Procédé et appareil pour partager un fluide en au moins deux courants
séparés.
La présente invention concerne un appareil et un procédé perfectionné pour partager une matière en au moins deux courants séparés. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé et un appareil perfectionnés pour partager un fluide, constitué par un mélange liquide-vapeur, en au moins deux courants séparés afin de permettre la réalisation d'un traitement amélioré en aval, par exemple dans un appareil échangeur de chaleur à passages mùltiples utilisé, par exemple, dans un procédé de conversion d'hydrocarbures.
Dans de nombreux cas, dans tous les domaines industriels,
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rants séparés ou davantage en vue de l'exécution de traitements ultérieurs. Par exemple, si une installation de réacteurs chimiques comprend deux réacteurs en parallèle ou davantage, les réactifs, par exemple un mélange liqide-vapeur, doivent être répartis entre les divers réacteurs pour assurer un fonctionnement efficace, par exemple des niveaux de conversion, des activités catalytiques, des débits, des compositions de réactifs et analogues désirés. Il existe d'autres situations dans lesquelles il serait avantageux d'assurer un partage perfectionné d'un fluide constitué par un mélange liquide-vapeur en deux courants séparés, ou davantage.
Par exemple, de nombreux processus industriels nécessitent l'opération fondamentale d'échange de chaleur. Dans certains cas, de grands volumes de matière font l'objet d'un échange de chaleur avec d'autres grands volumes de matière pour atteindre les températures et les valeurs d'enthalpie appropriées. En outre, de grandes masses de matières peuvent être chauffées, par exemple
au moyen de gaz naturel et analogue, dans des chaudières à feu nu. Dans chacun de ces cas d'échange de chaleur, il peut devenir désirable de traiter un ou plusieurs des courants, qui doivent faire l'objet d'un échange de chaleur dans l'appareil échangeur de chaleur, dans deux passages ou davantage en parallèle. Ainsi, par exemple, pour réduire au minimum la perte de charge dans l'installation d'échange de chaleur, un ou plusieurs des courants qui entrent dans l'appareil échangeur de chaleur est divisé en deux courants ou davantage, dont chacun suit ensuite un trajet séparé, par exemple, dans un ou plusieurs tubes, à travers l'échangeur
1 de chaleur. Chacun de ces trajets séparés peut être appelé un "passage" de l'appareil échangeur de chaleur.
L'un des problèmes qui se posent lorsqu'on utilise de tels échangeurs de chaleur à passages multiples concerne la répartition convenable de la matière, en particulier des mélanges de liquide et de vapeur, entre les divers passages. Si la matière qui doit faire l'objet d'un échange de chaleur n'est pas convenablement répartie entre les divers passages de l'échangeur de chaleur, le rendement de l'échangeur de chaleur peut être réduit et, dans certains cas, par exemple dans les chaudières à feu nu à passages multiples, il peut en résulter l'endommagement ou la destruction de l'installation d'échange de chaleur. Ce problème de répartition est d'une importance particulière lorsque la matière qui circule dans les deux passages ou davantage de l'appareil échangeur de chaleur est un fluide qui comprend à la fois un liquide, en particulier une proportion principale en
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ment vaporisé dans l'échangeur de chaleur, et de la vapeur. Les procédés connus dans la technique antérieure pour partager des mélanges liquide-vapeur en deux courants ou davantage comportent l'utilisation d'ensembles de vannes compliqués qui nécessitent une régulation soigneuse et qui, du fait de leur complexité, nécessitent un entretien fréquent, entrainant des temps d'arrêt du traitement. Par conséquent, il serait avantageux de réaliser des moyens perfectionnés pour partager une masse de fluide, comprenant à la fois du liquide et de la vapeur, en deux courants ou davantage en vue de l'exécution d'un traitement ultérieur, par exemple dans les divers passages d'un appareil échangeur de chaleur à passages multiples.
Par conséquent, l'un des buts de la présente invention est de réaliser un appareil perfectionné pour partager une masse de fluide comprenant un mélange liquide-vapeur en deux courants séparés ou davantage.
Un autre but de la présente invention est de réaliser un procédé perfectionné pour partager une masse de fluide constitué par un mélange liquide-vapeur en deux courants séparés.
Encore un autre but de la présente invention est de réaliser un procédé et un appareil perfectionnés pour partager une masse de fluide, constituée par un mélange liquide-vapeur, en deux courants séparés ou davantage suivant lesquels l'appareil est en communication fluidique avec un appareil échangeur de chaleur à passages multiples et/ou avec différentes zones de réaction chimique. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description ci-après.
Un appareil perfectionné pour partager un fluide com-
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cipale en poids de liquide, et de la vapeur, avantageusement au
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de vapeur, en deuc courants séparés ou davantage, dont chacun s'écoule par exemple dans un passage différent d'un appareil échangeur de chaleur ayant au moins deux passages a maintenant été inventé.
