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CN101658734B - 分开流体流的方法 - Google Patents

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Abstract

以一定方式在化学设备中将一股或多股流体流均匀分成两股或多股分流体流，使得形成沉积物的倾向减小。这样分流是通过采用分配装置实现的，所述装置包括至少一个带两个或多个开口的板，所述开口在至少一侧经圆化处理或斜切处理。

Description

分开流体流的方法
技术领域
本发明涉及在化学设备中将流体流均匀分成两股或多股分流体流的方法，该设备与常规装置相比，形成沉积物的倾向减小。
背景技术
在化学技术中，常用的化学反应设备采用各种装置在反应设备中均匀分配流体流。这种装置也常称作内件。
这种内件的具体形式是所谓的板，其中所谓的分配板是一个特例。这种分配板常常用于化学反应设备，例如塔柱或热交换器。
这种分配板的形式通常是平坦的带孔水平表面(即板)，特定的流体流穿过这些孔进入该化学设备的剩余部分。在分配板上具有不规则几何特征(例如，开口或孔处的90°转角，如钻孔等)的地方，流体流过孔时，常常形成以流速减小或形成回流为特征的区域。
当通过开口或孔进入化学反应设备的流体包含溶解物质或颗粒悬浮体时，这些物质和/或颗粒常常在流速减小或形成回流的区域中形成沉积物。此现象总体上是公知的，见述于例如H.Müller-Steinhagen的“Heat-Exchanger Fouling-Mitigation and CleaningTechnologies(《热交换器的去污和清洁技术》)”，公众出版社(Publico Publications)，第8-9页，德国埃森(Essen)，2000，ISBN3-934736-00-9。
IN-A-192183披露了一种装置，据称该装置可在塔柱中均匀分配液体。此装置的特征在于，它具有主分配器(10)以及与之相连的次分配器(11)，次分配器反过来通过管(2)连接到实际起分配作用的分配板(4)上。液体的实际均匀分配是通过液体自分配板(4)沿导流壁(5)滴下来实现的，所述导流壁具有一定结构，被设置在分配板(4)周围，留下狭窄的空隙。该装置中孔的精确几何形式未见披露。前面所用的附图标记是IN-A-192183中所用的附图标记。
IN-A-192183所述装置是特别不利的，因为分配板(4)与导流壁(5)之间的狭窄空隙形成一个区域，在该区域内，流体的流速下降很大，而且可能形成回流。因此，若使用这种装置，可以预期溶解/悬浮在液体中的物质将发生沉积。该装置还包括许多具有不规则几何特征的位置，如分配板(4)边缘和卸料口(12)的钻孔，由于上述原因，这些地方非常有可能形成沉积物。
DE-A-2752391披露了一种均匀分配液体的装置，它包含带溢流边缘(3，6)的平行通道，所述溢流边缘具有V形出液口。通过调节两个平行溢流边缘之间的间隔(7)，以及借助于V形出液口的尺寸和数量，可以确定分配液体的量。V形出液口的精确几何形式，特别是入射角，未见披露。前面所用的附图标记是DE-A-2752391中所用的附图标记。
DE-A-2752391所述装置具有大量几何特征不规则的位置。例如，V形出液口边缘和溢流边缘都具有这种不规则的几何特征。因此，可以预计，在这样的位置，液体流速特别容易减小且/或回流特别容易形成，若待分配液体包含溶解/悬浮的物质，将形成沉积物。
发明内容
鉴于现有装置在分开含溶解和/或悬浮物质的液体或液体流方面遇到的问题，本发明的目标是提供一种方法，可在化学设备内均匀地分开包含溶解和/或悬浮物质的流体流，特别是液体流，该溶解和/或悬浮物质不会在装置上形成沉积物。
此目标及其他目标对本领域的技术人员来说是显而易见的，它们可通过采用本说明书所详述的分配板来实现，而所述分配板用于本说明书更加详细描述的方法中。
附图说明
图1显示了适用于实施本发明方法的分配装置。
