專利名稱：具有渦流接觸級的氣-液接觸設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及在反應器、分餾塔或其它在蒸氣流和液體流之間進行傳質和/或傳熱的設備中的氣-液接觸。更具體地，本發明涉及包括一個或多個氣-液接觸級的氣-液接觸設備。
背景技術：
在整個化學和精煉技術中，重要的目的是改善氣相和液相之間接觸的效率。目前，存在多種可以通過增加接觸相之間的界面面積和湍流并因而提高傳質速率常數而從增加的氣-液傳質和/或傳熱的速率獲益的多相反應和分離方法。這些方法通常使用很多傳統氣-液接觸裝置中的任一種。用于根據它們的相對揮發性來分離組分的蒸餾過程例如通常依靠分餾塔盤和填料來改善在容器內多個級處的氣-液接觸。在石油和石油化學工業中，使用分餾塔盤和其它接觸裝置來分解具有所需沸點范 圍的餾分、例如石油精煉和石油化學加工的原油衍生產品，所述產品包括液化石油氣、石腦油、柴油和其它烴類餾分等。在某些情況下，使用接觸裝置來將特定化合物與同一化學或功能類的其它化合物分離，例如醇類、醚類、烷基芳香烴類、單體類、溶劑類、無機化合物等。典型的分懼塔在塔內各接觸級(contacting stage)處使用10到250個分懼塔盤。具體的級數取決于分離的方便性(相對揮發性差異)和所需的產品純度。塔中每個塔盤的結構通常類似，但豎直方向上相鄰的塔盤在結構上可以不同(例如，交替)也是已知的。傳統的分餾過程因此在容器內包含氣相和液相之間的多級接觸，氣相和液相分別具有總體向上的流動和總體向下的流動。在不同的離散的接觸級中，氣相和液相的成分交換，以便實現或盡可能接近氣-液平衡。所產生的蒸氣餾分和液體餾分然后被分離，朝它們各自的方向移動，并在不同的級處與另一些量的合適流體再次接觸。在具有穿孔平臺作為氣-液接觸裝置的傳統塔盤的情況下，在塔的底部處產生的蒸氣上升穿過大量散布在塔盤的平臺面積上的小穿孔，所述塔盤支承一定量液體并可以分成若干離散的區域和/或區。蒸氣穿過液體產生一層稱作泡沫的氣泡。泡沫的高表面積有助于在塔盤上在氣相和液相之間建立組分平衡。然后泡沫被允許分離成蒸氣和液體。在氣-液接觸期間，蒸氣失去較不易揮發的材料傳給液體，并因此隨著它向上穿過每個塔盤而變得稍微更易揮發。同時，隨著液體從泡沫中分離并向下在塔盤之間移動，液體中較不易揮發的化合物的濃度增加。因此，氣-液接觸裝置執行使上升的蒸氣與液體接觸和然后允許兩相分離并沿不同方向流動的兩種功能。當在不同的塔盤上將各步驟執行合適的次數(例如，以連續方式)時，能實現多個分離平衡級，從而導致各化合物基于它們的相對揮發性的有效分離。在努力改善這種分離時已研制出許多不同類型的包括填料和塔盤的氣-液接觸裝置。不同的裝置往往會具有不同的優點。例如，上述的穿孔平臺塔盤是有效的接觸裝置，但會在塔中引起高壓降，尤其是當平臺面積較小時，即使分餾開口面積高也是如此。多降液管塔盤具有高蒸氣和液體容量以及在相當大的運行率的范圍內有效地起作用的能力。有結構的填料往往會具有低壓降，這使它們在低壓或真空操作中有用。用來評價任何氣-液接觸裝置、例如分餾塔盤的性能的兩個重要參數是容量和效率。容量是指能有效地在連續的塔盤上接觸和轉到連續的塔盤上而不溢流的蒸氣和液體的總量。效率是指在塔盤之間發生的氣相和液相之間傳質的有效性或接近平衡。重要的是，在分離過程、例如分餾和汽提中，各相之間的密切接觸僅對所產生的相在接觸之后然后被分開或分離的程度有好處。盡管在分餾塔或類似分離容器中各相之間的總體流動是逆流的，但許多類型的用于這些容器內的接觸級的傳統氣-液接觸裝置在接觸相之間可以產生交叉流動 、同向流動或其它流動取向。例如，在US 5223183、US5318732和US7204477中描述了使用平行流塔盤的接觸級。例如，在US6682633、US5837105、US6059934和US7424999中描述了使用同向流動接觸的接觸級。在Kuzmin，A. O等人的“渦流離心鼓泡反應器” CHEM. ENG. JOURNAL. 107 55-62(2005)中描述了另一種氣_液接觸裝置的使用，該裝置在蒸氣和液體之間產生實現了每單位體積很高的界面面積的渦流離心鼓泡層。改進的氣-液裝置，尤其是在接觸和隨后的分離效率方面具有提高的效率是被持續地探索的。
