TW443940B - Liquid/gas/solid separation - Google Patents

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“394 3 Λ7 ---—_ -B7 五、發明説明（1 ) 本發明係有關於在包括高容流比流經容器與將氣體排 出容器t的情況下處理—容器中的固體物料。 本發明亦包括利用加熱或冷卻來處理一批固體物料。 本發明特別包括（但非僅止於此）在會由固體物料產 生出液體及產生高容流比（該氣體係由固體物料產生且/ 或被加進容器中以作為製程的一部份）之的情況下（其包 括高溫與高壓）處理一容器中的固體物料。 本發明更特別有關於在包括高溫高壓的情況下升級碳 類物料’最典型的為煤炭，特別是低級炭的方法與裝置， 以藉由去除碳類物料中的水份而增加碳類材料之Βτυ值， 該方法與裝置包括分離由該方法產生或於其中供應固相、 液相及氣相。 以下所探討之習知技術是有關於當在升高壓力的條件 下’藉由加熱煤炭以除去其中的水份時所產生之分離固' 液及氣相的困難。須注意到的是以較廣泛之表達來說，本 發明包括克服因尚流量氣體在加熱或冷卻的條件下，無論 ' 有無液體存，氣流流經含固體物料之容器所產生的困難。 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝

Koppelman之美國專利5，190,523揭露一種藉由同時施 用溫度與壓力以升級煤炭的方法。

Koppelman揭露藉由在包括提高壓力與溫度的條件下 加熱煤炭，於煤炭中造成物理變化，而促使水份藉由r擰 擠」反應自煤炭中除去，以達成煤炭之熱除水。

Koppelman亦揭露在升級的過程中維持足夠之高屢， 如此所產生的副產物’水份主要係以液態而非蒸氣的狀雖 4 I - I - - *1^ II ·-1 -1 I H^I --- >^ϋ I 1^1 1 - f J^i ^J. ^^-° . * (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家摞準（CNS)A4規格（210x297公釐） 4439 Λ7 B7 i、發明説明（2 ) 存在。

Koppelman亦揭露進行升級製程的不同裝置之選擇範 圍。一般來說’其選擇係基於壓力容器之用途而定，該壓 力容器包括一倒圓錐形之入口、一柱體、一圓錐出口，其 在該圊錐頂端，即容器的最低端有單一出口，及—設置於 柱體中垂直與水平放置之熱交換管總成。

