КОМПОНОВКА ОТВЕРСТИЙ ДЛЯ ПАРОЖИДКОСТНОЙ КОНТАКТНОЙ ТАРЕЛКИ

Уровень техники, к которой относится изобретение

Массообменные колонны, такие как дистилляционные, абсорбционные и отгоночные колонны, оборудованы разнообразными типами тарелок для целей контакта пара и жидкости. Указанные колонны хорошо известны в технике для разделения одного или более многокомпонентных потоков исходных веществ, и они не ограничиваются определенным образом в настоящем документе. Примеры таких колонн и тарелок описаны в патентах США №№ 4750975, 5120474, 5453222 и 8066264, которые включаются в настоящий документ посредством ссылки.

Как правило, массообменная колонна имеет множество тарелок, распределенных на горизонтальных опорах в раздельной конфигурации по высоте колонны. Типичная тарелка имеет полотно, над которым жидкость проходит из нисходящей впускной секции в нисходящую выпускную секцию. Типичное полотно тарелки имеет отверстия, через которые может проходить восходящий пар, и сверху и/или вокруг которых может протекать жидкость, чтобы барботировать или иным способом заставлять пар проходить через жидкость в поперечном потоке.

Конструкция дистилляционных колонн и связанных с ними тарелок представляет собой компромисс между общей способностью пропускания материала (например, производительностью) и разделительной эффективностью тарелки/колонны. Соответственно, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы, не жертвовать производительностью тарелки и колонны или, в качестве альтернативы, повышать эффективность.

Выбор и расположение отверстий для тарелок определяется отчасти вышеизложенными принципами. Однако взаимодействие пара и/или жидкости между смежными отверстиями на тарелке и воздействие на эффективность и производительность является не вполне понятным. Патенты США №№ 5468425 и 5975504, которые полностью включаются в настоящий документ посредством ссылки для всех целей, описывают расположение отверстий и «требуемые» промежутки для оптимальных эксплуатационных характеристик парожидкостных контактных тарелок. Указанные патенты представляют треугольные конфигурации отверстий по рядам отверстий на тарелке и описывают требуемые промежутки между отверстиями в ряду и промежутки между рядами. Однако указанные патенты не обеспечивают правильное понимание взаимодействий между смежными отверстиями на тарелке и, следовательно, «требуемые» промежутки между отверстиями не обеспечивают оптимальные эксплуатационные характеристик (например, производительность и/или эффективность) тарелки. Таким образом, является весьма желательным достижение улучшенного понимания указанных взаимодействий и обеспечение расположения отверстий и промежутков, которые улучшают эксплуатационные характеристики тарелки.

Кроме того, следует отметить, что тарелки поддерживаются внутри колонн находящимися снизу опорами тарелок. Находящиеся внизу опоры тарелок могут взаимодействовать с отверстиями в тарелке для обеспечения областей занятого пространства на тарелках, где уменьшается взаимодействие пара/жидкости. Таким образом, является весьма желательным улучшенное понимание указанных занятых пространств на тарелке и обеспечение способов увеличения взаимодействий пара/жидкости в них в целях улучшения эксплуатационных характеристик тарелок.

Сущность изобретения

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предлагается парожидкостное контактное тарельчатое устройство, включающее тарелку, которая имеет множество отверстий для прохождения текучей среды сквозь тарелку, в котором:

отверстия располагаются в первой группе из трех смежных рядов, проходящих по существу параллельно по отношению к основному пути потока жидкости тарелки,

отверстия среднего ряда смещены вдоль основного пути потока жидкости на тарелке от смежных отверстий других двух рядов с образованием треугольной конфигурации смежных отверстий в трех смежных рядах,

отверстия имеют длину и ширину, причем каждая длина ориентирована параллельно по отношению к своему ряду и каждая ширина ориентирована по существу перпендикулярно по отношению к своему ряду,

центры смежных отверстий в пределах каждого ряда разделяет первый промежуток, который равняется или составляет от 2,5 до 4,5 средней длины отверстий в данном ряду, и

смежные ряды разделяет второй промежуток, который равняется или составляет от 1,5 до 2,5 средней ширины отверстий смежных рядов.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предлагается еще одно парожидкостное контактное тарельчатое устройство для использования в разделительной колонне. Устройство включает тарелку и опору тарелки, причем:

вышеупомянутая опора тарелки включает один или более элементов, выбранных из группы, которую составляют: кольцо, частичное кольцо, скобка, или фланец, расположенные под окружной областью тарелки и выполненные с возможностью поддержки окружной области тарелки; поперечная балка, расположенная под хордальной областью тарелки и выполненная с возможностью поддержки хордальной области тарелки; и панель тарелки, образующая поперечную балку, которая поддерживает часть смежной панели тарелки или панелей тарелки;

множество аэрирующих опорную зону отверстий образуются в тарелке, примыкая сбоку к опоре тарелки;

одно или более из множества аэрирующих опорную зону отверстий, по меньшей мере, частично покрыты покрытием, вышеупомянутое покрытие расположено с возможностью взаимодействовать с паром, проходящим через аэрирующее опорную зону отверстие, таким образом, что более чем 50% пара, проходящего через аэрирующее опорную зону отверстие, направляется в поперечном направлении на тарелке и над находящейся снизу опорой тарелки.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, предлагается еще одно парожидкостное контактное тарельчатое устройство для использования в разделительной колонне. Устройство включает все элементы первого и второго аспектов настоящего изобретения.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, предлагается фракционирующая колонна, включающая одну или более парожидкостных контактных тарелок, предложенных в любом из приведенных выше аспектов настоящего изобретения.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения, предлагается способ получения потока верхних фракций и потока нижних фракций из одного или более потоков исходных веществ. Данный способ включает следующие стадии:

(i) введение одного или более исходных потоков в массообменной колонне согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, и

(ii) работа массообменной колонны в технологических условиях, достаточных для создания потока верхних фракций и потока нижних фракций,

и в результате этого получают поток верхних фракций и поток нижних фракций из одного или более потоков исходных веществ.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет изображение вертикальной проекции тарельчатого устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 представляет изображение вертикальной проекции тарельчатого устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 3 представляет перспективное изображение трапецеидальных клапанов.

Фиг. 4 и 5 представляют графические результаты из раздела «Примеры».