發明內容
本發明的方面與使用一個或多個接觸級的氣-液接觸設備有關，所述一個或多個接觸級具有用于實施氣相和液相之間的渦流離心接觸的裝置。所述接觸級和裝置克服了與目前用于產生渦流鼓泡層以實施氣-液接觸的那些接觸級和裝置有關的若干缺點。這些缺點包括對蒸氣范圍(可以處理的液體流量比)的應用限制，該限制減少了商業應用的潛在范圍。另外，盡管傳統裝置通過渦流的離心作用足以使液體與蒸氣分離(即，在離開裝置的蒸氣流中基本上不夾帶液滴)，但從液體中分離蒸氣泡仍然有問題，因為蒸氣流在沒有用于形成脫氣液體的分離區的情況下穿過液相。例如，當用于分餾時，在液體流中夾帶蒸氣降低了級效率(例如，基于理論板當量高度，HETP)，或者甚至會引起接觸裝置或整個設備溢流，從而使它不能工作。夾帶蒸氣的趨勢隨液體流動的增加而增加，因此高夾帶蒸氣會導致對氣-液接觸裝置和使用該裝置的設備的總容量的應用限制。因此，本發明的實施例針對氣-液接觸設備，例如反應器和蒸餾塔(以及反應蒸餾設備)，該設備包括具有一個或多個渦流接觸級的容器。除了在接觸之后將不同相有效分離之外，所述一個或多個級還提供用于這些相的有效接觸的高界面面積，從而將蒸氣和液體(具有與它們的初始組成不同的最終組成)從一個或多個級中除去，而在除去的相中分別減少了液體和蒸氣的夾帶。此外，所述級避免了以渦流鼓泡方式工作的已知裝置的限制液體流量比和最大蒸氣和/或液體流量。渦流接觸級和有關的裝置與使用傳統氣-液接觸的那些裝置相比具有低壓降。此外，當在反應器、蒸餾塔或其它氣-液接觸設備中使用時，所述裝置提供高機械整體性、合理的成本及安裝和檢修的方便性。因此，本發明的具體實施例針對包括渦流接觸級的氣-液接觸設備。所述渦流接觸級包括具有圓形橫截面的接觸區，該圓形橫截面的半徑沿著所述接觸區的軸向高度的至少一部分總體上減小(即，接觸區沿著所述軸向高度部分逐漸變小)，但在接觸區的頂部部分通常具有恒定的圓形橫截面。所述接觸區被限定在底表面(液體可以穿過該底表面通過液體入口引入)、逐漸變小的(tapering)內表面和圓筒形切向流動引導裝置之間，所述切向流動引導裝置設置在所述底表面與所述內表面之間。所述切向流動引導裝置大致設置在所述底表面和所述逐漸變小的內表面的周邊部分處或其附近，并例如通過產生切向流動方向的渦流導向葉片提供用于蒸氣流入接觸區的入口。因此，通常為接觸區提供例如分別沿切向方向和軸向方向的蒸氣入口和液體入口，并且使用氣-液分離裝置來分離離開接觸區的相。氣-液分離裝置可以包括圓形入口表面，該圓形入口表面具有內徑并形成所述逐漸變小的內表面的頂部部分。氣-液分離裝置的該入口表面與接觸區流體連通。氣-液分離裝置的相對的外部出口表面可以例如與所述入口表面同心并具有較大的外徑。外部出口表面任選地與氣-液分離裝置的其它表面(例如，底部出口表面)結合可以用來從接觸區除去分開的(或分離的)蒸氣流和液體流。在一代表性的實施例中，分離的蒸氣主要流動穿過與入口表面相對的出口表面，而分離的液體主要流動穿過底部出口表面。本發明的另一些實施例針對多級氣-液接觸設備，該多級氣-液設備在該設備的豎直設置的圓筒形殼體內包括如上所述的多個渦流接觸級。