TWI335837B - Apparatus and process for distributing liquid - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體而言係關於通常用於質量傳遞塔（c〇lumn)之 液體分配器及使用該等液體分配器分配液體之方法。 【先前技術】 此項技術中已知氣體與液體為了質量或熱傳遞、原料組 伤之分餾及/或分離及其他單元操作而彼此接觸的各種類 型的父換塔。此等交換塔内之蒸氣與液體之反流流動已成 為蒸氣-液體接觸之公認方法。實際蒸氣液體介面需要使 用塔内之蒸餾塔盤或填料台。液體分配於塔盤或填料台 上，同時蒸氣分配於塔盤或填料台之下。在塔盤上下行或 向下流滿經過填料台的液體暴露至向上上行之蒸氣以用於 蒸氣-液體接觸及相互作用。 塔内部之組態確定蒸氣-液體介面及在處理塔中發生的 伴k質里及能量傳遞之效率。蒸氣及液體在形成均質混合 區之蒸餾塔盤或填料台之相對侧上有效及均勻之分配對於 有效操作亦係關鍵的。不均勻液體分配可導致上行蒸氣流 與下行液體流之間的不良接觸及質量傳遞。由於可易於將 效率轉變成操作成本及產物品質，所以當今存在許多設 叶。然而，塔之效率可受塔内部上蒸氣及液體分配之效率 限制L言蒸氣或液體不能在蒸館塔盤或填料台 =部分上均勻分配，則該部分將不用於發揮其全部潛 ^因而減小操作之效率及成本效力。因此，除塔盤及填 料〇自身外，液體分配器為塔内部之最重要的單元。塔之 123725.doc 效能的不 題。 足有時源於諸如堵塞或不均勻分配之液體 分配問 :使用填料台時’可能經由蒸氣與液體之間的 ❺而知失效率。許多高效率填料設計需要反 •液體流經㈣片之_波紋所界定的通道。 始液體或氣體分配不能進入一 特疋波紋圖案，則在填料中 貝寶貝的表面區域直至液體及蒸氣被強迫遷移至填料之 未真充區域中並經由填料之未填充區域相互作用。結果為 不良效率。填料上之較佳液體分配將減小該問題，並達成 填料上之較佳液體分g& ’其需要增加接著饋送—填料△八 配器的分離箱之液體的均句分配。若進入塔之液體更：： 地分配於分離箱之每一部分上，則分離箱之每一部分能夠 傳送-更均勻液體饋送至填料台分配器。本發明之新穎液 體分配器能夠充當一將均勻分配之正確量的液體饋送至填 料台分配器的分離箱。 ' 儘管諸如喷射孔、管、穿孔板、有孔槽及喷嘴之許多先 前技術系統通常在分配某一蒸氣及某一液體至塔盤或填料 台分配系統之多數部分的過程中有效，但是在無—更複雜 之分配設備的情況下通常不能獲得均勻分配。舉例而言， 在塔盤之頂部上簡單地噴射液體常常導致在塔盤之某些部 分中液體流動之高濃度及在其他部分中的較低流動。孔分 配器通常對導致塔内之不均勻灌注的堵塞敏感。製造期間 出現的分配器盤中之表面不規則性同樣增加某些穿孔之流 動阻力或誘發沿盤之底部的液體流動，其為一明顯的缺 123725.doc 1335837 點。總而言之’將流動聚集於一個區域中同時減少其他區 域中之流動的任何流動不規則性對操作效率有害β 提供一用於將液體平均及均勻液體分配於塔盤上的牌、成 將為一優勢。先前設計之實例包括US 6,722,639及US 4,729,857。US 4,729,857教示一具有複數個槽之液體流動 分配器’該等槽形成有一向下逐漸變尖之本體部分，該本 體部分具有形成於其中以用於自其向外噴出液體之孔洞。 