Фиг. 6-10 представляют изображения вертикального разреза тарельчатых устройств в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание изобретения

Основу настоящего описания составляет отчасти первое изобретение авторами настоящего изобретения расположений и конфигураций отверстий для разделительных тарелок, которые улучшают эксплуатационные характеристики тарелок (например, увеличение производительности при одновременном сохранении или увеличении эффективности. Кроме того, основу настоящего описания составляет отчасти второе изобретение авторами настоящего изобретения расположений и конфигураций отверстий для разделительных тарелок, которые обеспечивают аэрацию частей тарелки, расположенных непосредственно над находящейся снизу опорой тарелки, что также улучшает эксплуатационные характеристики тарелок. Хотя первое и второй изобретения авторов настоящего изобретения могут использоваться индивидуально для улучшения эксплуатационных характеристик тарелок, считается, что использование первого и второго изобретений в сочетании друг с другом в одной и той же тарелке может обеспечивать кумулятивные преимущества.

I. Расположение отверстий

Первое изобретение авторов настоящего изобретения заключается в том, что боковые потоки пара, выходящие из смежных отверстий и клапанов могут сталкиваться друг с другом, и в результате этого создаются области высокого импульса пара, которые ограничивают производительность тарелки. Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что конфигурации отверстий и клапанов тарелок согласно настоящему изобретению сокращают до минимума данный эффект столкновения. В частности, авторы настоящего изобретения обнаружили расположение отверстий для тарелок массообменной колонны, которое увеличивает производительность тарелок и в то же время сохраняет или повышается эффективность разделения тарелки. Согласно предпочтительным вариантам осуществления, промежуток между отверстиями представляет собой функцию среднего размера отверстий. Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления, промежуток между отверстиями представляет собой функцию типа отверстий. Массообменные колонны, содержащие одну или более тарелок согласно настоящему изобретению, могут обеспечивать повышенную производительность и равную или более высокую эффективность разделения, чем имеющие аналогичные размеры и конструкции колонны, в которых не используются тарелки согласно настоящему изобретению.

Рассмотрим фиг. 1, где парожидкостное контактное тарельчатое устройство 100 включает тарелку 101, имеющую множество отверстий 103 для прохождения текучей среды сквозь тарелку 101. Согласно некоторым вариантам осуществления, тарелка 101 включает отдельные панели (не представленные на чертеже), которые могут соединяться друг с другом, образуя тарелку 101 (например, полотно тарелки).

Отверстия 103 располагаются в первой группе из трех смежных рядов отверстий 107, 109, 111, которые проходят по существу параллельно по отношению к основному пути потока жидкости 113 тарелки 101. Основной путь потока жидкости 113 проходит между нисходящей впускной секцией 114 и нисходящей выпускной секцией 116 тарелки 101. Хотя на практике может присутствовать микротраектории или местные траектории потоков жидкости на тарелке 101, вызванные взаимодействием жидкости, пара, их соответствующих общих и/или местных скоростей и/или деталей тарелки 101, «основной путь потока жидкости» 113 представляет собой общее направление потока жидкости на тарелке между одной или более нисходящими впускными секциями 114 и одной или более нисходящими выпускными секциями 116. Согласно определенным вариантам осуществления, тарелка может иметь более чем одну нисходящую впускную секцию 114 и/или более чем одну нисходящую выпускную секцию 116. Согласно указанным вариантам осуществления, тарелка может иметь более чем один основной путь потока жидкости 113, причем каждый такой путь проходит между соответствующей нисходящей впускной секцией 114 и соответствующей нисходящей выпускной секцией 116.

Как отмечено выше, отверстия 103 тарелки располагаются в первой группе из трех смежных рядов отверстий 107, 109, 111, которые проходят по существу параллельно по отношению к основному пути потока жидкости 113 тарелки 101. Термин «по существу параллельный» в настоящем документе следует понимать как означающий, что соответствующий ряд или ряды отверстий 103 располагаются под углом, составляющим приблизительно от -15° до +15° по отношению к основному пути потока жидкости 113 тарелки, например, соответствующий ряд или ряды отверстий 103 располагаются под углом, составляющим приблизительно от -10° до +10° (например, приблизительно от -5° до +5°, приблизительно от -2° до +2°, или параллельно (например, пол углом, составляющим приблизительно 0°)) по отношению к основному пути потока жидкости 113 на тарелке.

Отверстия 103 среднего ряда 109 смещены от смежных отверстий 103 других двух смежных рядов 107, 111 вдоль основного пути потока жидкости 113 на тарелке 101 с образованием треугольной конфигурации 115 смежных отверстий 103 в трех смежных рядах 107, 109, 111.

Рассмотрим фиг. 2 (например, крупный план расположения отверстий на тарелке), где отверстия 203 имеют длину 217 и ширину 219. Каждая длина 217 ориентирована по существу параллельно (например, по направлению или вдоль) по отношению к своему ряду 207, 209, 211, который проходит по существу параллельно по отношению к основному пути потока жидкости 213 на тарелке 201. Каждая ширина 219 ориентирована по существу перпендикулярно по отношению к своему ряду 207, 209, 211 (например, по существу перпендикулярно по отношению к основному пути потока жидкости 213 на тарелке 201). Аналогично изложенному выше, термин «по существу» используется во всей настоящей заявке, и в данном документе его следует понимать как означающий приблизительно от -15° до +15°, приблизительно от -10° до +10°, приблизительно от -5° до +5°, предпочтительнее приблизительно от -2° до +2°, или приблизительно 0° по отношению к заданному направлению (например, параллельному или перпендикулярному).

Центры смежных отверстий 203 в пределах каждого ряда 207, 209, 211 разделяет первый промежуток 221, который равняется или составляет от 2,5 до 4,5 средней длины 217 отверстий 203 в данном ряду 207, 209, 211. Согласно более предпочтительным вариантам осуществления, центры смежных отверстий 203 в пределах каждого ряда 207, 209, 211 разделяет первый промежуток 221, который равняется или составляет от 2,9 до 3,9, например, от 3,5 до 3,7 (например, 3,6) средней длины 217 отверстий 203 в данном ряду 207, 209, 211.

