CN102802780B - 具有涡流接触级的气-液接触设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气-液接触设备、例如反应器和蒸馏塔(以及反应蒸馏设备)，该气-液接触设备包括具有一个或多个涡流接触级的容器。除了在接触之后将不同相有效分离外，所述一个或多个涡流接触级还提供用于这些相的有效接触的高界面面积。

Description

具有涡流接触级的气-液接触设备

技术领域

本发明涉及在反应器、分馏塔或其它在蒸气流和液体流之间进行传质和/或传热的设备中的气-液接触。更具体地，本发明涉及包括一个或多个气-液接触级的气-液接触设备。

背景技术

在整个化学和精炼技术中，重要的目的是改善气相和液相之间接触的效率。目前，存在多种可以通过增加接触相之间的界面面积和湍流并因而提高传质速率常数而从增加的气-液传质和/或传热的速率获益的多相反应和分离方法。这些方法通常使用很多传统气-液接触装置中的任一种。用于根据它们的相对挥发性来分离组分的蒸馏过程例如通常依靠分馏塔盘和填料来改善在容器内多个级处的气-液接触。

在石油和石油化学工业中，使用分馏塔盘和其它接触装置来分解具有所需沸点范围的馏分、例如石油精炼和石油化学加工的原油衍生产品，所述产品包括液化石油气、石脑油、柴油和其它烃类馏分等。在某些情况下，使用接触装置来将特定化合物与同一化学或功能类的其它化合物分离，例如醇类、醚类、烷基芳香烃类、单体类、溶剂类、无机化合物等。典型的分馏塔在塔内各接触级(contacting stage)处使用10到250个分馏塔盘。具体的级数取决于分离的方便性(相对挥发性差异)和所需的产品纯度。塔中每个塔盘的结构通常类似，但竖直方向上相邻的塔盘在结构上可以不同(例如，交替)也是已知的。

传统的分馏过程因此在容器内包含气相和液相之间的多级接触，气相和液相分别具有总体向上的流动和总体向下的流动。在不同的离散的接触级中，气相和液相的成分交换，以便实现或尽可能接近气-液平衡。所产生的蒸气馏分和液体馏分然后被分离，朝它们各自的方向移动，并在不同的级处与另一些量的合适流体再次接触。

在具有穿孔平台作为气-液接触装置的传统塔盘的情况下，在塔的底部处产生的蒸气上升穿过大量散布在塔盘的平台面积上的小穿孔，所述塔盘支承一定量液体并可以分成若干离散的区域和/或区。蒸气穿过液体产生一层称作泡沫的气泡。泡沫的高表面积有助于在塔盘上在气相和液相之间建立组分平衡。然后泡沫被允许分离成蒸气和液体。在气-液接触期间，蒸气失去较不易挥发的材料传给液体，并因此随着它向上穿过每个塔盘而变得稍微更易挥发。同时，随着液体从泡沫中分离并向下在塔盘之间移动，液体中较不易挥发的化合物的浓度增加。因此，气-液接触装置执行使上升的蒸气与液体接触和然后允许两相分离并沿不同方向流动的两种功能。当在不同的塔盘上将各步骤执行合适的次数(例如，以连续方式)时，能实现多个分离平衡级，从而导致各化合物基于它们的相对挥发性的有效分离。

在努力改善这种分离时已研制出许多不同类型的包括填料和塔盘的气-液接触装置。不同的装置往往会具有不同的优点。例如，上述的穿孔平台塔盘是有效的接触装置，但会在塔中引起高压降，尤其是当平台面积较小时，即使分馏开口面积高也是如此。多降液管塔盘具有高蒸气和液体容量以及在相当大的运行率的范围内有效地起作用的能力。有结构的填料往往会具有低压降，这使它们在低压或真空操作中有用。用来评价任何气-液接触装置、例如分馏塔盘的性能的两个重要参数是容量和效率。容量是指能有效地在连续的塔盘上接触和转到连续的塔盘上而不溢流的蒸气和液体的总量。效率是指在塔盘之间发生的气相和液相之间传质的有效性或接近平衡。重要的是，在分离过程、例如分馏和汽提中，各相之间的密切接触仅对所产生的相在接触之后然后被分开或分离的程度有好处。

