-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsverteilungs-Wannenvorrichtung, die eine Flüssigkeitsverteilung über der Querschnittsfläche eines der Wanne folgenden Behälters, verbessert. Die Vorrichtung bringt auch die Flüssigkeits- und Dampfphasen in engem Kontakt, um ein Wärme- und Zusammensetzungsgleichgewicht zu erzielen. Die Vorrichtung wird typischerweise in einem Wasserverarbeitungsreaktor eingesetzt.
-
Die meisten der bekannten Konstruktionen von Flüssigkeitsverteilungsvorrichtungen fallen in eine von vier Kategorien. Die erste ist eine Reihenfolge von Rinnen und Überlaufwehren, um systematisch die Flüssigkeit in mehrere Ströme aufzuteilen, bevor sie mit dem Bett in Kontakt kommt. Dieser Typ wird oft in Flüssigkeitskontaktoren oder Gegenstromabsorbern verwendet. Ein Beispiel dieses Typs in dem
U.S. Patent Nr. 5,192,465 beschrieben.
-
Ein zweiter Typ einer Flüssigkeitsverteilungsvorrichtung ist eine perforierte horizontale Wanne. Diese kann oder kann nicht eingeschnittene Wehre um die Perforationen herum aufweisen. Die Wanne kann auch Kamine für Dampfströmung besitzen. Dieser Verteilungsvorrichtungstyp kann für eine grobe Flüssigkeitsverteilung in Verbindung mit einer feineren endgültigen Flüssigkeitsverteilungswanne verwendet werden. Beispiele dieses Typs sind im
U.S. Patent Nr. 4,836,989 offenbart.
-
Der dritte allgemeine Typ einer Flüssigkeitsverteilungsvorrichtung ist eine Kaminwanne. Diese Vorrichtung verwendet eine Reihe von Standrohren, welche typischerweise in einem regelmäßigen quadratischen oder dreieckigen Rastermuster auf einer horizontalen Wanne verteilt sind. Die Standrohre weisen typischerweise Löcher in den Seiten für den Durchtritt von Flüssigkeit auf. Die Oberseiten der Standrohre sind offen, um den Durchfluss von Dampf durch die Mitte der Kamine zu ermöglichen. Einige Konstruktionen verwenden spezielle Fallrohrkamine, um den Großteil der Dampfströmung zu handhaben. Dieser Typ ist aus dem
U.S. Patent Nr. 4,126,540 und
U.S. Patent Nr. 3,353,924 bekannt.
-
Der vierte Typ einer Flüssigkeitsverteilungsvorrichtung ist ein Blasenglockenboden bzw. eine Blasenglockenwanne. Diese Vorrichtung verwendet eine Reihe von Blasenglocken, die in einem regelmäßigen Rastermuster auf einem horizontalen Boden bzw. einer Wanne angeordnet sind. Die Blasenglocke ist eine Blasenglocke, die konzentrisch auf einem Standrohr angeordnet ist. Die Seiten der Blasenglocke sind für eine Dampfströmung geschlitzt. Flüssigkeit strömt unter die Blasenglocke und strömt zusammen mit dem Dampf in den ringförmigen Bereich nach oben und dann durch die Mitte des Standrohrs gemäß Beschreibung in dem
U.S. Patent Nr. 5,158,714 nach unten.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird als ein ”Dampf-Steigrohr-Verteilungsboden” bzw. als eine Wanne bezeichnet. Sie ist horizontal in dem Behälter befestigt. Die Wanne kann entweder eine unterteilte oder zusammenhängende Platte sein. Unabhängig davon, ob unterteilt oder zusammenhängend, sind alle Wannenränder mit Dichtungen versehen oder anderweitig abgedichtet, um eine im Wesentlichen lecksichere Fläche bereitzustellen.
