CN1132660C - 流体/气体/固体分离装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种对在包括高质量流率气体流经容器及从固体物料生成液体的条件下处理固体物料填料的方法和设备。该设备包括(i)一个有入口的入口端，用于装入固体物料以在容器中形成堆积床，和(ii)一个出口端，具有至少一个固体出口、至少一个液体出口和至少一个气体出口。至少一个气体出口位于固体/液体出口上方。
Description
技术领域
本发明涉及大质量流率的气体流过容器并要从容器中除掉气体时，向容器中填固体物料。
本发明可延伸到对固体物料进行热处理或冷处理。
本发明尤其涉及，但并不排除其他，从固体物料和高质量流率的气体(从固体物料中产生，并/或作为工艺的一部分加入容器)中产生出液体时(包括高压、高温)，在容器中填充固体物料(优选地，其导热率低)。
本发明尤其涉及在高温高压的情况下通过从含碳物料去掉水，提高含碳物料BTU值，而优化含碳物料的方法和设备，含碳物料一般指煤，尤其是低级煤。该方法和设备包括对固体和由该方法产生的或供给该方法的液相、气相进行分离。
下面对现有技术的讨论涉及在增高的压力条件下通过加热煤来脱水时产生的气体、液体与固体分离时的难度。注意到，总体说来，本发明延及到在加热或冷却的条件下由经过容器的含有固体并有或没有液体的高质量流率气体带来的困难。
背景技术
授予Koppelman的美国专利5,290,523公开了一种通过同时加压、加温来优化煤的方法。
Koppelman公开了在升高的压力、温度条件下通过加热煤、在煤中发生物理变化来使煤热脱水，从而利用“挤压”反应从煤中去掉水。
Koppelman还公开了在优化过程中要保持压力充分高，使副产品水主要生成为液体而不是蒸汽。
Koppelman也公开了选择进行优化处理的不同设备的范围。总的说来，这些选择基于使用一种压力容器，其包括倒锥入口、圆柱体、锥出口以及本体内水平或垂直放置的热交换管组件。锥形出口在其顶端，即容器的最下部，设有一个出口。
在使用Koppelman式设备的一个建议中，垂直设置的管和出口端装有煤，并注入氮气对管和出口端增压。利用从管外供给圆柱体的热交换介质进行间接的热交换来加热煤。通过把水加入管中，随后形成蒸汽，起到传热介质的作用，而产生更多的热。增高的压力和温度一起使煤中的水部分蒸发，然后使部分水凝结成液体。在增高的压力作用下，额外加入的水产生的部分蒸汽也凝结为液体。没有凝结的蒸汽超过了堆积床(packed bed)最佳增压的要求，必须排出。另外，非凝结气体(如CO，CO2)析出，也需要排出。液体要定期地从出口端排出。最后，经过预定的滞留时间后，给容器降压并经同一出口端排出升级后的煤。
人们发现，上述的Koppelman型设备的出口端结构在分离固/液/气相方面并不令人满意，尤其是分离液/气相方面。所遇到的问题包括出口端的高压降和高气流，导致了：
(i)从出口端出来的很难控制的气液两相流；
(ii)防堵塞排放；
(iii)细颗粒以及有时会有粗物料同液体(和气体)一起排出。
总的说来，尤其是由于气体和液体在床、管道和控制阀中的流动阻力不同，气体和液体从同一出口管道流出容器时会产生相当不规则的流动模式。气体可压缩性质和液体的迅速变化的阻力和较高的密度形成了有高加速度力的流动，而扰动并可能携带堆积床中的颗粒。
发明内容
本发明的一个目的是对供给或在Koppelman型设备中产生的固体、液体、气体进行改进的分离。
本发明更一般的目的是提供一种在高压和高温下工作的压力容器中的固体、液体和气体的分离设备。
本发明更加一般的目的是提供一种设备，将高质量流率的气体引入或从装有固体物料的容器中排出，其中固体物料在容器中处理。
在上下文“气体质量流率”中术语“高”在此应理解成表示气体总量占固体物料较大的比例，一般在5-10％，以及/或气体的质量流率接近对容器中固体物料进行高速气流运输的阈值。
广义地讲，本发明对在包括高质量流率气体流经容器等条件处理固体物料填装的容器进行改进，这种改进包括在容器上设置至少一个固料出口，用于从容器中排出固体；以及多个气体入口和/或气体出口，用来在容器的一个或多个高度上，在气体出口上方把气体引进或从容器中排出。
更具体地讲，根据本发明，对在包括高质量流率气体流经容器及从固体物料生成液体的条件下处理固体物料填装的容器进行改进，这种改进包括具有至少一个固体出口、至少一个液体出口、至少一个气体出口的出口端，至少一个气体出口位于至少一个固体出口和至少一个液体出口上方。