尽管在分馏塔或类似分离容器中各相之间的总体流动是逆流的，但许多类型的用于这些容器内的接触级的传统气-液接触装置在接触相之间可以产生交叉流动、同向流动或其它流动取向。例如，在US 5223183、US5318732和US7204477中描述了使用平行流塔盘的接触级。例如，在US6682633、US5837105、US6059934和US7424999中描述了使用同向流动接触的接触级。在Kuzmin，A.O等人的“涡流离心鼓泡反应器”CHEM.ENG.JOURNAL.107：55-62(2005)中描述了另一种气-液接触装置的使用，该装置在蒸气和液体之间产生实现了每单位体积很高的界面面积的涡流离心鼓泡层。

改进的气-液装置，尤其是在接触和随后的分离效率方面具有提高的效率是被持续地探索的。

发明内容

本发明的方面与使用一个或多个接触级的气-液接触设备有关，所述一个或多个接触级具有用于实施气相和液相之间的涡流离心接触的装置。所述接触级和装置克服了与目前用于产生涡流鼓泡层以实施气-液接触的那些接触级和装置有关的若干缺点。这些缺点包括对蒸气范围(可以处理的液体流量比)的应用限制，该限制减少了商业应用的潜在范围。另外，尽管传统装置通过涡流的离心作用足以使液体与蒸气分离(即，在离开装置的蒸气流中基本上不夹带液滴)，但从液体中分离蒸气泡仍然有问题，因为蒸气流在没有用于形成脱气液体的分离区的情况下穿过液相。例如，当用于分馏时，在液体流中夹带蒸气降低了级效率(例如，基于理论板当量高度，HETP)，或者甚至会引起接触装置或整个设备溢流，从而使它不能工作。夹带蒸气的趋势随液体流动的增加而增加，因此高夹带蒸气会导致对气-液接触装置和使用该装置的设备的总容量的应用限制。

因此，本发明的实施例针对气-液接触设备，例如反应器和蒸馏塔(以及反应蒸馏设备)，该设备包括具有一个或多个涡流接触级的容器。除了在接触之后将不同相有效分离之外，所述一个或多个级还提供用于这些相的有效接触的高界面面积，从而将蒸气和液体(具有与它们的初始组成不同的最终组成)从一个或多个级中除去，而在除去的相中分别减少了液体和蒸气的夹带。此外，所述级避免了以涡流鼓泡方式工作的已知装置的限制：液体流量比和最大蒸气和/或液体流量。涡流接触级和有关的装置与使用传统气-液接触的那些装置相比具有低压降。此外，当在反应器、蒸馏塔或其它气-液接触设备中使用时，所述装置提供高机械整体性、合理的成本及安装和检修的方便性。

因此，本发明的具体实施例针对包括涡流接触级的气-液接触设备。所述涡流接触级包括具有圆形横截面的接触区，该圆形横截面的半径沿着所述接触区的轴向高度的至少一部分总体上减小(即，接触区沿着所述轴向高度部分逐渐变小)，但在接触区的顶部部分通常具有恒定的圆形横截面。所述接触区被限定在底表面(液体可以穿过该底表面通过液体入口引入)、逐渐变小的(tapering)内表面和圆筒形切向流动引导装置之间，所述切向流动引导装置设置在所述底表面与所述内表面之间。所述切向流动引导装置大致设置在所述底表面和所述逐渐变小的内表面的周边部分处或其附近，并例如通过产生切向流动方向的涡流导向叶片提供用于蒸气流入接触区的入口。因此，通常为接触区提供例如分别沿切向方向和轴向方向的蒸气入口和液体入口，并且使用气-液分离装置来分离离开接触区的相。

气-液分离装置可以包括圆形入口表面，该圆形入口表面具有内径并形成所述逐渐变小的内表面的顶部部分。气-液分离装置的该入口表面与接触区流体连通。气-液分离装置的相对的外部出口表面可以例如与所述入口表面同心并具有较大的外径。外部出口表面任选地与气-液分离装置的其它表面(例如，底部出口表面)结合可以用来从接触区除去分开的(或分离的)蒸气流和液体流。在一代表性的实施例中，分离的蒸气主要流动穿过与入口表面相对的出口表面，而分离的液体主要流动穿过底部出口表面。

