專利名稱：用于烷化反應(yīng)器或熱交換器的流量分配器的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及流量分配器，所述流量分配器用于增加烷化反應(yīng)器通道頭中反應(yīng)器烴類流出液的分配，以便改善反應(yīng)器制冷和使管道玷污和腐蝕減至最少。在一般情況下，本發(fā)明可以用來改善任何熱交換器通道頭中的液體分配，上述熱交換器具有一種進(jìn)入通道頭的組合式液體/蒸汽流。
相關(guān)技術(shù)說明在烷化過程中，異丁烷在硫酸或氫氟酸乳化液存在下與輕質(zhì)烯烴類反應(yīng)。根據(jù)烯烴分子的碳數(shù)和異構(gòu)體構(gòu)造，一種支鏈異鏈烷烴產(chǎn)生其辛烷值是在高達(dá)80′-100范圍內(nèi)。在硫酸法中，反應(yīng)通常是在4.4℃(40°F)-10℃(50°F)下進(jìn)行，同時(shí)要求制冷。


圖1中示出該領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的方法示意圖，此處液相烯烴類10和異丁烷12在約4.4℃(40°F)溫度下連續(xù)送入反應(yīng)器14。不相溶混的烴類和硫酸構(gòu)成的一種乳狀液在反應(yīng)器14中通過一種混合葉輪16形成。葉輪16還使乳狀液在反應(yīng)器14中橫穿若干冷卻管(未示出)循環(huán)。乳狀液被強(qiáng)制向上從反應(yīng)器14通過管線17到達(dá)一個(gè)沉降器18，在該沉降器18處烴相和酸相分離。然后酸依靠重力通過管線20返回反應(yīng)器14。烴相中含有動(dòng)力烷基化物(motor alkylate)，過量異丁烷、丙烷和正丁烷，上述烴相從沉降器18通過管線18放到一個(gè)閃蒸閥22并轉(zhuǎn)入反應(yīng)器14的通道頭24的入口噴嘴23內(nèi)。從通道頭24的入口噴嘴23，烴類蒸汽和液體流過管束26(見圖2)，并通過出口噴嘴25排出，上述管束26可以包括比如300-1000+U形管。當(dāng)反應(yīng)器流出液流過各U形管時(shí)，過量的異丁烷和輕質(zhì)烴類蒸發(fā)，因而對(duì)過程提供制冷作用。反應(yīng)器流出液30到達(dá)一個(gè)閃蒸鼓32。從閃蒸鼓32出來的蒸汽在壓縮機(jī)34中被壓縮，并穿過冷卻器36和然后通過管線37a送到分離器37。從分離器37出來的富丙烷流37c在脫丙烷塔38中進(jìn)行分餾，同時(shí)從裝置中放出LPG(液化石油氣)產(chǎn)品流38a。從閃蒸鼓32出來的液體流35a在脫異丁烷塔35中分餾。底部烷基化物35c離開裝置，并且通常是送去進(jìn)行汽油調(diào)合。正丁烷的側(cè)餾分流35b也離開裝置。在未反應(yīng)的異丁烷中富含的塔頂餾出物流35d與分離器37中的富異丁烷流37b和脫丙烷塔38中的液流38b相結(jié)合，并再循環(huán)到反應(yīng)器14。
用于一種烷化反應(yīng)器管束組件的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)可以包括數(shù)以百計(jì)的U形管。一種帶有管組件26的典型通道頭24在圖2中示出。通道頭24中的一個(gè)隔板24a將通道頭分開成一個(gè)入口側(cè)23a和一個(gè)出口側(cè)25a。從閃蒸閥22出來的反應(yīng)器流出物蒸汽/液體流通過一個(gè)入口噴嘴23進(jìn)入通道頭24的入口室23a中。在這種設(shè)計(jì)情況下有幾個(gè)主要缺點(diǎn)。兩相流用合理的高速度進(jìn)入通道頭24的入口室23a，因?yàn)樗呀?jīng)開始閃蒸，并將沖擊在隔板24a上。沒有提供將進(jìn)入流轉(zhuǎn)向管板24b，管束26安裝在上述管板24b上。