L'appareil comprend :
1 - un récipient creux ayant au moins un dispositif d'admission de fluide ;
2 - au moins deux éléments formant conduits creux, ayant chacun une ouverture supérieure située à une première extrémité desdits éléments formant conduits qui s'étend à l'intérieur du récipient, chacun de ces éléments formant conduits constituant des moyens de sortie du récipient pour une partie différente du fluide, chacun des éléments formant conduits étant en communication fluidique avec un passage différent de l'appareil échangeur de chaleur ;
3 - au moins un orifice situé dans la partie de chacun des éléments formant conduits qui s'étend à l'intérieur du récipient au-dessous de la première extrémité des éléments formant conduits et au-dessous du niveau du liquide pour assurer une communication fluidique entre l'intérieur du récipient et l'espace intérieur creux des éléments formant conduits ; et
4 - des moyens de restriction situés à un niveau supérieur à celui des ouvertures supérieures des éléments formant conduits pour limiter l'écoulement d'au moins une partie et, de préférence, sensiblement de la totalité, de fluide provenant
du dispositif d'admission du fluide directement dans l'espace creux des éléments formant conduits par les ouvertures supérieures des éléments formant conduits: -
Dans un autre mode de réalisation de la présente in-vention, chacun des éléments formant conduits du présent appareil est en communication fluidique avec une zone de réaction chimique différente à laquelle le fluide doit être distribué. Ainsi, l'appareil de la présente invention assure une distribution liquide-vapeur perfectionnée dans (1) un appareil échangeur de chaleur ayant au moins deux passages, (2) dans une pluralité de zones de réaction chimique ou, à la fois (1) dans l'appareil échangeur et (2) dans les zones de réaction chimique. En outre, l'échange de chaleur et la réaction chimique peuvent se produire dans le même appareil et cette caractéristique entre dans le cadre de la présente invention.
Le dispositif d'admission de fluide est, de préférence, situé à un niveau supérieur à celui des ouvertures supérieures des éléments formant conduits et, plus avantageusement encore, à un niveau supérieur à celui des moyens de restriction de sorte que le fluide constitué par un mélange liquide-vapeur qui doit être distribué s'écoule dans une direction générale descendante vers les moyens de restriction. Le récipient creux peut avoir des dimensions et une géométrie appropriées quelconques. Pour plus de commodité et pour faciliter la fabrication, le dispositif d'admission de fluide a, de préférence, une configuration circulaire bien que ce dispositif puisse avoir des dimensions et une géométrie appropriées quelconques.
Les éléments formant conduits creux peuvent avoir une géométrie appropriée quelconque bien qu'il soit préférable que l'ouverture supérieure de chacun des éléments formant conduits ait une configuration circulaire. Il est préférable que la surface de la section transversale de l'ouverture supérieure de tous les éléments formant conduits ait des dimensions uniformes. Les dimensions de la section transversale de l'ouverture supérieure peuvent varier à l'intérieur d'une large plage et dépendent de divers facteurs tels que, par exemple, le débit de fluide et la composition du fluide, par exemple le pourcentage de vapeur contenu dans le fluide.
La longueur totale de tous les éléments formant conduits doit être, de préférence, uniforme bien que ceci puisse être impossible à obtenir, par exemple, du fait de la position, des dimensions, de la configuration(et autres caractéristiques analogues de l'appareillage tel que, par exemple, l'appareil échangeur de chaleur et/ou les zones de réaction chimique auxquels le fluide doit être distribué. De même, il est préférable que chacun des éléments formant conduits s'étendent dans le récipient de telle sorte que les ouvertures supérieures des éléments formant conduit soient toutes situées à un niveau horizontal sensiblement uniforme.
Au moins un orifice et, de préférence, entre 1 et environ 20 orifices, sont situés dans la partie de chacun des - éléments formant conduits s'étendant dans le récipient, audessous de la première extrémité des moyens formant conduits. Bien que ces orifices puissent avoir une géométrie appropriée quelconque, il est préférable qu'ils aient une configuration circulaire. Il est préférable, si plusieurs orifices sont utilisés, que les orifices soient régulièrement espacés autour de la périphérie des éléments formant conduits à un niveau horizontal sensiblement uniforme bien qu'un réseau vertical d'orifices puisse être utilisé. Le nombre, ainsi que!les dimensions, de ces orifices dépendent de divers facteurs, tels que, par exemple, le débit de liquide dans le récipient.
Par exemple, si le débit de liquide varie de façon importante de temps à autre et/ou est tel qu'une seule rangée d'orifices ne peut suffire, deux rangées de ce type ou davantage peuvent être utilisées.
L'appareil de la présente invention comporte des moyens de restriction situés à un niveau supérieur à celui des ouvertures supérieures des éléments formant conduits, de préférence à un niveau compris entre celui du dispositif d'admission du fluide et les ouvertures supérieures des éléments formant conduits, pour limiter l'écoulement d'au moins une partie, et de préférence sensiblement de la totalité, du fluide provenant du dispositif d'admission de fluide directement par les ouvertures supérieures des éléments formant conduits. Dans de nombreux cas, ces moyens de restriction sont constitués par un dispositif appelé couramment un "écran pare-gouttes". Cet écran pare-gouttes est situé au-dessus des ouvertures supérieures des éléments formant conduits et entre les éléments formant conduits et le dispositif d'admission du fluide.
Une partie au moins du fluide qui pénètre dans le récipient par le dispositif d'admission du fluide vient heurter l'écran pare-gouttes et est, de ce fait, empêché d'entrer dans les ouvertures supérieures des éléments formant con-
m duits directement à partir du dispositif d'admission du fluide.
Dans un mode de réalisation préférentiel, l'appareil de la présente invention comporte, en outre, des moyens formant plateau situés à un niveau supérieur à celui des ouvertures des éléments formant conduits, de préférence à un niveau compris entre les ouvertures supérieures des éléments formant conduits et les moyens de restriction pour limiter plus complètement l'écoulement du fluide directement dans les ouvertures supérieures des éléments formant conduits.
Il résulte clairement de la description qui précède que les dimensions du présent appareil n'ont pas une importance critique pour la présente invention. Typiquement, le récipient
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avec un diamètre intérieur compris entre 0,30 et 6 m ou davantage. La partie des éléments formant conduits qui s'étend dans le récipient a, typiquement, une longueur comprise entre environ 0,30 m et environ 4,5 m, de préférence entre environ 0,60 m et environ 1,8 m. Ces éléments formant conduits se terminent par des ouvertures supérieures qui sont réparties de préférence sensiblement régulièrement sur la totalité de la sectioh du récipient creux. L'ouverture supérieure de chaque élément formant conduit a, typiquement, une surface de section transversale comprise entre environ 6,45 cm<2> et environ 775 cm<2>, ou davantage,
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des éléments formant conduits s'étendant dans le récipient a,
de préférence, une configuration cylindrique et a une ouverture supérieure circulaire.
