專利名稱：用于將二相流分流成為具有所需汽液比的兩個或更多個流股的裝置的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用于將包括例如蒸汽和液體這樣的輕相流體和重相流體的二相輸入流，分流為兩個或更多個二相輸出流的裝置。該裝置能確保每個輸出流得到期望的汽液比。每個輸出流的總流量不必相同。本發(fā)明適于但不限于將沿管道或通道流動的二相工藝流股分流到并聯(lián)的熱交換器、爐管、空氣冷卻器、化學(xué)反應(yīng)器或管道系統(tǒng)的應(yīng)用。
相關(guān)技術(shù)在很多操作單元中都需要二相流的分離，歷史上應(yīng)用過從簡單的對稱管道分流器(piping split)或三通的到更復(fù)雜的二相流分流器的不同類型的方案。
二相工藝流股分離設(shè)備可分為6大類第一類使用標(biāo)準(zhǔn)三通管的對稱管道分流器分離二相流的傳統(tǒng)方式是使用標(biāo)準(zhǔn)三通管制造對稱管道分流器，并依賴該狀態(tài)來平均分配到每個支管。一個用于將二相流分成四個輸出流的對稱管道分流器的例子在

圖1的等角投影圖中示出。二相輸入流在輸入管道1中流動。管道1使二相流流到第一個三通3，該處流股被分為兩個輸出流。該示例中，一個90°彎管2位于三通3的上游。由于作用在液體上的離心力，液體趨向于靠近彎管的大半徑壁流動，而蒸汽則趨向于靠近小半徑壁流動。因而彎管導(dǎo)致橫跨管道橫截面的相分離和蒸汽、液體的不均勻分布。為了將由上游彎管2導(dǎo)致的對于三通3中分流性能的負(fù)面影響降到最低，管道1最好像示出的那樣垂直于三通3定義的平面。來自三通3的兩輸出流中的每個流股在三通5a和5b中被進(jìn)一步分為兩個輸出流。三通5a上游有彎管4a，三通5b上游有彎管4b。同樣為了將由上游彎管4a和4b中相分離導(dǎo)致的對于三通5a和5b中分流性能的負(fù)面影響降到最低，管道7垂直于由三通5a和5b定義的兩平面。通過使用對稱的管道分流器，管道1中的輸入流由此被分成在管道6a、6b、6c和6d中流動的四個產(chǎn)品流股。
對稱的管道分流器可能是用于將二相輸入流分離為兩個或更多個輸出流的應(yīng)用最廣的方法。然而歷史表明，在很多情況下，該原理不能成功地將液體、蒸汽平均分布到輸出流，導(dǎo)致輸出流中的汽液比不同。標(biāo)準(zhǔn)三通管型對稱管道分流器的主要問題是流股分流的性能要取決于上游管道中的流動方式，而在所有相關(guān)工作狀況下未必總能保持期望的彌散流動狀態(tài)。彌散流動狀態(tài)是一種在流動通道或管道內(nèi)，在連續(xù)汽相中小液滴均勻分布，或在連續(xù)液相中小汽泡(泡狀流動)均勻分布的流動狀態(tài)。對稱管道分流器的性能還會取決于如前所述管道分流器上游的管道配件的存在。對稱管道分流器的主要局限在于輸出流的流率要近于相同，以避免輸出流汽液比的顯著不同。另一局限在于二相流只能被對稱地分成2、4、8、16等數(shù)目的輸出流。因此不能產(chǎn)生3、5、6、7、9...等數(shù)目的輸出流。
已有提議通過注入化學(xué)藥品以減小管道分流器上游液體的表面張力來改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)三通管型對稱管道分流器的性能。減小液體表面張力后，在更低流率下將得到彌散流動狀態(tài)。由此在較廣的汽液流率范圍可得到對稱管道分流器的可接受的性能。美國專利5,190,105給出了一個例子，其中表面活性劑在飽和水蒸氣和水的二相流管道分流器的上游被注入到多個注入井中，從而確保到每個注入井的質(zhì)量(蒸汽部分)相同，以更好地從儲油器中回收油。
第二類在三通管中使用如葉片、擋板或靜態(tài)混合器的特殊插入物。
人們已經(jīng)進(jìn)行了多種嘗試，試圖通過使用如葉片、擋板或靜態(tài)混合器的管道插入物來提高標(biāo)準(zhǔn)三通管的分流性能。
美國專利4,396,063記述了第一個例子，其中靜態(tài)混合器剛好位于一個包括一Y形支管的三通的上游。為了獲得好的分流性能，即每個輸出流的汽液比相同，彌散流為優(yōu)選。在彌散流動狀態(tài)中，二相混合物多少會像單相流體一樣行動。小液滴趨于以大致相同的速度跟隨蒸汽流，或反之亦然。因此在彌散流動狀態(tài)下，三通管中常能獲得好的分流性能。三通上游的靜態(tài)混合器的使用提供了垂直于輸入管道中流動方向的具有一定的投影面積的表面。液體會沖擊這些表面并由此與汽相分開。因此如果采用，靜態(tài)混合器會干擾期望的彌散流動狀態(tài)，并會導(dǎo)致不希望的液體和蒸汽的分離。使用靜態(tài)混合器在操作系統(tǒng)中會引入額外的壓降，由于增加了泵和/或壓縮機(jī)的能量消耗，這會導(dǎo)致額外的操作費用。靜態(tài)混合器還容易被如銹和腐蝕產(chǎn)物的污染物所污染。
美國專利4,824,614記述了第二個例子。該分流器也包括一位于三通14上游的輸入管道中的靜態(tài)混合器22，其中輸入流30被分為兩個輸出流74和76。在靜態(tài)混合器22和三通14之間有一水平分層器24(horizontal stratifier)。該分層器從六個不同高度收集流體。在最低即第一高度收集的流體被送到輸出流76，在第二高度收集的流體被送到輸出流74，在第三高度收集的流體被送到輸出流76，等等。如同第一例子的混合器，本例子中的混合器將趨于從蒸汽中分離液體，這是不希望的。該靜態(tài)混合器也會增加操作費用，且易受污染。該分層器收集流體僅在蒸汽和液體跨管道橫截面均勻分布的情況下起作用，而在實際應(yīng)用中不會有這種情況。混合器/分層器組合在美國專利5,810,032記述的水蒸氣/水的實地應(yīng)用中進(jìn)行了試驗。該試驗的結(jié)果是在標(biāo)準(zhǔn)緩沖三通中比用混合器/分層器組合得到了更好的水蒸氣和水的分流。
美國專利5,810,032記述了第三個例子。不同類型的標(biāo)準(zhǔn)管道三通插入物在具有空氣和水的實驗室和將水蒸氣/水混合物分流到并聯(lián)的注入井以更好地從儲油器回收油的實地都進(jìn)行了試驗。研究了三大類的管道插入物在標(biāo)準(zhǔn)三通上游的靜態(tài)混合器，在標(biāo)準(zhǔn)三通上游的垂直流動擋板和在標(biāo)準(zhǔn)三通的兩個輸出支路中使用節(jié)流閥或噴嘴。也研究了這三種插入物的結(jié)合。結(jié)論是靜態(tài)混合器和垂直擋板僅導(dǎo)致分流性能的微小改進(jìn)。在兩個輸出支路中使用節(jié)流閥或噴嘴被聲稱會導(dǎo)致被試流動狀態(tài)的稍好的分流性能。然而不清楚在輸入管道橫截面中液體和蒸汽非均勻分布的情況下，液體均勻分布到噴嘴和三通的輸出支路的驅(qū)動力是什么。在彌散或泡狀流動狀態(tài)(連續(xù)汽相的液滴或連續(xù)液相的氣泡)中，還未完成任何實驗室流動試驗，在實驗室試驗中的估計流動狀態(tài)是層流、波狀層流、段塞流和環(huán)流，如同使用Ovid Baker先生的二相流圖(1969年10月的Hydrocarbon Processing中第105到116頁“How to size process piping for two-phaseflow”)預(yù)測的。這可能是為什么發(fā)現(xiàn)在低流速和低液體分率情況下帶有或不帶有插入物的標(biāo)準(zhǔn)三通的分流性能更好的原因。優(yōu)選的高速流動狀態(tài)、彌散和泡狀流動狀態(tài)從未試驗過。如果在彌散和泡狀流動狀態(tài)進(jìn)行了試驗，那么結(jié)論非常可能不同。
