专利名称：混合流体的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明的领域涉及流体的混合和分配。
背景技术：
很多工业工艺涉及流体的混合，特别涉及催化反应器和大型分馏塔的流体混合。这种混合通常不是一件简单的事情，特别是在流体为多相时(例如液体和气体/蒸汽)，以及需要快速混合大量体积时。现在已知许多混合装置，在Jacobs等人的美国专利6098065(2000年8月公布)说明其中一些装置，此专利已作为参考文献整个包含在本文中。Jacobs等人提出了若干改进，其中一些改进涉及在分配板上间隔开的泡帽。
泡帽一般包括立管和帽，这些立管和帽配置成使流体可以在帽和立管之间的空间中向上流动，然后反向向下流，穿过立管中的通道。在不存在涡流控制器时，该液体流动路径一般为倒U形形状。该泡帽一般固定在分配板上，穿过立管的通道与分配板内的孔汇合。这些泡帽通常包括许多侧部槽口，这些槽口构成气相进入立管和帽之间环形空间的入口。该气体夹带存在于环形空间内的液体。例如可参考Shih等人的美国专利No.5158714(1992年10月)，该专利已作为参考文献整个包含在本文中。
必须由某种机构来保持立管相对于帽的位置。为此目的，已知采用悬臂或者其它间隔器。例如可参考Nelson等人的美国专利No.5989502(1999年11月)和Heath等人的美国专利No.4305895(1981年12月)，其中各个专利已作为参考文献整个包含在本文中。在过去，这种间隔板总是做成最小尺寸，以降低成本和尽量减少对流动的影响。因此，先有技术的间隔板只起定位作用，实际上无助于流体的流动或者混合。
裙部高度已证明显著影响流体的流动和混合。例如可参考Bolles，William L.的论文“最佳泡帽塔盘设计”，这是一篇连载论文，连载于“Petroleum Processing”的Vol.11，No.3，pp 82-95；Vol.11，No.4，pp 72-79，Vol.11，No.5，pp 109-120，这些论文已作为参考文献整个包含在本文中。在此连载论文中，Bolles提出了通常用在蒸馏塔中的那种泡帽的设计方法。在这种塔中，蒸汽向上流过泡帽塔盘，而流体横向穿过该泡帽塔盘。这种流动通常称为对流。在Bolles的论文中(Vol.11 No.3，p.87)推荐的裙部高度为0.5-1.5英寸，并提出较大的裙部高度是不利的。但是对于大于1.5英寸的裙部高度，确实没有本申请人意识到的任何说明、推荐或者动议。
相反，Ballard等人(美国专利No.3218249)说明应用泡帽作蒸汽和液体平行向下流的混合和分配装置。Ballard等认为，可以采用在分配盘上面任何距离的裙部高度，“……只要流过下降管的气流不被封隔；合理的范围可从相当于在盘上面实际上为零距离的高度到盘上面约1英尺的距离。”Ballard等人还认为，“……由于重力作用而与蒸汽相脱离的液相将流到盘上，达到低于下降管罩中槽口深度的液位，这种液位主要由每个帽的气流速度确定。当然需要一些槽口开口露在液面的上面，以便使蒸汽流过。在帽没有槽口时，基于同样的理由，在盘上的液位将低于帽的下边缘。在使用无槽口的帽时，必须在该下边缘和盘之间保持一定间隙，以便使气体和下面的液体流过”。很明显，由Ballard等人提出的裙部高度尺寸范围特别适用于无槽口的帽，因为通过将裙部高度减少到实际为零的距离也不能阻塞蒸汽流过有槽口的帽。但是该专利中没有说明适用于有槽口泡帽的具体尺寸范围。