Le centre de l'orifice ou des orifices situés dans la partie de chacun des éléments formant conduits qui s'étend dans le récipient est typiquement situé à une distance comprise entre environ 0,15 m et environ 3 m, de préférence entre environ 0,30 m et environ 1,2 m au-dessous de l'ouverture supérieure des éléments formant conduits. Chacun des orifices peut avoir une sur-
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ron 6,45 cm . Si un élément formant conduit est muni de plusieurs orifices, les ouvertures sont, de préférence, sensiblement ré-gulièrement réparties autour de la périphérie des éléments formant conduits. Il est préférable que tous les orifices situés dans tous les éléments formant conduits aient des dimensions sensiblement uniformes et soient situés à un niveau horizontal sensiblement uniforme.
Les moyens de.restriction sont typiquement situés à une distance comprise entre environ 0,15 m et environ 3 m, de préférence entre environ 0,30 m et environ 1,8 m au-dessus des ouvertures supérieures des éléments formant conduits. Dans de nombreux cas, les moyens de restriction ont une surface de section transversale au moins aussi grande et de préférence au moins deux fois plus grande que la surface totale des sections transversales des ouvertures supérieures des moyens formant conduits.
Les moyens formant plateau facultativement prévus sont typiquement situés à une distance comprise entre environ 0,25 cm et environ 0,30 m, de préférence entre environ 0,50 cm et environ
15 cm, au-dessus des ouvertures supérieures des éléments formant conduits. Dans un mode de réalisation, des parties dès moyens formant plateau sont supportées par chacun des éléments formant conduits individuels au-dessus de l'ouverture supérieure de cet élément formant conduit. Dans ce mode de réalisation, les moyens formant plateau ont typiquement une surface de section transversale au moins aussi grande et, de préférence, au moins deux fois plus grande environ que l'ouverture supérieure de l'élément formant conduit au-dessus duquel ils sont supportés.
Dans un autre mode de réalisation, les moyens formant plateau sont constitués par une plaque perforée supportée audessus des ouvertures supérieures des moyens formant conduits. Ainsi, la partie pleine de la plaque perforée limite également l'écoulement du fluide directement dans les ouvertures supérieures des éléments formant conduits. Cette plaque perforée comporte au moins une perforation qui permet au fluide de s'écouler à travers elle. Les perforation qui sont, de préférence, de forme circulaire, représentent de préférence entre environ 10 pour cent et environ 50 pour cent de la surface totale de la section transversale couverte par la plaque perforée. Ce mode
de réalisation est plus particulièrement préféré lorsque l'appa-reil de la présente invention comprend au moins quatre éléments formant conduits.
Dans un autre mode de réalisation, la partie des moyens formant conduits s'étendant dans le récipient creux peut être munie "d'orifices de fuite", c'est-à-dire de petits orifices situés à la ou aux jonctions ou à proximité de la ou des jonctions où les éléments formant conduits sortent du récipient. Ces trous de fuite, qui ont, typiquement, une surface de section transversale comprise entre environ 0,0645 cm2 et environ 1,3 cm<2> fournissent un trajet alternatif pour une petite quantité de liquide, par exemple moins de 20% environ et, de préférence, moins de 10% environ, du liquide total hors du récipient dans les deux courants séparés, ou davantage, par exemple, jusqu'aux passages différents d'un appareil échangeur de chaleur et/ou des zones de réactions chimiques différentes.
L'appareil de la présente invention peut être fabriqué à partir de matériaux de construction appropriés quelconques. Les matériaux de construction utilisés dépendent de l'application particulière en cause. Dans de nombreux cas, des métaux et des alliages métalliques tels que le fer, l'acier au carbone ou l'acier inoxydable, le cuivre et analogue peuvent être utilisés. Naturellement, l'appareil doit être fabriqué en une matière ou en une combinaison de matières qui n'est pratiquement pas attaquée par le fluide ni altérée par les conditions telles que, par exemple, les températures, les pressions et analogues, dans lesquelles l'appareil est normalement utilisé. En outre, une telle matière ou de telles matières ne doivent pas avoir des effets nuisibles sensibles sur le fluide qui est traité.
On décrira maintenant l'invention de manière plus détaillée en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un mode de réalisation de l'appareil de la présente invention ; La figure 2 est une vue en coupe horizontale de dessus, suivant la ligne 2-2 de la figure 1 ; La figure 3 est une vue en coupe verticale d'un autre mode de réalisation de la présente invention ; La figure 4 est une vue en coupe horizontale de dessus suivant la ligne 4-4 de la figure 3 ; La figure 5 est un schéma représentant un mode de réalisation de la présente invention ; La figure 6 est un schéma d'un autre mode de réalisation de la présente invention.
Comme représenté sur les dessins auxquels on se référera maintenant, un récipient creux 10 est muni d'un dispositif
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présenté sur la figure 5 distribue le fluide à une chaudière à feu nu à deux passages et, par conséquent, l'appareil comprend deux éléments formant conduits 12, chacun en communication fluidique avec un passage différent de la chaudière à feu nu 20. Bien que la présente invention-soit plus particulièrement applicable à la distribution de fluide à des appareils échangeurs dé chaleur à passages multiples, elle est utilisable pour partager un fluide comprenant un liquide et de la vapeur en deux courants séparés, ou davantage, en vue de leur traitement par d'autres appareils, tels que des réacteurs chimiques, des colonnes de distillation et analogue. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 6, chacun des éléments formant conduits 12 est en communication fluidique avec une zone de réaction chimique différente 22.