一部分液流將彎向若干U形管(包括管束26)的入口端，上述U形管固定到管板24b上，而一部分液流將遠(yuǎn)離管板流入半橢圓形的通道頭24。循環(huán)到通道頭24入口側(cè)23a的液流將向后起漩渦，繞上升的入口射流(從入口噴嘴23出來)通過，并進(jìn)入位于管束26外部或周邊的若干U形管。因?yàn)橐合嗝芏缺日羝啻蟮枚?，所以大量液體將轉(zhuǎn)向管板24b各入口管的中部，或者將沖擊在隔板24a上。從通道頭24的入口側(cè)23a向后起漩渦并流過管束26各管外部的蒸汽在液體中不足，并因此大大降低了熱傳遞。工業(yè)經(jīng)驗(yàn)表明，與玷污和管道漏泄有關(guān)的問題一般是在外部管中觀察到，同時(shí)符合流量分布不勻。
在文獻(xiàn)(見美國專利5,531,266，5,625,112和5,811,625)中還報(bào)道了包括內(nèi)部葉片的發(fā)明，上述葉片將進(jìn)入液流分成多個(gè)液流。
還報(bào)道了通過用一簇小直徑管將進(jìn)入液流分成多個(gè)液流，上述一簇小直徑管安放在反應(yīng)器的通道頭內(nèi)部。
利用如本文所述的流量分配器通過使烷化法中的腐蝕減至最小來改善制冷作用和增加管束壽命在公開文獻(xiàn)中未見報(bào)道。
這種同樣的裝置可以用來改善兩相入口流中的液體在任何類似構(gòu)造的熱交換器通道頭管板上的分布。當(dāng)希望在各種殼管式熱交換器如固定管板、U形管、浮動(dòng)頭等的任一種中均勻汽化進(jìn)入的液體餾分時(shí)，本發(fā)明將促進(jìn)上述均勻分布。均勻分布將增加熱交換器中液體的汽化和熱傳遞。
發(fā)明概述在一種烷化反應(yīng)器中包括一個(gè)殼體，所述殼體具有一個(gè)通道頭，上述通道頭具有一個(gè)入口噴嘴和一個(gè)出口噴嘴，上述入口噴嘴和出口噴嘴用一個(gè)隔板分開，上述殼體橫向上安裝的管板用于在其上安裝多個(gè)U形管，其中上述各管從上述通道頭的入口側(cè)橫過上述反應(yīng)器殼體的長度，并形成U形轉(zhuǎn)到上述通道頭的出口側(cè)，改善包括一個(gè)流量分配器安裝在上述通道頭的入口側(cè)內(nèi)，用于在上述管板的入口側(cè)上均勻地分配任何進(jìn)入上述通道頭入口側(cè)的流體，上述流量分配器具有一個(gè)入口側(cè)，所述入口側(cè)用于密封式包圍上述通道頭入口側(cè)的入口噴嘴，上述流量分配器是一種發(fā)散的喇叭形導(dǎo)管，所述喇叭形導(dǎo)管適合于將上述入口方向的流體流轉(zhuǎn)向管板和轉(zhuǎn)向上述管道的輸入側(cè)。
附圖簡介圖1是現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)一種典型烷化裝置方法流程圖的示意圖。
圖2是一種現(xiàn)有技術(shù)烷化反應(yīng)器典型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的剖視圖。
圖3A是按照本發(fā)明所述一種流量分配器的側(cè)立面剖視圖。
圖3B是按照本發(fā)明所述一種流量分配器可供選擇的實(shí)施例側(cè)立面剖視圖。
圖4A和圖4B是示出脫扣環(huán)和吸入器狹縫詳細(xì)情況的剖視圖。
圖5A，5B和5C是包括脫扣環(huán)和傾斜脫扣桿的流量分配器正視圖。
圖6A，6B和6C分別示出圖3中流量分配器的后視圖、前視圖和上視圖。
圖7是用于得到表1中數(shù)據(jù)的管板和管道構(gòu)造的示意圖。
發(fā)明說明上述工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是未致力于橫穿管板的流量不均勻分布問題。工業(yè)中的趨勢(shì)是通過用若干限流孔改變管入口，上述限流孔將增加壓降。盡管這將增加流動(dòng)中的液體份額，并且也許增加液滴尺寸，但它將不顯著地改善流量分布。實(shí)際上，利用管插件的工業(yè)趨勢(shì)可能由于造成汽相和液相完全分離而使流量分布不勻變得更差。