图2显示了适用于实施本发明方法的分配装置。
图3显示了图1所示孔洞之一的截面。
图4显示了图2所示开口之一的截面。
图5是实施例1中测试结果的图示。
图6显示了测试中相关设置(实施例2)的示意图。
具体实施方式
本发明涉及在化学设备中将流体流分成两股或多股分流体流的方法，其中至少一股流体流通入一个分配装置，该装置包括至少一块板2，该板具有两个或多个开口3。开口3在板的至少一侧是经过圆化处理或斜切处理的。分流体流随后流过开口3。
在本发明中，“流体”是指处于超临界、次临界或临界状态的任何液体和/或气体。液体和/或气体的具体状态取决于流体流通过本发明装置之前和/或之后的条件。液体和/或气体的状态对本发明来说不重要。流体通过本发明装置时，其状态甚至有可能发生变化。
较佳的是，所述流体为液体。最佳的是，它们是至少有一种物质以溶解和/或悬浮形式存在于其中的液体。
对于本发明的方法来说，至少有一种物质以溶解和/或悬浮形式存在于其中的液体是特别有利的，因为在本发明中，它形成沉积物的倾向减小得特别突出。
在本发明中，“板”表示具有厚度D和平坦形状的物体。板在平面内的几何形状对本发明来说不重要。然而，它们通常是圆形板，因为通常将它们水平装入塔柱或类似化学设备中，本领域的技术人员通常熟知的化学设备是圆柱形的。若板在平面内的空间伸展范围较大，可利用例如支杆或其他加固手段在分流体流出来的一侧进行加固。
本发明范围内的化学设备包括可在其中发生化学反应、物质传输过程或热传输过程的任何设备。例如，反应器，特别是管式反应器，或者热交换器，特别是管式热交换器，以及/或者用于分离物质的设备，如塔柱或其他合适的设备，都在本发明的范围之内。
板的厚度D通常要经过选择，使得它能够经受自重以及通常额外加载于其上的流体的重量。本领域的技术人员一般知道如何根据所用材料确定板的厚度。或者，也可选用非常薄的板厚度D，然后采取加固措施，例如采用支杆。
所述板可用化学设备制造领域通常公知的任何材料制成。所述板一般用容易加工(例如钻孔或切削)的材料如金属或聚合物制成。较佳的是，所述板用金属材料制成。更佳的是，所述板用钢制成。最佳的是，所述板用不锈钢制成。
采用金属材料如钢或不锈钢是特别有利的，因为这种材料的强度特别高，故而厚度D可选得较小，或者通常可省略加固措施例如支杆。不锈钢是特别有利的，因为它能抵抗多数液体的化学侵蚀(例如腐蚀)。本领域的技术人员一般知道如何根据不锈钢的合金组成为本发明装置的特定应用选择不锈钢。
对于本发明的效果来说，用来生产本发明所需板的具体材料不重要。唯一重要之处在于，所用材料可接受圆化处理和/或斜切处理。实现这一点的方法可以是任何方法，只要在本领域的技术人员看来它适合该目的。
将分配装置的板安装在化学反应设备中时，优选使它恰好垂直于流体流过该设备的主方向。最佳的是，所述板恰好水平安装。
垂直于流体流过该设备的主方向的安装方式之所以是有利的，是因为分配装置上没有任何局部区域比其他区域接触更多的流体，从而可以确保均匀分配。当待分配流体是从上到下或从下到上垂直流过化学设备的流体时，水平安装方式是特别有利的。这样就可以确保分配装置上没有任何局部区域比其他区域接触更多的流体。
板中的开口可具有任何几何形状，优选孔洞或狭缝形式的开口，更优选孔洞形式的开口，最优选圆孔洞形式的开口。
孔洞和狭缝之所以是有利的，是因为它们可借助简单的方法在板中形成，所述方法如钻孔和/或切削。其他几何形状的产生更加复杂，但跟孔洞和狭缝同样合适。
板中的开口可规则地或不规则地分布在分配装置的板上。所述开口优选规则地分布在板上。
规则排布之所以是有利的，是因为这样可以更均匀地分配流体。
开口的尺寸和数量通常取决于待分配流体的量，并且通常要经过选择，使得流体离开开口时的流动雷诺数不超过1。
在本发明中，雷诺数表示本领域技术人员一般公知的无量纲指数，可表达为其中u是分流体流离开开口时的速度，v表示流体的动粘度；至于d，当开口为圆形开口时，d表示开口直径，当开口为狭缝时，d表示狭缝宽度，若不存在上述两种几何形状时，则d表示开口的特征长度，它可根据本领域的技术人员公知的原则确定。
