CN101952005B - 板翼片流体处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于处理流体的装置包括多个翼片层，其中多个板分离所述翼片层从而限定通过每个翼片层的流体流动通道。第一流体入口与所述流体流动通道的第一端部连通，第一流体出口与所述流体流动通道的第二端部连通，第二流体入口与所述流体流动通道的第二端部连通并且第二流体出口与所述流体流动通道的第一端部连通。流过所述第二入口的流体承受所述翼片层的剪切作用使得向流过所述第一入口的流体发生传质。所述装置可以被用于液-液处理，例如萃取，或气-液处理，例如吸附、吸收或解吸以及反应。
Description
优先权请求
本申请要求2007年7月9日提交的、申请序列号为60/958,776的美国临时专利申请的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及流体处理设备，并且更具体地涉及用于使用板翼片技术执行流体处理的装置。
背景技术
在化学制品或食品生产、废物处理和回收或净化操作中的几个重要处理包括两种或更多种流体的结合，以发生分离、混合和/或反应。这种处理包括气-液处理，例如吸附、吸收、解吸附和两相反应，以及液-液处理，例如萃取和反应。尽管存在用于执行这种处理的可接受的设备，但是其这种装置存在效率不高的不足。
液-液萃取处理在本领域中是众所周知的，如同用于执行萃取的萃取装置一样。在液-液萃取中，通过与第二液体的密切接触而从液体溶液或混合进料中去除一种或多种成份。所述第二液体是不与液体混合物混溶的，但是因为所述第二液体对于混合原料中的一种或多种成份呈现出优先的亲和性或选择性，从而起到用于从混合物去除成份的溶剂的作用。液-液萃取因此是传质操作。
广泛地用于执行液-液萃取的传统装置是筛盘柱(sieve tray column)，有时也被称作多孔板柱。在Robbins的美国专利US3,988,116和Baird的美国专利US4,424,131中披露了这种装置的例子。
在图1-3中示出了发生在传统的筛盘柱10中的液-液萃取处理。图1示出了总体流动。液体2入口和液体1出口被定位在所述柱的顶端。液体1入口和液体2出口被定位在所述柱的底端。如同在图2中所示的那样，筛盘柱，大体上由10表示，特征为具有多个穿孔板，其中两个由12和14示出。在图1-3所示的例子中，溶剂，图1中的流体2，流过所述柱的顶部处的入口，向下流过所述柱，并且从所述柱的底部处的出口流出。具有被去除的成份的溶液，图1中的液体1，通过所述柱的底部处的入口流到所述柱中，向上流过所述柱，并且从所述柱的顶部处的出口流出。在这个例子中，液体2的密度(density)大于液体1的密度，但是如果溶液液体密度更大的另一情形能发生。然后那个液体将在顶部进入并且泡将向下流动。
如同在图2中所示的那样，当溶液(图1的液体1)上升通过下部分配盘14的开口或孔时形成溶液的液泡16。成份A的传质，其是萃取的目标，包括几个步骤。由于两种液体的溶解度差，成份A的分子通过传质从所述泡的表面移动到溶剂(图1的液体2)内。这些分子通过扩散继续迁移到溶剂(液体2)中。成份A在泡的表面处的浓度的降低在泡内产生浓度梯度。在所述泡由于浮力上升时，如同由箭头18所示的那样，溶液(液体1)的泡内的主成份A通过A的浓度梯度被从所述泡的内侧扩散到所述泡外侧的与溶剂(液体2)的接触面(如同由图3的箭头20所示的那样)。通过平衡的因素限定传递。
当泡到达上部盘12的下侧时，它们的移动被阻止并且它们将重新聚集以形成带有均匀浓度的成份A的溶液(液体1)新层。所述层被称作重新聚集层并且在图2中由22示出。通过上部分配盘12的孔将再次形成新的小液泡，并且重复上面的过程。
通过由于成份A在泡的边界处的浓度梯度的扩散，发生成份A的到泡16的外侧的溶剂的传质。参考图3，可以通过等式(CAb-CA)/b计算在泡16的边界区域内的梯度，其中：