Koppelman型裝置之使用用途之一中，垂直設置之管 ’且出口端承裝煤炭’而通入氮氣後以使管與出口端充壓 。煤炭係由熱交換介質以間接熱交換的方式供應至管的柱 體外部’藉由供水至管令，其繼而形成蒸氣而扮演熱交換 介質之功用以產生更多的熱。結合高溫與壓力的條件可自 煤炭中蒸發一些水份，因而將一些水凝結成液體。部份因 供水而產生的蒸氣也因壓力的上升而凝結，而未凝結且堆 積床所需最佳加壓過程中多餘的蒸氣則須排出。此外，其 中存在之無法凝結的氣體（如C0、C〇2 )也須一併排除。 液體需定期由出口端排出。最後，經預定的停留時間後， 容器經減壓而升級後之煤炭經由同樣的出口倒出。 經濟.郅中央標準局員工消費合作社印裂 r 装— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 而經發現’上述Koppelman型裝置的出口結構在分離 固/液/氣相’特別是液/氣相上並未能獲得全面的滿意度。 所面臨的問題包括於出口端的高壓力下降與高氣流速所產 生之： (1)液與氣兩相自出口端流出的速度不好控制； ⑵堵塞阻礙排出； ⑶細小及有時較粗之物料與液體（及氣體）一併排出。 本紙張尺度適用中國國家標丰（CNS ) A4規格（210X297公f ) 4439 Λ7 B7 經濟部中央摞率局員工消費合作社印製 五、發明説明（ 特別的，-般來說，由於氣體與液體流經床'導管 與控制閥的流體阻抗不同’因此氣趙與液體經出口導管自 容器流出時易以最不規則的方式流出。氣體的可I缩特性 、快速變化的阻抗以及相較下為高密度的液趙造成具有高 加速力的流體’其可造成堆叠床中之顆粒的擾動及可能的 移出。 本發明之-目的為提供改良之固、液與氣相分離，其 係於Koppelman裝置中所產生或供應至該裝置。 本發明更廣泛的目的為提供一種於高壓與溫度下分離 加壓容器中之固、液及氣相的裝置。 本發明進一步更廣泛的目的為提供一種引入及/或排 出高流速氣體進與/或出含固體物料的容器，該固體物料 係於該容器中進行處理。 以最廣泛的角度視之，本發明提供改良可在包括有高 容流比流經的情況下處理固體物料之容器的方法，該改良 方法包括提供該容器至少一固體出口以將固體自容器中排 出’及數個進氣口及/或排氣口在高於排氣口一個或多個 容器之高度以將氣體引入或排出容器。 更特別的，根據本發明，其係提供在包括有高容流比 流經的情況下處理固體物料且自該固體物料產生液體之容 器的改良方法，該改良方法包括一具有至少一固體出口、 至少一液體出口及設置於該至少一固體出口與該至少一液 體出口之上方之至少一氣體出口的容器出口端。 前段所述之本發明部份係基於了解到在使固體與氣體 本紙乐尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2i〇X297公嫠） 6 — Ϊ.---；----^------1T (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 4394 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Λ7 B7 i、發明説明（4 ) 隨液體移轉降低到最小的情況下，有效地將固、液及氣體 自容器中分離可由提供液體與氣體在不同高度的出口端之 各別排除1且排氣口設置高於排液口的方式加以達成。 本發明之此部份亦可敘述成一種可在包括有高容流比 流經的情況下處理固體物料之容器的裝置，該裝置包括： (a)—容器其具有： (1) 一入口端’其具有一入口以供應固體物料，以在 容器中形成一堆疊床；及 (2) —出口端，其具有至少一固體出口、至少一液體 出口及至少一設置於該固/液體出口之上方的氣 體出口； ⑹一供應流體以加壓該堆疊床之裝置；與 ⑹一供應熱交換介質以加熱堆疊床中之固體物料的裝 置。 最好該出口端在容器之較低部份。 最好該出口端包括數個排氣口。 最好該等排氣口置於多個該出口端之高度。 最好有數個排氣口於至少該出口端之高度。 最好在每個具有數個排氣口的高度上，該等排氣口間 隔繞在容器的周圍上’以便在該高度有實質一致的向下容 流比。 