CN102036729A - 用于多级塔中分配和收集流体的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流体分配装置，用于供给多级塔，该多级塔具有一系列板，每个板支撑一粒状固体床(2)并配有用于分配所述流体的网络，该网络由具有从第1到第N级的多级分支的大致水平管道(6)构成，从第P级到第N级的管道组紧贴被考虑的板的基准平面，并且最后的第N级分支的管道与布置在所述基准平面紧下方的混合室(8)相通。

Description

用于多级塔中分配和收集流体的系统
技术领域
本发明涉及一种用于在多级塔中分配和收集流体的新型装置，该多级塔在被称为粒状介质的固体颗粒介质中使用所述流体流。
多级塔是一种由多个沿基本竖直的轴线布置的板构成的塔，每个板(称为支撑板)支撑一粒状固体床，并且相继的各床被塔中使用的流体接连地穿过。穿过相继床的流体被称为主流体，以与其它流体区分，其它流体可通过通常位于两个相继的床之间的板(称为分配板)而被加入到主流体中。
每个粒状固体床通常均由位于所述床上游的分配板供应。
本发明涉及分配板。
在下文中，当提及缩写“板”时，指的是分配板。
分配板通常包括用于供应和收集流体的网络，称为分配网络，以及一个或多个混合室，用于将通过分配网络注入或者抽取的流体与主流体混合。
本发明的装置由多个分配板构成，分配板的分配网络至少部分地与粒状介质接触。
本发明主要在于，将分配板的分配网络设置得尽可能靠近塔中用于支撑P级颗粒床的支撑板，以供应P+1级颗粒床。这种设置，即尽可能靠近支撑板，允许使位于被考虑的分配板的分配网络的构成管道下方的死容积最小化。
本发明还涉及在分配网络中添加垫块的可能性，该垫块将与分配板邻近的管道与周围粒状介质分开。
本发明允许在固体颗粒床的内部接近活塞流，从而允许优化在这种类型的塔中实施的各种方法的性能，例如模拟移动床(LMS)吸附。
背景技术
在反应器或者分离塔类型的多级方法中，采用的分配装置可以有多种功能，比如在所述塔的任何水平处将流体流注入或者抽离反应器或者塔。
通常希望这种注入或者抽取功能在塔截面的不同区域之间以均衡的方式进行。
实际上，塔截面通常被分为一定数目的区域，每个区域相对于其它区域应该以均匀的方式被浇灌。
这需要采用具有特定几何构造的分配器，其可以通达每个区域并且在每个区域输送(或者抽取)大概相等的流体流，如果这些区域具有相等的表面积的话。如果这些区域具有不同的表面积，则注入或者抽取的流体流与相关区域的表面积近似成比例。如果所涉及的塔具有大尺寸(例如直径为5-15米)，则通常使用具有或多或少分支的管道的分配网络来将流体从塔外送向多级塔的各板，然后再从给定板送向所述板的每个区域。
这些板也用于将塔中的主流与通过分配网络注入的流进行混合，以为下游的板提供均匀浓度的流体。
关于色谱或者模拟移动床(LMS)类型的多级塔吸附分离方法，专利WO2006/027118A1、US2006/0108274A1、EP0074815、FR9309593提供了用以供应位于塔中不同高度处的板的分配网络的构造的例子。
分配网络可能相当庞大，通常是将此类分配网络设置在粒状固体(催化剂或者吸附剂)床中，以使塔总体积最小。
还可以采用将分配网络集成到分配板中的替代方案，但该方案通常需要使用更多大体积的板，并且塔的总体积将大于分配网络在板外并被掩埋在由分配网络供应的床上方或者下方的粒状固体中的情况下塔的总体积。
分配网络类型、管道尺寸以及它们位置的选择必须满足不同标准：
●以均衡的方式在分配板的整个截面上对分配板进行供给；
●以同步的方式将流体输送到板的不同区域，即最小化分配网络中的具有停驻时间的分配；
●采用尽可能小体积的分配网络以最大化有效固体的体积；
●采用这样的分配网络，即在该分配网络中流体速度足够小以避免可破坏分配网络和板的振动发生的危险。
为了满足这些不同标准，有时采用大尺寸的分配网络，并且已证明，分配网络在粒状介质本身中的设置会干扰塔中的流动。在采用粒状固体并且追求活塞流的方法中尤其是这种情况。
“活塞流”表示速度在方向和大小上尽可能均匀的流动，以使被考虑的设备中的轴向扩散最小化。在采用一个或者多个多级塔的模拟移动床(LMS)分离方法中，达到前述目的尤其重要。
附图说明
图1是根据现有技术中一种多级塔的一部分的示意图，流体的流向朝下；
