CN1308065C - 含液多相流化体系中各相均匀分配装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含液多相流化体系中各相均匀分配装置，在下管箱的底部设置有物料进口，在下管箱的上部设置套管结构，所述套管结构至少由2个管子嵌套组成，本发明主要涉及那些固相密度大于液相的含液多相体系。通过预分布器的设置及主分布器套管结构，可以使多相流体在较短的空间和较小的压降下，达到稳定流化状态，形成等含率体。之后，含液多相体系从套管的不同区域均匀进入到换热管束或反应管束中。加入本发明装置后，改造后的换热设备能够长期、平稳、高效的运转，提高能源的利用率，减少停车和清洗次数，提高经济效益。当用于多管流化床时，易于流化床反应器的工业放大。

Description

含液多相流化体系中各相均匀分配装置

技术领域

本发明涉及一种换热、反应、结晶、萃取及抽提设备，特别是涉及一种多相均匀分配装置。

背景技术

含液多相体系在化工、能源、食品加工等领域有着广泛的应用。如在液-固、汽(气)-液-固循环流化床换热器、蒸发器、再沸器、结晶器、萃取及抽提装置及列管式流化床反应器中的应用。

由于含液多相流化体系中各相物质流动性各异，相间作用力复杂，将各相物质均匀分布到换热管束、反应管束、结晶管束、萃取及抽提管束中一直是一个十分棘手的问题，一直没能找出很好的解决方案。若没有良好的各相均匀分配装置，上述设备就无法正常操作。以固液两相的均匀分布为例，现有的液-固两相分布器主要包括筛板式、泡罩式和隔板式分布器等各种形式。但这些分布器在工业应用中都存在着一些问题，如：液-固两相分布器都是单层板结构，固液两相通过分布板后，还要经过一段较长的距离才能进入均匀流化区。而对于长度较短的下管箱，液-固两相在空间上还没有达到稳定，固体颗粒不能均匀的分配到各管束中。更为严重的情况将会造成整体设备操作的不稳定。若换热管束中的某些管子的固体颗粒较多，管束中固含率较大，则阻力较大，造成管子壁面垢层增加，最终将管子堵死。对于和液-固操作条件相似的汽(气)-液-固三相***，其中的汽(气)泡会加剧整个***的不稳定性。最终，导致整个汽(气)-液-固三相***无法正常工作。即使含液多相体系在自然流的作用下达到均匀的流态化，由于分布板区的高度过高，下管箱的长度增加，也会带来设备的制造费用增加，安装场地扩大等问题。

专利ZL94222825.1，ZL91106682.9中的方法在一定程度上解决了液-固两相均匀分布的问题，但仍然存在一些不足之处，具体表现在：

(1)在ZL91106682.9中，对于液-固两相的均匀分布采用了带侧孔的直管形式。这种结构形式的缺点在于直管和换热管的直径相同。颗粒流在单位时间内的质量流量较大，易造成直管的下端位于固液两相的相界面处。由于液-固两相的相界面处波动较大，各管束入口端压力波动较大，导致各管束中压力降波动也较大，各管束中固含率相差较大。

(2)在ZL94222825.1中，隔板式分布器对于换热管(或反应管)数目较少的换热器(或反应器)可以保持管束中固含率相同，但对于拥有几十或上百根的换热***，由于空间位置有限，结构上过于复杂，实现起来较困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种含液多相流化体系中各相均匀分配装置。

本发明的技术方案概述如下：

一种含液多相流化体系中各相均匀分配装置，在下管箱的底部设置有物料进口，在下管箱的上部设置套管结构，所述套管结构至少由2个管子嵌套组成，所述管子间设置有定位连接装置或外管的内壁和内管的外壁固定连接，管与管之间的相对位置为同心或者是偏心，外管或为换热管、反应管、结晶管、萃取及抽提管之一或为换热管、反应管、结晶管、萃取及抽提管之一的下端与连接管结合而成，内管下管口低于外管下管口，或内管下管口低于中间管下管口，所述中间管下管口低于外管下管口；内管的上管口位于外管的下管口下一倍于外管直径处至外管的上管口之间，或内管的上管口位于中间管的下管口下一倍于中间管直径处至外管的上管口之间，中间管上管口位于外管的下管口下一倍于外管直径处至外管的上管口之间，所述套管结构至少为一个。