以較普遍的說法來說，排氣口的數目與位置與結構係 由以下所決定： (1)需要逐漸排除往下到出口端之不同高度的氣體，以 本紙張从㈣ CNS } Α4*ΐ^Γ7'210χΙ^Ϊ~) 7 i - ^ I - II i— n^— - - « t I f - '1 . · (請先閑讀背面之注項再填寫本頁j ^43940 A7 _______ B7 五、發明説明（5 ) " 使得堆疊床中每截面積單位之流量或流速在每—高度都維 持大致一定； ⑵需要在不造成高氣流速區域下將每個高度的氣體拉 向排氣口，該高氣流區會導致大量之壓力下降與/或夾帶 固體及/或液體；且 ⑶需要將氣流由向下側至外側流動且同時使液體持續 以實質向下的方向流動。 ⑴需注意⑹段落中所用的所謂「流體」其含意須足以 包括引進容器中所使用的氣體，例如氮氣，及液體如水。 最好用以供應熱交換介質的裝置可藉由間接熱交換來 供應介質加熱固體物料。 最好該容器為加壓容器。 上述本發明特定之部份亦可敘述成成一種可在包括有 高容流比且會自固體物料產生液體的情況下處理固體物料 的方法，該方法包括： ⑻供應該固體物料至容器中以形成固體物料的堆疊床 ⑹加壓該堆疊床； 經濟部中央標準局舅工消費合作社印製 ⑹以熱交換介質藉熱交換加熱固體物料，如此壓力與 熱之結合作用可使水份由固體物料中釋放出來，有部份釋 出的水份係為氣態而部份水份呈液態； ⑷將氣體經由容器中至少一個排氣口自堆疊床排出； 且 ⑹將液體經由容器中位在低於排氣口下之排液口排出 本紙張尺度適用_國國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨OX297公釐） 4 439 4 0 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（6) 〇 該方法可包括將氣體作為反應流體引入容氣中，以便 有助於將熱轉移至固體物料上。 須注意排除氣體之步驟(d)可包括除去一定量的液體。 同時須注意到排除液體的(e)步驟可包括除去一定量的氣體 〇 最好自堆疊床排出氣體的原理係控制如下： (1)壓力在出口端下降；且/或 ⑵氣流流進至較排氣口低的出α端區段。 最好該方法包括經由數個排氣口自堆疊床將氣體排出 ，以便在低於棑氣口處之出口端區段有實質穩定的氣流速 〇 最好自堆疊床排出液體的原理係決定於在操作該方法 時位於出口端任何點之液體高度，以便使經由排液口排出 的大多都是液體。 最好該方法包括經由兩個或以上高於排液口之排氣口 自堆疊床將氣體排出。 最好該方法包括經由兩個或以上高於排液口之排氣口 自堆疊床將氣體排出。 最好該方法包括經由數個至少高於排液口一高度之排 氣口自堆疊床將氣體排出。 最好該容器包括至少一個圓錐出口，且排氣口與排液 口位於出口端。 本紙張尺度適用中國围家標準（CNS) A4規格（210><297公茇〉 9 ϋ ·'_ _ - *. - I In I · ^^1 I - I ί~V -e • < i請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 443940 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 Λ7 B?五、發明説明（7 ) " ™ 圖式簡要說明 第1圖為根據本發明裝置之一較佳實施例的概要圖： 第2圖為第1圖沿2_2線之截面圖； 第3圊為根據本發明裝置另一較佳實施例的概要圖； 第4圖為由申請人進行cfd模擬所得之沿容器長度之麼 力下降圖。 第5圖為由申請人進行cfd模擬所得之位於離容器底部 3公尺處’自軸中央線至容器周緣的容流比。 以下之敘述大多以煤炭升級為主，須注意本發明不僅 限於此並可延伸至處理任何適當的固體材料。 此外’以下之敘述大多以上述K〇i)peiman型裝置為主 ’須注意本發明不僅限於此並可普遍適用於高溫與高壓下 處理任何適當的固體材料’其需在處理過程十分離固體、 液體及氣體。 藉由以下更明確的實施例’本發明延伸至申請人之國 際專利申請案PCT/AU98/00005與PCT/AU98/00142中所述 及之裝置，而該等國際專利申請案在此以前後參照之方式揭露。 參照第1與2圖’該裝置包括具有圓錐形出口端（通以 號碼3表示）之壓力容器。 出口端3包括： (i) 一固體出口 5於圓錐的底端； (ϋ )一排液口 7於圓錐較低之區段； (诅）數個排氣口 9於圓錐上高於固、液出口之上方的 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 袈