其他人提出使用顯著改進(jìn)的三通，而不在標(biāo)準(zhǔn)管道三通中使用特殊插入物。日本專利62059397A2、美國專利4,528,919和美國專利4,512,368記述了改進(jìn)的管道三通的例子。
第三類依賴于在管道分流器上游建立的特定流動狀態(tài)的設(shè)備。
由于缺少精確的流動狀態(tài)圖，很難在工業(yè)應(yīng)用中預(yù)測流動狀態(tài)。大多數(shù)流動狀態(tài)圖主要基于小直徑管道(＜2英寸)中空氣和水的二相流動狀態(tài)數(shù)據(jù)。因此例如在碳?xì)浠衔?氫系統(tǒng)中，在像加氫處理單元中的高壓高溫下，流動狀態(tài)圖可能不準(zhǔn)確。
除了流動狀態(tài)圖的不可靠之外，還存在用于預(yù)測液體和蒸汽的量和性質(zhì)的熱力學(xué)模型的不可靠。該不可靠性例如對于復(fù)雜的碳?xì)浠衔锵到y(tǒng)可能很顯著，其中碳?xì)浠衔锏奶卣髟谟诓捎昧思俳M分，并且其中使用了狀態(tài)方程來預(yù)測汽化度和流體性質(zhì)。
處理廠中的管道系統(tǒng)還經(jīng)常是帶有如擴(kuò)張、收縮、彎轉(zhuǎn)、止回閥等管道配件的復(fù)雜系統(tǒng)。每當(dāng)二相流經(jīng)過這些管道配件，總流動狀態(tài)就會被干擾并需要長直管道來重建總流動狀態(tài)。例如，如前所述，彎轉(zhuǎn)趨于分離相，使重的液相靠近彎轉(zhuǎn)大半徑壁運動，較輕的蒸氣靠近彎轉(zhuǎn)小半徑壁運動。
由于這三個原因，通常不可能精確預(yù)測管道或流動通道中的實際流動狀態(tài)。另外，由于操作環(huán)境中如溫度、壓力、流率和流體化學(xué)組成之類的變量，通常不可能在操作單元中的所有相關(guān)操作環(huán)境下均保持一個流動狀態(tài)。然而，很多二相流分流器被設(shè)計為僅用于一個流動狀態(tài)。
美國專利4,516,986記述了這種二相流分流器的第一個例子。該分流器包括插入主管10中的一內(nèi)管12。在內(nèi)管和主管之間的環(huán)狀區(qū)域中有一擋板13。主管中預(yù)期的流動狀態(tài)是環(huán)狀流動狀態(tài)，其中液體在管壁附近的環(huán)狀環(huán)中流動，蒸汽以高速在管中心流動。靠近管壁流動的部分液體企圖匯聚在封閉端容積14中。從該封閉端容積14，液體流經(jīng)外線15通過控制閥23。蒸汽從擋板13下游的環(huán)狀蒸汽容積30中匯聚并通過管道支路11送出，在該支路，蒸汽和來自控制閥的液體并流。管道支路11中二相流中的流量計20用于控制液體流。流量計如何能精確測量汽液比未予表述。為了測量汽液比，通常需要蒸汽和液體流的單獨流量測量。在環(huán)流之外的其他流動狀態(tài)，例如段塞流，設(shè)備的分流性能可能很差。即使在主管10中環(huán)流是主導(dǎo)的流動狀態(tài)，任何位于分流器上游的如彎管的管道配件都將干擾流動。因此在分流器上游需要特定的直管部分，其將在操作單元中占用額外空間。流率的變化幅度也可能存在限制。當(dāng)總流率降低到低于設(shè)計值，通過擋板13的壓降快速降低，通過控制閥23的有效壓降也一樣會快速降低。在某點控制閥完全打開，不能再控制液體流。通過引入檢測儀表和控制閥，該系統(tǒng)不再像其他二相流分流器那樣簡單和堅固，且通過分流器的壓降增大。較高的壓降通常會增加操作單元中泵壓和/或壓縮的操作費用。該專利描述了產(chǎn)生兩股輸出流的方法。如果需要三個或更多股輸出流，那么極有可能需要兩個或更多個串聯(lián)的分流器。如果需要很多輸出流，則分流系統(tǒng)將變得相當(dāng)復(fù)雜，且所需壓降將變得過大。
美國專利4,800,921記述了第二個例子，其中為水平集管16提供了輸出支管14a、14b、14c等，上游輸出支管在較高高度，而每個下游輸出支管的高度接連降低。該方案應(yīng)該是，如果環(huán)流是集水管中的流動狀態(tài)，那么輸出支管的不同高度應(yīng)保證環(huán)狀液體環(huán)的厚度在每個輸出支管處大致相同。則每個支流中的汽液比聲稱接近相同。如同已經(jīng)提到的，難以對所有相關(guān)操作環(huán)境預(yù)測并保持在某一種流動狀態(tài)。另外，即使環(huán)流能夠在主管路中維持，也期望汽液比是每個支管路的總流率的函數(shù)。每個支管路中的流率越高，被吸入管道的蒸氣越多，則汽液比越高。如果在特定操作模式中，流動狀態(tài)與預(yù)期不同，例如層流，則導(dǎo)致所述相到輸出支路的嚴(yán)重分布不均。
美國專利4,574,837記述了第三個例子，其中假設(shè)已知在水平主管10中的某一相分布。主管具有在不同高度的開口，以允許流體首先流到環(huán)狀容器12，再進(jìn)一步到達(dá)支管13。支管中流股的汽液比由選擇分別位于管10頂部和底部的開口的適當(dāng)通流面積確定。管頂通流面積相對于底部通流面積越高，支管中得到的汽液比越高。所述設(shè)備只在層流和波狀層流動狀態(tài)起作用。并且當(dāng)主管中的液位和預(yù)見的一樣，所述設(shè)備將只產(chǎn)生具有所需汽液比的分流。因此該設(shè)備將只對低速和對固定汽液比及特性起作用。大多的商業(yè)應(yīng)用的特征是高流速和汽液比及特性的顯著變化。
美國專利4,574,827和5,437,299記述了依賴于在管道分流器上游建立的特定流動狀態(tài)的分流器的其他例子。
第四類應(yīng)用離心力的設(shè)備。
在美國專利5,059,226中記述了離心二相流分流器。該離心分流器有一個切向流體入口28通入一渦流室23。在該渦流室底部具有一中央輪轂38和葉片39，將漩渦式流動的蒸汽和液體引導(dǎo)向輸出孔36并進(jìn)入輸出通道37。不容易理解液相分布的驅(qū)動力是什么。由于在設(shè)備的一側(cè)只有一個入口28，因此液體入口不是對稱的。液體沿著渦流室內(nèi)壁漩渦式流動，但由于不對稱設(shè)計，無法形成均勻流動和均勻的液層/膜的厚度。因此，某些葉片39預(yù)計會比其他葉片集中更多的液體，而導(dǎo)致輸出通道37的不是最佳的液體分布。
第五類使用外部能源來產(chǎn)生彌散流的設(shè)備。
歐洲專利0003202 B1記述了這種設(shè)備的一例。發(fā)動機(jī)32和軸28上的旋轉(zhuǎn)攪拌裝置用于在輸入流分流到輸出通道4a、4b和4c的管道分流器上游使液體和蒸汽混合物彌散。由于能夠不管流率和液體性質(zhì)的變化，而通過增加軸28的軸功來產(chǎn)生彌散流動狀態(tài)，因此該設(shè)備可能會有效。這種設(shè)備的主要問題是要在軸28和管道/彎管21之間取得好的密封，這在如加氫裂化(高達(dá)300巴)的高壓應(yīng)用下不是一項容易的任務(wù)(不是廉價的設(shè)計)。旋轉(zhuǎn)設(shè)備的初始成本、維護(hù)成本和發(fā)動機(jī)的能耗成本也都很高。
第六類先分離輸入流中的蒸汽和液體，再將每一相分布到輸出流的設(shè)備。