所述管子的横截面为圆形或椭圆形或矩形或三角形或棱形或不规则多边形，所述的管子为普通换热管或为带翅片的换热管，所述翅片为纵向形式或横向形式。

所述定位连接装置为连接板或固定杆，所述连接定位装置至少为一个，所述连接板上设置有小孔或环隙，所述小孔的形状为圆形或椭圆形或矩形或三角形或棱形或规则多边形或不规则多边形，所述连接管上设置有连接管小孔或缝隙，所述连接管小孔的形状为方形或圆形或六边形或矩形或规则多边形或不规则多边形。

所述下管箱的下部设置有预分布器。

所述预分布器为组合式预分布器，所述组合式预分布器至少由导流筒、丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板之两种组成，由上到下，组合式预分布器的设置依次为导流筒、丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板设置，或依次为导流筒、多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板设置，或依次为丝网式分布板或板网式分布板、导流筒、多层分布板设置，或依次为丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板、导流筒设置，或依次为多层分布板、导流筒、丝网式分布板或板网式分布板设置，或依次为多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板、导流筒设置，或导流筒、多层分布板设置，或导流筒、丝网式分布板或板网式分布板设置，或多层分布板、导流筒设置，或多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板设置，或丝网式分布板或板网式分布板、导流筒设置，或丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板设置。

在所述预分布器为筛板式预分布器或密孔板式预分布器或泡罩式预分布器或隔板式预分布器或直流式预分布器或侧流式预分布器或管式预分布器或旋流式预分布器或多层板式预分布器或多层分布板或丝网式分布板或板网式分布板或导流筒。

所述连接管上设置有小孔或缝隙，所述小孔的形状为方孔或为圆孔或为六边形或为矩形或其他各种规则或不规则的形状。

一种含液多相流化体系中各相均匀分配装置，在下管箱的底部设置有物料进口，在下管箱的中下部设置有预分布器，所述下管箱的上部设置有与换热管或反应管或结晶管相连接的连接管，所述连接管上设置有小孔或缝隙。

所述预分布器为组合式预分布器，所述组合式预分布器至少由导流筒、丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板之两种组成，由上到下，组合式预分布器的设置依次为导流筒、丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板设置，或依次为导流筒、多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板设置，或依次为丝网式分布板或板网式分布板、导流筒、多层分布板设置，或依次为丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板、导流筒设置，或依次为多层分布板、导流筒、丝网式分布板或板网式分布板设置，或依次为多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板、导流筒设置，或导流筒、多层分布板设置，或导流筒、丝网式分布板或板网式分布板设置，或多层分布板、导流筒设置，或多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板设置，或丝网式分布板或板网式分布板、导流筒设置，或丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板设置。

所述预分布器为筛板式预分布器或密孔板式预分布器或泡罩式预分布器或隔板式预分布器或直流式预分布器或侧流式预分布器或管式预分布器或旋流式预分布器或多层板式预分布器或多层分布板或丝网式分布板或板网式分布板或导流筒。

该装置能够用于化工、动力、造纸、制盐、制冷和食品加工等行业中的换热和反应设备。这类设备包括换热器、蒸发器、结晶器、再沸器、列管式流化床反应器及萃取分离及抽提分离设备。

本发明主要涉及那些固相密度大于液相的含液多相体系。通过预分布器的设置及主分布器套管结构，可以使多相流体在较短的空间和较小的压降下，达到稳定流化状态，形成等含率体。之后，含液多相体系从套管的不同区域均匀进入到换热管束或反应管束中。加入本发明装置后，改造后的换热设备能够长期、平稳、高效的运转，提高能源的利用率，减少停车和清洗次数，提高经济效益。当用于多管流化床时，易于流化床反应器的工业放大。

