專利名稱：蒸氣/液體分離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可用于使烴和蒸氣的混合物分離的蒸氣/液體分離器。
對于從載體氣體中分離固體或液體，在文獻(xiàn)中已經(jīng)很好地說明了流過旋流器的思想。
本發(fā)明涉及一種蒸氣/液體分離器，包括一容器，該容器有進(jìn)口，用于接收蒸氣/液體混合物；一葉轂，該葉轂位于容器內(nèi)，并在低于進(jìn)口的位置，其中，該葉轂在它的近端支承多個(gè)葉片元件，以便在混合物通過該容器時(shí)使該混合物離心分離；一蒸氣出口，該蒸氣出口位于該葉轂的遠(yuǎn)端，用于將混合物中的蒸氣部分(phase)從容器中取出；以及一出口，該出口位于蒸氣出口的下面，用于將混合物中的液體部分從容器中取出。
而且，本發(fā)明涉及一種用于分離烴和蒸氣混合物中的蒸氣部分和液體部分的方法，該方法包括以下步驟使混合物流過容器的進(jìn)口；通過位于該容器的頭部端的離心機(jī)而使該混合物離心分離；當(dāng)該混合物落在離心機(jī)上時(shí)，控制該混合物的回流和飛濺；使液體部分沿容器的壁流下；將蒸氣部分引向用于蒸氣的出口管；將蒸氣部分從該容器引向用于進(jìn)行進(jìn)一步處理的裝置；以及將液體部分從該容器引向用于進(jìn)行進(jìn)一步處理的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的蒸氣/液體分離器能夠分離烴和蒸氣混合物的蒸氣部分和液體部分，這樣，只有蒸氣流被進(jìn)一步向下游供給和進(jìn)行處理。分離器的結(jié)構(gòu)能夠保證該分離器中除了蒸氣出口管之外其它全部局部潤濕的表面都可以通過供料的未氣化的液體部分而被很好地潤溫和沖洗。表面的潤濕保證不會(huì)產(chǎn)生焦炭沉積，該焦炭沉積最終可能導(dǎo)致分離器堵塞。通過表面潤濕來防止焦化，分離器中的閃蒸溫度可以增加到超過普通限制(進(jìn)行限制是因?yàn)樯婕敖够?，因此能夠更深地使供料分餾(cut into)，并能夠?qū)⒐┝现械母蟛糠肿鳛檎魵舛厥眨员阌糜谙掠蔚倪M(jìn)一步處理。
通過將烴供料和蒸氣在高溫下閃蒸，然后通過本發(fā)明的蒸氣/液體分離器來使未氣化的液體部分機(jī)械分離，這樣，只有供料中的氣化部分向下游進(jìn)一步供給，以便在熱解爐的輻射管中進(jìn)行進(jìn)一步處理，本發(fā)明的蒸氣/液體分離器的一個(gè)可能用途是用于重質(zhì)烯烴工廠供料(原油或凝析油)的預(yù)處理，尤其是烯烴汽油蒸氣裂化工廠。該液體的未氣化部分包含重質(zhì)烴，例如瀝青，該重質(zhì)烴被分離出來，并能夠送向焦化設(shè)備、催化裂化器(cat cracker)或其它殘?jiān)幚韱卧?，以便進(jìn)一步處理，或者作為燃料。
而且，在本發(fā)明中可使壁均勻潤濕，這增加了該蒸氣/液體分離器的使用壽命。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例的多進(jìn)口類型葉片結(jié)構(gòu)將尤其適于使沖洗液體在蒸氣/液體分離器的內(nèi)表面上產(chǎn)生和維持一層均勻的膜。
本發(fā)明的蒸氣/液體分離器的葉片部分使進(jìn)入的氣體/液體混合物非常平穩(wěn)的進(jìn)行氣動(dòng)加速和旋轉(zhuǎn)，這是獲得高分離效率和低壓力損失所需的。該葉片結(jié)構(gòu)的另一區(qū)別點(diǎn)在于它沒有滯流區(qū)，該滯流區(qū)可能導(dǎo)致焦炭沉積區(qū)域。此外，與普通的切向進(jìn)入類型的旋流分離器不同(普通旋流分離器的典型特征為單個(gè)、不對稱進(jìn)口狹槽或管道開口)，葉片自身包括一系列的葉片元件或槳葉，這些葉片元件或槳葉用于沿蒸氣/液體分離器的進(jìn)口部分的整個(gè)周邊向進(jìn)入的氣體/液體混合物施加均勻的離心力。
