EA007546B1

EA007546B1 - Устройство для разделения двухфазного потока на два или большее число потоков с желаемым соотношением пара и жидкости

Info

Publication number: EA007546B1
Application number: EA200600090A
Authority: EA
Inventors: Мортен Мюллер
Original assignee: МОРТЕН МЮЛЛЕР ЛТД., АпС
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2006-10-27
Also published as: EP1651904A1; JP2007533419A; ATE405790T1; JP4722840B2; CN100561036C; DE602004015999D1; CN1813155A; EA200600090A1; ES2315667T3; EP1651904B1; WO2004113788A1

Abstract

Изобретением создано устройство (30) для разделения двухфазного входящего потока (41) на два или большее число выходящих потоков (42, 43). Устройство может быть выполнено таким образом, чтобы с его помощью можно было поддерживать близкое к одинаковому соотношение пара и жидкости в каждом из выходящих потоков. Подаваемый в устройство входящий поток направляют через впускной патрубок (32) в разделительный резервуар (31). Под входом впускного патрубка в резервуаре располагают отбойник (33) для затормаживания высокой скорости потока и направления потока к внутренней стенке сепаратора, где жидкость соударяется со стенкой и отделяется от паровой фазы. В разделительном резервуаре осуществляют разделение жидкой и паровой фаз. Внутри сепаратора установлено два вытяжных канала (34, 35). Эти вытяжные каналы сообщены с двумя выпускными патрубками (44, 45), по которым выходящие потоки отводят из сепаратора. Нижние концы вытяжных каналов погружены в жидкую фазу (39). Вытяжные каналы снабжены отверстиями (36) в боковых стенках. Пар проходит через часть отверстий, находящихся выше поверхности жидкости в сепараторе. Когда пар проходит через эти отверстия, происходит падение давления вдоль стенки вытяжного канала. Вследствие этого жидкость поднимается вверх по вытяжному каналу. Жидкость смешивается с паром внутри вытяжного канала, и двухфазная смесь проходит вверх по каналу и покидает сепаратор и разделитель двухфазного потока через выпускные патрубки.

Description

Изобретение относится к устройству для разделения двухфазного входящего потока, состоящего из жидкости легкой фазы и жидкости тяжелой фазы, например, из пара и жидкости, на два или большее число выходящих потоков. С помощью устройства обеспечивают получение желаемого соотношения пара и жидкости в каждом выходящем потоке. Суммарные расходы выходящих потоков необязательно должны быть одинаковыми. Изобретение пригодно для применения (но не ограничено этим) для разделения двухфазного технологического потока, подаваемого по трубопроводу, или каналу, в параллельно установленные теплообменники, экранные трубы, воздухоохладители, химические реакторы или трубопроводные сети.

Разделение двухфазного потока требуется во многих технологических установках, и исторически применяли различные решения: от использования простых симметричных трубопроводных фитингов типа тройников, до более сложных устройств для разделения двухфазных потоков.

Устройства для разделения двухфазного технологического потока можно разбить на шесть общих типов.

Тип 1. Симметричные трубопроводные системы разделения потоков, в которых используют стандартные части трубопроводов типа тройников.

Традиционный способ разделения двухфазного потока заключается в создании симметричных трубопроводных разводок, в которых используют стандартные трубопроводные тройники, и при этом предполагается, что фазы будут разделяться равномерно по каждой из ветвей трубопровода. Пример симметричной трубопроводной системы разделения для разделения двухфазного потока на четыре выходящих потока показан на фиг. 1, на которой изображен трубопровод в изометрии. Двухфазный входящий поток подают по входному трубопроводу 1. По трубопроводу 1 двухфазный поток подводят к первому тройнику 3, где поток делится на два выходящих потока. В показанном примере выше по течению от тройника 3 установлен прямоугольный угольник 2. Благодаря центробежным силам, действующим на жидкость, она имеет тенденцию протекать ближе к стенке с наибольшим радиусом угольника, тогда как пар имеет тенденцию протекать ближе к стенке с малым радиусом скругления. Таким образом, при протекании потока через угольник происходит разделение фаз и неравномерное распределение пара и жидкости по поперечному сечению трубы. Для минимизации негативного влияния на разделение потоков в тройнике 3, вызываемого расположенным выше по течению угольником 2, трубопровод 1 предпочтительно располагать перпендикулярно плоскости, определяемой тройником 3 (как это показано на фиг. 1). Каждый из двух потоков, выходящих из тройника 3, затем тоже делят на два выходящих потока в тройниках 5а и 5Ь. Выше по течению от тройника 5а расположен угольник 4а, а выше по течению от тройника 5Ь расположен угольник 4Ь. Опять-таки, для минимизации негативного влияния на разделение потоков в тройниках 5а и 5Ь, вызываемого разделением фаз в расположенных выше по течению угольниках 4а и 4Ь, трубопровод 7 располагают перпендикулярно двум плоскостям, определяемым тройниками 5а и 5Ь. Благодаря использованию симметричных трубопроводных систем разделения потоков входящий поток, подаваемый в трубопровод 1, таким образом, разделяют на четыре потока продукта, текущих по трубопроводам 6а, 6Ь, 6с и 66.

Использование симметричной трубопроводной системы для разделения потоков является, вероятно, наиболее широко применяемым способом разделения двухфазного входящего потока на два или большее число выходящих потоков. Однако на практике оказывается, что этот способ обладает недостатком, заключающимся в том, что при этом не обеспечивается равномерное распределение жидкости и пара по выходящим потокам, и во многих случаях получается неравномерное соотношение пара и жидкости в выходящих потоках. Основной недостаток способа разделения потоков путем использования симметричной трубопроводной системы с применением стандартных трубопроводных тройников заключается в том, что разделение потока зависит от режима течения потока в трубопроводе выше по течению и что не всегда можно поддерживать желаемый дисперсный режим течения двухфазного потока при всех соответствующих рабочих условиях. Дисперсный режим течения - это режим течения потока в канале или трубе, с равномерным распределением маленьких капель жидкости в непрерывной паровой фазе или маленьких пузырьков пара в непрерывной жидкой фазе (пузырьковый режим течения). Кроме того, разделение потоков путем использования симметричной трубопроводной системы может зависеть, как было указано ранее, от наличия трубопроводной арматуры (фитингов) выше по течению от места разделения потоков. Главное ограничение в применении способа разделения потоков путем использования симметричной трубопроводной системы заключается в том, что расход выходящих потоков должен быть близким к одинаковому для исключения значительной разницы в соотношении пара и жидкости в выходящих потоках. Другим ограничением является то, что двухфазный поток можно разделить только симметрично на 2, 4, 8, 16 и т.д. выходящих потоков. Следовательно, невозможно создать 3, 5, 6, 7, 9 и т.д. выходящих потоков.

Было предложено усовершенствование способа разделения потоков путем использования симметричной трубопроводной системы с применением стандартных трубопроводных тройников, заключавшееся в инжекции химических веществ для уменьшения поверхностного натяжения жидкости выше по течению от места разделения. При пониженном поверхностном натяжении жидкости дисперсные режимы течения достигаются при пониженных скоростях потоков. Следовательно, приемлемое выполнение

- 1 007546 способа разделения потоков путем использования симметричной трубопроводной системы может быть достигнуто в большем диапазоне расходов потоков пара и жидкости. В патенте США № 5190105 приведен пример, в котором в двухфазный поток насыщенного пара и воды инжектируют поверхностноактивное вещество выше по течению от места разделения потока по множеству нагнетательных скважин для обеспечения подачи потока одинакового качества (паровой фракции) в каждой нагнетательной скважине для улучшенной регенерации нефти из нефтяного пласта.

Тип 2. Использование специальных вставок, например лопастей, перегородок или статических смесителей, в трубопроводных тройниках.

Было выполнено несколько попыток усовершенствования процесса разделения двухфазного потока с использованием стандартного трубопроводного тройника путем применения вставок, например, лопастей, перегородок или статических смесителей.

Первый пример приведен в патенте США № 4396063, согласно которому статический смеситель расположен непосредственно перед тройником (выше по течению потока), состоящий из Υ-образного разветвленного патрубка. Для достижения хорошего разделения потоков, при котором соотношение пара и жидкости в каждом выходящем потоке одинаковое, предпочтительным является дисперсный режим течения. При дисперсном режиме потока двухфазная смесь ведет себя более или менее сходно с однофазной жидкостью. Маленькие капли жидкости имеют тенденцию следования с потоком пара приблизительно с той же скоростью, и наоборот. Таким образом, при дисперсном режиме течения потока часто достигается хорошее разделение в трубопроводном тройнике. Использование статического смесителя, расположенного выше по течению от тройника, позволяет образовать поверхности с определенной проекционной площадью, перпендикулярной направлению потока во впускном трубопроводе. Жидкость соударяется с этими поверхностями и в результате этого отделяется от паровой фазы. Таким образом, использование статических смесителей приводит к нарушению желаемого дисперсного режима течения потока, если таковой имеет место, и в результате, происходит разделение жидкости и пара, что нежелательно. Использование статических смесителей приводит к дополнительному падению давления в технологической системе, что может в результате привести к дополнительным производственным затратам изза повышенного потребления энергии при работе насосов и/или компрессоров. Кроме того, статические смесители чувствительны к засорению, вызываемому загрязнением, например, продуктами окалины и коррозии.

Второй пример приведен в патенте США № 4824614. Этот разделитель также содержит статический смеситель 22, расположенный во впускном трубопроводе выше по течению от тройника 14, где входящий поток 30 делят на два выходящих потока 74 и 76. Между статическим смесителем 22 и тройником 14 установлено горизонтальное расслаивающее устройство 24. В расслаивающем устройстве собирается жидкость из шести различных уровней. Жидкость, собранная на самом нижнем и первом уровнях, направляется в выходящий поток 76; жидкость, собранная на втором уровне, направляется в выходящий поток 74; жидкость, собранная на третьем уровне, направляется в выходящий поток 76, и т.д. Как и в случае использования смесителя, описанного в первом примере, в смесителе согласно данному примеру, наблюдается тенденция отделения жидкости от пара, что нежелательно. Использование статического смесителя может также привести к увеличению эксплуатационных расходов, и он также чувствителен к засорению. Расслаивающее устройство, собирающее жидкости, может работать только в том случае, когда пар и жидкость распределены равномерно по поперечному сечению трубопровода, что далеко не всегда бывает в действительности. Были проведены испытания сборки, состоящей из смесителя и расслаивающего устройства, применительно к области разделения двухфазного потока пар-вода, описанные в патенте США № 5810032. Результаты испытаний показали, что лучшее разделение пара и воды было достигнуто при использовании стандартного тройника, в котором происходит удар, чем при использовании сборки смеситель-расслаивающее устройство.

