用于分离多相流的方法和设备的制作方法

专利名称：用于分离多相流的方法和设备的制作方法技术领域：本发明的领域为将具有不同密度的两相或多相的一种多相流分离为具有可比较 的相成分的两个或多个流束(stream)。背景技术：现有技术中已知多种流分离设备，并且在许多场合，进料管和分配管的特定布置 并不是关键性的。然而，当供给到流分离设备的是多相流时，流分离设备的构造对于形成最 终分开的流束的可比较(即，接近相同)成分就显得更加重要。例如，如W02004/113788中所描述的，提供了相分离元件，两个或多个分配管从该 相分离元件抽取分离的进料(feed)。替代性地，堰或池可与旁路管道一起联接到进料管， 以适应并消除分配不均，如美国专利M15195和5218985所描述的那样。同样，如美国专 利5551469所描述的，分配管中的孔板与旁路管道一起可用于适应并消除分配不均。在另 外已知的设备和方法中，可以在分配管中安装预分离叶片和各自的喷嘴以增强相的一致分 配，如美国专利5810032所描述的那样。还可以设置具有如美国专利4522218所示的控制 阀的特殊管路布置。虽然这些已知的设备和方法通常在分离两相流时具有至少一些优点，但也存在一 些缺点，特别是当两相流包含两个或多个具有显著密度差异的相时。这样，仍然需要用于将 具有不同密度的材料的流分离成两个或多个具有可比较相成分的流束的改进的设备和方法。发明内容本发明涉及分离包括至少两个不同密度的相的多相流的设备和方法，该至少两个 相任选地可以是不能相互混合的。在流分离前最好先利用重分配元件将具有不同密度的相 进行径向重新分配，重分配元件会向相中引起切向动量。值得注意的是，在这里术语“流体” 用于指所有流动的材料，即包括气体、液体和固体，以及它们的所有组合。这样，例如多相流 可由具有不同密度的两种液体、一种液体和一种气体、或者夹带有固体颗粒的液体组成。在本发明的一个方面，一种用于混合相流体(例如，包括至少两个具有不同密度 的组分，其中至少一种组分为流体)的流分离设备包括具有进料端和出口端的进料管，其 具有与分离器布置中的出口端流体连通地联接的多个分配管；其中分配管相对于进口管的 轴线对称布置。流重分配元件流体连通地联接到进料管，并构造成向混合相引起切向动量， 从而优先促使至少一些较高密度的组分向进料管的内壁运动。值得注意的是，流体中的切 向动量将在流体中引起漩涡运动或旋转运动，术语“漩涡运动”和“旋转运动”在此可互换 地使用。特别构想的流重分配元件构造成一个或多个静止混合器，和/或在混合相流体中 引起漩涡(旋转运动)。因此，至少一些重分配元件包括一个或多个弯曲(例如螺旋状)元 件。进一步优选地，重分配元件设置在进料管中的进料端和出口端(最通常的情况下包括 两个或多个分配管)之间，流分离设备进一步包括冲击对称接头(impacting symmetrical fitting)(例如，用于分枝的T形或Y形接头)作为流分离元件。因此，分离混合相流体的流的方法包括将混合相流体输送给进料管的步骤，其中， 混合相流体包括具有第一密度的第一组分和具有大于第一密度的第二密度的第二组分，以 及对混合相引起切向动量的步骤，从而优先促使第二组分中的至少一些向进料管的内壁运 动。在另一个步骤中，在流重分配元件的下游位置，混合相被分离成两部分或更多部分。关 于流重分配元件和分离元件，适用与前面提到的相同的考虑因素。参考附图，本发明各种目的、特征、方面和优点从本发明的优选实施方式的下面详 细描述中将变得更加明显。图1A-1C显示流重分配元件的示例性构造。图2A显示位于两个分配管上游的进料管中的流分离设备的第一实施例，图2B显 示在图2A的设备中的两相流体的模拟流。图3A显示位于两个分配管上游的进料管中的流分离设备的第二实施例，图:3B显 示在图3A的设备中的两相流体的模拟流。图4A显示位于两个分配管上游的进料管中的流分离设备的第二实施例，图4B显 示在图4A的设备中的两相流体的模拟流。