優(yōu)選是，本發(fā)明的分離器裝置還包括一個(gè)在葉轂遠(yuǎn)端的裙緣元件，用于引導(dǎo)混合物中的液體部分向外離開該葉轂，并將其引向容器壁。
優(yōu)選是，本發(fā)明的分離器還包括位于容器內(nèi)并在該進(jìn)口和葉轂的近端之間的裝置，用于在混合物進(jìn)入該進(jìn)口并跌落到葉轂上時(shí)控制該混合物的回流和飛濺。
該分離器還可以包括一個(gè)屏，該屏覆蓋葉轂的遠(yuǎn)端，用于防止葉轂內(nèi)部的焦炭通過該屏而跌落。
而且，該分離器可以包括一個(gè)位于蒸氣出口的進(jìn)入口處的裙緣，用于引導(dǎo)液體向外離開該進(jìn)入口。
優(yōu)選是，本發(fā)明的分離器的葉轂沿軸向位于該容器內(nèi)。該蒸氣出口優(yōu)選是沿軸向位于葉轂的遠(yuǎn)端。在本發(fā)明的分離器和方法中所用的蒸氣/液體混合物優(yōu)選是含有烴和蒸氣的混合物。


圖1是在可采用本發(fā)明的熱解爐中的全過程的示意流程圖。
圖2是本發(fā)明的蒸氣/液體分離器的局部剖視圖。
圖3是圖2的平面圖。
圖4是圖2的蒸氣/液體分離器的葉片組件的透視圖。
原油的重尾餾分以及重質(zhì)天然氣液體在普通乙烯爐對流部分條件下不能被氣化。它們通常通過蒸餾而被除去，且只有該蒸餾物中較輕的可氣化部分能夠用作烯烴工廠的供料。從烯烴工廠的供料中蒸餾除去重尾餾分的供料制備步驟需要附加的資金和操作成本。本裝置和方法能夠使重尾餾分分離步驟與改進(jìn)的烯烴爐的供料預(yù)熱器部分結(jié)合，從而只允許重質(zhì)供料中的可氣化部分進(jìn)入該爐的裂化區(qū)域。而且，能夠使烴與稀釋蒸氣一起在溫度高于真空塔中通常所能達(dá)到的溫度的情況下(400℃)進(jìn)行閃蒸，這會(huì)導(dǎo)致與通過大氣/真空蒸餾塔回收的情況相比，能夠?qū)⒏蟛糠值脑突厥兆鳛橄N工廠的供料，從而減小低價(jià)值的重尾餾分瀝青的產(chǎn)量。這可以通過本發(fā)明的無焦化蒸氣/液體分離器來實(shí)現(xiàn)。該蒸氣/液體分離器能夠在很寬的溫度范圍下工作，例如260-482℃(500-900°F)。通過在合適溫度范圍內(nèi)的合格焦化而確定優(yōu)化條件。
普通烯烴熱解爐的對流部分可以進(jìn)行改變，這樣，重質(zhì)烴供料可以直接供給裂化爐。重質(zhì)烴供料包括脫鹽原油、重質(zhì)天然氣液體、久沸渣油和濃縮渣油，它們包括重質(zhì)尾端烴(tail-end hydrocarbon)，該重質(zhì)尾端烴在正常工作狀態(tài)下不能在烯烴熱解爐的對流部分中完全氣化。
下面參考圖1，該圖是乙烯爐10的示意圖，重質(zhì)烴供料11在140℃(285°F)的溫度和21巴(300磅/平方英寸)的壓力下進(jìn)入乙烯爐10的對流部分A的第一級預(yù)熱器12。少量稀釋蒸氣13(在8巴(100磅/平方英寸)時(shí)的飽和蒸氣)被供給對流部分預(yù)熱管內(nèi)，直到它在6-7巴(70-80磅/平方英寸)的壓力下加熱到343-482℃(650-900°F)的溫度范圍內(nèi)，這時(shí)，混合的烴和蒸氣14被供給蒸氣/液體分離器20。該蒸氣/液體分離器20從混合的烴供料和蒸氣14中除去未氣化部分15，從而將未氣化液體15從完全氣化的烴16中取出和分離開。根據(jù)重質(zhì)烴的供料11，可以采用不同的處理方案。