Третий пример приведен в патенте США № 5810032. Были проведены испытания различных типов вставок, которые устанавливали в стандартный трубопроводный тройник, как в лаборатории, где разделяли двухфазный поток воздух-вода, так и на объекте, где разделяли смесь пар-вода, подаваемую в параллельные нагнетательные скважины для улучшенной регенерации нефти из нефтяного пласта. Обследовали три обычных типа трубопроводных вставок: статический смеситель, расположенный выше по течению от тройника; вертикальную стенку для разделения потока, расположенную выше по течению от стандартного тройника; и ограничители потока или сопла, в двух выпускных ответвлениях стандартного тройника. Обследовали также комбинации этих трех типов вставок. Заключение было таково: статический смеситель и вертикальная разделительная стенка только вносили минимальные улучшения в процесс разделения. Утверждается, что использование ограничителей потока, или сопел, в двух выпускных ответвлениях обеспечивало некоторое улучшение процесса разделения при создававшихся во время испытаний режимах течения. Однако не вполне понятно, какова была ведущая сила при равномерном распределении по соплам и выпускным ответвлениям тройника в случае неравномерного распределения жидкости и пара по поперечному сечению впускного трубопровода. Никакие лабораторные испытания потока не проводили при дисперсионном, или пузырьковом, режиме течения (капельки жидкости в непрерывной газовой фазе или газовые пузырьки в непрерывной жидкой фазе); оценивавшимися режимами

- 2 007546 течения в лабораторных испытаниях были: расслоенный, волнообразный расслоенный, снарядный и кольцевой режимы течения потока, как прогнозировали, используя карту режимов двухфазного потока, разработанную Бейкером О. («Расчет трубопроводной системы для двухфазного потока», Переработка углеводорода, октябрь 1969г., стр. 105-116). Это, вероятно, было причиной того, что было установлено, что разделение путем использования стандартного тройника с применением или без применения вставок протекает лучше при низких скоростях потока и малых размерах частиц жидкости. Предпочтительные высокоскоростные режимы течения, дисперсный и в пузырьковый режимы течения, не испытывали вообще. Если бы испытания проводили при дисперсном режиме и пузырьковом режимах течения, то заключение было бы, вероятнее всего, иным.

Вместо использования специальных вставок в стандартные трубопроводные тройники было предложено применять существенно усовершенствованные тройники. Примеры усовершенствованных трубопроводных тройников приведены в японском патенте № 62059397А2 и в патентах США № 4528919 и № 4512368.

Тип 3. Устройства, основанные на поддержании определенного режима течения, который устанавливается выше по течению от места разделения потока.

Прогнозирование режимов течения в промышленных установках осложнено из-за недостаточной точности карт режимов течения двухфазных потоков. Большая часть карт режимов течения просто основана на данных о двухфазном режиме течения потока воздух-вода в трубопроводах малого диаметра (меньше 2 дюймов /50,8 мм/). Таким образом, например, в системе углеводород-водород при повышенных давлениях и температурах, как и в гидроустановке, карты режимов течения могут быть неточными.

В дополнение к неопределенности карт режимов течения имеет место неопределенность термодинамических моделей для прогнозирования количественных и качественных характеристик жидкости и пара. Эта неопределенность может быть значительной, например, для сложных углеводородных систем, где углеводороды характеризуются тем, что при этом используются псевдокомпоненты, и где для прогнозирования степени испарения и свойств жидкости используют уравнение состояния.

Кроме того, трубопроводные сети в производственных предприятиях часто являются сложными системами, содержащими трубопроводную арматуру, например, расширители, сужающие устройства, угольники, обратные клапаны и т. п. Каждый раз, когда двухфазный поток проходит через такую трубопроводную арматуру, обычный режим течения нарушается, и может требоваться прямолинейный участок трубопровода большой длины для восстановления обычного режима течения. Например, как уже было упомянуто ранее, при проходе потока через угольник наблюдается тенденция к разделению фаз: плотная жидкая фаза протекает вблизи стенки угольника с большим радиусом, а легкая паровая фаза проходит вблизи стенки угольника с малым радиусом.

По этим трем причинам обычно невозможно точно прогнозировать реальный режим течения в трубопроводе или канале. Кроме того, из-за колебаний рабочих условий, например температуры, давления, расхода и химического состава жидкости, обычно невозможно поддерживать постоянный режим течения при всех соответствующих рабочих условиях производственной установки. Несмотря на это большое количество устройств для разделения двухфазных потоков предназначено для работы только при одном режиме течения.

Первый пример такого устройства для разделения двухфазного потока приведен в патенте США № 4516986. Разделитель состоит из внутренней трубы 12, размещенной в магистральной трубе 10. В кольцевом пространстве между внутренней и магистральной трубами расположена перегородка 13. Предполагаемый режим течения в магистральной трубе является кольцевым режимом течения двухфазного потока, где жидкость протекает в кольцевых пространствах вблизи стенки трубы, а пар протекает с большой скоростью в центральной части трубы. Устройство предназначено для сбора части жидкости, протекающей вблизи стенки трубы, в объеме 14 у закрытого конца. Из объема 14 у закрытого конца жидкость направляется по внешнему трубопроводу 15 через регулирующий клапан 23. Пар из кольцевого объема 30 для пара направляется ниже по течению от перегородки 13, и его пропускают через трубопроводное ответвление 11, где его соединяют с жидкостью, выходящей из регулирующего клапана. Расходомер 20, установленный на трубопроводном ответвлении 11, по которому проходит двухфазный поток, используют для регулирования потока жидкости. Не сказано, как расходомером можно точно измерять соотношение пара и жидкости. Для измерения соотношения пара и жидкости, очевидно, требовались бы отдельные измерения потоков пара и жидкости. При других режимах течения двухфазного потока, отличных от кольцевого режима, например снарядного режима, разделяющая способность устройства может быть недостаточной. Даже если кольцевой поток является доминирующим режимом потока в магистральном трубопроводе 10, любые трубопроводные фитинги, например, угольники, установленные выше по течению от разделительного устройства, будут нарушать поток. Следовательно, выше по течению от разделительного устройства необходим прямолинейный участок трубопровода определенной длины, который может занимать дополнительное пространство в технологической установке. Кроме того, могут иметь место ограничения диапазона пропускной способности. Когда общий расход снижается ниже проектного значения, то падение давления на перегородке 13 быстро уменьшается, и то же самое происходит с возможным падением давления на участке регулирующего клапана 23. В определенный

- 3 007546 момент регулирующий клапан полностью открывается, и с его помощью больше невозможно регулировать поток жидкости. Из-за введения измерительной аппаратуры и регулирующих клапанов система перестает быть простой и надежной, как другие устройства для разделения двухфазного потока, и падение давления на участке разделительного устройства повышается. При более существенных падениях давления обычно повышается стоимость процесса нагнетания и/или сжатия в производственной установке. В патенте описан способ создания двух выходящих потоков. Если требуется три или большее число выходящих потоков, то, наиболее вероятно, должно быть установлено последовательно два или большее число разделительных устройств. Если требуется много выходящих потоков, то разделительная система становится достаточно сложной, и возникающее падение давления может стать чрезмерным.

Второй пример приведен в патенте США № 4800921, где горизонтальный коллектор 16 оборудован выходящими ответвлениями 14а, 14Ь, 14с и т.д., и где выходящее ответвление, находящееся выше по течению, расположено на большей высоте, а высота расположения каждого выходящего ответвления ниже по течению последовательно уменьшается. Идея заключается в том, что, если в коллекторе имеет место кольцевой режим течения, то расположение на различных уровнях по высоте выходящих ответвлений должно обеспечивать условия, при которых толщина кольцевого пространства, занимаемого жидкостью, приблизительно одинаковая в точке каждого выходящего ответвления. Предполагается, что таким образом обеспечивается близкое к одинаковому соотношение пара и жидкости в каждом ответвленном потоке. Как уже было упомянуто ранее, сложно прогнозировать и поддерживать определенный режим течения при всех соответствующих рабочих условиях. Кроме того, даже если в магистральном трубопроводе можно поддерживать кольцевой режим течения, то следует ожидать, что соотношение пара и жидкости должно быть функцией общего расхода в каждом ответвлении. Чем больший расход в ответвлении, тем большее количество пара будет засасываться в трубу, и, таким образом, будет более высокое соотношение пара и жидкости. Если режим течения во время определенных условий работы трубопровода отличается от ожидаемого, например имеет место расслоенный режим течения, то в результате, происходят серьезные нарушения распределения фаз в выходящих ответвлениях.

Третий пример приведен в патенте США № 4574837, в котором указано, что принято как известное определенное распределение фаз в горизонтальном магистральном трубопроводе 10. В магистральном трубопроводе выполнены отверстия, расположенные на различных уровнях по высоте, для обеспечения возможности прохода жидкости сначала в кольцевую камеру 12, а затем дальше в ответвление 13 трубопровода. Соотношение пара и жидкости в потоке в ответвлениях трубопровода устанавливают путем соответствующего подбора площадей отверстий, расположенных в верхней и нижней частях магистрального трубопровода 10, соответственно. Чем больше площадь поперечного сечения потока в верхней части магистрального трубопровода относительно площади поперечного сечения потока в нижней его части, тем более высокое соотношение пара и жидкости достигали в ответвлении трубопровода. Устройство будет работать только при расслоенном режиме потока и волнообразном расслоенном режиме потока. Кроме того, устройство будет генерировать разделенный поток с желаемым соотношением пара и жидкости только тогда, когда уровень жидкости в магистральном трубопроводе будет таким, который был предусмотрен. Следовательно, устройство будет работать только при низких скоростях потока и при фиксированных соотношении и свойствах пара и жидкости. Большая часть случаев коммерческих применений отличается высокими скоростями потоков и значительными колебаниями соотношений и свойств пара и жидкости.

Другие примеры устройств для разделения потока, основанные на определенном режиме потока, который должен быть создан выше по течению от места разделения, приведены в патентах США № 4574827 и № 5437299.

Тип 4. Устройства, в которых используют центробежные силы.

В патенте США № 5059226 описано центробежное устройство для разделения двухфазного потока. Центробежное устройство для разделения двухфазного потока содержит впускное отверстие 28 для жидкости, расположенное так, чтобы жидкость входила в вихревую камеру 23 по касательной. В нижней части вихревой камеры расположена центральная ступица 38 и лопасти 39, посредством которых направляют пар и жидкость, движущиеся вихреобразно, к выпускным отверстиям 36 и в выпускные каналы 37. Не просто понять, каков характер движущих сил для распределения жидкой фазы. Отверстие для ввода жидкости несимметричное, так как предусмотрено только одно входное отверстие 28 с одной стороны устройства. Жидкость движется вихреобразно вдоль внутренней стенки вихревой камеры, но благодаря асимметричности конструкции равномерный поток и толщина слоя жидкости-пленки не ожидаются. В результате, ожидается, что некоторые из лопастей 39 могут собирать больше жидкости, чем другие, что приводит к худшему, чем оптимальное, распределению жидкости в выпускных каналах 37.

Тип 5. Устройства, в которых используют источник внешней энергии для генерирования дисперсного потока.

Пример такого устройства описан в Европейском патенте № 0003202 В1. Двигатель 32 и вращаемую мешалку на валу 28 используют для рассеивания смеси пара и жидкости выше по течению от места разделения потока, где входящий поток разделяют по выпускным каналам 4а, 4Ь и 4с. Устройство, вероятно, может работать, так как дисперсный режим течения двухфазного потока может генерироваться пу

- 4 007546 тем добавления вращательного движения валу 28 независимо от колебаний расходов и свойств жидкости. Основная проблема устройства этого типа заключается в обеспечении хорошего уплотнения между валом 28 и трубой-изгибом 21, что является не простой задачей (не очень дешевая конструкция) при применении в системах с высоким давлением, например, в системе гидрокрекинга (давление до 300 бар). Кроме того, первоначальная стоимость, стоимость технического обслуживания оборудования с вращательным движением и стоимость энергии, потребляемой двигателем, высоки.