Shih等人(美国专利No.5158714)采用分散板来改进流出立管的液体分配。Gamborg等人(美国专利No.5942162)应用一种改型的有槽口泡帽，使得泡帽与立管不同心，从而改进流体分配的均匀性。Gamborg等人用这种改进的泡帽作蒸汽上升管，其中泡帽称为向上流的管子，而立管称为向下流的管子。因而流体流动路径为倒u形形状，首先向上流过向上流的管子，然后向下流过向下流的管子。Jacobs等人(美国专利No.6098965)应用立管叶片和/或者靶板来改进流出立管的液体的分配。除上面引用的专利外，本申请人在公开范围还没有见到任何其它资料说明应用泡帽作蒸汽和流体平行向下流动的混合和分配装置的技术进展。
利用泡帽的某些系统可用来在泡帽的上游初步分配流体。授予Stangeland等人的专利(美国专利No.5690896，1997年11月)说明了一种初步分配装置，该装置包括在泡帽塔盘紧上面的孔板。采用这种方法，该孔眼既可以通过气相，也可以液相。结果，在该盘上的经常液位相当低，因此对初步分配的质量有负面影响。授予Grott等人(美国专利No.5837208，1998年11月)说明一种用于初步分配的装置，该装置由圆筒壁包围的孔盘构成。采用这种方法，气相流体可以流过孔盘和反应器壁之间的环形区域，而液体相流体主要流过孔眼。此方法的一个缺点是，沿环形向下流的气相可能干扰泡帽盘上的液体表面，因此，负面影响泡帽盘的操作性能。最后，在采用上述两种方法时，该孔盘限制了接近泡帽盘的检查和维修。
因此仍然需要混合和分配流体的改进方法和装置，包括改进泡帽盘和初步分配机构。
发明内容
本发明的一方面提供一种装置和方法，在这种装置中，泡帽具有由隔板分开的立管和帽，该隔板延伸的长度至少为立管顶部和帽底部之间距离的50％，该距离称作为“立管/帽跨距”。在优选实施例中，该隔板至少为立管/帽跨距的70％较好，最好为该立管/帽跨距的至少90％。该隔板固定在立管上，或固定在帽上，或固定在这两者上面，并可以有两个或以上这样的隔板。
本发明的另一方面提供一种装置和方法，在这种装置中立管和帽相配合，形成适合于液体大容积流量流过盘的裙部高度。低于液面的那部分立管和帽起阻挡液体的作用，阻挡液体横向流过盘。这种液体阻挡作用造成在塔盘上液体深度的变化。液体流入塔盘的区域有较大的液体深度，而液体横向流动达到的塔盘区域则形成较低的液体深度。这种液体深度的变化正如盘板本身水平度引起的物理变化一样，也有损于液体的均匀分配。
通过增加裙部高度可以降低对横向流液体的液体阻挡作用。对于具体应用的优选裙部高度，除其它以外，取决于通过塔盘的液体容积流量。对于较低的液体流量，泡帽的裙部高度最好不小于1.5英寸。在较大的流体流量时，泡帽的裙部高度最好为至少2.0英寸，在更高的液体流量时，泡帽的裙部高度最好至少为2.5英寸。在很高的液体流量时，如在很大反应器中遇到的流量，可以采用裙部高度为3英寸或者更大的泡帽。通常采用特别长的立管而不采用特别短的帽来获得相当高的裙部高度。
本发明的再一方面提供一种装置和方法，在这种装置中人字形的叶片和板(例如混合室的底板和挡板)相配合，将流体初步分配到随后的分配盘(或多个分配盘)上。
下面参考附图详细说明优选实施例，从这些说明中可以明显看出本发明的各种目的、特征、方面和优点，在这些图中相同的编号代表相同的部件。
图1是先有技术泡帽的垂直截面图。
图2A是本发明若干方面的泡帽的垂直截面图。
图2B是沿图2A的线1-1截取的泡帽水平横截面图。
图3是另一泡帽的垂直横截面图，该泡帽具有多个隔板和增加的裙部高度，裙部高度的增加是由于帽长度的减小。
图4示出另一个泡帽的横截面图，该泡帽具有多个隔板和增加的裙部高度，裙部高度的增加是由于立管高度的增加。
图5是图2A和图2B所示泡帽的侧视图，示出侧部槽口。
图6是具有多个泡帽的分配板的透视图，示出流体的横向流动。