Центральные линии 223 смежных рядов 207, 209, 211 разделяет второй промежуток 225, который равняется или составляет от 1,5 до 2,5 средней ширины 219 отверстий 203 смежных рядов 207, 209, 211. Согласно более предпочтительным вариантам осуществления, центральные линии 223 смежных рядов 207, 209, 211 разделяет второй промежуток 225, который равняется или составляет от 1,7 до 2,2, например, от 1,9 до 2,1 (например, 2,0) средней ширины 219 отверстий 203 смежных рядов 207, 209, 211.

Согласно предпочтительным вариантам осуществления, центры смежных отверстий 203 в пределах каждого ряда 207, 209, 211 разделяет первый промежуток 221, который составляет более чем 76 мм, например, составляет приблизительно от 95 до 130 мм. Кроме того, согласно указанным предпочтительным вариантам осуществления центральные линии 223 смежных рядов 207, 209, 211 разделяет второй промежуток 225, который равняется или составляет менее чем 40 мм, например, составляет приблизительно от 30 до 38 мм. Согласно указанным предпочтительным вариантам осуществления, средняя длина отверстия предпочтительно равняется или составляет приблизительно от 17 мм до 52 мм (например, равняется или составляет приблизительно от 30 до 48 мм и предпочтительнее равняется или составляет от 40 до 47 мм), и/или средняя ширина отверстия предпочтительно равняется или составляет приблизительно от 10 мм до 26 мм (например, равняется или составляет приблизительно от 10 до 20 мм).

Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления, отсутствует перекрывание отверстий 203 между смежными рядами 207, 209, 211 вдоль основного пути потока жидкости 213 на тарелке. Другими словами, любая линия, проведенная перпендикулярно по отношению к основному пути потока жидкости 213 и через любые два смежных ряда отверстий в первой группе из трех смежных рядов, пересекает не более чем одно отверстие 203 двух смежных рядов.

Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления, помимо первой группы из трех смежных рядов, другие из множества отверстий располагаются в одной или более дополнительных группах из трех смежных рядов, проходящих параллельно по отношению к основному пути потока жидкости на тарелке (представленной на фиг. 1). Например, тарелка может иметь 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 или более рядов отверстий, которые проходят параллельно по отношению к основному пути потока жидкости 113, 213 на тарелке. Группы из трех смежных рядов могут включать общие ряды между группами. Например, тарелка, имеющая четыре ряда отверстий, может рассматриваться как имеющая две группы, включающие три смежных ряда (например, ряды 1, 2 и 3 и/или ряды 2, 3 и 4) и т. д.

В том случае, где тарелка имеет одну или более дополнительных групп из трех смежных рядов отверстий, оказывается предпочтительным, что группы имеют аналогичные или такие же характеристики, как первая группа. В частности оказывается предпочтительным, что отверстия среднего ряда одной или более дополнительных групп смещены вдоль основного пути потока жидкости на тарелке из смежных отверстий других двух рядов в группе с образованием треугольной конфигурации смежных отверстий в трех смежных рядах в одной или более дополнительных группах. Кроме того, отверстия в одной или более дополнительных группах имеют длину и ширину, каждая длина ориентирована параллельно по отношению к своему ряду и каждая ширина ориентирована перпендикулярно по отношению к своему ряду. Кроме того, оказывается предпочтительным, что центры смежных отверстий в пределах каждого ряда в одной или более дополнительных группах разделяет первый промежуток, который равняется или составляет от 2,5 до 4,5 средней длины отверстий в данном ряду, и смежные ряды в одной или более дополнительных группах разделяет второй промежуток, который равняется или составляет от 1,5 до 2,5 средней ширины отверстий смежных рядов.

Отверстия в тарелке создают траекторию потока пара, который проходит вверх сквозь тарелку и через жидкость, которая перемещается вдоль основного пути потока жидкости на тарелке. Размеры и формы отверстий тарелки не ограничиваются определенным образом.

Согласно определенным вариантам осуществления длина отверстия ориентирована вдоль или по существу параллельно по отношению к основному пути потока жидкости на тарелке, в то время как ширина ориентирована вдоль или по существу перпендикулярно по отношению к основному пути потока жидкости. Средняя длина отверстия предпочтительно равняется или составляет приблизительно от 10 мм до 70 мм (например, равняется или составляет приблизительно от 17 мм до 52 мм, равняется или составляет приблизительно от 30 до 48 мм, предпочтительнее равняется или составляет от 40 до 47 мм, например, 45 мм). Согласно указанным вариантам осуществления средняя ширина отверстия предпочтительно равняется или составляет приблизительно от 5 мм до 40 мм (например, равняется или составляет приблизительно от 10 мм до 26 мм, равняется или составляет приблизительно от 10 до 20 мм, например, 19 мм).

Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления, отверстия имеют форму, выбранную из группы, которую составляют: круг, квадрат, прямоугольник, трапеция, пятиугольник и шестиугольник. Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления одно или более, или все из отверстий являются трапециевидными и располагаются таким образом, что их параллельные стороны являются по существу перпендикулярными по отношению к основному пути потока жидкости на тарелке (например, в том случае, где более длинная параллельная сторона находится выше по потоку относительно менее длинной параллельной стороны вдоль основному пути потока жидкости). Поскольку трапецеидальные отверстия имеют более длинную сторону выше по потоку и менее длинную сторону ниже по потоку вдоль основному пути потока жидкости на тарелке, средняя ширина трапецеидальных отверстий может использоваться для определения их расположения на тарелке.

Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления, одно или более, или все из отверстий являются прямоугольными и располагаются таким образом, что длинные параллельные стороны проходят по существу параллельно по отношению к основному пути потока жидкости, в то время как их короткие параллельные стороны являются по существу перпендикулярными по отношению к основному пути потока жидкости. Размер и форма отверстий могут также предпочтительно выбираться, чтобы регулировать и/или сокращать до минимума поток жидкости через полотно тарелки (например, протекание жидкости из основному пути потока жидкости на тарелке сквозь тарелку в нижнее положение в колонне/башне).

Отверстия могут быть связаны с покрытием, которое, по меньшей мере, частично покрывает отверстие. В том случае, где покрытие отверстия присутствует, оно предпочтительно выбирается таким образом, чтобы регулировать протекание, скорость потока пара, направление пара, скорость и направление потока жидкость и/или введение/распределение пара или его контакта с жидкостью, которая перемещается вдоль основному пути потока жидкости на тарелке.