不象不受專利權(quán)限制中所報(bào)道的發(fā)明，專利申請(qǐng)人的發(fā)明不要求將入口流用內(nèi)部葉片或折流器分成多股射流。內(nèi)部葉片和折流器必需焊接在通道頭內(nèi)部，并因此，易發(fā)生中斷和阻礙反應(yīng)器的入口噴嘴。該文所公開的入口裝置設(shè)計(jì)也可以廣泛用來改善一般對(duì)管束組件，其中包括熱交換器的流量分布。
申請(qǐng)人的發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中已知的烷化反應(yīng)器的一種改進(jìn)，這些反應(yīng)器有時(shí)也叫做接觸器。在烷化過程中主要限制之一是反應(yīng)器溫度。通過增加從乳化液到反應(yīng)器流出物的總熱傳遞來降低溫度，將能使速率(和產(chǎn)率)大大增加。
總熱傳遞速率在很大程度上受穿過若干管道的蒸汽/液體流分配程度的影響，上述若干管道包括管束。液體不足如在外部，或在周邊的那些管道，如該技術(shù)中已知的管道，將具有很低的熱傳遞速率。因此，橫穿管束的分布不勻的液流將導(dǎo)致顯著降低總的熱傳遞。一種分布不勻的流動(dòng)，此處某些管道看起來最少液體并因此更熱運(yùn)行，還將導(dǎo)致加速管道腐蝕和結(jié)果導(dǎo)致管道漏泄。從烷化單元得到的典型經(jīng)驗(yàn)表明，管道漏泄是單元停工和過早更換管束組件的一個(gè)主要原因。
本文所公開的發(fā)明針對(duì)一種用于接收蒸汽/流體流的方法和裝置，上述蒸汽/液體流從入口噴嘴排出，并使它橫穿管板的入口側(cè)均勻分布。這通過用如圖3A所示的一種流量分配器50完成。流量分配器50連接到反應(yīng)器通道頭的入口噴嘴23上，如圖3A中所示。流量分配器50齊平焊接到通道頭24的入口噴嘴23上，流量分配器50的內(nèi)部橫截面與彎曲漏斗的內(nèi)部橫截面相同，并從入口噴嘴23在其入口處的橫截面到管板24b(示出沒有所連接的管束26)在它朝管板24b方向排放處的橫截面連續(xù)地改變，如圖3A中所示。橫截面積的變化可以是平穩(wěn)的或是按幾個(gè)階段量度，如圖3A中所示。流量分配器50接收反應(yīng)器流出液的兩相液流，上述兩相液流從入口噴嘴23排出，使它轉(zhuǎn)動(dòng)近90°，而同時(shí)使它能發(fā)散并將一種均勻混合物輸送橫穿管板24b的各入口管(未示出)。在流量分配器50的端面和管板24b之間保持一個(gè)間距53，上述間距大約為1/16“-3”。需要這種間距53，以便使喇叭口內(nèi)部的蒸汽和液體能與通道頭24的其余部分連通。這種連通場合的一部分是使液體不進(jìn)入管道待通過若干狹縫52a吸入進(jìn)行收集，上述通過若干狹縫52a吸入在下面一段中說明。在一個(gè)可供選擇的實(shí)施例中，如圖3b所示，流量分配器50的端面50b可以貼著管板24b齊平安放。在這個(gè)實(shí)施例中，需要在流量分配器50中安放若干排放孔50c和/或通口50d，用于排放不進(jìn)入各管道26的液體，及用于蒸汽與通道頭的其余部分連通。
通過入口噴嘴23進(jìn)入通道頭24的流體流是一種蒸汽和液體的混合物，同時(shí)一部分液體沿著入口管道和噴嘴23的內(nèi)徑作為一種薄膜存在。將一個(gè)脫扣環(huán)52安裝在流量分配器50的入口處，如圖3A和3B所示，并且更詳細(xì)的是在圖4A中示出。脫扣環(huán)52移去液體薄膜，并幫助將薄膜打散成液滴，上述液滴隨后通過蒸汽傳送穿過流量分配器50。沿著并穿過流量分配器50的底部(圍繞圓周)切開若干狹縫(或窗口)52a，如圖4A和4B中所示。各狹縫52a直接位于脫扣環(huán)52的下游。脫扣環(huán)52的“文丘里”效應(yīng)將聚集在通道頭24底部24c的任何液體通過狹縫52a吸入流量分配器50中，因而進(jìn)一步增加了液相的分布。