上段所述本发明的方面基于实现对从容器中出来的固体，液体和气体进行有效分离，使携带的带液体的固体量、气体量最小，这可以通过在出口端不同高度处分别除去液体和气体来作到，其中气体出口处于比液体出口高的位置。
本发明的这个方面也可以描述成一种设备，对在包括高质量流率气体流经设备以及从固体物料中生成液体的条件下处理固体物料的填料，该设备包括：
(a)一个容器，其具有
(i)一个有入口的入口端，用于装入固体物料以形成容器中的堆积床，
(ii)一个出口端，具有至少一个固体出口、至少一个液体出口和位于固体/液体出口上方的至少一个气体出口；
(b)供应流体而给堆积床增压的装置；
(c)供应热交换介质来加热堆积床上的固体物料的装置。
出口端最好位于容器的下部。
出口端最好向一个(或多个)固体出口收敛。
出口端最好为锥形。
出口端最好包括多个气体出口。
多个气体出口最好设在出口端一个以上的高度上。
在出口端的至少一个高度上最好有多个气体出口。
在有多个气体出口的每个高度上，气体出口最好环绕着容器周长间隔分布，使得在该高度的截面上具有大致均匀的降低气体质量流率。
广义上讲，气体出口的数量，位置和结构取决于下面因素：
(i)需要沿着出口端在不同高度上逐步地除去气体，使堆积床上每单位截面的质量流量(或流率)在每个高度上大致保持为常量；
(ii)需要在每个高度上把气体导向气体出口，但不会形成高气体速率区，高气体速率会产生高的压降，以及/或携带固体和/或液体；
(iii)需要将气流从向下转向成横向向外，同时使所有液体继续沿大致向下的方向行进。
注意到，上面的(b)段中使用了术语“流体”，它有很宽的范围，覆盖了被引入容器中的氮气等气体和水等液体。
供应热交换介质的装置最好供给通过间接热交换来加热固体物料的介质。
该容器最好为压力容器。
本发明上述的具体方面也可以描述成一种方法，对在包括高质量流率气体和从固体物料中生成液体的条件下处理固体物料的填料，该方法包括：
(a)把固体物料装入容器中，而形成固体物料的堆积床；
(b)对堆积床增压；
(c)通过用热交换介质进行热交换来加热固体物料，从而，压力和热综合的效果是从固体物料中释放出水和其他液体，以及/或气体化合物，其中所释放的部分水为气相，部分水为液相；
(d)经容器上至少一个气体出口从堆积床上排出气体；
(e)经容器上位于气体出口下的液体出口从堆积床上排出液体。
该方法可包括向容器引入作为工作流体的气体，而有助于向固体物料传热。
注意到，排出气体的步骤(d)可包括去掉一定量的液体。还注意到，排出液体的步骤(e)可包括去掉一定量的气体。
从堆积床排出气体的步骤最好控制：
(i)出口端的压降；和/或
(ii)流进出口端气体出口下面的截面的气体流量。
更好地，该方法包括从堆积床经多个气体出口排出气体，使出口端气体出口下的截面上的气体流率基本不变。
从堆积床排出液体的步骤在该方法的工作过程中最好位于出口端任一点的液位处，使经液体出口排出的主要是液体。
该方法最好包括在液体出口上方两个或多个高度处从堆积床经气体出口排出气体。
该方法最好包括至少在液体出口上方的一个高度通过多个气体出口排出气体。
容器最好包括向一个(或多个)固体出口收敛的出口端。
尤其是容器最好包括锥形出口端，气体出口和液体出口位于出口端。
附图说明
下面参照附图以示例的形式描述本发明。其中，
图1是根据本发明设备的一个优选实施例的出口端示意图；
图2是沿图1中2-2线的剖视图；
图3是根据本发明设备另一个优选实施例的出口端示意图；
图4是申请人在进行计算流体动力学(cfd)建模时生成的沿容器长度方向的压降曲线图；
图5是申请人在进行cfd建模时生成的从轴向中心线到容器周边距容器底部3m的高度处的质量流率曲线图。
具体实施方式
下文的描述主要是关于优化煤。应注意，本发明并不限于此，可扩展到处理任何合适的固体物料。
另外，下文的描述主要是关于上述Koppelman型设备，应注意，本发明并非限制性的，而是可广泛地应用于在增高的压力和温度下于处理后期要求分离固体、液体和气体的条件下处理固体物料。
通过进一步的具体例子，本发明可扩展到申请人的国际申请PCT/AU98/0005和PCT/AU98/00142公布的设备(和方法)，这些国际申请所公开的内容在此引作参考文献。
参照图1和2，该设备包括带锥形的标号为3的出口端的压力容器。
出口端3包括：
(i)锥端上的固体出口5；
(ii)锥下部的液体出口7；