隨后，氣化部分16通過爐10外部的氣化器/混合器17而進(jìn)行供給，在該氣化器/混合器17中，烴蒸氣16與過熱蒸氣18混合，以便將混合物19加熱至510-566℃(950-1050°F)溫度。然后，混合物19在烯烴熱解爐10的對流部分A的第二級預(yù)熱器部分21中進(jìn)一步加熱，然后供給熱解爐10的輻射部分B、22中，在該輻射部分B、22中，烴混合物19熱裂化。
烴/蒸氣混合物14在進(jìn)入蒸氣/液體分離器20時(shí)的狀態(tài)取決于重質(zhì)烴供料11的性質(zhì)，優(yōu)選是有未氣化的液體15(供料的2-40vol％，優(yōu)選是2-5vol％)，以便潤濕蒸氣/液體分離器20的內(nèi)表面。潤濕的壁能夠防止焦炭在分離器20的表面上形成和沉積。通過調(diào)節(jié)稀釋蒸氣/供料的比例和烴/蒸氣混合物14的閃蒸溫度，可以控制氣化程度(或不可氣化的液體15的vol％)。
這里所述的蒸氣/液體分離器20能夠以將不會(huì)形成焦炭固體且隨后不會(huì)由固體焦炭污染分離器20或下游設(shè)備(未示出)的方式使閃蒸混合物的液體部分15和蒸氣部分16分離?？紤]到它的相對緊湊的結(jié)構(gòu)，潤溫的壁的蒸氣/液體分離器20的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)比普通真空初餾塔更高溫度的閃蒸，從而能夠回收供料11中的更多氣化部分16，以便下游的進(jìn)一步處理。這增加了烴供料11中能夠用于生產(chǎn)更高價(jià)值產(chǎn)品23的部分，減小了低價(jià)值的重質(zhì)烴液體部分15。
下面參考圖2和3，圖2是蒸氣/液體分離器20的垂直、局部剖視圖，圖3是蒸氣/液體分離器20的剖視平面圖。該蒸氣/液體分離器20包括一個(gè)容器，該容器有壁20a；進(jìn)口14a，用于接受所輸入的烴/蒸氣混合物14；蒸氣出口16a，用于引導(dǎo)蒸氣部分16；以及液體出口15a，用于引導(dǎo)液體部分15。葉轂(hub)25靠近進(jìn)口14a，該葉轂25有多個(gè)葉片25a，這些葉片25a間隔環(huán)繞著葉轂25的外周，優(yōu)選是靠近最接近進(jìn)口14a的端頭。在圖4的透視圖中更清楚地表示了葉片組件。輸入的烴/蒸氣混合物14通過在葉轂25的近端上飛濺而分散開，尤其是通過葉片25a將混合物14的液體部分15的一部分向外推向蒸氣/液體分離器20的壁20a，從而使該壁20a完全由液體潤濕，并防止該壁20a的內(nèi)側(cè)形成焦化。同樣，由于用于將與葉轂25表面接觸的液體15送向壁20a內(nèi)側(cè)的力不充分，因此，該葉轂25的外表面通過沿該葉轂外表面向下輸送的液體層而保持完全潤濕狀態(tài)。裙緣25b環(huán)繞該葉轂25的遠(yuǎn)端，并有助于通過將液體送入渦旋蒸氣中而將沿葉轂25外表面流下的任何液體推向壁20a的內(nèi)側(cè)。當(dāng)蒸氣/液體混合物14進(jìn)入蒸氣/液體分離器20時(shí)，將在進(jìn)口14a和葉轂25之間的20b處充滿該蒸氣/液體分離器20的上部，以便幫助潤濕壁20a的內(nèi)側(cè)。當(dāng)液體15向下輸送時(shí)，它洗過壁20a和葉轂25，并防止在它們表面上形成焦炭。液體15繼續(xù)下落，并通過液體出口15a離開該蒸氣/液體分離器20。在蒸氣出口管16a下面提供有一對進(jìn)口嘴26，用于提供淬火油，以便冷卻所收集的液體15并減少下游焦炭的形成。蒸氣部分16在蒸氣出口管16a的最高點(diǎn)16c處進(jìn)入該蒸氣出口管16a，在出口16a處離開并進(jìn)入氣化器17，以便在進(jìn)入熱解爐10的輻射部分B22之前進(jìn)行進(jìn)一步處理，如圖1所示。裙緣16b環(huán)繞著蒸氣管16的進(jìn)入口16c，并有助于使液體15向外朝著分離器的壁20a偏移。