图2示出了根据现有技术的一种“耙
Figure BPA00001249887300031
”型分配网络；
图3示出了根据现有技术的一种“章鱼”型分配网络；
图4示出了根据本发明的一种具有一系列多个细分部或分支的分配网络；
图5A根据现有技术对应于一种粒状固体床中的分配网络的细节图；
图5B根据现有技术对应于在根据现有技术的分配网络和下板之间有非零距离的情况下沿图5A中的AA所取的截面；
图5C根据本发明对应于在分配网络紧贴分配板的情况下沿图5A中的AA所取的截面；
图5D根据本发明对应于在分配网络紧贴分配板并且配备有能够消除分配网络的管道与所述板之间的死容积的垫块的情况下沿图5A中的AA所取的截面；
图6A、6B、6C示出了根据本发明的不同实施例的示意图；
图7根据本发明对应于采用了根据本发明分配网络的多级塔的一部分的示意图；
图8A是显示本发明能够减小的死容积现象的由数字仿真得到的视图；
图8B是示出了1m宽和1m高的固定床中直径为0.35m的管道在2D情形下在其基本形式(管道紧贴板)或者优选形式(管道紧贴并有额外的垫块)下，由本发明引起的轴向扩散减小的曲线。
发明内容
本发明要解决的技术问题是改善流体在包括有多个板的塔(称为多级塔)内的流动，其中每个板均承载一粒状固体床。
在当前背景下，“流动的改善”指的是流动尽可能接近活塞流，即一种在流体穿过塔中各相继床时轴向扩散尽可能小的流动。
塔总体上构成粒状介质，并且在不同板之间流动的流体是朝下流动的液体。
本发明包括用于分配供给塔的流体的网络组，所述塔的每个板配有一个分配网络，所述分配网络由具有从第1级到第N级的多级分支的大致水平管道6组成，从第P级到第N级(P在1到N的范围内，包括端点)的管道组紧贴被考虑的板的基准平面，最后的第N级分支的管道与布置在基准平面紧下方的混合室8相通。
更准确地说，如果H表示分配网络中管道的下端与紧下游的分配板的基准平面之间的分隔距离，则当H在0到被考虑的管道的直径的1/4范围内时，就认为被考虑的管道与分配板紧贴。
在分配网络具有多级分支的通常情况下，这些不同的级以1到N表示，主管道以1表示，最后一级分支的管道以N表示。
因此，本发明在于，至少一部分管道，即从第P级分支到最后的第N级分支的管道，与分配板紧贴。
优选地，组成分配网络的所有管道，即从第1到第N级的管道，均与分配板紧贴。
这种情况下，分配网络被称为完全紧贴。
在一种优选的变型中，本发明还在于，采用设置在组成分配网络的至少一部分管道下方并将所述管道与周围粒状介质隔开的垫块，以最小化由于所述管道在粒状介质中的存在而引起的轴向扩散。
本发明还涉及采用本发明装置的模拟移动床分离方法，其中待分离的进料是包含有7到9个碳原子的芳香族化合物的任意混合物。
本发明还涉及采用本发明装置的模拟移动床分离方法，其中待分离的进料是正链烷烃和异链烷烃的混合物。
最后，本发明还涉及采用本发明装置的模拟移动床分离方法，其中待被分离的进料是正烯烃和异烯烃的混合物。
更一般地，任何采用一个或者多个多级塔的方法(其中在构成所述塔的每个板处或者仅部分板处需要流体分配系统)，尤其是模拟移动床方法，都可以接收本发明的流体分配装置。
流经所述装置的主流体优选地具有范围在600kg/m3到950kg/m3的密度，以及范围在0.1cPo到0.6cPo的粘度。缩写cPo表示厘泊，即10-3kg/m.s。
在大部分情况下，对于所述方法的应用所涉及的流体，本发明的装置能够在塔的床的任何点处实现小于3x10-3cm2/s的轴向扩散系数。
具体实施方式
本发明可以被应用于采用流经被分为多个床的粒状介质的流体的过程中。包含多个床的容器通常是圆柱状的，因此构成了塔，然而圆柱状不是必须的，采用其他形状也是可行的。在下文中，不管所述塔的几何形状是如何的，均采用“塔”一词。
因此本发明可以应用于具有以串联方式设置的多个床的塔中，这样的塔被称为多级塔。粒状固体床被分配板隔开，分配板可以进行床中不同流体的注入或者抽取，并且需要在注入流体时将所述流体从塔外输送到板中，在抽取流体时将所述流体从板中输送到塔外。
在每个分配板处用于注入或者抽取不同流体的管道形成了一个网络。
一般来说，分配板被插置在所述分配板紧上游的粒状固体床和所述分配板紧下游的粒状固体床之间。