使用傳統(tǒng)汽/液分離器和傳統(tǒng)裝置將二相輸入流分流成為三個輸出流的分流器的第一個例子如圖2所示。二相輸入流通過管線11流到分離器10，在該處液相13與汽相12分離。汽相沿著蒸汽輸出管線14流到并聯(lián)的控制閥15a、15b和15c。控制閥的位置或提升高度由流量控制器16a、16b和16c控制，以獲得通過每個控制閥的所需的蒸氣流率。流量測量通過使用任何如孔板或文丘里管結(jié)合ΔP傳感器的傳統(tǒng)方法獲得。流量控制器與一壓力控制器17串聯(lián)。壓力控制器根據(jù)流量控制器16a、16b、16c改變流量設(shè)定值以維持分離器中所需的壓力。液相13沿著液體輸出管線18流到并聯(lián)的控制閥19a、19b和19c。控制閥的位置或提升高度由流量控制器20a、20b和20c控制以獲得通過每個控制閥的所需的液體流率。流量測量通過使用任何如孔板結(jié)合ΔP傳感器的傳統(tǒng)方法獲得。流量控制器與一液位控制器21串聯(lián)。液位控制器將根據(jù)流量控制器19a、19b和19c改變流量設(shè)定值以維持分離器10中所需的液位。最后，來自閥15a、15b和15c的蒸氣流股與來自閥19a、19b和19c的液體流股合并，以產(chǎn)生三股二相輸出流22、23和24。
圖2所示的二相流分流器的裝置相當(dāng)復(fù)雜，并且隨著如傳感器、控制閥和控制器之類的元件的復(fù)雜性和數(shù)目的增加，失敗和擾亂的風(fēng)險也增加。如果汽液比在這種控制系統(tǒng)的失敗或擾亂中變得太高或太低，某些下游系統(tǒng)可能會被損壞。例如當(dāng)管中流動的流股的汽液比突然增加，由于管子過熱會產(chǎn)生管子破裂或爐管中炭堆積的風(fēng)險。另一種例子是如果反應(yīng)器在過低的汽液比下操作而造成缺氫，即使在很短時間內(nèi)，也會在并聯(lián)的催化加氫處理反應(yīng)器中產(chǎn)生快速炭堆積的風(fēng)險。控制系統(tǒng)復(fù)雜和分離器容器10尺寸大也會導(dǎo)致分流器的高成本。
美國專利4,293,025記述了第二個例子。該二相流分流器包括一具有二相輸入管口11的分離器容器10。沖擊板14位于輸入管口下面，以破壞輸入流的高流速。分離器中具有兩個或更多個煙囪狀物12(chimney)。煙囪狀物的上端開放，以允許蒸汽進(jìn)入煙囪狀物。煙囪狀物具有孔13，以使液體進(jìn)入煙囪狀物。帽16位于煙囪狀物開口上方，以避免在煙囪狀物上方的液體直接進(jìn)入。到每個煙囪狀物的液體流量由孔13上方的液壓頭和孔的通流面積決定。對于容器中給定的液位，到每個煙囪狀物的液體流量將近乎恒定。因此這種液壓頭成為液體分布到并行輸出流的驅(qū)動力的二相流分流器將確保到每個輸出流的恒定液體流量，而不是恒定汽液比。液壓頭成為分布驅(qū)動力的分流器的另一個問題是受限的液體流量變化幅度。必須測量孔13的面積以獲得在設(shè)計液體流率下的中間液位。如果在某些工作模式液體流量假定高50％，則液位將比設(shè)計液位高約2.25倍，且液體可能由此會溢出煙囪狀物并導(dǎo)致到輸出流的液體分布不均。如果液體流量假定比設(shè)計液體流量低50％，則液位將僅約為預(yù)計液位的25％。在低液位，由于對波動、非水平安裝和其他制造公差的高靈敏度，液體分布性能可能變得很差。可以通過在更多高度處設(shè)置孔來擴(kuò)大分流器的液體流量變化幅度。然而，若在更多高度處設(shè)置孔，則設(shè)計點的液體分布性能相對于僅在一個高度具有孔的分流器性能下降。
美國專利4,662,391、日本專利03113251 A2和日本專利02197768 A2記述了液位為液體平均分布到每個輸出流的驅(qū)動力的分流器的其他的例子。
美國專利5,250,104記述了分離液體和蒸汽相的分流器的第三個例子。管道14中流動的二相混合物在分離器12被分離。汽相在三通20被分為兩個流股。該兩汽相流股中的每個通過孔22和24。液體在集存槽30中集中并經(jīng)過兩并行液體管線32和34。通過孔的蒸氣流的壓降ΔPv幾乎正比于體積蒸汽速率的平方。液流通過液體管線32和34的壓降ΔPL包括一歸因于集存槽30中的液位和液體管道端部40和42的液位的高度差的靜態(tài)項ΔPSL和一摩擦項ΔPFL。ΔPFL幾乎正比于體積液體流率的平方。由于蒸汽和液體通過分流器的路徑是平行路徑，所述壓降需要相同ΔPv＝ΔPSL+ΔPFL(1)蒸汽孔和液體管道的通流面積是依尺寸制造的以達(dá)到特定的蒸氣流率QV和特定的液體流率QL。現(xiàn)在如果例如實際蒸氣流量在某些操作模式中高50％，則ΔPv比預(yù)計的要高125％。由于液體流量是不變的，ΔPFL也是不變的。為了滿足方程(1)，ΔPSL因此必須增加1.25×ΔPv。結(jié)果集存槽30中的液位需要顯著降低，并且在某一點，集存槽30中將沒有液位，蒸氣和液體都將進(jìn)入液體管線32和34。這種情況下，將導(dǎo)致液體到并行管線32和34的不良分布。另一方面，如果在某些操作模式中蒸氣流量假設(shè)比設(shè)計蒸氣流量低50％，則ΔPv比預(yù)計的低75％。那種情況下，集存槽30中的液位將顯著升高并溢出集存槽，導(dǎo)致液體流到孔22和24并且分布不均。該分流器將只在設(shè)計蒸氣流率和液體流率下正常工作。該分流器的液體和蒸氣流量變化幅度對大多工業(yè)應(yīng)用而言是不夠的，所述工業(yè)應(yīng)用通常特征是液體和蒸汽流率以及如密度、粘度、表面張力的液體和蒸汽性質(zhì)都顯著變化。
發(fā)明概要本發(fā)明是用于將二相輸入流分流成為兩個或更多個輸出流的裝置。該裝置可設(shè)計為在每個輸出流中維持接近相同的汽液比。
本發(fā)明一個實施例的分流器如圖3A、3B和3C所示。輸入流流過一輸入管道到達(dá)一分離器容器。所述容器中的輸入管口下方設(shè)置一沖擊板以破壞流股的高流速并將所述流引導(dǎo)向分離器內(nèi)壁，液體在該處將撞擊并與汽相分離。在分離器容器中完成液相和汽相的分離。
在分離器內(nèi)部設(shè)置有兩個垂直吸入通道。這些吸入通道與兩個輸出管道流體連通，輸出流通過所述輸出管道離開分離器。吸入通道的較低端淹沒于液相中。吸入通道側(cè)壁上開孔。蒸汽通過位于分離器中液位上方的孔流動。當(dāng)蒸汽通過這些孔流動，就產(chǎn)生了吸入通道壁內(nèi)外的壓降。結(jié)果液體升高進(jìn)入所述吸入通道。液體與所述吸入通道內(nèi)部的蒸汽混合，二相混合物向上流動通過通道并通過輸出管道離開分離器和二相流分流器。
分離器內(nèi)的液位主要由進(jìn)入容器的蒸汽流率決定。低蒸汽流率下液位高，高蒸汽流率下液位低。所述液位幾乎不受液體流率影響。
與上述現(xiàn)有技術(shù)不同，本發(fā)明具有下述優(yōu)點A)本發(fā)明的分流器可以設(shè)計為在輸出流中維持近于相同的汽液比。或者，分流器可以設(shè)計為在輸出流中維持特定的不同的汽液比。
B)本發(fā)明的分流器可以設(shè)計為任何分流比。即使實際分流比在某些操作階段不同于分流器的設(shè)計分流比，本發(fā)明也會有效。
C)本發(fā)明的分流器在輸入管道中所有流動狀態(tài)下都將同樣好地發(fā)揮作用。
D)本發(fā)明的分流器對上游或下游管道系統(tǒng)的安排不是很敏感。例如，其性能不會受到分流器上游如彎轉(zhuǎn)或閥的管道配件存在的影響。
E)通過使用本發(fā)明的分流器可以產(chǎn)生任意數(shù)目的輸出流。使用緩沖三通(impact tee)的對稱管道分流器只能產(chǎn)生2，4，8…等個輸出流，而本發(fā)明還可產(chǎn)生3，5，6，7，9…等個輸出流。
F)本發(fā)明的分流器代表了一個簡單堅固的設(shè)計。它沒有檢測設(shè)備和移動部件。它僅需要低維護(hù)，且不需要工廠操作員的關(guān)注。
G)本發(fā)明的分流器是一開放系統(tǒng)，不易受到污染。在操作單元中使用該分流器因此將不會影響過壓保護(hù)原理。對于加氫操作單元，位于分流器上游的設(shè)備可以由此仍然受到位于分流器下游的卸壓閥的過壓保護(hù)。
