专利名称：用于气液接触塔的蒸汽分配器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种蒸汽分配器系统，其用于更有效地在塔内混合以及均勻地分配蒸汽流。本发明使得更好地混合供给物的流，其包括占优势体积百分比的蒸汽(这里称为“蒸汽”)，其横向地供给到一个塔内，其中在该塔内具有竖直蒸汽流，例如位于炼油厂的大直径真空蒸馏塔的中间。
背景技术：
在历史上，在分馏塔中和在特别大容量大直径的分馏塔中提供均勻的蒸汽分配， 是在设计高性能的塔过程中最具有挑战性的方面之一。这样的实例包括在炼油厂的真空蒸馏单元(VDU)的闪蒸段中进行蒸汽分配。对于所有分馏塔而言，特别是对于大直径的塔而言，需要对蒸汽入口装置及其内部装置进行创新性设计。还认识到这种设计也可以用于多种类型的其他应用场合中。已经做出了几个创新性设计，来克服保证良好混合的问题。Muller在美国专利 4，770，747 (1988)中描述了一种用于将蒸汽流切向地供给到大气塔或真空塔中的入口角， 以便提供入口蒸汽流的分配以及提供所述入口蒸汽流中的任何被夹带液体的分离。叶片用于使所述流的蒸汽组分以受控制的方式进行偏向。Lee等在美国专利5，106，544(1992) 中描述了一种入口角的组合装置，所述入口角包括具有定向流动叶片的360°环形壳体。Hsieh等在美国专利5，605，6M(1997)中描述了一种蒸汽分配器，其包括环形壳体， 所述环形壳体具有以被分配的方式供给所述蒸汽流的一系列端口。Laird等在美国专利 6，889，961 (2005)中描述了一种修改的蒸汽分配器，其在下部的中间过渡区段具有挡板，以减小所述供给物的漩涡，并且因此改善分配性能。Laird等在美国专利6，889，962 (2005) 中描述了一种环形的入口蒸汽角，其所述入口蒸汽角使入口供给物进行循环，以便去掉所夹带的任何液滴，同时使入口流横跨整个塔进行更均勻的分配。Lee等在美国专利 6,948, 705(2005)中描述了一种气液接触设备，其中气体流(例如水汽)经由环形蒸汽角被供给到塔内。Laird等在美国专利7，104，529 (2006)中描述了一种蒸汽分配设备，所述蒸汽分配设备的蒸汽角包括一系列叶片，所述叶片的尺寸随着离所述蒸汽分配器的入口喷嘴的距离而增加。在具有蒸汽角的大多数装置中，所述入口流是单向的，并且在蒸汽供给物上具有旋流效应。挡板或叶片用于使所述入口流的循环流动进行重新定向或中断。Yeoman 等在美国专利5，632，933 (1997)中描述了一种环形的双向气体流动装置，其在所述壳体的内壁具有多个出口，以及具有一系列的流动定向叶片用于使入口蒸汽流横跨所述塔的整个宽度进行分配。
发明内容
本发明提供了一种新颖的蒸汽分配器，其中主要蒸汽的横向供给的第一供给物被分成两个流。所述横向供给在通向所述蒸汽入口装置(或入口角)的入口处分割成两个流， 所述两个流又在相反方向上沿着两个各自的壳体行进。相反地，现有技术的蒸汽分配器通常具有沿单个壳体供给的单个蒸汽供给流。在本发明中，叶片被安装成使每个流进行重新定向，以便影响或实现所述横向(第一)供给物的分配。所述壳体是根据所述各自的流而成比例的，并且具有相应的不同数量的叶片。所述创新性设计利用塔截面区域的蒸汽入口装置来有效地减小了当量面积或阻塞。结果使得，在该区域中的C因子不会如同使用现有技术的蒸汽分配器那样地经历相同的增加。在所述第一蒸汽供给物中的液滴被旋流地引导到塔壁上，并在此处向下流动。因为受控的切向力有助于从所述第一蒸汽供给物处分离液滴，所述反向流动设计使得重新夹带变得最小。横向流和回混(或返混)都得到减小。在所述蒸汽分配器系统的第二实施例中，所述新颖的蒸汽入口装置被联接到附接的混合器和气体引导板，以便进一步改善混合和分配性能、使旋涡破碎以及使横向流动得到最小化。
