CN1024258C - 喇叭形蒸气扩散器 - Google Patents

Abstract

一种用于化工工艺塔的喇叭形蒸气扩散器，在一个360度的罩内具有多个有方向生的流道叶片。该喇叭形蒸气扩散器与蒸气喷管流道相通，并装有许多等间距设置的流道叶片，这些叶片阻挡蒸气流并使蒸气流在塔中转向向下，以形成一个向塔中心的基本上均匀的蒸气区。利用这种喇叭形蒸气扩散器所形成的均匀的蒸气区将是一个湍流气体区，该气体区具有基本一致的动能，足以产生一种十分均匀一致的上升气流进入塔的上部区域。喇叭形蒸气扩散器的叶片，其形状独特，并相互错开安装在罩内，以便有选择性地使蒸气流转向和使液体与叶片分离。

Description

本发明涉及化工工艺所用的塔，更确切地说，本发明涉及用于在这种工艺塔中均匀地分配蒸气流的蒸气扩散器。

众所周知，在已有技术中利用各种交换柱使气，液最好以逆流方式在交换柱中相互接触，以便进行传质或传热，原料众组分的精密分馏或分离及其它单元操作。有效的操作需要传质，传热，液体的蒸发和/或冷凝，因而，其中一种流体以最小的压力降通过用面积及其体积限定的最小空间的一个或多个特定的区域而被冷却。这些都是有效操作的必要条件，而对于精密分馏是必须的。因此，在这种交换柱或工艺塔中，蒸气和液体的逆流在已有技术中已成为气液接触的既定方法。实际的气-液接触面须要采用位于工艺塔中的填料床，液体以最合 理的方式在填料床的顶部上被分布下降，而蒸气分布在塔下部区域的填料床的下面。按这种方式正在慢慢向下流经填料床的液体暴露在正在上升通过填料床的蒸气中，并与蒸气接触，以便气-液接触和相互进行作用。

可以确认，邻近蒸气输入喷管的塔的下部区域中的蒸气流的形态，对于气-液的均匀接触是至关重要的。与采用塔盘相比，当采用填料床时更是如此。用塔盘时，因为通过板式塔的压力降高，所以对初始的蒸气分布没有什么担心。在已有技术中，对于大约50块塔盘的板式塔，压力降大约为6磅/英寸²（300毫米汞柱）是普通的。然而，这比进入的蒸气所产生的动能大一个数量级还要多。进入蒸馏塔的蒸气的速度头在石油精炼中通常不超高10毫米汞柱，在化工或气体处理塔中不超过5毫米汞柱。然而事实上用填料替换一个有50块的板式塔的塔盘时，通过这个塔的压力降通常降低整整一个数量级，即大约30毫米汞柱。这是在特别正确的安装所设置的填料的情况下取得的，专利号为4604247的美国专利对此进行了描述，该专利被转让给本发明的受让人。如果输入的蒸气的功能保持在10毫米汞柱或更多，严重的分布不良现象就会发生。由于加大蒸气喷管或加长现有的设备通常都是不经济的，因此一个被很好地设计的蒸气分布系统对于平稳地开工和操作是绝对必要的。

对于常压操作塔或真空操作塔，有两种普通的蒸气喷管结构，即切向流动喷管和正向流动喷管，当选用常压和减压型塔时要特别小心处理大量的蒸气。在已有技术中已采用了切向折流板和喇叭形蒸气扩散器。在这些结构中，蒸气流上升通过塔之前，先通过罩或喇叭形扩散器，并被折流板折回。采用正向流动形式，利用重力使蒸气与固体粒子和液体有效分离，固体粒子和液体落在蒸气轨迹的下面而被排走。利用具有预置扩散器叶片的锥形通道可使上升的蒸气的塔的横截面上的分布得到改善。无论采用哪一种流动形式，在进料喷管的上方部会需要一块附加的蒸气分布塔板，以确保正在上升的蒸气均匀地分布。