Покрытия отверстий являются хорошо известными в технике и не ограничиваются определенным образом в настоящем документе. Согласно предпочтительным вариантам осуществления, присутствуют покрытие или покрытия отверстий, которые, по меньшей мере, частично покрывают одно или более отверстий (например, все отверстия тарелки). Отверстия и их соответствующие покрытия, если они присутствуют, являются известными в технике как «клапаны», и покрытия могут быть вставлены в отверстия и/или соединены с ними после образования отверстия или, в качестве альтернативы, образованы из полотна тарелки, когда образуется отверстие (например, посредством перфорации и/или изгиба). Указанные клапаны могут представлять собой фиксированные клапаны, у которых покрытия остаются фиксированными по отношению к полотну тарелки, или плавающие клапаны, у которых покрытия попеременно открываются и закрываются по отношению к полотну тарелки в зависимости от скорости потока пара и уровня жидкости.

Неограничительные примеры клапанов описаны в патентах США №№ 7540476, 7708258, 8066264 и 8720870, которые включаются в настоящий документ посредством ссылки для всех целей. Согласно предпочтительному варианту осуществления, тарелка включает один или более клапанов, описанных в указанных патентах. Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления, тарелка включает один или более клапанов, выбранных из группы, которую составляют VG-O MINIVALVE™ (Koch-Glitsch), PROVALVE™ (Koch-Glitsch), стандартный круглый клапан, дугообразный клапан и колпачок барботажной ректификационной колонны.

Когда присутствуют один или более фиксированных клапанов, они предпочтительно представляют собой трапецеидальные клапаны и вырезаются штампом из полотна тарелки, и их длина ориентируется параллельно по отношению к потоку жидкости. Трапецеидальные клапаны обеспечивают уникальные преимущества по сравнению с клапанами других типов или с непокрытыми отверстиями (например, сетчатыми тарелками). В частности, они обеспечивают снижение высоты пены, уменьшение захвата вследствие бокового высвобождения пара, увеличение производительности, улучшение диапазона изменения, высокую эффективность в широком технологическом диапазоне посредством улучшения контакта пара и жидкости, превосходную механическую прочность посредством увеличения жесткости полотна тарелки, отсутствие подвижных деталей и, таким образом, отсутствие износа, а также превосходное сопротивление загрязнению. Некоторые трапецеидальные клапаны представлены на фиг. 3.

Когда присутствуют один или более плавающих клапанов, они предпочтительно включают подвижный или плавающий клапан, который повышает до максимума гидравлическую производительность, эффективность разделения и технологический интервал фракционирующих тарелок. Основные характеристики указанных клапанов включают покрытие, имеющее зонтичную или вогнутую форму, которое уменьшает импульс струи выпускаемого пара, сокращают до минимума захват жидкости паром, способствует равномерному смешиванию пара и жидкости на полотне тарелки, максимально увеличивает площадь контакта пара и жидкости на полотне тарелки. Две широкие стойки подвижно прикрепляют клапан указанного типа к полотну тарелки и служат для максимального увеличения надежности, предотвращения вращения, износа и выталкивания клапана с полотна тарелки, а также максимально увеличивают длину пробега и сокращают до минимума эксплуатационные расходы. Дополнительно присутствуют четыре прокладки, чтобы предотвращать прилипание к полотну тарелки и максимально увеличивать сопротивление загрязнению. Предусмотрены две толщины и высоты, чтобы максимально увеличивать гибкость и рабочий диапазон. Ориентация клапана является параллельной по отношению к потоку жидкости, что способствует сокращению до минимума гидравлического градиента вдоль пути потока по полотну тарелки.

Кроме того, следует отметить, что фиксированные или подвижные клапаны, имеющие покрытие зонтичной или вогнутой формы, могут дополнительно создавать желательные профили потока пара. Например, имеющее зонтичную или вогнутую форму покрытие может служить для направления пара наружу и при этом вниз (к полотну тарелки) из отверстия. Например, пар, выходящий из отверстия, взаимодействует с имеющим вогнутую или зонтичную форму покрытием и перенаправляется радиально наружу из отверстия и затем обратно к полотну тарелки из отверстия (например, под косым углом назад к полотну тарелки и из отверстия). Получаемый в результате поток пара через клапаны указанных типов обеспечивает импульс пара, выходящего из клапана, чтобы переносить пар наружу из клапана и вниз (например, под косым углом обратно к полотну тарелки и из отверстия) через жидкость, которая перемещается по полотну тарелки. Не ограничиваясь конкретным механизмом действия, считают, что это обеспечивает повышенную аэрацию жидкости, а также способность аэрации большей площади тарелки с использованием клапанов указанных типов.

II. Опора тарелки и аэрация потока жидкости на тарелке непосредственно над опорой

Как правило, тарелки внутри колонны поддерживает опора тарелки, которая прикрепляется к колонне и снизу поддерживает тарелку и/или одну или более из ее индивидуальных панелей. Области тарелки, находящиеся непосредственно над опорой тарелки, как правило, не имеют отверстий, и, таким образом, путь потока жидкости над опорой тарелки, как правило, не подвергается аэрации. В качестве альтернативы, указанные области тарелки имеют отверстия, но поток пара через отверстия блокирует находящаяся снизу опора тарелки. В любом случае, указанные области, представляющие собой неаэрируемые области, как правило, рассматриваются как «мертвые» (например, неаэрируемые) области.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что когда указанные, как правило, неаэрируемые, области тарелки подвергаются аэрации, перепад давления на тарелке может уменьшаться/сокращаться до минимума при одновременном увеличении производительности тарелки. Таким образом, согласно следующему аспекту настоящего изобретения, тарельчатые устройства, описанные в настоящем документе, могут дополнительно включать: опору тарелки, где тарелку поддерживает опора тарелки; и структуры (например, устройства), способные аэрировать, по меньшей мере, часть основному пути потока жидкости непосредственно над опорой тарелки. В том случае, где используются указанные структуры для аэрации, по меньшей мере, части основного пути потока жидкости непосредственно над опорой тарелки, оказывается предпочтительным, что они являются достаточными для аэрации части (например, 25% или более, 50% или более, 75% или более, или всей) пути потока жидкости непосредственно над опорой тарелки.