本发明的另一些实施例针对多级气-液接触设备，该多级气-液设备在该设备的竖直设置的圆筒形壳体内包括如上所述的多个涡流接触级。在多级的情况下，一个级的气-液分离装置的出口表面与紧接上面(immediatelysuperior)(较高)的接触级的蒸气入口和紧接下面(immediately inferior)(较低)的接触级的液体入口流体连通。与液体入口的连通可以沿着由曲线形外表面限定的流动路径并通过一个或多个降液管提供，所述曲线形外表面与限定接触区的逐渐变小的内表面相对并终止于所述一个或多个降液管。

在运行期间帮助保持稳定的涡流形成、改善液体处理容量、简化构造和降低成本的特定实施例中，限定离开接触区的液体的流动路径的一部分的曲线形外表面终止于多个液体降液管段处，所述液体降液管段在处于涡流接触级的外部且通常环绕所述多个涡流接触级的环形空间的离散部分中延伸。有利地，所述液体降液管段可以在径向上设置在紧接上面的和/或紧接下面的涡流接触级的其它液体降液管段之间。为了进一步改善机械整体性和减少作用在本文所述的多级设备上的应力，连续的接触级的切向流动引导装置可以设置成使入口蒸气沿交替的顺时针/逆时针方向涡旋，以便使涡流旋转方向以交替的方式改变方向。

本发明的另一些实施例针对包括多个涡流接触级的多级气-液接触设备。每一级都具有气-液分离装置，所述气-液分离装置具有与紧接上面的涡流接触级的蒸气入口以及液体降液管流体连通的出口表面，所述液体降液管与紧接下面的涡流接触级的液体入口流体连通。

如本文所述的在这些级中用来实施气-液接触的涡流接触级和装置可以在任何希望以高界面面积接触以进行传质、在接触之后进行有效的相分离、在很宽范围(液体流量比和绝对流率)的蒸气上取得良好的性能、低压降以及简化的制造的设备中使用。其中一个或多个接触级可以在反应器、蒸馏塔、吸附器、汽提塔等中使用。在一代表性的实施例中，多个接触级用于蒸馏。本发明的另一些实施例因此针对用于使蒸气流和液体流接触的方法。该方法包括将蒸气送入如本文所述的涡流接触级的蒸气入口和将液体送入该涡流接触级的液体入口(例如，分别沿切向方向和轴向方向)。

在蒸馏方法的情况下，在级与级间的接触期间在内部产生蒸气流和液体流，液体总体向下流动并连续地富集成一个或多个沸点较高的成分，而蒸气总体上向上流动并连续地富集成一个或多个沸点较低的成分。然而，某些接触级可以通过外部流进料，例如液体返回到塔顶、蒸气再沸器返回到塔底、或作为蒸气或液体的塔进料或者另外具有蒸气馏分和液体馏分二者的塔进料。

从下面的详细说明中可以更清楚地发现涉及本发明的这些和另一些实施例。

附图说明

图1是传统涡流接触级的侧视图。

图2是用于将气-液分离装置的板保持成径向布置的代表性的开槽的外部保持环。

图3是具有多个涡流接触级的代表性的气-液接触设备的侧视图。

图4A示出液体穿过图3的气-液接触设备流动。

图4B示出蒸气穿过图3的气-液接触设备流动。

图5A示出液体降液管的末端部分，该液体降液管具有浸渍管导管，该浸渍管导管从所述末端部分延伸出来并穿过底表面到达向液体降液管进料的接触区的紧接下面的接触区。

图5B示出液体降液管的末端部分，该液体降液管具有槽式导管，该槽式导管从所述末端部分延伸出来并穿过底表面到达向液体降液管进料的接触区的紧接下面的接触区。

图6示出在处于涡流接触级外部的环形空间段内延伸的液体降液管段，还示出液体流动方向。

在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同的或类似的特征。附图应理解为提供本发明和/所涉及的原理的图示说明。对于具有本公开的知识的本领域技术人员来说，显而易见的是，包括根据本发明的各种其它实施例的涡流接触级和包括这些级的涡流接触设备会具有部分地由它们的特定用途所决定的构造和部件。