在多級的情況下，一個級的氣-液分離裝置的出口表面與緊接上面(immediately superior)(較高)的接觸級的蒸氣 入口和緊接下面(immediately inferior)(較低)的接觸級的液體入口流體連通。與液體入口的連通可以沿著由曲線形外表面限定的流動路徑并通過一個或多個降液管提供，所述曲線形外表面與限定接觸區的逐漸變小的內表面相對并終止于所述一個或多個降液管。在運行期間幫助保持穩定的渦流形成、改善液體處理容量、簡化構造和降低成本的特定實施例中，限定離開接觸區的液體的流動路徑的一部分的曲線形外表面終止于多個液體降液管段處，所述液體降液管段在處于渦流接觸級的外部且通常環繞所述多個渦流接觸級的環形空間的離散部分中延伸。有利地，所述液體降液管段可以在徑向上設置在緊接上面的和/或緊接下面的渦流接觸級的其它液體降液管段之間。為了進一步改善機械整體性和減少作用在本文所述的多級設備上的應力，連續的接觸級的切向流動引導裝置可以設置成使入口蒸氣沿交替的順時針/逆時針方向渦旋，以便使渦流旋轉方向以交替的方式改變方向。本發明的另一些實施例針對包括多個渦流接觸級的多級氣-液接觸設備。每一級都具有氣-液分離裝置，所述氣-液分離裝置具有與緊接上面的渦流接觸級的蒸氣入口以及液體降液管流體連通的出口表面，所述液體降液管與緊接下面的渦流接觸級的液體入口流體連通。如本文所述的在這些級中用來實施氣-液接觸的渦流接觸級和裝置可以在任何希望以高界面面積接觸以進行傳質、在接觸之后進行有效的相分離、在很寬范圍(液體流量比和絕對流率)的蒸氣上取得良好的性能、低壓降以及簡化的制造的設備中使用。其中一個或多個接觸級可以在反應器、蒸餾塔、吸附器、汽提塔等中使用。在一代表性的實施例中，多個接觸級用于蒸餾。本發明的另一些實施例因此針對用于使蒸氣流和液體流接觸的方法。該方法包括將蒸氣送入如本文所述的渦流接觸級的蒸氣入口和將液體送入該渦流接觸級的液體入口(例如，分別沿切向方向和軸向方向)。在蒸餾方法的情況下，在級與級間的接觸期間在內部產生蒸氣流和液體流，液體總體向下流動并連續地富集成一個或多個沸點較高的成分，而蒸氣總體上向上流動并連續地富集成一個或多個沸點較低的成分。然而，某些接觸級可以通過外部流進料，例如液體返回到塔頂、蒸氣再沸器返回到塔底、或作為蒸氣或液體的塔進料或者另外具有蒸氣餾分和液體餾分二者的塔進料。從下面的詳細說明中可以更清楚地發現涉及本發明的這些和另一些實施例。
圖I是傳統渦流接觸級的側視圖。圖2是用于將氣-液分離裝置的板保持成徑向布置的代表性的開槽的外部保持環。圖3是具有多個渦流接觸級的代表性的氣-液接觸設備的側視圖。 圖4A示出液體穿過圖3的氣-液接觸設備流動。圖4B示出蒸氣穿過圖3的氣-液接觸設備流動。圖5A示出液體降液管的末端部分，該液體降液管具有浸潰管導管，該浸潰管導管從所述末端部分延伸出來并穿過底表面到達向液體降液管進料的接觸區的緊接下面的接觸區。圖5B示出液體降液管的末端部分，該液體降液管具有槽式導管，該槽式導管從所述末端部分延伸出來并穿過底表面到達向液體降液管進料的接觸區的緊接下面的接觸區。圖6示出在處于渦流接觸級外部的環形空間段內延伸的液體降液管段，還示出液體流動方向。在所有附圖中使用相同的附圖標記來指示相同的或類似的特征。附圖應理解為提供本發明和/所涉及的原理的圖示說明。對于具有本公開的知識的本領域技術人員來說，顯而易見的是，包括根據本發明的各種其它實施例的渦流接觸級和包括這些級的渦流接觸設備會具有部分地由它們的特定用途所決定的構造和部件。