現(xiàn)在參見圖5A-C，當(dāng)蒸汽/液體混合物通過分配器50的外形轉(zhuǎn)動(dòng)大約90°時(shí)，一種液體薄膜開始在流量分配器50的頂部50a內(nèi)部上展開。一個(gè)位于分配器50頂部中的傾斜脫扣桿54用來粉碎產(chǎn)生液滴的這種液體薄膜，并進(jìn)一步改進(jìn)了流量分布。
圖5A-C示出流量分配器50，脫扣環(huán)52和脫扣桿54的情況。脫扣桿54與流動(dòng)方向成一個(gè)大約20-180°，優(yōu)選的是120°的角度安裝在流量分配器50的頂部50a上。脫扣桿54粉碎分配器50的頂部50a上的液體薄膜，并增加了液體分布的均勻性。脫扣桿54可以包括其它的實(shí)施例，如將桿分成若干離散的分段，并單獨(dú)將每個(gè)分段安裝在頂部50a上。在還有另一個(gè)實(shí)施例中，脫扣桿也可以是具有切成桿的“溝槽”或“缺口”的鋸齒形。
圖6A-C分別示出分配器50的后視圖，及前視圖和上視圖。
申請(qǐng)人的發(fā)明與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，大大改善了橫穿烷化反應(yīng)器一個(gè)管束26中各入口管的蒸汽/液體流分配。分配是通過防止入口流穿過入口噴嘴沖擊到隔板24a上完成。相反，流量分配器50使入口流動(dòng)方向改變大約90°，而同時(shí)讓流動(dòng)膨脹，并使它均勻地對(duì)準(zhǔn)橫穿管板24a的入口側(cè)。本文所述的流量分配器50不依靠將入口流同等地分裂成多個(gè)液流。經(jīng)過改進(jìn)的流量分配將使反應(yīng)器能在一較低溫度下操作，因而增加了產(chǎn)能和提高了生產(chǎn)率。此外，更好的橫穿管束26的流動(dòng)均勻性將使管道玷污和腐蝕減至最小，和結(jié)果，預(yù)期增加管束組件的壽命。
上述流量分配器利用詳細(xì)的過程兩相流動(dòng)計(jì)算機(jī)模擬和通過一種市售烷化反應(yīng)器通道頭的縮尺模型試驗(yàn)進(jìn)行了開發(fā)研究。
圖7示出一種管板，所述管板具有用來得到表1中數(shù)據(jù)的管道布局安排。對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)(現(xiàn)有技術(shù))和新設(shè)想的流量分配器50模擬進(jìn)入通道頭24和橫穿管板的兩相蒸汽/液體流。用本發(fā)明看到在橫穿管束的流量分配上的顯著改善，如表1中所示。橫穿管板的液體分配通過從縮尺模型測(cè)量從每個(gè)管道出來的液體流動(dòng)速率確定?？s尺模型包括如圖7所示安排的一種48管道的管道組件。表1示出每排管道的液體流速，上述液體流速表示成在入口到通道頭處的總液體百分率。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表1)表明，采用如本文所示和所述的一種流量分配器50，大大改善了橫穿管板24b的入口管道的蒸汽/液體流分配。申請(qǐng)人的發(fā)明更有效、耐用，并可以用很少成本和危險(xiǎn)在現(xiàn)有烷化反應(yīng)器中實(shí)施，尤其是因?yàn)椴话ㄈ~片和折流板。
表權(quán)利要求