實(shí)例1在實(shí)驗(yàn)室中，用水和空氣對70％比例的冷流透明塑料和金屬模型進(jìn)行試驗(yàn)和改進(jìn)。在該冷流試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，蒸?液體分離非常有效，以致于在蒸氣出口處沒有檢測到液體部分，且視覺觀察顯示，該蒸氣/液體分離器模型的內(nèi)表面通過所進(jìn)入的液體部分主動(dòng)流過這些表面而保持被良好地沖洗。需要這樣的液體覆蓋以防止形成焦炭的運(yùn)行限制(run-limiting)。
用于尺寸定位的重要數(shù)據(jù)值包括蒸氣流速、密度和粘性。也檢查液體流速、密度和表面張力，作為該空氣/水模型的性能比較，并估計(jì)分離器的液滴大小。
選用推薦的進(jìn)口管尺寸(20cm直徑)，以便提供計(jì)算的液滴大小。
確定葉片組件的尺寸，使得通過葉片的速度為24-30m/s。在目前的設(shè)計(jì)中，12個(gè)葉片安裝在25cm直徑的管上，流過葉片的30°平剖面的估計(jì)速度為27m/s。該葉片組件如圖4所示。
葉片組件25a相對于進(jìn)口14a的位置和“裝入”分離器20頭部20b的過程通過計(jì)算機(jī)流體動(dòng)態(tài)模擬來指導(dǎo)。目的是除去潛在的回流區(qū)，以減小形成焦化的趨勢。頭部20b的內(nèi)部形狀根據(jù)氣體流線而形成，因此，壁20a將由被送入分離器20主體內(nèi)的液體進(jìn)行沖洗。
葉轂25在葉片25a下面延伸的距離根據(jù)對液滴在經(jīng)過葉轂25運(yùn)動(dòng)超過一半距離之前被捕獲的液滴大小的估計(jì)來進(jìn)行選擇。大量液體15將沿葉轂25流下(根據(jù)對空氣/水模型的觀察)，在葉轂25上有“裙緣”25b將引導(dǎo)液滴在葉片25a下面很好地進(jìn)入蒸氣部分中，由于蒸氣16的連續(xù)渦旋，當(dāng)蒸氣向出口管16a運(yùn)動(dòng)時(shí)，將繼續(xù)在葉轂25的裙緣25b下面集中。
葉轂裙緣25b的尺寸使得液體從葉轂25盡可能靠近外壁20a運(yùn)動(dòng)，同時(shí)不會(huì)使蒸氣16的流動(dòng)面積小于在葉片25a中存在的流動(dòng)面積。作為一個(gè)實(shí)例，該流動(dòng)面積比在葉片25a中存在的流動(dòng)面積大大約20％。
葉轂25的底部和蒸氣出口管16a的最高點(diǎn)16c之間的距離定為蒸氣出口管16a的直徑的四倍。這與空氣/水模型一致。目的是提供使蒸氣向出口16a運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生極高的徑向速度。
從蒸氣出口管16a的進(jìn)入口16c到蒸氣出口管16a的水平部分的中心線的距離選擇為管直徑的大約三倍。目的是在出口管16a的垂直上方提供用于保持渦流的距離-不會(huì)由于附近的、使蒸氣16離開出口管16a的水平流道而擾亂該渦流。在蒸氣出口管16a上的防蠕變環(huán)16b的位置和尺寸可以任意確定，它的位置靠近唇緣但低于該唇緣，且它相對較小，以便有使焦炭在外壁20a和該環(huán)16b之間跌落的空間。
