞筛(上边界)在支承大量粒子时可展现一些主变形。这不排除涉及相对于彼此基本上平行地设置的部件。
本文所用的“基本上垂直”应是指该设备的不同部件的近似垂直定位(normal positioning)。在一些情形中，该设备的不同部件可在构造、安装中或由于其可导致偏转的支承重量而发生轻微变形。这可导致所述部件位于不精确垂直于给定轴线的平面中。因此，本文所用的术语“基本上垂直”应包括85度至95度范围内的角度。
上边界5可类似于本领域中所使用的用于将固体粒子保持于设备之上且容许流体向下流经设备的任何公知的装置。这种装置的示例包括各种丝网、栅格、穿孔板及其组合。在一个实施例中，该上边界包含具有适当尺寸的开口的穿孔板和丝网以保持覆盖该板的粒子。在另一实施例中，通常称为“成型金属丝筛网(profile wire screen)”的特殊类型的栅格被用作上边界。成型金属丝筛网提供高度规则的狭槽表面，其可防止成型金属丝的外表面与固体粒子的延伸接触而导致的阻塞(堵塞)。此外，该成型金属丝筛网的刚性(不考虑狭槽开口)可根据用于连接每个单独的、平行延伸的成型金属丝的支承杆的间距及厚度来予以修整。通常，支承杆在成型金属丝的内表面处焊接到每个成型金属丝上，即，该表面不直接与固体粒子接触。支承杆与成型金属丝通常彼此垂直地固定在一起，但还已知其它的对准角度。用于该应用的成型金属丝筛网通常为本行业中的已知的形式，例如Johnson Screen(可自U.S.Filter Company，St.Paul，MN购得)，或例如可从全世界其他供应商处购得的成型金属丝筛网。不管其具体结构如何，混合器-分布器-收集器的上边界在本领域中通常被称为固体阻滞筛。
流体分布器6位于固体阻滞筛(上边界)之下且与该固体阻滞筛间隔开以限定上边界5与流体分布器6之间的混合器-分布器-收集器的空间V。流体偏转板8位于上边界5与流体分布器6之间且与这两者间隔开。基本上无孔的流体偏转板8位于设备空间V内并将该空间分为位于上边界5和偏转板8之间的上部空间14以及位于偏转板8和流体分布器6之间的下部空间15。偏转板8含有一通道9，其被限定为该板中在该设备的上部空间14与下部空间15之间提供流体连通的开口。流体偏转板8用于收集穿过上部粒子床下方的容器截面区域的流体，并在流体以足够大的压降被强迫穿过通道9时发生彻底混合。在一实施例中，可使用多个通道。在一实施例中，该粒子床下方的容器截面面积与通道9的总截面面积之比在5∶1至60∶1的范围内。在另一实施例中，该粒子床下方的容器截面面积与通道的总截面面积之比在15∶1至30∶1的范围内。通道可为任何形状；然而，为便于制造，通常使用规则形状诸如圆形、椭圆形及矩形。通道可以任何常规方式形成，诸如穿过偏转板切割出开口或打孔。偏转板8可包含多个构件，这些构件通过常规方法设置及紧固以形成具有限定通道的一个或多个开口的基本密封的偏转板。通道可完全被偏转板围绕或其可完全横穿该板以使得该通道看起来是如图1所示位于两个偏转板部分之间。虽然如图1所示的单个中心通道足以用于较小直径的圆柱，但是如稍后所详述的，其它构型通常用于工业规模的过程。本文中限定的通道9包括贯穿流体偏转板8的开口以及在上边界5与流体分布器6之间的在该开口上方和下方的空间。使用此定义，可看出该通道可完全横穿该设备的空间V并提供上边界与流体分布器之间的流体连通。
设备空间V通常由一个或多个其它部件部分地占据。例如，可存在一个或多个帮助保持固体阻滞筛(上边界)与流体分布器之间的间隔的支承部件诸如支柱或间隔件。支承部件也可用于提供这些部件与偏转板之间的间隔。还可存在延伸穿过该圆柱的负载支承杆或支承栅格以增强并支承该固体阻滞筛。位于设备空间V内的其它可选的但是常用的部件将在稍后予以详述。
