CN1905927A - 气-液接触塔盘 - Google Patents
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Abstract
一种适于水平地安装在通常竖直的塔中的气-液接触塔盘,所述塔盘包括带有大体上圆形的外周且具有顶表面和底表面的塔板,所述塔板在底表面和顶表面之间设有用于气体的通道,在所述塔板上,由塔板的虚直径线限定了两个半圆形塔盘部分;和总共三个用于将液体从塔板的顶表面引导至塔盘下方的下导管,每个下导管从在塔板中布置的入口延伸至塔盘下方的下导管出口,其中,两个下导管布置在其中一个半圆形塔盘部分的拐角处,以及其中,第三下导管大体上沿垂直于直径线的塔盘半径布置在另一个塔盘部分上。
Description
技术领域
本发明涉及一种适于水平地安装在用于使气体和液体逆流接触的、通常竖直的塔中的气-液接触塔盘。
背景技术
特别地,本发明涉及这样一种塔盘,所述塔盘包括带有大体上圆形的外周的塔板,该塔板具有顶表面和底表面,所述塔板在底表面和顶表面之间设有用于气体的通道,其中,布置有一个或多个下导管,用于将液体从塔板的顶表面引导至塔盘下方,每个下导管从在塔板中布置的入口延伸至塔盘下方的下导管出口。依照本发明的塔盘用于较小直径的塔中时具有特殊的优点,所述较小直径的塔具有的直径为大约1m和以上、尤其是1.2米和以上,且小于大约2m,尤其是1.8m和以下。
在说明书或权利要求书中使用的术语气体应当也指蒸汽。使用的术语液体应当也指气泡。
对高效的气-液接触塔盘的结构来说,直径在1m和2m之间的较小的气-液接触塔存在很多特有的挑战。
在传统结构中,单个弓形下导管布置在塔中的各个塔盘上。弓形下导管是一种下导管入口靠近壁布置以使下导管入口的部分外周沿塔盘的外周(塔壁)延伸的下导管。在竖直的气/液接触塔中,多个这样的塔盘堆叠在一起,其中,连续的塔盘绕塔轴线旋转180度,这样,各个塔盘在与下导管入口直径上相对的液体接收区域接收来自紧邻的高层塔盘的下导管出口的液体。但是,该结构具有缺陷。
一个缺陷是,液体在塔盘上的流动路径较长,约为塔盘直径减去下导管的宽度。虽然这可能首先被认为是一种优点,但是,结果是,正常运行期间,在液体接收区域和下导管入口之间的塔盘上产生了较大梯度的液体高度。由于气体优先在靠近下导管入口的低的液体高度区域中流过气体通道,所以,液体的分布不均削弱了塔盘效率和塔盘容量。而且,在最大的液体高度上,液体会通过气体通道下滴,这限制了塔盘容量。
单个弓形下导管带来的另一个问题是,在塔盘上的液体的流动型式中,所谓的死区形成在接收区域和下导管入口之间一半路程的塔壁附近。死区导致塔盘效率的降低,除非采用专门的手段以改善流动型式。
另一个缺陷是,在塔的高液体载荷的情况下,在不损害塔盘效率的情况下,不可能提供大的下导管入口。液体载荷可以用流动参数 来表示,其中,Vl和Vg分别是每单位时间供给的液体和气体的体积,ρl和ρg分别是液体和气体的密度。在高液体载荷时,流动参数等于或大于约0.1。
为了提供大的下导管入口,例如塔盘的总横截面积的20%-27%或以上,必须使用非常宽的弓形下导管。然而,这样的下导管仍然具有较小的下导管入口长度。在说明书和权利要求书中使用的术语下导管入口长度指的是下导管从塔盘上接收液体的外周的长度。为了提供塔盘上的最小液体高度,该长度通常设置有堰板。所以,即使没有布置堰板,下导管入口长度通常也指堰板长度。
较短的下导管入口长度和较大的下导管入口面积相结合是所不希望的,因为入口长度变成了液体处理容量的限制因素。这导致塔盘上的较大的液体高度,由于较大的液体高度会引起过早的喷流,因此限制了塔盘容量,所以较大的液体高度通常是不希望的。