具体实施方式

本发明的方面与改善的涡流接触级的发现有关，该涡流接触级如上所述在它们的性能及它们的机械设计和安装与检修/维护方便性方面具有许多优点。图1是示出与涡流接触级10相关联的某些基本特征的侧视图。在接触区15中，能产生高度分散的气-液混合物的旋转涡流并且该旋转涡流被保持在离心力场中。尤其是，当穿过蒸气入口22和切向流动引导装置19进入的蒸气使穿过液体入口17进入的液体旋转时，在接触区15中形成涡流。进入蒸气的圆形旋转具有基本上与圆筒形容器的轴线重合的旋转轴线，该圆形旋转可使用切向流动引导装置19产生，该装置19例如具有许多设置在环形结构中的导流叶片和切向狭缝。

接触区15具有圆形横截面，横截面的直径在底表面20上方的轴向高度处是横跨切向流动引导装置19的距离(例如，它的内径)或者是横跨由逐渐变小的内表面21所限定的开口的距离。因此，接触区15的横截面直径在图1所示的接触级10中可以总体上从底部到顶部减小。接触区15限定在底表面20、逐渐变小的内表面21和切向流动引导装置19之间，所述切向流动引导装置19设置在这些表面20、21之间并靠近这些表面的外周部分(即，远离接触区15的轴向中心)。液体因此可以穿过液体入口17沿总体上轴向流动方向进入接触区15，该液体入口17穿过底表面20与接触区15连通。液体入口17比切向流动引导装置19更靠近接触区15的中心轴线(或包含接触级10的容器的中心轴线)。

循环蒸气因此可以穿过通常具有最窄横截面的接触区开口或顶部出口23离开接触区15。在离开接触区15之后，蒸气体积然后在出口23上方膨胀以与包含接触级10的容器或器皿的整个直径相符合。循环蒸气的离心力使离开出口23的蒸气所携带的任何液体流向容器的外周，从而可以在接触区出口23上方的具有扩大直径的空间中发生气-液分离。分离的液体然后可以沿向下的方向流过曲线形外表面24，该外表面24处于接触区15外部并与逐渐变小的内表面21相对。内表面21和相对的外表面24因此可以是流动引导挡板25的表面，该流动引导挡板25的表面是大致光滑的并能在接触区15中保持稳定的旋转涡流。内表面和相对的外表面是大致曲线形的，但是平直的表面、例如沿着直线倾斜地变窄的逐渐变小的内表面和/或直的倾斜的相对的外表面也是可以的。可以使用附加的元件、例如中心叶片转子(未示出)增强涡旋流动，但是这些元件是任选的。沿着曲线形外表面24向下流回的分离的液体可以被引到液体排放口26。

不是单独依靠离心力来使离开接触区的蒸气和液体分离，而是通过使用如例如在图3中示出的多级气-液接触设备中所示的气-液分离装置显著地减少不希望的夹带的流体和尤其是分离的液体中夹带的蒸气的量。为方便起见，示出了三个连续的接触级10，不过应该理解，在设备、例如蒸馏塔中总级数通常高得多。使用其它类型的接触级(例如，穿孔平台塔盘)与本文所述的涡流接触级结合也是可以的。另外，为简单起见，未示出用于引入和抽出流体(例如，引入进料、塔顶冷凝液体和底部再沸器蒸气或抽出分馏产品)的外部入口和出口管线。

如图1中所示，每个接触区15都限定在底表面20、逐渐变小的内表面21和切向流动引导装置19之间，并具有相关联的蒸气入口22和液体入口17。然而，在图3中，示出气-液分离装置30具有入口表面31，该入口表面31形成逐渐变小的内表面21的顶部部分。气-液分离装置30的该入口表面31与接触区15流体连通。像切向流动引导装置19一样，气-液分离装置30因此可以是环形的。在图3所示的实施例中，环的入口(或内)表面31在接触区15的顶部处提供最小直径，使得由气-液分离装置30所提供的逐渐变小的内表面21的顶部部分是恒定直径部分。

在图3中，与图1的涡流接触级不同，流体不是穿过顶部开口沿轴向离开接触区15，而是穿过气-液分离装置30的入口表面31在径向方向上转向。与仅依靠离心力和重力来完成所需的分离相比，在气-液分离装置中的物理分离结构、例如以同心板(或分离板)形式的除沫器大大有益于蒸气流和液体流在它们接触之后的分离。尤其是，被强制穿过入口表面31离开的流体在作为分开的或分离的蒸气流和液体流穿过出口表面32、33排出之前必须与物理分离结构接触。在相对紧凑的空间中提供了有效的相分离。