单个和多个喷管都可用于工艺塔。例如，可将蒸气喷管在工艺塔的圆周上相隔180度或相隔90度设置。对于每一种流动形式，都需要结构合理的蒸气分布器和利用极好的扩散器叶形。在进料喷管的上方再放置一个附加蒸气分布塔板，采用这样的一种结构形式可确保蒸气的均匀分布。这种结构形式特别适于处理两相流体。在重油炼制中，来自塔底部的润滑重油对蒸气的污染必须被减到最少。

本发明涉及化工工艺塔所用的蒸气分布器，该分布器具有许多成角形的，轴向错开的，固定在罩内的流道叶片。更确切地说，本发明的一种情况是包括一种在一种类型的化工工艺塔中使用的改进的喇叭形蒸气扩散器，其中，有一个设置在蒸气喷管附近的罩，用于分布来自喷管的蒸气。改进之处包括一个适于固定在工艺塔内壁上的罩，该罩邻近蒸气喷管并与蒸气喷管流道相通，多个对称地设置在该罩内的叶片，用来引导来自喷管的蒸气流，使其通过罩进入工艺塔。该罩通常是圆环形的，具有圆形内壁和固定在圆形内壁上的圆环形顶板。设置在罩内的叶片可包括许多板。每块板都包括适宜于阻挡来自喷管的蒸气流的上部弧形部圆和用来使被阻挡的蒸气流转向的下部平面部圆。板的结构要适于被固定在罩内。通常将板的下部平面部圆在其外侧切掉一部分，这有助于在从蒸气喷管送入蒸气流的过程中使被分散在板上的液体与板脱离。被切掉的部分的轴向高度大约为板高的50%，宽度大约为板宽的33%。在一个实施例中，有8个叶片对称地分布在罩内的圆周上。

本发明的另一种情况包括一种使来自上述的蒸气喷管的蒸气在工艺塔中转向，以便产生一个均匀的蒸气区，使沿轴向上升的蒸气进入工艺塔内的方法。该方法所包括的步骤是，提供一个其中具有一个环流区的圆柱形结构，以便组成一个喇叭形蒸气扩散器的罩。该罩位于与蒸气喷管流道相通的工艺塔内。在该罩内安装有许多用于阻挡来自喷管的蒸气流的叶片。这些叶片在罩内彼此间是错开安装的，以便阻挡在罩内轴向上升的那部分蒸气流并使它们在此转向。

为更完全地理解本发明，了解本发明的其它目的和优点，下面结合附图对本发明进行详细描述，其中：

图1是具有不同的剖面部分的一个化工工艺塔的透视图，用于表示本发明的喇叭形蒸气扩散器的一个实施例。

图2是一个已有技术的喇叭形蒸气扩散器的实施例的顶视简图。

图3是另一个已有技术的喇叭形蒸气扩散器的实施例的顶视简图。

图4是沿图1的4-4线剖切的图1的放大的顶视图，它表示本发明的喇叭形蒸气扩散器的一个实施例。

图5是沿图4的5-5线剖切的图4的喇叭形蒸气扩散器的放大的侧视剖面图。

图6是图4的喇叭形蒸气扩散器的一个单独的叶片的放大正视图。

图7是沿图4的7-7线剖切的图4的喇叭形蒸气扩散器的侧视剖面图，它表示蒸气喷管和喇叭形蒸气扩散器罩的相对位置关系。

图8是表示流动空间大小的结构改进形式的蒸气喷管和喇叭形蒸气扩散器罩组件的另一个实施例的视图。

图9是表示图4的喇叭形蒸气扩散器的流体叶片在罩内的相对位置的放大的侧视示意图。

首先参看图1，它是一个具有不同的剖开部分的填充交换塔的透视图，用以表示不同的内部结构和本发明的喇叭形蒸气扩散器11的一个实施例的利用情况。图1的交换塔10包括一个圆柱形的塔12，塔12的内部装有许多填料床层14。塔12的壁上还开有许多人孔16，以便提供到塔12内部区域的进出口，用以更换填料。塔12的壁上还装有侧线排出管20，液体侧线进料管18和侧线蒸气进气管或再沸器回流管32。在塔10的顶部有回流管34。