具體實施例方式本發明的方面與改善的渦流接觸級的發現有關，該渦流接觸級如上所述在它們的性能及它們的機械設計和安裝與檢修/維護方便性方面具有許多優點。圖I是示出與渦流接觸級10相關聯的某些基本特征的側視圖。在接觸區15中，能產生高度分散的氣-液混合物的旋轉渦流并且該旋轉渦流被保持在離心力場中。尤其是，當穿過蒸氣入口 22和切向流動引導裝置19進入的蒸氣使穿過液體入口 17進入的液體旋轉時，在接觸區15中形成渦流。進入蒸氣的圓形旋轉具有基本上與圓筒形容器的軸線重合的旋轉軸線，該圓形旋轉可使用切向流動引導裝置19產生，該裝置19例如具有許多設置在環形結構中的導流葉片和切向狹縫。接觸區15具有圓形橫截面，橫截面的直徑在底表面20上方的軸向高度處是橫跨切向流動引導裝置19的距離(例如，它的內徑)或者是橫跨由逐漸變小的內表面21所限定的開口的距離。因此，接觸區15的橫截面直徑在圖I所示的接觸級10中可以總體上從底部到頂部減小。接觸區15限定在底表面20、逐漸變小的內表面21和切向流動引導裝置19之間，所述切向流動引導裝置19設置在這些表面20、21之間并靠近這些表面的外周部分(即，遠離接觸區15的軸向中心)。液體因此可以穿過液體入口 17沿總體上軸向流動方向進入接觸區15，該液體入口 17穿過底表面20與接觸區15連通。液體入口 17比切向流動引導裝置19更靠近接觸區15的中心軸線(或包含接觸級10的容器的中心軸線)。循環蒸氣因此可以穿過通常具有最窄橫截面的接觸區開口或頂部出口 23離開接觸區15。在離開接觸區15之后，蒸氣體積然后在出口 23上方膨脹以與包含接觸級10的容器或器皿的整個直徑相符合。循環蒸氣的離心力使離開出口 23的蒸氣所攜帶的任何液體流向容器的外周，從而可以在接觸區出口 23上方的具有擴大直徑的空間中發生氣-液分離。分離的液體然后可以沿向下的方向流過曲線形外表面24，該外表面24處于接觸區15外部并與逐漸變小的內表面21相對。內表面21和相對的外表面24因此可以是流動引導擋板25的表面，該流動引導擋板25的表面是大致光滑的并能在接觸區15中保持穩定的旋轉渦流。內表面和相對的外表面是大致曲線形的，但是平直的表面、例如沿著直線傾斜地變窄的逐漸變小的內表面和/或直的傾斜的相對的外表面也是可以的。可以使用附加的元件、例如中心葉片轉子(未示出)增強渦旋流動，但是這些元件是任選的。沿著曲線形外表面24向下流回的分離的液體可以被引到液體排放口 26。不是單獨依靠離心力來使離開接觸區的蒸氣和液體分離，而是通過使用如例如在圖3中示出的多級氣-液接觸設備中所示的氣-液分離裝置顯著地減少不希望的夾帶的流 體和尤其是分離的液體中夾帶的蒸氣的量。為方便起見，示出了三個連續的接觸級10，不過應該理解，在設備、例如蒸餾塔中總級數通常高得多。使用其它類型的接觸級(例如，穿孔平臺塔盤)與本文所述的渦流接觸級結合也是可以的。另外，為簡單起見，未示出用于引入和抽出流體(例如，引入進料、塔頂冷凝液體和底部再沸器蒸氣或抽出分餾產品)的外部入口和出口管線。如圖I中所示，每個接觸區15都限定在底表面20、逐漸變小的內表面21和切向流動引導裝置19之間，并具有相關聯的蒸氣入口 22和液體入口 17。然而，在圖3中，示出氣-液分離裝置30具有入口表面31，該入口表面31形成逐漸變小的內表面21的頂部部分。氣-液分離裝置30的該入口表面31與接觸區15流體連通。像切向流動引導裝置19一樣，氣-液分離裝置30因此可以是環形的。在圖3所示的實施例中，環的入口(或內)表面31在接觸區15的頂部處提供最小直徑，使得由氣-液分離裝置30所提供的逐漸變小的內表面21的頂部部分是恒定直徑部分。在圖3中，與圖I的渦流接觸級不同，流體不是穿過頂部開口沿軸向離開接觸區15，而是穿過氣-液分離裝置30的入口表面31在徑向方向上轉向。與僅依靠離心力和重力來完成所需的分離相比，在氣-液分離裝置中的物理分離結構、例如以同心板(或分離板)形式的除沫器大大有益于蒸氣流和液體流在它們接觸之后的分離。