CAb＝成份A在边界的内部边缘处的浓度
CA＝成份A在边缘的外部边缘处的浓度(其是在溶剂内的成份A的浓度)
b＝边界的厚度
如果通过所述边界区域的传递是较快的，那么CAb和CA能较快地达到平衡。从泡的内侧到边界的内部边缘的传递，也就是说，从浓度CA0到浓度CAb的传递(其中CA0是在泡的中心处的A的浓度)，通常是速率控制(限定)步骤，因为它比通过所述边界区域的传递慢。从CA0到CAb的传质主要取决于具有高传质阻力的扩散。结果是，CAb缓慢地增加使得由于泡的边界区域内的较低的梯度(经由上面的等式)而降低了传质效率。
转向包括气-液处理的例子，通常使用充满高表面面积或高效率的填充材料的填充床塔执行吸附或解吸。当前填充床装置的效率，如同上面所描述的关于液-液萃取柱那样，也受到在所述塔内形成的泡或滴之内的传质的局限的限制。
在上面所描述的液-液或气-液装置内形成较小的泡或滴的将有助于单位体积的材料提供更大的表面区域和减少泡或滴中的扩散距离。因此存在对于这样的流体处理装置的需求，所述流体处理装置经由用于传质的较小的泡或滴的形成能提供大表面区域，并且经由通过频繁地分离和重新聚集泡或滴在泡或滴之内的混合也提供对流传质。
附图说明
图1是传统的筛盘萃取柱的示意图；
图2是图1的传统的筛盘萃取柱的内部的示意图；
图3是来自图1的筛盘萃取柱的泡的放大图；
图4是本发明的板翼片流体处理装置的实施方式的单元块部分的透视分解图；
图5是图4的单元块部分的透视组装视图；
图6是沿着图5的线6-6得到的包括图4和5的单元块部分的本发明的板翼片流体处理装置的实施方式的横截面图；
图7是本发明的板翼片流体处理装置的另一实施方式的单元块部分的流体流动通道的端视图，其特征为具有锯齿状(serrated)翼片结构；
图8是沿着图7的线8-8得到的图7的流体流动通道的横截面图；
图9是图7和8的翼片通道的一部分在使用中的示意图；
图10是来自图9的翼片通道部分的泡的放大图；
图11是包括冷却层的本发明的板翼片流体处理装置的实施方式的单元块部分的透视图；
图12是图6的板翼片流体处理装置的实施方式的横截面图，其中带有额外的流体注入端口。
具体实施方式
图4-6示出了本发明的板翼片流体处理装置的实施方式的结构。尽管依据液-液萃取描述所述装置，应当理解，本发明可以用于其它液-液处理和气-液处理，包括但不限于，吸附、吸收、解吸以及反应。
板翼片装置主要使用德克萨斯州(Texas)的伍德兰(The Woodlands)的Chart Energy & Chemicals，Inc.的热交换器和反应器的FINTEC管线技术。更具体地，如同在图4中所示的那样，所述装置由通过分隔片或板26分离的并且用侧条和端条32沿着边缘密封的波状翼片24层堆叠构成。三种部件优选为都由铝制成，但是可以使用其它金属。基体组件优选为在真空炉中钎焊以形成一体的、刚性单元块，在图5中大体上由34示出。
尽管在图4和5中示出了三个翼片层，应当理解，所述装置可以具有更多或更少数量的翼片组(以及相应的板)。此外，多种翼片结构和形状以及单元块结构可以被用作在图4和5中所示的情形之外的替换方案。这种可替换的翼片结构和形状以及块结构也包括德克萨斯州的伍德兰的Chart Energy& Chemicals，Inc.的热交换器和反应器的SHIMTEC管线的那些。在Watton等人的美国专利US6,510,894和US6,736,201中示出了这些翼片结构和形状以及块结构，它们的内容以引用的方式被结合到这里。可选地，可以使用Hesselgreaves的美国专利US5,193,611的翼片结构和形状以及块结构，其内容也以引用的方式被结合到这里。
如同由图5中的箭头36和38所示的那样，流体可以在任一方向上流过包含翼片的流体流动通道(单元块34的相邻分隔片或板之间的间隔)。此外，可以定向所述装置单元块34的流体流动通道，使得当所述板翼片装置被完全组装好并且被放置为处于使用中时流体竖直地、水平地、或者在一些其它方位上流动。
