CN1111769A - 液流控制装置，采用液流控制装置的反应器及液流控制方法 - Google Patents

Abstract

所公开的为一用来在垂直延伸的管道中控制液 流的装置，该装置包括一个水平安装在管道中用来接 受液流的平板元件，其上的一个开口能使所接受的液 体通过，一个管状导向件，以及若干分布在管状导向 件上的隔板。每个隔板都有上端和下端，这样就在该 管状导向件上形成若干独立通路。一个盖板被用头 盖住该通道。这样，平板元件所接受的液体便流过这 些通道并从管状导向件的液体出口流出从而形成涡 流。

Description

液流控制装置，采用液流控制 装置的反应器及液流控制方法

本发明所涉及的是一个用来均化液流的流动控制装置和一种液流控制方法。本发明还涉及使用这种控制装置的反应器。

诸如微孔板、多孔板、烟囱式分配平板或泡罩式分配平板之类的流动控制装置一般来讲都是放置在一个垂直延伸的导管内，以便达到均匀地径向(垂直于管轴线，即水平方向)分配经此处向下的液流。一方面，已知的流动控制装置能够使液体流速的水平分布达到一致，另一方面，它的使用对液体的均匀混合却无能为力。这样当由不同浓度、不同温度或不同组成的液流构成液流时，在流经控制装置时受控的液流在其性质上仍保持不均匀性。例如，当该液流为一种含气液体时，已知的控制装置对气体-液体的均匀接触不起作用，经此排出的液流的气/液吸收率沿水平方向是变化的。同样，由高温液体和喷入的淬冷气体所构成的液流即使在流过已知的控制装置时沿水平方向温度仍是变化的。

日本专利公开JP-B-42-24284提出了一种装置，该装置有一个用来接受液流的中央部位有两个开口的平板，以及一个与该平板的下侧相连接以收集流经该开口的液体且其底部带有两个出口的空心盒形件。利用这一装置液流就被该平板所接受，然后便被引入和集中到该盒形件并随即由出口泄出。由于液体在其通过该盒形件时经历了混合操作，从出口泄放出来的液体的均匀性得到了提高。然而，这一混合效果并不十分令人满意。此外，进入和流入该盒形件的液体的动能促使盒形件发生振动，因此，若不采用经过增强的结构，盒形件就会破裂。

根据本发明的一个方面提供一种用来在通常的垂直延伸的管道中控制液流的装置，它包含：

一个通常水平地安装在所述管道中以接受此处的液流的平板元件，该元件上有一开口，使得所述平板元件所接受的液体只能通过所述开口通过所述平板元件；

一个由所述开口周缘向下且向内延伸并终止从而形成一个面积小于所述开口的液体出口的管状导向元件；

若干隔板元件，每个隔板元件均有一个与所述管状导向件相连的下端，每个隔板元件均有一个由所述开口的周缘向上突出的上端，所述隔板元件的每一个下端均沿着所述管状导向元件的壁由所述开口的周缘向下倾斜延伸进而在所述管状导向元件上形成若干数量与所述隔板元件的数量相对应而且与所述液体出口相液体连通的通路；以及

一个用来盖住所述若干通路的盖板元件，以便使液流被所述平板元件所接受，流经所述通路并在所述液体出口泄出从而形成一涡流。

另一方面，本发明还涉及一个含有上、下催化剂床的反应器，而上面所讲的流动控制装置被安插在所述上、下催化剂床之间，来自所述上催化剂床的液流在此经所述装置加以分配并导入所述下催化剂床。