具体实施例方式发明人已经发现利用位于两个或多个分配管上游的一个或多个流重分配元件，可 将多相流分离成与多相流相比具有基本相同的相分布的两个或更多流束，其中，该重分配 元件(通常置于进料管的内腔中)给混合相施加切向动量，以优先促使第二组分中的至少 一些向进料管的内壁运动。这里使用的术语“基本相同的相分布”表示相内容(content)的 不同不大于10 %，更典型地不大于5 %。例如，当多相流被分成两支并且具有60wt %的第一 组分以及40wt %的第二组分时，分配管中的重分配元件下游形成的流束，如果所形成流束 之一具有56wt%的第一组分和的第二组分，那么就可以说具有基本相同的相分布。 在该例中，另一个形成的流束具有的第一组分和36wt%的第二组分。所构想的设备和方法尤其适宜分离全部或大部分相在基本不能混合的多相流束 (即，将在相之间形成清晰的界面，且具有不同的密度(例如，至少10%，更典型地至少25% 的差异))。例如，第一和第二相可以是碳氢化合物流束和非碳氢化合物(例如水)流束， 或者液态水流束和水蒸气流束。本发明主题的最典型方面，所构想的设备具有竖直的管和 位于下游位置的对称的多支分离器(例如，冲击T型或Y型)，分离器具有流体连通地联接 到竖直管的二个或多个分配管，其中，流重分配元件包括一个或多个流重定向叶片，并且其 中，流重分配元件位于分离器的上游。尽管在本公开剩余部分中使用术语“冲击T形管”来 表示具有两个出口的分离器，但是下面论述的所有对称多支分离器都在构想之中。本文使用的术语“竖直”指的是与垂直于水平面的方向偏离不大于20度的方向。最通常地，其是 与地球重力平行的方向。需要尤其指出的是，优选的设备和方法无需相分离器皿、堰或者其它管外部的结 构，因为一个或多个流重定向元件(例如，叶片)优选地置于竖直管内部或与位于冲击T形 管的上游位置的管的内壁相联接，在该位置处发生两相(或更高相)的分离。流重定向元 件通过在管中引起切向流(例如，涡流运动)而在多相流进入分离器之前调节多相流，因为 切向流使得更密集的相在管道外周周围重新分配。因此，应该认识到，更密集的相在入口管 外围周围的重新分配促使相对于出口管的每个相的流对称，这进而促使每个相均勻分配进 入每个出口管。从不同的角度看，并与密切混合两相的静态混合设备相比，应该认识到本文构想 的相的重新分配促使两相朝向下游分离器的基本均勻但分离的分配，这进而允许几乎均勻 地将两(或更多)相分配到从分离器开始的每个分配管(即，在每个分配管中基本相同的 相分配)。这样的构造有利地不再需要分离的相分离器皿和旁路管道。与之相反，迄今所知 的大部分设备和方法是利用各种特殊的管道系统和接头布置以达到促使相对均勻地分离 两相蒸气/液体流(例如，W02004/113788的图1)的目的。替代性地，需要安装平行排列 的设备以避免分离两相流(例如，W02004/113788的图4)。应当进一步认识到，所构想的构造和方法也可以通过使用具有两个或多个分配管 的竖直冲击T形管而帮助避免需要平行的设备排列，从而减少处理设备的资本费用。这样， 在单一管道中的两相流可以近乎均勻地分配到两个或多个分配管中。因此，本文构想的设 备和方法在设计和运行商业处理设备时是尤其期望的，在商业运行设备中，相分配不均将 对设备的性能和/或容量产生不利影响。例如，本文提供的设备和方法可被有利地采用以 将两相流分配到多通道火焰加热器、多湾空气冷却器、大直径蒸馏塔以及其它能在各种炼 油加工单元中普遍发现的利用平行流路径的设备，包括原油单元、真空单元、重整器、加氢 器和氢化裂解器。至于适当的流重分配元件，可以构造所有的结构、构造和设备都认为是适当的，只 要这些结构、构造和设备可以向混合相施加切向动量，从而优先促使至少第二组分的至少 一些向进料管的内壁运动。因此，适当的流重分配元件将包括一个或多个叶片、螺旋元件 (通常在进料管中同轴地布置)、喷口或喷嘴，其向进料管中的混合相流施加切向动量。然而，尤其优选地，流重分配元件是静止混合器，其中一个或多个叶片或桨片 (blade)向混合相施加切向动量。