Comme représenté sur les figures 1 et 2 auxquelles on se référera, un écran pare-gouttes 14, maintenu en place par des barres-supports 15, est situé entre le dispositif d'admission 11 et les ouvertures supérieures des éléments formant conduits 12. Des orifices 13 formés dans chacun des éléments formant conduits
12 assurent une communication fluidique entre l'intérieur du récipient creux 10 et l'espace intérieur creux des éléments formant conduits 12. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, des moyens formant plateau 16 supportés par des colonnes supports 14 empêchent également le fluide d'entrer dans l'ouverture supérieure des éléments formant conduits 12 directement à partir du dispositif d'admission 11.
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 3 et 4, les moyens formant plateau sont constitués par une plaque perforée supportée au-dessus des ouvertures supérieures des moyens formant conduits 13. Ainsi, la partie pleine de la plaque perforée 16 empêche également l'écoulement du fluide directement
�, dans les ouvertures supérieures des éléments formant conduits 13. Cette plaque perforée 16 comporte des perforations 18 qui permettent au fluide de s'écouler à travers elle.
En service, un fluide constitué par un mélange de liquide, de préférence une proportion principale, en poids, de liquide, et de vapeur, entre dans le récipient creux 10 par le dispositif ou conduit d'admission 11. Le fluide entrant dans le récipient vient heurter l'écran pare-gouttes 14 et est, de ce fait, au moins partiellement empêché d'entrer dans les ouvertures supérieures des éléments formant conduits 12 directement à partir du dispositif d'admission du fluide 11. L'écran paregouttes 14 sert également à réduire l'énergie cinétique du fluide arrivant dans le récipient, ce qui améliore l'efficacité de distribution du présent appareil. Le fluide poursuit alors son chemin dans une direction générale descendante vers les moyens formant plateau 16. La vapeur contenue dans le fluide arrivant dans le récipient passe autour des moyens formant plateau 16
et pénètre dans l'espace creux des éléments formant conduits 12, par les ouvertures supérieures de ces éléments 12. Au moins une partie, et de préférence une proportion principale du liquide contenu dans le fluide arrivant dans le récipient, poursuit son chemin vers le bas au-delà des ouvertures supérieures des éléments formant conduits 12 et s'accumule jusqu'au niveau et, de préférence, jusqu'au-dessus du niveau des orifices 13. Après que le liquide s'est accumulé jusqu'à un certain point situé au niveau ou, de préférence, au-dessus du niveau des orifices 13, le liquide s'écoule par des orifices 13 dans l'espace intérieur creux des éléments formant conduits 12 où il est combiné à la vapeur qui est entrée dans l'espace creux par les ouvertures supérieures des éléments formant conduits 12.
Le mélange liquidevapeur ainsi partagé s'écoule par l'espace intérieur creux des éléments formant conduits 12, par exemple dans les deux passages de la chaudière à feu nu 20 ou dans les zones de réaction chimique différentes 22. L'action de restriction double de l'écran pare-gouttes 14 et des moyens formant plateau 16 assure un fonctionnement perfectionné du présent appareil étant donné que, par exemple, l'effet des brusques afflux de fluide, à savoir du liquide et de la vapeur, par le dispositif d'admission 11, est réduit au minimum, ce qui permet à un niveau raisonnablement constant de liquide d'être maintenu.
Ceci, à son tour, permet l'obtention de débits du liquide plus constants dans chaque élément formant conduit et, par exemple, dans chaque passage de l'échangeur de chaleur ou dans chaque zone de réaction chimique, assurant ainsi une distribution perfectionnée.
Comme noté ci-dessus, il est préférable que le liquide contenu dans le récipient soit accumulé jusqu'à un niveau situé au-dessus des orifices formés dans les éléments formant conduits. Dans de nombreux cas, un niveau de liquide compris entre environ 2,5 cm et environ 30 cm au-dessus du sommet des orifices est plus particulièrement préféré.
Bien que l'appareil et le procédé de la présente invention puissent être utilisés pour partager un fluide constitué par un mélange liquide-vapeur en deux courants séparés ou davantage, pour permettre l'exécution plus efficace d'un traitement dans un appareil quelconque en aval de l'appareil de la présente invention, la présente invention est plus particulièrement applicable à la distribution d'un fluide dans des appareils échangeurs de chaleur, et plus particulièrement dans des chaudières à feu nu à passages multiples, utilisés,.par exemple, dans les procédés de traitement du pétrole et dans les procédés pétrochimiques. L'expression "chaudière à feu nu" désigne une chaudière dans laquelle le fluide est présent dans des tubes au voisinage immédiat desquels la combustion, par exemple de gaz naturel, d'hydrocarbures, de mazout et analogue se produit.
Une partie sigrificative de l'échange de chaleur dans un tel appareil s'effectue par rayonnement. Si une chaudière à feu nu à passages multiples est utilisée, une bonne distribution des mélanges liquide-vapeur est nécessaire afin, par exemple, d'assurer un échange de chaleur efficace et d'éviter les points chauds locaux sur les thés qui peuvent provoquer l'endommagement, voire la destruction, de la chaudière.
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peuvent normalement être comprises entre 260[deg.]C et 870[deg.]C. Le fluide comprenant un liquide peut entrer dans la chaudière à feu nu à passages multiples à des températures très diverses, par exemple, entre environ 38[deg.]C, ou moins, et environ 540[deg.]C, ou plus. Au moins une partie du liquide contenu dans le fluide est, de préférence, vaporisée par la chaleur émise dans la chaudière à feu nu. Le fluide quittant les tubes de la chaudière à feu nu a, typiquement, une température comprise entre 95[deg.]C, ou moins, et environ 815[deg.]C ou plus. La quantité de chaleur transférée au fluide dans une telle chaudière à feu nu peut typiquement être comprise entre 1.26 000 kcal/h, ou moins, et 63 000 000 kcal/h, ou plus.