分離器20在出口管16a下面的細(xì)節(jié)部分是該分離器范圍之外的問題。只要不會(huì)使液體在進(jìn)口16c上方噴射到出口管16a，就不會(huì)影響分離效果。
涉及形成焦化的主要區(qū)域包括蒸氣回流部分或者金屬?zèng)]有被液體很好地沖洗的部分。在頭部內(nèi)側(cè)的區(qū)域20b中可以填充有材料，以接近所需的回流區(qū)。葉轂25的內(nèi)部是另一個(gè)潛在的問題點(diǎn)。當(dāng)產(chǎn)生焦炭且該焦炭跌落到蒸氣出口管16a的進(jìn)口16c上時(shí)，將導(dǎo)致產(chǎn)生很大的流阻(就象封閉的單向閥)。因此，可以采用桿或管帽的籠或屏25c。這不能防止焦炭的產(chǎn)生，但是能將大部分焦炭保持住，這樣，大塊焦炭不可能跌落。在葉片裙緣和蒸氣出口管16a的裙緣16b下面的區(qū)域也“沒有沖洗”，焦炭可能在這些區(qū)域中產(chǎn)生。
這些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室模型上試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)室模型已經(jīng)進(jìn)行了很寬范圍的流動(dòng)狀態(tài)試驗(yàn)，如下面的表1所示。在進(jìn)口處的空氣流速的范圍為15-45m/s，水在0.06-0.28l/s的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。在所有這些狀態(tài)下，損失都低于可測量的范圍。當(dāng)水的流速低于0.06l/s時(shí)(估計(jì)為0.03-0.05l/m)，分離器的外壁20a的潤濕不完全。水流沿有機(jī)玻璃流下，水流之間有“干”區(qū)域。對于l/s水每cm周長，在0.06l/s水時(shí)，分離器壁20a以0.0008l/cm.s進(jìn)行沖洗。0.2巴時(shí)519g/s，或者0.8l/s的油速設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)將產(chǎn)生0.006l/cm.s沖洗速度。
表1
當(dāng)分離器壁20a的焦化趨勢通過沖洗速度(液體體積流量每周長英寸)而得到控制時(shí)，工廠設(shè)計(jì)狀態(tài)將提供比實(shí)驗(yàn)室模型更好的沖洗效果。假設(shè)工廠的沖洗性能遵循實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，將有可能通過具有較低液體體積的供料來進(jìn)行操作。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表示，當(dāng)與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相比時(shí)，液體流量基于重量“較低”，而基于體積則“較高”。不過，實(shí)驗(yàn)室模型并沒有看到在采集的數(shù)據(jù)中液體流量低于0.06l/s或高于0.28l/s時(shí)的分離問題。
權(quán)利要求