Тип 6. Устройства, посредством которых сначала отделяют пар от жидкости во входящем потоке, а затем распределяют каждую фазу при направлении в выходящие потоки.

Первый пример устройства для разделения двухфазного входящего потока на три выходящих потока путем использования обычного сепаратора пара и жидкости и обычных измерительных приборов представлен на фиг. 2. Двухфазный входящий поток пропускают по трубопроводу 11 к сепаратору 10, где жидкую фазу 13 отделяют от паровой фазы 12. Паровую фазу пропускают через выпускной трубопровод 14 для пара к параллельным регулирующим клапанам 15а, 15Ь и 15с. Положение, или подъем, регулирующих клапанов регулируют посредством регуляторов потока 16а, 16Ь и 16с для получения желаемого расхода пара, проходящего через каждый из регулирующих клапанов. Измерение потоков производят путем использования каких-либо обычных способов, например, измерительных диафрагм или трубок Вентури в комбинации с приборами для измерения перепада давлений. Регуляторы потока устанавливают в виде каскада с регулятором давления 17. Регулятором давления изменяют установочные величины потоков к регуляторам потоков 16а, 16Ь, 16с для поддержания желаемого давления в сепараторе 10. Жидкую фазу 13 пропускают через выпускной трубопровод 18 для жидкости и направляют к параллельным регулирующим клапанам 19а, 19Ь и 19с. Положение, или подъем, регулирующих клапанов регулируют посредством регуляторов потока 20а, 20Ь и 20с для получения желаемого расхода жидкости, проходящей через каждый регулирующий клапан. Измерения потоков производят путем использования каких-либо обычных способов, например, измерительных диафрагм в комбинации с приборами для измерения перепада давлений. Регуляторы потока устанавливают в виде каскада в комбинации с регулятором уровня 21. Регулятором уровня изменяют установочные значения потока, поступающего к регуляторам потока 19а, 19Ь и 19с для поддержания желаемого уровня жидкости в сепараторе 10. Окончательно потоки пара, идущие от клапанов 15а, 15Ь и 15с, соединяют с потоками жидкости, идущими от клапанов 19а, 19Ь и 19с, для образования трех двухфазных выходящих потоков 22, 23 и 24.

Приборное обеспечение в установке для разделения двухфазного потока, показанной на фиг. 2, является достаточно громоздким, и так как сложность и число компонентов, например, приборов для измерения перепада давлений, регулирующих клапанов и регуляторов, повышенное, риск нарушения процесса и сбоев в работе также повышен. Некоторые расположенные ниже по потоку системы во время таких нарушений процесса или сбоев в работе системы управления могут быть повреждены, если соотношение пара и жидкости слишком большое или слишком маленькое. Примерами могут служить риск разрыва трубы или образование отложений накипи в экранной трубе из-за перегрева трубы в случае резкого повышения соотношения пара и жидкости в потоке, протекающем по трубе. Другой пример - это риск быстрого образования отложений накипи в параллельных каталитических реакторах, в которых обработку ведут с применением воды, если реактор действует при слишком низком соотношении пара и жидкости, в результате чего возникает недостаток водорода даже в течение короткого периода времени. Кроме того, сложность системы управления и большой размер резервуара сепаратора 10 приводит к высокой стоимости устройства для разделения.

Второй пример приведен в патенте США № 4293025. Это устройство для разделения двухфазного потока содержит резервуар сепаратора 10, содержащий впускной патрубок 11 для подачи двухфазного потока. Под впускным патрубком расположен отбойник 14 для гашения высокой скорости входящего потока. В сепараторе установлено две или большее число вытяжных труб 12. Верхние концы вытяжных труб открыты для предоставления возможности входа пара в вытяжную трубу. В вытяжных трубах выполнены отверстия 13 для входа жидкости в вытяжные трубы. Отверстия вытяжных труб накрыты крышками 16 для предотвращения прямого захода жидкости сверху в вытяжные трубы. Поток жидкости, заходящий в каждую вытяжную трубу, определяется напором жидкости выше отверстий 13 и площадью сечения отверстий. При данном уровне жидкости в резервуаре поток жидкости, поступающий в каждую вытяжную трубу, является почти постоянным. Следовательно, при использовании такого устройства для разделения двухфазного потока, в котором напор жидкости является приводной силой для распределения жидкости по параллельным выходящим потокам, обеспечивают скорее постоянный поток жидкости в каждом выходящем потоке, чем постоянное соотношение пара и жидкости. Другим недостатком устройств для разделения потока, в которых напор жидкости является приводной силой для распределения, является ограниченный диапазон возможного расхода потока жидкости. Площадь отверстий 13 должна быть выбрана таким образом, чтобы уровень жидкости находился в промежуточном положении при проектном расходе жидкости. Если расход потока жидкости составляет, скажем, на 50% больше проектного во время некоторых режимов работы установки, то уровень жидкости будет располагаться приблизительно в 2,25 раза выше проектного уровня жидкости, и жидкость может, таким образом, захлестывать вытяжные трубы, в результате чего будет иметь место неправильное распределение жидкости в выходя

- 5 007546 щих потоках. Если расход потока жидкости будет, скажем, на 50% ниже проектного расхода потока жидкости, то уровень жидкости будет составлять только около 25% предполагавшегося уровня жидкости. При низком уровне жидкости распределение жидкости может быть плохим из-за большой чувствительности к волнам, из-за неровной установки и других отклонений при изготовлении. Возможный диапазон пропускной способности разделяющего устройства может быть расширен путем выполнения отверстий, расположенных на большем числе уровней по высоте. Однако, если отверстия выполнены на большем числе уровней, то распределение жидкости на проектной точке снижается по сравнению с распределением, осуществляемым посредством разделительного устройства с отверстиями, расположенными только на одном уровне.

Другие примеры разделительных устройств, в которых уровень жидкости является приводной силой для равномерного распределения жидкости по каждому из выходящих потоков, приведены в патенте США № 4662391 и японских патентах № 03113251 А2, № 02197768 А2.

Третий пример устройств для разделения потока, в которых осуществляют разделение жидкой и паровой фаз, приведен в патенте США № 5250104. Двухфазную смесь, протекающую по трубопроводу 14, разделяют в сепараторе 12. Паровую фазу разделяют на два потока в тройнике 20. Каждый из двух потоков пара пропускают через отверстие 22 и 24. Жидкость собирают в отстойнике 30 и пропускают через два параллельных трубопровода 32 и 34 для жидкости. Падение давления потока пара (ΔΡ_ν) при проходе через отверстие почти пропорционально квадрату скорости пара в объемном измерении. Падение давления потока жидкости (АР_Ъ) при проходе по трубопроводам 32 и 34 для жидкости состоит из статической составляющей (АР_ЗЬ), возникающей из-за разницы по высоте уровня жидкости в отстойнике 30 и концов 40 и 42 трубок для жидкости, и из фрикционной составляющей (АР_РЪ). Падение давления АР|.-|. почти пропорционально квадрату расхода жидкости в объемном измерении. Так как пути пара и жидкости через разделительное устройство являются параллельными, то падение давления должно быть одинаковым:

ΑΡ- ΑΡ., ·ΑΡ.. (1)

Площадь отверстий для прохода потока пара и площадь поперечного сечения трубы для прохода жидкости выбирают из расчета пропуска определенного количества пара Ο_ν и определенного количества жидкости р_ъ. Теперь, если, например, реальный расход пара на 50% больше во время некоторых рабочих режимов, то ΑΡ_ν будет на 125% больше предполагавшегося. Так как поток жидкости неизменный, то ΑΡ_Η, также неизменно. Для выполнения уравнения (1) ΑΡ₃|,. таким образом, должно быть увеличено на 1,25χΑΡ_ν. Результат состоит в том, что уровень жидкости в отстойнике 30 требуется значительно снизить, и в некоторой точке уровень жидкости в отстойнике исчезнет, а пар и жидкость вместе будут входить в трубопроводы 32 и 34. В таком случае будет наблюдаться плохое распределение жидкости по параллельным трубопроводам 32 и 34. С другой стороны, если поток пара будет, скажем, на 50% меньше проектного потока пара во время некоторых рабочих режимов, то ΑΡ_ν будет на 75% меньше предполагавшегося. В этом случае уровень жидкости в отстойнике 30 значительно поднимется и захлестнет отстойник, вызывая поток жидкости к отверстиям 22 и 24 и плохое распределение. Разделительное устройство будет работать правильно только при расходе пара и жидкости, на который он был рассчитан. Возможный диапазон расхода жидкости и пара через разделительное устройство незначителен в большинстве случаев промышленных применений, которые обычно характеризуются существенными колебаниями по расходу как пара, так и жидкости, и колебаниями свойств жидкости и пара, например плотности, вязкости и поверхностного натяжения.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для разделения двухфазного входящего потока на два или большее число выходящих потоков. Устройство может быть выполнено таким образом, чтобы поддерживать близкое к одинаковому соотношение пара и жидкости в каждом из выходящих потоков.

Один вариант выполнения разделителя согласно изобретению показан на фиг. 3А, 3В и 3С. Входящий поток подают через впускной патрубок в резервуар сепаратора. Под отверстием впускного патрубка в резервуаре расположен отбойник для гашения высокой скорости входящего потока и для направления потока к внутренним стенкам сепаратора, где жидкость соударяется с ними и отделяется от паровой фазы. В резервуаре сепаратора происходит разделение жидкой и паровой фазы.

Внутри сепаратора расположено два вертикальных вытяжных канала. Эти вытяжные каналы сообщены с двумя выпускными патрубками, через которые выводят выходящие потоки из сепаратора. Нижние концы вытяжных каналов погружены в жидкую фазу. Вытяжные каналы снабжены отверстиями в боковых стенках. Пар проходит через отверстия, расположенные выше уровня жидкости в сепараторе. При проходе пара через эти отверстия происходит падение давления вдоль стенки вытяжного канала. Благодаря этому жидкость поднимается по вытяжному каналу. Жидкость смешивается с паром внутри вытяжного канала, и двухфазная смесь проходит вверх по каналу и покидает сепаратор и разделитель двухфазного потока через выпускные патрубки.

Уровень жидкости в сепараторе в основном определяется расходом пара, поступающего в резервуар. При малых расходах пара уровень жидкости высокий, а при больших расходах пара уровень жидко

- 6 007546 сти низкий. На уровень жидкости почти не оказывает влияния расход жидкости.

В отличие от аналогов, как было отмечено выше, изобретение обладает следующими преимуществами.

A) Разделитель согласно настоящему изобретению может быть выполнен таким образом, чтобы с его помощью можно было поддерживать близкое к одинаковому соотношение пара и жидкости в выходящих потоках. В альтернативном варианте выполнения разделитель может быть выполнен таким образом, чтобы с его помощью можно было поддерживать определенные и различные соотношения пара и жидкости в выходящих потоках.