La perte de charge à l'intérieur des tubes (de l'entrée à la sortie) dans une chaudière à feu nu est comprise entre 0,035 et 7,0 bars, ou plus. Les pressions de fonctionnement à l'intérieur des tubes d'une telle chaudière peuvent être comprises entre environ 1,05 bars, ou moins, et environ 350 bars, ou plus.
En outre, comme précédemment noté, l'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour la distribution d'un mélange liquide-vapeur dans plusieurs zones de réaction chimique, telles que les zones de réaction chimique catalytique utilisées, par exemple, dans les procédés chimiques, dans
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seur servant à favoriser la réaction chimique peut ou non être présent dans la zone de réaction chimique. Le catalyseur peut être homogène ou hétérogène. Fréquemment, les zones de réaction chimique sont constituées par des récipients cloisonnés qui sont au moins partiellement remplis d'une matière de catalyseur particulaire solide. Les conditions désirées, par exemple, de température, pression et analogue, à l'intérieur de la zone de réaction chimique sont dépendantes, par exemple, de la réaction, ou des réactions chimiques particulières qui doivent se produire.
De telles conditions de réaation sont fréquemment.classiques et bien connues dans la technique.
Des réactions typiques qui se produisent dans les zones de réaction chimique de la présente invention sont, notamment les. réactions effectuées sur les hydrocarbures, telles que l'isomérisation, le réformage, le craquage, la polymérisation, l'alcoylation, la désalcoylation, l'hydrogénation, la déshydrogénation, l'hydrocraquage et analogue.
Il résulte clairement de la description qui précède que l'appareil et le procédé de la présente invention peuvent être utilisés en combinaison avec une grande variété d'appareils échangeurs de chaleur, tels que par exemple les chaudières à feu nu à passages multiples, et/ou des zones de réaction chimique. Naturellement, la présente invention peut être également tout aussi bien utilisée pour partager un fluide en deux courants séparés ou davantage en vue de l'exécution d'un traitement, en aval, dans d'autres appareils. La présente invention assure effectivement des moyens perfectionnés pour réaliser une partage efficace d'un fluide constitué par un mélange liquide-vapeur en deux courants séparés ou davantage.
Par exemple, l'appareil décrit ci-dessus ne nécessite que peu ou pas de pièces mobiles, et, par conséquent, n'a besoin que d'un entretien peu fréquent.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à divers exemples et modes de réalisation spécifiques, il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à de tels exemples et modes de réalisation et qu'elle peut être mise en oeuvre de diverses autres manières sans sortir du cadre des revendications annexées.
REVENDICATIONS
Un appareil de distribution pour partager une
masse de fluide constituée par un mélange liquide-vapeur en au moins deux courants séparés dont chacun s'écoule par un passage différent d'un appareil échangeur de chaleur ayant au moins deux passages, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend :
1 - un récipient creux ayant au moins un dispositif d'admission de fluide ;
2 - au moins deux éléments formant conduits creux de distribution ayant chacun une ouverture supérieure située à une première extrémité desdits éléments formant conduits qui s'étend à l'intérieur du récipient, chacun de ces éléments formant conduits constituant des moyens de sortie du récipient pour une partie différente du fluide, chacun des éléments formant conduits étant en communication fluidique avec un passage différent de l'appareil échangeur de chaleur ;
3 - au moins un orifice situé dans la partie de chacun des éléments formant conduits qui s'étend à l'intérieur
du récipient, au-dessous de la première extrémité des éléments formant conduits, pour assurer une communication fluidique entre l'intérieur du récipient et l'espace intérieur creux des éléments formant conduits ; et
4 - des moyens de restriction situés à un niveau supérieur à celui des ouvertures supérieures des éléments formant conduits pour limiter l'écoulement du fluide provenant du dispositif d'admission du fluide directement dans l'espace creux des éléments formant conduits par les ouvertures supérieures des éléments formant conduits.
Method and apparatus for partitioning a fluid into at least two streams
separated.
The present invention relates to an improved apparatus and method for partitioning a material into at least two separate streams. More particularly, the invention relates to an improved method and apparatus for partitioning a fluid, consisting of a liquid-vapor mixture, into at least two separate streams to enable improved downstream processing to be carried out, for example in an apparatus. Multi-pass heat exchanger used, for example, in a hydrocarbon conversion process.
In many cases, in all industrial fields,
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separate or more rants with a view to carrying out further processing. For example, if a chemical reactor installation has two or more reactors in parallel, the reactants, for example a liquid-vapor mixture, must be distributed among the various reactors to ensure efficient operation, for example conversion levels, activities. catalysts, flow rates, reagent compositions and the like. There are other situations in which it would be advantageous to ensure an improved partition of a fluid consisting of a liquid-vapor mixture into two or more separate streams.
For example, many industrial processes require the fundamental operation of heat exchange. In some cases, large volumes of material are heat exchanged with other large volumes of material to achieve the appropriate temperatures and enthalpy values. In addition, large masses of materials can be heated, for example
by means of natural gas and the like, in open fire boilers. In each of these heat exchange cases, it may become desirable to process one or more of the streams, which are to be heat exchanged in the heat exchanging apparatus, in two or more passes in parallel. . So, for example, in order to minimize the pressure drop in the heat exchange plant, one or more of the streams entering the heat exchanger apparatus is divided into two or more streams, each of which then follows a separate path, for example, in one or more tubes, through the exchanger
1 of heat. Each of these separate paths may be referred to as a "passage" of the heat exchanger apparatus.