流体分布器6提供穿过该容器的截面区域的流体的分布及再分布以在该容器内维持均匀的速度分布或流体的活塞式流动。此功能对例如维持流体在接触催化剂床以实现所需反应时的均匀滞留时间，或维持运动流体相在与吸附剂接触以在吸附分离过程中实现所需的组分分离时的明确组合物分布很重要。用以改进和/或维持流体的均匀速度分布(活塞式流动)的装置(诸如穿孔板、丝网、栅格、多孔固体、蜂窝状物体及其组合)的设计是本领域的普通技术人员所熟知的，如Perry’s Chemical Engineers’Handbook的前面提及的页数中所表明的，其中压降(K)的速度头的数目约为10。在一个实施例中，流体分布器包含穿孔板和邻近丝网。在另一实施例中，流体分布器为成型金属丝筛网。
流量控制器7与流体分布器6间隔开并位于其下方。本文所使用的术语“流量控制器”是指用于改变流体行进穿过容器或管道的方式(诸如影响速度的平均和波动分量)的任何装置。流量控制器的示例包括丝网、栅格、穿孔板、蜂窝状物体、诸如烧结材料和网状垫板的多孔固体及其组合。流量控制器7用于显著减少或消除流体速度射流和/或扰动，其可由流体分布器6产生或由其引起，并且如果没有流量控制器则对随后的粒子床产生严重干扰。对较低粒子床的干扰可对操作过程产生显著的负面影响，例如使粒子***成小的碎片，这些碎片然后会堵塞粒子床的部分，从而导致不均匀的速度分布(沟道作用)和不可接受的压降。
因此，本混合器-分布器-收集器具有下列最少部件：上边界5、流体偏转板8、通道9、流体分布器6和流量控制器7。本混合器-分布器-收集器设备还要求流量控制器7必须与流体分布器6间隔开，并且流量控制器的开口面积比必须大于流体分布器的开口面积。即，比率OAM/OAD大于1，其中OAM是流量控制器的开口面积比，OAD是流体分布器的开口面积比。这种部件的“开口面积比”在本文中被定义为开口的总截面面积AO除以部件的总截面面积AT，表示为这些截面面积在部件的“主平面”中所占的百分比。部件的“主平面”在本文中被定义为具有最小AO的垂直于总流体流动(方向)的穿过部件的平面。
本混合器-分布器-收集器设备可通过本领域技术人员已知的任何方法来制造和安装。因此，该设备可用能够经受预期的具体工艺的操作条件诸如温度和压力的任何材料构造。该材料还必须与其将接触的流体相容。通常，该设备的所有部件使用相同的材料，但这并非必须的。通常，在较大的容器中，部件中的至少一些是由合适的金属制成以提供支承上部粒子床所需的强度。该设备可通过任何已知装置(诸如容器内壁上的支承环；从容器外壳延伸出的支承梁；和/或垂直支承部件诸如轮轴)支承于容器中。该设备可以多种已知的方式安装。小型容器诸如实验室规模或工作台规模的装置可具有带配件的垂直部分，以使得混合器-分布器-收集器设备可全部***所述部分之间。在工业规模的容器中，该设备通常按适合穿过该容器外壳中的入孔或端口的区段来设计和制造，并且在该容器内部组装。该设备的每个部件都可由多个零件个别组装而成，并且该设备是按层构建。在另一实施例中，该设备是按区段设计，其中每一区段包含该设备的所有层和部件。设置并组装这些区段以形成横过容器的截面的设备。
图2A-2C示出如在设备的上边界正下方的一高度处向下观察容器的这种分段设置的三个示例。即，在图2A-2C中未示出固体阻滞筛以便提供设备的区段如何设置的清晰视图。在图2A中，如圆形截面、容器外壳12和垂直轴线13所示，该容器是圆柱形的。肋板10限定邻近区段之间的侧边界。该装置区段可由任何公知的装置诸如通常以可拆除方式附装于容器外壳的内表面上的支承梁或栅格支承。在十个中央区段以及右弦区段中，通道9示出为贯穿流体偏转板8且为其包围的单个矩形开口。图2A的左侧处的弦状区段示出通道9可弯曲以遵循容器外壳(的形状)。图2B描绘圆柱形容器或圆柱中的混合器-分布器-收集器的另一可能的构型。在该实施例中，一支承轮轴11位于该圆柱的中心。该轮轴通常为与容器的主中心线或垂直轴线13对准的导管。肋板10限定区段的侧壁并且从延伸至在容器外壳的内表面上的粒子床的外边缘的支承轮轴11向外扩展。在一实施例中，所述肋板通过任何已知的方法诸如焊接或螺栓连接附装于支承轮轴和容器外壳的内表面上。肋板10足够坚固以支承混合器-分布器-收集器自身。