在图3所示的实施例中，这些出口表面中的一个是外部出口表面32，该外部出口表面32与入口表面31同心，并具有环形气-液分离装置30的较大直径。在外部出口表面32下方的是气-液分离装置30的底部出口表面33。如果这些表面例如通过使用在这些表面处的穿孔板至少部分地开放，则可以形成穿过气-液分离装置30的入口表面31、外部出口表面32和底部出口表面33的流体通道。相反，顶部表面34可以不穿孔，以便防止流体在没有与气-液分离装置30的物理分离结构充分接触的情况下离开该气-液分离装置30。另外，尽管在图3中示出两个分开的出口表面32、33，但应该理解，在另一些实施例中可能只需要一个出口表面。例如，在外部出口表面32和底部出口表面33之间的拐角连接处可以是曲线形的，从而分开的出口表面32、33不再是可以区分开的。

用于气-液分离装置的合适的物理分离结构的一个示例包括多个沿径向堆叠的板。分离装置可以设置成：所述板沿径向堆叠，使得离开接触区15的流体(例如，含有蒸气馏分和液体馏分)在堆叠的板之间沿径向向外流动，所述堆叠的板在流体流动路径上提供表面并引起复杂性，从而导致有效的气-液分离。因此，在一个实施例中，气-液分离装置30包括多个环形的板。这些板在接触区15的顶部周围可以保持成径向布置，所述板的内径形成气-液分离装置30的入口表面的至少一部分。

根据一特定的实施例，可以使用开槽的保持环保持所述板的径向布置。图2示出使用外部槽45将板紧固成径向布置的代表性的开槽的外部保持环40(例如，使得这些板的平面如果延伸的话会在公共线处相交，该公共线与(i)开槽的外部保持环40、(ii)径向板和保持环所环绕的接触区15、和/或包含接触区15的气-液接触设备的中心轴线重合)。因此，开槽的外部保持环40在其内周边47上具有多个机加工的槽45。与开槽的外部保持环结合使用来保持或紧固沿径向堆叠的板的内部保持环(未示出)具有类似的环形形状，但具有较小的内径(例如，与接触区的顶部部分的直径匹配)和较小的外径以及在其外周边上的槽。

用于气-液分离装置的许多合适的分离结构是可以的。这些结构包括例如诸如叶片型除沫器的除雾器，该叶片型除沫器具有不同通道和鱼鳞板(louver)，从而穿过该除沫器的流体必须经历若干方向改变，这导致任何夹带的液滴冲击分离结构的多个部分并向下流到除沫器的底部。另一个已知的气-液分离结构的示例是网垫或编织线。也可以使用这些除雾技术的组合。用于除沫器的各种分离结构、与这些结构配合使用的穿孔板和无孔板以及这些结构和板的取向例如在US7424999的第7栏第16至64行和第9栏第61行至第11栏第30行有详细描述，该内容包括在本公开中作为参考。

图4A和图4B示出液相和气相穿过图3的多级气-液接触设备中的接触区15的流动。如图4A中所示，液体穿过气-液分离装置30的相关入口表面31离开每一级的接触区15。分离的液体主要穿过底部出口表面33排出，该底部出口表面33与曲线形外表面24连通，该曲线形外表面24处于接触区15外部并与逐渐变小的内表面21相对。分离的液体因此向下排出曲线形外表面24，在该曲线形外表面24上方是用于残留在该液体中的任何蒸气气泡的额外分离的足够空间。液体流动路径在图4A中被液体降液管35进一步限定，曲线形外表面24在该降液管35处终止。液体降液管35与相关的紧接下面或较低的涡流接触级的液体入口17连通。尤其是，液体降液管35引导离开涡流接触级的分离液体穿过气-液分离装置30的底部出口表面33流到这些液体入口17。如图3、4A和4B中所示，给定涡流接触级的液体降液管35都可以在它们相关的紧接下面的涡流接触级的周围(或其外部)的环形空间中延伸。这些环形空间因此可以包含在气-液接触设备的围绕本文所述的涡流接触级的环形区域中。