为了提供更大的下导管入口长度,较小塔中供选择的塔盘结构是所谓的双流程(two-pass)塔盘。在这个结构中,采用了两种交替堆叠在塔中的塔盘。第一种塔盘具有在塔盘上彼此径向相对布置的两个弓形下导管。第二种塔盘具有沿塔盘直径的单个矩形下导管,其平行于相邻塔盘的弓形下导管布置。在这个双流程结构中的液体流动路径长度约为塔盘直径与下导管宽度之差的一半。
双流程塔盘结构也具有缺陷。首先,必须制造两个显著不同的塔盘。第二,一种塔盘的类型通常受到限制,将几乎不可能提供完全平衡的结构。例如,两种塔盘的下导管入口长度是显著不同的。第三,在带有单个直径方向的下导管的塔盘上,在塔盘上方和下方的下导管两侧的塔盘区域之间通常不存在流体连通。所以,在两侧可能形成不同的液位,在塔盘下方没有蒸汽连通,这妨碍了塔盘效率。原则上,流体连通通道可以布置在两侧之间,以缓和蒸汽连通问题,然而,这增加了塔盘的复杂性和成本。
在另一个塔盘结构中,其通常应用于较大塔盘,多个平行下导管布置在塔盘的外周和虚直径线之间。这种塔盘结构的例子披露在美国专利No.6 460 833、No.6 494 440和No.6 588 735中。下导管在两塔盘部分上的布置是相同的,以便一个塔盘部分可以通过绕塔盘的中心旋转约180度转变成另一个塔盘部分。下导管的总数为偶数。在各塔盘部分上,沿垂直于虚直径线的线布置有至少一个大体上矩形的下导管。在各塔盘部分上,在虚直径线和塔盘外周之间的拐角处还布置有一个弓形下导管。两个塔盘部分上的下导管形成交错布置。在虚直径线作为镜子的情况下,塔中的相邻塔盘是彼此的镜像。
下导管在塔盘上的这种布局适用于具有约2m以上直径的较大塔。它也可以应用于较小直径的塔,但是,该结构不得不增加考虑一个限制,即,约为塔盘部分上相邻下导管之间的距离的一半的流动路径长度不能变得太小。这尤其是当需要在塔盘上设置较大下导管入口面积以提供充足的液体处理容量时的情况。对于新塔来说,可以选择较大直径以提供最小流动路径长度,而对于翻新现有的塔来说,这是不可能的。
例如,可计算出:对该已知的布局中的每一塔盘部分上的一个矩形下导管和一个弓形下导管,如果总的下导管入口面积小于塔盘的总横截面积的18%,在比如1.5m直径的塔盘上只能实现比如250mm的、平行于虚直径线的流动路径长度。
本发明的目的是提供一种尤其是在小塔中具有高液体处理容量的气-液接触塔盘,并且使塔盘坚固和高效运行,且制造合算。
发明内容
依照本发明,提供一种适于水平地安装在通常竖直的塔中的气-液接触塔盘,所述塔盘包括
-具有大体上圆形外周的塔板,该塔板具有顶表面和底表面的,所述塔板在底表面和顶表面之间设有用于气体的通道,在所述塔板上,由塔板的虚直径线限定了两个半圆形塔盘部分;和
-总共三个用于将液体从塔板的顶表面引导至塔盘下方的下导管,每个下导管从在塔板中布置的入口延伸至塔盘下方的下导管出口,
其中,两个下导管布置在其中一个半圆形塔盘部分的拐角处,以及其中,第三下导管大体上沿垂直于直径线的塔盘半径布置在另一个塔盘部分上。
本发明提供一种气-液接触塔盘的特别有利的结构,其带有在其中一个塔盘部分的拐角处的两个下导管(以下称“拐角下导管”)和大体上沿塔盘半径的一个下导管(以下称“径向下导管”,即使该下导管不必沿半径的整个长度延伸)。
当将依照本发明的塔盘堆叠在塔中时,其中,相邻的塔盘绕塔轴线相对旋转180度,高层塔盘的下导管在紧邻的低层塔盘上的投影与低层塔盘上的下导管相对于作为镜像轴线的虚直径线镜像重合。上层塔盘的一个塔盘部分中的两个拐角下导管的出口相对于下层塔盘的径向下导管的入口对称地布置,上层塔盘的径向下导管的出口对称地布置在下层塔盘的拐角下导管的入口之间。因而,不需要制造两种塔盘。