本发明还提供了一种用来控制在通常的垂直延伸管路中的液流的方法，此方法包括在一具有一开口的平板元件上接受液流和把所述液流转换成由所述开口泄放出来的涡流。

本发明的目的在于提供一种能有效地均化并混合液流的液流控制装置。

本发明的另一目的还在于提供上面所述的那种液流控制装置而所述装置又不会引起振动和破裂问题。

本发明的再一个目的还在于提供上面所述那种流动控制装置，这种流动控制装置可有利地用于各种液-液和气-液接触装置。

本发明的下一个目的在于提供一种上述的流动控制装置，所述装置能使液流均匀地分配成基本上具有同样体积和组成的多股液流。

本发明的下一目的在于提供一种控制液流的方法。

本发明的一个特殊目的在于提供一种具有上述那种流动控制装置的反应器。

参照附图，本发明的其他目的、特性和优点可以从下面所述的本发明推荐的优选实施例的详细说明中看得很清楚。其中：

图1为一局部平面图，示出了本发明的流动控制装置的一个实施例；

图2为图1所示装置的透视图；

图3为图2的分离体图；

图4为图1中沿直线IV-IV所取的剖视图；

图5为一局部立面视图，示出了其内部装有图1所示装置的管道；

图6为一局部平面视图，示出了图1所示装置的平板元件上的开口；

图7为与图6所示开口相连的导向元件的透视图；

图8为一局部透视图，表明图1所示装置的隔板的连接；

图9为一局部平面图，示出了本发明的流动控制装置的另一个实施例；

图10为图9所示装置的透视图；

图11为图10的分离体图；

图12为图9中沿直线XII-XII所取的剖视图；

图13为一局部平面图，示出图9所示装置的平板元件的开口；

图14为与图13所示开口相连的导向元件的透视图；

图15为一局部透视图，示出了图9所示装置的隔板的连接，

图16为一局部剖视立面图，示出含有本发明流动控制装置的反应器，及

图17为一局部剖视立面图，示出了含有本发明流动控制装置的另一种反应器。

参见图1-8，首先参见图5，名称T为一通常的垂直延伸的管道，限定了如箭头所示液体向下流动的流动空间。本发明所述流动控制装置被放置在管道T内用来控制液流。

该流动控制装置含有一个通常水平安放在管道T中用来把流动空间分割成上空间Ta和下空Tb并接受液流的平板元件1。如图6所示，平板元件1在其中央部位具有一个开口2，这样一来上、下空间Ta和Tb彼此只能通过开口2相液体连通。在本实施例中开口2为一八边形，但也可为圆形或多边形。

如图5所示，导向元件4由开口2的周缘向下且向内延伸并终止从而形成一个面积小于开口2的液体出口7。在所示的这一特定实施例中，导向元件4具有一个与平板元件1的开口2的形状相同的八边形横剖面。由图7可以清楚地看出，导向元件4是由八个梯形段4e一个靠一个连成一圈而构成的。导向元件的长度L随着流动空间的大小而改变，但一般为3-50cm，优选为10-30cm。平板元件1的开口2的面积与出口7的面积之比一般为6∶1至6∶5，优选为3∶1至2∶1。导向元件4相对于平板元件1的方位角θ4(图4)一般为20-70°，优选30-60°。

如图1-4所示，若干个(在图示的实施例中为八个)最好是在空间成等角度分布的隔板元件5被安装在导向元件4上。每一个隔板元件5均有一个与管状导向元件4的上表面相连的下端5a，隔板由此向上，通常是垂直向上延伸以致使其上端5b位于平板元件1的上方。在图示实施例中，该隔板元件5为一梯形，它有一对平行且垂直延伸的短、长边5c和5d，一个沿边5c和5d的法向延伸的上端5b和一个下端5a。

重要的是每个隔板元件5的下端5a应当倾斜地向下由开口2的周缘沿着管状导向元件4的表面延伸。在所示的特定实施例中，每一隔板元件5的下端5a均是沿着构成管状导向元件4的那些梯形段各自的对角线延伸的(见图1和图8)。每一隔板元件5的方位角通常如平面图中所示那样，一个隔板元件5的下端5a相对于在终端边缘5e和相邻隔板元件5的终端边缘5e之间延伸的基准线的角度θ₁为10-60°，优选为20-50°。在图1所示的实施例中，该基准线正好与八边形开口2的八条边之一重合。

在隔板元件5之上还提供了一个盖板元件3。在所示的特定实施例中，盖板元件3在空间的位置为离开水平平板元件1的距离等于隔板元件5的短边5c的长度。这样就由盖板元件3，管状导向元件4和各自的两个相邻的隔板元件5构成了若干个数量与隔板元件5的数量相对应的独立通道8。换句话说，在盖板元件3和管状导向元件4之间的空间被隔板元件5分割成若干个通道8。每一个通道8均有一个与上空间Ta液体连通的上端部位和一个通过出口7与下空间Tb液体连通的下端部位。

作为上述结构的结果，在上空间Ta中流下的液体被盖板元件3和平板元件1所接受。在盖板元件3上的液体向下流到平板元件1上。平板元件1上聚集的液体进而流入各个通道8并由此通过出口7排出。由于每一个通道8的取向均偏离管状导向元件4的中心轴，则通道8中排出的液体便形成如图8所示的那种涡流。该流动控制装置可用任何适当材料制造，如金属、陶瓷或塑料。