1.烷化反應(yīng)器，包括一個(gè)殼體，所述殼體具有一個(gè)通道頭，上述通道頭具有一個(gè)入口噴嘴和一個(gè)出口噴嘴，所述入口噴嘴和出口噴嘴被一個(gè)隔板分開，一個(gè)管板橫向于上述殼體安裝，用于在殼體上安裝多個(gè)U形管道，其中上述管道從上述通道頭的入口側(cè)橫過上述反應(yīng)器殼體的長度，并形成U形彎曲轉(zhuǎn)到上述通道頭的出口側(cè)，上述烷化反應(yīng)器還包括一個(gè)流量分配器，所述流量分配器安裝在上述通道頭的入口側(cè)內(nèi)，用于在上述管板的入口側(cè)之上均勻地分配任何進(jìn)入上述通道頭入口側(cè)的流體，上述具有一個(gè)入口側(cè)的流量分配器用于密封式包圍上述通道頭入口側(cè)的入口噴嘴，上述流量分配器是一種發(fā)散的喇叭形導(dǎo)管，所述喇叭形導(dǎo)管適合于將上述流體流從上述入口方向轉(zhuǎn)向管板和轉(zhuǎn)向上述管道的輸入側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中上述喇叭形導(dǎo)管與上述管板間隔開。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，還包括一個(gè)脫扣環(huán)，所述脫扣環(huán)安裝在上述流量分配器的入口側(cè)上，用于排除上述入口噴嘴內(nèi)側(cè)上的任何液體流。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，還包括多個(gè)窗口，所述多個(gè)窗口直接在上述脫扣環(huán)的下游圍繞上述流量分配器的圓周插入到上述流量分配器入口側(cè)的壁內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，還包括一個(gè)脫扣桿，所述脫扣桿剛性地安裝到上述流量分配器的內(nèi)表面頂部，用于排除流到上述分配器頂部上的任何液體薄膜。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中上述喇叭形導(dǎo)管密封式包圍上述管板的各輸入管。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括若干通口，以便提供蒸汽或液體與上述入口通道頭其余部分的連通。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，還包括一個(gè)脫扣環(huán)，所述脫扣環(huán)安裝在上述流量分配器的入口側(cè)上，用于排除上述入口噴嘴內(nèi)側(cè)上的任何液體流。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，還包括多個(gè)窗口，所述多個(gè)窗口直接在上述脫扣環(huán)的下游圍繞所述流量分配器的圓周插入到上述流量分配器入口側(cè)的壁。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，還包括一個(gè)脫扣桿，所述脫扣桿剛性地安裝到上述流量分配器內(nèi)側(cè)表面的頂部上，用于排除在上述分配器頂部上流動(dòng)的任何液體薄膜。
11.熱交換器，包括一個(gè)殼體，所述殼體具有一個(gè)通道頭，上述通道頭具有一個(gè)入口噴嘴和一個(gè)出口噴嘴，所述入口噴嘴和出口噴嘴被一個(gè)隔板分開，一個(gè)管板在橫向于上述殼體安裝，用于在其上安裝多個(gè)管道，上述各管道從上述通道頭的入口側(cè)到一個(gè)出口通道頭橫過上述反應(yīng)器殼體的長度，上述熱交換器還包括一個(gè)流量分配器，所述流量分配器安裝在入口通道頭內(nèi)，用于在上述管板的入口側(cè)之上均勻地分配任何進(jìn)入上述通道頭入口側(cè)的流體，上述流量分配器具有一個(gè)入口側(cè)，用于密封式包圍上述通道頭入口側(cè)的所述入口噴嘴，上述流量分配器是一種發(fā)散的喇叭形導(dǎo)管，所述喇叭形導(dǎo)管適合于將上述流體流從上述入口方向轉(zhuǎn)向管板和轉(zhuǎn)向上述各管道的輸入側(cè)上。