在图2B中，每一区段的通道9为一完全横穿肋板10之间的流体偏转板8的狭窄矩形开口。可认为流体偏转板包含从轮轴延伸至该通道的内部部分和从该通道延伸至容器外壳的外部部分。在一个实施例中，该通道和中心支承轮轴之间的距离与该通道和容器内表面之间的距离之比介于2.9至1.3的范围内。因此，可使用多个部分来限定该设备的空间V内的流体偏转板8和通道9。在另一未示出的实施例中，通道9可由横穿肋板之间的流体偏转板的两道弧来限定。图2C示出具有正方形截面区域以及外壳12和中心线13的容器内的设备区段的设置。每一区段可具有相同的构型以简化制造和组装。然而，此并非必需的。如通过图2C的左侧所示的各种通道9的构型的示例所说明的，该设备的一个或多个区段可不同。该设备的装置或区段可以任何方式设计，以使得其可经组装以形成横过粒子床下面的容器截面的设备。该设备的每一区段可具有独特的截面形状；然而，将不同区段设计的数目最小化以进行设备设计通常比较有效。
图3A和3B说明本发明的附加细节及实施例。图3A和3B中的视图分别对应于图2A和2B中所标记的剖面线。然而，图3A和3B所示的附加部件表示不同于那些先前论述的实施例的实施例。在图3A所示的实施例中，上边界5包含覆盖一穿孔板17的金属丝筛网16。在此实施例中，每一区段制造成具有其自己的肋板10，以使得邻接区段如图3A所示沿邻近肋板的外表面接合。在另一未示出的实施例中，可在每一邻接区段之间使用单个肋板10。在这种实施例中，肋板可被紧固在容器上且足以支承该设备。例如，从剩余部件预先组装的区段可设置于肋板的底部壁架上。在这些和其它实施例中，如所示出的，限定区段的肋板10或壁可为实心的，而在其它未示出的实施例中，其可具有开口以容许设置于相同平面中的区段之间的流体的混合。图3A中示出的其它可选部件包括管道18和混合箱19。管道18用作按过程需要引入流体或从混合器-分布器-收集器设备的空间V抽取流体的装置。单个以及多个管道至混合器-分布器-收集器的连接是公知的。还已知的是，每一区段可具有其自身的一个或多个管道，并且这些管道可连接于容器内的分布歧管以最小化穿过该容器外壳所需的穿孔的数目。因此，该管道提供该设备的空间与容器外壳之外的其它设备之间的流体连通。虽然管道18可简单地与设备的空间形成开放式连通，但管道18通常连接于至少部分地定位于该设备的空间V内的混合腔室或混合箱19。多个混合箱和/或混合箱内的挡板的使用被认为是其构型的各种变型。在所示出的实施例中，混合箱19位于设备14的上部空间内且覆盖贯穿流体偏转板的开口。在该实施例中，混合箱19中的开口与通道9合作以提供混合器-分布器-收集器的上部空间14与下部空间15之间的流体连通。因此，根据先前给出的通道的定义，可看出混合箱的大部分位于通道9内。即，该混合箱部分地处于该通道内。在其它未示出的实施例中，整个混合箱19处于该通道内或者混合箱邻近于该通道定位。混合箱不需要阻塞流体偏转板中的开口。例如，混合箱的底部边缘可位于流体偏转板之上。在另一未示出的实施例中，混合箱为一位于通道内且与该通道等长的导管或矩形管道。混合箱19应具有至少一个狭槽或其它开口以提供与混合器-分布器-收集器的空间的流体连通。因此，当流体流经该通道时，混合箱为在剧烈混合位置处或其附近添加和/或抽取流体作准备。通过改变流体流动的方向和/或进一步减小流体可利用其从上部空间14移至下部空间15的截面面积，混合箱和/或挡板的放置可用于增加混合强度。当该设备是由区段形成时，该设备的每一区段通常(但非必需)都具有所用实施例的每一部件。该设备的另一可选部件为防溅板20。防溅板20为可在流体穿过流体分布器6(在此实施例中为穿孔板)之前用以减小该流体的垂直动量的无孔表面。在此实施例中，流量控制器7也示出为穿孔板。