操作时，液体13通过回流管34和侧线进料管18进入塔10。液体13向下流过这个塔，最后通过侧线排出管20或底部排出管30排出这个塔。在向下流动过程中，当它通过填料床时，液体13中的某种物质蒸发离开了液体13，并且液体13被蒸气中能被冷凝成液体的物质浓化或增多。

仍参看图1，交换塔还包括一个蒸气出口，即设置在塔12顶部的塔顶管26，和一个设置在环绕在与一个再沸器（没有画出）相连的底部流出管30周围的塔的下部区域的下裙部28。与蒸气喷管32相连的蒸气分布器部件11安装在裙部28的上方，以便在此向上排出蒸气使其通过填料层14。这个区域是已有技术和本发明有关蒸气分布的焦点。已有技术的折流板和叶片组件通常设置在邻近喷管32。自冷凝器的回流通过进入管34送入上部塔区23，其中回流液体是通过横跨上部填料床38的一个液体分布器36来分布的。可以看到，上部填料床38是由多种填料构成的。为了便于描述，将交换塔10上部填料床38的下面的区域表示了出来，它包括一个液体捕集器40，捕集器40位于支承上部配置的填料38的支承栅格41的下面。将液体13进行再分布的液体分布器42也位于下面。中间支承板44具有另一种结构，用来支承如图所示的或是圆环形或是鞍形的不同种类的不规则填料14A。另一个液体分布器48位于板44的下面，它具有许多槽形板49。在另一实施例中，所配置的分布器48是利用管形组件，申请号为266886的美国专利申请详细地描述了这种管形组件，该专利申请已转让给本发明的受让人，并在本发明中被引用。从这个图可以看出，正在上升的蒸气15和正在下降的液体13之间的逆流的形态是许多重要的设计依据的条件，这些设计条件包括液汽比，液体冷却，形成泡沫和其中存在的固体或浆液。腐蚀也是填料塔中要考虑的各种因素之一。合理选择制造塔内部零件的材料，在许多情况下是由于考虑腐蚀的结果。图1所示的填料塔的构造也已被吉尔伯特，陈（Gilbert    Chen）发表在1984年3月5日出版的《化学工程》上的题目为：填料塔内部结构”（“Packed    Column    Internals”）的文章中作了详细描述。文章的内容被引用在本发明中。

现在参看图2，它是已有技术的上述类型的蒸气扩散器组件的顶视简图。如图中所示，工艺塔喷管100与工艺塔102相连。扩散器组件104安装在工艺塔102内，并配置有多个已有技术的叶片106。将扩散器叶片106制成不同的长度，以便有选择性地使蒸气流转向。例如，将较短的扩散器叶片108安装在蒸气喷管100附近，而将最长的扩散器叶片110安装在蒸气喷管的相对端。扩散器叶片106的作用是减少从喇叭形蒸气扩散器100排出的蒸气的定向流动，使其产生足够多的旋涡，以便使其均匀地进入内部塔区112。为便于描述将分散器叶片106在图中表示出来。罩的某些部分实际上可遮盖住这些叶片的不同的部分或全部。这个已有技术和其它已有技术的实施例的有效性是本发明涉及的主要问题。