B) Разделитель согласно настоящему изобретению может быть выполнен для обеспечения любого соотношения при разделении потоков. Изобретение также применимо, если реальное соотношение при разделении потоков во время определенных рабочих периодов отличается от соотношения при разделении, на которое разделитель был рассчитан.

C) Разделитель согласно настоящему изобретению может одинаково хорошо функционировать при всех режимах течения потоков во впускном трубопроводе.

Ό) Разделитель согласно настоящему изобретению не чувствителен к схеме расположения трубопроводной сети выше по течению или ниже по течению. Например, на его действие не оказывает влияния наличие трубопроводной арматуры, например угольников или клапанов выше по течению от разделителя.

Е) Путем использования разделителя согласно настоящему изобретению можно образовать любое количество выходящих потоков. Хотя при применении симметричных трубопроводных разделителей, в которых используют тройники с соударением, можно создавать только 2, 4, 8 и т.д. выходящих потоков, согласно настоящему изобретению, можно также создавать 3, 5, 6, 7, 9 и т.д. выходящих потоков.

Е) Разделитель согласно настоящему изобретению представляет собой простую и надежную конструкцию. Он не содержит измерительной аппаратуры и подвижных частей. Он требует только незначительного технического ухода и не требует внимания обслуживающего персонала предприятия.

О) Разделитель согласно настоящему изобретению представляет собой открытую систему, не восприимчивую к загрязнению. Использование разделителя в производственной установке, таким образом, не оказывает влияния на подходы для обеспечения защиты от превышения давления. В установках, в которых используют жидкость, оборудование, расположенное выше по течению от разделителя, может быть, таким образом, защищено от превышения давления посредством предохранительных клапанов, расположенных ниже по течению от разделителя.

H) Падение давления на участке разделителя является небольшим (~ 0,05 бар при проектных условиях), независимо от величины возможного падения давления в системе, расположенной ниже по течению.

I) Разделитель согласно настоящему изобретению представляет собой компактное и экономически эффективное устройство.

Сущность изобретения поясняется на чертежах.

На фиг. 1 изображен аналог (вид в изометрии), представляющий собой трубопроводную сеть, в которой используют симметричную трубопроводную систему разделения. В изображенном примере симметричной трубопроводной системы разделения входящий поток делят на четыре выходящих потока путем использования трех стандартных трубопроводных тройников.

На фиг. 2 также представлен аналог, и он представляет собой технологическую схему потоков сепаратора пара и жидкости с приборным обеспечением, используемым для разделения входящего потока на три выходящих потока.

На фиг. 3А, 3В и 3С представлен один вариант выполнения настоящего изобретения.

На фиг. 3 А - фронтальный разрез А-А варианта выполнения.

На фиг. 3В - поперечный вертикальный разрез В-В варианта выполнения.

На фиг. 3С - разрез С-С варианта выполнения.

На фиг. 4 изображена принципиальная схема, на которой представлен первый пример применения разделителя согласно настоящему изобретению. Разделитель используют для разделения двухфазного потока на три параллельных системы, состоящие из теплообменников, измерительной аппаратуры и экранных труб.

На фиг. 5 изображена принципиальная схема, на которой представлен второй пример применения разделителя согласно настоящему изобретению. Разделитель используют для разделения двухфазного потока на два, раздаваемых по двум параллельным химическим реакторам со слоем насадки и струйным течением жидкости.

На фиг. 6А, 6В и 6С изображен дополнительный вариант выполнения настоящего изобретения, где показаны альтернативные конструкции вытяжных каналов.

На фиг. 6А - поперечное сечение А-А варианта выполнения.

На фиг. 6В - фронтальный разрез В-В.

На фиг. 6С - вертикальный разрез С-С.

На фиг. 7А и 7В - еще один вариант выполнения настоящего изобретения, где разделитель выполнен в виде составной части химического реактора.

- 7 007546

На фиг. 7А изображен вертикальный поперечный разрез нижней части химического реактора.

На фиг. 7В - горизонтальный разрез А-А вытяжного канала, изображенного на фиг. 7А.

На фиг. 8 представлен один вариант выполнения настоящего изобретения, где разделитель выполнен в виде составной части теплообменника, состоящего из оболочки и трубопровода.

На фиг. 8 изображен фронтальный разрез теплообменника и разделителя.

Альтернативные варианты выполнения настоящего изобретения включают конструкции (но не ограничены ими), изображенные на чертежах.

Разделение двухфазного потока на два или большее число выходящих потоков с одинаковым соотношением пара и жидкости в каждом выходящем потоке требуется производить выше по течению во многих типах промышленного технологического оборудования. Примерами могут служить следующие решения.

В технологических печах экранные трубы очень часто используют для подачи рабочей жидкости для исключения применения экранной трубы чрезмерно большого диаметра либо/и для обеспечения экономически эффективной конструкции печи. Следовательно, требуется разделять питающий поток при подаче его в параллельные экранные трубы, расположенные выше по течению от печи.

В современных производственных предприятиях часто используют параллельные цепочки теплообменников, например цепочки теплообменников в виде оболочки и труб. Это делают либо для исключения необходимости применения комплекта труб чрезмерно большого диаметра, либо/и для оптимизации процесса накопления тепла на предприятии.

Комплекты труб воздухоохладителей очень часто располагают параллельно из-за ограничений, накладываемых на размеры комплекта труб, и из-за плохого распределения жидкостей по параллельно расположенным трубам воздухоохладителя в случае чрезмерной длины впускного коллектора.

Химические реакторы, например химические реакторы со слоем насадки и струйным течением жидкости, могут быть задействованы как параллельные установки. В установках, работающих под высоким давлением, это может быть сделано для уменьшения диаметра реактора и, следовательно, для снижения общей стоимости реактора. При реконструкции промышленных предприятий, когда требуется значительное увеличение каталитического объема существующей линии, часто очень привлекательным с экономической точки зрения является решение, заключающееся в добавлении нового химического реактора, присоединяемого скорее параллельно, чем последовательно, к существующему реактору. Причина заключается в том, что, если новый реактор соединяют последовательно с существующим реактором, то общее падение давления в реакторах значительно увеличивается. А это может приводить к необходимости дорогостоящей замены или модернизации насосов и/или компрессоров. С другой стороны, если новый химический реактор присоединяют параллельно, то падение давления может быть в действительности уменьшено, что может позволить работать на линии с более высокой производительностью даже при тех же самых насосах и компрессорах.

Практика показала, что при попытках разделения двухфазного потока во многих случаях терпели неудачу в направлении создания выходящих потоков с одинаковым соотношением пара и жидкости. Ниже приведены примеры последствий неравных соотношений пара и жидкости в выходящих потоках.

При эксплуатации печей

Экранные трубы, в которые подают потоки с большим соотношением пара и жидкости, нагреваются сильнее, чем экранные трубы, в которые подают поток с невысоким соотношением пара и жидкости, из-за меньшей теплоемкости пара по сравнению с жидкостью. Следовательно, максимальная допустимая температура металла трубы может быть достигнута даже при нагреве печи ниже температуры, на которую она рассчитана. Печь, таким образом, может не передавать то количество тепла, на передачу которого она была изначально рассчитана. Последствием этого может быть более низкая производительность производственной установки. В углеводородном производстве более высокая температура металла труб приводит к увеличению образования нагара на стенках труб. Результатом может быть преждевременный выход из строя установки, так как требуется удаление нагара в экранных трубах. Наконец, если пар и жидкость распределяются по параллельным экранным трубам посредством автоматической системы управления, например, посредством клапанов регулирования потока, то, в случае выхода из строя системы регулирования в одну или большее число экранных труб, может внезапно прекратиться какая-либо подача жидкости вообще. Последствия могут заключаться в перегреве и разрыве экранной трубы.

При эксплуатации теплообменников и воздухоохладителей

При эксплуатации соединенных параллельно теплообменников и воздухоохладителей общая тепловая передача существенно снижается в случае неравномерного соотношения пара и жидкости. Особенно в критических случаях применения, когда температуры холодного и горячего потоков близки друг к другу. Например, в случае, когда система, отдающая тепло, состоит из двух параллельных теплообменников А и В, и в теплообменник А подают поток с высоким соотношением пара и жидкости, тогда как в теплообменник В подают поток с низким соотношением пара и жидкости. Перепад температур ΔΤ, обуславливающий теплоотдачу, в теплообменнике А ниже из-за меньшей тепловой способности этого потока. Передаваемое тепло в теплообменнике А, таким образом, меньше. В теплообменнике В перепад температур

- 8 007546

ΔΤ, обуславливающий теплоотдачу, выше из-за большей тепловой способности этого потока. Передаваемое тепло в теплообменнике А, таким образом, больше. Однако увеличенная теплопередача в теплообменнике В недостаточно высока для компенсации низкой теплопередачи в теплообменнике А. Общим результатом является значительное снижение суммарной передачи тепла в теплообменниках. Последствием более низкой, чем ожидалось, передачи тепла в теплообменниках может быть более низкая производительность технологической установки, что может иметь плохие экономические показатели.

В некоторых случаях неравномерное распределение жидкости по параллельно соединенным теплообменникам может также привести к выходу из строя, забиванию и/или коррозии. Один пример - это параллельно соединенные теплообменники, в которых производят испарение жидкости. Обычно производственные предприятия проектируют таким образом, чтобы исключить полное испарение жидкости в теплообменнике. Другими словами, исключается возможность прохождения через «точку окончания кипения». Причина заключается в том, что всегда в рабочих телах содержатся загрязнения, которые не испаряются. Если «точка окончания кипения» происходит в некотором месте в теплообменнике, то эти загрязнения оседают на поверхностях, передающих тепло, так как жидкость, в которой они были исходно растворены или диспергированы, при этом исчезает. Если в один из параллельных теплообменников поступает значительно меньшее количество жидкости, чем предполагалось, то «точка окончания кипения» может возникнуть в этом теплообменнике даже если она не была предусмотрена в проекте установки. Результатом могут быть очень плохие последствия и/или проблемы забивания в этом теплообменнике, после чего следует низкая теплопередача и потребность в преждевременном останове установки для чистки теплообменников.

Другой пример - комплекты труб промышленного воздухоохладителя в установке, в которой используют технологическую жидкость. Когда стоки реактора охлаждают, аммиачные соли, например, ΝΗ₄Ο1 и ΝΗ₄Ηδ, осаждаются и могут вызывать сильную коррозию и проблемы забивания. Поэтому добавляют промывочную воду для растворения этих солей. Однако практика показала, что разделение рабочего потока, включающего промывочную воду, подаваемого в параллельные комплекты труб воздухоохладителя, приводит к плохому распределению промывочной воды и проблемам коррозии и забивания в комплектах труб, в которые поступает небольшое количество промывочной воды, или вода вообще не поступает.