本发明应用于当所采用的管道网络至少部分地掩埋在如上定义的位于紧上游的粒状固体床中时。换句话说，用于供给P级床的分配板至少部分地掩埋在P-1级床的粒状介质中
图1示意性地表示了根据现有技术的塔1的一部分，塔1被细分成多个床2，每个床2由固定的固体颗粒床构成。塔被由向下的黑色箭头表示的主流所流经。
床2被功能为可以抽取或者注入流体流以与来自上方的床的主流混合的分配板隔开。
分配板通常被细分为面板5，面板5用以收集从紧上方的床流出的流体。将板分为面板的目的是利于从板上游的床流出的流体与注入板中的流体相混合的功能。每个面板5包括上网栅4或者打有孔的板用以支撑上方的床，以及位于面板底部的流体分配器3用以供给位于所述板下游的颗粒床。
分配器3可以由网栅和打有孔的板构成。每个面板5与具有一个或者多个注入点的供给网络连接。注入网络6供给设置在面板本身中的注入室8，注入室8包括开口使得流体的注入或者抽取在面板本身中进行。
根据现有技术，注入室8通常设置在面板5中，如图1所示。在某些情况下，可以通过把所述室设置于上网栅4上而使注入室8部分地掩埋在位于上游的床的粒状介质中。
面板的几何构造通常被设计成使得来自上方床的主流体与由分配网络注入的流体在被分配到下方床中之前实现很好的混合。流体混合和分配的质量部分地取决于面板的分割方式和它们的数量。
板被分割为面板的方式可以有很多种变型。
分配板与分配/收集网络相连接，分配/收集网络由不同的管道组成，其中至少可以区分主管道6和次管道7。对应于更高级分支(例如3级或4级)的其它管道是可能的，但是为了简化描述，本文仅局限于包括主管道6和次管道7的分配网络。
根据现有技术，虽然次管道7具有至少一个指向下方的基本竖直的部分以将水平管道6与分配板的面板5连接，但主管道6通常位于相对于支撑网栅4为非零距离H处。
图2是一种“耙”型管道网络的例子的俯视图。
面板5将板分割成平行的宽度大致相同的区域。
次管道7基本上均在对应于面板5的长度(或者较大的尺寸)的共同方向上排布。
主管道6与次管道7在沿主管道6分布并限定每个区域的不同点处连接。次管道7在其末端处供给注入室8，注入室8覆盖了面板5长度的大部分。
根据现有技术，图3示出了管道网络的另一例子，称为“章鱼”型管道网络的俯视图。
这里面板5对应于角形区域。
因此主管道6将流体从塔外向塔中心运送，之后通过可为圆形的分配室将流体在各个次管道7之间分配，次管道7按照各角形区域在塔的截面上辐射，如图3所示。
图4为管道网络的另一例子，其采用几个连续的分配网络细分部。主管道6被分为两个管道，它们本身又供给其它次管道，因此形成了3级网络。与图2相比，该分配网络具有对应于管路9第3级分支。每个管路9供给两个的相邻的面板5。
分配网络的这些不同构造只是以例示的方式给出，本发明可以应用于任何类型的网络。优选地，本发明应用于具有多个分支的网络，如图4所示的那种。
图5A对应于网络的细节图，在该图中可以看到水平次管道7h的一部分；该水平次管道没有紧贴板，在弯头之后跟随有另一与板相连的竖直部分7v。将次管道的水平部分7h与分配板4分隔开的非零距离用H表示。
图5B是沿图5A中AA的截面图。
图5C是根据本发明在次网络的管道紧贴相关板的情况下沿AA的截面图。根据本发明，距离H等于管道7h直径的四分之一。
图5D是沿AA的截面图，其对应的情况是根据本发明，次管道紧贴分配板4，并且根据一种优选变型，次管道被垫块10与颗粒床分隔，垫块10允许在次管道下方没有流体流动；它们填塞了网络管道下方的容积。
图6示出了本发明的几个实施例。目的仍旧是最小化网络与相关板之间的容积。
图6a中，可以采用能填塞管道7h两边容积的两个垫块。
图6b中，可以采用一个管道7h能够置于其上的U形垫块。
图6c中，可以采用由平底成型管道构成的网络。
图7示意地示出了塔1的一部分，塔1被细分为多个颗粒床2，每个颗粒床包括一固定的固体颗粒床。
图7中，应用了本发明的优选变型，在该优选变型中主管道6和次管道7与板紧贴，即距离H为零。
更一般地，当网络包括从1到N的多级分支时，本发明要实现的是，分支的一部分与支撑被考虑的床的板紧贴，优选地，全部分支均与被考虑的板紧贴。
在这种条件很难实现的某些情况下，可将紧贴条件局限于最后几级分支(比如从第P级到第N级)，并假设从第1级到第P-1级分支被置于板上方非零高度H处。凡是至少最后一级分支与板紧贴的网络均符合本发明。
示例