隔板安置於槽的下部逐漸變尖本體部分之外部，該槽用於 自其收納液體之喷射及向下均勻地分配液體流動。us 6,722,639教示一包括間隔開並在塔上延伸之複數個伸長槽 的液體分配器。複數個液體排放孔洞位於槽之側壁中並位 於較佳在槽之底板上隔開的一或多個預先選定之平面中。 藏射隔板在外部與槽側壁隔開並包括經定位以收納經由排 放孔洞排出槽的液體之上部部分。濺射隔板之下部部分在 一在槽之下方的平面中形成一收縮之排放出口以用於將液 體自濺射隔板傳送至下伏質量傳遞台。濺射隔板可垂直地 調整且意欲支撐於質量傳遞台之上表面上，使得經排放之 液體被直接傳送至質量傳遞台，藉此減小下落液體在經由 質量傳遞台向上流動之蒸氣流中被輸送之機會。 本發明提供一比先前技術更有效（尤其在流管中之液體 的速度較高的情況下）的新穎液體分配總成。在此高效率 分配器系統中，經由一流動平衡系統保持液體之均勻流 動。設備含有一具有圖案化孔徑的槽、一位於槽中之穿孔 ν形板及-安置於槽上之流管…較佳實施例另外具有位 123725.doc ^35837

於穿孔V形板内之間隔物。設備可用於傳送均勻分配之液 體至-蒸餾塔盤。I某些應用中，可將設備或多組設備用 作-分離箱以傳送均勻分配之液體至一填料台分配器。 、流管傳送多相液體至一裝備有排放孔徑的開口槽(通常 以-特定圖案配置）。纟某些實施例中，多個流f可傳送 液體至開口槽之網路。該槽通常用於質量傳遞塔中以收納 來自上t區域t液體並將液體均勻士也重新分配至下伏塔 盤然而，右流管直接排放至開口槽中，則液體將以不均 ，流率自槽之孔徑排放。直接與來自流管之排放對準的彼 等孔徑可經歷一較高液體流率，與流管排放不對準的彼等 孔徑可經歷-較低液體流率。具有容納於槽内之本發明之 V形板，自&管排放之液體的流率被干擾並被修改，使得 流經V形板之穿孔及流入槽中之液體更均句。在穿孔¥形板 裝備有間隔物之實施例中更進一步増加液體流率之均勻 性。在一替代實施例巾，多_充當—分離箱以將液體均

勻地重新分配至一填料台分配器。 【發明内容】 在一實施例中，本發明係針對一種用於質量傳遞塔中的 液體分配器，該塔具有位於塔内之開放内部區域中之一或 多個蒸餾塔盤。該液體分配器起作用以在塔盤上均勻地分 配一下行液體流以與一上行蒸氣流相互作用。液體分配器 具有傳送液體流至在塔上延伸之至少一下伏伸長槽之至少 一可選饋送管》該槽具有藉由一底板互連之間隔開的第一 側壁及第二側壁。複數個液體排放孔洞至少位於底板中。 123725.doc 1335837 液體分配器進-步包括一位於該槽内之穿孔V形板，使得 來自饋送管之液體在遇到槽之底板之前通過穿孔v形板。 儘管涵蓋多個V形狀（諸如W形狀）’但是較佳板為"V"形 狀。當液體通過穿孔V形板時，將流分成較低速度之較小 流’從而提供通過槽之更均勻之總液體流率。接I以一越 過槽的大體上均勻之流率將液體自槽之排放出口直接傳送 至塔盤之上表面上。 在實施例中，液體分配器進一步含有垂直於板之長度 而定位，跨越板之寬度並在形板界定之體積内延伸的 固體垂直間隔物。間隔物沿V形板之長度界定區域並向區 域之間的液體之水平流動提供至少一部分障壁。一旦乂形 板中之液面達到-特^水平面，則該等間隔物視情況允許 一=供路徑用於液體在區域之間流動的分區溢流通道。在 實施例中V形板藉由支撐物（bracing support)而支撐 於槽内。 在本發明之又一實施例中，液體分配器用於一質量傳遞 塔中’該具有位於塔内之開放内部區域中的一填料台分 配器及-或多個填料台。