H)無論下游系統(tǒng)的壓降可能有多高，分流器的壓降很低(在設(shè)計情況下為～0.05巴)。
I)本發(fā)明的分流器代表了一個緊湊的成本功效大的設(shè)計。
附圖簡要說明圖1表現(xiàn)了現(xiàn)有技術(shù)，是對稱管道分流器包括的管道系統(tǒng)的等角投影圖。在對稱管道分流器的該示例中，輸入流通過使用三個標(biāo)準(zhǔn)管道三通被分為4個輸出流。
圖2也表現(xiàn)了現(xiàn)有技術(shù)，是用于將輸入流分流為三個輸出流的具有儀表裝置的汽/液分離器的工藝流程簡圖。
圖3A、3B和3C表現(xiàn)了本發(fā)明的一實施例。圖3A是沿A-A線剖切的該實施例的側(cè)面截面圖。圖3B是沿B-B線剖切的橫截面視圖。圖3C是沿C-C線剖切的俯視圖。
圖4是顯示本發(fā)明分流器的第一使用例的工藝流程簡圖。該分流器用于將二相流分流到包括熱交換器、儀表裝置和爐管的三個并聯(lián)的處理系統(tǒng)。
圖5是顯示本發(fā)明分流器的第二使用例的工藝流程簡圖。該分流器用于將二相流分流到兩個并聯(lián)的滴液床化學(xué)反應(yīng)器。
圖6A、6B和6C表現(xiàn)了本發(fā)明的另一實施例，并顯示了可選的吸入通道的設(shè)計。圖6A是沿A-A線剖切的該實施例的橫截面視圖。圖6B是沿B-B線剖切的側(cè)面截面圖。圖6C是沿C-C線剖切的側(cè)面截面圖。
圖7A和7B表現(xiàn)了分流器被制成化學(xué)反應(yīng)器的組成部分的本發(fā)明的再一實施例。圖7A是化學(xué)反應(yīng)器底部的側(cè)面截面圖。圖7B是沿圖7A中A-A線剖切的吸入通道的橫截面視圖。
圖8表現(xiàn)了分流器被制成殼體和管道熱交換器的組成部分的本發(fā)明的一個實施例。圖8是熱交換器和分流器的側(cè)面截面圖。
本發(fā)明的可選實施例包括但不限于圖中所示的設(shè)計。
背景技術(shù)：
很多類型的工業(yè)處理設(shè)備上游都需要將二相流分離為兩個或更多個輸出流并在每個輸出流中具有相同汽液比。例如●在操作爐中，并聯(lián)的爐管最常用于過程流體，以避免過大的爐管直徑并提供經(jīng)濟(jì)的爐設(shè)計。因此進(jìn)料流股需要分流到該爐上游的并聯(lián)爐管中。
●在現(xiàn)代處理廠中，經(jīng)常使用并聯(lián)的系列熱交換器，如系列殼體和管式熱交換器。這是為了避免過大的管束直徑和/或優(yōu)化處理廠中的熱聯(lián)合。
●由于束尺寸的限制，以及由于在輸入集管長度過大的情況下流體到并聯(lián)的空氣冷卻器管的不良分布，空氣冷卻器束最常設(shè)置為并聯(lián)的。
●化學(xué)反應(yīng)器如滴液床反應(yīng)器可設(shè)置為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。在高壓應(yīng)用中，可這樣設(shè)置以減小反應(yīng)器的直徑并由此降低總反應(yīng)器成本。在處理廠需要在已有工廠增加更多的催化劑容積的改建中，與已有的化學(xué)反應(yīng)器并聯(lián)而非串聯(lián)地增加新的化學(xué)反應(yīng)器，從經(jīng)濟(jì)觀點來看經(jīng)常是很有吸引力的。原因是，如果與已有化學(xué)反應(yīng)器串聯(lián)地增加新的反應(yīng)器，則總反應(yīng)器壓降顯著增加。這會導(dǎo)致需要泵和/或壓縮機(jī)的昂貴的替換/更新。另一方面，若新的反應(yīng)器并聯(lián)增加，則可實際降低壓降，從而即使使用相同的泵和壓縮機(jī)，也能使工廠的生產(chǎn)量更高。
歷史表明，分流二相流的努力在很多情況下不能產(chǎn)生相同汽液比的輸出流。輸出流中具有不同汽液比的結(jié)果的例子有對于爐由于蒸汽相對于液體具有較低的熱容，因而獲得高汽液比流股的爐管比獲得低汽液比流股的爐管更熱。因此即使低于爐子的額定熱負(fù)荷，也可達(dá)到最大容許管金屬溫度。爐可由此不傳遞其最初被設(shè)計傳遞的熱量。結(jié)果可能是來自處理單元的較低的生產(chǎn)率。在碳?xì)浠衔镒鳂I(yè)中，較熱的管金屬溫度導(dǎo)致管壁上的炭形成率增大。結(jié)果可能是因爐管需要除焦而使單元過早的停止運轉(zhuǎn)。最后，如果蒸汽和液體通過如流控制閥之類的自動控制系統(tǒng)分布到每個并聯(lián)的爐管，那么若控制系統(tǒng)失敗，一個或多個爐管可能突然就不再得到任何液體供給。結(jié)果可導(dǎo)致爐管的過熱和破裂。
對于熱交換器和空氣冷卻器對于并聯(lián)的熱交換器和空氣冷卻器，總體熱性能在汽液比不等的情況下顯著降低。特別是在冷熱流之間具有相近溫差的特殊應(yīng)用中。例如，如果熱傳遞系統(tǒng)包括兩個并聯(lián)的熱交換器A和B，熱交換器A得到高汽液比的流股，而熱交換器B得到低汽液比的流股。因熱交換器A中的流股熱容較低，熱交換器A中的驅(qū)動ΔT較低。熱交換器A中的傳遞熱負(fù)荷因此較低。在熱交換器B中，因其中的流股熱容較高，其驅(qū)動ΔT較高。熱交換器B中的傳遞熱負(fù)荷因此較高。然而，熱交換器B中增大的熱傳遞仍高得不夠補償熱交換器A中的低熱傳遞。總體效果是這些交換器中傳遞的總熱量顯著降低。交換器中低于期望的熱傳遞的結(jié)果可能是處理單元的生產(chǎn)率較低，這具有嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)后果。
在某些情況，液體到并聯(lián)的交換器的不均分布也可能導(dǎo)致結(jié)垢、堵塞和/或腐蝕。一個例子是具有液體汽化的并聯(lián)的熱交換器。通常，處理廠設(shè)計為避免交換器內(nèi)部完全汽化。換言之，避免通過“干點”。原因在于在過程流股中總存在不汽化的污染物。如果“干點”在交換器中的某位置產(chǎn)生，這些污染物會沉積在傳熱遞表面，這是由于它們原來溶解或分散在其中的液體現(xiàn)在消失了。盡管在工廠設(shè)計中未曾預(yù)見，但現(xiàn)若并聯(lián)的交換器中的一個得到顯著少于預(yù)期值的液體，則干點可能產(chǎn)生在該交換器中。其結(jié)果可能是交換器中嚴(yán)重的污染和/或堵塞問題，伴隨低傳熱率以及提前使單元停車以清潔交換器。
另一例子是加氫處理單元中的產(chǎn)品空氣冷卻器束。當(dāng)反應(yīng)器流出物被冷卻，NH4Cl和NH4HS之類的氨鹽將沉淀并可能導(dǎo)致嚴(yán)重的腐蝕和堵塞問題。因此加入清洗水以溶解這些鹽。然而，歷史表明，將包含清洗水的過程流股分流到并聯(lián)的空氣冷卻器束導(dǎo)致了清洗水的不良分布以及在得到很少或未得到清洗水的束中的腐蝕和堵塞問題。
對于化學(xué)反應(yīng)器對于加氫處理單元中滴液床反應(yīng)器之類的并聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)器，在每個反應(yīng)器的入口中獲得相同的汽液比至關(guān)重要。在加氫操作反應(yīng)器中，如加氫裂化或加氫處理反應(yīng)器，其中，碳?xì)浠衔锍煞衷诠腆w催化劑作用下與氫反應(yīng)，提供給反應(yīng)器的低汽液比將導(dǎo)致反應(yīng)器中較低的氫分壓，這還將導(dǎo)致較低的反應(yīng)速率、高炭堆積速率和催化劑失活。即使提供給反應(yīng)器太低汽液比的操作時間很短也可導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞反應(yīng)器中催化劑粒子的昂貴負(fù)載。