图7A是具有人字叶片的分配装置的透视图(为了与权利要求16一致删去“预”)。
图7B是沿图7A的线1-1截取的分配装置(见上面)和外围装置的垂直横截面图。
图7C是沿图7B的线2-2截取的分配装置中人字形叶片的水平横截面图。
图8是波板式叶片的水平横截面图。
图9是交错沟道式叶片的水平横截面图。
具体实施例方式
图1中先有技术的泡帽10一般包括由间隔器40分开的立管20和帽30。该泡帽10固定于分配板15。该间隔器40相对于立管20和帽30二者的长度很小，裙部高度60小于是1.5英寸。流过泡帽的流体流动路径70一般为倒U形形状。
在图2A和图2B中，泡帽100一般包括由许多隔板140分开的立管120和帽130。该泡帽与分配板115配合，就地混合流体。(按照本文的用法，术语“流体”表示任何可以流动的物体，具体包括蒸汽相或者液体相，或者包含至少两相的混合物。该术语还包括在工业流程中被混合和分配的任何流体。)该立管120具有顶部122和立管高度125，该高度由立管120顶部122和分配板115顶部116之间的距离确定。该立管120还构成内部通道190。所用的立管可以用合适的材料制作，该材料包括碳钢、不锈钢和其它合金、塑料和陶瓷，这在很大程度上取决于要混合流体的温度和腐蚀性。这种立管实际上还具有任何合适的总的尺寸。总的形状也可以变换。虽然最好采用水平横截面为圆形的管形立管，但也可以采用水平横截面为椭圆形、方形、长方形或者其它形状的管状立管。该立管沿其长度不一定具有均匀的通道。优选的立管还具有位于通道上面或者位于通道内(未示出)的涡流控制器150。
帽130具有顶部132、底边缘134和帽长度135，该长度由帽130顶部132和帽130底边134之间的距离确定。该帽130还具有裙部高度160，该高度定义为帽130底边134和分配板115顶部116之间的距离。所述的帽仍然可用任何适合的材料制作，该材料包括碳钢、不锈钢和其它合金、塑料和陶瓷，在很大程度上还是取决于要混合的物料的温度和腐蚀性。优选帽的水平横截面其形状类似于相关立管的形状，但也可以为其它形状。例如，圆筒形横截面立管可以具有长方形横截面的帽。
裙部高度160是立管高度125、帽长度135和立管120顶部122与帽130顶部132之间距离的函数。优选泡帽具有立管120和帽130，该立管和帽相配合，形成不小于1.5英寸的裙部高度。更优选泡帽的裙部高度至少为1.75英寸，最优选泡帽的裙部高度至少为2.0英寸，至少为2.5英寸，至少为3英寸和至少为4英寸。可以通过采用特别长的立管而不是采用特别短的帽来获得相当高的裙部高度，当然，也可以结合起来得到这种不平常高的裙部高度。
本发明人不局限于任何特殊的理论或者所考虑的操作模式而认为，不小于1.5英寸的裙部高度是有利的，因为它可以增强流体在分配板115顶部116上的横向流动。流体力学计算结果表明，高到3英寸或者更高的裙部高度也是有利的，这主要取决于穿过分配板115顶部116的和随后穿过立管120和帽130之间空间180以及立管通道190的液相流体量。虽然现在不认为是优选实施例，但是还应当认为，在分配板上的泡帽不一定都具有相同的裙部高度。例如一些裙部高度可以小于2英寸，而另一些裙部高度可以大于2英寸。或者，所有裙部高度可以大于2英寸，其中一些可以大于2.5英寸。裙部高度相当大的泡帽最好沿分配板的周边配置，或者按一些其它方式配置，这至少部分取决于流体流入分配板的位置。
或者可以增加槽口的长度，优选的槽口至少为2.5英寸长比较好，更好为至少3.5英寸长，再好为至少4英寸长，最好为至少5英寸长。