上述流动控制装置的结构可根据需要加以改变。例如，为了便于液体流过各个通道8，各个隔板元件5的侧端部位5e和/或5d可以是向内或向外弯曲或成曲面状的。此外，平板元件1的开口2可以为圆形或多边形，而导向元件4通常具有与开口2的形状相同的剖面形状。另外，如果在上空间Ta中的液流在未经平板元件1接受的情况下被阻止使之不能直接通过出口7，盖板元件3可以定位到比隔板元件5稍高的地方。如需要，平板元件1上也可以提供两个或多个类似于开口2那样的开口，每个开口都备有相类似的导向元件，隔板元件和盖板元件。

图9-15示出了本发明所述流动控制装置的另一实施例。在这一实施例中，相应的部分被贯以相同的作为“100”数列一部分的索引号，这一实施例与上面所述的第一实施例之间的差别在于用圆形漏斗状导向元件104代替八边形导向元件4。

这样一来，如图13所示，处于液体流动管道T(未示出)中的平板元件101在其中心部位有一个圆形的开口102，一个如图14所示的导向元件104与此开口相连。如图9-12所示，将若干(在所示的实施例中为八个)个最好在空间以等角度分布的隔板105安装在该导向元件104上。隔板元件的数量可为3-12个，优选为6至10个。每个隔板元件105均具有一个与导向元件104的上表面相连接的下端105a，使得其上端105b位于平板元件1的上方，其情形如同第一个实施例。每个隔板元件105下端105a均由开口102的周缘向下倾斜延伸。在隔板元件105的上面有一盖板元件103，使得此处形成若干个独立的通道108，每个通道的取向均偏离管状导向元件104的中心轴。这样一来，平板元件101接受的液体被引入通道108并从通道108中排出，从而形成如图15所示的涡流。

在本发明所述的液体控制装置中，涡流形成通道8，108是由管状导向元件4，104的内周缘和安装在其上并沿其向下倾斜取向的隔板5，105形成的。在这种情况下，管状导向元件的内周缘的作用在于形成液体通道的底部表面，而隔板的作用在于形成侧壁，在此上表面处于开放状态。在通道中液流的下端处于自由滴落状态。因此，当液体流经涡流形成通道时，涡流的能量并没有全部传到导向元件或隔板元件上，因此导向元件和隔板元件既不会振动也不会破裂。这样也就不需要提供增强。此外，在液体流过涡流形成通道时，液体便被混合从而达到均化。当液体处于气-液混合状态时，液体和气体成份经历了充分的气-液接触，形成一种均匀的混合物。为了达到通过涡流形成通道加速混合作用的目的，可以对其尺寸大小作某种安排以便获得足以形成紊流的线性速度。

就本发明所述的液流控制装置而言，管道中的液流被集聚到涡流形成通道中并作为向下流动的涡流从其下端排放出来。在集聚和涡流形成的过程中液体被加以混合，使得以涡流形式向下流动的液体在任何位置上的成份都是均匀的。

当液流处于气-液混合物状态时，液体和气体成份在流经本发明所述的流动控制装置时进行了充分的气-液接触，使得其间的热交换得以充分地进行，此外，液体对气体的吸收和气体所携带的特定物质在液体中的溶解均得以充分进行。此外，由于在导向元件出口下方形成的涡流其形状使之在其间形成一个空间并且由于由涡流形成通道进入到该空间的气体成份能够再一次与涡流的液膜相接触，使得热交换或类似的物理或化学作用得以高效地进行。这样，就本发明的流动控制装置而言，在管道中向下流动的气-液混合物的气-液接触就可高效地进行。由此可见，本发明的流动控制装置也具有气-液接触装置的功能。

本发明的流动控制装置也适用于逆流式气-液接触装置，在此装置中向上流动的气体与向下流动的液体涡流相接触。在下空间(图5中的Tb)与涡流相接触以后，气体被导入涡流形成通道并由此排放到上空间(图5中的Ta)。

就本发明的控制装置而言，即使在液流的流速很高时液体接受平板元件1，101上也不会形成液池。这样，平板元件所接受的液体就被立即集聚到涡流形成通道中并从其中排出，因此该通道便处于开放状态而不是封闭状态。这样一方面允许液体流动同时又防止了涡流的动能被传递给导向元件或隔板元件，其好处在于不会造成导向元件和隔板振动或破裂，而通过涡流形成通道期间压力损失又很小。