如同在图6中所示的那样，相分离区和喷嘴优选为通过焊接而被连接到所述单元块34上以完成板翼片装置，其大体上由42指示。更具体地，所述装置的顶部具有上部相分离区46、顶部入口喷嘴48和顶部出口喷嘴52。所述上部相分离区46与所述单元块部分34的流体流动通道、顶部入口喷嘴48和顶部出口喷嘴52连通。所述柱的底部被提供有底部相分离区53、底部入口喷嘴54和底部出口喷嘴56，所述底部入口喷嘴54和底部出口喷嘴56都与所述底部相分离区53连通，其进而与单元块34的流体流动通道连通。应当理解，所示的相分离区和喷嘴结构仅仅是例子并且多种可选的结构可以代替所示的那种。
在图7和8中示出了板翼片装置的翼片层和分离板的另一优选的实施方式。在这个实施方式中，所述装置的翼片具有交错结构。更具体地，如同在图8中所示的那样，各个翼片层包括在分隔片或板之间的多排翼片57a、57b、57c等，所述多排翼片在各排之间交替错开，在图7中所述分隔片或板由58和60示出。如同在图7和8中所示的那样，各排翼片可以有波状翼片部分，多排的所述波状翼片部分一起形成单个翼片层。可选地，形成一排的每个波状翼片部分可以被单独地形成并且然后被连接到其它排以制成单个翼片层。可以使用多种其它方法形成所述翼片，只要它们在图7的板58和60之间完全或部分地延伸。
具有图7和8所示的结构的多个翼片层和分离板被组装成单元块并且优选为被提供有图6的入口和出口喷嘴以及相分离区。剩余的讨论假定它是这种情况。
现在将结合图6-9描述图7和8所示的流体处理装置的实施方式的操作(基于这种理解：图6的单元块34具有图7-9的锯齿状翼片)。
如同在图7-9中所示的那样，一排翼片层的一部分(图8的57a)包括翼片62a-62e，同时相邻排的一部分(图8的57b)包括错开的翼片64a-64d。优选地，基于处理的需要或所述处理的速率确定步骤(RDS)选择各个翼片结构。例如，对于用于重整反应之后的芳族化合物萃取的锯齿状翼片，翼片长能是1/16英寸到5.0英寸，但是典型地是大约1/8英寸；并且翼片厚能是0.004英寸到0.024英寸，但是典型地是大约0.016英寸；并且相邻翼片之间的翼片间隔(水平地测量的，也就是，沿着一排测量的)能是0.03英寸到0.50英寸，但是典型地是大约1/4英寸。柱长取决于处理的需要，并且它能是几英尺到一百英尺(或者甚至更长)。
作为图7-9所示的线性翼片形状的替换形状，锯齿状翼片的特征为可以具有人字形形状，如同在图8的65a和65b处的虚线所示的那样。翼片长(在图8中由67示出)、翼片厚(在图8中由69示出)和翼片高(在图7中由71示出)在该装置的排或区之间也可以是变化的。仅仅作为一例子，翼片长67(图8)在翼片层的选定的流体流动方向上能逐渐地增加。所述翼片也能是穿孔的(穿过每个形成的开口)，如同图8中的73指示的那样。整个翼片层的一排内的翼片的数量也能是可变的。
参考图6-9，溶剂流过柱或装置的顶部处的入口喷嘴48，如同由箭头66所示的那样，向下流过所述装置的流体流动通道，如同由箭头68所示的那样，其中与翼片例如62a-62e和64a-64d等相遇，并且从所述装置的底部处的出口喷嘴56流出，如同由箭头72所示的那样。具有待去除的成份的溶液通过所述装置的底部处的入口喷嘴54流入所述装置，如同由箭头74所示的那样，向上流过所述装置，如同由箭头75所示的那样，其中与翼片例如62a-62e和64a-64d相遇，并且从所述装置的顶部处的出口喷嘴52流出，如同由箭头76所示的那样。然而，基于哪个密度更大(其中较重的液体通过所述装置的顶部处的入口流入所述柱中)，可以颠倒溶液和溶剂的进入和流出点。