附图说明

图1为本发明的一种含液多相流化体系中各相均匀分配装置结构示意图。

图2为本发明的套管结构中内外管直接连接的一种结构。

图3为本发明的套管结构中连接固定装置的一种连接杆偏心结构图。

图4为本发明的套管结构中连接固定装置的一种连接杆同心结构图。

图5为本发明的套管结构中一种连接固定装置中连接片或连接板上开圆孔的结构图。

图6为本发明的套管结构中一种连接固定装置中连接片或连接板上开环隙的结构图。

图7为本发明的另一种带筛板式预分器的含液多相体系中各相均匀分配装置结构示意图。

图8为本发明的再一种带组合式预分器的含液多相体系中各相均匀分配装置结构示意图。

图9为本发明中组合式预分布器中多层分布板中第一层分布板的俯视图。

图10为本发明中组合式预分布器中多层分布板中第二层分布板的俯视图。

图11为本发明的套管结构在液一固两相下的工作原理示意图。

图12为本发明的套管结构在液-液两相下的工作原理示意图。

图13为本发明的第二种含液多相流化体系中各相均匀分配装置在汽(气)-液两相下的工作原理示意图。

图14为本发明的多层套管结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步地说明。

一种含液多相流化体系中各相均匀分配装置，在下管箱3的底部设置有物料进口5，在下管箱的上部设置套管结构1，套管结构至少由2个管子嵌套组成，管子间设置有定位装置或外管6的内壁和内管8的外壁固定连接，管与管之间的相对位置关系为同心或者是偏心，外管或为换热管、反应管、结晶管、萃取及抽提管之一或为换热管、反应管、结晶管、萃取及抽提管之一的下端与连接管2结合而成，内管下管口低于外管下管口，或内管下管口低于中间管下管口，所述中间管下管口低于外管下管口；内管的上管口位于外管的下管口下一倍于外管直径处至外管的上管口之间，或内管的上管口位于中间管的下管口下一倍于中间管直径处至外管的上管口之间，中间管上管口位于外管的下管口下一倍于外管直径处至外管的上管口之间，所述套管结构至少为一个。

管子的横截面为圆形或椭圆形或矩形或三角形或棱形或五边形或六边形或规则多边形或不规则多边形，管子为普通换热管或为带翅片的换热管，所述翅片为纵向形式或横向形式。

对于套管间的连接方式，具体结构之一为图2、图3、图4、图5、图6所示。定位连接装置为连接板17或固定杆9，连接板17设置下管口，连接定位装置至少为一个，连接板上设置有小孔18或环隙，所述小孔的形状为圆形或椭圆形或矩形或三角形或棱形或规则多边形或不规则多边形，所述连接管上设置有连接管小孔或缝隙，所述连接管小孔的形状为方形或圆形或六边形或矩形或规则多边形或不规则多边形。

在下管箱3的下部设置有预分布器。

预分布器的形式可以多种形式。

图7所示为筛板式预分器和上部套管结构组成含液体系多相分布装置。

图8所示为组合式预分布器和上部套管结构组成含液体系多相分布装置。组合式预分布器至少由导流筒13、丝网式分布板或板网式分布板14、多层分布板之两种组成，由上到下，组合式预分布器的设置依次为导流筒、丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板设置，或依次为导流筒、多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板设置，或依次为丝网式分布板或板网式分布板、导流筒、多层分布板设置，或依次为丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板、导流筒设置，或依次为多层分布板、导流筒、丝网式分布板或板网式分布板设置，或依次为多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板、导流筒设置，或导流筒、多层分布板设置，或导流筒、丝网式分布板或板网式分布板设置，或多层分布板、导流筒设置，或多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板设置，或丝网式分布板或板网式分布板、导流筒设置，或丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板设置。

