NO874112L - Bobleplate. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører bobleplater anvendelige i destillasjonstårn eller destillasjonskolonner eller andre damp-væskekontaktende innretninger.

Bobleplater er vel kjent og brukes i stor utstrekning i destillasjonstårn. En nyttig omtale av bobleplater kan finnes i Design of Equilibrium Stage Processes, Smith, McGraw-Hill Book Company (1963), Ch 14 Bolles, pp 474-538.

En bobleplate innbefatter en platebunn på hvilke det er satt et antall boblelokk anordnet i rader. Væske strømmer ned på platen fra platen ovenfor via et avløpsrør eller nedløpsrør, strømmer deretter under en nedløpsledeplate, vanligvis over en overløpskant ved innløpet, og ned på platebunnen. På platebunnen er det plassert boblelokk slik at damp som utgår fra boblelokkene vil kontakte væsken som strømmer over platen. Væsklen strømmer mellom og/eller over boblelokkene fra overløpskanten ved innløpet til en overløpskant ved utløpet. Væsken luftes av dampen og tar form av en frådende eller skummende væske. Mekanismen for frådebevegelse over platen er at frådehøyden eller den statiske høyde av væsken ved plateinnløpet er høyere en frådehøyden eller den statiske høyde av væsken ved plateutløpet. Denne hydrauliske gradient gjør det mulig for væsken å strømme mot plateutløpet. Når skummet når plateutløpet returnerer det til sin flytende form ved avlufting eller avgassing. Avluftingen skjer vanligvis i et nedløp på nedstrømssiden av overløpskanten ved utløpet. Når væsken er i nedløpet fortsetter den ned til den neste plate og prosessen repeteres inntil bunnen av tårnet er nådd. Dampen på en bobleplate kommer fra platen nedenfor og passerer opp gjennom platebunnen og inn i boblelokkene gjennom stigerør. Dampen treffer den indre topp av boblelokket og strømmer deretter ned gjennom det ringformede området mellom utsiden av stigerøret og innsiden av boblelokket. Dampen entrer væsken ved bobl ing gjennom åpninger i lokket eller under kanten av lokket og unnslipper inn i skummet på platebunnen. Straks boblene er på platebunnen passerer de oppad gjennom skummet inntil toppen av skummet nås hvor boblene brister og dampen fortsetter oppad til neste plate hvor prosessen repeteres inntil toppen av tårnet er nådd. Masseovergang skjer mellom væsken og dampen. De mer flyktige komponenter passerer fortrinnsvis inn i dampfasen mens de mindre flyktige komponenter passerer inn i den flytende fase. Dette skjer på hver plate som bevirker at de mer flyktige komponenter konsentreres ved toppen av tårnet og de mindre flyktige komponenter akkumulerer ved bunnen av tårnet.

Et problem med bobleplater er deres begrensede "turndown" evne selv om deres kapasitetsområde er bedre enn andre masseovergangsanordninger. "Turndown" er forholdet mellom den maksimale strømningsmengde av en fase og den minimale strømningsmengde av den samme fase hvor det fortsatt oppnås tilfredsstillende masseovergang. Denne "turndown" for konvensjonelle bobleplater er omkring 5:1. Således kan konvensjonelle bobleplater ikke med fordel benyttes i et destillasjonstårn for separering av en tilførsel ved store kapasitetsvariasjoner. En slik separering er separering av nitrogen fra metan i en nitrogenavvisningsenhet som behandler en tilførsel fra et naturgassreservoar som er blitt injisert med nitrogen som del av en assistert utvinningsoperasjon. Disse enheter må behandle et svært vidt område mellom damp og væskestrømningsmengder ettersom nitrogeninnholdet i tilførs-elen til enheten øker fra omkring 5 til omkring 80 molprosent under driftsperioden av et anlegg. For denne anvendelse kan det kreves en "turndown" på 20:1 eller til og med høyere.

Det er derfor et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret bobleplate som kan operere effektivt ved høyere "turndown" enn hva som er mulig med konvensjonelle bobleplater .