结合附图并参照下面的描述，能够更完整地理解本发明以及其其他的目的和优
点ο图Ia是具有蒸汽入口装置的现有技术的蒸汽蒸馏塔一部分的透视图；图Ib是图Ia中所示的蒸汽蒸馏塔的一部分的侧视图；图加是图Ia中所示的现有技术的蒸汽入口装置的透视图；图2b是图加中所示的现有技术的蒸汽入口装置的俯视图；图3a是根据本发明的蒸汽入口装置的透视图；图北是图3a中所示的蒸汽入口装置的俯视图；图如是根据本发明蒸汽分配器设计的实施例的透视图，其中结合有图3a中所示的新颖的蒸汽入口装置、图5中所示的混合器以及图6中所示的气体引导板；图4b是图如所示的蒸汽分配器设计的侧视图；图5显示用于分散和混合的混合器的透视图、俯视图和侧视图；图6显示气体引导板的细节；图7a是具有现有技术的蒸汽分配器、混合器和气体引导板的塔的立体图；图7b是图7a中所示的蒸汽分配器设计的侧视图。
具体实施例方式现在参照图1至图7描述本发明的示例性实施例，其是非限制性的。在每幅附图中，相同的附图标记表示相同的部件，但当必须区分该部件的不同设计之间的区别时，相同的附图标记将组合使用不同地修改字母，例如附图标记22、22a、22b、22c。参照图1和图2，蒸汽蒸馏塔10具有蒸汽分配器22。蒸汽分配器22在所述蒸汽蒸馏塔10的底部区段16上方包括真气入口管12和蒸汽入口装置14，也称为蒸汽角(或蒸汽口)。蒸汽入口装置14例如利用多个结构构件19被紧固到蒸汽蒸馏塔10的罩体52 上。本发明的蒸汽分配器22的设计效果是通过利用直接位于小径区段20上方的较大直径的塔10的性能模拟来确定。综合计算流体力学(CFD)建模被用于分析蒸汽分配器22的不同实施例的性能。首先，分析典型现有技术的、具有蒸汽入口装置14的蒸汽分配器22 的性能。接着，确定具有新设计的入口装置Ha的、增强新颖设计的蒸汽分配器2 的性能。 然后，分析第二实施例的蒸汽分配器22b，其具有入口装置1 和创新性的混合/分散装置 80以及均衡板82，所述均衡板82用作蒸汽流动矫直器和有助于改善分配。对于如下所述的、蒸汽供给物在大气压或真空塔中进行混合和分配的最佳解决方案，这些部件中的每一个是可选地进行进一步修改。在此，通过喷嘴入口装置及其内部部件的新设计来实现特定的目标，所述特定的目标是 开发一种新颖的、改善的机械设计，以使塔的截面面积对蒸汽流动的阻塞最小； 使分配到某一区域(例如上方的填料床)处的蒸汽中所夹带的液滴最小，因为过量的夹带会污染位于蒸汽分配器上方的、任何填料床下方的侧吸入制品；以及 在第二供给物74上升到闪蒸段32上方时，优化进入塔10内的第一供给物34 与第二供给物74的分配和混合。这些目标通过对不同蒸汽分配器设计的分析性CFD仿真来实现，其中可对所述设备进行和不进行附加的修改。仿真实例研究的目的在于，综合评估现有技术的蒸汽入口装置14(实例1)、具有新设计的入口装置14a的蒸汽分配器22a的第一实施例(实例2)，以及具有蒸汽分配器22b的完全重新设计的设备(实例幻，所述蒸汽分配器22b具有新设计的入口装置14a以及混合装置80和均衡板82。最后，对现有技术的、具有蒸汽入口装置14 的蒸汽分配器22c的进一步实施例(实例4)进行研发，以进一步验证所述新颖的技术。具有蒸汽入口装置14的现有技术蒸汽分配器22具有下述特征。