該液體分配器充當一分離箱以在 真料口刀配器上均勻地分配一下行液體流。在此實施例 中該等槽以複數個槽的形式存在，該複數個槽在塔上以 與該等槽之平行關係延伸’該等槽經間隔開以允許基氣在 相鄰槽之間的間隔中向上流動。將來自該等槽之液體均勻 地分配至一位1Γ 士 丄 . 、槽下方之塔中的填料台分配系統。 【實施方式】 123725.doc 質里傳遞或熱父換塔包括一界定本發明之一或多個液體 刀配器及一或多個蒸餾塔盤位於其中的開放内部區域的直 立圓柱外殼。該液體分配器用於在蒸餾塔盤之水平橫截面 上更均勻地分配一或多個下行液體流，其又有助於下行液 體流與一或多個上行蒸氣流之間的接觸。某些塔使用一或 多個質量傳遞台而非塔盤。質量傳遞台包含各種已知類型 的質量傳遞裝置，包括（但不限於）彼等習知為結構化、柵 格或隨機填料。使用填料台分配器將液體分配至該等台， 通常自填料台分離箱饋送該液體。可使用新穎液體分配器 而非更傳統之填料台分離箱來更均勻地分配液體至填料台 分配器。 塔具有用於處理液體及蒸氣流（包括獲得分餾產物）之類 型。該塔可具有一圓柱組態或其他形狀，包括可使用多邊 形《該塔具有任何適當直徑及高度，且由較佳對於塔内存 在之流體及條件為惰性（或另外與其相容）的適當剛性材料 建構。 經由位於沿塔之咼度的適當位置處之饋送管線將液體流 導引至塔。饋送管線通常將僅載運液體，但可載運蒸氣以 及液體或載運蒸氣以替代液體。該塔亦包括用於移除蒸氣 產物或副產物的至少一架空管線及一用於自塔移除液體產 物或副產物之底部流分流管線。亦可存在諸如回流流管線 (reflux stream line)、再沸器、冷凝器、蒸氣喇叭及其類似 物的其他塔組件。 現轉至圖1、圖2、圖3及圖5，液體分配器2較佳包括一 123725.doc -10- 1335837 收納來自在流管6中弓丨導之液體流之液體的伸長槽4。流管 6具有一系列出口孔洞24以排放液體。流管6位於槽*之上 以允許重力輔助引入液體。、流管6通常具有—範圍為自5 cm至91 cm(2英吋至36英吋）的直徑，但較大直徑亦係適合 的出口孔洞24之聚集面積通常總計小於流管ό之橫截面 的百分之五十《流管6可具有諸如直線、” τ"型組態、"Η" 型組態之各種組態或可包含一具有側分支之主集管。 槽4較佳在第一方向上水平延伸且具有一對應於塔或其 至少一實質部分之直徑的長度。槽4具有由底板12連接之 相對侧壁8與10及端壁14與16。複數個排放孔洞18提供於 底板12中以傳送液體至至少一蒸餾塔盤。在塔3中，槽通 常經過在縱向方向上延伸的塔3之中心而置放。該槽較佳 完全或大體上延伸越過塔且在其末端藉由諸如一焊接至外 殼之内表面的上覆環之構件來支撐。可使用其他支撐構 件；諸如位於槽上之位於中間的梁，藉由將槽附接至流 管，及藉由分配器支撐栅格。可改變槽之大小及特定組態 以滿足預期應用之特定液體及蒸氣負載需求。 槽4包括位於底板12中之複數個間隔開的液體排放孔洞 18。排放孔洞18較佳位於對特定塔及蒸餾塔盤而定製的預 先選定之圖案中。排放孔洞18之圖案沿槽4之長度延伸。 排放孔洞18通常為圓形且具有相同大小，但可為其他形狀 且具有不同大小。液體通過排放孔洞18並下行至亦容納於 塔3内之蒸餾塔盤或填料台分配器35上（蒸餾塔盤或填料台 分配之細印未展示）。 123725.doc 1335837 液體分配器2之槽4容納一沿槽之長度延伸的穿孔v形板 2〇。