现在参看图3，它表示已有技术的蒸气扩散器的另一个实施例。在这个特定的结构中，配置有一 对蒸气喷管120和122，以便从工艺塔124的相对的两侧排出蒸气。其中装有扩散器组件126，在它的上面安装许多扩散器叶片128。扩散器叶片126的方向，大小和形状随它们在容器124内相对于相对设置的喷管120和122的位置不同而变化，每个喷管120、122都分别与扩散器的一个区域130和132相邻。这种结构设置便于接触蒸气流，并在一开始就使蒸气流转向。如上所述，所期望的结果是在蒸气喷管120和122之间的中间区域134得到高度均匀的蒸气流。这种将蒸气的分散和排入工艺塔中间区域的方法是本发明涉及的主要问题。

现在参看图4，它是图1所示的喇叭形蒸气扩散器组件11的放大的顶视图。在这个图中，喇叭形蒸气扩散器11被安装在圆柱形的工艺塔或塔壁140的内侧。由一种环形件构成的顶板142被固定在壁140上，从而构成了喇叭形蒸气扩散器的顶部表面。可利用许多配置的角撑板144将顶板142固定到塔的侧壁140上。要把板144制成能在顶板142和塔的垂直的圆柱形壁140之间提供必要的相互垂直接触的形状。利用焊接或类似的固定连接技术可满足这种结构要求。

仍参看图4，喇叭形蒸气扩散器11还配有内壁146，内壁146是圆环形的，它与顶板142固定连接。因此喇叭形蒸气扩散器的罩153被限定在顶板142和内壁146之间，内壁146其底部148留有开口，用来排出来自通道154的蒸气。还利用如本图所示的支撑150将侧壁146固定在工艺塔的壁140上。其它的组装形式也是可行的。采用这种结构形式，要使与工艺塔流道相通的邻近喷管152的罩具有足够的结构刚度和流动的方向性。因此，蒸气喷管152将蒸气送入喇叭形蒸气扩散器11的中空区域或通道154，使蒸气按箭头156的方向流动。在喷管152的工艺塔的圆柱形侧壁140之间形成一个下面要详细描述的椭圆形开口158。通过采用这种流动形式和叶片162的对称配置，蒸气被引向工艺塔的中心区域160，以便从此处获得均匀地流动并在此处均匀地上升。每个叶片相对于向该叶片延伸的（此处定义为半径的）径向线的角度为大约30度时，如图所示的叶片162的对称配置形式具有最佳的效果。如图4所示，从工艺塔10的中心C画到叶片162的半径R（径向线）相对于线165形成一个角度163，该线165是叶片162相对于工艺塔10的定位线。这个角度163是八个叶片时的优选的特有角度，因为实验已经证明它是最有效果的角度。

现在参看图5，它是沿图4的5-5线剖切的图4的喇叭形蒸气扩散器的侧视剖面图。可看到喇叭形蒸气扩散器11包括一种与所说的蒸气扩散器的通道154有关的复合整体叶片162。每个叶片162都具有上部弧形部分164和下部平面部分166。直线性过渡部分168作为上部弧形部分和下部平面部分之间，经过选择的形状的过渡段，它适于阻挡下面要详细描述的从喇叭形蒸气扩散器11排出的蒸气流。叶片162的最下面部分170被切去一部分172。通过实验已获得被切去的部分172的最佳尺寸，其中，它的轴向高度约为叶片高度的50%，宽度约为叶片宽度的33 1/3 %。通过在叶片162的最下面的部分上按比例切去这下面的部分，将会给从喷管排出的蒸气流所携带的较重的液滴提供一种在通道154内借助离心流动的方式脱离叶片的途径。因此，切去的部分是对已有技术的叶片结构的改进，结果是当使蒸气按一种选定的流动方式在通道中流动以在塔中最均匀地相互作用时，可促使蒸气中的液体与蒸气分离。在如图所示的叶片162的侧壁内配置有结构支撑174。