参照图加，现有技术的蒸汽入口装置14被封装在罩体52内的、几乎360°的单个壳体42中，所述蒸汽入口装置14沿着蒸汽流动的路径(其方向由箭头46所示)截断。也就是说，现有技术的入口装置14的横截面区域沿着所述装置稳定地减小，从而蒸汽渐增地进行分配。罩体52通常地、但非必要地是塔10的壁的内表面。利用一个喷嘴(其尺寸被确定为使供应物通过这样一个大小的塔)，在蒸汽流动上升到壳体42上方时，蒸汽入口装置14壳体的阻塞会限制蒸汽流动的面积。结果使得，蒸汽性能因子或C-因子(即，基于蒸汽与液体的表面蒸汽速度和物理性能而在塔内进行加载的蒸汽的指示值)在蒸汽入口装置壳体42的高程处变得更大。遍布所述蒸汽入口装置分布的多个向下的叶片50在间隔高程位置处时相交错布置，用于蒸汽分配以及与从下方升起的第二供给物74相混合。第一供给物34以高速进入蒸汽入口装置14，并且沿一个方向46围绕闪蒸段32的锥形区段旋流式地进行流动。第一供给物34所受到的较大切向力导致蒸汽撞击着顶部蒸汽剥离盘38，其会引起黑油夹带和盘的过早溢流。叶片50的布局导致在若干的第一叶片 50处分配良好，而蒸汽在现有技术的蒸汽分配器22中的最后若干叶片50处不能良好地分配。仿真研究表明，当蒸汽上升到现有技术的蒸汽入口装置14上方时，回混和横向流动在进入所述收集器盘时占优势。剥离蒸汽的第二供给物74从剥离盘38进入闪蒸段32，并且由于第一供给物34的力的原因而成中央涡流地进行涡旋。因于第一供给物34的较强作用力，在第一供给物34与第二供给物74之间存在强迫混合，并且因此在图Ia和图Ib所示的现有技术设计中存在高概率的重新夹带(其由未扩散的较高局部供给气体速度引起的)。在对现有技术的蒸汽分配器22的CFD仿真中所发现的第一供给物34和第二供给物74的流动轨迹表明，未充分的混合和横向流动导致在现有技术的蒸汽入口装置14的上方区域中存在较差的分配。参照图3a和图北，具有新设计的蒸汽入口装置14a的、本发明蒸汽分配器22a的结构不同于现有技术的蒸汽分配器22的结构。图如和图4b显示所示实施例的设计的细节。图3a是新蒸汽分配器22a的壳体 42a的设计简图。与现有技术的实施例中的单个壳体42相反，壳体4 在新颖的实施例中分成两个壳体60、62。通过产生受控的相反力，分立的壳体设计导致第一供给物34的动量显著降低。实质上，第一蒸汽供给物34在入口 4 处分成两个单独流70、72，这两个单独流 70、72然后由分隔喷嘴4 流入相应的分隔壳体60、62中。由图3a和图北所示的实施例可以看到，壳体60、62优选具有不同的尺寸，以容纳或适应不同的流70、72。应当认识到，壳体60、62具有不同的比例或尺寸，并且可以具有相应不同数量的叶片50a。这种包括有分隔的壳体60、62的创新性设计，是利用蒸汽入口装置1 来有效地减小了等同区域或减小了阻塞。当与现有技术的实施例中由单个壳体42引起的阻塞相比，在相同的入口喷嘴和塔尺寸的情况下，新颖的蒸汽分配器2 的阻塞通常减小超过30%。这样，即使利用显著更大的喷嘴入口 44a以适应或容置全部的流动，在利用图3a和图北所示的新设计时也不会牺牲塔10的横截面区域，换句话说在那个区域中的C因子不会遇到在图加和图2b所示的现有设计中那样的显著增加。因此，本发明能够使得塔设计具有增加尺寸的喷嘴入口 44，而无需扩大塔10的直径，并且不引起所述塔10的横截面区域阻塞的任何增加。在现有技术中，第二供给物74从下方的剥离盘38进入闪蒸段32，并且由于第一供给物34的力的原因而在成中央涡流地进行涡旋，结果使得第一供给物34和第二供给物74 之间的交互作用受到限制或者混合变差。