板中开口的数目优选为10-10000，最优选为100-5000。
分配装置的开口优选至少在流体通过板2的起始侧受到圆化或斜切处理。
开口也可在板2的两侧均受到圆化或斜切处理。类似地，开口也可在板的一侧受到斜切处理而在板的另一侧受到圆化处理。
较佳的是，开口仅在板的一侧受到斜切或圆化处理。
在本发明中，圆化处理是指用规则的几何形状例如半圆形代替不规则的几何形状例如90°角。
换句话说，在本发明中，“圆化处理”意味着在进入开口的入口区域没有产生边缘。相反，在通道穿过板的区域，板的平坦表面(开口外侧)融入了开口表面，不产生边缘。
在本发明中，斜切处理是指用本身也不规则，但较之于起初的不规则形状，更接近于规则几何形状(例如两个45°角)的形状代替不规则的几何形状例如90°角。
换句话说，在本发明中，“斜切处理”意味着在进入开口的入口区域没有产生尖锐的边缘。相反，在通道穿过板的区域，板的平坦表面(开口外侧)融入了开口表面，不产生尖锐边缘(即优选没有≥60°的角α、β)。
角α是在分流体流的流入侧，板的平坦表面与开口表面之间的角，角β是在分流体流的流出侧，板的平坦表面与开口表面之间的角。这显示在图3中，其中附图标记4表示角α，附图标记5表示角β。
对于包含至少一个带开口3的板2的分配装置，其优选特征在于，通道穿过板的区域(即优选在开口的流过长度的30％-70％的范围内，所述流过长度对应于板的厚度D)的流过截面小于进入开口的入口区域的流过截面。
若板中开口经过圆化处理，优选对开口进行这样的圆化处理，使圆化形成的圆弧的半径R小于板的厚度。
若板中开口经过斜切处理，优选对开口进行这样的斜切处理，使上述角度在40°与60°之间。还优选对开口进行这样的斜切处理，不使斜切面延伸到板厚度D的一半。
下面结合附图更详细地描述本发明，但不对本发明构成限制。
图1显示了适合实施本发明方法的分配装置，它包括带开口3的圆板2，所述开口以孔洞形式规则地分布在板2中。
图2显示了适合实施本发明方法的分配装置，它由带开口3的圆板2组成，所述开口以狭缝形式规则地分布在板2中。
图3显示了图1所示孔洞3之一的截面，该开口在两侧分别以角α、β经过斜切处理。附图标记4表示角α，附图标记5表示角β。D表示板2的厚度。
图4显示了图2所示开口3之一的截面，该开口在板的一侧经过圆化处理，其中半径R＜D。D表示板2的厚度。
图5显示了实施例1中测试结果的图示。
图6显示了测试中相关设置(实施例2)的示意图。
下面结合实施例详细描述本发明，但它们不构成限制。
实施例
实施例1
通过实验室测试方法进行沉积和结晶结垢测试。利用丁基橡胶/己烷作为沉积结垢测试中的测试液，利用氯化钠水溶液作为结晶结垢测试中的测试液。测试设备由一个容器组成，测试液连续流入容器中。该容器在其垂直壁(厚度：2mm)之一中具有不同开口，测试液又以喷射的形式从这些开口流出，形成弧线。所述开口是两个圆形孔洞(直径：2mm)，第一个孔洞具有尖锐边缘(圆柱形)，第二个孔洞具有斜切面(同本发明)。选用45°斜切面，它占壁厚的一半。在耐受性测试中，研究了各种开口的结垢情况。评价是这样进行的：一方面，在测试结束后将孔板拆下，通过目测评价孔洞上面或里面的沉积物；另一方面，在对面的壁上测量撞击点的突出范围或高度h，该撞击点沿水平方向距离两个开口约5cm。图5中A代表具有尖锐边缘的孔洞(无斜切面)。图5中B代表斜切孔洞(有斜切面)。对二者进行的目测评价和测量表明，对于两种结垢机理(结晶和沉积结垢)，对卸料孔洞进行斜切处理(根据本发明)或圆化处理(根据本发明)均使结垢的倾向降低。图5显示了在不同时间t测量的撞击点高度h。
实施例2
在本实施例中用来分开液体流的装置是平坦的圆板，用在一系列筛选测试中研究分配孔洞的结垢性质，测试在80℃-220℃的温度下进行。在厚2mm的不锈钢板上提供两个几何形状不同的孔洞(每种情况下的直径都是1.4mm，以确保有效通流表面相同)(图6)。孔洞C是简单的直通钻孔。第二个孔洞D具有斜切面(45°)。所用测试液是具有中等粘度的液体，其密度为700-1200kg/m3，粘度为1mPas-100mPas，表面张力为15-50mN/m。该液体包含溶解的组分。液体发生几个分解反应，其中一些没有在机理上得到解释。最终形成精细晶体形式的固体组分(测试中形成的悬浮体)和高分子形式的组分，以及不能确定的形成覆盖层的产物(污垢)。