Det ovenfor nevnte og andre formål vil fremkomme for fagmannen og oppnås ifølge den foreliggende oppfinnelse ved en bobleplate med en platebunn, en væskeinnføringssone med en overløpskant ved innløpet og en væskeutløpssone med en overløpskant for utløpet i stand til å etablere et væskenivå på platebunnen som generelt minsker i høyde fra innløpssonen til utløpssonen, og et antall boblelokk er anordnet i rader som er seriemessig plassert på platebunnen fra innløpssonen til utløpssonen,karakterisert vedat: (a) hvert boblelokk har et antall triangulært utformede åpninger; (b) det totale areal av åpningene på hvert boblelokk er hovedsakelig likt; (c) hver rad som ikke er i nærheten av innløpssonen har boblelokk med åpninger hvis øverste parti er ved omkring den samme avstand under væskenivået; og (d) hver rad i nærhet av innløpssonen har boblelokk med åpninger hvis øverste parti er nærmere inntil væskenivået enn det øverste parti av åpningene av boblelokkene i rader ikke i nærheten av innløpssonen.

Fig. 1 er et forenklet planriss av et parti av en

utførelse av bobleplaten ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 er en forenklet snittskisse av en utførelse av

bobleplaten ifølge oppfinnelsen.

Fig. 3,4,5 er hver fremstillinger av et boblelokk anvendelig i bobleplaten ifølge oppfinnelsen. Fig. 6 er en grafisk fremstilling av dampstrømmen gjennom bobleplaten ifølge oppfinnelsen ved den beregnede strømningsmengde og ved en lav strømningsmengde. Fig. 7 er en grafisk fremstilling av dampstrømningen gjennom en konvensjonell bobleplate ved den beregnede strømningsmengde og ved lav strøm-ningsmengde .

Bobleplaten Ifølge oppfinnelsen vil bli beskrevet i nærmere detalj med henvisning til tegningene.

Det vises til fig. 1 hvor bobleplaten 1 har plassert på seg et antall boblelokk 2 anordnet i rader a-j på platebunnen 10 som forløper seriemessig fra innløpssonen 3 til utløpssonen 4. Væske tilføres platen via nedløpet 5 og væske strømmer over overløpskanten 6 for innløpet og tvers over platen fra innløpssonen 3 til utløpssonen 4 og over overløpskanten 7 for utløpet. Væskenivået over platen er høyere ved innløpssonen enn ved utløpssonen for slik å bevirke væskestrømning over platen.

Fig. 2 er en snittfremstilling av platen ifølge fig. 1 og numrene i fig. 2 korresponderer med de i fig. 1 for de samme element, fig. 2 illustrerer væskenivået 11 som generelt minsker i høyde fra innløpssonen 3 til utløpssonen 4.

I drift passerer damp fra undersiden av platebunnen 10 gjennom platebunnen og inn i stigerør i boblelokkene. Dampen passerer opp gjennom stigerørene inn i boblelokkene og deretter ut av boblelokkene gjennom åpninger i boblelokkene (ikke vist i fig. 2). Dampen kontakter væsken som strømmer over platen og bevirker således masseovergang eller masseut-veksling. Graden ved hvilke damp og væske kommer i kontakt er direkte avhengig av effektiviteten av masseovergangen på bobleplaten. Som det vil forstås kan en bobleplate som opererer effektivt ved et matningsforhold trenger nødvendig-vis ikke å gi effektiv masseovergang når matingen foregår ved et betydelig forskjellig forhold.

Bobleplaten ifølge oppfinnelsen innbefatter en kombinasjon av fire elementer som arbeider sammen for å muliggjøre effektiv drift, til tross for betydelige endringer i dampens og væskens strømningsmengder, ved å anordne strukturer som kan kompensere for slike endringer.