在所述预分布器为筛板式预分布器或密孔板式预分布器或泡罩式预分布器或隔板式预分布器或直流式预分布器或侧流式预分布器或管式预分布器或旋流式预分布器或多层板式预分布器或多层分布板或丝网式分布板或板网式分布板或导流筒。

在所述连接管上设置有小孔7或缝隙，所述小孔7的形状为方孔或为圆孔或为六边形或为矩形或其他规则多边形或不规则多边形。

第二种含液多相流化体系中各相均匀分配装置，如图8所示，在下管箱3的底部设置有物料进口5，在下管箱的中下部设置有预分布器，下管箱的上部设置有与换热管或反应管或结晶管10相连接的连接管12，连接管上设置有连接小孔11或缝隙。

预分布器为组合式预分布器，所述组合式预分布器至少由导流筒13、丝网式分布板或板网式分布板14、多层分布板之两种组成，由上到下，组合式预分布器的设置依次为导流筒、丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板设置，或依次为导流筒、多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板设置，或依次为丝网式分布板或板网式分布板、导流筒、多层分布板设置，或依次为丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板、导流筒设置，或依次为多层分布板、导流筒、丝网式分布板或板网式分布板设置，或依次为多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板、导流筒设置，或导流筒、多层分布板设置，或导流筒、丝网式分布板或板网式分布板设置，或多层分布板、导流筒设置，或多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板设置，或丝网式分布板或板网式分布板、导流筒设置，或丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板设置。

预分布器为筛板式预分布器或密孔板式预分布器或泡罩式预分布器或隔板式预分布器或直流式预分布器或侧流式预分布器或管式预分布器或旋流式预分布器或多层板式预分布器或多层分布板或丝网式分布板或板网式分布板或导流筒。

进料口的作用是将物料均匀平稳的输入到下管箱中。预分布器的作用是在较小的压降下，使多相物料迅速形成等含率体或等含率面。等含率体或等含率面是根据各相的物理性质(如密度，组分，大小等)的差异而形成的。套管结构是对各相进行选取的一种合适的结构。

由于多相物系各相性质和流动特性的差异，进料口5的方式的不同对于含液多相体系在下管箱中的流动形式有着重要的影响。为保证在下管箱中多相流动的平稳性，多相物料的进口方式可以采用下注式、上注式、侧面式等不同方式。对于进口速度较大的多相体系，用下注式会使下管箱中的流动更加稳定，各相含率在轴径向上的分布更加均匀。上注式适用于那些易于形成偏流的多相体系。进料口在结构上的对称性保证了流动特性的对称性。对于进口的数目可以根据换热器或反应器的大小和物料的物性参数来确定。对于设备直径较大、物料进口速度高的***采用多点进料。对于设备直径较小，物料进口速度小的***可以采用单点进料。