在保护气氛下，将所用流体导入受热的回路，分配板上覆盖一个0-300mm的液体层。借助泵抽使通过板的流体再循环的速率决定了孔板上的液位，液位决定了在流体静力学高度作用下的流走(run-off)性质或通过分配孔洞的流走速度。
测试过程有效持续10天，每种情况下中断2天。根据板上孔洞周围覆盖层中凹坑的尺寸，有可能确认流体能更好地通过经斜切处理的孔洞流走(孔洞边缘处的流走速率更高)。在测试结束时，不锈钢孔板上覆盖了固体糊状沉淀物，即使在高温下也难以清除它；然而，与直通孔洞相比，斜切孔洞仍具有通过性。
特别地，当分配板上的液位较低时，可以观察到通过两种不同几何形状的孔洞的流体在流走性质上的差异。与直通孔洞相比，通过具有斜切面的分配孔洞的流体具有有利的流走性质。由于板上流体静力学压力非常低(液位在10mm与20mm之间)，其压力损失较小(应力因数和压降较小)，所以斜切孔洞从开始就具有较好的通过性。与之形成对照的是，为了能够观察到相同的流体流走性，直通孔洞需要更高的液位(40-50mm)。上述测试清楚表明，在静态操作中，具有斜切几何形状的分配孔洞比具有尖锐边缘的孔洞表现出更好的流走性质。
尽管为了说明的目的，在前面详细描述了本发明，但应当理解，这种细节仅仅用于该目的，除非受到权利要求书的限制，在不背离本发明的精神和范围的前提下，本领域的技术人员可作出各种变化。

Claims (10)

1.一种在化学设备中将流体流分成两股或多股分流体流的方法，其包括：
a)将至少一股流体流通入分配装置，所述装置包括：
(i)至少一个带两个或多个开口的板，所述开口在板的至少一侧经圆化处理或斜切处理，使得分流体流得以形成，
以及
b)使形成的分流体流离开分配装置，
其中，所述流体流是至少有一种物质以溶解和/或悬浮形式存在于其中的液体流，分流体流离开开口时的流动雷诺数≤1。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，分配装置中的开口在分流体流的流入侧经圆化处理或斜切处理。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，开口是孔洞或狭缝形式。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，开口经圆化处理到这样的程度，使得如此形成的圆弧的半径R小于板的厚度。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在穿过板的通道附近的开口表面处，板的平坦表面与其斜切侧面之间的角度为40°－60°。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，开口经过这样的斜切处理，使得斜切面不会延伸到板厚度一半的地方。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，开口是孔洞或狭缝形式。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，开口经圆化处理到这样的程度，使得如此形成的圆弧的半径R小于板的厚度。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，板的平坦表面与穿过板的通道附近的开口表面之间的角度为40°－60°。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，开口经过这样的斜切处理，使得斜切面不会延伸到板厚度一半的地方。
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