CN1222344C - 蒸气/液体分离器 - Google Patents
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Abstract
一种蒸气/液体分离器，包括：一容器，该容器有进口，用于接收蒸气/液体混合物；一叶毂，该叶毂位于容器内，并在低于进口的位置，其中，该叶毂在它的近端支承多个叶片元件，用于在混合物通过该容器时使该混合物离心分离；一蒸气出口，该蒸气出口位于该叶毂的远端，用于将混合物中的蒸气部分从容器中取出；以及一出口，该出口位于蒸气出口管的下面，用于将混合物中的液体部分从容器中取出。本发明还涉及一种分离烃和蒸气混合物中的蒸气部分和液体部分的方法，该方法包括以下步骤：使混合物流过容器的进口；通过位于该容器的头部端的离心机而使该混合物离心分离；当该混合物落在离心机上时，控制该混合物的回流和飞溅；使液体部分沿容器的壁流下；将蒸气部分引向蒸气的出口管；将蒸气部分从该容器引向进行进一步处理的装置；以及将液体部分从该容器引向进行进一步处理的装置。
Description
技术领域
本发明涉及可用于使烃和蒸气的混合物分离的蒸气/液体分离器。
背景技术
对于从载体气体中分离固体或液体，在文献中已经很好地说明了流过旋流器的思想。
发明内容
本发明涉及使用一种蒸气/液体分离器来分离包含烃和蒸气的混合物，该蒸气/液体分离器包括：
一容器，该容器有进口，用于接收蒸气/液体混合物；
一叶毂，该叶毂位于容器内，并在低于进口的位置，其中，该叶毂在它的近端支承多个叶片元件，以便在混合物通过该容器时使该混合物离心分离；
一蒸气出口，该蒸气出口位于该叶毂的远端，用于将混合物中的蒸气部分(phase)从容器中取出；以及
一出口，该出口位于蒸气出口的下面，用于将混合物中的液体部分从容器中取出。
而且，本发明涉及一种用于分离烃和蒸气混合物中的蒸气部分和液体部分的方法，该方法包括以下步骤：
使混合物流过容器的进口；通过位于该容器的头部端的离心机而使该混合物离心分离；
使液体部分沿容器的壁流下；
将蒸气部分引向用于蒸气的出口管；
将蒸气部分从该容器引向用于进行进一步处理的装置；以及
将液体部分从该容器引向用于进行进一步处理的装置。
根据本发明的蒸气/液体分离器能够分离烃和蒸气混合物的蒸气部分和液体部分，这样，只有蒸气流被进一步向下游供给和进行处理。分离器的结构能够保证该分离器中除了蒸气出口管之外其它全部局部润湿的表面都可以通过供料的未气化的液体部分而被很好地润湿和冲洗。表面的润湿保证不会产生焦炭沉积，该焦炭沉积最终可能导致分离器堵塞。通过表面润湿来防止焦化，分离器中的闪蒸温度可以增加到超过普通限制(进行限制是因为涉及焦化)，因此能够更深地使供料分馏(cut into)，并能够将供料中的更大部分作为蒸气而回收，以便用于下游的进一步处理。
通过将烃供料和蒸气在高温下闪蒸，然后通过本发明的蒸气/液体分离器来使未气化的液体部分机械分离，这样，只有供料中的气化部分向下游进一步供给，以便在热解炉的辐射管中进行进一步处理，本发明的蒸气/液体分离器的一个可能用途是用于重质烯烃工厂供料(原油或凝析油)的预处理，尤其是烯烃汽油蒸气裂化工厂。该液体的未气化部分包含重质烃，例如沥青，该重质烃被分离出来，并能够送向焦化设备、催化裂化器(cat cracker)或其它残渣处理单元，以便进一步处理，或者作为燃料。
而且，在本发明中可使壁均匀润湿，这增加了该蒸气/液体分离器的使用寿命。根据本发明的一个特定实施例的多进口类型叶片结构将尤其适于使冲洗液体在蒸气/液体分离器的内表面上产生和维持一层均匀的膜。
本发明的蒸气/液体分离器的叶片部分使进入的气体/液体混合物非常平稳的进行气动加速和旋转，这是获得高分离效率和低压力损失所需的。该叶片结构的另一区别点在于它没有滞流区，该滞流区可能导致焦炭沉积区域。此外，与普通的切向进入类型的旋流分离器不同(普通旋流分离器的典型特征为单个、不对称进口狭槽或管道开口)，叶片自身包括一系列的叶片元件或桨叶，这些叶片元件或桨叶用于沿蒸气/液体分离器的进口部分的整个周边向进入的气体/液体混合物施加均匀的离心力。
优选是，本发明的分离器装置还包括一个在叶毂远端的裙缘元件，用于引导混合物中的液体部分向外离开该叶毂，并将其引向容器壁。