-
Die Wanne ist durch gleichmäßig beabstandete Löcher quer zu ihrer Oberfläche perforiert. Die Löcher können rund, quadratisch, rechteckig sein oder irgendeine anderer beliebige geometrische Form aufweisen. Die Löcher sind optimal in einem beliebigen quadratischen, dreieckigen, radialen oder anderen symmetrischen Muster beabstandet. Wenn die horizontale Wanne unterteilt ist, können die Perforationslöcher optimalerweise in jedem Wannenabschnitt angeordnet sein. In allen Fällen wird ein optimiertes Muster dazu verwendet, um einen im Wesentlichen gleichmäßigen Abstand zwischen allen Perforationen bereitzustellen, und um ein angenähert gleiches Verhältnis der Perforationslochfläche zu der horizontalen Bodenfläche quer zu der gesamten horizontalen Wanne bereitzustellen.
-
Jede Perforation ist mit einer umgedrehten ”U”-förmigen Vorrichtung ausgestattet, welche als ein ”Dampf-Steigrohr” bezeichnet wird. Die Dampf-Steigrohre sind an dem Boden in einer solchen Weise befestigt, dass sie leckdicht sind.
-
Auf der Unterseite der Wanne ist ein Tropfrand für jede Perforation aufgebaut. Dieser wird erreicht, indem man das Dampf-Steigrohr sich durch den Boden hindurch erstrecken lässt, indem ein getrenntes Stück an dem Boden befestigt ist, indem die Wanne nach unten extrudiert ist, oder durch irgendeine andere äquivalente Einrichtung.
-
Die vorstehenden und weiteren Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 stellt eine erste Ausführungsform des Dampf-Steigrohres der vorliegenden Erfindung dar.
-
2 bis 5 stellen alternative Ausführungsformen des Dampf-Steigrohrs der vorliegenden Erfindung dar.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Das Konstruktionskonzept des Dampf-Steigrohrs ist in 1 dargestellt. Ein Schenkel (Abwärtsstromrohr) 1 des umgekehrten ”U” hat eine Öffnung 4 zwischen den Schenkeln. Die Vorrichtung stellt dadurch einen Strömungspfad über die Wanne hinweg bereit – Einlass durch das Ende des kurzen Schenkels, vertikale Strömung durch den kurzen Schenkel, Richtungsänderung an der Oberseite des umgedrehten ”U”, Abwärtsströmung durch den langen Schenkel und Ausgabe durch das offene Ende des langen Schenkels unterhalb der Wanne.
-
Ein vertikaler Schlitz 5 ist in die Seite des kurzen Schlitzes gegenüber dem längeren Schlitz eingeschnitten. Die Oberkante des Schlitzes befindet sich an oder unterhalb der Unterseite der inneren Öffnung zwischen den Schenkeln. Alternativ könnten zwei oder mehr Schlitze in die kurzen Schenkelseiten angrenzend an oder gegenüber dem längeren Schenkel geschnitten sein.
-
Im Betrieb wird ein Flüssigkeitspegel auf der Wanne aufrechterhalten. Der Flüssigkeitspegel des Dampf-Steigrohrs befindet sich oberhalb des unteren Endes des kurzen Schenkels, jedoch unterhalb des oberen Endes des Schlitzes in dem kurzen Schenkel. Dampf tritt durch den Schlitz in den kurzen Schenkel ein und erzeugt einen Druckabfall zwischen der Innenseite und Außenseite des Dampf-Steigrohrs. Aufgrund des geringeren Druckes innerhalb des Dampf-Steigrohres ist der Flüssigkeitspegel innerhalb des Dampf-Steigrohrs höher als außerhalb. Der Dampf und die Flüssigkeit mischen sich in dem kürzeren Schenkel, wobei der Dampf die Flüssigkeit anhebt, so dass sie nach oben und über die Verbindungswand zwischen den kürzeren und längeren Schenkeln strömt. Die Flüssigkeit trennt sich teilweise, während sie über die Verbindungswand und entlang der längeren Schenkels strömt. An der Öffnung unter der Wanne trennen sich die Flüssigkeit und der Dampf weiter, wobei die Flüssigkeit an dem Tropfrand nach unten rinnt.