在该装置中，所述翼片提供溶液的泡内的高效率的混合，其极大地改进了萃取处理中的传质。更具体地，如同在图9中所示的那样，通过锯齿状翼片62a-62e形成泡82。如同在图9中进一步示出的那样，通过来自所述翼片的边缘的剪切力散开所述泡。这个过程增强了所述泡内部的混合。而且，当所述泡在剪切区域之上的下一室中重新聚集时，形成新的、更大的泡84。在这个重新聚集过程期间，成份A的浓度再一次变得更加均匀。
通过散开和重新聚集过程，如同在图10中所示的那样，对于泡82和84来说，分别地，CAb接近CA0并CAb’接近CA0’。所述泡之内的强制混合，而不是图2和3所描述的扩散，导致传质的增强。而且，引起的在边界区域的内部边缘处的成份A的高浓度(CAb和CAb’)有助于这种成分移动穿过所述泡并且进入到在所述泡的外侧的溶剂中的溶液内。结果是，用本发明的板翼片装置的传质速率显著高于传统的装置的传质速率。
为了将上面的例子应用到特定的处理，二氧化碳(CO2)分离处理通常使用胺吸收。在这种气-液处理中，胺溶液进入所述柱的顶部处的入口喷嘴48，如同由箭头66和68所示的那样(图6)。烟气和天然气流通过所述柱的底部处的入口喷嘴54流入所述柱中，如同由箭头74和75所示的那样。气流冒泡通过所述胺溶液并且该流内的CO2结合到所述溶液内的胺基(aminegroup)。因此，在76处从所述柱的顶部处的出口喷嘴52流出的结果气流内的CO2量显著地减少。
示出了气-液反应处理的例子包括环氧乙烷(EO)与CO2反应以形成碳酸乙烯酯(EC)。EC是用来形成乙二醇(EG)的中间物质，乙二醇广泛地用在聚合物工业中。在这种处理中，EO溶液进入所述柱的顶部处的入口喷嘴48，如同由箭头66和68所示的那样(图6)。CO2气流通过所述柱的底部处的入口喷嘴54流入所述柱中，如同由箭头74和75所示的那样。CO2冒泡穿过EO溶液并且产生的液体EC流从所述柱的底部处的出口喷嘴56流出，如同由箭头72所示的那样。
在上段的反应期间，通过增加与所述柱或装置内的反应层流体通道邻近的冷却层流体通道能去除反应所产生的大量的热，使得能控制反应温度。在图11中大体上由134指示了包括这种配置的装置的单元块的例子。更具体地，与上面所描述的实施方式一样，所述单元块通过堆叠波状(corrugated)翼片层124、125和127而构成，波状翼片层被分隔片或板126分离并且用侧条和端条132和133沿着边缘密封。如同由箭头136和138所示的那样，用于执行反应或其它处理的流体可以在任一方向上流过由翼片层124和125形成的流体流动通道。所述翼片层127用作温度控制层，在该温度控制层中温度控制流体，在这个例子中为冷却流体，可以通过结果温度控制流体流动通道被引导，如同由箭头139指示的那样。结果是，可以从由翼片层124和125形成的通道去除热。作为冷却流体的替换方案，温或热流体可以用作温度控制层127中的温度控制流体以将热供给到由翼片层124和125形成的通道。
应当指出，基于反应的需要，在本发明的装置中任选地可以包括向流体通道中的注入。作为一例子，图12示出了将图6的实施方式修改成包括注入端口142，其可以包括通过所述装置的侧条或端条和/或分离片形成的通道。如同由箭头144和146指示的那样，被注入到所述流体流动通道内的流体通过注入端口142进入所述装置，以使所述流体流动通道内能进行反应或增强所述流体流动通道内的反应。在该装置上可以提供有多个注入端口例如142以形成增强注入质量并且因此增强反应质量的分配系统。
如同上面所示的那样，板翼片装置不仅由于它的独特的结构而提供用于传质的大表面区域，而且也提供由所述翼片结构的剪切力以及频繁的分离和重新聚集引起的泡或滴之内的对流传质。在这个处理期间，不仅更新表面区域，而且增强对流传质。因此，极大地改进了传质效率。此外，迅速地去除热，其对于高放热的上段的例子是尤其有益的。