优选是，本发明的分离器还包括位于容器内并在该进口和叶毂的近端之间的装置，用于在混合物进入该进口并跌落到叶毂上时控制该混合物的回流和飞溅。
该分离器还可以包括一个屏，该屏覆盖叶毂的远端，用于防止叶毂内部的焦炭通过该屏而跌落。
而且，该分离器可以包括一个位于蒸气出口的进入口处的裙缘，用于引导液体向外离开该进入口。
优选是，本发明的分离器的叶毂沿轴向位于该容器内。该蒸气出口优选是沿轴向位于叶毂的远端。在本发明的分离器和方法中所用的蒸气/液体混合物优选是含有烃和蒸气的混合物。
附图说明
图1是在可采用本发明的热解炉中的全过程的示意流程图。
图2是本发明的蒸气/液体分离器的局部剖视图。
图3是图2的平面图。
图4是图2的蒸气/液体分离器的叶片组件的透视图。
具体实施方式
原油的重尾馏分以及重质天然气液体在普通乙烯炉对流部分条件下不能被气化。它们通常通过蒸馏而被除去，且只有该蒸馏物中较轻的可气化部分能够用作烯烃工厂的供料。从烯烃工厂的供料中蒸馏除去重尾馏分的供料制备步骤需要附加的资金和操作成本。本装置和方法能够使重尾馏分分离步骤与改进的烯烃炉的供料预热器部分结合，从而只允许重质供料中的可气化部分进入该炉的裂化区域。而且，能够使烃与稀释蒸气一起在温度高于真空塔中通常所能达到的温度的情况下(400℃)进行闪蒸，这会导致与通过大气/真空蒸馏塔回收的情况相比，能够将更大部分的原油回收作为烯烃工厂的供料，从而减小低价值的重尾馏分沥青的产量。这可以通过本发明的无焦化蒸气/液体分离器来实现。该蒸气/液体分离器能够在很宽的温度范围下工作，例如260-482℃(500-900°F)。通过在合适温度范围内的合格焦化而确定优化条件。
普通烯烃热解炉的对流部分可以进行改变，这样，重质烃供料可以直接供给裂化炉。重质烃供料包括脱盐原油、重质天然气液体、久沸渣油和浓缩渣油，它们包括重质尾端烃(tail-end hydrocarbon)，该重质尾端烃在正常工作状态下不能在烯烃热解炉的对流部分中完全气化。
下面参考图1，该图是乙烯炉10的示意图，重质烃供料11在140℃(285°F)的温度和21巴(300磅/平方英寸)的压力下进入乙烯炉10的对流部分A的第一级预热器12。少量稀释蒸气13(在8巴(100磅/平方英寸)时的饱和蒸气)被供给对流部分预热管内，直到它在6-7巴(70-80磅/平方英寸)的压力下加热到343-482℃(650-900°F)的温度范围内，这时，混合的烃和蒸气14被供给蒸气/液体分离器20。该蒸气/液体分离器20从混合的烃供料和蒸气14中除去未气化部分15，从而将未气化液体15从完全气化的烃16中取出和分离开。根据重质烃的供料11，可以采用不同的处理方案。
随后，气化部分16通过炉10外部的气化器/混合器17而进行供给，在该气化器/混合器17中，烃蒸气16与过热蒸气18混合，以便将混合物19加热至510-566℃(950-1050°F)温度。然后，混合物19在烯烃热解炉10的对流部分A的第二级预热器部分21中进一步加热，然后供给热解炉10的辐射部分B、22中，在该辐射部分B、22中，烃混合物19热裂化。
烃/蒸气混合物14在进入蒸气/液体分离器20时的状态取决于重质烃供料11的性质，优选是有未气化的液体15(供料的2-40vol％，优选是2-5vol％)，以便润湿蒸气/液体分离器20的内表面。润湿的壁能够防止焦炭在分离器20的表面上形成和沉积。通过调节稀释蒸气/供料的比例和烃/蒸气混合物14的闪蒸温度，可以控制气化程度(或不可气化的液体15的vol％)。
这里所述的蒸气/液体分离器20能够以将不会形成焦炭固体且随后不会由固体焦炭污染分离器20或下游设备(未示出)的方式使闪蒸混合物的液体部分15和蒸气部分16分离。考虑到它的相对紧凑的结构，润湿的壁的蒸气/液体分离器20的结构能够实现比普通真空初馏塔更高温度的闪蒸，从而能够回收供料11中的更多气化部分16，以便下游的进一步处理。这增加了烃供料11中能够用于生产更高价值产品23的部分，减小了低价值的重质烃液体部分15。