在根据本发明的新蒸汽入口装置1 中的每个叶片50a被设计成优化流动转向和混合，以便均勻地分配第一供给物34，并且与遍布塔10的所述部分的整个横截面区域的第二供给物74进行均勻混合。所选择的叶片50a能够根据空气动力学设计来定制，以便阻止第一供给物34撞击着下方的剥离盘38。在新颖的蒸汽入口装置1 中的所有叶片50的组合会均勻地将第一供给物34分配到整个壳体42a。CFD仿真表明，与现有技术的设计相比，分配质量存在明显的改善。遍布整个接触塔(contacting column) 10 (其具有新颖的蒸汽入口装置1 和定制的空气动力学设计的选定叶片50a)的改进分配质量的组合，会导致由于第一蒸汽供给物34的切向力作用而使得大部分供给液滴被推向塔壁罩体52的严重程度被减轻(与现有技术相比)。 随后，在第一供给物34中的液滴会向下流到剥离区段30，而不撞击着剥离盘38。受控的切向力有助于从第一供给物34中分离液体微粒，因而减少夹带。最后，当组合的第一供给物34和第二供给物74上升到新颖的蒸汽入口装置1 上方和进入到上面的区域时，横向流动和回混得到减少。蒸汽分配器系统22b的第二实施例具有新颖的蒸汽入口装置14a，其与混合器80 和板82相联接。与仅使用实施例2 相比，第二实施例的蒸汽分配器系统22b具有增强的性能。所述增强的设计或性能具有下述特征，并且代表一种优化的系统。在图5中显示，混合器80位于壳体4 水平面的上方、下方或位于壳体4 水平面处。混合器80是由十字形的竖直挡板81与位于挡板81每一侧上的多个倾斜的蒸汽引导叶片83制成。蒸汽引导叶片83朝相反的方向推动蒸汽，一侧向内地(附图标记84)朝向塔中央推动蒸汽，而另一侧向外地(附图标记8 朝向罩体推动蒸汽，蒸汽引导叶片83 可以是平板或波纹板。混合器80将上升的蒸汽均勻地驱散至整个塔横截面，并且用作静态混合装置和涡流破碎器，以使得居中的第二供给物74与第一供给物34相混合和分散。混合器可以使用或不使用辅助(或第二)的竖直蒸汽流74。参照图6，多个Z形(附图标记87)的蒸汽引导板82—般位于蒸汽分配器22b上方。所述引导板82对称地穿过塔10的中心线，用作蒸汽“矫直器”以阻止横向/水平的流动，并且最终均衡分配蒸汽到蒸汽入口装置Ha上方的区域。图如和图4b显示蒸汽分配器22b的实施例，其包括新颖的蒸汽入口装置14a、混合器80和板82的组合。参照图7a和图7b，蒸汽分配器22c的第三实施例具有现有技术的蒸汽入口装置 14与混合器80、板82的组合。CFD仿真表明，包括有混合器80和板82的实施例的类似效果独立于使用新颖的蒸汽入口装置14a。当使用本发明的实施例22b时，混合器80有效地使得上升的蒸汽进行混合和分散，板82用作蒸汽“矫直器”，以阻止横向/水平流动以及均衡分配。总之，根据本发明的新设计的蒸汽分配器在气液接触或蒸馏塔的操作过程中提供了几个优点。 将横向供给的蒸汽流划分成在相反旋转方向上进行流动的两个流，并且因此当它们相互作用时减小每个彼此的转动动量，减小相混合的供给物的旋流涡旋，因此减小蒸汽流在沿壁向下流动的液体上的力，并且从而阻止或减小液体的重新夹带以及在下方的盘式部分中的过早溢流。 经由蒸汽分配器被引入的横向供给物的旋流动作，使在任一供给物中被夹带的任何液滴得到有效的分离。 与现有技术的蒸汽分配器相比，使得输入蒸汽流横跨所述塔的整个横截面区域得到增强的混合和分配。引用的参考文件美国专利文献专利号申请日申请人分类号
71045292006 年 9 月Lairdetal.261/79.2
69487052005 年 9 月Leeetal.261/79.2