在通道154内的叶片152也是有选择地设置的。如图5所示，选择叶片162在通道154内垂直或轴向设置的方式是为了造成叶片相对于喷管的交错排列，离喷管152较近的叶片162位于通道154的后部，这是为了阻挡和转向从此处流过的蒸气流的选择部分。采用这种选择性的交错排列方式，如要在下面详细描述的那样，以在工艺塔中达到最均匀的相互作用的方式促使蒸气流更一致的转向。因此，如图5所示，距离176大于距离178。这些距离表示邻近流体喷管152的两个相应叶片之间的尺寸变化。这种特殊的安排在下面将进行更详细讨论。

现在参看图6，它是一个单独的流道叶片162的透视图。流道叶片用实线表示，它具有弧形的顶部164和与平面部分166相连的弧形一平面过渡部分168。用这种特定的形状来阻挡蒸气流，并使蒸气转向向下。结构部分174被用来增加最可能发生弯曲的叶片外部的刚度。该叶片被切去一部分172，使其具有如图4所示的有斜角的形状，相对 碰撞的蒸气和液体将会在这里被转向，借助于被切去的部分的效能，液体脱离开叶片。所示的被切去的部分172其轴向高度175约为叶片162的高度177的50%。被切去部分172的宽度173约为叶片162的宽度179的33 1/3 %，采用这个尺寸比例可在一个大的操作范围内获得高效率。

现在参看图7，它是图4的蒸气喷管的侧视剖面图，为清楚起见，被局部地剖开了。这个特定的图表示出通道154的横剖面形状，该通道是由塔的侧壁140，喇叭形蒸气扩散器顶板142和喇叭形蒸气扩散器内壁146所限定的。底部148如上所述是开口的。蒸气喷管152的直径大致上等于或小于通道154的宽度。因此，进入通道154的蒸气的流量不会因压力的增加而起相反的作用。如果通道内的流道面积等于或小于喷管152的流道面积，特别是在有选择性地阻碍蒸气在通道中流动的叶片存在的情况下，将会产生压力增加或“背压”。当采用具有比喷管152的横截面积大的横截面积的通道154时，背压问题便可消除。

现在参看图8，它表示蒸气喷管一喇叭形蒸气喷散器相互位置关系的另一个实施例。在这个特定的图中，蒸气喷管152的直径157大于通道154的宽度155。采用这样一种结构形状时，可以经蒸气喷管152看到蒸气扩散器的内壁146。这是因为通道154的宽度155小于直径157，所以透过蒸气喷管的弧形结构，可看到内壁146显现在其中。其结果是必须增加通道154的整个横截面积，这可通过向下延伸内壁146来实现。因此，与图7所示的矩形相比，图8所示的矩形则较大。采用这种方式，喇叭形蒸气扩散器通道154的矩形横截面积比蒸气喷管152的圆形横截面积要大得多，以提供一种产生有限的背压问题的流道形状。下部148仍保留其开口，以便从该开口排出蒸气，所述的蒸气的排出是由上述的叶片162的作用而产生的。

现在参看图9，它是喇叭形蒸气扩散器的通道154的放大的横剖面简图，它表示设置在通道中的彼此邻近的一连串八个流道叶片。为了表示叶片之间的高度的不同。喇叭形蒸气扩散器通道154中的相互邻近的叶片以简图方式表示出来。通道154中的蒸气的流动如箭头156所示。每个叶片162都由下部平面部分166和平面部分上方的上部弧形部分164构成。如上所述，一个弧形一平面的过渡部分168与所述的上、下两部分相连。

如图9所示，八个流道叶片的大小和形状彼此基本相同。叶片180处在最靠近喷管（未画出）的位置，以便阻挡和转向从那里排出的最下部分的蒸气。叶片182从叶片180的位置向上升高一个递增的距离，这有助于阻挡流体通道154的较大部分区域。由叶片180排走的蒸气量是较小的一部分，尽管叶片182在通道154内的阻挡面积稍大于叶片180的阻挡面积，但叶片182排走的蒸气量与叶片180的基本相等。叶片184伸入通道154的距离比叶片180和叶片182伸入的距离都大。叶片186、188、190、192和194每个都向上错开，以便阻挡通道154内的较多的蒸气流道面积。在这个实施例中，距离189约为通道154的高度H的3/8。在这个实施例中，距离193约为通道154的高度H的1/8。