对于含液多相体系的预分布器，可以根据各相的差异，有选择的借鉴各种分布器。现有的分布器主要包括密孔板、筛板式、泡罩式、直流式、侧流式、管式、旋流式和分支式分布器。预分布器的选择主要考虑压力降，各相分布，各相湍动动能减少程度等因素。由于是多相含液体系，根据工程分形理论，预分布器的结构也应当是复合形式。针对不同相含率、密度的差异确定控制相和从属相，选择不同形式的分布器。多相含液体系经过预分布器后，根据各相物理性质的不同，形成界限分明的等含率体或等含率面。若把汽(气)-液-固三相看成不同直径的“颗粒”，那些密度大，直径大的“颗粒”形成的等含率***于下管箱的下部；那些直径小，密度轻的“颗粒”形成的等含率***于下管箱的上部。在换热器、蒸发器、再沸器、结晶器、列管式流化床反应器及萃取、抽提分离装置中的换热管或反应管构建套管结构，从含液多相体系的等含率体或等含率面内直接提取各相。套管结构的轴向高度和径向直径间的关系由管束中的相含率决定。本发明的第一种结构如图1所示。含液多相物料从进料口5进入下管箱3中，在无预分布器的情况下，含液多相体系在自然流的作用下，经过一段距离之后，形成等含率体或者是等含率面，套管结构直接从等含率体和等含率面直接提取各相，保持各反应管或结晶管或换热管或萃取抽提装置中相含率相同。若在下管箱的下部还可以设置预分布器。图7所示为筛板式分布板预分布板的含液多相体系的分布装置的结构图。含液多相物质经过筛板式预分布板后，能在较短的空间距离内实现等含率体或等含率面。图8所示一种组合式预分布板为含液多相体系分布装置结构图。物料从进料口进入下管箱后经过预分布器的多层分布板后，(见图9和图10)，由于上层板15的上层板孔19的数目多于下层板16的下层板孔20的数目，且成比例对称关系(见图7和图8)，一股流动变成流量相同的多股流动，多股流体再重新分流，形成更多均匀流动的分支流体，最终形成等含率体或等含率面。对于多层预分布板上孔的形式可以是多种形式，或圆形或方形或矩形或三角形或规则多边形或不规则多边形。对于这些孔的排列形式也可以是多种形式，排列方式或为三角形或为转角正三角行或为正方形或为转角正方形以及同心圆。对于图11、图12和图13为液-固、液-液和汽(气)-液三种基本条件下，套管结构工作原理图。对于液-固两相，套管结构的外管6位于固-液两相区，套管结构的内管8位于纯液体区，液体19和液固两相20(见图11)分别从套管结构的内管和环隙两个不同区域进入外管。对于液-液两相，两者由于密度不同，形成轻液层21和重液层22(见图12)，轻液层21和重液层22分别从套管结构的内管和环隙两个不同区域进入外管。对于汽(气)-液两相，由于两者的物理性质差异较大，汽(气)体和液体分别从套管结构的内管和环隙两个不同区域进入外管。对于液-汽(气)两相，原来的结构也可以发生相应的改变，由原来的套管结构形式改为侧壁开孔的直管形式。连接管24的直径和换热管或反应管或结晶管10的直径相同，管上有孔11，孔的位置位于液面之上，汽(气)相23从孔11流入，而液相19从连接管24流入，保证了汽(气)液两相含率相同。上述三种结构为均匀分配装置的基本结构。对于实际的含液多相物系，套管结构都是这三种基本结构的组合。

对于含液多相体系的均匀分配装置，以液-固循环流化床为例，结合附图1到附图14进一步对本发明进行描述。

由图8所示，液固两相流化床物料进口5置于底部中间处，保证了多相流动的对称性。预分布器由多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板14和导流筒13构成。对于多层板的整体结构也相当于一个多层的预分布器，下层挡板是上层挡板的预分布器。而多层板又是筛板式液体分布器、导流筒和多层套管结构的预分布器。多层板另外一个作用是使下管箱中固含率迅速提高。主分布器为套管结构1构成。多层板的层数为1-50层，多层板的面积可以和下管箱直径相同，也可以按一定的规律单调增加，单调减小；或者是先减小，后增大；或者是先增大，后减小。板间距可以一致，也可以单调增加；或单调减小；或者先增大，后减小；或者先减小，后增大的规律进行排列。板上孔19、20的形状(见图9和图10)或圆形或方形或矩形或三角形或规则多边形或不规则多边形。对于这些孔的排列形式也可以是多种形式，排列方式或为三角形或为转角正三角行或为正方形或为转角正方形以及同心圆。对于多层板上部的筛板式液体分布板，直径和下管箱的直径相同，筛孔的大小为颗粒直径的1倍以上。丝网式液体分布板的主要作用是将液体中的大漩涡变成小漩涡，使各相的流动趋于均匀。由于含有固体颗粒，导流筒13的加入应视情况而定。它的作用为限制固体颗粒整体环流。经过预分布器后，液固两相在下管箱中形成具有清晰界面的双层流化区。即密度大，直径大的固体颗粒位于下流化层；密度小、直径小的液体层位于上流化层。通过不同长度的套管结构1，将处于不同层的“颗粒”吸入到换热管束中。使各管束中颗粒和液体的流入量相同，管束中固含率相同。对于含有多于两相的多相体系，套管结构也应当进行调整，套管的数目也要相应的增加，如图14中，6为外管、8为内管、25为第一中间管、26为第二中间管。