尤其是，被強制穿過入口表面31離開的流體在作為分開的或分離的蒸氣流和液體流穿過出口表面32、33排出之前必須與物理分離結構接觸。在相對緊湊的空間中提供了有效的相分離。在圖3所示的實施例中，這些出口表面中的一個是外部出口表面32，該外部出口表面32與入口表面31同心，并具有環形氣-液分離裝置30的較大直徑。在外部出口表面32下方的是氣-液分離裝置30的底部出口表面33。如果這些表面例如通過使用在這些表面處的穿孔板至少部分地開放，則可以形成穿過氣-液分離裝置30的入口表面31、外部出口表面32和底部出口表面33的流體通道。相反，頂部表面34可以不穿孔，以便防止流體在沒有與氣-液分離裝置30的物理分離結構充分接觸的情況下離開該氣-液分離裝置30。另外，盡管在圖3中示出兩個分開的出口表面32、33，但應該理解，在另一些實施例中可能只需要一個出口表面。例如，在外部出口表面32和底部出口表面33之間的拐角連接處可以是曲線形的，從而分開的出口表面32、33不再是可以區分開的。用于氣-液分離裝置的合適的物理分離結構的一個示例包括多個沿徑向堆疊的板。分離裝置可以設置成所述板沿徑向堆疊，使得離開接觸區15的流體(例如，含有蒸氣餾分和液體餾分)在堆疊的板之間沿徑向向外流動，所述堆疊的板在流體流動路徑上提供表面并引起復雜性，從而導致有效的氣-液分離。因此，在一個實施例中，氣-液分離裝置30包括多個環形的板。這些板在接觸區15的頂部周圍可以保持成徑向布置，所述板的內徑形成氣-液分離裝置30的入口表面的至少一部分。根據一特定的實施例，可以使用開槽的保持環保持所述板的徑向布置。圖2示出使用外部槽45將板緊固成徑向布置的代表性的開槽的外部保持環40 (例如，使得這些板的平面如果延伸的話會在公共線處相交，該公共線與(i)開槽的外部保持環40、(ii)徑向板和保持環所環繞的接觸區15、和/或包含接觸區15的氣-液接觸設備的中心軸線重合)。因此，開槽的外部保持環40在其內周邊47上具有多個機加工的槽45。與開槽的外部保持 環結合使用來保持或緊固沿徑向堆疊的板的內部保持環(未示出)具有類似的環形形狀，但具有較小的內徑(例如，與接觸區的頂部部分的直徑匹配)和較小的外徑以及在其外周邊上的槽。用于氣-液分離裝置的許多合適的分離結構是可以的。這些結構包括例如諸如葉片型除沫器的除霧器，該葉片型除沫器具有不同通道和魚鱗板(louver)，從而穿過該除沫器的流體必須經歷若干方向改變，這導致任何夾帶的液滴沖擊分離結構的多個部分并向下流到除沫器的底部。另一個已知的氣-液分離結構的示例是網墊或編織線。也可以使用這些除霧技術的組合。用于除沫器的各種分離結構、與這些結構配合使用的穿孔板和無孔板以及這些結構和板的取向例如在US7424999的第7欄第16至64行和第9欄第61行至第11欄第30行有詳細描述,該內容包括在本公開中作為參考。圖4A和圖4B示出液相和氣相穿過圖3的多級氣-液接觸設備中的接觸區15的流動。如圖4A中所示，液體穿過氣-液分離裝置30的相關入口表面31離開每一級的接觸區15。分離的液體主要穿過底部出口表面33排出，該底部出口表面33與曲線形外表面24連通，該曲線形外表面24處于接觸區15外部并與逐漸變小的內表面21相對。分離的液體因此向下排出曲線形外表面24，在該曲線形外表面24上方是用于殘留在該液體中的任何蒸氣氣泡的額外分離的足夠空間。液體流動路徑在圖4A中被液體降液管35進一步限定，曲線形外表面24在該降液管35處終止。液體降液管35與相關的緊接下面或較低的渦流接觸級的液體入口 17連通。尤其是，液體降液管35引導離開渦流接觸級的分離液體穿過氣-液分離裝置30的底部出口表面33流到這些液體入口 17。