图2A和2B中的隔板140最好基本上跨越从帽130侧壁到立管120侧壁的整个距离。这些隔板靠近立管120的顶部122配置。然而还可以考虑其它实施例。例如现在可以考虑将隔板加长，加长到可以对在立管120和帽130之间空间180中流动流体的力学性产生显著影响。优选隔板140在其长度至少为立管/帽跨距的50％，较好为该距离的70％，最好为该距离的90％时，影响流体的动力学特性，在另一实施例中(未示出)，这些隔板从帽的顶部一直延伸到帽的底边134。这些隔板不一定是连续的，因为，它们可以由若干较短的隔板组成，只要隔板的总的长度至少为立管/帽跨距的50％。所用的隔板(未示出)还可以非垂直地配置，使得可以在立管120和帽130之间空间180中向上流动的流体形成涡流。另外，可以考虑将任何适当数目的隔板用在任何给定的泡帽中，具体包括两个、三个、四个、五个或者六个隔板。
这些隔板140可以固定在立管上，或者固定在泡帽上，或者固定在这两个上面。固定方法可以是直接固定和间接固定。其中一些隔板有助于保持立管和帽的相对位置，而一些相对来说没有太大帮助，或者完全没有帮助。固定的优选方法包括焊接例如点焊、缝焊、或者其它任何的焊接方法。隔板可以包含任何合适的材料和多种材料。涡流控制器150固定在立管120的顶部122。涡流控制器150使流体170沿周向流动路径从立管和帽130之间的空间180流到立管通道190，这样便明显地造成更均匀的湿润立管120的内壁，并且在流体170流出立管通道190时，使流体170形成环形的排出流型。该涡流控制器可以是立管120的连续，或者可以通过焊接方法或者任何其它合适方法固定在立管120上。在操作时，流体170经分配板115顶部116和帽130底边之间的由裙部高度160确定的开口117进入泡帽100。如果泡帽100在帽130的侧面上具有一个和多个槽口，则流体也可以经这些槽口进入泡帽100。因此，流体进入到立管120、帽130和两个隔板140之间的空间180。该流体然后向上流过空间180，并流过使流体170混合的涡流控制器150。该流体然后进入立管120，向下流过立管通道190。该帽长度135短于图1所示帽长度35，从而使得裙部高度160长于图1裙部高度60。在万一分配盘115倾斜引起两个相邻泡帽100位于不同高度时，这两个隔板140和裙部高度160将使流体170均匀地分到两个相邻立管中，其均匀程度比图1所示的两个相邻的泡帽10更均匀。
分配板155最好是圆形的，其直径在约36英寸至约240英寸之间，其厚度在约0.06英寸至0.50英寸之间。这些尺寸主要取决于它所在的反应器尺寸。现在优选的分配板可以用不锈钢和其它合金制造，当然也可以考虑用其它任何合适的材料制造，这些材料包括碳钢、塑料和陶瓷。典型的分配板115支承约60个至约1200个泡帽，当然，泡帽的数目也可以或多或少。立管120通常嵌入到分配板115中，使得立管通道190与分配板115上的孔118重合。
如上面参考的关于其它泡帽的Jacobs专利所示，该分配板115实际上可以包含重新分配板，因为可以在上游进行气室混合和/或者初步分配。因此可以明显看到，分配板115相对于混合反应器中的其它处理和装置可以放在任何合适的位置。
图3所示泡帽200类似于图2A和2B的泡帽100，只是泡帽200具有4个隔板240，而不是两个隔板140。在图3中，4个隔板分成两组，一组2个隔板，各组隔板配置在空间280中分开的垂直平面上。在各组隔板中，两个隔板配置在空间280中的一个垂直平面上，但在空间280中是分开的。结果，流体270流过在立管220和帽230之间形成的空间280并通过4个隔板240。