下面参考图2和3，图2是蒸气/液体分离器20的垂直、局部剖视图，图3是蒸气/液体分离器20的剖视平面图。该蒸气/液体分离器20包括一个容器，该容器有：壁20a；进口14a，用于接受所输入的烃/蒸气混合物14；蒸气出口16a，用于引导蒸气部分16；以及液体出口15a，用于引导液体部分15。叶毂(hub)25靠近进口14a，该叶毂25有多个叶片25a，这些叶片25a间隔环绕着叶毂25的外周，优选是靠近最接近进口14a的端头。在图4的透视图中更清楚地表示了叶片组件。输入的烃/蒸气混合物14通过在叶毂25的近端上飞溅而分散开，尤其是通过叶片25a将混合物14的液体部分15的一部分向外推向蒸气/液体分离器20的壁20a，从而使该壁20a完全由液体润湿，并防止该壁20a的内侧形成焦化。同样，由于用于将与叶毂25表面接触的液体15送向壁20a内侧的力不充分，因此，该叶毂25的外表面通过沿该叶毂外表面向下输送的液体层而保持完全润湿状态。裙缘25b环绕该叶毂25的远端，并有助于通过将液体送入涡旋蒸气中而将沿叶毂25外表面流下的任何液体推向壁20a的内侧。当蒸气/液体混合物14进入蒸气/液体分离器20时，将在进口14a和叶毂25之间的20b处充满该蒸气/液体分离器20的上部，以便帮助润湿壁20a的内侧。当液体15向下输送时，它洗过壁20a和叶毂25，并防止在它们表面上形成焦炭。液体15继续下落，并通过液体出口15a离开该蒸气/液体分离器20。在蒸气出口管16a下面提供有一对进口嘴26，用于提供淬火油，以便冷却所收集的液体15并减少下游焦炭的形成。蒸气部分16在蒸气出口管16a的最高点16c处进入该蒸气出口管16a，在出口16a处离开并进入气化器17，以便在进入热解炉10的辐射部分B 22之前进行进一步处理，如图1所示。裙缘16b环绕着蒸气管16的进入口16c，并有助于使液体15向外朝着分离器的壁20a偏移。
实例1
在实验室中，用水和空气对70％比例的冷流透明塑料和金属模型进行试验和改进。在该冷流试验模型中，蒸气/液体分离非常有效，以致于在蒸气出口处没有检测到液体部分，且视觉观察显示，该蒸气/液体分离器模型的内表面通过所进入的液体部分主动流过这些表面而保持被良好地冲洗。需要这样的液体覆盖以防止形成焦炭的运行限制(run-limiting)。
用于尺寸定位的重要数据值包括蒸气流速、密度和粘性。也检查液体流速、密度和表面张力，作为该空气/水模型的性能比较，并估计分离器的液滴大小。
选用推荐的进口管尺寸(20cm直径)，以便提供计算的液滴大小。
确定叶片组件的尺寸，使得通过叶片的速度为24-30m/s。在目前的设计中，12个叶片安装在25cm直径的管上，流过叶片的30°平剖面的估计速度为27m/s。该叶片组件如图4所示。
叶片组件25a相对于进口14a的位置和“装入”分离器20头部20b的过程通过计算机流体动态模拟来指导。目的是除去潜在的回流区，以减小形成焦化的趋势。头部20b的内部形状根据气体流线而形成，因此，壁20a将由被送入分离器20主体内的液体进行冲洗。
叶毂25在叶片25a下面延伸的距离根据对液滴在经过叶毂25运动超过一半距离之前被捕获的液滴大小的估计来进行选择。大量液体15将沿叶毂25流下(根据对空气/水模型的观察)，在叶毂25上有“裙缘”25b将引导液滴在叶片25a下面很好地进入蒸气部分中，由于蒸气16的连续涡旋，当蒸气向出口管16a运动时，将继续在叶毂25的裙缘25b下面集中。
叶毂裙缘25b的尺寸使得液体从叶毂25尽可能靠近外壁20a运动，同时不会使蒸气16的流动面积小于在叶片25a中存在的流动面积。作为一个实例，该流动面积比在叶片25a中存在的流动面积大大约20％。
叶毂25的底部和蒸气出口管16a的最高点16c之间的距离定为蒸气出口管16a的直径的四倍。这与空气/水模型一致。目的是提供使蒸气向出口16a运动的区域，同时不会产生极高的径向速度。
从蒸气出口管16a的进入口16c到蒸气出口管16a的水平部分的中心线的距离选择为管直径的大约三倍。目的是在出口管16a的垂直上方提供用于保持涡流的距离-不会由于附近的、使蒸气16离开出口管16a的水平流道而扰乱该涡流。在蒸气出口管16a上的防蠕变环16b的位置和尺寸可以任意确定，它的位置靠近唇缘但低于该唇缘，且它相对较小，以便有使焦炭在外壁20a和该环16b之间跌落的空间。
分离器20在出口管16a下面的细节部分是该分离器范围之外的问题。只要不会使液体在进口16c上方喷射到出口管16a，就不会影响分离效果。