图4B示出蒸气穿过涡流接触级10的流动。尤其是，离开接触区15的蒸气流动穿过气-液分离装置30的入口表面31并携带有夹带的液体。具有显著减少的夹带液体的含量的分离蒸气然后主要穿过外部出口表面32排出该装置30，所述外部出口表面32与入口表面31相对并具有比该入口表面31的直径大的直径(例如，相对的表面31、32是环形气-液分离装置的同心的内表面和外表面)。气-液分离装置30的外部出口表面32与紧接上面或较高的涡流接触级10的蒸气入口22连通。

本发明的方面与使用如上所述的液体降液管来将离开涡流接触级的液体有效转移到合适的接触区、即设备的紧接下面的级的接触区相关联。通常，在从涡流接触级抽出的液体中的任何夹带的蒸气气泡的馏分都会产生溢流的趋势。为了消除这种潜在的溢流的趋势，必须使允许分离的液体从一个涡流接触级流到下面的紧接下面的涡流接触级的液体降液管的管道或通道的尺寸足够大，以用于自排气流动。合适的尺寸关系例如在Sewell，A的“蒸馏塔设计的几个方面”，化学工程师，299/300：442(1975)中有记载，这可以用来预测所希望的自排气流动的最小所需平均液压直径。

除了合适的降液管尺寸之外，液体从级到级的路径还由于必须保持气-液接触设备及其涡流接触级装置的轴向对称以允许形成和保持稳定的涡流这一事实而被进一步复杂化。而且，用于液体穿过连续的接触级的液体降液管的通道应该理想地使该液体在每一级处穿过液体入口围绕涡流周边均匀地分散。与液体围绕涡流接触区的中心轴线以非均匀方式进入涡流接触区的情况相比，增强的对称性有利地在很宽的流量比范围内提供稳定的运行。从机械方面来看的另一个考虑是免除了用于离开和再进入典型的气-液接触设备的竖直的圆筒形壳体的分离的液体的管道，而外部管道需要相当大的安装工作和成本。

在图3、4A和4B中所示的外部环形降液管35有利地针对与液体在具有多个涡流接触级的气-液接触设备中的转移有关的考虑。在运行时，从通常是曲线形的并处于接触区15外部的外表面24收集分离的液体并将其排入围绕这些接触区的外部设置的环形区域或空间中。在该空间中从各涡流接触级延伸出来的降液管35将分离的液体转移到紧接下面的合适的涡流接触级并优选地穿过围绕接触区15的中心轴线以对称方式设置的液体入口，该中心轴线通常是气-液接触设备自身的中心轴线。

用于离开降液管35的分离的液体的这种转移的特殊结构在图5A和5B中示出。这些结构在液体降液管35的末端部分(例如下面部分)处或其附近延伸，与该末端部分相对的是与外表面24连通的一部分(例如上面部分)，分离的液体从所述外表面24排入降液管35。更具体地，该延伸的结构用作用于将一部分或全部液体穿过底表面引到接触区15的导管。如上所述，这些提供液体入口17的液体导管优选地围绕它们各自的接触区15的中心轴线分布。在图5A所示的实施例中，该接触区的液体入口包括一个或多个从液体降液管35的末端部分延伸出来的浸渍管导管50，所述液体入口处于液体从其穿过降液管35提供的涡流接触级的紧接下面的涡流接触级中。在图5B的实施例中，从降液管35延伸出来的导管是为紧接下面的接触区15提供一部分或全部液体入口的槽形导管55。图5A和5B中的浸渍管导管50或槽形导管55构造成在部分地限定有关接触区的底表面20下方延伸。总体上，在底表面20的下方延伸并然后向上穿过底表面20的导管的取向可以提供竖向的液位并因而帮助保证液体密封，以防止蒸气穿过液体入口进入接触区15(即，消除蒸气“漏气”)。