При эксплуатации химических реакторов

При эксплуатации параллельно соединенных химических реакторов, например, реакторов со слоем насадки и струйным течением жидкости в установке, в которой используют воду, достижение одинакового соотношения пара и жидкости на входе каждого реактора имеет очень большое значение. В реакторах, в которых используют воду, например, в реакторах для гидрокрекинга или гидроочистки, в которых осуществляют реакцию углеводородных компонентов с водородом в присутствии твердого катализатора, подача потока с низким соотношением пара и жидкости в реактор приводит к более низкому парциальному давлению водорода в реакторе, что может опять-таки приводить к снижению скорости реакции, большим наростам нагара и деактивации катализатора. Даже кратковременные периоды работы реактора при очень низком соотношении пара и жидкости во входящем потоке могут приводить к серьезным повреждениям дорогостоящей массы частиц катализатора в реакторе.

Разделитель согласно настоящему изобретению может быть выполнен с возможностью обеспечения любого требуемого соотношения при разделении. Отношение при разделении определяется как общая масса выходящего потока, деленная на общую массу входящего потока. Например, применяя изобретение, можно осуществлять количественное разделение с соотношением 50%/50%, но также можно осуществлять количественное разделение с соотношением 5%/95%. Так как двухфазный разделитель является открытой системой, не содержащей каких-либо регулирующих клапанов, при проходе через которую происходит малое суммарное падение давления, то соотношение при разделении определяется не самим двухфазным разделителем, а гидравлической пропускной способностью расположенных ниже по потоку систем. При правильном проектировании с помощью разделителя можно обеспечить близкое к одинаковому соотношение пара и жидкости в каждом из выходящих потоков, даже если соотношение при разделении отклоняется от соотношения, на которое разделитель двухфазного потока был рассчитан. Причина этого явления пояснена ниже.

Предположим, что разделитель потока рассчитан на разделение двухфазного входящего потока на два выходящих потока с количественным соотношением 30%/70% в вытяжных каналах А и В, соответственно. В таком разделителе в двух вытяжных каналах будут отверстия различного размера, и площади поперечного сечения двух вытяжных каналов будут различными. При этом во время некоторых рабочих режимов количественное соотношение при разделении может быть, очевидно, 40%/60% вместо 30%/70%, на которое разделитель потока был рассчитан. В этом случае через отверстия в боковой стенке вытяжного канала А будет проходить больше пара, чем предполагалось в исходных условиях. В результате этого падение давления на участке между наружной и внутренней областями вытяжного канала А будет, таким образом, более значительным. Следовательно, больше жидкости будет подниматься по вытяжному каналу. А через отверстия в боковой стенке вытяжного канала В будет проходить меньше пара, чем первоначально предполагалось, из-за меньшего соотношения при разделении в этом вытяжном канале.

- 9 007546

Падение давления на участке между наружной и внутренней областями вытяжного канала В будет, таким образом, меньшим. Следовательно, меньше жидкости будет подниматься по вытяжному каналу. Таким образом, конструкция устройства позволяет компенсировать различие в соотношении при разделении.

Если соотношение при разделении для данного вытяжного канала во время определенных режимов работы больше, чем предполагалось, то более сильный поток пара будет в результате в более сильном потоке жидкости. Аналогично, если соотношение при разделении для данного вытяжного канала меньше, чем предполагалось, то меньший поток пара будет в результате в меньшем потоке жидкости. Результат состоит в том, что на соотношение пара и жидкости в выпускном патрубке измененное соотношение при разделении оказывает влияние только в малой степени.

Первый пример возможности поддержания с помощью разделителя одинакового соотношения пара и жидкости в выходящих потоках проиллюстрирован на фиг. 4, где изображена принципиальная схема технологического процесса, в котором используют параллельно соединенные теплообменники, измерительные приборы и экранные трубы. Холодный двухфазный питающий поток 50 требуется нагреть с помощью теплообменника горячими потоками 58 и 65 и путем использования печи 61. Холодный поток 50 сначала делят на три потока 52, 53 и 54 путем использования разделителя 51 согласно настоящему изобретению. Выходящий поток 52 пропускают через цепочку устройств А, состоящую из внетрубных зон теплообменников 55а, 55Ь, 55с и 554, включающих оболочки и трубы теплообменников, и трубный прогон 67 печи 61. Выходящий поток 53 пропускают через цепочку устройств В, состоящую из внетрубных зон теплообменников 56а, 56Ь, 56с и 564, включающих оболочки и трубы теплообменников, и трубный прогон 68 печи 61. Выходящий поток 54 пропускают через цепочку устройств С, состоящую из внетрубных зон теплообменников 57а, 57Ь, 57с и 574, включающих оболочки и трубы теплообменников, и регулирующий клапан 69. Выходящие потоки 62, 63 и 60 из цепочек устройств А, В и С, соответственно, собирают в поток продукта 64. Проектные расходы и характеристики пара и жидкости разделителя 51 приведены в табл. 1.

Таблица 1. Проектные расходы и характеристики пара и жидкости разделителя 51 (см. фиг. 4)

	Проектные параметры
Расход пара, м³/ч	1400
Плотность пара, кг/м³	9,5
Вязкость пара, сП	0,018
Расход жидкости, м³/ч	260
Плотность жидкости, кг/м³	765
Вязкость жидкости, сП	0,36
Поверхностное натяжение жидкости, дин/см	14,7

Разделитель 51 изготовлен из расчета на количественное соотношение при разделении 40%/40%/20% по цепочкам устройств А, В и С, соответственно. При этом задачей было обеспечение одинакового соотношения пара и жидкости в каждом из выходящих потоков 52, 53 и 54. Когда действительное количественное соотношение при разделении соответствовало проектному соотношению 40%/40%/20%, соотношение пара и жидкости в трех выходящих потоках 52, 53 и 54 было близким к одинаковому. Однако было выявлено, что в цепочке устройств А падение давления при заданном расходе было на 20% больше в сравнении с ожидавшимся. Разница в гидравлическом сопротивлении имела место из-за различной компоновки системы трубопроводов и несколько отличавшейся конструкции теплообменников и печи в двух параллельных цепочках устройств А и В. Кроме того, было обнаружено, что в цепочке устройств С падение давления при данном расходе было на 30% больше, чем предполагалось первоначально. Несколько более низкое гидравлическое сопротивление в цепочке оборудования С имело место из-за более высокой потребности в потоке, который регулировали посредством регулировочного клапана 69. Из-за различного гидравлического сопротивления параллельных систем потоков соотношение при разделении отличалось от расчетного.

Разницу в соотношении пара и жидкости в каждой параллельной цепочке оборудования, вызванную отличавшимся от проектного гидравлическим сопротивлением в цепочках оборудования А и С, определяли для 9 уровней расхода пара и жидкости. Установленные уровни расхода пара и жидкости и результаты испытаний приведены в табл. 2. Расходы пара и жидкости соответствовали 50%, 100% и 200% проектного расхода пара и жидкости, соответственно. В табл. 2 также приведены результаты расчетов, например, ЛР на разделителе, ЛР в трех цепочках оборудования, объемное соотношение пара и жидкости в потоках 52, 53 и 54 и значение ИУЕК(%). Значение разницы в соотношении пара и жидкости, ИУЕК(%), определяли по следующей формуле:

- 10 007546

ИзрШ аЬз [ νίί УДгеей 1

ПУАК(%) --------Σ------------------х100%, (2) ^зрШ -Г=1 УЬ^еес!

где УЬ; и УЬ_Гееа - объемные соотношения пара и жидкости выходящих потоков ί и входящего питающего (Геей) потока, соответственно;

Х_8р1й - число выходящих потоков из разделителя;

аЬз - абсолютное значение.

Как показано в табл. 2, с помощью данной конструкции разделителя обеспечивается очень хорошее разделение в очень широком диапазоне расходов пара и жидкости даже тогда, когда гидравлическое сопротивление систем, расположенных ниже по течению от разделителя, отличаются от первоначально запроектированных величин.

Соотношение пара и жидкости изменялось в 1,3-21,5 раза, а падение давления в цепочках оборудования изменялось в пределах 1,3-20,9 бар. Среднее значение ЭУЬК(%), вызванное большим на 20% гидравлическим сопротивлением в цепочке оборудования А и меньшим на 30% гидравлическим сопротивлением в цепочке оборудования В, составляло всего 2,97%.

Таблица 2. Действие разделителя 51 при отличавшихся от ожидавшихся гидравлических сопротивлениях в системах, расположенных ниже по течению от разделителя

Поток пара, м³/ч	Поток жидкости м³/ч	Падение давления (ΔΡ) на разделителе 51, бар	Падение давления (ΔΡ) в каждой из цепочек оборудова ния А, В и С, бар	Объемное соотношение пара и жидкости	Значение ОУЬВ(%);
Поток (52)	Поток (53)	Поток (54)
700	130	0,02	1,34	5,84	5,39	4,74	6,89
1400	130	0,03	2,58	11,63	10,78	9,57	6, 40
2800	130	0,07	5,51	22,42	21,53	20,27	3,34
700	260	0,03	2,96	2,78	2,69	2,56	2,77
1400	260	0,05	5,25	5,57	5,38	5,11	2,82
2800	260	0,09	10,1	10,87	10,59	10,20	2,11
700	520	0,07	7,35	1,36	1,35	1,33	0,71
1400	520	0,10	11,7	2,72	2,69	2,65	0,87
2800	520	0,15	20,9	5,43	5,38	5, 30	0,82

На действие разделителя оказывают отрицательное влияние механические отклонения при изготовлении и монтаже разделителя. Особенно существенное влияние на действие разделителя оказывают: относительная высота вытяжных каналов и площадь поперечного сечения потока (отверстий) в вытяжных каналах.

Второй пример применения разделителя согласно настоящему изобретению проиллюстрирован на принципиальной технологической схеме на фиг. 5. Существующий реактор 75 со слоем насадки и струйным течением жидкости, загруженный частицами катализатора объемом 190 м³, слишком мал для выработки желаемого продукта с желаемой производительностью.

Таким образом, требуется добавить дополнительное количество катализатора в объеме 90 м³. Вместо добавления нового объема катализатора последовательно с существующим реактором, установили новый реактор 74 и соединили его параллельно с существующим реактором 75. Разделитель 71 согласно настоящему изобретению использовали для разделения двухфазного питающего потока 70 на два выходящих потока 72 и 73, которые подавали в реакторы 75 и 74, соответственно. Количественное соотношение потоков при разделении, подаваемых в реакторы 74 и 75, соответственно, составляло 32%/68%. Ниже по течению от реакторов выходящий из реактора 74 поток 76 соединяли с выходящим из реактора 75 потоком 77 с образованием потока 78 продукта. Вытяжные каналы в разделителе 71 по проекту должны были быть расположены на одинаковой высоте, но в данном примере вытяжной канал А, соответствую

- 11 007546 щий потоку 72, был поднят на 10 мм выше, чем вытяжной канал В, соответствующий потоку 73. Кроме того, площадь поперечного сечения потока (отверстий) в вытяжном канале А была на 2% больше проектной, а площадь поперечного сечения потока (отверстий) в вытяжном канале В была на 2% меньше проектной. Из-за разницы расположения вытяжных каналов по высоте и разницы в площади поперечного сечения потоков (отверстий) имело место увеличение соотношения пара и жидкости в потоке 72 в сравнении с потоком 73.

Разделитель 71 был рассчитан на расходы пара и жидкости и их характеристики, приведенные в табл. 3.