已知的将多个用来增加这种接触的填充床或填充板放置于一管状体内部这种型式的液-液和气-液接触装置有多种多样，如反应器，吸收塔，扩散塔，冷却塔和蒸馏塔。在这些接触装置中，液体被允许向下流动，而气体则为顺流流动或递流流动。一个分配元件通常被安置在两个相邻的床或板之间，以便把液体均匀地从上床或板分配到下床或板。这样一种分配元件也可有效地运用到本发明中，以便提高液流的均匀性和气-液或液-液的接触效率。合适的分配元件的例子有微孔板，多孔板，烟囱式分配板和泡罩式分配板。这些板可以独用，也可以两种或多种结合起来用。

图16示出了一种装有图1所示组件的接触装置的实施例。在这一实施例中的流动控制装置还另外包括一个位于下空间Tb之中并在平板元件1之下的分配器。该分配器由一对上、下水平多孔平板11和12所组成。上多孔平板11上的穿孔的直径比下多孔平板12上的穿孔直径小。一个折流板13被安排在上多孔平板11的上方以便把由导向元件4泄出的涡流14沿横向朝外引出。被标作P1和P2的为上、下填充床。

液流(也可以是气-液混合物)被从填充床P1泄放出来，并如箭头A₁和B₁所示向下流过上空间Ta。来自填充床P1中心部位的液流A₁其组成与填充床P1外缘部位排放的液流B1的组成不同。当液流为气-液混合物形式时，液流A₁的气/液吸收率也不同于液流B₁的气/液吸收率。

液体在平板元件1上被接受，然后以提高了均匀度的涡流14的形式由导向元件4的出口排出。涡流被集聚到上多孔平板11上以形成一个液池。被集聚的由于涡流作用而在平板11上旋转的液体随后穿过平板11的各个穿孔并在下多孔平板12上被接受以便在此形成一个液池。由平板11排放出来的液流的均匀度得到了大大地提高。

被集聚在平板12上的均匀度得到大大提高的液体穿过此处的穿孔然后被允许流过填充床P2。如箭头A₂所示的由平板12的中心部位泄放出来的液体的数量和组成与箭头B₂所示的由周缘部位泄放出来的液体的数量和组成基本相同。

如需要，可以提供向上空间Ta输入气体或液体冷却或加温介质使之与液流A₁和B₁相接触的装置，液流的冷却或加温可以高效地进行。

图17以图解方式示出了一种催化氢化反应器，该反应器具有多个(图解中为两个)用来氢化烃油的氢化催化剂填充床21和22，并装备有本发明所述的流动控制装置。催化剂可以是一种颗粒组合物催化剂，其成份有诸如矾土、硅石、二氧化钛、boria，锆氧，硅石-矾土、硅石-镁氧，矾土-二氧化钛、矾土-镁氧，矾土-boria、或矾土-锆氧之类的多孔无机载体和诸如铬、钼、钨、钴或其混合物之类的载于载体上的催化金属成份。催化剂床21是由具有众多开口的承料网26所支撑。催化剂床22也被一类似的网(未示出)所支撑。

被安放在催化剂床21和22之间的是本发明的流动控制装置，它包含图1的平板元件1和导向元件4。在平板元件1和催化剂床22之间所限定的下空间Tb中安放有两个各自用来径向均匀分布集聚在此处的气-液混合物的多孔平板27和28。平板27的穿孔直径为5-50mm，而平板28的穿孔直径为5-30mm。平板27的作用在于使集聚在此处的气-液混合物分布得大致均匀，而平板28的作用是使得分布更加均匀。折流板的编号为34。

在平板元件1和催化剂床21之间所限定的空间Ta中提供了一个与淬冷气体输入管道32相连的淬冷环33。淬冷环33是由一个带有众多气体注入孔的管子构成的。由输入管道32提供的诸如氢气那样的淬冷气体被从淬冷环33注入到由催化剂床21泄放出来的气-液混合物流中，以便使气-液混合物在此被淬冷。

上述反应器的操作如下。原料烃油与氢气的混合物被允许于300-450℃的温度和50-200kg/cm²的压力(表压)向下流过催化剂床21，以便使烃油被分解和氢化，与此同时，在烃油中所含的诸如硫成份和氮成份那样的杂质被催化转换成如硫化氢和氨那样的气体。所生成的以液体(包括烃油)和气体(包括氢、氨、硫化氢和烃(如甲烷和乙烷))混合物形式存在的氢化产物被从催化剂床21排放到空间Ta中并在此通过直接与由淬冷环33注入的淬冷气体(如氢气)相接触使之淬冷。