Claims (9)

1、一种用于化工工艺塔的改进了的喇叭形蒸气扩散器，它有一个安装在所说的塔内的罩，该罩邻近一个将所说的蒸气分布进入蒸气区的蒸气喷管，所说的改进包括：

所说的罩适宜于固定到工艺塔的内壁上，它邻近所说的喷管并与该喷管流道连通；

有许多具有预定高度的叶片对称地安装在所说罩内，用于对来自喷管的蒸气流进行导向，使其通过所说的罩进入所说的塔内，以形成一个均匀的蒸气区；

所说的罩包括一个圆形内壁和一个顶板，该顶板被固定在圆形内壁的上面；

所说的叶片在所说的罩内是轴向错开的，它包括许多角形板，每个所说的板都具有预定的宽度，该板包括适宜于阻挡来自所说喷管的蒸气流的上部弧形部分和适宜于使所说的被阻挡的蒸气流转向的下部平面部分，所说的板按预定的角度被安装在所说的罩内；和

所说的板的所说的下部平面部分被切去一外侧部分，被切去部分的宽度在蒸气流动过程中足以促使被分散在所说板上的液体与该板脱离，所说的被切去的部分的轴向高度约为所说的叶片高度的50%。

2、按权利要求1所述的喇叭形蒸气扩散器，其特征在于，有8块叶片沿圆周对称地安装在所说的罩内。

3、按权利要求2所述的喇叭形蒸气扩散器，其特征在于，所说的对称安装的叶片彼此间每个都在轴向错开一个距离，该距离约为所说喇叭形蒸气扩散器的所说通道的高度的1/8。

4、按权利要求1所述的喇叭形蒸气扩散器，其特征在于，所说的罩具有一顶板，通过多个被焊接到所说的塔上的结构件将所说的顶板固定在所说的塔内。

5、按权利要求4所述的喇叭形蒸气扩散器，其特征在于，所说的罩还具有一个通常为圆筒形的内壁，该内壁通过许多固定在塔上的支撑件被固定在所说的塔上。

6、按权利要求1所述的喇叭形蒸气扩散器，其特征在于，所说的叶片按相对于所说的蒸气喷管将所说的蒸气向内和向下排出的角度被安装在所说的罩内。

7、按权利要求1所述的喇叭形蒸气扩散器，其特征在于，所说的板的所说的被切去的部分的宽度约为所说的板的所说宽度的33  1/3%。

8、按权利要求1所述的喇叭形蒸气扩散器，其特征在于，所说的板的所说的预定的角度约为30度，该角度为所说的板与向外延伸到所说的板的所说罩的半径的夹角。

9、一种用权利要求1所述的喇叭形蒸气扩散器来分布蒸气的改进方法，包括有下列步骤：

将所说的罩固定到工艺塔的内壁上，它邻近所说的喷管并与该喷管流道相通;

将许多具有预定高度的叶片对称地安装在所说的罩内，以便将来自喷管的蒸气流导向，使其通过所说的罩进入所说的塔内，以形成一个均匀的蒸区，所说的叶片包括许多角形板，所说的每个角形板都具有预定的宽度，该板包括适宜于阻挡来自所说喷管的蒸气流的上部弧形部分和适宜于使所说的被阻挡的蒸气流转向的下部平面部分，所说的板按预定的角度被固定在所说的罩内;

将所说的板的下部平面部分切去一外侧部分，被切去部分的宽度在蒸气流动过程中足以促使被分散在所说板上的液体与该板脱离，所说的被切去部分的轴向高度约为所说的叶片高度的50%;和

将所说的叶片在所说的罩内轴向错开安装。

Images