*1T 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格< 210X297公釐） 10 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 4439 / 443940 五、發明説明（8 ) 各個高度處，且，如可由第2圖最清楚的看到，在不同的 高度上有數個排氣口 9。 上述之排液/氣口7、9之位置可將將液體分離物與氣 體分離物自液體與氣體分開，其在使用中會向下流經容器 至出口端3。更明確地說，排氣口可在氣流於圓錐中朝緣 錐底部集中時逐漸地排除氣體。 固體排出及排液/氣口5、7、9可具有任何適當的形式 〇 在排氣口 9之例子中，排氣口可具有任何適當的形式 且於任合適當的位置，只要記著需要： ⑴逐漸排除往下到出口端之不同高度的氣體，以使得 堆疊床中每個圓錐之橫載面積單位之流量或流速在每一高 度都維持大致一定； (2)在不造成高氣流速區域下將每個高度的氣體拉向排 氣裝置’該高氣流區會導致大量之壓力下降與/或炎帶固 體及/或液體。 本發明之較佳實施例，如第2圖所示，包括一連串分 開之排氣口間隔環繞在容器之特定高度上。如此之安排導 致部份向下流動之氣體大致朝上流向容器之周緣，而其後 經出口流出容器。 或者，由另一實施例，環繞容器周緣之每一不同高度 上有實質連續之出口（未顯示），以確保有統一向外朝容 器周緣移動的氣體。 固體排出及排液/氣口5、7、9包括閥裝置11，其選擇 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公楚） -11 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 袈 訂 經濟部中央標隼局貝工消费合作社印策 443940 Λ7 _____B7 五、發明説明（9 ) ~~~ ' 性可操作以使固、液及氣體自出口端排出。 閥裝置11盡可能靠近容器設置，如此容器與閥裝置間 的傳疏管為最小’以降低在起動過程中經過出口端之氣體 通量。 此裝置更包括相當小的收集槽17連接至排液口7，用 以承接出口端排出的液體。該收集槽17於較低區段具有一 出口管線19，其係由閥裝置η來控制，於使用中，液體係 經由排液管線19自收集槽π中排出。 使用該裝置以除去煤炭中的水時，一批煤炭送至該裝 之出口端3及管（未顯示）中，此後： (1 )將氮氣打入管中之煤炭堆疊床與出口端3中，以 加壓該堆疊床’一般壓力加至1〇〇_2〇〇154 ; (ϋ)將熱交換介質供至容器之管外部，以間接熱交換 加熱煤炭，一般溫度為520°F ;且 (Mi)將水供入堆疊床以提供蒸氣來源。 由進水口之進水所在堆疊床產生的蒸氣可提供堆疊床 之壓力，並提供進一步加熱煤炭之方法。此外，如上所提 ’由煤炭中水份所釋出的蒸氣同樣有助於壓力提升。這些 因素的結合使堆疊床加壓至可運作之壓力，一般為7〇〇psi 〇 知:兩之壓力與溫度的結合作用為將水份自堆疊床中之 煤炭蒸發或出，並在容器之較低高度之位置將水凝結。該 「擰擠」反應係因煤炭中結構之重排及去羰基反應所造成 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 12 I^-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} -Φ 4439 4 Ο ΑΊ _ Β7 五、發明説明（10) 液體收集至容器之出口端3，並定期經由排液口 7移至 收集槽17 β 如上所述，於不同高度之固/液/氣體排出口 5、7、9 之位置可分別自出口端3移除固體、液體與氣體，特別是 液體與氣體。 此外，將氣體經由排氣口自容器的排除與液體排除分 開可避免出口端之高度嚴重壓力下降，及於出口端3之較 低區段的高氣流速。 參考第3圖，為了將液體與固體經由排氣口 9之損失減 到最少，本發明之一較佳實施例包括板或隔板21相對於排 氣口 9設置’以初步阻偏固體、液體及氣體之向下流動， 而遠離排氣口 9。此外’該板/檔板2〗圍出朝下開口之溝槽 ’此安排是使氣體可向外與向上環繞板/隔板21之底端而 進入溝槽23 ’之後到排氣口 9。可輕易了解到環繞板/隔板 21之向上與向外之氣流減低液體與固體之夾帶。此外，大 致無固體之溝槽23具有加速氣體流至排氣口 9之作用。 經濟部中央標準局負工消費合作衽印製 申請人建立一套轴對襯垂直剖面cfd模擬以觀察本發 明’此模擬係基於氣體經由數個置高於單一固體排出口的 進氣口注入容器中’以便冷卻容器中固體材料堆叠床β此 模擬係基於如上述國際專利申請案所述之分法與裝置。模 擬的結果整理於第4與5囷中。該模擬比較了傳統單一進氣 /排氣口及本發明所提出之多進氣/排氣口。參考第4圈， 該模擬結果顯示根據本發明之多進氣/排氣口較之於傳統 單一進氣/排氣口具有顯著地沿容器之長度降低壓力之優 13 I 4^^ ^^^^1 ^^^^1 He 3 、1 - · (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格< 210X297公嫠） A7 B7 五、發明説明（u 點。參考第5圖，玆握掘任 μ、擬、Ή果顯不根據本發明之多進氣/排 氣口較之於傳統軍一 j# S „ , .^ Λ 進孔/排乳口，在容器中流過容器的 氣流速具有實質—致的優點。 在不偏離本發明之精神與範圍下，可對該等較佳 例進行修改。 例如雖較佳實施例包括—單-固體排出口 5與-單 一排液口 7 ’但亦可輕易了解到本發明並不限於此，而可 有L括4固以上單—固想排出口 5與一個以上之單—排 口 7之安排。 (諳先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨〇x 297公釐）