如圖3、4A和4B中所示，給定渦流接觸級的液體降液管35都可以在它們相關的緊接下面的渦流接觸級的周圍(或其外部)的環形空間中延伸。這些環形空間因此可以包含在氣-液接觸設備的圍繞本文所述的渦流接觸級的環形區域中。圖4B示出蒸氣穿過渦流接觸級10的流動。尤其是，離開接觸區15的蒸氣流動穿過氣-液分離裝置30的入口表面31并攜帶有夾帶的液體。具有顯著減少的夾帶液體的含量的分離蒸氣然后主要穿過外部出口表面32排出該裝置30，所述外部出口表面32與入口表面31相對并具有比該入口表面31的直徑大的直徑(例如，相對的表面31、32是環形氣-液分離裝置的同心的內表面和外表面)。氣-液分離裝置30的外部出口表面32與緊接上面或較高的渦流接觸級10的蒸氣入口 22連通。本發明的方面與使用如上所述的液體降液管來將離開渦流接觸級的液體有效轉移到合適的接觸區、即設備的緊接下面的級的接觸區相關聯。通常，在從渦流接觸級抽出的液體中的任何夾帶的蒸氣氣泡的餾分都會產生溢流的趨勢。為了消除這種潛在的溢流的趨勢，必須使允許分離的液體從一個渦流接觸級流到下面的緊接下面的渦流接觸級的液體降液管的管道或通道的尺寸足夠大，以用于自排氣流動。合適的尺寸關系例如在Sewell，A的“蒸餾塔設計的幾個方面”，化學工程師，299/300 =442(1975)中有記載，這可以用來預測所希望的自排氣流動的最小所需平均液壓直徑。除了合適的降液管尺寸之外，液體從級到級的路徑還由于必須保持氣-液接觸設備及其渦流接觸級裝置的軸向對稱以允許形成和保持穩定的渦流這一事實而被進一步復雜化。而且，用于液體穿過連續的接觸級的液體降液管的通道應該理想地使該液體在每一級處穿過液體入口圍繞渦流周邊均勻地分散。與液體圍繞渦流接觸區的中心軸線以非均勻方式進入渦流接觸區的情況相比，增強的對稱性有利地在很寬的流量比范圍內提供穩定的 運行。從機械方面來看的另一個考慮是免除了用于離開和再進入典型的氣-液接觸設備的豎直的圓筒形殼體的分離的液體的管道，而外部管道需要相當大的安裝工作和成本。在圖3、4A和4B中所示的外部環形降液管35有利地針對與液體在具有多個渦流接觸級的氣-液接觸設備中的轉移有關的考慮。在運行時，從通常是曲線形的并處于接觸區15外部的外表面24收集分離的液體并將其排入圍繞這些接觸區的外部設置的環形區域或空間中。在該空間中從各渦流接觸級延伸出來的降液管35將分離的液體轉移到緊接下面的合適的渦流接觸級并優選地穿過圍繞接觸區15的中心軸線以對稱方式設置的液體入口，該中心軸線通常是氣-液接觸設備自身的中心軸線。用于離開降液管35的分離的液體的這種轉移的特殊結構在圖5A和5B中示出。這些結構在液體降液管35的末端部分(例如下面部分)處或其附近延伸，與該末端部分相對的是與外表面24連通的一部分(例如上面部分)，分離的液體從所述外表面24排入降液管35。更具體地，該延伸的結構用作用于將一部分或全部液體穿過底表面引到接觸區15的導管。如上所述，這些提供液體入口 17的液體導管優選地圍繞它們各自的接觸區15的中心軸線分布。在圖5A所示的實施例中，該接觸區的液體入口包括一個或多個從液體降液管35的末端部分延伸出來的浸潰管導管50，所述液體入口處于液體從其穿過降液管35提供的渦流接觸級的緊接下面的渦流接觸級中。在圖5B的實施例中，從降液管35延伸出來的導管是為緊接下面的接觸區15提供一部分或全部液體入口的槽形導管55。圖5A和5B中的浸潰管導管50或槽形導管55構造成在部分地限定有關接觸區的底表面20下方延伸。總體上，在底表面20的下方延伸并然后向上穿過底表面20的導管的取向可以提供豎向的液位并因而幫助保證液體密封，以防止蒸氣穿過液體入口進入接觸區15(即，消除蒸氣“漏氣，，)。