(iii)在固体/液体出口5，7上方不同高度处的多个气体出口9，如图2所示，在每个高度上有不只一个气体出口9；
(iv)可选择地，固体物料滞留装置29。
应注意到，本发明并不限于锥形出口端，例如，可以扩展到向一个或多个出口收敛的任何出口端。
上述液体/气体出口7，9的定位能实现向下流经容器到出口端3的液体、气体的液体分离和气体分离。具体地说，随着气流在锥内向着锥下端收敛，气体出口9能逐步地去掉气体。
固体/液体/气体出口5，7，9可以是任何合适的形状。
对于气体出口9，其可以为考虑到下面需要的任何形状和位置：
(i)沿着锥在不同高度逐步去掉气体，使得在每个高度处，通过堆积床单位横截面的质量流量(或速率)大致保持不变；
(i)在每个高度向出口端导引气体，而不会形成高气体速率区，高气体速率区会产生高的压降和/或携带固体和/或液体。
如图2所示，本发明的优选实施例包括沿着容器周边在给定高度间隔分布的一系列离散气体出口9。这种结构导致向下流动的部分气体向容器周边然后经出口流出容器的一般性向外的流动。
另外，例如，可以绕着容器周边在各个高度上形成大致连续的出口(未示出)，能够保证气体向着容器周边均匀地向外运动。
固体/液体/气体出口5，7，9包括阀装置11，能有选择地进行工作，以使固体、液体和气体从出口端3排出。
阀装置11的位置尽可能地靠近容器，因此在阀装置和容器之间形成最小的管道结构，使在启动时流经出口端的气体质量通量最小。
设备还包括连接到液体出口7盛装从出口端排出的液体的、较小的收集槽17。收集槽17在下部有由阀装置11控制的出口管线19。工作时，液体经出口管线19从收集槽17排出。
在利用这些设备来给煤脱水时，向容器装填煤，尤其是向设备的出口端3和管道(未示出)。随后：
(i)将氮气泵入管道和出口端3中煤堆积床中而给堆积床增压，一般到压力值为6.897*105Pa-13.793*105Pa(100-200psi)；
(ii)向管道外的容器供入热交换介质，通过间接热交换来加热煤，一般到温度为260℃(500°F)；
(iii)向堆积床供水，以提供蒸汽源。
从入口供给的水在堆积床中生成的蒸汽在堆积床中产生压力，提供了一种进一步加热煤的方法。另外，如上所述，煤中的水生成的蒸汽也在堆积床中产生压力。所有这些因素合在一起使堆积床增压到工作压力，一般为48.28*105Pa(700psi)。
增高的压力和温度的综合效果是从堆积床的煤中蒸出或挤压出水，然后在容器中逐步的更低高度上使水凝结。“挤压”反应是由煤的结构重整及脱羧基反应造成的。
液体汇集在容器的出口端3，然后周期性地经液体出口7排进收集槽17中。
如上面所讨论的，固体/液体/气体出口5，7，9在不同高度的定位能分别从出口端3除去固体，液体和气体，尤其是液体和气体。
另外，经气体出口9从容器中除去气体独立于除去液体，就能避免在出口端形成大的压降和在出口端3下部形成高气体流率。
参照图3，为了使经气体出口9的液体和固体损耗最小，本发明的一个优选实施例包括板或筛21，其位置与气体出口9有关，开始时使固体、液体、气体流向下偏斜，远离气体出口。另外，板/筛21构成了开口向下的通道23。这种结构是使气体能绕着板/筛21向外、向上流动进入通道23，然后流向出口9。很容易可以理解，气体绕板/筛21下端向外、向上流动使携带的固体和液体最少。还有，一般没有固体的通道23使气体能加速流向气体出口9。
申请人开发了一种轴对称垂直限幅cfd模型以检验本发明。这个模型基于在容器中经单个固体出口上方的多个入口喷射气体，冷却容器中固体物料的堆积床。这个模型基于上面所引用的国际申请所描述的方法和设备。建模工作的结果部分地总结于图4和5中。该建模工作比较了传统单气体入口/出口的效果和本发明建议的多气体入口/出口的效果。参见图4，建模工作表明，与传统单气体入口/出口产生的压降相比，根据本发明的多气体入口/出口具有使沿容器长度方向的压降显著减小的明显优势。参见图5，与传统单气体入口/出口产生的不均匀质量流率相比，根据本发明的多气体入口/出口具有使在容器截面上流过容器的质量流率基本上均匀的明显优势。
不脱离本发明的精神和范围，可以作出许多根据上述优选实施例的变型。
虽然通过举例的方式，上述优选实施例包括单个的固体出口5和单个的液体出口7，但很容易理解，本发明不限于此，可以扩展到包含有不只一个的固体出口5和/或不只一个液体出口7。
Claims (24)