图4所示泡帽300也类似于图2A和2B的泡帽100，只是泡帽300具有比帽长度135短的帽长度335和比立管高度125短的立管高度325。结果得到裙部高度360，该高度等于泡帽100的裙部高度160，虽然立管高度和帽长度不同。
在图5中，泡帽400具有圆筒形曲面433，在该曲面上形成许多侧面槽口495，其中各个侧面槽口495向下伸到帽430的底部434，使得任何一个给定槽口495的槽口长度497为从顶部496到帽430底部434的距离。槽口的高度498定义为槽口495的顶部496和分配板415的顶部416之间的距离。此外，这种侧面槽口495使得要混合和分配的流体470可以进入到泡帽400。
图5的泡帽400具有至少8个槽口，图中示出4个槽口。该槽口长度497为2.5英寸，槽口高度498为4.5英寸。在另一实施例中，该槽口长度可以是从约1.5英寸到约12英寸之间的任何尺寸。这些槽口495通常为大体长方形，当然，它们也可以为任何其它合适的形状，例如三角形或者其它的锥形、锯齿形等等。在图6中，分配板516包括许多泡帽500。流体570在分配板516上按锯齿形状550流动，立管520和帽530对横向流动形成流动阻力。横流流体570的一部分555由泡帽混合和分配。根据很多因素决定泡帽500的数目。其中两个因素是帽中心间的距离和用来混合和分配流体的反应器或者任何其它工业处理装置的尺寸，前者影响分配盘单位面积的帽数。另外，可以以任何方式，最好以对称方式在分配板516上配置许多泡帽500，以便达到流体的对称分配。在分配板516上或者该分配板中可以形成或者不形成凹槽、沟槽阻挡部件或者其它的路径(未示出)，以改变横向流550。
在图7A、7B和7C中，初步分配装置600包括许多人字形叶片610。这些叶片配置在混合装置620的出口和挡溅板630之间。挡溅板630的存在迫使流出混合装置的流体经人字形叶片610形成的通道612沿路径613向外流动。挡溅板630最好是无孔的，但是可以包含孔(未示出)，以便使一部分流体向下流到随后的分配板650上(该分配板可以为最后的分配板)。
作为参考，图7B示出位于随后分配盘650下面的催化床640和反应器壁660。
在优选实施例中，人字形叶片610配置在混合容器(未示出)基本上无孔的底板下面，位于基本上无孔挡溅板630的上面，并围绕上游混合容器(未示出)的出口620。由此形成的叶片通道612使流体流动至少两次改变方向，并构成在上游混合容器和下游分配盘650之间流体连通的唯一装置。人字形叶片610导致流出叶片通道612的流体达到更均匀的速度分配，由此可以使流体更有效地初步分配到随后的分配盘650上。当与使其中要混合的流体产生涡旋的混合容器联用时，该人字形叶片610还起减小流体速度切向分量的作用。当配置成与混合容器中心出口同心的结构时，该人字形叶片610有助于形成排出叶片通道612的液体排出流型，使得液体以环形状态(未示出)输送到随后的分配盘650上。如果由液体产生的环形直径接近于最佳，这种环形输送流型是将流体输送到随后分配盘650上的极有效方法。最佳的环形直径取决于最后分配盘650的几何尺寸，可以通过流体动力学计算确定。虽然在图7A、7B和7C中示出人字形叶片，但是可以采用其它改变流动方向的叶片。在图8和图9中示出若干实施例。
在图8中，将波板式叶片710间隔开，形成叶片通道712，该通道构成可以流过流体的流路713。
在图9中将交错的沟道式叶片810间隔开，形成叶片通道812，该通道构成流过流体的流路813。