一般地，多個液體降液管35可以在渦流接觸級外部的環形空間中將液體從給定渦流接觸級轉移到相鄰的下面的渦流接觸級，如上所述。用于在任何兩個特定的級之間轉移液體的液體降液管因此可以是若干液體降液管段的形式的，該液體降液管段在環形空間的離散的部分中延伸并優選地在該環形空間中設置有均勻的徑向和圓周間隙。給定級的若干降液管的該均勻間隙可以幫助提供各接觸級的良好對稱性。在其中保持接觸區的對稱性和有效的徑向分布的特定的實施例中，多個從這些徑向間隔開的降液管段延伸出來的導管(例如，如圖5A和5B中所示的浸潰管或槽)在圍繞接觸區的中心軸線均勻間隔開的徑向位置處穿過其底表面與緊接下面的接觸區連通。因此，為離開如上所述的氣-液分離裝置的分離的液體提供流動路徑的給定渦流接觸區的外表面可以終止于多個液體降液管段，所述多個液體降液管段在處于多個渦流接觸級外部的環形空間內的離散的徑向部分中延伸。如圖3中所示，液體降液管35的底部延伸到緊接下面的接觸級的液體降液管35a的頂部下方。因此，如圖6中所示，環形空間60可以通過交替降液管分成若干段。尤其是，在環形空間60的離散的沿徑向間隔開的部分中延伸的給定接觸級的液體降液管段35'在徑向上設在緊接下面的渦流接觸級的液體降液管段35a'和緊接上面的渦流接觸級的液體降液管段35b'之間。圖6中的水平箭頭示出代表性的水平液位，在該水平液位處液體離開和進入第N和第N+1接觸級。在可供選擇的實施例中，可以使用一系列管道代替環形空間中的降液管段，所述管道設置在氣-液接觸設備的豎直壁的內側。然而，使用管道提供了減小的流動面積(并因 此可能需要更大的總容器直徑)，并且還會導致更復雜的制造(例如，額外的焊接)。然而，管道也可以更有效地在壁處提供液體密封，并減輕在液體泄漏到緊接下面的渦流接觸級的方面的潛在擔憂。了解本公開的本領域技術人員會知道對于任何給定的氣-液接觸應用使用管道或環形降液管段之間的折衷方案。在另一個特定的實施例中，通過在交替的渦流接觸級上使渦旋的方向相反減小了在容器上由渦旋的內部流體的轉矩所引起的機械應力。來自交替的接觸級的轉矩從而有效地相互抵消，并且總應力的減小允許氣-液接觸設備使用更薄的容器壁，從而降低了成本。總之，本發明的方面涉及使用一個或多個渦流接觸級來改善任何數量的氣-液接觸設備、例如反應器和蒸餾塔的性能。本領域技術人員會認識到本文所述的設備、接觸級及有關方法的優點及它們在其它應用中的適用性。由于本公開，應該理解，可以得到其它有利的結果。本領域技術人員借助于從本公開獲得知識會認識到可以在不脫離本公開的情況下對上述設備和方法進行各種改變。用來闡明理論上的或所觀察到的現象或結果的機構應認為僅是示例性的，不以任何方式限制所附權利要求的范圍。
權利要求
1.一種氣-液接觸設備，該氣-液接觸設備包括渦流接觸級(10),該渦流接觸級(10)包括 (a)接觸區(15)，該接觸區(15)具有圓形橫截面并限定在底表面(20)、逐漸變小的內表面(21)和圓筒形切向流動引導裝置(19)之間，所述切向流動引導裝置(19)設置在所述底表面(20)和所述逐漸變小的內表面(21)之間并靠近所述底表面(20)和所述逐漸變小的內表面(21)的外周部分； (b)蒸氣入口(22)，該蒸氣入口(22)與所述切向流動引導裝置(19)連通； (c)液體入口(17)，該液體入口(17)穿過所述底表面(20)與所述接觸區(15)連通；和 (d)氣-液分離裝置(30)，該氣-液分離裝置(30)包括入口表面(31)，所述入口表面(31)形成所述逐漸變小的內表面的頂部部分并與所述接觸區(15)連通。
2.如權利要求I所述的接觸設備，其特征在于，所述氣-液分離裝置(30)還包括 (dl)相對的外部出口表面(32)，該相對的外部出口表面(32)與所述入口表面(31)同心并具有較大直徑，和 (d2)底部出口表面(33)。