v形板20允許排出蒸氣而同時減少或消除液體中之紊 凌及動量。如同排放孔洞18—樣，v形板2〇之穿孔22通常 為圓形且具有相同大小，但可為其他形狀且具有不同大 小。穿孔之大小足以實現劃分功能但同時不過度地在v形 板中補充（back up)且累積液體。穿孔22可以任何圖案配置 但較佳以一在v形板20之整個表面上延伸之均勻圖案間隔 開。在本發明之一實施例中，穿孔22將高達4〇%的v形板 表面區域提供為用於液體通過¥形板2〇的開口區域。v形板 20延伸至由槽4形成之體積中，但延伸不至於接觸槽4之底 板12。較佳使v形板2〇之基底鄰近於槽4中之液柱但在槽4 中之液柱之上。在一實施例中，v形板之基底（亦即，v形 板之下部點）距槽之底板六英吋。當然，可視設計而改變 尺寸。 在一實施例中’ v形板自側壁8延伸至側壁1〇而跨越槽4 之寬度，參見圖5»在另一實施例中，v形板支撐於槽4 内，但不自側壁8延伸至側壁1〇。實情為，支撐物3〇用於 支撐槽4之體積内的v形板。圖“及补展示本發明之兩個不 同實施例的一放大比較。圖9a展示自側壁8延伸至側壁1〇 的v形板20。圖9b展示由支撐物3〇支撐而非自側壁8延伸至 側壁10的v形板20。每一設計允許經由槽而適當排氣。在 圖9a中，v形板20中之鄰近於側壁8及10之頂部的穿孔22允 許蒸氣通過由箭頭32所示的v形板。v形板20中之鄰近於v 形板20之基底的穿孔22允許液體通過由箭頭34所示的v形 123725.doc -12· 板。在圖9b中，支撐物3G提供經由由箭頭32所示的槽排出 的蒸氣”形板20中之穿孔22允許液體通過由箭頭Μ所示 的v形板。 儘管不需要，但是當v形板中之¥的基底定位為與流管6 之出口孔洞24對準時達成最大效率。參見圖8，穿孔v形板 含有諸如w形狀之多個v形狀係在本發明之範疇内。在諸如 當流管6具有兩列出口孔洞時之情況下’ w形狀將係有利 的。將定位該板，使得構成评之第一個v的基底與流管之第 一列出口孔洞對準，且構成…之第二個v的基底與流管之第 二列出口孔洞對準。 隨著流體流經由出口孔洞排出流管，該流主要垂直向下 机入出口孔洞下的局部區域中。若該流繼續不間斷流至槽 之底板，則通過槽之不同排放孔洞的流體之量及流體之速 度將視排放孔洞之位置而不同。舉例而言，與流管之出口 孔洞垂直對準的排放孔洞可以比未與流管之出口孔洞對準 的排放孔洞更高的速度提供更大體積之液體。此外，藉由 排出流管並撞擊槽之底板之液體而產生顯著的紊流。該紊 流進一步干擾通過槽之排放孔洞的液體◊本發明藉由使用 v形板而在槽之底板前中斷來自流體管之出口孔洞的液體 流。V形板操作以將排出流管之每一流體流分成大量均勻 地散布於槽之底板上的小流。此外，將來自流體管之大流 體流分成許多較小流之操作導致減小液體之速度並平衡下 行至槽之底板的許多小流之速度。將來自流體管之大流體 流分成許多較小流亦操作以顯著地減少液體在槽之底板處 123725.doc -13- 1335837 之紊流。與其他液體分配器設計相比，總的結果係在槽之 底板上更均勻及更少紊流地分配液體，其又允許經由底板 之排放孔洞更均勻地分配液體。 視組態及流管中之液體的速度而定，自流管之出口孔洞 排放的液體流可具有一水平分量以及預期之垂直分量。因 此’該流可以一與與來自流管之出口孔洞對準之垂直平面 所成的角度向外喷射。來自流管之出口孔洞的液體流之水 平分量（若未加抑制）可能使得通過乂形板之不同穿孔的液體 具有不同方向之流動動量並產生一液柱不平衡。