68899622005 年 5 月Lairdetal.261/79.2
68899612005 年 5 月Lairdetal.261/79.2
56329331997 年 5 月Yeomanetal.261/109
56056541997 年 2 月Hsiehetal.261/79.2
51065441992 年 4 月Leeetal.261/79.2
47707471988 年 9 月Muller202/17权利要求
1.一种用于气液接触塔的蒸汽分配器，其中，第一蒸汽供给物被横向地供给到所述气液接触塔中；第二蒸汽供给物从所述蒸汽分配器下方的所述气液接触塔一部分处竖直地上升；所述蒸汽分配器具有蒸汽入口管，所述蒸汽入口管的喷嘴将第一蒸汽供给物供给到蒸汽入口装置，所述蒸汽入口装置包括两个壳体和多个叶片；所述喷嘴被分成两个开口，其中第一开口将所述第一蒸汽供给物的一部分引导为沿第一壳体行进的第一流，第二开口将所述第一蒸汽供给物的其余部分引导为沿着第二壳体；所述两个壳体紧邻所述气液接触塔的壁进行安置，并且在所述气液接触塔的内部周围沿相反的方向水平地行进，以使得所述第一蒸汽供给物的第一部分和第二部分的流动方向也是相反的；以及所述叶片对所述第一蒸汽供给物的流动进行重新定向，以便第一蒸汽供给物被分配横跨过所述气液接触塔的横截面区域。
2.根据权利要求1所述的蒸汽分配器，其特征在于，所述第一蒸汽供给物被划分成两个分离的流。
3.根据权利要求1所述的蒸汽分配器，其特征在于，所述第一壳体和第二壳体是成比例的，以容纳所述第一蒸汽供给物的、成比例的第一流和第二流。
4.根据权利要求1所述的蒸汽分配器，其特征在于，所述叶片具有逐步不同的尺寸，以便增强在每个叶片处进行混合和蒸汽分配的能力。
5.根据权利要求3所述的蒸汽分配器，其特征在于，在所述第一壳体和第二壳体每一个中的叶片的数量是成比例的，以便适应所述各个流的不同流动。
6.一种蒸汽分配器装置，其是蒸汽分配器和蒸汽混合器的组合，其中所述蒸汽分配器是选自现有技术的蒸汽分配器和根据权利要求1所述的蒸汽分配器中的之一，所述蒸汽混合器紧固在蒸汽分配器的邻近，以用作静态混合器、分散装置和涡流破碎器。
7 一种蒸汽分配器装置，其是蒸汽分配器和气体引导板的组合，所述蒸汽分配器是选自现有技术的蒸汽分配器和根据权利要求1所述的蒸汽分配器中的之一，所述气体引导板被紧固到紧邻位于蒸汽分配器上方的盘的底部上或被紧固到分配器顶部上，以使得横向流动最小，从而导致蒸汽更均勻地横跨所述盘的整个宽度进行分配。
8.一种蒸汽分配器装置，其是蒸汽分配器、蒸汽混合器和气体引导板的组合，所述蒸汽分配器是选自现有技术的蒸汽分配器和根据权利要求1所述的蒸汽分配器中的之一。
全文摘要
一种用于大气压或真空塔中的蒸汽分配器，包括蒸汽入口装置(或者蒸汽角)的新设计，以提供切向的第一供给物和垂直的第二供给物的较好混合和分配。新颖的蒸汽入口装置具有将所述第一供给物分隔成两个部分的入口，每一部分在各自的壳体中沿相反的循环方向流动，以及具有多个用于重新定向蒸汽的叶片。利用蒸汽分配器进行的供给物的混合和分配，可通过在蒸汽分配器中包括有混合器和蒸汽定向板来得到进一步的提高。
文档编号B01F3/04GK102458626SQ200980159818
公开日2012年5月16日 申请日期2009年11月10日 优先权日2009年4月29日
发明者A·B·阿努阿尔, A·T·李, F·G·塔玛西, L·翁, M·R·B·A·拉赫曼, Z·卡亚特 申请人:Amt国际有限公司, 马来西亚国家石油公司