例如，适当的重分配元件的几何结构可以在静止混合 器中发现，如美国专利4，068，830(描述成用于粘性液体的层流混合/混成)，美国专利 4，111，402 (使用螺旋轴线)，美国专利4，461，579 (使用等腰三角形基板和叶片)，以及美国 专利3，观6，992(多个弯曲元件)中所教导的那样。关于(一个或多个)流重分配元件的 位置，应该认识到，(一个或多个)元件通常置于分离器的上游，并且设备的具体本质将至 少在一定程度上决定相对于进料管的位置。然而，通常优选的是，(一个或多个)流重分配 元件位于进料管的内腔中以节省空间。进一步构想的重分配元件将包括这样的元件，其中一个或多个叶片或其它结构处 于进料管内腔中的固定位置，并且其中叶片或其它结构可以是静止的或运动的。例如，静止 叶片可以与进料管的内部相联接，和/或在进料管的内表面上形成为脊或来复线。类似地，一个或多个桨片可以被置于进料管中，或者具有叶片或来复线的圆锥体可以被置于进料管 的内腔中。替代性地，可包括一个或多个运动的尤其是旋转的结构(其优选相对于管在固 定位置)。例如，适当的运动结构包括一个或多个旋转推进器，其可由电机或其它力主动地 驱动，或者可由多相流的力被动地驱动。类似地，一个或多个旋转圆锥(优选包括一个或多 个叶片或来复线)可位于管道的内腔中，从而向多相流施加切向动量。不管(一个或多个)重分配元件的具体构造如何，还需要注意，虽然重分配元件的 构造优选是固定的，但是可调构造也被认为是合适的以调整到不同的流速和/或成分。例 如，当重分配元件包括叶片、螺旋桨片或来复线时，叶片、桨片或来复线角(通常表示成每 单位长度的转数)可以是可调的。类似地，当重分配元件包括推进器时，推进器桨片角也可 以是可调的。图1A-1C表示了流重分配元件的多种示例性构造。此处，重分配元件130A构 造成非运动的螺旋桨片，其固定联接到进料管IlOA的内部，而重分配元件130B构造成旋转 的推进器桨片，其(通过推进器架)联接到进料管IlOB的内部。在另一个构造中，重分配元 件130C构造成非运动的成螺旋形排列的来复线，其固定地联接到进料管IlOC的内部。在 这些例子中，管道优选竖直定向(平行于地球重力)，流在重分配元件下方的位置进入，并 且重新分配的流在重分配元件上方的位置冲击流分离结构(未显示)。通常优选地，流重分配元件构造成使得第二、较高密度的组分被促使运动到进料 管的大部分内壁(例如，至少50%，更典型地至少70%，最典型地至少90% )上。图2A示 例性地示出了涡旋叶片，其中，桨片的前缘与分离部(T形管)垂直，图213显示了两相在进 料管和分配管中的经计算的分配。进一步参见图2A，流分离设备200包括进料管210，具有 两个分配管的冲击T形管220流体连通地联接到进料管210的出口端214。流重分配元件 230布置在进料端212和出口端214之间，流重分配元件230被构造成螺旋桨片，其中，桨片 前缘垂直于分配管的纵向轴线。在用于本文给出的图的计算中，假定在流重分配元件上游 的两相的不均勻分配(此处更密集的相被偏压抵靠壁的一侧)。类似地，图3A示例性地示出了涡旋叶片，其中，桨片的前缘平行于分配管(此处 构造成冲击T形管)的纵向轴线，图:3B显示了两相在进料管和分配管中的经计算的分配。 图4A示例性地示出了双涡旋叶片的两个串行布置的级，其中，前缘平行且垂直于分配管的 纵向轴线，图4B显示了两相在进料管和分配管中的经计算的分配。显然，所有的构造都提 供了显著的重新分配，而使用多级和/或每级多叶片来对进料管中的两相进行更强烈的分 离，将使第二、较高密度的组分更加显著地重新分配到进料管的内壁上。在所示的示例性计 算中，图4B中的更密集的相被迫使几乎完全靠着进料管的内壁，并且从而促进进料更加均 勻地分配进入分配管。尤其优选地，当需要两个管道时，分离器元件可以包括单一的冲击T形管。当出 现多于两个的出口管道时，具有多个分支的冲击T形管是优选的。另一个优选构造使用具 有出口管的分离器，但出口管并不垂直于进口管，例如当需要两个出口管时用Y形分离器。 类似地，用对称的三叉分离器可以实现三个出口管，用对称的四叉分离器实现四个出口，等 等。