詳細(xì)描述本發(fā)明的分流器可被設(shè)計為處理任何需要的分離比。分離比定義為輸出流的總質(zhì)量流量除以輸入流的總質(zhì)量流量。例如，本發(fā)明既可被設(shè)計為50％/50％分流，也可為5％/95％分流。由于二相流分流器是一沒有任何控制閥的具有低總壓降的開放系統(tǒng)，因此是下游流系統(tǒng)的液壓容量而非二相流分流器本身設(shè)定了分離比。當(dāng)設(shè)計正確，即使分流比偏離了二相流分流器的設(shè)計分流比，分流器也會確保每個輸出流中的汽液比接近相同。在此說明其原因假設(shè)分流器已被設(shè)計為對于吸入通道A和B分別以分離比30％/70％將二相輸入流分流為兩個輸出流。這種設(shè)計通常將導(dǎo)致兩個吸入通道中孔的大小不同和兩個吸入通道的橫截面積不同。現(xiàn)在在某些操作模式中，分離比也可為40％/60％，而非二相流分流器的設(shè)計值30％/70％。這種情況下，比原來預(yù)計的更多的蒸汽流過吸入通道A側(cè)面的孔。吸入通道A從外側(cè)到內(nèi)側(cè)的壓降因此變大。結(jié)果更多的液體升高進(jìn)入該吸入通道。由于吸入通道B的較低分流比，比原來預(yù)計的較少的蒸汽流過吸入通道B側(cè)面的孔。吸入通道B從外側(cè)到內(nèi)側(cè)的壓降因此變小。結(jié)果較少的液體升高進(jìn)入該吸水道。以這種方式，該設(shè)計趨于抵償不同的分流比。
如果給定吸入通道的分流比在特定操作模式下高于預(yù)計值，那么較高的汽體流量將導(dǎo)致較高的液體流量。類似地，如果給定吸入通道的分流比低于預(yù)計值，那么較低的汽體流量將導(dǎo)致較低的液體流量。結(jié)果是輸出管道中的汽液比只在很低程度上受到變化的分流比的影響。
圖4給出了分流器能在輸出流中保持相同汽液比第一個示例，其顯示了具有并聯(lián)的熱交換器、儀表裝置和爐管的處理系統(tǒng)的工藝流程簡圖。冷的二相進(jìn)料流50需要通過與熱流58和65熱交換和使用爐61來加熱。冷流50首先通過使用本發(fā)明的分流器51分流為三個流股52、53和54。輸出流52流過包括殼體的殼壁、管道熱交換器55a、55b、55c、55d和爐61的管程67的系列A。輸出流53流過包括殼體的殼壁、管道熱交換器56a、56b、56c、56d和爐61的管程68的系列B。輸出流54流過包括殼體的管壁、管道熱交換器57a、57b、57c和控制閥69的系列C。分別來自系列A、B和C的輸出流62、63和60合并為產(chǎn)品流64。分流器51的設(shè)計汽液流率和性質(zhì)在表1示出。
表1圖4中分流器51的蒸汽和液體的設(shè)計流率和性質(zhì)
分流器51設(shè)計為對于系列A、B和C分流比分別為40％/40％/20％。旨在使每個輸出流52、53、54具有相同汽液比。當(dāng)實際分流比與設(shè)計分流比40％/40％/20％相同，三個輸出流52、53、54的汽液比將接近相同。然而證明是給定流率的壓降對于系列A高于預(yù)計值的20％。流動阻力的不同是由于兩個并聯(lián)的系列A和B的不同的管道布局和稍有不同的交換器和爐設(shè)計。還證明給定流率的壓降對于系列C低于原預(yù)計值的30％。系列C的流動力較低是由于控制閥69控制的流量需求較高。由于并聯(lián)的流動系統(tǒng)的流動阻力不同，分流比與預(yù)計的不同。
現(xiàn)在，由不同于預(yù)期的系列A和C的流動阻力引起的每個并聯(lián)系列中汽液比的差別被估計為9套汽液比。估計的這幾套汽液比和結(jié)果在表2給出。蒸汽和液體流量分別對應(yīng)于蒸汽和液體設(shè)計流量的50％、100％和200％。估計的結(jié)果，如分流器的ΔP、三個系列的ΔP、流股52、53和54的汽液體積比和％DVLR，也在表2給出。％DVLR定義為
其中VLi和VLfeed分別是輸出流i和輸入進(jìn)料流的體積汽液比，Nsplit是來自分流器輸出流的數(shù)目。
如表2所示，即使當(dāng)下游系統(tǒng)的流動阻力不同于原始設(shè)計，給定的分流器設(shè)計在很大的汽液比范圍內(nèi)也顯示出優(yōu)越的性能。
汽液比從1.3變化到21.5，系列的壓降從1.3巴變化到20.9巴。由系列A的高出20％的流動阻力和系列B的低出30％的流動阻力引起的平均％DVLR低到2.97％。
表2具有不同于預(yù)期的下游系統(tǒng)流動阻力的分流器51的性能
分流器性能受到分流器制造和安裝時的機(jī)械公差影響。尤其是吸入通道的相對高度和吸入通道中孔的通流面積會影響其性能。
本發(fā)明的分流器的應(yīng)用的第二個例子顯示在圖5的工藝流程圖中。裝載了190立方米催化劑顆粒的已有的滴液床反應(yīng)器75太小，以致不能以需要的速度生產(chǎn)需要的產(chǎn)品。因此需要再增加90立方米催化劑體積。不是在已有的反應(yīng)器上串聯(lián)增加新的催化劑體積，而是在已有的反應(yīng)器75上并聯(lián)安裝新的反應(yīng)器74。本發(fā)明的分流器71被用以將二相進(jìn)料流70分流成兩個分別提供給反應(yīng)器75和74的輸出流72和73。反應(yīng)器74和75的分流比分別是32％/68％。在反應(yīng)器下游，來自反應(yīng)器74的輸出流76與來自反應(yīng)器75的輸出流77合并成為產(chǎn)品流78。分流器71中的吸入通道原定為處于相同高度，但在本例中，對應(yīng)于流股72的吸入通道A比對應(yīng)于流股73的吸入通道B提高了10mm。而且，吸入通道A中孔的通流面積比原定增大了2％，吸入通道B中孔的通流面積比原定減小了2％。吸入通道的高度差和孔的通流面積的差別都將增大流股72相對于流股73的汽液比。
分流器71被設(shè)計為表3的蒸汽和液體流率和性質(zhì)。
表3圖5中分流器的蒸汽和液體的設(shè)計流率和性質(zhì)
現(xiàn)在對廣大范圍的操作條件來評估由上述制造和安裝公差導(dǎo)致的方程(2)定義的汽液比差％DVLR。評估的操作條件在表4給出，并分別對應(yīng)于蒸汽和液體的設(shè)計流率的50％、100％和200％。估計的結(jié)果，如分流器的ΔP、反應(yīng)器的ΔP、流股72和73的汽液體積比和％DVLR，也在表4給出。
表4最差情況的制造和安裝公差的分流器性能。
如表4所示，即便具有最差情形的制造和安裝公差，在大范圍的蒸汽和液體流率下也得到了優(yōu)越的分流性能。
對于圖4和圖5的兩個例子，分流器被設(shè)計為產(chǎn)生具有相同汽液比的輸出流。所述分流器也可設(shè)計為產(chǎn)生不同汽液比的輸出流。例如，分流器可以設(shè)計為把二相輸入流分流為三個具有分流比20％/20％/60％以及汽液體積比10/12/20的輸出流。在大多數(shù)二相流分流器的工業(yè)應(yīng)用中，卻是期望在輸出流中有相同的汽液比。