Таблица 3. Проектные расходы и характеристики потоков пара и жидкости, на которые был рассчитан разделитель, изображенный на фиг. 5

	Проектные параметры
Расход пара, м⁴/ч	1170
Плотность пара, кг/м²*	27,0
Вязкость пара, сП	0,022
Расход жидкости, м³/ч	421
Плотность жидкости, кг/м⁴	566
Вязкость жидкости, сП	0,115
Поверхностное натяжение жидкости, дин/см	4,5

Разницу соотношений пара и жидкости (ИУИК, %), определяемую по уравнению (2), вызванную упомянутыми выше причинами, включающими отклонения при изготовлении и монтаже, оценивали для широкого диапазона рабочих условий. Установленные рабочие условия приведены в табл. 4; они соответствовали 50%, 100% и 200% проектного расхода пара и жидкости, соответственно. В табл. 4 приведены также данные испытаний, например, падение давления (АР) на разделителе, падение давления (АР) в реакторах, объемное соотношение пара и жидкости в потоках 72 и 73 и значение ΌΥΤΚ(%).

Таблица 4. Действие разделителя при наиболее неблагоприятных отклонениях при изготовлении и монтаже

Поток пара, м³/ч	Поток жидкости м³/ч	Падение давления (ΔΡ) на разделителе 71, бар	Падение давления (ΔΡ) в каждом реакторе, бар	Объемное соотношение пара и жидкости	Значение ϋνΐ,Κ(%)
Поток (72)	Поток (73)
585	211	0,02	0,53	2,87	2,58	5,20
1170	211	0,04	1,00	5,72	5,20	4,69
2340	211	0,08	2,22	11,39	10,49	4,07
585	421	0,04	1,23	1,44	1,30	5,00
1170	421	0,06	2,04	2,86	2,62	4,'29
2340	421	0,09	3,19	4,65	4,27	4,17
585	842	0,08	3,33	0,72	0, 64	6,01
1170	842	0,12	4,82	1,43	1,30	4,56
2340	842	0,19	8,08	2,85	2, 63	3,99
	Среднее значение	4,66

Как показано в табл. 4, очень хорошее разделение достигается в широком диапазоне расходов пара и жидкости даже при наиболее неблагоприятных отклонениях при изготовлении и монтаже.

В двух примерах, проиллюстрированных на фиг. 4 и 5, разделители были выполнены с возможностью создания или выходящих потоков с одинаковыми соотношениями пара и жидкости. Но разделитель потока может быть также выполнен таким образом, чтобы с его помощью можно было создавать выхо

- 12 007546 дящие потоки с различными соотношениями пара и жидкости. Например, разделитель можно выполнить с возможностью разделения им двухфазного входящего потока на три выходящих потока с количественным соотношением при разделении 20%/20%/60% и с объемным соотношением пара и жидкости 10/12/20. Однако в большинстве случаев промышленного применения разделителей двухфазного потока желательно иметь одинаковое соотношение пара и жидкости в выходящих потоках.

Разделение пара и жидкости в сепараторе согласно настоящему изобретению необязательно должно быть столь хорошим, как в традиционном фазовом сепараторе. Важно, чтобы основная часть жидкости была отделена от пара. Более мелкие капли жидкости, проходящие вместе с паром, будут также распределяться по вытяжным каналам, так как пар распределяется равномерно. Сепаратор разделителя двухфазного потока может быть, таким образом, рассчитан на более высокие линейные скорости пара и, следовательно, может иметь меньшие площади поперечного сечения, чем традиционные фазовые сепараторы. Кроме того, требуемое время удерживания жидкости в сепараторе разделителя двухфазного потока значительно меньше, чем в традиционном сепараторе, оснащенном измерительной аппаратурой, подобной изображенной на фиг. 2. В традиционных сепараторах с измерительной аппаратурой время удерживания жидкости составляет порядка 5-20 мин для обеспечения времени отклика системы управления уровнем и для обеспечения возможности выполнения действий, производимых вручную операторами, в случае выхода из строя автоматической системы управления. В разделителе двухфазного потока уровень фиксируется более или менее мгновенно, и в основном устанавливается нагрузкой, создаваемой паром. Время удерживания жидкости в сепараторе разделителя двухфазного потока может, таким образом, составлять около 5 с. Благодаря этому сепаратор разделителя двухфазного потока очень компактен по сравнению с традиционными фазовыми сепараторами, используемыми в обрабатывающей промышленности. В качестве примера можно привести такие данные: размер и стоимость резервуара высокого давления разделителя 51 (см. фиг. 4), рассчитанного на расходы и характеристики пара и жидкости, представленные в табл. 1, сравнивали с размерами и стоимостью резервуара высокого давления обычного фазового разделителя (см. фиг. 2). Обычный фазовый разделитель также рассчитан на расходы и характеристики пара и жидкости, представленные в табл. 1. Сравнительные данные приведены в табл. 5.

Таблица 5. Сравнение размеров и стоимости резервуара высокого давления разделителя и обычного сепаратора

	Разделитель 51 (см. фиг.4)	Обычный фазовый сепаратор
Внутренний диаметр резервуара, мм	800	2750
Длина прямого участка резервуара, мм	1830	9700
Проектное давление (манометрическое), бар	80	80
Проектная температура, °С	230	230
Материал конструкции	Углеродистая сталь	Углеродистая сталь
Расчетная стоимость оборудования, в долларах США (2003 г.)	21600	374000

В стоимость, приведенную в табл. 5, включена стоимость резервуара и внутренних устройств, например, вытяжных каналов. Стоимость монтажа, включая стоимость создания фундамента, установки, изолирования, трубопровода и измерительной аппаратуры, не включена. Общая стоимость в собранном виде обычно в 3-4 раза выше стоимости оборудования, приведенной в табл. 5. Как показано в табл. 5, разделитель согласно настоящему изобретению представляет собой компактную конструкцию, имеющую низкую стоимость, в сравнении с использованием обычного фазового сепаратора.

На фиг. 3А, 3В, 3С, 6А, 6В, 6С, 7А, 7В и 8 представлены альтернативные варианты выполнения разделителей согласно настоящему изобретению. Чертежи представлены только для примерной иллюстрации изобретения и вариантов его осуществления. Они не предназначены для ограничения объема концепций, раскрытых в настоящем документе, или для использования в качестве рабочих чертежей. Их не следует рассматривать в качестве документов для ограничения объема принципов, заложенных в изобретении. Соответствующие размеры, показанные на чертежах, не следует принимать за действительные или пропорциональные размеры коммерчески реализуемых объектов.

Ниже приведены описания вариантов выполнения настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. Разделитель 30, изображенный на фиг. 3А, 3В, 3С, предназначен для разделения входящего потока 41 на два выходящих потока 42 и 43. Разделитель 30 состоит из резервуара 31 с впускным патрубком 32 и двумя выпускными патрубками 44 и 45. Впускной патрубок 32 прикреплен к стенке резервуара 31 посредством герметичного соединения. Нижний конец патрубка 32 открыт для осуществления поступления входящего потока 42 в резервуар 31. Под впускным патрубком 32 расположен отбойник

- 13 007546 с боковыми стенками 40. Отбойник 33 и боковые стенки 40 образуют канал для прохода потока, где происходит первичное разделение входящего потока 41 на два потока, а затем эти два потока отбойником направляются к цилиндрической стенке резервуара 31. В резервуаре 31 установлено два по существу вертикально расположенных вытяжных канала 34 и 35. Каждый вытяжной канал состоит из трубы круглого сечения с открытыми верхним и нижним концами. Нижний конец вытяжного канала погружен в жидкость 39. Верхний конец, или выпуск, вытяжного канала 34 соединен с выпускным патрубком 44, а верхний конец, или выпуск, вытяжного канала 35 соединен с выпускным патрубком 45 с образованием двух вытяжных каналов из резервуара 31. Между стенками резервуара 31 и выпускными патрубками 44 и 45 обеспечивают герметичные соединения. Вытяжной канал 34 снабжен отверстиями 37 в боковой стенке патрубка, а вытяжной канал 35 снабжен отверстиями 36 в боковой стенке патрубка.

Во время работы разделителя в резервуар 31 по патрубку 32 подают двухфазный входящий поток 41. Двухфазная струя соударяется с отбойником 33, которым затормаживают высокую скорость потока и направляют поток к цилиндрической стенке резервуара 31. Внутри резервуара 31 жидкая фаза 39 отделяется от паровой фазы 38. Жидкая фаза собирается в зоне сбора тяжелой фазы в нижней части резервуара, тогда как паровая фаза находится в зоне сбора легкой фазы в верхней части резервуара. Пар 38 в этом случае проходит через часть отверстий 36 и 37 в боковых стенках вытяжных каналов, расположенных над поверхностью жидкости. В результате прохода потока пара через отверстия происходит падение давления на участке между наружной областью вытяжного канала и внутренней областью вытяжного канала, и благодаря этому жидкость поднимается по вытяжному каналу. Жидкость 39 проходит через нижние открытые концы вытяжных каналов 34 и 35 и через часть отверстий 36 и 37, которые находятся ниже поверхности жидкости в резервуаре 31. В вытяжных каналах жидкость смешивается с паром, и двухфазная смесь поступает вверх внутрь вытяжных каналов к их выпускным отверстиям и выходит из резервуара 31 по патрубкам 44 и 45.

Впускной патрубок для подачи потока предпочтительно расположен симметрично между вытяжными каналами, как это изображено на фиг. 3А. Это приводит к минимальной площади поперечного сечения резервуара, требуемой для разделения пара и жидкости, а также способствует более равномерному распределению мелких капель жидкости, которые следуют по пути движения пара. Разделитель предпочтительно проектируют таким образом, чтобы входящий поток соударялся с отбойниками или стенками, как это показано на фиг. 3В и 3С. Когда входящий поток соударяется с отбойником или стенками, жидкость имеет тенденцию отделяться от паровой фазы, а также этим предотвращают возможность достижения высокоскоростной входящей струи поверхности жидкости в резервуаре, в результате чего может происходить вторичный унос жидкости и образование волн.

Суммарную площадь отверстий в вытяжных каналах выбирают таким образом, чтобы получить желаемый уровень жидкости в резервуаре. Чем больше площадь отверстий, тем меньше падение давления пара и, следовательно, выше уровень жидкости, так что меньшее падение давления согласуется с высотой, на которую должна подниматься вверх жидкость. И наоборот, при меньшей площади отверстий имеет место более низкий уровень жидкости. Площадь отверстий в каждом вытяжном канале может быть использована для установки соотношения пара и жидкости в выходящем потоке, идущем из вытяжного канала. Если площадь отверстий в вытяжном канале А увеличивают относительно площади отверстий в другом вытяжном канале В, то соотношение пара и жидкости в выходящем потоке из вытяжного канала А повышается по сравнению с соотношением пара и жидкости, выходящих из вытяжного канала В. Площадь поперечного сечения и форма каждого вытяжного канала также оказывают влияние на уровень жидкости в резервуаре и соотношение пара и жидкости в каждом выходящем потоке.