由v形板 產生之小流將不能提供液體之均勻分配且而是視不同流之 動量的水平分量而在部分槽中聚集成一較大體積。 為解決此問題，本發明之一實施例使用垂直容納於由V 形板2 0所形成之體積内的間隔物3 4。該等間隔物較佳在流 吕之出口孔洞之間沿v形板之長度均勻地間隔。間隔物34 在V形板之基底處且至少部分地在v形板之侧面上接觸V形 板以在V形板20之體積内形成區域36。間隔物34之高度足 以達到槽之頂部並可垂直地延伸超過v形板2〇及槽4且延伸 至如圖3中所示之流管6與v形板2〇之間的間隔中。間隔物 34與v形板20之接觸使得液體不在間隔物34與v形板之間流 動且至少在v形板2〇之基底附近不自區域流至區域。該等 間隔物可為三角形形狀以符合由v形板2〇所形成之體積的 形狀(圖5)或間隔物34可為五邊形形狀，以界定分區溢流通 道％(圖η)。分區溢流通道38將允許液體自區域流至區 域但僅在-區域中之液柱顯著地升高至分區溢流通道％ 123725.doc •14· 1335837 之尺平面的情況下。此將防止在諸如翻倒、碎片阻塞v形 板中之穿孔及其類似情況的情況下槽之溢流。只要液體之 水平面保持在分區溢流通道38之下’則藉由間隔物34阻塞 區域36之間的液體流動。當排出流管6之液體具有一水平 動量分量時，液體將衝擊間隔物34,沿間隔物34之表面排 放，並保留於特定區域36内。水平動量分量被干擾，且達 成經由穿孔22之液體的更均勻分配。 實例 為論證本發明之效力，進行一比較研究。比較三個不同 系統。第一系統不含有v形板。實情為，將水平平坦穿孔 板女裝於槽内以干擾液體自流管之出口孔洞至槽之底板中 的排放孔洞之流動。在US 5,209,875及US 5,573,714中描述 類似系統。下一系統含有本發明之v形板。最後的系統具 有新穎之v形板且另外在流管之出口孔洞之間的位置處具 有垂直地位於v形板之體積内的間隔物。使用等同液體在 等同條件下操作每一系統》九次分析每一系統之效能：在 三個不同液柱深度下且在槽之底板中具有三個不同排放孔 洞圖案的情況下。將三個不同排放孔洞圖案標記為圖案 A、B及C。在每一實驗中，量測排出槽之底板中的排放孔 洞之液體的流率且執行百分比（最大/最小）分配計算。分 配百分比愈小’液體分配愈均勻。在表中可發現所收集之 資料。 123725.doc 15 1335837 表 無V形; & V形板 具有間隔物之Vfl 多板 液柱深度(英吋） 2 6 10.5 2 6 10.5 2 6 10.5 圖案A 62% 21% 10% 49% 13% 3% 21% 10% 6% 圖案B 149% 138% 13% 101% 48% 12% 45% 25% 3% 圖案C 485% 485% 18% 138% 58% 20% 147% 18% 13% 如資料展示，與另一液體分配器相比，V形板及具有間 隔物之V形板展示優良的效能。在一個實驗以外的所有實 驗中，具有V形板之液體分配器兩者皆展示比不具有V形板 之液體分配器更均勻的流率。時常地，改良係驚人的。此 實例論證，在特定應用中，利用V形板或具有間隔物之V形 板可增加液體分配之均勾性。 【圖式簡單說明】 圖1為在槽之底板中具有孔徑之圖案的槽之俯視圖。 圖2為包括流管、V形板、間隔物及槽之液體分配器總成 之一實施例的俯視圖。 圖3為位於一蒸餾塔盤或填料台分配器上的塔中之液體 分配器總成之側視圖。 圖4為支撐液體分配器總成之流管之托架的端視圖。 