本發(fā)明的分離器中，蒸汽和液體的分離不必要像傳統(tǒng)的相分離器一樣好。大部分液體與蒸汽分開即可。也因蒸汽的平均分配，與蒸汽共同通過的較小的液滴將被分配到吸入通道。二相流分流器的分離器能夠因此被設(shè)計用于比傳統(tǒng)相分離器更高的線性蒸汽速率以及因此的更小的橫截面積。而且，需要的液體滯留時間對于二相流分流器的分離器比對于像圖2所示的具有儀表裝置的傳統(tǒng)分離器明顯更低。具有儀表裝置的傳統(tǒng)分離器其液體滯留時間為5-20分鐘，留出了液位控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間并允許操作者在自動控制系統(tǒng)失效的情況下采取手動行動。對于二相流分流器，液位或多或少被立即固定并主要由蒸汽裝載量確定。二相流分流器的分離器中的液體滯留時間因此可低到5秒。總體結(jié)果是，二相流分流器的分離器與處理廠中使用的傳統(tǒng)相分離器相比很緊湊。作為一例，將被設(shè)計為表1中的汽液比和性質(zhì)的圖4中的分流器51的壓力容器的尺寸和成本與圖2中的傳統(tǒng)相分離器的壓力容器的尺寸和成本進(jìn)行比較。傳統(tǒng)相分離器也被設(shè)計為表1中的蒸汽和液體流量和性質(zhì)。結(jié)果在表5給出。
表5所述分流器和傳統(tǒng)分離器的壓力容器尺寸和成本比較
表5給出的成本是容器加上吸水道之類的內(nèi)部構(gòu)件的成本。包括建立、裝配、隔離、管路和儀表裝置等的安裝成本未包括在內(nèi)。總的安裝成本典型地為表5給出的設(shè)備成本的3-4倍。從表5可見，相對于使用傳統(tǒng)相分離器，本發(fā)明的分流器提供了一種緊湊和低廉的選擇。
圖3A、3B、3C、6A、6B、6C、7A、7B和8提供了本發(fā)明的分流器的可選結(jié)構(gòu)。提供這些圖只是為了例示本發(fā)明和備選方案。他們并不意欲限制在此公開的原理的范圍或作為施工圖。這些圖不能被認(rèn)為是對發(fā)明概念范圍的限制。附圖顯示的相關(guān)尺寸不應(yīng)認(rèn)為等于或正比于商業(yè)實施例。
現(xiàn)在參見本發(fā)明的實施例的附圖。圖3A、3B和3C中所示的分流器30是用于將輸入流41分留成兩個輸出流42和43的分流器。分流器30包括具有一輸入管32和兩輸出管44和45的容器31。輸入管32連接到容器31的壁，以形成流體密封。管32的下端開放，以允許輸入流42進(jìn)入容器31。在輸入管32下面有一具有側(cè)壁40的沖擊板33。沖擊板33和側(cè)壁40構(gòu)成一流動通道，先將輸入流41分成兩個流，再將這兩個流導(dǎo)向容器31的圓柱形壁。兩個本質(zhì)上垂直的吸入通道34和35位于容器31內(nèi)。每個吸入通道包括一具有開放的上端和下端的圓管。吸入通道的下端湮沒于液體39中。吸入通道34的上端或出口連接到輸出管道44，吸入通道35的上端或出口連接到輸出管道45，以形成離開容器31的兩個流道。在容器31的壁和輸出管道44和45之間形成流體密封。吸入通道34的管道側(cè)壁上開有孔37，吸入通道35的管道側(cè)壁上開有孔36。
現(xiàn)在在操作過程中，二相輸入流41通過管道32進(jìn)入容器31。二相射流撞擊沖擊板33，這會破壞該流股的高流速并將該流股導(dǎo)向容器31的圓柱形壁。在容器31內(nèi)，液相39與汽相38分離。所述液相在容器底部的重相匯聚區(qū)域匯聚，而汽相則在容器上部的輕相匯聚區(qū)域匯聚。蒸汽38現(xiàn)在流過液面上的吸入通道壁上的孔36和37部分。通過孔的流動會產(chǎn)生從吸入通道外部到吸入通道內(nèi)部的壓降，因而液體升高進(jìn)入吸入通道。液體39流過吸入通道34和35的下部開放端并通過容器31中液面下的孔36和37部分。所述液體與所述蒸汽在吸入通道中混合，二相混合物在吸入通道內(nèi)向上流動到其出口并通過輸出管道44和45流出容器31。
進(jìn)料入口最好對稱地位于吸入通道之間，如圖3A所示。這將使用于汽/液分離需要的容器橫截面積極小，而且這還將更均勻地分布通過蒸汽路徑的小液滴。分流器最好設(shè)計為如圖3B和3C所示進(jìn)料輸入流股撞擊或者沖擊板和壁。當(dāng)輸入進(jìn)料流股撞擊板和壁時，液體趨于從汽相中分離，并防止高速輸入射流到達(dá)容器中的液面而可能導(dǎo)致液體二次夾帶和波動。
選擇吸入通道上孔的總面積以獲得需要的容器液位。較大的孔面積導(dǎo)致較低的蒸汽壓降并由此導(dǎo)致較高的液位，以致較低的壓降與液體需要提升的垂直高度相匹配。相反，較小的面積導(dǎo)致較低的液位。每個吸入通道的孔面積可用于設(shè)定吸入通道輸出流的汽液比。如果吸入通道A的孔面積相對于另一吸入通道B的孔面積增大，那么吸入通道A的輸出流的汽液比相對吸入通道B的汽液比增大。每個吸入通道的橫截面積和形狀也影響容器液位和每個輸出流股的汽液比。
圖3A所示的吸水道的孔是圓洞。但這些孔也可為垂直溝槽或者具有其他形狀，如V形、三角形、矩形、多邊形、橢圓形等。孔的面積不必需要在吸入通道的整個高度上均勻分布。例如，吸入通道可在底部附近具有較小的孔面積，并在頂部附近具有較大的孔面積。
圖3A和3B所示的吸入通道具有圓形橫截面，但吸入通道也可具有很多其它橫截面形狀，如三角形、矩形、橢圓形、多邊形等。吸入通道的橫截面也可沿著吸入通道的長度變化。
圖3A所示的吸入通道的底部對液體流動是開放的。但在很多情況下，如果所述吸入通道的底部封閉，所有液體因此需要流經(jīng)液面下的吸入通道側(cè)面的孔，則可獲得改善的分流性能。
圖3A和3B所示的分流器的吸入通道是豎直的。但吸入通道不需要完全豎直。只要吸入通道具有豎直部分，或者換言之，只要液體被吸入通道約束而向上流動經(jīng)過蒸汽進(jìn)入孔，然后到達(dá)吸入通道出口以導(dǎo)入輸出管道44和45之一就足夠了。
圖3A、3B和3C中的分流器的容器31是具有橢圓頭的水平圓柱容器。但本發(fā)明的該分離器或容器可具有任何形狀和方向。容器形狀和方向的其他例子是豎直圓柱容器、球形容器、具有矩形橫截面的盒狀容器等。
圖4中，輸入和輸出流通過容器31上壁進(jìn)出。但輸入和輸出流可通過如底部壁和側(cè)壁的其他壁進(jìn)出。
參照圖6A、6B和6C所示的分流器說明本發(fā)明的變形例。分流器80包括豎直圓柱容器81。該分流器具有輸入流88通過貫穿容器81側(cè)壁的管道87進(jìn)入。豎直的擋水板86位于該入口下游。該分流器具有三個輸出流91、92和85。輸出流91通過貫穿容器31上壁的輸出管道99流出。輸出管道99以防漏方式連接到吸入通道82。吸入通道82具有圓形橫截面并為漸縮的，以致通道的橫截面積向下縮小。吸入通道82設(shè)有四個豎直溝槽94。吸入通道82在底端對于液體流動是開放的。輸出流92通過貫穿容器31側(cè)壁的輸出管道98流出。輸出管道98以防漏方式使用90°彎管97連接到吸入通道83。吸入通道83具有方形橫截面。吸入通道83設(shè)有四個V形溝槽93。吸水道83在底端對于液體流動是開放的。輸出流85通過貫穿容器31底部壁的輸出管道100流出。輸出管道100以防漏方式使用180°彎管96連接到吸入通道84。吸入通道84具有圓形橫截面并設(shè)有方孔95。吸入通道84在底端對于液體流動是封閉，全部液體因而必須流過方孔95。
在操作過程中，二相輸入流88通過管道87進(jìn)入容器81。二相射流碰撞擋水板86，破壞了流股的高速率并導(dǎo)致某些程度的相分離。容器81內(nèi)部，液相90從汽相89中分離。液相在容器底部匯聚，而汽相在容器上部匯聚。蒸汽89現(xiàn)在流過分別在吸入通道83、82和84側(cè)面的孔93、94和95。通過孔的蒸汽流動導(dǎo)致從吸入通道外部到吸入通道內(nèi)部的壓降，因此液體被提升進(jìn)入吸入通道。液體90流過吸入通道82和83的下部開放端，并流過容器81液面下的孔93、94和95的部分。液體在吸入通道內(nèi)和蒸汽混合，二相混合物在吸入通道內(nèi)部流動并通過輸出管道98、99和100流出容器81。