-
Alternative Konstruktionsversionen des Dampf-Steigrohrs sind in den 2, 3, 4 und 5 dargestellt. In 1 besitzen die Schenkel des umgekehrten ”U” quadratische oder rechteckige Querschnitte. In 2 besteht die Vorrichtung aus einem einzigen runden Rohr 6 mit einer vertikalen Trennwand 7, um die kurzen und langen Schenkel auszubilden. In 3 besteht die Vorrichtung aus einem Paar nicht konzentrischer runder Rohre 8 und 9. Der lange Schenkel ist das Rohr 9 mit dem kleineren Durchmesser, während der kurze Schenkel der ringförmige Raum 10 innerhalb des größeren Rohres 8 ist. In 4 wird eine ”M”-förmige Vorrichtung verwendet, wobei die äußeren Schenkel das Äquivalent zu den kurzen Schenkeln sind und der mittlere Schenkel das Äquivalent zu dem längeren Schenkel ist. Diese Version würde eingesetzt werden, wenn hohe Flüssigkeits- und Dampflasten vorliegen. 5 ist dasselbe Grundkonzept wie 4 mit der Ausnahme, dass der mittige Schenkel ein rundes Rohr ist. In allen Versionen wurde das obere Ende als flache Platte dargestellt. Das obere Ende könnte auch gerundet, kuppelförmig, spitz oder jede andere Geometrie sein.
-
Die bevorzugte Version des Dampf-Steigrohrs ist die in 5 dargestellte Konstruktion. Diese Version kann für einen Betrieb über einem breiten Bereich von Dampf/Flüssigkeits-Lasten ausgelegt werden, behält die geometrischen Beziehungen, die für die Funktionalität erforderlich sind, bei und kann wirtschaftlich und effizient hergestellt werden.
-
Die bekannte Wannenverteilungsvorrichtung ist mechanisch komplex und sehr Ebenheits-empfindlich. Abhängig von der Konstruktion der Übergänge zwischen den Wannen kann die Verteilungsqualität auch gegenüber Verschmutzung empfindlich sein.
-
Die bekannte perforierte Plattenkonstruktion ähnelt der Kaminkonstruktion. Die Kaminkonstruktion wird bevorzugt, da sie für einen breiteren Bereich von Flüssigkeit/Dampf-Lasten ausgelegt werden kann und weniger verschmutzungsempfindlich ist.
-
Der Vorteil einer Dampf-Steigrohrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber der Kaminkonstruktion ist der wesentlich breitere Herunterfahrbereich, welcher mit dem Dampf-Steigrohr möglich ist. Wenn der Flüssigkeitsstrom abnimmt, muss ein korrekt ausgelegter Kamin entweder größer werden oder kleinere in die Seite gebohrte Löcher aufweisen. Aufgrund von Herstellungstoleranzen, Sorgfalt des Einbaus und Auslenkung aufgrund der Betriebslast befinden sich nicht alle Verteilungsvorrichtungen auf derselben Höhe in dem Behälter. Bei demselben Herunterfahrungspegel sind einige Löcher mit Flüssigkeit bedeckt und andere nicht. Dieses führt zu einer ungleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung über der Oberfläche unterhalb der Wanne. Mit einer geeigneten Konstruktion reduziert die Dampf-Steigrohrvorrichtung die Flüssigkeitsströmungsdifferenz zwischen Dampf-Steigrohren bei unterschiedlichen Höhen besser als sie mit einer Kaminkonstruktion erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil des Dampf-Steigrohrs gegenüber der Kaminkonstruktion ist der gesteigerte Kontakt von Flüssigkeits- und Dampfphasen. Der enge Kontakt, der in dem Aufwärtsströmungsabschnitt des Dampf-Steigrohrs auftritt, ermöglicht engere Annäherungon an das thermische und Zusammensetzungs-Gleichgewicht, als es in einer Kaminwanne erzielt würde.