在所有情况下，分离器最优选地构造成这样，当沿着进口管的轴线看时出口管绕进口管 的中心线对称分布。因此，应当意识到，在本发明主题的优选方面中，出口管布置成相对于 进口管的纵向轴线旋转对称。这样，已经公开了用于分离多相流的具体实施例和应用。然而对本领域技术人员而言显然在不背离本文的创造性概念的情况下可以进行除已经描述过的之外的许多进一 步改进。因此，除了在所附权利要求的精神中之外，本发明的主题并不受限制。此外，在解 释说明书和权利要求时，所有的术语都应当理解为与上下文一致的最宽的可能方式。特别 地，术语“包括”和“包含”应当理解为以非排他方式涉及部件、组分或步骤，表示所涉及的部 件、组分或步骤可与其他没有明确提及的部件、组分或步骤一起出现、或被利用或相组合。权利要求1.一种用于多相流体的流分离设备，所述多相流体包括具有第一密度的第一组分和具 有大于所述第一密度的第二密度的第二组分，所述分离设备包括进料管，其具有进料端和出口端，多个分配管流体连通地联接到所述出口端； 其中，所述分配管相对于所述进料管的纵向轴线对称布置；和流重分配元件，其在所述出口端上游的位置流体连通地联接到所述进料管或者与所述 进料管一体地形成，并构造成向所述多相流体引起切向动量，从而优先促使所述第二组分 中的至少一些向所述进料管的内壁运动。2.如权利要求1所述的流分离设备，其中，所述分配管相对于所述进料管的纵向轴线垂直布置。3.如权利要求1所述的流分离设备，其中，所述流重分配元件包括具有螺旋形状的叶片。4.如权利要求3所述的流分离设备，其中，所述流重分配元件包括具有螺旋形状的第 二叶片。5.如权利要求1所述的流分离设备，其中，所述流重分配元件位于所述进料管内所述 进料端和所述出口端之间。6.如权利要求1所述的流分离设备，包括至少两个分配管。7.如权利要求1所述的流分离设备，包括冲击T形管或冲击Y形管作为所述流分离元件。8.如权利要求1所述的流分离设备，包括至少两个串行联接的流重分配元件。9.一种分离多相流体的方法，包括将所述多相流体输送入进料管，其中，所述多相流体包括具有第一密度的第一组分和 具有大于所述第一密度的第二密度的第二组分；以及用流重分配元件向所述多相流体引起切向动量，从而优先促使所述第二组分中的至少 一些向所述进料管的内壁运动；在所述流重分配元件下游的位置将所述多相流体对称地分离为至少两部分；并且 其中，所述分离步骤是利用相对于所述进料管的纵向轴线对称布置的至少两个分配管 进行的。10.如权利要求9所述的方法，其中，所述流重分配元件位于所述进料管中。11.如权利要求9所述的方法，其中，所述至少两个分配管相对于所述进料管的纵向轴线垂直布置。12.如权利要求9所述的方法，其中，所述流重分配元件包括具有螺旋形状的叶片。13.如权利要求9所述的方法，其中，所述流重分配元件包括具有螺旋形状的第二叶片。14.如权利要求9所述的方法，其中，所述流重分配元件位于所述进料管内所述进料端 和所述出口端之间。15.一种将多相流体分离为具有基本相同的相分布的多个流束的方法，包括利用向心 力依据他们的密度分离至少两个相的步骤，并且包括利用多个分配管将所述两个相分离为 所述多个流束的进一步的步骤。16.如权利要求15所述的方法，其中，所述分配管相对于所述多相流体的流动方向的纵向轴线对称布置。17.如权利要求15所述的方法，其中，所述分配管构造成冲击T形管或冲击Y形管。18.如权利要求15所述的方法，其中，所述多相流体包括液体水和水蒸气，碳氢化合物 组分和水组分，或者两种碳氢化合物组分。全文摘要多相流体在流分离设备中被分离，流分离设备包括进料管，在进料管中，流重分配元件在相中引起切向运动，使得更密集的相被促使在进料管的外围周围重新分配。然后，这样重新分配的流被分离进入通常垂直于进料流的流动方向的两个或更多个分配管中。更加典型地，进料管位于竖直位置。文档编号F04F1/00GK102084136SQ200980116339 公开日2011年6月1日 申请日期2009年5月5日 优先权日2008年5月6日发明者G·E·雅各布斯, G·蔡宁格 申请人:氟石科技公司