下导管在两个塔盘部分中的布置是非常不同的,一个径向下导管对两个半弓形(拐角)下导管。由于这个不对称的缘故,在两个塔盘部分中,下导管入口长度、下导管入口面积、下导管入口长度与下导管入口面积之比一般来说是不同的。本发明之前,人们已经意料到,不对称会导致严重问题,由于液体在两个塔盘部分上的分布不均,限制了塔盘容量和/或塔盘效率。但是,申请人已经认识到,不对称实际上不是一个问题。因为两个塔盘部分之间的流体开口连通,以及因为液体到最接近的下导管的最大流动路径长度不太长的事实,液体在两个塔盘部分之间的任何分布不均不会导致大梯度的液体高度,最大流动路径长度只是约为塔盘直径减去塔板水平线上的下导管宽度(所谓的顶宽)之差的一半。如果需要,可以单独调节两个塔盘部分上的下导管入口长度和/或下导管入口面积,例如,通过适当选择拐角下导管的宽度和形状,和/或径向下导管的宽度,以便获得适当平衡的结构。
适当地,径向下导管的下导管入口面积与两个半弓形(拐角)下导管合起来的下导管入口面积的比在0.75和1.25之间,最好在0.9和1.1之间。
适当地,径向下导管的下导管入口长度与两个半弓形(拐角)下导管合起来的下导管入口长度的比在0.75和1.25之间,最好在0.9和1.1之间。
依照本发明的带有三个下导管的结构提供了液体在塔盘(气泡面积)上的平均流动路径长度,其长度对于即使1m到2m直径的小塔中的良好的气/液接触是足够的,甚至对于具有塔盘总横截面积的20-27%和以上的较大下导管入口面积也是足够的。然而,该结构也适用于减小至8%或更少的较小下导管入口面积,例如,10%或15%。
依照本发明的塔盘具有平行于隔离塔盘部分的虚直径线的下导管入口长度的较大部分。不过,申请人已经发现,液体旁通不是问题。术语液体旁通用于指液体直接从下导管的出口流入下层塔盘的另一个塔盘部分上的最接近下导管的入口中。已经进行了实验来估算拐角下导管之间的液体旁通的影响,其中,高的隔板放置在下层塔盘沿虚直径线的拐角下导管入口的侧面。在正丁烷(n-butane)/异丁烷(iso-butane)分离实验中发现,放置这些隔板没有显著地改善塔盘效率,其中,塔盘效率定义为以汽相获得的质量传输(mass transfer)与平衡质量传输相比的百分比。然而,已发现,当放置隔板时,塔盘容量显著地降低。
与单个弓形和双流程塔盘相比,依照本发明的塔盘的好处是较大的下导管入口长度,其导致塔盘上的低的液体高度,从而产生较高的塔盘容量。
本发明的塔盘可以有利地用于带有相邻接触塔盘的分离塔盘的布置,该分离塔盘设有一个或多个离心分离装置。接触塔板可尤其是与分离塔盘一体形成。
附图说明
现在参考附图将更加详细地描述本发明,其中:
图1示意性显示了依照本发明的气-液接触塔盘的俯视图;和
图2示意性显示了在塔中与分离塔盘在一起的依照本发明的接触塔板的特定实施例。
具体实施方式
参考图1。塔盘1包括带有大体上呈圆形的外周6的塔板5。绕外周布置有支撑环7,通过该支撑环7,塔盘可以水平地安装在竖直塔(未显示)中。塔板具有顶表面和底表面,其中在图1中可看见顶表面8。塔板在底表面和顶表面之间设有用于气体的通道10,所述通道10可以是筛孔、可动阀、固定阀或其他现有技术中已知的气体通道的形式。虽然用于气体的通道10只显示在塔板上的一些位置,但是通道10基本上在下导管没有占据的塔板的全部自由面积上延伸。也可以直接在塔中的高层塔盘的下导管的下面的液体接收区域中布置专门的通道,或者不布置通道。设有通道的区域通常被称为起泡区域。
两个半圆形塔盘部分14、15由塔板5的虚直径线18限定。用于将液体从塔板的顶表面引导至塔盘下方的三个下导管21、22、23布置在塔盘中。每个下导管从在塔板中布置的入口26、27、28延伸至塔盘下方的下导管出口31、32、33。在底板中,出口布置成形成对液体流动的适当限制,在所示的实施例中,出口具有矩形槽36、37、38的形状。在图中可看到,底板具有比相应的入口小的横截面,其由倾斜的下导管侧壁连接在一起,即,所述的下导管就是所谓的倾斜下导管。适当地,所述下导管为所谓的截顶下导管,这就意味着,当塔盘一个在另一个之上地安装在竖直塔中时,底板布置成在塔板上的液体接收面积上方的一段距离上。适当地,截顶下导管延伸至塔盘下方的塔盘间距的50%和90%之间。塔盘间距可被定义为在塔中相邻的两个塔板的顶表面之间的距离。塔盘间距适当地在0.2m和1m之间。