-
Die Dampf-Steigrohrvorrichtung ist im Konzept ähnlich der Blasenglockenvorrichtung, besitzt jedoch mehrere Vorteile. Da die Dampf-Steigrohrvorrichtung kleiner ist, können mehr auf einer Verteilungswanne angeordnet werden, um eine bessere Verteilung der Flüssigkeit zu erzielen. Ferner befinden sich, da typische Abstandsmuster quadratische oder dreieckige Raster sind, üblicherweise Spalte in der Flüssigkeitsverteilungsüberdeckung in der Nähe der Behälterwand. Mit einem kleineren Abstand wird die Größe dieser Spalte kleiner. Der Gesamtbenetzungswirkungsgrad unterhalb der Wanne ist mit einem kleineren Raster als mit einem größeren Raster besser. Die Blasenglockenkonstruktion ist auf einen relativ großen Abstand beschränkt, und weitere Maßnahmen wurden versucht, um den Flüssigkeitsstrom aus der Blasenglocke, d. h., der in dem Shih-Patent beschriebenen Scherungsplatte zu verbessern. Eine Erhöhung der Anzahl der Blasenglocken mit einem verringerten Abstand würde zwar die Anzahl von Verteilungspunkten erhöhen, würde jedoch negativ die Flüssigkeit/Dampf-Strömungsbeziehungen durch jede Blasenglocke beeinflussen.
-
Die Verwendung von mehr Blasenglocken würde die Verkleinerung der Blasenglocken mit entweder kleineren oder weniger Schlitzen erfordern. Die Verwendung kleinerer Schlitze ist nicht praxisgerecht, da es eine minimale Schlitzgröße aus Verschmutzungsgründen gibt. Eine Verwendung von weniger Schlitzen ist nicht erwünscht, da sie zu einer Kanalisierung des Dampfes in dem Ringraum führt und ihn weniger effizient mit der der flüssigen Phase in Kontakt bringt. Ein weiterer Vorteil der Dampf-Steigrohrkonstruktion besteht darin, dass es ihre Einfachheit leichter und preiswerter macht, sie in der von den Prozessbedingungen vorgeschriebenen optimalen Größe herzustellen.
-
In vielen Prozessen, in welchen diese Wanne verwendet wird, z. B. in Wasserverarbeitungsreaktoren, können große Schwankungen in den Dampf- und Flüssigkeits-Phasenraten und den physikalischen Eigenschaften über der Zeit und während Herunterfahrvorgängen auftreten. Aufgrund von Herstellungstoleranzen und der Sorgfalt beim Einbau gibt es unvermeidliche Schwankungen in der Verteilungswannenebenheit. Flüssigkeit, die auf die Verteilungswanne aus einem Einlassverteiler oder einem Abkühlzonenmischer tropfen können ungleichmäßig verteilt sein und können zu Flüssigkeitshöhengradienten über der Wanne aufgrund von Plätschern, Wellen oder hydraulischer Förderhöhe aufweisen. Eine optimierte Flüssigkeitsverteilerkonstruktion unter Verwendung des Konzeptes des Dampf-Steigrohrs ist möglich, welche eine bessere Flüssigkeitsverteilung unterhalb der Wanne erreicht, als die, die für optimierte Konstruktionen von Bodenwannen, einfachen Verteilungswannen mit perforierter Platte, Kamintypverteilungswannen und konzentrischen Blasenglockenverteilungswannen erzielt werden können.