本发明的板翼片装置的各个实施方式的好处包括在所述装置上的低压降，由于较短的处理时间以及单位装置体积的较高的产出而提高了处理效率，因此在较小的装置之内执行同样的处理。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，在不脱离本发明的精神的情况下可以对其进行改变和修改对本领域技术人员而言将是显而易见的。
Claims (47)
1.一种用于处理流体的装置，包括：
a)多个翼片层；
b)多个板，所述多个板分离所述多个翼片层，使得流体流动通道被限定为通过每个翼片层；
c)第一流体入口，所述第一流体入口与所述流体流动通道的第一端部连通并且适于接收第一流体流；
d)第一流体出口，所述第一流体出口与所述流体流动通道的第二端部连通；
e)第二流体入口，所述第二流体入口与所述流体流动通道的第二端部连通并且适于接收第二流体流；
f)第二流体出口，所述第二流体出口与所述流体流动通道的第一端部连通；并且
g)各所述多个翼片层包括在所述板之间的多排翼片，所述多排翼片在各排之间交替错开，当所述第二流体流流过所述流体流动通道时所述多个翼片层对所述第二流体流提供剪切作用，以当所述第一流体流流过所述流体流动通道时给所述第一流体流提供传质，
其中所述第一流体入口和第二流体入口各自包括入口喷嘴，所述第一流体出口和第二流体出口各自包括出口喷嘴，用于处理流体的所述装置还包括与所述第一流体入口的入口喷嘴和第二流体出口的出口喷嘴连通的第一相分离区，以及与所述第二流体入口的入口喷嘴和第一流体出口的出口喷嘴连通的第二相分离区，所述第一和第二相分离区也与所述流体流动通道连通。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述处理包括混合。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述处理包括反应。
4.如权利要求1所述的装置，进一步包括多个侧条对，各个侧条对被定位成各个翼片层的相反侧边缘中的每个边缘与一个侧条邻近，各个所述侧条对也被定位在各个翼片层的一对边界板之间，使得各个翼片层的侧边缘被封闭。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述多个翼片层、多个板和多个端条通过金属连接方法被固定在一起以形成单元块。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述金属连接方法是钎焊。
7.如权利要求5所述的装置，其中所述金属连接方法是扩散结合。
8.如权利要求4所述的装置，其中所述多个翼片层、多个板和多个端条均由金属构成。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述金属是铝。
10.如权利要求1所述的装置，其中各个翼片的长度为1/16到5英寸，厚度为0.004到0.024英寸。
11.如权利要求1所述的装置，其中沿着排的方向的翼片间隔为0.03到0.5英寸。
12.如权利要求1所述的装置，其中每排包括波状翼片部分。
13.如权利要求1所述的装置，其中至少一个翼片具有人字形形状。
14.如权利要求1所述的装置，其中至少一个翼片是穿孔的。
15.如权利要求1所述的装置，其中交替错开的多排翼片的至少两排具有不同的翼片厚度。
16.如权利要求1所述的装置，其中交替错开的多排翼片的至少两排具有不同的翼片长度。
17.如权利要求1所述的装置，其中交替错开的多排翼片的至少两排具有不同的翼片高度。
18.如权利要求1所述的装置，其中交替错开的多排翼片的至少两排沿着排的方向具有不同的翼片间隔。
19.如权利要求1所述的装置，其中至少一个翼片层具有波状翼片。
20.如权利要求1所述的装置，其中所述第一流体流包括液体。
21.如权利要求20所述的装置，其中所述第二流体流包括液体。
22.如权利要求20所述的装置，其中所述第二流体流包括气体。
23.如权利要求1所述的装置，进一步包括与所述流体流动通道连通的注入端口，所述注入端口适于接收注入流体流。