两个下导管布置在半圆形塔盘部分14的拐角41、42中,所述拐角由直径线18和外周6限定。拐角下导管41、42大体上为半弓形下导管。各半弓形下导管的入口26、27由较长的直侧部46、47、较短的直侧部48、49和邻近外周6的弧形后侧部50、51限定。所述较长的直侧部46、47垂直于虚直径线18,较短的直侧部48、49面对且平行于线18。显然,为了节约生产成本,后侧壁还可以用一个平板或多个平板沿遵循所示的后侧部的弯曲形状的折线适当地组合而制成。
第三下导管32布置在另一个塔盘部分15上,大体上沿垂直于直径线18的塔盘半径44延伸。径向下导管32是所谓的矩形下导管,其中,入口28由两个较长侧部53、54和两个较短侧部55、56限定,两个较长侧部53、54平行于半径44,且到半径44的距离相等。所述侧部55以选定的距离平行且面向直径线18。显然,邻近外周6的所述侧部56可以是所示的弯曲的,或也可以是直的,例如,为使生产成本减到最小。
附图还显示了塔中紧邻的高层塔盘的下导管的底板61、62、63在塔板5上的投影。
在塔中塔盘1的正常运行期间,液体将被接收在塔盘1上的投影61、62、63所在的区域。液体大体上流向相邻的下导管的入口,其中,在塔盘上不同位置处的液体的主流动方向由箭头65指出。在液体通过期间,气体经由气体通道10起泡,以便实现气体和液体的密切接触,从而可交换热量和/或物质。
液体由下导管21、22、23的入口26、27、28接收,经由下导管出口36、37、38流到下层塔盘上。各拐角下导管21、22的下导管入口长度分别由各自的长侧部和短侧部46、48;47、49的总长度形成。矩形下导管23的下导管入口长度由所述侧部53、54和55的总长度形成。
下导管的较短侧部占依照本发明的塔盘的下导管入口总长度的较大百分比。在本发明之前认为,由于液体可以容易地从一个塔盘部分上的液体接收区域流到另一塔盘部分的相邻的下导管的入口,即从区域61流到下导管22,从区域62流到下导管21,以及从区域63流到下导管23,这将会大大地影响塔盘效率。这样的影响对拐角下导管来说应当是最大的。与之前已知的所有其他塔盘结构的不同在于,在塔盘部分14中没有矩形下导管,所以,两个拐角下导管构成在该塔盘部分中的所有下导管。
为了研究该影响,进行了在有和没有用来防止区域61和下导管22之间以及区域62和下导管21之间直接连通的高隔板的情况下的试验。如上所述,已观察到,在没有隔板的情况下,对塔盘效率只有很小的影响,但是,在有隔板的情况下,塔盘容量减少很多。平行于直径线的相关的流动路径长度适当选择为高于一预定限制,例如150mm,200mm,250mm,或300mm。
现在将定量地描述依照本发明的塔盘的一个例子,其中将参考图1所指出的部件。该例子中的塔盘具有1500mm的直径。支撑环7具有50mm的宽度,剩余的塔盘有效直径为1400mm。矩形下导管的顶宽(入口侧部55的长度)为356mm,拐角下导管的顶宽(所述侧部48、49的长度)是330mm。所述侧部48、49、55以50mm的距离平行于线18延伸,以允许沿线18放置所需要的支承梁。由同一塔盘部分上的下导管和相邻的液体接收区域之间的平均距离计算出的流动路径长度为281mm,其对塔盘的良好的效率来说是足够长的,而该布局中的下导管的总入口面积相当大,为塔盘横截面的27%。对以前已知的塔盘结构的小直径的塔盘来说,不可能获得类似的流动路径长度和下导管的总入口面积的组合,同时保持适用于高的塔盘容量和效率的下导管的入口长度足够长。依照本发明的塔盘在保持250mm或以上的流动路径长度的同时,可以提供占从1m到2m的塔盘直径的整个范围的15%或以上的相对下导管入口面积,对1.2m和2m之间的塔直径来说,可以提供20%或以上的相对下导管入口面积。