1.一種蒸氣/液體分離器，包括一容器，該容器有進(jìn)口，用于接收蒸氣/液體混合物；一葉轂，該葉轂位于容器內(nèi)，并在低于進(jìn)口的位置，其中，該葉轂在它的近端支承多個(gè)葉片元件，用于在混合物通過該容器時(shí)使該混合物離心分離；一蒸氣出口，該蒸氣出口位于該葉轂的遠(yuǎn)端，用于將混合物中的蒸氣部分從容器中取出；以及一出口，該出口位于蒸氣出口的下面，用于將混合物中的液體部分從容器中取出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離器，還包括在葉轂遠(yuǎn)端的裙緣元件，用于引導(dǎo)混合物中的液體部分向外離開該葉轂，并將其引向容器壁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分離器，還包括位于容器內(nèi)并在該進(jìn)口和葉轂的近端之間的裝置，用于在混合物進(jìn)入該進(jìn)口并落到葉轂上時(shí)控制該混合物的回流和飛濺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一個(gè)所述的分離器，還包括一個(gè)屏，該屏覆蓋葉轂的遠(yuǎn)端，用于防止葉轂內(nèi)部的焦炭通過該屏而跌落。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一個(gè)所述的分離器，還包括一個(gè)位于蒸氣出口的進(jìn)入口處的裙緣，用于引導(dǎo)液體向外離開該進(jìn)入口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一個(gè)所述的分離器，其中該葉轂沿軸向位于該容器內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一個(gè)所述的分離器，其中該蒸氣出口沿軸向位于葉轂的遠(yuǎn)端。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任意一個(gè)所述的分離器，其中該蒸氣/液體混合物是包括烴和蒸氣的混合物。
9.一種用于分離烴和蒸氣混合物中的蒸氣部分和液體部分的方法，該方法包括以下步驟使混合物流過容器的進(jìn)口；通過位于該容器的頭部端的離心機(jī)而使該混合物離心分離；當(dāng)該混合物落在離心機(jī)上時(shí)，控制該混合物的回流和飛濺；使液體部分沿容器的壁流下；將蒸氣部分引向用于蒸氣的出口管；將蒸氣部分從該容器引向用于進(jìn)行進(jìn)一步處理的裝置；以及將液體部分從該容器引向用于進(jìn)行進(jìn)一步處理的裝置。
全文摘要
一種蒸氣/液體分離器，包括一容器，該容器有進(jìn)口，用于接收蒸氣/液體混合物；一葉轂，該葉轂位于容器內(nèi)，并在低于進(jìn)口的位置，其中，該葉轂在它的近端支承多個(gè)葉片元件，用于在混合物通過該容器時(shí)使該混合物離心分離；一蒸氣出口，該蒸氣出口位于該葉轂的遠(yuǎn)端，用于將混合物中的蒸氣部分從容器中取出；以及一出口，該出口位于蒸氣出口管的下面，用于將混合物中的液體部分從容器中取出。本發(fā)明還涉及一種分離烴和蒸氣混合物中的蒸氣部分和液體部分的方法，該方法包括以下步驟使混合物流過容器的進(jìn)口；通過位于該容器的頭部端的離心機(jī)而使該混合物離心分離；當(dāng)該混合物落在離心機(jī)上時(shí)，控制該混合物的回流和飛濺；使液體部分沿容器的壁流下；將蒸氣部分引向蒸氣的出口管；將蒸氣部分從該容器引向進(jìn)行進(jìn)一步處理的裝置；以及將液體部分從該容器引向進(jìn)行進(jìn)一步處理的裝置。
文檔編號C10G9/14GK1416359SQ01806223
公開日2003年5月7日 申請日期2001年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月8日
發(fā)明者大勞爾·J·加西亞, 萬斯·J·格里肖普, 丹尼·尤克－克萬·恩干, 理查德·A·桑伯恩, 路易斯·E·斯坦 申請人:國際殼牌研究有限公司