圖5為包括流管、v形板、間隔物及槽之液體分配器總成 的端視圖。 圖6為液體分配器總成之穿孔v形板的經放大之局部透視 圖。 圖7為液體分配器總成之間隔物之端視圖。 圖8為v形板具有多個v形狀（產生一 w形狀）的液體分配器 123725.doc •16- 1335837 總成之穿孔V形板的經放大之局部透視圖。 圖9a為槽及V形板之一實施例之剖面端視圖。 圖9b為槽及v形板之另一實施例之剖面端視圖。 圖1 〇為液體分配器總成之剖面側視圖。 圖Π為液體分配器總成之剖面端視圖。 【主要元件符號說明】 液體分配器 塔

4 槽 6 流管/饋送管 8、10 側壁

2 3 12 底板 14 ' 16 端壁 18 排放孔洞/排放出口 20 v形板 22 穿孔 24 出口孔洞 30 支撐物 32 箭頭 34 間隔物/箭頭 35 塔盤/質量傳遞台/塔盤或填料 36 區域 38 分區溢流通道 分配器 123725.doc

Claims (1)

1335837 十、申請專利範圍： 1' —種液體分配器，其包含： a) 至少一伸長槽（4 ) ’其具有由一底板（丨2 )互連的間隔開 之第一（8)側壁及第二（1〇)側壁，該底板（12)具有複數 個液體排放孔洞（18); b) 至少一伸長之v形板（2〇)，其具有複數個穿孔（22),該 v^/板（20)位於該槽（4)之該第一（8)侧壁與該第二（1 〇) 侧壁之間。 2. 如請求項1之液體分配器，其進一步包含一具有出口孔 洞（24)之流管（6)，其中該流管（6)位於該槽（4)之上，且該 等出口孔洞（24)與該槽（4)對準。 3. 如請求項1之液體分配器，其中該乂形板（2〇)界定一體積 且進一步包含垂直地位於該由該v形板（2〇)所界定之體積 内的複數個間隔物（34) ’其中該等間隔物（34)界定一分 區溢流通道（38)。 4. 如請求項3之液體分配器，其進一步包含一具有出口孔 洞（24)之流管（6) ’其中該流管（6)位於該槽（4)之上，且該 等出口孔洞（24)與該槽（4)對準，且其中該等間隔物（34) 位於該流管（6)之該等出口孔洞（24)的位置之間。 5. 如請求項1之液體分配器，其進一步包含鄰近於該槽（4) 之該底板（12)中的該等液體排放孔洞（18)之至少一質量 傳遞台（35)。 6. —種用於分配液體之方法，其包含： a)經由一流管引導液體； 123725.doc 1335837 b) 經由U管中之-系列出口孔洞自該流管排放該液 體； c) 使該經排放之液體通過—ν形板中之穿孔並進入一具 有由底板互連之間隔開的第一側壁及第二側壁的伸 長槽中，該底板具有複數個液體排放孔洞，其中該乂 形板位於該槽之該第一侧壁與該第二側壁之間；及 d) 使該液體通過該槽之該底板中的該等液體排放孔洞。 7.如凊求項ό之方法，其進一步包含使該來自該槽之該底 板中的該等液體排放孔洞之液體與至少一蒸餾塔盤或一 填料台分配器接觸。 8‘如明求項6之方法，其進一步包含：將該自該流管排放 之液體導引至該ν形板之區域中及限制區域之間的液體 流之至少一部分，其中該等區域係由垂直地位於由該V 形板所界定之體積内且在該流管之該等出口孔洞之間間 隔的間隔物所界定。 9.如請求項6之方法，其中該液體在通過該槽之該底板中 的該等液體排放孔洞之後實際上不具有水平動量分量且 實際上不具有紊流。 1〇.如明求項6之方法，其進一步包含經由該ν形板排出蒸 氣。 123725.doc