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中上述喇叭形導(dǎo)管與上述管板間隔開。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，還包括一個(gè)脫扣環(huán)，所述脫扣環(huán)安裝在上述流量分配器的入口側(cè)上，用于排除上述入口噴嘴內(nèi)側(cè)上的任何液體流。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，還包括多個(gè)窗口，所述各窗口直接在上述脫扣環(huán)下游圍繞流量分配器的圓周插入到上述流量分配器入口側(cè)的壁內(nèi)。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，還包括一個(gè)脫開桿，所述脫扣桿剛性地安裝到上述流量分配器的內(nèi)部表面頂部上，用于排除在上述分配器頂部上流動(dòng)的任何液體薄膜。
16.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中上述喇叭形導(dǎo)管密封式包圍上述管板。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，還包括一個(gè)脫扣環(huán)，所述脫扣環(huán)安裝在上述流量分配器的入口側(cè)上，用于排除在上述入口噴嘴內(nèi)側(cè)上的任何液體流。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，還包括多個(gè)窗口，所述多個(gè)窗口直接在上述脫扣環(huán)的下游，圍繞流量分配器插在上述流量分配器入口側(cè)的壁上。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，還包括一個(gè)脫扣桿，所述脫扣桿安裝到上述流量分配器內(nèi)部表面的頂部上，用于排除在上述分配器頂部上流動(dòng)的任何液體薄膜。
20.一種方法，所述方法用于橫穿一種烷化反應(yīng)器管板均勻地分配液體流，上述方法包括以下步驟將一種液體流引入一種烷化反應(yīng)器入口通道頭中；在反應(yīng)器入口通道頭內(nèi)部以大約90°改變液體流動(dòng)方向；迫使液體流發(fā)散，同時(shí)改變它的流動(dòng)方向；及將液體流均勻地引向一個(gè)管板的入口側(cè)之上。
21.一種方法，所述方法用于橫穿熱交換器的管板均勻地分配液體流，上述方法包括以下步驟將液體流引入一種熱交換器的入口；在熱交換器入口內(nèi)部以大約90°改變液體流動(dòng)方向。迫使液體流發(fā)散，而同時(shí)改變它的流動(dòng)方向；及將液體流均勻地引到一個(gè)管板的入口側(cè)之上。
全文摘要
本發(fā)明集中在分配蒸汽/液體流，所述蒸汽/液體流橫穿一種烷化反應(yīng)器或熱交換器的管板(24b)從一個(gè)入口噴嘴(23)射出。流量分配器(50)采取從入口噴嘴(23)射出的兩相流，使兩相流轉(zhuǎn)向管板(4b)，并橫穿管板(24b)輸送一種均勻的混合物。流量分配器(50)位于反應(yīng)器或熱交換器的通道頭(24)中。為了排除入口噴嘴(23)壁中的液體薄膜，在流量分配器(50)中內(nèi)部設(shè)置若干脫扣環(huán)(52)和傾斜的脫扣片。
文檔編號(hào)C07C2/62GK1646217SQ03808581
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2003年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月16日
發(fā)明者拉古納特·G·門農(nóng), 理查德·A·桑伯恩, 勞爾·J·加西亞 申請(qǐng)人:國際殼牌研究有限公司