量化為方程(2)定義的％DVLR的本發(fā)明的分流性能在高汽液比應(yīng)用中降低。在高汽液比應(yīng)用中，本發(fā)明的性能可通過在吸入通道內(nèi)部使用插入物以增大吸入通道內(nèi)部的二相流的壓降而得到顯著改善。在吸入通道內(nèi)使用一個或多個孔板是這種用于增大壓降和改善分流性能的插入物的一例。另外，在吸入通道內(nèi)使用插入物對吸入通道中的二相流模式具有一定影響。例如，使用孔板有助于消除不需要的液棒(liquid slugs)及汽袋(vapor pockets)周期地在吸入通道中流動的段塞流。通過使用吸入通道插入物而對分流性能的最大改進(jìn)是在高汽液比應(yīng)用中得到的，但對于較低汽液比的應(yīng)用也取得了一定改進(jìn)。例如分別出自圖4和圖5的分流器51和71就在吸入通道中包含了插入物用以改善分流性能。
圖3A、3B、3C、4、5、6A、6B和6C中的分流器30、51、71和80都具有其自身的分離器或容器。但本發(fā)明也可作為例如殼體和管道熱交換器和化學(xué)反應(yīng)器之類的其它處理設(shè)備的組成部分使用。
圖7A和7B顯示作為化學(xué)滴液床反應(yīng)器110的組成部分的本發(fā)明分流器的一個例子。圖7A顯示該滴液床反應(yīng)器的底部。催化劑顆粒103裝入帶有半球狀頭部102的圓柱形受壓殼體101。催化劑由催化劑支撐格網(wǎng)或篩網(wǎng)104支撐。催化劑支撐格網(wǎng)/篩網(wǎng)設(shè)計為催化劑顆粒不能穿過篩網(wǎng)而蒸汽和液體能夠穿過。兩個豎直吸入通道107位于催化劑支撐格網(wǎng)/篩網(wǎng)下面。每個吸入通道設(shè)有八個溝槽108。吸入通道還設(shè)有插入物來增加吸入通道的壓降。這些插入物包括每個吸入通道的四個孔板109、110、111、112。每個吸入通道107以防漏方式通過使用具有彎管的通道106連接到一輸出管口105。
在操作過程中，汽體和液體并流向下流過催化劑顆粒床層103并通過催化劑支撐格網(wǎng)/篩網(wǎng)104。催化劑支撐格網(wǎng)/篩網(wǎng)104下方是一開放空間，液相113在該處與汽相114分離。液相113在反應(yīng)器底部匯聚。蒸汽114現(xiàn)在流經(jīng)液面上方的溝槽108部分。通過溝槽108的流動使從吸入通道外面到吸入通道內(nèi)部產(chǎn)生壓降，因此液體被提升進(jìn)入吸入通道。液體113流經(jīng)底部孔板112的開孔，并通過液面下的溝槽108部分。液體在吸入通道內(nèi)與蒸汽混合，流經(jīng)吸入通道和孔板，并通過流出管口105流出反應(yīng)器110。
圖8顯示作為殼體和管道熱交換器120的組成部分的本發(fā)明分流器的一例。殼體和管道熱交換器120包括●具有蓋板128、管側(cè)輸入管口129和管側(cè)輸出管口130的頭部122●具有輸入管口131和兩個輸出管口125的殼體121●包括U形管124、管板135和十三個流動擋板132的U形管束殼體121的長度比通常的熱交換器設(shè)計稍有增加，以為最后的流擋板下游和U形管124的180°彎管下游的殼側(cè)壁上的本發(fā)明的二相流分流器提供容納空間。該分流器包括兩個基本豎直的在壁上具有洞127的吸入通道126。吸入通道127的底部是開放的，可讓液體流動。
在操作過程中，管側(cè)面的流體通過管口129進(jìn)入交換器，在U形管內(nèi)部經(jīng)過，并通過管口130流出交換器。殼體側(cè)面的流體通過管口131進(jìn)入交換器，可以是單相或二相流。除熱傳遞之外，在交換器中還可能發(fā)生冷凝或汽化。殼體側(cè)面的流體在U形管外面流動。流動擋板132產(chǎn)生若干交叉流動截面，在該處，殼體側(cè)面的流體被迫沿著垂直于管道的方向流過。通過最后的流擋板后，二相流進(jìn)入分離空間，在這里液體133與蒸汽134分離。液相133在殼體121底部匯聚。蒸汽134現(xiàn)在流經(jīng)液面上方的孔洞127部分。通過這些孔洞的蒸汽流動使從吸入通道外側(cè)到吸入通道內(nèi)側(cè)產(chǎn)生壓降，因此液體被提升進(jìn)入吸入通道。液體133流經(jīng)吸入通道126的開放的底部，并流經(jīng)液面下方的孔洞127部分。液體在吸入通道內(nèi)與蒸汽混合，并流經(jīng)吸入通道，通過管口125流出交換器120。
在圖4和5給出的例子中，二相輸入流被分流到并聯(lián)的下游管道系統(tǒng)和處理設(shè)備。但本發(fā)明也可用在處理設(shè)備內(nèi)部，以將蒸汽和液體平均分配到設(shè)備中并聯(lián)的通道中。一個例子是在熱交換器或空氣冷卻器的輸入集管中使用本發(fā)明，以將蒸汽和液體平均分配到交換器中并聯(lián)的管道中。
在所有在此給出的本發(fā)明的示例中，只有一個吸入通道連接到分流器的每個輸出管道。但每個輸出流也可使用多于一個的吸入通道。如果每個輸出流使用多于一個的吸入通道，那么連接到輸出流的吸入通道不必需要相同。例如，被設(shè)計用于將二相輸入流分流成為兩個輸出流的分流器可具有總共五個不同尺寸的吸入通道，三個吸入通道都連接到第一輸出流，其余的兩個吸入通道連接到第二輸出流。在某些情況，使用不同尺寸的吸水道連接到相同輸出流可使分流性能得到改善。
在此處給出的所有本發(fā)明的應(yīng)用例中，只有一個輸入流輸入分流器。但也可使用多于一個的輸入流流入到分流器的分離容器。也可使用只攜帶蒸汽或只攜帶液體的單相輸入。
除了能分離二相汽液混合物之外，本發(fā)明的分流器還可用于把不互溶的液體二相混合物，如碳?xì)浠衔镆合嗪退苄砸合啵至鞒蔀閮蓚€或多個輸出流，每個輸出流具有需要的油水比。
總的來說，關(guān)于本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)注意下述幾點本發(fā)明涉及用于將包括輕相和重相的二相輸入流分流或者劃分成為兩個或多個輸出流的分流裝置，其中每個輸出流具有所需輕重相比。該分流裝置包括一具有一或多個入口的分離器皿或容器。在容器中進(jìn)行輕相和重相的部分或完全分離。容器設(shè)有至少兩個具有下端和上部開放端的中空吸入通道。
每個吸入通道側(cè)面的孔設(shè)置在下端和上端之間的至少一個高度上。所述吸入通道的下端淹沒于重相中，而所述吸入通道的上端處于輕相中，并以不漏水的方式通過流動通道連接到下游系統(tǒng)。
吸入通道必須具有豎直部分，從而在操作中，至少孔面積的一部分上升到相界面水平面的上方。在操作中，輕相流過相界面水平面上方的孔面積部分并由此造成從吸入通道外側(cè)到內(nèi)側(cè)的壓降。由于這個壓降，重相通過任何一個下部開放端并通過任何一個位于相界面水平面下方平面的孔而被提升進(jìn)入吸入通道。在吸入通道中，重相與輕相混合。該二相流流經(jīng)吸入通道并通過所述流動通道到達(dá)下游系統(tǒng)。
可在吸入通道內(nèi)部使用插入物或節(jié)流閥來增大壓降并改變吸入通道中的二相流動狀態(tài)。
所述插入物可以是具有圓形流動孔的孔板。
吸入通道下端可以是封閉的，所有重相需要流經(jīng)位于相界面水平面下方的吸入通道側(cè)面的孔。
除分流目的之外，該器皿或容器可以是用于完成化學(xué)反應(yīng)或者熱交換之類的其它目的其它處理設(shè)備的組成部分。
所述下游系統(tǒng)可以是和以分流器作為其組成部分的設(shè)備處于相同部分的并聯(lián)的流動通道。
所述下游系統(tǒng)可以是包括管道、儀表和設(shè)備的處理系統(tǒng)。