本发明的重要性被如图8A所示的二维结构中进行的一系列流体动力学计算所证实，在图8A中示出了管道相对于分配板的基准平面的不同高度。不同的灰色区域对应于经过颗粒床的流体的回流(recirculation)程度。特别地，在管道下方的黑色区域对应于死区，即具有最大回流的区域。
然而，所探寻的是一种尽可能接近活塞流的流，即无回流。
被研究的结构由尺寸为1m高乘1m宽的颗粒床构成，第三维，或者说长度，被认为远大于高度和宽度。
构成颗粒床的颗粒为非多孔的球形，直径为0.6mm并且限定了32％的间隙孔隙度。
直径为0.25米的3米长的管道被掩埋在颗粒床中。
管道的最低点(或者下端)与床的底部(或者下板)之间的距离H在0到0.65米之间变化。
管道与下板紧贴、H＝0且管道下方具有垫块9的情形对应于图5D。
模拟具有常温的水沿向下的方向流过颗粒床。该液体的速度曲线在床入口处是平的。
该流动是根据称为“Brinkman-Forchheimer模型”的多孔介质流动模型进行模拟的，该模型的详细内容可以在例如F.Benyahia的文章“On the modeling of flow in packed bed systems”，Part.Sci.Tech.22(2004)，367-378中找到。
由不同测试构造引起的轴向扩散以单位为cm2/s的轴向扩散系数Dax度量。
Dax随分隔管道与下板的距离或者高度H的变化如图8B所示。
由图8B清楚地可见轴向扩散系数Dax随着管道接近板而减小，其值从大约3×10-3变到2×10-3cm2/s。
高度H是相对于管道的下端测量的。
图8B中的两个白色的点对应于本发明。图8B中其它以黑色表示的点对应于现有技术。
通过使管道紧贴下板，轴向扩散系数Dax达到了最小值2×10-3cm2/s。
另外，通过设置侧垫块以将管道与粒状介质分隔并意图进一步减小管道下方的死容积，轴向扩散系数进一步被减小，从2×10-3cm2/s变到了1.2×10-3cm2/s。

Claims (11)

1.一种分配流体的装置，用于供给具有一系列板的多级塔，每个板支撑一粒状固体床并配有用于分配所述流体的网络，所述网络由具有从第1到第N级的多级分支的大致水平管道(6、7、10)构成，从第P级到第N级的管道组紧贴被考虑的板的基准平面，即如果H表示网络中一个管道的下端与紧下游分配板的基准平面间的分隔距离，则H在从0到被考虑管道的直径的四分之一的范围内，P可以取1到N之间的任何值，并且最后的第N级分支的管道与布置在所述基准平面紧下方的混合室(8)相通。
2.根据权利要求1的分配流体的装置，其中，构成分配网络的从第1级到第N级的所有管道(6、7、10)均与被考虑的板的基准平面紧贴。
3.根据权利要求1或2的分配流体的装置，其中，所述板被分成大致具有相同宽度的子午面板形状的M个区域，每个区域被分配网络的至少一个第N级终端通达。
4.根据权利要求1或2的分配流体的装置，其中，所述板被分为M个大约相等的角形区域，每个区域被分配网络的至少一个第N级终端通达。
5.根据权利要求1至4之一的分配流体的装置，其中，所述网络的至少一部分管道(6、7、10)，即从第P级到第N级的管道，配有垫块(9)以填塞位于所述管道下方的容积。
6.根据权利要求1至4之一的分配流体的装置，其中，构成所述网络的所有管道(6、7、10)，即从第1级到第N级的管道，均配有垫块(9)以填塞位于所述管道下方的容积。
7.根据权利要求1至6之一的装置在模拟移动床分离方法中的用途，其中，待分离的进料是包含有7到9个碳原子的芳香族化合物的任何混合物。
8.根据权利要求1至6之一的装置在模拟移动床分离方法中的用途，其中，待分离的进料是正链烷烃和异链烷烃的混合物。
9.根据权利要求1至6之一的装置在模拟移动床分离方法中的用途，其中，待分离的进料是正烯烃和异烯烃的混合物。
10.一种采用根据权利要求1至6之一的装置的模拟移动床分离方法，其中，流经所述装置的主流体具有包含在600kg/m3到950kg/m3之间的密度，以及包含在0.1cPo到0.6cPo之间的粘度。
11.一种采用根据权利要求1至6之一的装置的模拟移动床分离方法，其中，在所述塔的床的任何点处的轴向扩散系数均小于3×10-3cm2/s。
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