Claims (1)

1. 4439 .15 Mt AS BS C3 D8 ¾.^.¾.¾1.¾財4-功Η;工消骨合作钍印製 六、申請專利範圍 第87104551號專利申請案申請專利範圍修正本 修正曰期：90年03月 1· 一種用於處理固體物料之容器，其在包括高氣流速流經 容器且自該固體物料中產生液體的條件下於一容器中 處理固體物料，其改良包括：一具有至少一固體出口、 至少一液體出口及設置於該至少一固體出口與該至少 一液體出口之上方之至少一氣體出口的容器出口端* 2. 如申請專利範圍第1項之容器，其中該出口端為在容器 的較低區段。 3. 如申請專利範圍第1或2項之容器，其中該出口端包括數 個排氣口。 4. 如申請專利範圍第3項之容器’其中該排氣口係位於一 個以上之出口端高度。 5. 如申請專利範圍第4項之容器’其中有數個排氣口在至 少一個出口端的高度。 6. 如申請專利範圍第5項之容器，其中在每一個有數個排 氣口，該排氣口間隔環繞容器之周緣，以使得在橫過該 高度處有大體一致的向下流動氣體。 7. 如申請專利範圍第1項之容器，其進一步包括一變流/ 擋板裝置與排氣口連接，以防止液體與氣體直接可向下 流經排氣口之出口端。 8. 如申請專利範圍第7項之容器’其中該每個排氣口之變 流/擋板裝置包括一板或隔板自一高於該排氣口之外位 置向下與向内延伸至容器中。 木紙張义度適用中國國家標卑< CNS ) A4規格（210 X ；^公岸_ ----------在------訂------' :-4 :;ίϊ先背而之注意事項再填寫本頁) ^43940 Λ 6 Β8 C8 D8 t、申請專利範圍 9·如申請專利範圍第8項之容器，其中該板或隔板至少部 份延伸至環繞容器之内面並界定出一向下開口之溝槽 ’以承接向下流經容器之氣流。 10. 如申請專利範圍第1項之容器，其更包括一變流/擋板裝 置與排氣口連接，以防止液體與氣體直接可向下流經排 氣口之出口端。 11. 如申請專利範圍第1〇項之容器，其中該每個排氣口之變 流/擋板裝置包括一板或隔板自一高於該排氣口之外位 置向下與向内延伸至容器中。 12. 如申請專利範圍第11項之容器，其中該板或隔板至少部 份延伸至環繞容器之内面並界定出一向下開口之溝槽 ，以承接向下流經容器之氣流。 13. —種用以處理固體物料的裝置，其在包括高氣流速流經 容器且自該批固體物料中產生液體的條件下於一容器 中處理固體物料，該裝置包括： ⑻一容器其具有： (1) 一入口端，其具有一入口以供應固體物料， 以在容器中形成一堆疊床；及 ⑵一出口端，其具有至少一固體出口、至少一 液體出口及至少一設置於該固/液體出口之 上方的氣體出口； ⑹一供應流體以加壓該堆疊床之裝置；與 (c) 一供應熱交換介質以加熱堆疊床中之固想物料 的裝置。 本紙張尺度適用中國國家標牟（CNS ) A4規格（210X：!<^公蜂） ---------1 —裝------訂------味，-.1 (諳先Μ讀t·面之/i*意事項再填』:4表頁) 16 443940 Β8 C8 六、申請專利範圍 14.如申請專利範圍第13項之裝置，其中該出口端為在容器 的較低區段。 15·如申請專利範圍第13或14項之裝置，其中該出口端包括 數個排氣口》 16. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該排氣口係位於一 個以上之出口端高度。 17. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中有數個排氣口在至 少一個出口端的高度。 18. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中在每一個有數個排 氣口’該排氣口間隔環繞容器之周緣’以使得在橫過該 南度處有大體一致的向下流動氣體。 19. 如申請專利範圍第13項中之裝置，其中供應熱交換介質 之裝置供應該介質以間接熱交換加熱固趙物料。 20·如申請專利範圍第π項之裝置，其中該容器為加壓容器 〇 21. —種處理固體物料的方法，其在包括高氣流速流經容器 且自該批固體物料中產生液趙的條件下於一容器中處 理固體物料，該方法包括： ⑷供應該固體物料至容器中以形成固體物料的堆 吞床， ⑹加壓該堆疊床； ⑹以熱交換介質藉熱交換加熱固體物料，如此壓 力與熱之結合作用可使水份由固體物料中釋放 出來’有部份釋出的水份係為氣態而部份水份 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格{ 210 X 公缝） (^先間锗背'5.-之^意事項再填爲本頁} 装 束 -17 - ^43340 Λ ^ Β8 C8 DS 六、申請專利範圍 呈液態；（d)將氣趙經由容器中至少一個排氣口 自堆疊床排出；且 ⑷將液體經由容器中位在低於排氣口下之排液口 排出。 22. 如申請專利範圍第21項之方法，其包括經由數個排氣口 自堆壘床將氣體排出，以便在低於排氣口處之出口端區 段有實質穩定的氣流速。 23. 如申請專利範圍第項之第21或22項之方法，其包括經由 兩個或以上高於排液口之排氣口自堆疊床將氣體排出。 24. 如申請專利範圍第項之第23項之方法，其包括經由數個 至少高於排液口一高度之排氣口自堆疊床將氣體排出。 25. —種改良處理固體物料的容器之方法，該容器係用以在 包括高氣流速流經容器且自該批固體物料中產生液艘 的條件下於該容器中處理固體物料，其改良方法包括： 提供該容器至少一固體出口以將固體自容器中排出，及 數個進氣口及/或排氣口在高於排氣口一個或多個容器 之南度以將氣體引入或排出容器。 (->--.;先^讀背而之注*事項再4寫本頁) .裝. 訂 經旖部智慈財'r·局與工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（ CNS ) 格（2i〇X2q7公嫠；. 18