所述吸入通道可以具有圓形橫截面。
吸入通道側(cè)面的孔可以是圓洞或矩形溝槽。
從吸入通道底部到最高高度的孔的豎直高度最好在100mm和1500mm之間。
在至少一個操作狀態(tài)中，吸入通道上端的無滑(no-slip)二相流速率最好在0.5m/s和15m/s之間。
可將一個或更多個吸入通道連接到每個下游系統(tǒng)。
所述裝置可方便地用于把二相蒸汽/液體混合物分流到并聯(lián)的熱交換器。
所述裝置可方便地用于把二相蒸汽/液體混合物分流到并聯(lián)的爐管。
所述裝置可方便地用于把二相蒸汽/液體混合物分流到并聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)器。
所述裝置可方便地用于把二相蒸汽/液體混合物分流到并聯(lián)的空氣冷卻器。
所述裝置可方便地用于把蒸汽和液體分布到二相熱交換器或空氣冷卻器中的并聯(lián)的熱交換管道或通道。
權(quán)利要求
1.一種用于將一個或更多個包括輕相流體和重相流體的二相輸入流，例如二相汽/液混合物，分流為兩個或更多個輸出流，而每個輸出流具有所需輕相對重相之比的分流裝置，該裝置包括相分離器皿或容器，其包括一個或更多個用于所述輸入流的輸入流入口，重相匯聚區(qū)域，和在所述重相匯聚區(qū)域更高位置的輕相匯聚區(qū)域；和兩個或更多個吸入通道或管道，至少一個用于每個所述輸出流，每個吸入通道或管道包括與所述重相匯聚區(qū)域相通的至少一個重相入口，與所述輕相匯聚區(qū)域相通并位于比所述的至少一個重相口入更高位置的至少一個輕相入口，和用于與裝置下游的輸出流流動管道相通的至少一個輸出流出口；所述的至少一個輕相入口位于所述的至少一個重相入口和所述的至少一個輸出流出口之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，吸入管道包括由上面設(shè)有一個或更多個孔的壁所界定的一細(xì)長的管狀元件，所述管狀元件例如是具有圓形或矩形橫截面的管子或管道。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中，所述管狀元件的下端是開放的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的裝置，其中，所述一個或更多個孔的形狀是從一組包括圓形、橢圓形、卵形、矩形和三角形的形狀中選出。
5.根據(jù)任一上述權(quán)利要求的裝置，其中，輕相入口和重相入口由一具有明顯的豎直延伸的單孔構(gòu)成，最好是由一沿所述吸入管道縱向延伸的溝槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中，所述溝槽的寬度沿著向所述輸出流出口的方向增大。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中，所述溝槽的寬度實際上是不變的。
8.根據(jù)任一上述權(quán)利要求的裝置，其中，在所述吸入管道內(nèi)部設(shè)置限流裝置以增大所述輕相中輕相入口的壓降。
9.根據(jù)權(quán)利要8的裝置，其中，所述限流裝置包括一擋板，其上具有一個或更多個孔，從而使吸入管道的流動限制到所述一個或更多個孔。
10.根據(jù)任一上述權(quán)利要求的裝置，其中，靠近所述輸入流入口處設(shè)置有流動沖擊裝置以使所述輸入流沖擊所述流動沖擊裝置。
11.根據(jù)任一上述權(quán)利要求的裝置，其中，所述一個或更多個重相入口的最低部分與所述一個或更多個輕相入口的最高部分之間的豎直距離至少為接近100mm，至多為接近1500mm，優(yōu)選為400mm和600mm之間，最好為接近500mm。
12.一種包括實施物理或化學(xué)處理所用設(shè)備、利用二相流和根據(jù)權(quán)利要求1到10中任意一個的分流裝置的處理裝置，所述分流裝置與所述設(shè)備的入口或出口連通。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中，所述設(shè)備包括一爐子，該爐子包含一套與所述輸出流出口連接的爐管。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中，所述設(shè)備包括與所述輸出流出口連接的并聯(lián)的熱交換器。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中，所述設(shè)備包括與所述輸出流出口連接的并聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)器。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中，所述設(shè)備包括與所述輸出流出口連接的并聯(lián)的空氣冷卻器。
17.一種二相反應(yīng)器，例如滴液床反應(yīng)器或者催化反應(yīng)器，其包括根據(jù)權(quán)利要求1到10中任意一個的分流裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的反應(yīng)器，其包括一外部殼體，其中，所述相分離容器位于所述反應(yīng)器殼體內(nèi)部。
19.一種熱交換器，包括根據(jù)權(quán)利要求1到10中任意一個的分流裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的熱交換器，其包括一外部殼體，其中，所述相分離容器位于所述熱交換器殼體內(nèi)部。
21.一種用于將一個或更多個包括輕相流體和重相流體的二相輸入流，例如二相汽/液混合物，分流為兩個或更多個輸出流，而每個輸出流具有所需的輕相對重相之比的方法，該方法包括如下步驟至少部分地將輸入流分離成為位于相間邊界面下方的重相區(qū)域的重相部分和位于相間邊界面上方的輕相區(qū)域的輕相部分；在所述輕相區(qū)域中的兩處或更多處，將來自所述重相部分的重相流體與來自所述輕相部分的輕相流體混合，以形成所述的兩個或更多個二相輸出流。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于將二相輸入流(41)分流成為兩個或更多個輸出流(42，43)的設(shè)備(30)。該設(shè)備可以設(shè)計為在每個輸出流中維持接近相同的汽液比。所述設(shè)備的輸入流通過輸入管道(32)流到分離容器(31)。在該容器中，輸入管口下方設(shè)有一沖擊板(33)，以破壞流股的高速并向分離器內(nèi)壁引導(dǎo)該流股，液體將在該處沖擊并與汽相分離。在分離容器中得到液相和汽相的分離。兩個豎直吸入通道(34，35)位于分離器內(nèi)部。這些吸入通道與兩個輸出管道(44，45)流體連通，輸出流通過所述輸出管道離開分離器。所述吸入通道的下端浸沒在液相(39)中。所述吸入通道在側(cè)壁上設(shè)有孔(36)。蒸汽流過分離器中液面上方的孔部分。當(dāng)蒸汽流過這些孔，吸入通道壁內(nèi)外產(chǎn)生壓降。液體因此被提升進(jìn)入吸入通道。液體與吸入通道內(nèi)部的蒸汽混合，二相混合物向上流經(jīng)吸入通道并通過輸出管道離開分離器及二相流分流器。
文檔編號F17D1/00GK1813155SQ200480017832
公開日2006年8月2日 申請日期2004年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24日
發(fā)明者莫藤·米勒 申請人:莫藤米勒有限公司