Отверстия в вытяжных каналах, показанных на фиг. 3А, являются круглыми. Однако эти отверстия могут быть также выполнены в виде вертикальных пазов или могут иметь другие формы, например, могут быть У-образными, треугольными, прямоугольными, многоугольными, эллипсовидными и т.д. Площадь отверстий необязательно должна быть точно распределена по высоте вытяжного канала. Например, площадь отверстий ближе к нижнему концу вытяжного канала может быть меньшей, а площадь отверстий вблизи верхнего конца может быть большей.

Вытяжные каналы, показанные на фиг. 3А и 3В, имеют круглое поперечное сечение, но они могут также иметь другие формы поперечного сечения, например прямоугольную, эллипсовидную, многоугольную и т.д. Кроме того, площадь поперечного сечения вытяжных каналов может изменяться вдоль их длины.

Оба конца вытяжных каналов, изображенных на фиг. 3А, открыты для прохода потока жидкости. Однако во многих случаях улучшенное разделение может быть достигнуто, если нижние концы вытяжных каналов закрыты, и вся жидкость, таким образом, должна проходить через отверстия в боковых стенках вытяжных каналов, которые расположены ниже поверхности жидкости.

Вытяжные каналы разделителя, изображенного на фиг. 3А и 3В, расположены вертикально. Однако вытяжные каналы необязательно должны быть расположены строго вертикально. Достаточно того, чтобы вытяжные каналы имели вертикальную составляющую или, другими словами, чтобы жидкость была ограничена вытяжным каналом так, чтобы она проходила вверх за отверстия для впуска пара, прежде чем достигнуть выпуска вытяжного канала, ведущего в один из выпускных патрубков 44 и 45.

Резервуар 31 разделителя, изображенного на фиг. 3А, 3 В и 3С, является горизонтальным цилиндри

- 14 007546 ческим резервуаром с эллипсовидными головными частями. Однако сепаратор, или резервуар, согласно настоящему изобретению может иметь любую форму и ориентацию. Другие примеры форм резервуара и его ориентации - следующие: вертикальные цилиндрические резервуары, сферические резервуары, резервуары в форме коробов с прямоугольными поперечными сечениями и т.д.

Входящие и выходящие потоки впускают и выпускают через верхнюю стенку резервуара 51 на фиг. 4. Однако входящие и выходящие потоки можно вводить и выводить через другие стенки, например, нижнюю или боковые стенки.

Примеры вариантов выполнения настоящего изобретения показаны на разделителе, изображенном на фиг. 6 А, 6В и 6С. Разделитель состоит из вертикального цилиндрического резервуара 81. В разделитель подают через боковую стенку резервуара 81 по патрубку 87 входящий поток 88. Вертикальный разбрызгивающий щиток 86 расположен ниже по течению от этого впуска. Из разделителя выводят три выходящих потока 91, 92 и 85. Выходящий поток 91 проходит через выпускной патрубок 99 через верхнюю стенку резервуара 81. Выпускной патрубок 99 присоединен без возможности утечки к вытяжному каналу 82. Вытяжной канал 82 имеет круглое поперечное сечение, причем он сужается так, что площадь поперечного сечения канала уменьшается сверху вниз. Вытяжной канал 82 снабжен четырьмя вертикальными пазами 94. Вытяжной канал 82 открыт для поступления в него потока жидкости через нижний конец. Выходящий поток 92 проходит по патрубку 98 через боковую стенку резервуара 81. Выпускной патрубок 98 присоединен без возможности утечки к вытяжному каналу 83 путем использования прямоугольного колена 97. Вытяжной канал 83 имеет квадратное поперечное сечение. Вытяжной канал 83 снабжен четырьмя У-образными пазами 93. Вытяжной канал 83 открыт для захода потока жидкости через его нижний конец. Выходящий поток 85 проходит через выпускной патрубок 100, пропущенный через нижнюю стенку резервуара 81. Выпускной патрубок 100 присоединен без возможности утечки к вытяжному каналу 84 путем использования И-образного колена 96. Вытяжной канал 84 имеет круглое поперечное сечение и снабжен квадратными отверстиями 95. Вытяжной канал 84 закрыт со стороны его нижнего конца для прохода потока жидкости, и вся жидкость, таким образом, должна проходить через квадратные отверстия 95.

Во время работы двухфазный поток 88 подают в резервуар 81 через патрубок 87. Двухфазная струя соударяется с разбрызгивающим щитком 86, посредством которого затормаживают высокоскоростной поток, в результате чего происходит в некоторой степени разделение фаз. Внутри резервуара 81 жидкая фаза 90 отделяется от паровой фазы 89. Жидкая фаза собирается в нижней части резервуара, тогда как паровая фаза собирается в верхней части резервуара. Пар 89 теперь проходит через отверстия 93, 94 и 95 в боковых стенках вытяжных каналов 83, 82 и 84, соответственно. В результате прохода пара через отверстия происходит падение давления в направлении от наружной области вытяжного канала к внутренней области вытяжного канала и, таким образом, жидкость поднимается по вытяжному каналу. Жидкость 90 проходит через нижние открытые концы вытяжных каналов 82 и 83 и через часть отверстий 93, 94 и 95, которые расположены ниже поверхности жидкости в резервуаре 81. Жидкость в вытяжных каналах смешивается с паром, и двухфазная смесь проходит по вытяжным каналам и выходит наружу из резервуара 81 через выпускные патрубки 98, 99 и 100.

Степень разделения, выполняемого согласно настоящему изобретению, которую определяют количественно значением показателя ОУЪК(%) в соответствии с уравнением (2), оказывается пониженной в случаях применения, когда соотношение пара и жидкости является большой величиной. В случаях применения, когда соотношение пара и жидкости является большой величиной, действие настоящего изобретения может быть значительно улучшено путем размещения вставок внутри вытяжных каналов для увеличения падения давления при прохождении двухфазного потока внутри вытяжного канала. Использование одного или большего числа отверстий в вытяжном канале - это один пример применения таких вставок для увеличения падения давления и для повышения эффективности процесса разделения. Кроме того, использование вставок внутри вытяжного канала оказывает воздействие на картину поведения двухфазного потока в вытяжном канале.

Например, при применении отверстий имеет место тенденция к исключению нежелательного снарядного режима течения, при котором пробки жидкости и паровоздушные мешки периодически проходят по вытяжному каналу. Наибольшего улучшения процесса разделения путем использования вставок в вытяжных каналах достигают в случаях применения, когда соотношение пара и жидкости является большой величиной, но некоторого улучшения достигают также в случаях применения при более низких соотношениях пара и жидкости. Например, в разделителях 51 и 71 (см. фиг. 4 и 5, соответственно) были введены вставки в вытяжные каналы для улучшения процесса разделения.

Разделители 30, 51, 71 и 80 на фиг. 3А, 3В, 3С, 4, 5, 6А и 6С содержат каждый собственный сепаратор, или резервуар. Однако настоящее изобретение можно использовать как составную часть, выполненную за одно целое, другого технологического оборудования, например, теплообменников, содержащих оболочку и систему труб, и химических реакторов.

На фиг. 7А и 7В показан пример разделителя согласно настоящему изобретению, выполненного за одно целое с реактором 110 со слоем насадки и струйным течением жидкости. На фиг. 7А показана нижняя часть этого реактора со слоем насадки и струйным течением жидкости. Частицы 103 катализатора загружают в цилиндрическую оболочку 101, работающую под давлением, с полусферическими головны

- 15 007546 ми частями 102. Катализатор удерживают посредством опорной решетки, или экрана, 104 для катализатора. Опорную решетку, или экран, для катализатора проектируют так, чтобы частицы катализатора не могли проходить сквозь экран, но пар и жидкость могли бы проходить. Под опорной решеткой, или экраном, для катализатора расположено два вертикальных вытяжных канала 107. Каждый вытяжной канал снабжен восьмью пазами 108. Вытяжные каналы также снабжены вставками для увеличения падения давления в вытяжных каналах. Эти вставки (диафрагмы) в каждом вытяжном канале содержат четыре отверстия 109, 110, 111 и 112. Каждый вытяжной канал 107 соединен с наружным патрубком 105 без возможности утечки путем использования каналов 106 с изгибами.

Во время работы пар и жидкость проходят прямо вниз через настил частиц 103 катализатора и через опорную решетку, или экран, 104 для поддержки катализатора. Под опорной решеткой, или экраном, 104 для поддержки катализатора находится открытое пространство, где жидкая фаза 113 отделяется от паровой фазы 114. Жидкая фаза 113 собирается в нижней части реактора. Пар 114 проходит через части пазов 108, находящихся выше поверхности жидкости. Проход пара через пазы приводит к падению давления в направлении от наружной области вытяжного канала в его внутреннюю область и, в результате этого, жидкость поднимается по вытяжному каналу. Жидкость 113 проходит через нижние отверстия 112 и через части пазов 108, расположенных ниже поверхности воды. Жидкость смешивается с паром в вытяжном канале и проходит по вытяжному каналу и отверстия, и выходит из реактора 110 через патрубки 105.

На фиг. 8 показан пример разделителя согласно настоящему изобретению, выполненного за одно целое с теплообменником 120, включающим оболочку и системы труб. Теплообменник 120, включающий оболочку и системы труб, содержит:

головную часть 122 с крышкой 128, впускной боковой патрубок 129 и выпускной боковой патрубок 130; оболочку 121 с впускным патрубком 131 и двумя выпускными патрубками 125;

систему И-образных труб, состоящую из И-образных труб 124, стенку 135 и тринадцать перегородок 132.

Длина оболочки 121 была несколько увеличена, по сравнению с конструкцией обычных теплообменников, для обеспечения пространства для двухфазного разделителя согласно настоящему изобретению, ниже по течению от последней перегородки и ниже по течению от И-образных колен И-образных труб 124. Разделитель состоит из двух, по существу, вертикально установленных вытяжных каналов 126 с отверстиями 127 в стенках. Нижние концы вытяжных каналов 127 открыты, и через них может проходить жидкость.

Во время работы теплообменника жидкость, которую пропускают по трубам теплообменника, подают через патрубок 129, направляют внутрь И-образных труб и выпускают из теплообменника по патрубку 130. Жидкость, которую заливают в оболочку, подают через патрубок 131 теплообменника, и она может представлять собой однофазный или двухфазный поток. Помимо передачи тепла, в теплообменнике могут иметь место конденсация или испарение. Жидкость, которую заливают в оболочку, протекает с наружной стороны И-образных труб. С помощью перегородок 132 создают несколько поперечных отсеков, где жидкость, которую заливают в оболочку, понуждают протекать в направлении, перпендикулярном трубам. За последней перегородкой двухфазный поток поступает в разделительное пространство, где жидкость 133 отделяют от пара 134. Жидкая фаза 133 собирается в нижней части оболочки 121. Пар 134 проходит через часть отверстий 127, находящихся выше поверхности жидкости. Проход потока пара через эти отверстия приводит к падению давления в направлении от наружной области вытяжного канала к внутренней его области и, в результате этого, жидкость поднимается по вытяжному каналу. Жидкость 133 проходит через открытые нижние концы вытяжных каналов 126 и через часть отверстий 127, расположенных ниже уровня жидкости. Жидкость смешивается с паром в вытяжном канале и проходит по вытяжному каналу наружу из теплообменника 120 по патрубкам 125.