塔盘上的下导管总入口长度为3458mm,其中的1016mm沿虚直径线18延伸。进一步可计算出,矩形下导管23占下导管总入口面积的48%,占下导管总入口长度的47%,其余的部分均匀分布在两个半弓形下导管21、22上。尽管两个塔盘部分上的下导管在几何结构上存在很大不同,但本发明的塔盘可能提供的下导管布局令人惊奇地在两个塔盘部分之间进行了平衡。优选平衡结构,因为它使两个塔盘部分之间的横流(cross-flow)最小。
显然,下导管的形状可以不同于图1所示的例子。例如,为了微调下导管入口长度和下导管面积的比率,可以修正由下导管21的较长的直侧部和后侧部、例如侧部46和50限定的半弓形下导管入口的尖角形状。例如,尖角可以切成平行于侧部48的另一个直侧部,这还会使拐角下导管的制造更简单和便宜。拐角下导管入口的较长侧部和后侧部也可以通过多个直侧部连接在一起。
现在参考图2,将讨论本发明的塔盘的具体应用。在本应用中,依照本发明的接触塔盘与分离塔盘联合使用,其通常的方式和优点披露在美国专利No.5,885,488中。
图2示意性显示了竖直的圆筒形塔100,其中若干依照本发明的接触塔盘103a、103b、103c布置成竖向堆叠排列。除了a、b或c,参考图1已经使用的附图标记指的是相同或相似的部件。大致沿塔轴线显示了塔100纵向截面,其中,塔盘如此布置,即限定半圆形塔盘部分的它们的虚直径线在纸平面内或平行于纸平面。塔盘103a和103c在塔中具有相同的定向,即,相应的下导管布置在彼此的顶上。中间塔盘103b被旋转180度。在附图中,塔盘103a、103c上只有径向下导管23a、23c是可见的,塔盘103b上只有拐角下导管21b、22b是可见的。接触塔盘的下导管,例如塔盘103a的下导管23a布置成将液体从接触塔盘引导到一出口,例如33a,该出口距紧邻的下层接触塔盘、例如103b的起泡区域之上一定距离。起泡区域用短划线指出。
除气-液接触塔盘之外,还安装了分离塔盘113a、113b。分离塔盘113a安装在接触塔盘103a下方,分离塔盘113b安装在接触塔盘103b下方。各分离塔盘设有多个离心分离装置120,所述离心分离装置120分布在相应于上面的塔盘起泡区域的区域上。典型的数量是每平方米起泡面积上有10个到30个之间的分离装置。
除了它们在塔中的定位之外,分离塔盘113a和113b大体上是相同的。分离装置120由板125a、125b支撑,紧邻的高层接触塔盘的下导管穿过所述板125a、125b延伸。各分离装置120包括有涡流管123,所述涡流管123是在其下端具有入口的管状导管,板125a在所述下端处具有相应的开口。在涡流管的内部有涡流产生装置128,适当地,该涡流产生装置128设有叶片,例如诸如披露在国际专利申请公开文献No.WO2004/073836中的涡流产生装置的叶片组件。
涡流管123设有诸如环状的U形回转折流板130的回流裙,所述U形回转折流板130布置在涡流管的上端上方。其他涡流管具有类似结构。
此外,各分离塔盘设有以下导管135、136和137的形式的用于从分离塔盘上除去液体的装置,所述装置从板125a、b的入口向下延伸。例如,分离塔盘113a的下导管135通入下导管21b,所述下导管21b再通到接触塔板103c上。
应理解,可以安装更多的分离塔盘和接触塔盘。在实践中,与塔的最低分离塔盘有关的下导管将通向塔的下部中。