One of the problems which arises in using such multi-pass heat exchangers relates to the proper distribution of material, especially liquid and vapor mixtures, between the various passages. If the material to be heat exchanged is not properly distributed among the various passages of the heat exchanger, the efficiency of the heat exchanger may be reduced and, in some cases, by For example, in open fire boilers with multiple passages, this can damage or destroy the heat exchange installation. This distribution problem is of particular importance when the material which circulates in the two or more passages of the heat exchanging apparatus is a fluid which comprises both a liquid, in particular a major proportion in
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ment vaporized in the heat exchanger, and steam. The methods known in the prior art for partitioning liquid-vapor mixtures into two or more streams involve the use of complicated valve assemblies which require careful control and which, due to their complexity, require frequent maintenance, causing costs. treatment downtime. Therefore, it would be advantageous to provide improved means for partitioning a mass of fluid, including both liquid and vapor, into two or more streams for performing further processing, for example in various passes of a multiple pass heat exchanger apparatus.
Therefore, one of the objects of the present invention is to provide an improved apparatus for partitioning a mass of fluid comprising a liquid-vapor mixture into two or more separate streams.
Another object of the present invention is to provide an improved process for dividing a mass of fluid consisting of a liquid-vapor mixture into two separate streams.
Yet another object of the present invention is to provide an improved method and apparatus for partitioning a mass of fluid, consisting of a liquid-vapor mixture, into two or more separate streams in which the apparatus is in fluid communication with an apparatus. heat exchanger with multiple passages and / or with different chemical reaction zones. Other objects and advantages of the invention will emerge on reading the following description.
An improved device for sharing a common fluid
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cipale by weight of liquid, and vapor, advantageously
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of steam, in two or more separate streams, each of which flows for example in a different passage of a heat exchanger apparatus having at least two passages has now been invented.
The device includes:
1 - a hollow container having at least one fluid inlet device;
2 - at least two elements forming hollow conduits, each having an upper opening located at a first end of said elements forming conduits which extends inside the container, each of these elements forming conduits constituting outlet means of the container for a a different portion of the fluid, each of the duct members being in fluid communication with a different passage of the heat exchanger apparatus;
3 - at least one orifice located in the part of each of the duct members which extends inside the container below the first end of the duct members and below the level of the liquid to provide fluid communication between the interior of the container and the hollow interior space of the duct members; and
4 - restriction means located at a level higher than that of the upper openings of the elements forming conduits to limit the flow of at least a part and, preferably, substantially all, of fluid coming from
of the fluid inlet device directly into the hollow space of the elements forming conduits through the upper openings of the elements forming conduits: -
In another embodiment of the present invention, each of the conduit members of the present apparatus is in fluid communication with a different chemical reaction zone to which the fluid is to be delivered. Thus, the apparatus of the present invention provides improved liquid-vapor distribution in (1) a heat exchange apparatus having at least two passages, (2) in a plurality of chemical reaction zones or, at a time (1) in the heat exchanger and (2) in the chemical reaction zones. Further, heat exchange and chemical reaction can occur in the same apparatus and this feature is within the scope of the present invention.
The fluid inlet device is preferably located at a level higher than that of the upper openings of the elements forming the ducts and, more advantageously still, at a level higher than that of the restriction means so that the fluid constituted by a liquid-vapor mixture which is to be dispensed flows in a generally downward direction towards the restriction means. The hollow container can have any suitable size and geometry. For convenience and to facilitate manufacture, the fluid inlet device preferably has a circular configuration although this device may have any suitable size and geometry.
The hollow duct members can have any suitable geometry although it is preferred that the top opening of each of the duct members have a circular configuration. It is preferable that the cross-sectional area of the top opening of all of the duct members have uniform dimensions. The dimensions of the cross section of the top opening can vary within a wide range and depend on various factors such as, for example, the flow rate of the fluid and the composition of the fluid, for example the percentage of vapor contained. in the fluid.
The total length of all duct members should preferably be uniform although this may not be possible to achieve, for example, due to the position, dimensions, configuration (and the like of the apparatus such as that, for example, the heat exchanging apparatus and / or the chemical reaction zones to which the fluid is to be delivered. Likewise, it is preferred that each of the duct members extend into the vessel such that the openings upper duct members are all located at a substantially uniform horizontal level.
At least one port, and preferably between 1 and about 20 ports, are located in the portion of each of the duct members extending into the container, below the first end of the duct means. Although these ports can have any suitable geometry, it is preferred that they have a circular configuration. It is preferred, if more than one port is used, that the ports are evenly spaced around the periphery of the duct members at a substantially uniform horizontal level although a vertical array of ports can be used. The number, as well as the dimensions, of these orifices depend on various factors, such as, for example, the flow rate of liquid in the container.
For example, if the liquid flow rate varies greatly from time to time and / or is such that a single row of orifices cannot suffice, two or more such rows may be used.
The apparatus of the present invention includes restriction means located at a level higher than that of the upper openings of the duct members, preferably at a level between that of the fluid inlet device and the upper openings of the duct members. , to limit the flow of at least some, and preferably substantially all, of the fluid from the fluid inlet device directly through the top openings of the conduit members. In many cases, these restriction means consist of a device commonly called a "drip screen". This drip shield is located above the upper openings of the duct members and between the duct members and the fluid inlet device.
At least part of the fluid which enters the container through the fluid inlet device impinges on the drip shield and is thereby prevented from entering the upper openings of the component elements.
pumped directly from the fluid inlet device.
In a preferred embodiment, the apparatus of the present invention further comprises plate-forming means located at a level higher than that of the openings of the elements forming the ducts, preferably at a level comprised between the upper openings of the elements forming the ducts. conduits and restricting means for more completely restricting the flow of fluid directly into the upper openings of the conduit members.