由此已经说明混合和分配流体的具体实施例以及其应用。然而，技术人员可以明显看出，除上面说明而外可以进行很多改型，而不违背本发明的原理。本发明的内容除附属权利要求书的精神而外不受到限制。另外，在解释本文的说明和权利要求书时，所有术语应当以与上下文一致的最广义的方式进行解释。具体是，术语“包括”和“包含”应当解释为非唯一方式涉及的元件、部件或者步骤，表示上述元件、部件或者步骤是现有的，或有用的，或者可以与没有明显提到的其它元件、部件或者步骤联用。
权利要求
1.一种泡帽，包括具有顶部的立管；具有底部和至少一个侧缝的帽，该帽相对于立管配置，使得流体可以在立管和帽之间的空间中流动；配置在该空间中的隔板，其延伸长度至少为立管顶部和帽底部之间距离的50％。
2.如权利要求1所述的泡帽，其特征在于，该隔板的长度至少为立管顶部和帽底部之间距离的70％。
3.如权利要求1所述的泡帽，其特征在于，该隔板的长度至少为立管项部和帽底部之间距离的90％。
4.如权利要求1所述的泡帽，其特征在于，该隔板的长度至少为立管顶部和帽底部之间距离的100％。
5.如权利要求1所述的泡帽，其特征在于，该隔板固定在立管上。
6.如权利要求1所述的泡帽，其特征在于，该隔板固定在帽上。
7.如权利要求1所述的泡帽，其特征在于，该隔板固定在立管和帽两个部件上。
8.如权利要求1所述的泡帽，其特征在于，该泡帽具有至少两个隔板。
9.如权利要求1所述的泡帽，其特征在于，该泡帽具有至少3个隔板。
10.如权利要求1所述的泡帽，其特征在于，该泡帽具有至少6个隔板。
11.如权利要求1所述的泡帽，其特征在于，还包括固定于立管上的涡流控制器。
12.一种具有许多如权利要求1所述泡帽的混合装置。
13.一种具有如权利要求1所述泡帽的混合装置，其特征在于，具有至少一个槽口的泡帽相对于分配板配置，该帽的底部位于离开分配板至少1.5英寸的位置。
14.一种泡帽，包括具有至少一个槽口的帽和立管，该立管形成为可以使帽的裙部高度不小于1.5英寸。
15.如权利要求14所述的泡帽，其特征在于，该裙部高度不小于2.5英寸。
16.如权利要求1 4所述的泡帽，其特征在于，该裙部高度不小于4英寸。
17.如权利要求14所述的泡帽，其特征在于，该帽具有包括至少3个槽口的侧面。
18.如权利要求14所述的泡帽，其特征在于，该槽口具有至少2.5英寸的长度。
19.如权利要求14所述的泡帽，其特征在于，该槽口具有至少3.5英寸的长度。
20.如权利要求14所述的泡帽，其特征在于，该槽口具有至少5英寸的长度。
21.一种分配装置，包括许多改变流动方向的叶片；上部板；下部板，这些板相对于叶片配置，使得流体可以流过这些板之间的空间和流过由叶片形成的通道；配置在下部板的下面的分配盘。
22.如权利要求16所述的分配装置，其特征在于，改变流动方向的叶片是人字形叶片。
23.如权利要求16所述的分配装置，其特征在于，该分配盘是有孔板。
24.如权利要求16所述的分配装置，其特征在于，该分配盘是泡帽盘。
25.如权利要求16所述的分配装置，其特征在于，该分配盘是立管盘。
全文摘要
泡帽(100)具有由隔板(140)分开的立管(120)和帽(130)，该隔板延伸的长度至少为立管的顶部(122)和帽底部(134)之间距离的50％。在另一方面，该立管(120)和帽(130)相配合，形成不小于1.5英寸的裙部高度160。更优选的泡帽(400)具有相当大的裙部高度(460)或者很长的缝长度(497)，或者形成二者均很大。再一方面，改变流向的叶片(610)和板(630)相配合，使得流体初步分配到随后的分配盘(650)上。
文档编号B01D3/14GK1630549SQ01820966
公开日2005年6月22日 申请日期2001年4月24日 优先权日2000年12月21日
发明者G·E·雅各布斯, S·W·斯图平, A·S·米利肯 申请人:弗劳尔公司