在正常运行期间,气体通过塔的下部(未显示)中的、位于塔盘103c下方的气体入口供给所述塔100。液体通过塔的上部中的、位于塔盘103a上方的液体入口(未显示)供给所述塔100。在塔100中,气体和液体在水平的接触塔板103a、b、c上接触,以交换物质和/或热量,在接触之后,通过塔100的上部中的气体出口(未显示)和塔100的下部分中的液体出口(未显示)将气体和液体从塔100中排出。过多的液体通过下导管21a、b、c,22a、b、c,23a、b、c(不是所有下导管都能在图2中看得见)从接触塔盘103a、b、c排出。一些液体由向上流动的气体所携带。
塔的性能由作为液体流速的函数的最大气体流速决定;其中,最大气体流速是向上流动的气体开始携带液体时的气体流速。分离塔盘113a、b通过减少所述携带来改善塔的性能。
在分离塔盘113a、b的涡流管120中,带有所携带液体的向上流动的气体承受由涡流产生装置所施加的离心运动,液体被向外抛出,主要沿着涡流管的内壁或在涡流管附近向上流动。在涡流管的上端,液体脱离内表面,并被折流板130阻截,并被导向分离塔盘的相应的底板。从那里,液体通过通向紧邻的下层分离塔盘的下导管的下导管135、136、137排出,这样,液体被导入到接触塔盘下方的第二分离塔盘的起泡区域上。
在涡流管的竖直轴线附近向上流动的流体(主要为气体)没有被折流板130阻截,其可以向上朝上方的接触塔盘流动。
连续的接触塔盘之间典型的竖直距离是600mm,但也可以是较短距离,例如300mm。接触塔盘和紧邻的下层分离塔盘之间的典型距离是200mm。在它们被安装在塔中之前,接触塔板可以与紧邻的分离塔盘、例如下方的分离塔盘(在图2中,塔盘103a和113a;103b和113b)一体地形成。
Claims (9)
1.一种适于水平地安装在通常竖直的塔中的气-液接触塔盘,所述塔盘包括
-带有大体上圆形的外周且具有顶表面和底表面的塔板,所述塔板在底表面和顶表面之间设有用于气体的通道,在所述塔板上,由塔板的虚直径线限定了两个半圆形塔盘部分;和
-总共三个用于将液体从塔板的顶表面引导至塔盘下方的下导管,每个下导管从在塔板中布置的入口延伸至塔盘下方的下导管出口,
其中,两个下导管布置在所述半圆形塔盘部分之一的拐角处,以及其中,第三下导管大体上沿垂直于所述直径线的塔盘半径布置在另一个塔盘部分上。
2.如权利要求1所述的塔盘,其特征在于,径向下导管的入口的面积与两个拐角下导管的入口的总面积的比在0.75和1.25之间,优选在0.9和1.1之间。
3.如权利要求1或2所述的塔盘,其特征在于,全部三个下导管的入口的总面积占塔盘总横截面积的20%或以上。
4.如权利要求1-3任一所述的塔盘,其特征在于,径向下导管的入口限定了径向下导管的入口长度,拐角下导管的入口限定了拐角下导管总入口长度,以及,径向下导管入口长度与拐角下导管入口总长度的比在0.75和1.25之间,优选在0.9和1.1之间。
5.如权利要求1-4任一所述的塔盘,其特征在于,各拐角下导管的入口具有平行于虚直径线的侧部、垂直于所述直径线的侧部以及大体上与塔盘外周相一致的侧部。
6.如权利要求5所述的塔盘,其特征在于,大体上与塔盘外周一致的所述侧部至少部分地沿直线延伸。
7.如权利要求5或6所述的塔盘,其特征在于,垂直于所述直径线的所述侧部和大体上与塔盘外周一致的所述侧部由下导管入口孔的一个或多个其他侧部连接在一起。
8.如权利要求1-7任一所述的塔盘,其特征在于,在带有与接触塔盘相邻的分离塔盘的布置中,所述分离塔盘设有一个或多个离心分离装置。
9.如权利要求8所述的塔盘,其特征在于,接触塔盘与分离塔盘一体地形成。
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