被淬冷的混合物被集聚在平板元件1上并由导向元件4的底部以涡流的形式排出。当穿过多孔板27和28时这一涡流便被转换成多股均匀分布的液流，并被允许通过催化剂床22，该混合物在此受到了进一步的催化氢化处理。这一产物此后经气-液分离处理，而被分离出来的液体要经受常规方式的蒸馏处理。

由于烃油的氢化反应是放热的，因此，由催化剂床21排出的反应产物混合物具有很高的温度。因此，如果该混合物就这样被引导到后继的催化剂床22中时，就会生成大量的焦炭，使得催化剂失去活性并造成失控反应。也就是说，若不加以淬冷，在催化剂床22上进行的后续氢化阶段就有无法顺利完成的危险。

由于催化剂的填充密度的不均匀性，在催化剂床21中形成的液流通路的分布也不均匀。这样一来在催化剂床21的不同部位氢化进行的程度也不相同。其结果是，在空间Ta中一水平平面某一位置的氢化混合物的组成有别于同一平面另一部位的氢化混合物的组成。氢化混合物组成的这种不均匀性在其通过平板元件1、导向元件4和多孔平板27和28期间得到了纠正。此外，在通过上述的控制装置时，淬冷气体也被均匀地与氢化混合物混合。因此，在多孔平板28下方的混合物流在数量、温度和组成方面沿整个水平剖面都是均匀的，因此本发明的反应器得以使氢化高效地进行。

本发明还可以在不偏离其精神或基本特征的情况下以其他特定方式实施。这里所表达的实施例从各方面来看都是说明性的而并非限定性的，本发明的范围由所附的权利要求书而不是由前面的说明来表明，权利要求书的等效含意和范围方面的所有改变均应包括在本发明范围内。

Claims (14)

1.一个用来在通常的垂直延伸的管道中控制液流的装置，它含有：

一个通常水平放置在所述管道中用来接受该处的液流的平板元件，该平板元件有一开口，使得所述平板元件接受的液体只有通过所述开口才能穿过所述平板元件；

一个管状导向元件，它由所述开口的周缘向下且向内延伸并终止从而形成一个面积小于所述开口面积的液体出口；

若干隔板元件，其各自具有一个与所述管状导向元件相连的下端，各自具有一个由所述开口的周缘向上突出的上端，所述隔板元件各所述下端均由所述开口的周缘沿所述管状导向元件的壁向下倾斜延伸从而在所述管状导向元件上限定了若干个数量与所述隔板的数量相对应且与所述液体出口成液体连通的通道，以及

一个用来盖住所述各个通道的盖板元件，使得液流被所述平板元件所接受，流过所述通道，并被从所述液体出口中泄放出来形成一个涡流。

2.一个如权利要求1所述的装置，其特征在于所述盖板元件有一个下端，所述隔板元件的各所述上端均与此下端相连。

3.一个如权利要求1所述的装置，其特征在于所述导向元件具有一个与所述平板元件的所述开口的形状相同的圆形横剖面。

4.一个如权利要求1所述的装置，其特征在于所述导向元件具有一个与所述平板元件的所述开口形状相同的多边形横剖面。

5.一个如权利要求4所述的装置，其特征在于所述导向元件其横剖面呈八边形，是由八段梯形边对边连成一圈构成的，而所述各隔板元件的下端均沿所对应的一段所述梯形的对角线延伸。

6.一个如权利要求1所述的装置，它还另外包括设置在所述平板元件下方用来接受所述涡流并把此涡流分成多股液流的分配装置。

7.一个如权利要求1所述的装置，其特征在于所述分配装置包含一个或多个多孔平板。

8.一个如权利要求1所述的装置，另外还包含设置在所述盖板元件的上方用来把液体注入所述液流的装置。

9.一个如权利要求6所述的装置，另外还包含设置在所述盖板元件的上方用来向所述液流中注入液体以便控制所述液流的温度的装置。

10.一个反应器，它包括上、下催化剂床和一个如权利要求9所述的设置在所述上、下催化剂床之间的装置，其间由所述上催化剂床泄出的液流被所述装置进行分配并随后被导入所述下催化剂床。

11.一个如权利要求10所述的反应器，其特征在于每个所述上、下催化剂床均含有氢化催化剂。

12.一种在通常的垂直延伸管道中的液流的控制方法，它包括在一个带有一开口的平板元件上接受液流，并把所述液流转换成由所述开口排放的涡流。

13.一种如权利要求12所述的方法，另外还包括使所述涡流过分配装置以便把所述涡流分割成多胶液流。

14.一种如权利要求12所述的方法，另外还包括在所述液流被所述平板元件接受之前把淬冷液引入所述液流。

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