视需要，流量控制器7被示出为与流体分布器间隔开。在一个实施例中，流体分布器6与流量控制器7之间的距离为流体分布器6的主平面内的邻近开口之间的平均中心线距离或间距的函数。诸如上边界5、流体分布器6及流量控制器7的部件内的开口的图案及开口本身通常是均匀的，但这并非必需的。可能存在例如归因于制造工艺和/或有意改变的自然差异，以使得开口和/或其图案(布局)的尺寸和/或形状可存在差异。在一个实施例中，这种部件上的开口的平均直径或宽度或跨度介于0.5mm至5mm(0.02至0.2英寸)的范围内。在其它实施例或相同实施例中的其它部件中，这种开口的平均直径或宽度或跨度为0.1mm(0.004英寸)。当然，贯穿不同部件的开口可以显著不同。因此，M在本文中被定义为部件的主平面内的邻近开口之间的平均中心线距离。在此实施例中，流体分布器6的底部与流量控制器7的顶部之间的距离X由比率X/MD来有效限定，其中MD为流体分布器6的主平面内的邻近开口之间的平均中心线距离，且X/MD至少为1。在另一实施例中，当比率X/MD介于2至50的范围内时距离X有效。在又一实施例中，有效距离X由介于4至25范围内的比率X/MD来限定。在某些实施例中，有效距离X在5mm(0.2英寸)至20mm(0.8英寸)的范围内。在其它实施例中，有效距离X在10mm(0.4英寸)至15mm(0.6英寸)的范围内。为改进设备的结构完整性，上边界5、流体偏转板8、流体分布器6和流量控制器7中的每一个通常都附装于肋板。其它未示出的可选部件也是本领域中所熟知的。例如，具有曝露于流体的总方向的较小截面区域的实心零件可用作间隔件以帮助维持设备的部件的所需垂直间隔。
在图3B所示的实施例中，上边界5由成型金属丝筛网限定，其中成型金属丝31具有梯形截面，并且梯形的最大表面接触粒子床且该成型金属丝的相对表面被固定于矩形支承杆32。成型金属丝31和支承杆32可具有任何截面形状，并且在同一丝网中截面形状可不同。在此实施例中，流体分布器6由与上边界相同的成型金属丝筛网制成。在其它未示出的实施例中，这些部件可为具有不同构型的成型金属丝筛网。这些部件也可如前所述具有不同的结构。例如，一个(部件)可为成型金属丝筛网，而另一(部件)为穿孔板，或者一个(部件)为蜂窝状物体，而另一(部件)为栅格。本发明还设想未示出部件的各种定向。例如，蜂窝状物体可具有锥形开口并且定向为具有较小开口的表面位于蜂窝状物体的上表面或下表面上。其它装置亦是如此，在其它装置中，截面轮廓沿高度变化或是不对称的。例如，栅格诸如成型金属丝筛网可定向为成型金属丝或支承杆位于设备的下游侧，并且具有非对称开口图案诸如狭槽的设备可在其水平面中旋转，以使得开口相对于流体速度的水平分量以任何方式定向。在一个这种实施例中，图3B中的成型金属丝筛网可在水平面中旋转90°，从而一类似视图将示出多个支承杆的截面以及单个成型金属丝的侧面。在一实施例中，床内的粒子的平均尺寸为成型金属丝之间的平均开口的尺寸的至少两倍。如图3B所示，当查看此混合器-分布器-收集器的剖面图时，肋板10的内表面是可见的。图3B还示出，对于流体偏转板的两个部分，流体偏转板8可如示出的那样以阶梯形式逐渐变薄，并且流体偏转板8的最薄部分最靠近通道9。在其它未示出的实施例中，流体偏转板8可逐渐变薄，使得其截面在等效视图中整体上为三角形或梯形。管道18示出为通过混合箱19与设备的空间连通。如所示，混合箱19可以是与通道等长且延伸穿过该通道以与设备的上部空间14或下部空间15中的任一个或两者连通的矩形腔室。在此实施例中，流量控制器7被示出为与流体分布器6间隔开的穿孔板。然而，需强调的是，流量控制器可为先前所论述的控制器组群中的任何一个，并且这种器件可组合使用以限定流量控制器。如图3A中的轮轴11的右侧所示的混合器-分布器-收集器穿过容器从轮轴11延伸到容器外壳12的内表面以分隔开环形粒子床2。端板21是可选部件，其可用于进一步改进设备区段的结构完整性。如所示，这些端板21可用于包封邻近轮轴及容器外壳的区段端部。这些端板可为平坦的或弯曲的，以便提供与其邻近的各个表面的弯曲的密切配合。