В примерах, проиллюстрированных на фиг. 4 и 5, двухфазный входящий поток разделяют по параллельным системам трубопроводов, расположенным ниже по течению и по технологическому оборудованию. Однако настоящее изобретение можно также использовать внутри технологического оборудования для распределения пара и жидкости равномерно по параллельным проходам в оборудовании. Один пример заключается в использовании настоящего изобретения во впускной головной части теплообменника или воздухоохладителе для равномерного распределения пара и жидкости по параллельным трубопроводам в теплообменнике.

Во всех примерах согласно изобретению, приведенных здесь, имеется только один вытяжной канал, соединенный с каждым выпускным патрубком, выходящим из разделителя. Однако один выходящий поток может быть образован с использованием более одного вытяжного канала. Если используют более одного вытяжного канала для образования выходящего потока, то вытяжные каналы, соединенные с выходящим потоком, необязательно должны быть одинаковыми. Например, разделитель, предназначенный для разделения двухфазного входящего потока на два выходящих потока, может содержать всего пять вытяжных каналов различных размеров, из которых три вытяжных канала соединены для образования первого выходящего потока, а остальные два вытяжных канала соединены для образования второго выходящего потока. В некоторых случаях использование вытяжных каналов различных размеров для образования одного выходящего потока может привести к улучшению процесса разделения.

Во всех приведенных здесь примерах применения изобретения используют только один входящий поток для его разделения. Однако можно использовать более одного входящего потока, подаваемого в

- 16 007546 разделительный резервуар разделителя. Могут быть использованы также однофазные потоки для подачи только пара или только жидкости.

В дополнение к возможности разделения двухфазной смеси, состоящей из пара и жидкости, разделитель согласно настоящему изобретению может быть также использован для разделения двухфазной смеси, состоящей из несмешивающихся жидкостей, например, из углеводорода в жидкой фазе и жидкой фазы на водной основе, на два или большее число выходящих потоков с желаемым соотношением углеводорода в жидкой фазе и воды в каждом выходящем потоке.

В общем, изобретение может быть охарактеризовано следующим образом.

Изобретение относится к разделительному устройству для разделения двухфазного входящего потока, состоящего из легкой и тяжелой фаз, на два или большее число выходящих потоков с желаемым соотношением легкой и тяжелой фазы в каждом выходящем потоке. Разделительное устройство состоит из разделительного резервуара, или контейнера, с одним или большим числом впусков. В резервуаре производят частичное или полное разделение легкой и тяжелой фаз. Резервуар снабжен по меньшей мере двумя полыми вытяжными каналами, каждый из которых содержит нижний конец и верхний открытый конец.

В боковой стенке каждого вытяжного канала выполнены отверстия, расположенные между нижним и верхним концами по меньшей мере на одном уровне. Нижний конец вытяжного канала погружен в тяжелую фазу, тогда как верхний конец вытяжного канала находится в легкой фазе и присоединен без возможности утечек к системам, расположенным ниже по течению.

Вытяжные каналы должны иметь вертикальную составляющую, чтобы во время работы по меньшей мере часть площади отверстий была расположена выше уровня межфазовой поверхности. Во время работы легкая фаза проходит через часть площади отверстий, которая находится выше межфазовой поверхности, и, в результате этого, возникает падение давления в направлении от наружной области к внутренней области вытяжного канала. Благодаря этому падению давления жидкая фаза поднимается по вытяжному каналу через любой нижний открытый конец и через любые отверстия, расположенные на уровнях ниже межфазовой поверхности. В вытяжном канале тяжелая фаза смешивается с легкой фазой. Двухфазный поток проходит по вытяжному каналу и по упомянутым каналам для потоков к системам, расположенным ниже по течению.

Внутри вытяжных каналов могут быть размещены вставки или ограничители потока для увеличения падения давления и для модификации режима течения двухфазного потока в вытяжном канале.

Вставки могут быть выполнены в виде диафрагм с круглыми отверстиями для прохода потока.

Нижний конец вытяжного канала может быть закрыт, и тогда все количество тяжелой фазы должно проходить через отверстия в боковой стенке вытяжного канала, которые расположены ниже межфазовой поверхности.

Резервуар, или контейнер, может быть выполнен за одно целое с другим технологическим оборудованием, используемым для других целей, например, для выполнения химических реакций или теплообмена в дополнение к разделению потока.

Упомянутые системы, расположенные ниже по течению, могут быть параллельными проходами потоков в одном и том же объекте оборудования, в котором разделитель является составной частью, выполненной с ним за одно целое.

Эти системы, расположенные ниже по течению, могут быть технологическими системами, состоящими из трубопроводов, измерительной аппаратуры и технологического оборудования.

Вытяжные каналы могут иметь круглое поперечное сечение.

Отверстия в боковых стенках вытяжных каналов могут быть либо круглыми отверстиями, либо прямоугольными пазами.

Расстояние по высоте от низа вытяжного канала до самого высоко расположенного отверстия предпочтительно составляет 100-1500 мм.

Скорость при отсутствии проскальзывания двухфазного потока в верхнем конце вытяжных каналов предпочтительно составляет в пределах 0,5-15 м/с во время по меньшей мере одной рабочей фазы.

Один или большее число вытяжных каналов может быть присоединено к каждой системе, расположенной ниже по течению.

Устройство может быть с успехом использовано для разделения двухфазной смеси, пара и жидкости и подаваемой в параллельно соединенные теплообменники.

Устройство может быть с успехом использовано для разделения двухфазной смеси, пара и жидкости и подаваемой в параллельно соединенные экранные трубы.

Устройство может быть с успехом использовано для разделения двухфазной смеси, пара и жидкости и подаваемой в параллельно соединенные химические реакторы.

Устройство может быть с успехом использовано для разделения двухфазной смеси, пара и жидкости и подаваемой в параллельно соединенные воздухоохладители.

Устройство может быть с успехом использовано для распределения пара и жидкости по параллельным трубам, или каналам, используемым для теплообмена, в теплообменнике или воздухоохладителе, в которых используют двухфазный поток.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для разделения одного или большего числа входящих двухфазных потоков, состоящих из жидкости легкой фазы и жидкости тяжелой фазы, например двухфазной смеси пара и жидкости, на два или большее число двухфазных выходящих потоков с желаемым соотношением легкой и тяжелой фаз в каждом выходящем потоке, содержащее резервуар или контейнер для разделения фаз, включающий в себя один или большее число впусков для входящих потоков для входящего потока;

область сбора тяжелой фазы;

область сбора легкой фазы на более высоком уровне, чем упомянутая область для сбора тяжелой фазы;

и два или большее число вытяжных каналов или труб, по меньшей мере по одной для каждого выходящего потока, причем каждый из вытяжных каналов или труб содержит по меньшей мере один впуск для тяжелой фазы, сообщенный с областью для сбора тяжелой фазы;

по меньшей мере один впуск для легкой фазы, сообщенный с областью для сбора легкой фазы и расположенный на более высоком уровне, чем по меньшей мере один впуск для тяжелой фазы;

по меньшей мере один выпуск для выходящего потока, сообщенный с трубопроводами для выходящего потока, расположенными ниже по течению от устройства;

причем упомянутый по меньшей мере один впуск для легкой фазы расположен между по меньшей мере одним впуском для тяжелой фазы и по меньшей мере одним выпуском для выходящего потока.
2. Устройство по п.1, в котором вытяжная труба содержит удлиненный трубчатый элемент, ограниченный стенкой, содержащей одно или большее число отверстий, выполненных в ней, причем трубчатый элемент выполнен, например, в виде трубы круглого или прямоугольного поперечного сечения.
3. Устройство по п.2, в котором нижний конец трубчатого элемента открыт.
4. Устройство по п.2 или 3, в котором форма упомянутого одного или большего числа отверстий выбрана из группы форм, включающей круглую, эллиптическую, овальную, прямоугольную и треугольную формы.
5. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором впуск для легкой фазы и впуск для тяжелой фазы представлены одним отверстием, имеющим существенную протяженность в вертикальном направлении, предпочтительно в виде паза, расположенного в продольном направлении вытяжной трубы.
6. Устройство по п.5, в котором ширина паза выполнена увеличенной в направлении к упомянутому выпуску выходящего потока.
7. Устройство по п.5, в котором ширина паза выполнена, по существу, постоянной.
8. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором средства для ограничения потока расположены внутри вытяжных труб для увеличения падения давления легкой фазы на участке впуска легкой фазы.
9. Устройство по п.8, в котором средства для ограничения потока содержат поперечную плиту с одним или большим числом отверстий в ней для ограничения потока в вытяжной трубе одним или большим числом отверстий.
10. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором средство для соударения с ним потока расположено рядом с впуском для входящего потока так, чтобы входящий поток соударялся со средством для соударения.
11. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором расстояние в вертикальном направлении между самой нижней частью одного или большего числа впусков для тяжелой фазы и самой верхней частью одного или большего числа впусков для легкой фазы составляет по меньшей мере приблизительно 100 мм, причем максимальное расстояние составляет приблизительно 1500 мм, а предпочтительное расстояние составляет 400-600 мм, и наиболее предпочтительное расстояние составляет приблизительно 500 мм.
12. Технологическая установка, содержащая аппарат для осуществления физического или химического процесса, в которой используют двухфазный поток и устройство для разделения потока согласно любому из пп.1-10, причем упомянутое устройство соединено с впуском или выпуском аппарата.
13. Установка по п.12, в которой аппарат содержит печь, включающую комплект экранных труб, соединенных с упомянутыми выпусками для выходящего потока.
14. Установка по п.12, в которой аппарат содержит параллельно соединенные теплообменники, соединенные с выпусками для выходящего потока.
15. Установка по п.12, в которой аппарат содержит параллельные химические реакторы, соединенные с выпусками для выходящего потока.
16. Установка по п.12, в которой аппарат содержит параллельно соединенные воздухоохладители, соединенные с выпусками для выходящего потока.
17. Двухфазный реактор, например реактор со слоем насадки и струйным течением жидкости, или

- 18 007546 каталитический реактор, содержащий устройство для разделения потока по любому из пп.1-10.
18. Реактор по п.17, содержащий наружную оболочку, в котором резервуар для разделения фаз расположен внутри оболочки реактора.
19. Теплообменник, содержащий устройство для разделения потока по любому из пп.1-10.
20. Теплообменник по п.19, содержащий наружную оболочку, в котором резервуар для разделения фаз расположен внутри оболочки теплообменника.
21. Способ разделения одного или большего числа входящих двухфазных потоков, состоящих из жидкости легкой фазы и жидкости тяжелой фазы, например двухфазной смеси пара и жидкости, на два или большее число двухфазных выходящих потоков с желаемым соотношением легкой и тяжелой фаз в каждом выходящем потоке, включающий следующие этапы, на которых осуществляют по меньшей мере частичное разделение входящего потока на часть, представляющую тяжелую фазу, расположенную в области сбора тяжелой фазы ниже межфазовой пограничной поверхности, и часть, представляющую легкую фазу, расположенную в области над межфазовой пограничной поверхностью;

смешивание жидкости тяжелой фазы из части, представляющей тяжелую фазу, с жидкостью легкой фазы из части, представляющей легкую фазу, в двух или большем числе мест в области для легкой фазы для образования двух или большего числа двухфазных выходящих потоков.