It is clear from the above description that the dimensions of the present apparatus are not of critical importance for the present invention. Typically, the container
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with an internal diameter between 0.30 and 6 m or more. The portion of the conduit members which extends into the container typically has a length of between about 0.30m and about 4.5m, preferably between about 0.60m and about 1.8m. These duct-forming elements terminate in upper openings which are preferably distributed substantially regularly over the entire section of the hollow container. The top opening of each duct member typically has a cross-sectional area of between about 6.45cm <2> and about 775cm <2>, or more,
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elements forming ducts extending into the container a,
preferably, a cylindrical configuration and has a circular top opening.
The center of the orifice or orifices located in the portion of each of the duct members which extends into the container is typically located at a distance of between about 0.15 m and about 3 m, preferably between about 0, 30 m and approximately 1.2 m below the top opening of the ductwork elements. Each of the orifices may have an over-
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ron 6.45 cm. If a conduit member is provided with several orifices, the openings are preferably substantially evenly distributed around the periphery of the conduit members. It is preferred that all of the orifices in all of the duct members have substantially uniform dimensions and are located at a substantially uniform horizontal level.
The de.restriction means are typically located at a distance of between about 0.15 m and about 3 m, preferably between about 0.30 m and about 1.8 m, above the upper openings of the duct members. In many cases, the restriction means have a cross-sectional area at least as large and preferably at least twice as large as the total area of the cross-sections of the upper openings of the duct means.
The optionally provided tray means are typically located at a distance of between about 0.25 cm and about 0.30 m, preferably between about 0.50 cm and about
15 cm, above the upper openings of the duct elements. In one embodiment, portions of the tray means are supported by each of the individual duct members above the upper opening of that duct member. In this embodiment, the tray means typically have a cross-sectional area at least as large and preferably at least about twice as large as the top opening of the conduit member above which they are. supported.
In another embodiment, the plate-forming means consist of a perforated plate supported above the upper openings of the conduit means. Thus, the solid portion of the perforated plate also restricts the flow of fluid directly into the upper openings of the duct members. This perforated plate has at least one perforation which allows fluid to flow through it. The perforations, which are preferably circular in shape, preferably represent between about 10 percent and about 50 percent of the total cross-sectional area covered by the perforated plate. This mode
embodiment is more particularly preferred when the apparatus of the present invention comprises at least four elements forming conduits.
In another embodiment, the portion of the conduit means extending into the hollow container may be provided with "leakage ports", i.e., small ports located at or near the junction (s). of the junction or junctions where the elements forming conduits exit from the container. These leak holes, which typically have a cross-sectional area of between about 0.0645 cm2 and about 1.3 cm2 provide an alternative path for a small amount of liquid, for example less than about 20% and preferably less than about 10% of the total liquid out of the vessel in the two separate streams, or more, for example, to different passages of a heat exchange apparatus and / or zones of different chemical reactions.
The apparatus of the present invention can be made from any suitable materials of construction. The materials of construction used depend on the particular application in question. In many cases, metals and metal alloys such as iron, carbon steel or stainless steel, copper and the like can be used. Of course, the apparatus should be made of a material or combination of materials which is substantially unaffected by the fluid or affected by conditions such as, for example, temperatures, pressures and the like, under which the device is normally used. Further, such material or materials should not have substantial deleterious effects on the fluid being treated.
The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which:
Fig. 1 is a vertical sectional view of one embodiment of the apparatus of the present invention; Figure 2 is a horizontal sectional view from above, taken along line 2-2 of Figure 1; Fig. 3 is a vertical sectional view of another embodiment of the present invention; Figure 4 is a top horizontal sectional view taken along line 4-4 of Figure 3; Fig. 5 is a diagram showing an embodiment of the present invention; Figure 6 is a diagram of another embodiment of the present invention.
As shown in the drawings to which reference will now be made, a hollow container 10 is provided with a device
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shown in Fig. 5 distributes fluid to a two-pass open fire boiler and, therefore, the apparatus comprises two duct members 12, each in fluid communication with a different passage of the open fire boiler 20. Although the present invention being more particularly applicable to the distribution of fluid to heat exchanger apparatuses with multiple passages, it is usable for partitioning a fluid comprising a liquid and vapor into two or more separate streams, with a view to their treatment by other apparatus, such as chemical reactors, distillation columns and the like. In the embodiment shown in Figure 6, each of the conduit members 12 is in fluid communication with a different chemical reaction zone 22.
As shown in Figures 1 and 2 to which reference will be made, a drip screen 14, held in place by support bars 15, is located between the intake device 11 and the upper openings of the elements forming the ducts 12. orifices 13 formed in each of the duct members
12 provide fluid communication between the interior of the hollow container 10 and the hollow interior space of the duct members 12. In the embodiment shown in Figures 1 and 2, plate means 16 supported by support columns 14 prevent also the fluid entering the upper opening of the duct members 12 directly from the intake device 11.
In the embodiment shown in Figures 3 and 4, the tray means are constituted by a perforated plate supported above the upper openings of the conduit means 13. Thus, the solid part of the perforated plate 16 also prevents the fluid flow directly
�, in the upper openings of the duct members 13. This perforated plate 16 has perforations 18 which allow fluid to flow through it.