如所示，在图3B中的轮轴的右边，由两个肋板10(仅示出其中的一个)、两个端板21、上边界5和流量控制器7限定的区段可经由支承环22附装于容器外壳12和轮轴11上。在图3A中的轮轴11的左边，示出另一实施例，其中该设备的每一层通过分离的支承环22来附装。当需要在水平层中而非通过区段组装设备时可使用这种实施例。还示出将设备的部件附装到容器的支承环或其它装置可用于获得部件之间的所需间距。图3B还示出本发明的另一可选构型，由此混合器-分布器-收集器与下部固体粒子床间隔开，如空隙空间23所示。在一个实施例中，从流量控制器的底部至下部粒子床的顶部的距离在自3mm(0.1英寸)至38mm(1.5英寸)的范围内。
在一个实施例中，本发明用于SMB吸附分离过程中。本发明的实践不可被认为是关于或局限于任何特定类型的SMB过程或任何特定的吸附剂/解吸剂组合的使用。文献中充分描述了在模拟移动床(SMB)吸附分离的执行中所采用的一般技术。例如，1970年9月出版的ChemicalEngineering Progress(第66卷，第9期)于第70页给出对位二甲苯恢复的总体描述。在R.A.Meyers的Handbook of Petroleum RefiningProcesses，第8-85页至第8-87页，McGraw-Hill Book Company(1986)以及Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology，2002，JohnWiley & Sons，Inc.的吸附、液体分离一节中也描述了模拟移动床技术。在许多可得到的参考文献诸如US 2,985,589中描述了逆流SMB***。利用这些原理的设备的大小可从US 3,706,812中示出的试验厂规模至商业石化厂规模变化，且流动速率在每小时数cc至每小时数千加仑范围内。大规模工厂通常采用具有用于每一管道的端口的旋转阀，而小规模及高压设备倾向于使用仅具有两个或三个端口的阀。本发明还可用于模拟吸附剂的同向运动的SMB吸附分离过程中，如同US 4,402,832和US 4,478,721中所公开的。液体组分的层析分离中的吸附剂和解吸剂的功能和特征是公知的并且可参考US 4,642,397。在一实施例中，流体基本上为液体。
现有SMB处理设备可容易地适合于按本请求保护的发明运作。本发明的实践在设备的运作条件上无需做显著改变。该改变可在SMB过程暂停(诸如为了预定的周转、设备修补或吸附剂重装载)的任何时候进行。在SMB处理设备安全运行至闲置状态后，可卸载吸附剂并移除现有的混合器-分布器-收集器。本发明的新混合器-分布器-收集器可直接安装。或者，可通过添加根据本发明的流量控制器来容易地改装现有的混合器-分布器-收集器。在一个其中现有的混合器-分布器-收集器是由区段组装而成的实施例中，流量控制器可作为最低部件层例如经由间隔件和/或支承件附装到肋板或流体分布器上而添加至每一区段。在另一实施例中，通过将流量控制器附装到现有混合器-分布器-收集器或将其附装到容器外壳，可越过现有混合器-分布器-收集器之下的容器的整个截面来组装流量控制器。
如前文所述，流量控制器的开口面积比OAM必须大于流体分布器的开口面积比OAD。在一个实施例中，比率OAM/OAD为1.5至15。在另一实施例中，比率OAM/OAD为2.0至12。在另一实施例中，比率OAM/OAD为2.5至7。在一个实施例中，由工艺条件和压降(K)的速度头的数目确定的OAD介于1％至20％的范围内。在另一实施例中，OAD介于6％至12％的范围内。在一个实施例中，OAM介于25％至50％的范围内。在另一实施例中，OAM介于30％至40％的范围内。如前文所述，可用于描述流体分布器和流量控制器的另一参数是主平面内的邻近开口之间的平均中心线距离，其分别为MD和MM。在一个实施例中，比率MD/MM小于5。在另一实施例中，比率MD/MM小于3。在又一实施例中，比率MD/MM小于1.5。由于前文定义的主平面内的邻近开口之间的平均中心线距离总为一正数，所以两个平均中心线距离值之比也必须为一正数。