24.如权利要求1所述的装置，进一步包括温度控制层，所述温度控制层适于接收温度控制流体并且被定位成邻近所述多个板中的至少一个。
25.一种流体处理装置，包括：
a)第一板；
b)第二板；
c)翼片层，所述翼片层被定位在所述第一和第二板之间，使得流体流动通道被限定为通过所述翼片层；
d)第一流体入口，所述第一流体入口与所述流体流动通道的第一端部连通并且适于接收第一流体流；
e)第一流体出口，所述第一流体出口与所述流体流动通道的第二端部连通；
f)第二流体入口，所述第二流体入口与所述流体流动通道的第二端部连通并且适于接收第二流体流；
g)第二流体出口，所述第二流体出口与所述流体流动通道的第一端部连通；并且
h)所述翼片层包括在所述第一板和第二板之间的多排翼片，所述多排翼片在各排之间交替错开，当所述第二流体流流过所述流体流动通道时所述翼片层对所述第二流体流提供剪切作用，以当所述第一流体流流过所述流体流动通道时给所述第一流体流提供传质，
其中所述第一流体入口和第二流体入口各自包括入口喷嘴，所述第一流体出口和第二流体出口各自包括出口喷嘴，所述流体处理装置还包括与所述第一流体入口的入口喷嘴和第二流体出口的出口喷嘴连通的第一相分离区，以及与所述第二流体入口的入口喷嘴和第一流体出口的出口喷嘴连通的第二相分离区，所述第一和第二相分离区也与所述流体流动通道连通。
26.如权利要求25所述的装置，其中所述处理包括混合。
27.如权利要求25所述的装置，其中所述处理包括反应。
28.如权利要求25所述的流体处理装置，进一步包括一对侧条，各个侧条被定位成所述翼片层的相反侧边缘中的每个边缘与一个侧条邻近，所述一对侧条也被定位在所述第一和第二板之间，使得所述翼片层的侧边缘被封闭。
29.如权利要求28所述的流体处理装置，其中所述翼片层、第一和第二板以及一对端条通过金属连接方法被固定在一起使得形成单元块。
30.如权利要求29所述的流体处理装置，其中所述金属连接方法是钎焊。
31.如权利要求29所述的流体处理装置，其中所述金属连接方法是扩散结合。
32.如权利要求28所述的流体处理装置，其中所述翼片层、第一和第二板以及一对端条都由金属构成。
33.如权利要求32所述的流体处理装置，其中所述金属是铝。
34.如权利要求25所述的流体处理装置，其中各个翼片的长度为1/16到5英寸，厚度为0.004到0.024英寸。
35.如权利要求25所述的流体处理装置，其中沿着排的方向的翼片间隔为0.03到0.5英寸。
36.如权利要求25所述的装置，其中每排包括波状翼片部分。
37.如权利要求25所述的装置，其中至少一个翼片具有人字形形状。
38.如权利要求25所述的装置，其中至少一个翼片是穿孔的。
39.如权利要求25所述的装置，其中交替错开的多排翼片的至少两排具有不同的翼片厚度。
40.如权利要求25所述的装置，其中交替错开的多排翼片的至少两排具有不同的翼片长度。
41.如权利要求25所述的装置，其中交替错开的多排翼片的至少两排具有不同的翼片高度。
42.如权利要求25所述的流体处理装置，其中所述翼片层具有波状翼片。
43.如权利要求25所述的装置，其中所述第一流体流包括液体。
44.如权利要求43所述的装置，其中所述第二流体流包括液体。
45.如权利要求43所述的装置，其中所述第二流体流包括气体。
46.如权利要求25所述的流体处理装置，进一步包括与所述流体流动通道连通的注入端口，所述注入端口适于接收注入流体流。
47.如权利要求25所述的流体处理装置，进一步包括：
i)第三板；
j)温度控制层，所述温度控制层被定位在所述第三和第二板之间，使得温度控制流体流动通道被限定为通过所述温度控制层，所述温度控制流体流动通道适于接收温度控制流体。
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