1.一种在包括高质量流率气体流经容器及从固体物料生成液体的条件下处理固体物料填料的容器，其特征在于，该容器包括：一入口端，该入口端用于装入固体物料以在容器中形成堆积床；具有至少一个固体出口、至少一个液体出口、至少一个气体出口的出口端，所述至少一个气体出口位于所述至少一个固体出口和至少一个液体出口上方。
2.如权利要求1所述的容器，其特征在于，出口端位于容器的下部。
3.如权利要求1或2所述的容器，其特征在于，出口端包括多个气体出口。
4.如权利要求3所述的容器，其特征在于，多个气体出口设在出口端一个以上的高度上。
5.如权利要求4所述的容器，其特征在于，在出口端的至少一个高度上有多个气体出口。
6.如权利要求5所述的容器，其特征在于，在有多个气体出口的每个高度上，气体出口环绕着容器周边间隔分布，使得在该高度的截面上具有大致均匀的下行气体质量流率。
7.如上述任一权利要求所述的容器，其特征在于，还包括连接到气体出口的偏转/遮挡装置，防止向下流经出口端的液体、气体流直接到达气体出口。
8.如权利要求7所述的容器，其特征在于，各气体出口的偏转/遮挡装置包括从气体出口上方向下、向内伸进容器的板或筛。
9.如权利要求8所述的容器，其特征在于，板或筛至少部分地绕着容器内表面延伸，构成了开口向下、用于接纳向下流经容器的气体。
10.一种设备，该设备处理固体物料的填料以及从固体物料中生成液体，该设备的处理条件包括高质量流率的气体流经该设备，该设备包括：
(a)一个如权利要求1所述的容器；
(b)供应流体而给堆积床增压的装置；
(c)供应热交换介质来加热堆积床上的固体物料的装置。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，出口端位于容器的下部。
12.如权利要求10或11所述的设备，其特征在于，出口端包括多个气体出口。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，多个气体出口设在出口端一个以上的高度上。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，在出口端的至少一个高度上有多个气体出口。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，在有多个气体出口的每个高度上，气体出口环绕着容器周边间隔分布，使得在该高度的截面上具有大致均匀的下行气体质量流率。
16.如权利要求10-15中任一项所述的设备，其特征在于，还包括连接到气体出口的偏转/遮挡装置，防止向下流经出口端的液体、气体流直接到达气体出口。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，各气体出口的偏转/遮挡装置包括从气体出口上方向下、向内伸进容器的板或筛。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，板或筛至少部分地绕着容器内表面延伸，构成了开口向下、用于接纳向下流经容器的气体。
19.如权利要求10-15任一项所述的设备，其特征在于，供应热交换介质的装置供给通过间接热交换来加热固体物料的介质。
20.如权利要求10-15任一项所述的设备，其特征在于，该容器为压力容器。
21一种在包括高质量流率气体和从固体物料中生成液体的条件下处理固体物料填料的方法，该方法包括：
(a)把固体物料装入如权利要求1所述的容器中，而形成固体物料的堆积床；
(b)对堆积床增压；
(c)通过用热交换介质进行热交换来加热固体物料，从而，压力和热综合的效果是从固体物料中释放出水和其他液体，以及/或气体化合物，其中所释放的部分水为气相，部分水为液相；
(d)经容器上至少一个气体出口从堆积床上排出气体；
(e)经容器上位于气体出口下的液体出口从堆积床上排出液体。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，包括从堆积床经多个气体出口排出气体，使出口端堆积床上的气体流率基本不变。
23.如权利要求21或22所述的方法，其特征在于，包括在液体出口上方两个或多个高度处从堆积床经气体出口排出气体。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，包括在液体出口上方至少一个高度处经多个气体出口排出气体。
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