In service, a fluid consisting of a mixture of liquid, preferably a major proportion, by weight, of liquid, and of vapor, enters the hollow container 10 through the inlet device or conduit 11. The fluid entering the container collides with the drip shield 14 and is therefore at least partially prevented from entering the upper openings of the duct members 12 directly from the fluid intake device 11. The drip shield 14 serves also to reduce the kinetic energy of the fluid entering the container, which improves the dispensing efficiency of the present apparatus. The fluid then continues its path in a generally downward direction towards the means forming a plate 16. The vapor contained in the fluid arriving in the container passes around the means forming a plate 16.
and enters the hollow space of the elements forming ducts 12, through the upper openings of these elements 12. At least a part, and preferably a principal proportion of the liquid contained in the fluid arriving in the container, continues its way downwards. beyond the upper openings of the duct members 12 and accumulates to the level and, preferably, above the level of the orifices 13. After the liquid has accumulated to a certain point. at or preferably above the level of the orifices 13, the liquid flows through the orifices 13 into the hollow interior space of the duct members 12 where it is combined with the vapor which has entered the space hollow through the upper openings of the duct members 12.
The liquid-vapor mixture thus shared flows through the hollow interior space of the duct members 12, for example into the two passages of the open-fire boiler 20 or into the different chemical reaction zones 22. The double restricting action of the drip shield 14 and plate means 16 provide improved operation of the present apparatus since, for example, the effect of the sudden influx of fluid, namely liquid and vapor, by the device. inlet 11, is reduced to a minimum, allowing a reasonably constant level of liquid to be maintained.
This, in turn, enables more constant liquid flow rates to be achieved in each duct member and, for example, in each passage of the heat exchanger or in each chemical reaction zone, thus ensuring improved distribution.
As noted above, it is preferable that the liquid contained in the container is accumulated to a level above the orifices formed in the duct members. In many cases, a liquid level of between about 2.5 cm and about 30 cm above the top of the orifices is more particularly preferred.
Although the apparatus and method of the present invention can be used to partition a fluid consisting of a liquid-vapor mixture into two or more separate streams, to allow more efficient execution of treatment in any downstream apparatus. of the apparatus of the present invention, the present invention is more particularly applicable to the distribution of a fluid in heat exchange apparatus, and more particularly in open fire multiple passage boilers, used, for example, in petroleum treatment processes and in petrochemical processes. The term "open fire boiler" denotes a boiler in which the fluid is present in tubes in the immediate vicinity of which combustion of eg natural gas, hydrocarbons, fuel oil and the like occurs.
A significant part of the heat exchange in such a device takes place by radiation. If a multiple pass open fire boiler is used, good distribution of the liquid-vapor mixtures is necessary in order, for example, to ensure efficient heat exchange and to avoid local hot spots on teas that can cause the damage or even destruction of the boiler.
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can normally be between 260 [deg.] C and 870 [deg.] C. Fluid including liquid can enter the multi-pass open-fired boiler at a wide variety of temperatures, for example, between about 38 [deg.] C, or less, and about 540 [deg.] C, or more. At least part of the liquid contained in the fluid is preferably vaporized by the heat emitted in the open fire boiler. The fluid leaving the open fire boiler tubes typically has a temperature of between 95 [deg.] C, or less, and about 815 [deg.] C or more. The amount of heat transferred to the fluid in such an open fire boiler can typically range from 1.26,000 kcal / hr, or less, to 63,000,000 kcal / hr, or more.
The pressure drop inside the tubes (from the inlet to the outlet) in an open-fired boiler is between 0.035 and 7.0 bar, or more. The operating pressures inside the tubes of such a boiler can range from about 1.05 bar, or less, to about 350 bar, or more.
In addition, as previously noted, the invention finds a particularly advantageous application for the distribution of a liquid-vapor mixture in several chemical reaction zones, such as the catalytic chemical reaction zones used, for example, in chemical processes, in
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Either serving to promote the chemical reaction may or may not be present in the chemical reaction zone. The catalyst can be homogeneous or heterogeneous. Frequently, the chemical reaction zones consist of partitioned vessels which are at least partially filled with a solid particulate catalyst material. The desired conditions, for example, temperature, pressure and the like, within the chemical reaction zone are dependent, for example, on the reaction, or on the particular chemical reactions which are to take place.
Such reaction conditions are frequently conventional and well known in the art.
Typical reactions which occur in the chemical reaction zones of the present invention are, in particular. reactions carried out on hydrocarbons, such as isomerization, reforming, cracking, polymerization, alkylation, dealkylation, hydrogenation, dehydrogenation, hydrocracking and the like.
It is clear from the foregoing description that the apparatus and method of the present invention can be used in combination with a wide variety of heat exchange apparatus, such as, for example, multiple pass open fire boilers, and / or chemical reaction zones. Of course, the present invention can also be used just as well to partition a fluid into two or more separate streams for the performance of downstream processing in other apparatus. The present invention effectively provides improved means for effecting efficient partitioning of a fluid consisting of a liquid-vapor mixture into two or more separate streams.
For example, the apparatus described above requires little or no moving parts, and, therefore, only needs infrequent maintenance.
Although the present invention has been described with reference to various specific examples and embodiments, it is understood that the invention is not limited to such examples and embodiments and that it can be practiced. in various other ways without departing from the scope of the appended claims.
CLAIMS
A distribution device to share a
mass of fluid formed by a liquid-vapor mixture of at least two separate streams, each of which flows through a different passage of a heat exchange apparatus having at least two passages, this apparatus being characterized in that it comprises:
1 - a hollow container having at least one fluid inlet device;
2 - at least two elements forming hollow distribution conduits each having an upper opening situated at a first end of said elements forming conduits which extends inside the container, each of these elements forming conduits constituting outlet means of the container for a different portion of the fluid, each of the conduit members being in fluid communication with a different passage of the heat exchange apparatus;
3 - at least one orifice located in the part of each of the elements forming the ducts which extends inside
the container, below the first end of the conduit members, to provide fluid communication between the interior of the container and the hollow interior space of the conduit members; and
4 - restriction means located at a level higher than that of the upper openings of the elements forming conduits to limit the flow of the fluid coming from the fluid inlet device directly into the hollow space of the elements forming conduits through the upper openings of the elements forming conduits.