一般地，多个液体降液管35可以在涡流接触级外部的环形空间中将液体从给定涡流接触级转移到相邻的下面的涡流接触级，如上所述。用于在任何两个特定的级之间转移液体的液体降液管因此可以是若干液体降液管段的形式的，该液体降液管段在环形空间的离散的部分中延伸并优选地在该环形空间中设置有均匀的径向和圆周间隙。给定级的若干降液管的该均匀间隙可以帮助提供各接触级的良好对称性。在其中保持接触区的对称性和有效的径向分布的特定的实施例中，多个从这些径向间隔开的降液管段延伸出来的导管(例如，如图5A和5B中所示的浸渍管或槽)在围绕接触区的中心轴线均匀间隔开的径向位置处穿过其底表面与紧接下面的接触区连通。

因此，为离开如上所述的气-液分离装置的分离的液体提供流动路径的给定涡流接触区的外表面可以终止于多个液体降液管段，所述多个液体降液管段在处于多个涡流接触级外部的环形空间内的离散的径向部分中延伸。如图3中所示，液体降液管35的底部延伸到紧接下面的接触级的液体降液管35a的顶部下方。因此，如图6中所示，环形空间60可以通过交替降液管分成若干段。尤其是，在环形空间60的离散的沿径向间隔开的部分中延伸的给定接触级的液体降液管段35′在径向上设在紧接下面的涡流接触级的液体降液管段35a′和紧接上面的涡流接触级的液体降液管段35b′之间。图6中的水平箭头示出代表性的水平液位，在该水平液位处液体离开和进入第N和第N+1接触级。

在可供选择的实施例中，可以使用一系列管道代替环形空间中的降液管段，所述管道设置在气-液接触设备的竖直壁的内侧。然而，使用管道提供了减小的流动面积(并因此可能需要更大的总容器直径)，并且还会导致更复杂的制造(例如，额外的焊接)。然而，管道也可以更有效地在壁处提供液体密封，并减轻在液体泄漏到紧接下面的涡流接触级的方面的潜在担忧。了解本公开的本领域技术人员会知道对于任何给定的气-液接触应用使用管道或环形降液管段之间的折衷方案。

在另一个特定的实施例中，通过在交替的涡流接触级上使涡旋的方向相反减小了在容器上由涡旋的内部流体的转矩所引起的机械应力。来自交替的接触级的转矩从而有效地相互抵消，并且总应力的减小允许气-液接触设备使用更薄的容器壁，从而降低了成本。

总之，本发明的方面涉及使用一个或多个涡流接触级来改善任何数量的气-液接触设备、例如反应器和蒸馏塔的性能。本领域技术人员会认识到本文所述的设备、接触级及有关方法的优点及它们在其它应用中的适用性。由于本公开，应该理解，可以得到其它有利的结果。本领域技术人员借助于从本公开获得知识会认识到可以在不脱离本公开的情况下对上述设备和方法进行各种改变。用来阐明理论上的或所观察到的现象或结果的机构应认为仅是示例性的，不以任何方式限制所附权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种气-液接触设备，该气-液接触设备包括涡流接触级(10)，该涡流接触级(10)包括：

(a)接触区(15)，该接触区(15)具有圆形横截面并限定在底表面(20)、逐渐变小的内表面(21)和圆筒形切向流动引导装置(19)之间，所述切向流动引导装置(19)设置在所述底表面(20)和所述逐渐变小的内表面(21)之间并靠近所述底表面(20)和所述逐渐变小的内表面(21)的外周部分；

(b)蒸气入口(22)，该蒸气入口(22)与所述切向流动引导装置(19)连通；

(c)液体入口(17)，该液体入口(17)穿过所述底表面(20)与所述接触区(15)连通；和

(d)气-液分离装置(30)，该气-液分离装置(30)包括入口表面(31)，所述入口表面(31)形成所述逐渐变小的内表面的顶部部分并与所述接触区(15)流体连通。

2.如权利要求1所述的接触设备，其特征在于，所述气-液分离装置(30)还包括：

(d1)与入口表面相对的外部出口表面(32)，该与入口表面相对的外部出口表面(32)与所述入口表面(31)同心并具有较大直径，和

(d2)底部出口表面(33)。

3.如权利要求2所述的接触设备，其特征在于，所述气-液分离装置(30)的所述入口表面(31)、所述与入口表面相对的外部出口表面(32)和所述底部出口表面(33)都包括穿孔板。