如下进行一组实验以验证本发明的改进的性能。整个***由一直径为457mm(18英寸)的垂直定向的圆柱形树脂玻璃柱组成。通过连接于液体供应槽的泵在环境条件下将液体(水)引入该圆柱的顶部。通过调整将泵连接到该圆柱的管线中的压力来调节并通过流量计来监控液体体积流量。水从圆柱的底部经过一管线再循环至液体供应槽。通过将各种混合器-分布器-收集器置放成使得上边界位于液体入口之下508mm(20英寸)处来评估该混合器-分布器-收集器。在所有测试中，上边界由被栅格支承的美国标准ASTM规格的No.100E-11金属丝筛网组成。流体偏转板类似于图1中描述的流体偏转板，并由两个厚度基本恒定的实心板组成，所述板的弦状截面区域由沿该圆柱的直径延伸的矩形通道分隔开。通道的宽度(流体偏转装置的两个部分之间的距离)为127mm(5英寸)。在所有测试中，一实心矩形块支承于通道内并贯穿通道的整个长度以模仿混合箱。该实心块的每一侧面与流体偏转板的各个侧面之间的间距在3.6mm(0.14英寸)和14.2mm(0.56英寸)之间变化。该实心块通常位于通道的中心，但在一些测试中，实心块距离偏转板的一个边缘比另一边缘近1mm(0.04英寸)。尺寸和实心块的位置的这些变化都不对结果产生显著影响。在这些测试中没有显著影响的另一变量为通道下方防溅板的选择性使用。流体分布器为穿孔板或成型金属丝筛网，其具有如表1中所列的不同参数。具有如表1中所列的参数的各种穿孔板被用作流量控制器。在所有情况下，流体分布器与流量控制器之间的间距均保持恒定为8mm(0.31英寸)。在每一测试中，直径为0.8mm(0.03英寸)的实心球形粒子的高度为51mm(2英寸)的水平床位于混合器-分布器-收集器设备的下方。设备的底部与该粒子床的顶部之间的距离在9.5mm(0.375英寸)至38mm(1.5英寸)之间变化而对结果无显著影响。这些固体粒子在充分吸收水后具有1.8g/cc的密度。有时被称为片密度或粒子密度的此密度是从单个小球的体积和该小球加上所吸收的水的重量计算得到。因此片密度高于体密度，因为体密度由相同的重量确定，但是体积还包括床中不增加重量的小球之间的空隙或间隙体积。该固体粒子床由标称直径为1.5mm(0.06英寸)、高为25mm(1英寸)的玻璃珠床支承，该玻璃珠床搁置在标称直径为2.5mm(0.1英寸)、高为25mm(1英寸)的玻璃珠床上，该后一玻璃珠床又搁置在标称直径为6.3mm(0.25英寸)、高为305mm(12英寸)的氧化铝球的床上。此最后的床由覆盖有位于圆柱底部上方616mm(24英寸)处的美国标准ASTM规格的No.100E-11金属丝筛网的栅格支承。对于每一测试，使所述51mm高的固体粒子床水平，并将混合器-分布器-收集器安装在圆柱内。然后，在不干扰粒子床的情况下缓慢地将水填充入该圆柱。一旦***装满水，就提高耗水率以获得9mm/s(0.03ft/s)的向下平均线速度，并且在视觉上可观察到混合器-分布器-收集器下方的粒子床的运动。如表2中所总结的，对粒子床的干扰是按主观标准来分类。在判定对床的影响后，增加平均线速度并进行另一次观察。如表3中所总结的，该测试的结果清楚地表明混合器-分布器-收集器D尤其是E的改进的性能。
表1
混合器-分布器-收集器参数
Figure GSB00000090119000151
表2
对下部粒子床的干扰程度
  得分   描述
  0   无任何粒子运动
  1   较少运动，限于床的一小部分
  2   由“钻”入床内的孔指示的液体射流
  3   由流化指示的扰动
  4   床内产生的深图案，约25mm或以上
表3
各种混合器-分布器-收集器和流体平均线速度
对下部粒子床的干扰程度

Claims (11)

1.一种混合器-分布器-收集器设备(3)，所述设备位于具有垂直轴线(13)的容器(1)内的固体粒子(2)的上部床与下部床之间，所述设备包括：