Claims (7)

1.一种含液多相流化体系中各相均匀分配装置，在下管箱的底部设置有物料进口，在下管箱的上部设置套管结构，所述套管结构至少由2个管子嵌套组成，所述管子间设置有定位连接装置或外管的内壁和内管的外壁固定连接，管与管之间的相对位置为同心或者是偏心，外管或为换热管、反应管、结晶管、萃取及抽提管之一或为换热管、反应管、结晶管、萃取及抽提管之一的下端与连接管结合而成，内管下管口低于外管下管口，或内管下管口低于中间管下管口，所述中间管下管口低于外管下管口；内管的上管口位于外管的下管口下一倍于外管直径处至外管的上管口之间，或内管的上管口位于中间管的下管口下一倍于中间管直径处至外管的上管口之间，中间管上管口位于外管的下管口下一倍于外管直径处至外管的上管口之间，所述套管结构至少为一个。

2.根据权利要求1所述的一种含液多相流化***中各相均匀分配装置，其特征是在所述管子的横截面为圆形或椭圆形或矩形或三角形或棱形或不规则多边形，所述的管子为普通换热管或为带翅片的换热管，所述翅片为纵向形式或横向形式。

3.根据权利要求1所述的一种含液多相流化***中各相均匀分配装置，其特征是在所述定位连接装置为连接板或固定杆，所述连接定位装置至少为一个，所述连接板上设置有小孔或环隙，所述小孔的形状为圆形或椭圆形或矩形或三角形或棱形或规则多边形或不规则多边形，所述连接管上设置有连接管小孔或缝隙，所述连接管小孔的形状为方形或圆形或六边形或矩形或规则多边形或不规则多边形。

4.根据权利要求1所述的一种含液多相流化***中各相均匀分配装置，其特征是在所述下管箱的下部设置有预分布器。

5.根据权利要求4所述的一种含液多相流化***中各相均匀分配装置，其特征是在所述预分布器为组合式预分布器，所述组合式预分布器至少由导流筒、丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板之两种组成，由上到下，组合式预分布器的设置依次为导流筒、丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板设置，或依次为导流筒、多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板设置，或依次为丝网式分布板或板网式分布板、导流筒、多层分布板设置，或依次为丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板、导流筒设置，或依次为多层分布板、导流筒、丝网式分布板或板网式分布板设置，或依次为多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板、导流筒设置，或导流筒、多层分布板设置，或导流筒、丝网式分布板或板网式分布板设置，或多层分布板、导流筒设置，或多层分布板、丝网式分布板或板网式分布板设置，或丝网式分布板或板网式分布板、导流筒设置，或丝网式分布板或板网式分布板、多层分布板设置。

6.根据权利要求1所述的一种含液多相流化***中各相均匀分配装置，其特征是在所述预分布器为筛板式预分布器或密孔板式预分布器或泡罩式预分布器或隔板式预分布器或直流式预分布器或侧流式预分布器或管式预分布器或旋流式预分布器或多层板式预分布器或多层分布板或丝网式分布板或板网式分布板或导流筒。

7.根据权利要求1所述的一种含液多相流化***中各相均匀分配装置，其特征是在所述连接管上设置有小孔或缝隙，所述小孔的形状为方孔或为圆孔或为六边形或为矩形或其他各种规则或不规则的形状。

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