Опоры тарелки и их соответствующие элементы являются хорошо известными в технике и не ограничиваются определенным образом в настоящем документе. Например, опоры тарелки и их соответствующие элементы могут включать, помимо прочих: кольца, частичные кольца, скобки и/или фланцы, прикрепленные к колонне, которые находятся снизу и поддерживают окружную область тарелки; поперечные балки (образующие, например, стержневую систему), прикрепленные к колонне, которые находятся снизу и поддерживают хоральные области тарелки; и/или интегрированную стержневую систему, в которой используется одна или более панелей тарелки для поддержки других панелей тарелки (например, панель тарелки, образующая поперечную балку, находится снизу и поддерживает часть смежной панели или панелей тарелки); и их сочетания.

Структуры, способные аэрировать, по меньшей мере, часть основного пути потока жидкости непосредственно над опорой тарелки, аналогичным образом, не являются ограниченными. Согласно определенным вариантам осуществления, вышеупомянутые структуры включают элементы/детали, связанные с тарелкой, включая аэрирующие опорную зону отверстия, образованные в тарелке непосредственно над опорой тарелки.

Согласно вариантам осуществления, где тарелка включает аэрирующие опорную зону отверстия, образованные в тарелке непосредственно над опорой тарелки, соответствующие элементы/детали предпочтительно связаны с опорой тарелки, что обеспечивает сообщение с возможностью переноса текучей среды снизу тарелки и через аэрирующие опорную зону отверстия над опорой тарелки. Согласно одному варианту осуществления, указанные соответствующие элементы/детали, связанные с опорой тарелки, включают отверстия в опоре тарелки, которые находятся в сообщении по текучей среде с аэрирующими опорную зону отверстиями в тарелке непосредственно над опорой тарелки. Патенты США №№ 2274041, 2903251, 4174363, 5547617 и 7810796, которые включаются в настоящий документ для всех целей, описывают дополнительные соответствующие элементы/детали, связанные с опорой тарелки, которые обеспечивают сообщение с возможностью переноса текучей среды снизу тарелки через аэрирующие опорную зону отверстия над опорой тарелки. Например, патент США № 7810796 описывает использование одной или более прокладок, расположенных между тарелкой и опорой тарелки. Согласно указанным вариантам осуществления, одной или более прокладок служат для подъема тарелки с опоры, в результате чего обеспечивается сообщение с возможностью переноса текучей среды снизу тарелки через аэрирующие опорную зону отверстия, расположенные непосредственно над опорой тарелки. Указанные патенты дополнительно описывают варианты осуществления, которые включаются в настоящий документ для всех целей, что обеспечивает аэрация жидкости на тарелке непосредственно над опорой тарелки.

Согласно дополнительным вариантам осуществления, которые отчасти составляют предмет второго изобретения авторов настоящего изобретения и представлены на фиг. 6-10, структуры, способные аэрировать, по меньшей мере, часть жидкости 602 непосредственно над опорой тарелки 604 включают одно или более аэрирующих опорную зону отверстий 603, образованных в тарелке 601 и расположенных вблизи (например, в поперечном, радиальном или горизонтальном направлении) к находящейся снизу опоре тарелки 604. Как представлено на фиг. 6, аэрирующие опорную зону отверстия 603 предпочтительно располагаются в пределах приблизительно 5 мм, в пределах приблизительно 2,5 мм, в пределах приблизительно 1,5 мм, или ближе к находящейся снизу опоре тарелки 604. Как описано в настоящем документе, варианты осуществления второго изобретения авторов настоящего изобретения могут использоваться индивидуально или в сочетании с вариантами осуществления описанного выше первого изобретения авторов настоящего изобретения. Однако считается, что использование первого и второго изобретений в сочетании друг с другом в одной и той же тарелке может обеспечивать кумулятивные преимущества в улучшении эксплуатационных характеристик тарелок.

В том случае, где одно или более аэрирующих опорную зону отверстий 603 используются в положении, которое примыкает сбоку к опоре тарелки, она отклоняет пар 606 в поперечном направлении (например, радиально или горизонтально) наружу вдоль полотна тарелки или непосредственно над смежной опорой тарелки 604. Часть этого выходящего пара 606 перемещается внутри жидкости 602 в направлении и к положению над находящейся снизу опорой тарелки 604, и в результате этого аэрируется, по меньшей мере, часть жидкости 602 непосредственно над опорой тарелки 604. Согласно другим вариантам осуществления, отверстие 603 не связано с фиксированным или плавающим покрытием, чтобы дополнительно содействовать перемещению пара в поперечном направлении наружу по полотну тарелки. Согласно предпочтительным вариантам осуществления, как описано выше, фиксированное или плавающее покрытие имеет зонтичную или вогнутую форму, что может дополнительно создавать желательные профили потока пара. Например, имеющее зонтичную или вогнутую форму покрытие может служить для направления пара наружу и вниз (к полотну тарелки) из отверстия. Например, пар, выходящий из аэрирующего опорную зону отверстия, взаимодействует с имеющим вогнутую или зонтичную форму покрытием и перенаправляется радиально наружу из отверстия, а затем обратно к полотну тарелки из отверстия (например, под косым углом обратно к полотну тарелки и из отверстия). Получаемый в результате поток пара через клапаны указанных типов обеспечивает импульс пара, выходящего из клапана, чтобы переносить пар наружу из клапана и вниз (например, под косым углом обратно к полотну тарелки и из аэрирующего опорную зону отверстия) через жидкость, которая перемещается вдоль полотна тарелки. Не ограничиваясь конкретным механизмом действия, считают, что это обеспечивает увеличение аэрации жидкости над опорой тарелки, а также способность аэрации большей площади над опорой.

Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления, поток пара 606, который выходит из аэрирующего опорную зону отверстия 603, отклоняется в направлении и над смежной опорой тарелки 604. Согласно указанным вариантам осуществления, оказывается предпочтительным, что более чем 50% (например, более чем 75% или 100%) пара, проходящего через аэрирующее опорную зону отверстие, отклоняется в направлении и к положению над смежной находящейся снизу опорой тарелки.