涉及形成焦化的主要区域包括蒸气回流部分或者金属没有被液体很好地冲洗的部分。在头部内侧的区域20b中可以填充有材料，以接近所需的回流区。叶毂25的内部是另一个潜在的问题点。当产生焦炭且该焦炭跌落到蒸气出口管16a的进口16c上时，将导致产生很大的流阻(就象封闭的单向阀)。因此，可以采用杆或管帽的笼或屏25c。这不能防止焦炭的产生，但是能将大部分焦炭保持住，这样，大块焦炭不可能跌落。在叶片裙缘和蒸气出口管16a的裙缘16b下面的区域也“没有冲洗”，焦炭可能在这些区域中产生。
这些设计准则已经在实验室模型上试验，该实验室模型已经进行了很宽范围的流动状态试验，如下面的表1所示。在进口处的空气流速的范围为15-45m/s，水在0.06-0.28l/s的情况下进行试验。在所有这些状态下，损失都低于可测量的范围。当水的流速低于0.06l/s时(估计为0.03-0.05l/m)，分离器的外壁20a的润湿不完全。水流沿有机玻璃流下，水流之间有“干”区域。对于l/s水每cm周长，在0.06l/s水时，分离器壁20a以0.0008l/cm.s进行冲洗。0.2巴时519g/s，或者0.8l/s的油速设计数据将产生0.006l/cm.s冲洗速度。
表1
| 低空气/高水 | 高空气/低水 | 工厂数据情况 | |
| 蒸气进口速度，m/s | 15 | 45 | 25 |
| 蒸气叶片速度，m/s | 18 | 45 | 27 |
| 蒸气流量，g/s | 183 | 550 | 5780 |
| 蒸气流量，m3/s | 0.14 | 0.42 | 0.82 |
| 液体流量，g/s | 283 | 63 | 519 |
| 液体流量，l/s | 0.28 | 0.06 | 0.79 |
| g液体/g蒸气 | 1.55 | 0.11 | 0.090 |
| dm3/s液体/m3/s蒸气 | 2 | 0.14 | 0.96 |
| l/s液体/cm分离器周长 | 0.003 | 0.0008 | 0.006 |
当分离器壁20a的焦化趋势通过冲洗速度(液体体积流量每周长英寸)而得到控制时，工厂设计状态将提供比实验室模型更好的冲洗效果。假设工厂的冲洗性能遵循实验室结果，将有可能通过具有较低液体体积的供料来进行操作。设计数据表示，当与实验室结果相比时，液体流量基于重量“较低”，而基于体积则“较高”。不过，实验室模型并没有看到在采集的数据中液体流量低于0.06l/s或高于0.28l/s时的分离问题。
Claims (7)
1.使用一种蒸气/液体分离器来分离含有烃和蒸气的混合物，该分离器包括：
一容器，该容器有进口(14a)，用于接收蒸气/液体混合物；
一叶毂(25)，该叶毂位于容器内，并在低于进口的位置，其中，该叶毂在它的近端支承多个叶片元件(25a)，用于在混合物通过该容器时使该混合物离心分离，从而使该蒸气/液体分离器的壁(20a)完全由液体润湿；
一蒸气出口(16a)，该蒸气出口位于该叶毂的远端，用于将混合物中的蒸气部分(16)从容器中取出；以及
一出口(15a)，该出口位于蒸气出口(16a)的下面，用于将混合物中的液体部分从容器中取出。
2.根据权利要求1所述的分离器的使用，还包括：在叶毂远端的裙缘元件，用于引导混合物中的液体部分向外离开该叶毂，并将其引向容器壁。
3.根据权利要求1或2所述的分离器的使用，还包括：一个屏，该屏覆盖叶毂的远端，用于防止叶毂内部的焦炭通过该屏而跌落。
4.根据权利要求1或2所述的分离器的使用，还包括：一个位于蒸气出口的进入口处的裙缘，用于引导液体向外离开该进入口。
5.根据权利要求1或2所述的分离器的使用，其中：该叶毂沿轴向位于该容器内。
6.根据权利要求1或2所述的分离器的使用，其中：该蒸气出口沿轴向位于叶毂的远端。
7.一种用于分离烃和蒸气混合物中的蒸气部分和液体部分的方法，该方法包括以下步骤：
使混合物流过容器的进口；
通过位于该容器的头部端的离心机而使该混合物离心分离；
使液体部分沿容器的壁流下；
将蒸气部分引向用于蒸气的出口管；
将蒸气部分从该容器引向用于进行进一步处理的装置；以及
将液体部分从该容器引向用于进行进一步处理的装置。
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