-
Die Flüssigkeitsverteilungswannen dieser Erfindung werden typischerweise in Wasserverarbeitungsreaktoren einsetzt. Indem eine gleichmäßige Verteilung der flüssigen Recktanten über der gesamten Reaktorquerschnittsfläche erzielt wird, wird der gesamte Katalysator auf einem vorgegebenen Pegel gleichmäßig benetzt. Somit arbeiten alle Katalysatoren auf einem gegebenen Pegel mit demselben Wirkungsgrad, was den Gesamtwirkungsgrad des Reaktors erhöht. Zusätzlich hält die gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung gleichmäßige radiale Temperaturprofile über dem Reaktor aufrecht. Dieses führt zu einer Minimierung von Reaktorspitzentemperaturen, was mit der Zeit Verstopfen und die Katalysatordeaktivierungsrate vermindert. Demzufolge arbeitet der Reaktor effizienter und mit einer längeren Zykluszeit. Ertrag wird durch reduzierte Katalysatoranforderungen, höhere Verarbeitungsfähigkeit und/oder längere Zykluslängen erzielt. Die Vorrichtung arbeitet sowohl für den Zweiphasenabwärtsstromreaktor als auch den Kontaktor. Typische Anwendungen wären in der Wasserbehandlung, Wasseraufspaltung, aromatischen Sättigung, katalytischen Entwachsung und Wasserstoffraffinationsreaktoren.
-
BEISPIEL
-
Das Verteilungsverhalten des Dampf-Steigrohrverteilers wurde gegenüber der herkömmlichen Blasenglocke (
U.S. Patent Nr. 3,218,249 , Beispiel IV) bei Atmosphärendruck, Umgebungstemperatur und mit Wasser und Luft getestet.
-
Die in diesem Test verwendete Blasenglocke ist in dem vorstehenden U. S. Patent dargestellt. Die Abmessungen waren wie folgt: Das Steigrohr war ein Stahlrohr mit einem Außendurchmesser von 79 mm, einer Wanddicke von 2,11 mm und einer Höhe von 180 mm. Die Blasenglocke bestand aus einem Stahlrohr mit 111 mm Innendurchmesser mit einer Wanddicke von 2,11 mm und einer Höhe von 129 mm, wobei das obere Ende mit einer ebenen Stahlplatte verschlossen war. Abstandshalter waren in dem ringförmigen Raum zwischen dem Steigrohr und der Blasenglocke angeordnet. Jede Blasenglocke war mit sieben in gleichem Abstand angeordneten Schlitzen von 6,4 mm Breite und 64 mm Höhe ausgestattet. Die vertikale Höhe von dem oberen Ende des Steigrohrs bis zu der Innenwand der Blasenglocke war 19 mm.
-
Das in dem Test verwendete Vakuumsteigrohr ist in 4 dargestellt.
-
Der Test wurde in einem Testgestell mit zwei auf einer Wannenplatte montierten identischen Verteilern durchgeführt. Die zwei Verteiler wurden 10 mm aus der Ebene versetzt montiert. Wasser und Luft wurden der Wanne mit gesteuerten Raten zugeführt. Das aus den zwei Verteilern austretende Wasser wurde gleichzeitig in zwei Behältern über eine bestimmt Zeitdauer gesammelt. Der Inhalt der Behälter wurde gewogen, um den Strom aus dem unteren Verteiler und den Strom aus dem oberen Verteiler zu finden.
-
Die Empfindlichkeit des Flüssigkeitsstroms aus einem Verteiler gegenüber einer Bodenebenheit wurde definiert als:
wobei:
- Wniedrig
- das Gewicht der aus dem unteren Verteiler gesammelten Flüssigkeit ist.
- Whoch
- das Gewicht der aus dem oberen Verteiler gesammelten Flüssigkeit ist.