Структуры (например, устройства), способные отклонять более чем 50% потока пара 606, проходящего через аэрирующие опорную зону отверстие, который выходит из аэрирующего опорную зону отверстия 603, не ограничиваются определенным образом в настоящем документе. Однако указанные структуры предпочтительно включают покрытие отверстия, связанное с отверстием 603. Согласно предпочтительным вариантам осуществления, покрытие отверстия имеет одно или более отверстий, выполненных с возможностью перемещения более чем 50% пара, проходящего через аэрирующее опорную зону отверстие, в направлении и к положению над смежной находящейся снизу опорой тарелки. Покрытие может необязательно имеют дополнительные отверстия, выполненные с возможностью направления пара по другим частям тарелки, которые не находятся непосредственно над опорой тарелки. Покрытия могут быть фиксированными по отношению к тарелке таким образом, что одно или более отверстий являются фиксированными в открытом положении, или они могут представлять собой плавающие клапаны, которые имеют переменные высоты по отношению к полотну тарелки в процессе эксплуатации тарелки.

Как представлено на фиг. 7, согласно одному варианту осуществления, предусматривается, что фиксированное «толкающее» покрытие 708 (например, «толкающий» клапан) может использоваться для отклонения потока пара 706 из одного или более аэрирующих опорную зону отверстий 603 над находящейся снизу опорой тарелки 704. Фиксированные толкающие покрытия или толкающие клапаны являются известными в технике и обычно используются в разделительных тарелках для упрощения перемещения жидкости на тарелке вдоль основного пути потока жидкости на тарелке (например, из нисходящей впускной секции в нисходящую выпускную секцию). Другими словами, толкающие клапаны, которые используются в технике, включают покрытие отверстия, имеющее единственное отверстие, которое отклоняет пар в направлении (например, параллельно) основного пути потока жидкости на тарелке. Как правило, толкающие клапаны образуются как одно целое с тарелкой при образовании отверстия, где в тарелке изготавливается щель, а затем осуществляется деформация для получения отверстия в тарелке, ориентированного в направлении основного пути потока жидкости.

Согласно настоящему варианту осуществления, использование толкающего клапана для отклонения потока пара над находящейся снизу опорой тарелки противоречит интуиции, и, с другой стороны, тому, как толкающие клапаны используются в технике. Например, в том случае, где аэрирующие опорную зону отверстия 603 располагаются в поперечном направлении вблизи находящейся снизу кольцевой опоры тарелки и/или хордальной опоры тарелки, имеющей поперечные балки/распорки, проходящие по существу параллельно по отношению к основному пути потока жидкости тарелки, использование толкающего клапана в сочетании с аэрирующим опорную зону отверстием 603 приводит к отклонению потока пара в направлении, отличающемся от основного пути потока жидкости на тарелке (например, в направлении, которое не является параллельным по отношению к основному пути потока жидкости на тарелке). Например, согласно указанным вариантам осуществления пар может отклоняться под углом, который равняется или составляет от 10 до 170° к основному пути потока жидкости на тарелке (например, перпендикулярно или под косым углом к основному пути потока жидкости на тарелке).

Покрытие отверстия для аэрирующего опорную зону отверстия 603 может также представлять собой плавающее покрытие. Согласно указанным вариантам осуществления, покрытие может открываться и закрываться таким образом, что высота покрытия и одного или более из его соответствующих отверстий являются переменными по отношению к полотну тарелки в зависимости от скорости потока пара через аэрирующее опорную зону отверстие, к уровню жидкости на тарелке или к обоим параметрам, включая скорость потока пара через аэрирующее опорную зону отверстие и уровень жидкости на тарелке.

Как представлено на фиг. 8, авторы настоящего изобретения обнаружили особенно предпочтительное плавающий покрытие 808 для использования с одним или несколькими аэрирующими опорную зону отверстиями 803. Покрытие 808 включает вогнутый навес 810, одну или более деталей стоек 812, и одну или более деталей ножек 814. Когда покрытие 808 связано с одним или несколькими аэрирующими опорную зону отверстиями 803, вогнутый навес 810 обращен к тарелке 801 и, по меньшей мере, частично покрывает аэрирующее опорную зону отверстие 803. Одна или более стоек 812 присоединяются к навесу 810 и проходят через аэрирующее опорную зону отверстие 803. Одна или более ножек 814 располагаются под тарелкой 801 и взаимодействуют с нижней поверхностью тарелки 801 для предотвращения удаления покрытия 808 с тарелки 801 после первоначальной установки. Когда покрытие 808 перемещается из закрытого в открытое положение, одна или более стоек 812 перемещаются внутри и взаимодействуют с аэрирующим опорную зону отверстием 803, когда навес 810 удаляется от тарелки 801. Когда навес 808 удаляется от тарелки 801, он наклоняется под косым углом по отношению к тарелке 801, открывая отверстие, ориентированное в направлении находящейся снизу опоры тарелки 804. Когда навес 810 дополнительно удаляется от полотна тарелки 801, отверстие, ориентированное в направлении находящейся снизу смежной опоры тарелки 804, увеличивается, и в результате этого поток пара 806 в большей степени отклоняется в направлении и к положению над опорой тарелки 804. Навес 810 может продолжать свое удаление от тарелки 801 и может предпочтительно продолжать свой наклон до тех пор, пока ножки 814, расположенные под тарелкой 801, не соприкасаются с нижней поверхностью тарелки 801, когда покрытие 808 находится в полностью открытом или полностью наклоненном положении.

Аналогично приведенному выше обсуждению в отношении использования фиксированных или плавающих клапанов, имеющих зонтичный или вогнутые навесы, использование зонтичных или вогнутых навесов с данным наклоняющимся клапаном может создавать предпочтительный профиль потока пара, который отклоняет пар над смежной находящейся снизу опорой тарелки. Здесь поток пара взаимодействует с покрытием, поднимая покрытие с полотна тарелки. Когда пар взаимодействует с зонтичный или вогнутым навесом, направление потока пара изменяется от вертикального направления от полотна тарелки на горизонтального направления вдоль полотна тарелки и над смежной опорой. Согласно определенным вариантам осуществления, зонтичный или вогнутый навес может быть изготовлен таким образом, что некоторая часть пара перенаправляется под косым углом обратно к полотну тарелки из соответствующих аэрирующих опорную зону отверстий, но по-прежнему в направлении находящейся снизу смежной опоры тарелки. Согласно другим вариантам осуществления, часть (например, менее чем 50%) пара, проходящего через аэрирующие опорную зону отверстия, может пропускаться через другие отверстия в покрытии 808, что не приводит к аэрации жидкости над смежной опорой тарелки.