3.如權利要求2所述的接觸設備，其特征在于，所述氣-液分離裝置(30)的所述入口表面(31)、所述相對的外部出口表面(32)和所述底部出口表面(33)都包括穿孔板。
4.如權利要求I至3中任一項所述的接觸設備，其特征在于，所述氣-液分離裝置(30)包括多個在開槽的保持環(40)之間保持成徑向布置的板。
5.如權利要求2所述的接觸設備，其特征在于，所述氣-液分離裝置(30)的所述相對的外部出口表面(32)與緊接上面的渦流接觸級(10)的蒸氣入口(22)流體連通。
6.如權利要求2所述的接觸設備，其特征在于，所述氣-液分離裝置(30)的所述底部出口表面(33)與曲線形外表面(24)流體連通，所述曲線形外表面(24)處于所述接觸區(15)外部并與所述逐漸變小的內表面(21)相對。
7.一種用于使蒸氣和液體接觸的方法，該方法包括將蒸氣送入權利要求I至6中任一項所述的氣-液接觸設備的渦流接觸級的蒸氣入口(22)中和將液體送入權利要求I至6中任一項所述的氣-液接觸設備的渦流接觸級的液體入口(17)中。
8.一種多級氣-液接觸設備，該多級氣-液接觸設備包括豎直設置的具有多個渦流接觸級(10)的圓筒形殼體，所述渦流接觸級(10)包括 (a)液體入口(17)，該液體入口(17)與接觸區(15)的底表面(20)流體連通； (b)蒸氣入口(22)，該蒸氣入口(22)穿過圓筒形切向流動引導裝置(19)與所述接觸區(15)流體連通；和 (c)氣-液分離裝置(30)，該氣-液分離裝置(30)包括入口表面(31)，所述入口表面(31)形成逐漸變小的內表面(21)的頂部部分并與所述接觸區(15)流體連通， 其中，所述接觸區(15)具有圓形橫截面并限定在底表面(20)、在所述底表面(20)上方的所述逐漸變小的內表面(21)和所述圓筒形切向流動引導裝置(19)之間，所述切向流動引導裝置(19)設置在所述底表面(20)和所述逐漸變小的內表面(21)之間并靠近所述底表面(20)和所述逐漸變小的內表面(21)的外周部分。
9.如權利要求8所述的多級氣-液接觸設備，其特征在于，所述氣-液分離裝置(30)還包括 (dl)相對的外部出口表面(32)，該相對的外部出口表面(32)與所述入口表面(31)同心并與緊接上面的渦流接觸級(10)的蒸氣入口(22)流體連通；和 (d2)底部出口表面(33)，該底部出口表面與一外表面流體連通，所述外表面處于所述接觸區(15)外部并與所述逐漸變小的內表面(21)相對， 其中，所述外表面在多個液體降液管段處終止，所述液體降液管段在處于所述多個渦流接觸級(10)外部的環形空間的離散部分中延伸，并在徑向上設置在緊接上面的渦流接觸級(10)和緊接下面的渦流接觸級(10)的液體降液管段之間。
10.一種多級氣-液接觸設備,該多級氣-液接觸設備包括多個渦流接觸級(10)，每個渦流接觸級(10)都具有氣-液分離裝置(30)，所述氣-液分離裝置(30)具有與(i)緊接上面的渦流接觸級的蒸氣入口(22)和(ii)液體降液管流體連通的出口表面，所述液體降液管與緊接下面的渦流接觸級的液體入口(17)流體連通。
全文摘要
本發明涉及氣-液接觸設備、例如反應器和蒸餾塔(以及反應蒸餾設備)，該氣-液接觸設備包括具有一個或多個渦流接觸級的容器。除了在接觸之后將不同相有效分離外，所述一個或多個渦流接觸級還提供用于這些相的有效接觸的高界面面積。
文檔編號B01F3/04GK102802780SQ201080025241
公開日2012年11月28日 申請日期2010年3月31日 優先權日2009年4月8日
發明者G·P·陶勒爾 申請人:環球油品公司