4.如权利要求1至3中任一项所述的接触设备，其特征在于，所述气-液分离装置(30)包括多个在开槽的保持环(40)之间保持成径向布置的板。

5.如权利要求2所述的接触设备，其特征在于，所述气-液分离装置(30)的所述与入口表面相对的外部出口表面(32)与紧接上面的涡流接触级(10)的蒸气入口(22)流体连通。

6.如权利要求2所述的接触设备，其特征在于，所述气-液分离装置(30)的所述底部出口表面(33)与曲线形外表面(24)流体连通，所述曲线形外表面(24)处于所述接触区(15)外部并与所述逐渐变小的内表面(21)相对。

7.一种用于使蒸气和液体接触的方法，该方法包括将蒸气送入权利要求1至6中任一项所述的气-液接触设备的涡流接触级的蒸气入口(22)中和将液体送入权利要求1至6中任一项所述的气-液接触设备的涡流接触级的液体入口(17)中。

8.一种多级气-液接触设备，该多级气-液接触设备包括竖直设置的具有多个涡流接触级(10)的圆筒形壳体，所述涡流接触级(10)包括：

(a)液体入口(17)，该液体入口(17)与接触区(15)的底表面(20)流体连通；

(b)蒸气入口(22)，该蒸气入口(22)穿过圆筒形切向流动引导装置(19)与所述接触区(15)流体连通；和

(c)气-液分离装置(30)，该气-液分离装置(30)包括入口表面(31)，所述入口表面(31)形成逐渐变小的内表面(21)的顶部部分并与所述接触区(15)流体连通，

其中，所述接触区(15)具有圆形横截面并限定在底表面(20)、在所述底表面(20)上方的所述逐渐变小的内表面(21)和所述圆筒形切向流动引导装置(19)之间，所述切向流动引导装置(19)设置在所述底表面(20)和所述逐渐变小的内表面(21)之间并靠近所述底表面(20)和所述逐渐变小的内表面(21)的外周部分。

9.如权利要求8所述的多级气-液接触设备，其特征在于，所述气-液分离装置(30)还包括：

(d1)与入口表面相对的外部出口表面(32)，该与入口表面相对的外部出口表面(32)与所述入口表面(31)同心并与紧接上面的涡流接触级(10)的蒸气入口(22)流体连通；和

(d2)底部出口表面(33)，该底部出口表面与一外表面流体连通，所述外表面处于所述接触区(15)外部并与所述逐渐变小的内表面(21)相对，

其中，所述外表面在多个液体降液管段处终止，所述液体降液管段在处于所述多个涡流接触级(10)外部的环形空间的离散部分中延伸，并在径向上设置在紧接上面的涡流接触级(10)的液体降液管段和紧接下面的涡流接触级(10)的液体降液管段之间。

10.一种多级气-液接触设备，该多级气-液接触设备包括竖直设置的具有多个涡流接触级的圆筒形壳体，所述涡流接触级包括：

(a)液体入口，该液体入口与一接触区的底表面流体连通；

(b)蒸气入口，该蒸气入口穿过圆筒形切向流动引导装置与所述接触区流体连通，其中，所述底表面、所述圆筒形切向流动引导装置和在底表面上方的逐渐变小的内表面限定所述接触区；和

(c)接触区，该接触区具有圆形横截面并限定在底表面、逐渐变小的内表面和圆筒形切向流动引导装置之间，所述切向流动引导装置设置在所述底表面和所述逐渐变小的内表面之间并靠近所述底表面和所述逐渐变小的内表面的外周部分；以及

(d)气-液分离装置，所述气-液分离装置包括入口表面，所述入口表面形成所述逐渐变小的内表面的顶部部分并与所述接触区流体连通，

其中，所述多级气-液接触设备还包括：

(d1)与入口表面相对的外部出口表面，该与入口表面相对的外部出口表面与所述入口表面同心并与紧接上面的涡流接触级的蒸气入口流体连通；和

(d2)底部出口表面，该底部出口表面与一外表面流体连通，所述外表面处于所述接触区外部并与所述逐渐变小的内表面相对，

其中，所述外表面在多个液体降液管段处终止，所述液体降液管段在处于所述多个涡流接触级外部的环形空间的离散部分中延伸，并在径向上设置在紧接上面的涡流接触级的液体降液管段和紧接下面的涡流接触级的液体降液管段之间。