Возможность наклона покрытия 808 предпочтительно обеспечивается посредством физического взаимодействия между одной или более стойками 812 покрытия 808 и аэрирующим опорную зону отверстием 803 тарелки 801. Согласно данному варианту осуществления, как представлено на фиг. 9 и 10 (которые, соответственно, представляют клапан в закрытом и открытом положениях), одна или более стоек 912, 1012 могут сужаться (как представлено на фиг. 9) или изгибаться (как представлено на фиг. 10), между навесом 910, 1010 и одной или более ножками 914, 1014. Например, в том случае, где одна или более стоек 912 сужаются или имеют сужающуюся часть, одна или более стоек 912 имеют ширину, которая увеличивается по направлению к навесу 910, по сравнению с уменьшением ширины по направлению к одной или более ножкам 914. Эта конструкция позволяет одной или более стойкам 912 взаимодействовать с отверстием 903, когда покрытие 908 открывается, а также позволяет навесу 910 наклоняться по отношению к тарелке 901 при открывании покрытия 908. В следующем примере, где одна или более стоек 1012 изгибаются или имеют изгибающуюся часть, одна или более стоек 1012 могут иметь постоянную ширину между навесом и одной или более ножками 1014. Согласно данному варианту осуществления одна или более стоек 1012 имеют дугообразную форму или иным образом изгибаются, причем взаимодействие между одной или более изгибающимися/дугообразными стойками и аэрирующим опорную зону отверстием 1003 позволяет навесу наклоняться по отношению к тарелке при открывании покрытия. М в этом случае, согласно указанным вариантам осуществления, навес активно отклоняет поток пара 1006 по направлению к положению, которое находится над смежной в поперечном направлении находящейся снизу опорой тарелки 1004.

Кроме того, как представлено на фиг. 9, одна или более стоек 912, и/или одна или более ножек 914 могут иметь структуру, такую как фланец, выпуклость или выступ 918, которая может дополнительно взаимодействовать с нижней поверхностью тарелки 901, чтобы сопротивляться удалению покрытия 908 после установки в отверстии 903. Фланец, выпуклость или выступ 918 может образовываться после вставки стоек 912 и ножек 914 через отверстие 903 в качестве заключительной стадии сборки покрытия. Согласно некоторым вариантам осуществления, когда покрытие 908 имеет более чем одну стойку 912 (например, две стойки 912) и/или более чем одну ножку 914 (например, две ножки 914), соответствующие фланец, выпуклость или выступ 918 могут быть образованы только на одной из стоек 912 или только на одной из ножек 914. Согласно данному варианту осуществления, соответствующая стойка и/или ножка является ассиметричной по отношению к стойке и/или ножке и дополнительно предотвращает удаление покрытия 908 после установки в отверстие 903. Эта характеристика аналогичным образом упрощает изготовление и/или монтаж тарелки, когда соответствующие фланец, выпуклость или выступ 918 может использоваться для обеспечения надлежащей ориентации покрытия 908 в соответствующем отверстии, таким образом, что покрытие 908 наклоняется в соответствующем направлении (например, от находящейся снизу опоры 904), чтобы обеспечивать соответствующее отклонение пара над находящейся снизу опорой. Согласно другим вариантам осуществления, структура (например, выпуклость, фланец, выступ и т. д.), которая может сопротивляться удалению покрытия 908 после его установки в отверстие, образуется в покрытии перед вставкой в отверстие. Согласно данному варианту осуществления, одна или более стоек могут иметь достаточную эластичность, чтобы обеспечивать небольшой изгиб одной или более стоек для вставки в отверстие и прохождения структуры (например, выпуклость, фланец, выступ, и т. д.) и после этого позволять стойке восстанавливать свою исходную форму после вставки.

III. Массообменные колонны и способы эксплуатации

Контактные тарельчатые устройства согласно настоящему изобретению предназначаются для использования в массообменных колоннах. Следовательно, согласно следующему аспекту настоящего изобретения, предлагается массообменная колонна, включающая одно или более контактных тарельчатых устройств согласно любому варианту осуществления, описанному в настоящем документе.

Одна или более тарелок располагаются горизонтально в раздельной конфигурации вдоль высоты колонны, таким образом, что жидкость поступает на тарелку в одной или более нисходящих впускных секциях с тарелки, занимающей более высокое положение в колонне, и выходит с тарелки в ее нисходящей выпускной секции, занимая менее высокое положение в колонне. Согласно предпочтительным вариантам осуществления, колонна имеют множество горизонтально расположенных контактных тарелок, из которых 5% или более, 15% или более, 25%, или более, 50% или более, 75% или более, или все из тарелок в составе колонны включают тарельчатое устройство согласно любому варианту осуществления, описанному в настоящем документе.

Согласно еще одному варианту осуществления, существующая традиционная массообменная колонна может быть модернизирована, чтобы включать один или более тарельчатых устройств согласно любому варианту осуществления, описанному в настоящем документе. Решение о модернизации существующей колонны может быть принято для увеличения производительности колонны без необходимости несения расходов на сооружение и замену всей колонны.

Настоящее изобретение также предлагает способ получения потока верхних фракций и потока нижних фракций из одного или более потоков исходных веществ. Другие потоки, такие как один или более потоков побочных продуктов или вторичные потоки исходных веществ могут вводиться в колонну или выводиться из нее. Способ включает первую стадию введения одного или более потоков исходных веществ в массообменную колонну, имеющую горизонтально расположенное тарельчатое устройство согласно любому варианту осуществления, описанному в настоящем документе. Вторая стадия включает обработку одного или более потоков исходных веществ в достаточных технологических условиях внутри колонны для создания потока верхних фракций и потока нижних фракций. Эксплуатация массообменных колонн является хорошо известной в технике, и технологические условия не ограничиваются определенным образом. Согласно дополнительному варианту осуществления, горизонтально расположенное тарельчатое устройство включает одно или более аэрирующих опорную зону отверстий, которые располагаются в поперечном направлении вблизи находящейся снизу опоры тарелки. Согласно данному дополнительному варианту осуществления, способ может дополнительно включают стадию направления более чем 50% пара, проходящего через данное аэрирующее опорную зону отверстие в поперечном направлении на тарелке и в положение над опорой тарелки.