-
Der Wasser- und Luftstrom zu der Wanne wurden variiert, um die tatsächlichen Dampf/Flüssigkeits-Lastbedingungen in einem Wasserverarbeitungsreaktor zu simulieren. In einem Wasserverarbeitungsreaktor variiert der Dampf/Flüssigkeits-Strom von Einheit zu Einheit in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Öls, der Behandlungsgasrate und der Zusammensetzung und dem Betriebsdruck und der Temperatur des Reaktors. Drei typische Dampf/Flüssigkeits-Belastungsfälle wurden in dem Experiment simuliert: Ein Fall mit hoher Flüssigkeitslast, ein Fall mit mittlerer Flüssigkeitslast und ein Fall mit niedriger Flüssigkeitslast.
-
Auch für einen gegebenen Reaktor ist der Dampf/Flüssigkeits-Strom für den Betrieb bei niedrigerer Reaktortemperatur und frischem Katalysator unterschiedlich (Start of Run: SOR) als für einen Betrieb mit höherer Reaktortemperatur und deaktiviertem Katalysator (End of Run: EOR). Dieser Effekt wurde ebenfalls in dem Test simuliert.
-
Beide Verteilertypen wurden bei den in der nachstehenden Tabelle 1 angegebenen Wasser/Luft-Lasten getestet. Tabelle 1: Testbedingungen
| Hohe Flüssigkeitslast | Mittlere Flüssigkeitslast | Niedrige Flüssigkeitslast |
Hdrv/H | 0,63 | 0,63 | 0,63 |
Qa SOR/Qw SOR | 32,1 | 91,7 | 183,5 |
Qa EOR/Qw EOR | 91,7 | 183,5 | 642,2 |
Qa EOR/Qa EOR | 1,30 | 1,34 | 1,30 |
wobei:
H
dry die durchschnittliche vertikale Höhe (mm) der Schlitze ist, welche nicht von Flüssigkeit abgedeckt wird.
H die gesamte Höhe (mm) des Schlitzes.
Q
a SOR der volumetrische Luftstrom (m
3/h) ist, der in dem Experiment verwendet wird, um SOR-Reaktorbedingungen zu simulieren.
Q
a EOR der volumetrische Luftstrom (m
3/h) ist, der in dem Experiment verwendet wird, um EOR-Reaktorbedingungen zu simulieren.
Q
w SOR der volumetrische Wasserstrom (m
3/h) ist, der in dem Experiment verwendet wird, um SOR-Reaktorbedingungen zu simulieren.
Q
w EOR der volumetrische Wasserstrom (m
3/h) ist, der in dem Experiment verwendet wird, um EOR-Reaktorbedingungen zu simulieren.
-
Das gemessene Verteilungsverhalten in Form von Empfindlichkeit der Flüssigkeitsströmung gegenüber einer Ebenenveränderung von 10 mm gemäß Definition durch Gleichung (1) ist in Tabelle 2 für den herkömmlichen Blasenglocken- und in Tabelle 3 für den Dampfhebeverteiler angegeben. Tabelle 2: Ergebnisse für die herkömmliche Blasenglocke
Empfindlichkeit | Hohe Flüssigkeitslast | Mittlere Flüssigkeitslast | Niedrige Flüssigkeitslast |
SOR | 19,3 | 5,6 | 23,1 |
EOR | 8,1 | 10,0 | 15,7 |
Durchschnitt | 13,7 | 7,8 | 19,4 |
Tabelle 3: Ergebnisse für den Dampfhebeverteiler
Empfindlichkeit | Hohe Flüssigkeitslast | Mittlere Flüssigkeitslast | Niedrige Flüssigkeitslast |
SOR | 1,8 | 0,9 | 0,8 |
EOR | 3,2 | 3,0 | 9,3 |
Durchschnitt | 2,5 | 2,0 | 5,1 |
-
Wie man sehen kann, besitzen die Dampfsteigrohre ein bedeutend besseres Verteilungsverhalten als der Blasenglockenverteiler. Im Durchschnitt ist die Empfindlichkeit der Flüssigkeitsströmung für den Blasenglockenverteiler etwa viermal höher als für den Dampfhebeverteiler.