用于保持固体粒子的上部床并且容许具有流体速度分布的流体向下流经所述混合器-分布器-收集器设备(3)的上边界(5)；
位于上边界(5)之下并与该上边界(5)间隔开的流体分布器(6)，该流体分布器(6)改善流体速度分布的均匀性；
水平延伸穿过所述容器的截面区域并位于上边界(5)和流体分布器(6)之间且与该上边界(5)和该流体分布器(6)间隔开的流体偏转板(8)；
贯穿所述流体偏转板(8)的至少一个通道(9)，该通道提供上边界(5)与流体分布器(6)之间的流体连通；以及
选自穿孔板、丝网、栅格、多孔固体及其组合的流量控制器(7)；
其中，所述上边界(5)、流体分布器(6)和流量控制器(7)基本上相互平行且基本上垂直于容器的所述垂直轴线(13)地定向，流量控制器(7)位于流体分布器(6)之下并与流体分布器(6)间隔开距离X且具有开口面积比OAM，以使得比率OAM/OAD大于1，其中OAD为流体分布器(6)的开口面积比，所述开口面积比OAM是流量控制器的开口的总截面面积除以流量控制器的总截面面积所得到的比值，而所述开口面积比OAD是流体分布器的开口的总截面面积除以流体分布器的总截面面积所得到的比值。
2.如权利要求1的设备，其特征在于，所述多孔固体为蜂窝状物体。
3.如权利要求1的设备，其特征在于，OAM介于25％至50％的范围内。
4.如权利要求1的设备，其特征在于，OAD介于1％至20％的范围内。
5.如权利要求1-4中任一项的设备，其特征在于，流体分布器(6)和流量控制器(7)之间的距离X由比率X/MD限定，其中MD为所述流体分布器的主平面内的邻近开口之间的平均中心线距离，且比率X/MD至少为1。
6.如权利要求1-4中任一项的设备，其特征在于，比率MD/MM小于3，其中MD为所述流体分布器的主平面内的邻近开口之间的平均中心线距离，MM为所述流量控制器的主平面内的邻近开口之间的平均中心线距离。
7.如权利要求5的设备，其特征在于，所述设备还包括：
管道(18)，该管道用于向设备空间V添加第二流体流和/或从设备空间V抽取第二流体流；
混合箱(19)，该混合箱至少部分地位于设备空间V内并与所述管道(18)流体连通，该混合箱(19)具有提供该混合箱(19)与设备空间V之间的流体连通的至少一个开口；
其中所述设备空间V被限定为所述上边界(5)与流体分布器(6)之间的空间。
8.如权利要求1的设备，其特征在于，所述设备位于模拟移动床吸附分离过程中的吸附剂容器中，所述设备还包括：
与容器的所述垂直轴线(13)同轴的中心支承轮轴(11)；
多个肋板(10)，该肋板从中心支承轮轴(11)水平地辐射至容器壁并至少在上边界(5)和流体分布器(6)之间延伸，以限定上边界(5)、流体分布器(6)和肋板(10)之间的多个区段空间；
所述流体偏转板(8)被分割成多个区，一区位于每一区段空间中，且每一区从中心支承轮轴(11)辐射至每一区段空间的外部部分以限定上边界(5)与流体偏转板(8)之间的上部空间以及流体偏转板(8)与流体分布器(6)之间的下部空间；
所述通道(9)延伸穿过所述流体偏转板(8)，提供区段空间内的上部空间和下部空间之间的流体连通；
混合箱(19)，该混合箱至少部分地位于邻近通道(9)的每一区段空间内，该混合箱(19)具有提供混合箱与区段空间之间的流体连通的开口；
流体传输管道(18)，该流体传输管道固定于混合箱(19)并与混合箱(19)流体连通；
其中上边界(5)包括成型金属丝筛网；流体分布器(6)包括成型金属丝筛网；并且流量控制器的开口面积比OAM介于30％至40％的范围内。
9.如权利要求8的设备，其特征在于，流体分布器(6)具有介于6％至12％的范围内的开口面积比。
10.如权利要求8的设备，其特征在于，混合箱(19)的至少一部分至少部分地位于通道(9)内。
11.如权利要求1或8的设备，其特征在于，距离X介于5mm至20mm的范围内。
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