IV. Увеличение производительности и эффективности тарелки и уменьшение бокового перепада давления пара на тарелке

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что производительность работы тарелки может увеличиваться при одновременном сохранении или повышении эффективности тарелки и сохранении или уменьшении перепада давления на тарелке. Указанные характеристики могут быть достигнуты, когда используются: расположения отверстий, описанные в настоящем документе; способы направления аэрации потока жидкости на тарелке над одной или более опорах тарелки, которые описаны в настоящем документе; или сочетание обоих способов.

Согласно некоторым вариантам осуществления производительность работы тарелки может быть увеличена на 5% или более, на 10% или более, на 15% или более, или на 20% или более по сравнению с тарелками, не включающими указанные характеристики. Согласно другим вариантам осуществления, увеличение производительности работы тарелки составляет от 5% до 25% без уменьшения эффективности тарелки.

Согласно другим варианты осуществления, боковой перепад давления пара на тарелке может уменьшаться на 5% или более, на 10% или более, на 15% или более, или 20% или более по сравнению с тарелками, не включающими указанные характеристики, без уменьшения эффективности тарелки. Согласно другим вариантам осуществления, уменьшения бокового перепада давления пара на тарелке составляет от 5% до 25% без уменьшения эффективности тарелки.

Согласно следующим вариантам осуществления, когда газовая нагрузка тарелки увеличивается, тарелки согласно настоящему изобретению демонстрируют увеличение эффективность разделения на тарелке на 5% или более, на 10% или более, на 15% или более, или на 20% или более по сравнению с тарелками, не включающими указанные характеристики.

Во всем тексте настоящего описания термины «один вариант осуществления», «еще один вариант осуществления», «вариант осуществления», «некоторые варианты осуществления» и т. д. означают, что конкретный элемент (например, деталь, структура, свойство и/или характеристика), описанный в сочетании с вариантом осуществления, включается, по меньшей мере, в один вариант осуществления, описанный в настоящем документе, и может присутствовать или отсутствовать в других вариантах осуществления. Кроме того, следует понимать, что один или более описанных элементов могут сочетаться любым подходящим образом с любыми другими из разнообразных вариантов осуществления.

V. Примеры

После подробного описания настоящего изобретения представлены следующие примеры. Данные примеры должны истолковываться не как ограничивающие объем настоящего изобретения, но просто как его иллюстративные и представительные примеры.

Три тарелки (например, полотна) имеющие различные конфигурации отверстий и необязательно устройства для аэрации пути потока жидкости над опорой тарелки исследованы в идентичных условиях в испытываемой конфигурации (базовое полотно, полотно I и полотно II). В настоящем документе базовое полотно рассматривается как сравнительный пример, в то время как полотна I и II рассматриваются как входящие в объем настоящего изобретения.

Базовое полотно выполнено на основании общих промышленных рекомендаций для расположения отверстий на полотне тарелки (например, промышленных стандартов, действующих до настоящего изобретения). Базовое полотно имеет множество отверстий для прохождения текучей среды сквозь тарелку. Отверстия располагаются в первой группе из трех смежных рядов, проходящих параллельно по отношению к основному пути потока жидкости на тарелке. Отверстия среднего ряда смещены вдоль основного пути потока жидкости на тарелке из смежных отверстий других двух рядов с образованием треугольной конфигурации смежных отверстий в трех смежных рядах. Отверстия имеют длину и ширину, причем каждая длина ориентирована параллельно по отношению к своему ряду, и каждая ширина ориентирована перпендикулярно по отношению к своему ряду. Центры смежных отверстий в пределах каждого ряда разделяет первый промежуток, который составляет менее чем 2,5-кратная средняя длина отверстий в данном ряду. Смежные ряды разделяет второй промежуток, который составляет более чем 2,5-кратная средняя ширина отверстий смежных рядов. Базовое полотно поддерживает опора тарелки, и никакие аэрационные устройства не присутствуют для аэрации пути потока жидкости на полотне непосредственно над опорой тарелки.

Полотно I является аналогичным базовому полотну. Первое различие между полотном I и базовым полотном заключается в том, что центры смежных отверстий в пределах каждого ряда разделяет первый промежуток, который равняется или составляет от 2,5 до 4,5 средней длины отверстий в данном ряду. Второе различие между полотном I и базовым полотном заключается в том, что смежные ряды разделяет второй промежуток, который равняется или составляет от 1,5 до 2,5 средней ширины отверстий смежных рядов. Аналогично базовому полотну, полотно I поддерживает опора тарелки, и никакие аэрационные устройства не присутствуют для аэрации пути потока жидкости на полотне непосредственно над опорой тарелки.

Полотно II является аналогичным полотну I и имеет такие же отличия, как полотно I, по сравнению с базовым полотном. Однако полотно II имеет другое отличие, которое заключается в том, что полотно II находится на поддерживающем тарелку кольце, имеющем отверстия в сообщении по текучей среде с отверстиями в тарелке над кольцом. Указанное сообщение с возможностью переноса текучей среды обеспечивает аэрацию пути потока жидкости на полотне непосредственно над опорой тарелки. Кроме того, следует отметить, что результаты, аналогичные результатам испытания полотна II, были достигнуты в последующем испытании, где тарелка находилась в непосредственном контакте с поддерживающим кольцом, однако наклоняющиеся клапаны находились на тарелке вблизи (например, в радиальном/поперечном направлении) поддерживающего кольца в целях направления и распределения пара наружу (например, в радиальном направлении) над кольцом в целях аэрации пути потока жидкости на тарелке над кольцом.

Графические результаты испытания для описанных выше четырех тарелок представлены для сравнения друг с другом на фиг. 4 и 5. Как можно видеть на фиг. 4 и 5, тарелки согласно настоящему изобретению (полотна I и II) демонстрируют улучшение производительности, сохранение и/или уменьшение бокового падения давления пара и сохранение и/или увеличение эффективности разделения на тарелке по сравнению с базовым полотном.