Et element ved bobleplaten Ifølge oppfinnelsen er at boblelokkene hver har et antall triangulært utformede åpninger gjennom dampen kan strømme ut av boblelokkene og inn i væsken. Åpningene trenger ikke å være eksakte triangler; de kan f.eks. være avkortede triangler som illustrert i fig. 3-5 som viser åpninger 15. De triangulært utformede åpninger avsmalner mot toppen av åpningen hvor dampen passerer gjennom boblelokket. Etterhvert som dampstrømningsmengden gjennom åpningen reduseres, noe som er karakteristisk for en tilfør-sel med vekslende strømningsmengde, vil høyden av åpningen ikke redusere i forhold til reduksjonen i den totale damp-mengde. Dette frembringer større høydeåpninger ved lave belastninger og hjelper således til å opprettholde ensartet boblelokkaktivitet ved svært forskjellige belastningstil-stander. Fordelaktig vil hver av de triangulært utformede åpninger på ethvert gitt boblelokk ha de samme dimensjoner og mest fordelaktig vil de være plassert med lik avstand rundt boblelokket.

Nok et element av bobleplaten ifølge oppfinnelsen er at det totale areal av åpninger på et gitt boblelokk er i det vesentlige likt med det totale areal av åpninger på et hvilke som helst annet gitt boblelokk. Med hovedsakelig likt areal menes innenfor pluss eller minus 10%. Fortrinnsvis vil arealet av åpningene på hvert boblelokk være innenfor 5%. På denne måte vil variasjon i åpningshøyde, som vil bli omtalt senere, ikke endre det tilgjengelige boblingsareal fra lokk til lokk. Dette betyr at noen åpninger kan være høyere og smalere, slik som vist i fig. 5, enn andre åpninger slik som vist i fig. 3 og 4. Generelt vil det totale areal av åpningene på et boblelokk være innenfor området fra 3,2 cm<2>til

19,4 cm<2>.

Nok et element ved bobleplaten ifølge oppfinnelsen er en variasjon i høyden av åpningene på boblelokkene for slik å opprettholde en konstant væskehøyde over hver boblelokkåpning. Som omtalt tidligere, etablerer væskenivået en gradient over platen fra Innløpssonen til utløpssonen. Gradienten kan være svært liten til svært betydelig. Fortrinnsvis har hver rad med boblelokk, som er på linje parallelt med overløpskan-ten ved utløpet, en helt spesiell åpningshøyde som endrer seg fra rad til rad slik at en konstant væskehøyde opprettholdes over toppen av hver åpning fra rad til rad. Imidlertid er det akseptabelt som en kostnadsbesparende handling å ha identiske åpningshøyder for flere tilstøtende rader dersom væskegradi-enten over platen ikke er så stor.

Fig. 3 og 4 illustrerer to boblelokk 2, som har identisk utformede åpninger 15. Imidlertid er det øverste parti av åpningene av boblelokket i fig. 3 lavere enn det øverste parti av åpningene i boblelokket i fig. 4. Boblelokket i fig. 3 kan være anordnet f.eks. i rader j,i og h og boblelokket I fig. 4 kan være anordnet f.eks. i radene g,f og e. Men fordi væskenivået avtar i høyde over platen er det øverste parti av åpningene for hvert boblelokk ved omkring den samme avstand under væskenivået, uansett hvilke rad boblelokket er anordnet i. Variasjonene i det øverste parti av åpningene virker til å holde dampstrømningen ensartet over platen fordi væskedybden over dampens utgangspunkt fra hvert boblelokk på platen vil være den samme, og således reduserer sannsynligheten for ikke-ensartet damp-væskekontakt forårsaket av endrede damp-og væskestrømningsgrader og sikrer således forbedret masseovergang effektivt over et bredt spekter av driftsforhold.

Ensartethet av væskehøyde over boblelokkåpningene benyttes for de boblelokk som er anordnet i rader ikke i nærheten av innløpssonen. for boblelokkene anordnet i raden eller radene i nærhet av innløpssonen, er det øverste parti av åpningene nærmere inntil væskenivået enn hva som er tilfellet med de andre boblelokk. Åpningene vist i fig. 5 er illustrative for den type boblelokkåpninger som er anvendelige i en rad eller rader i nærhet av innløpssonen. De spesielle boblelokk benyttet I innløpsgruppen forfremmer dampaktiviteten ved de minimale belastningsforhold. Ved å bruke likt åpningsareal på hvert lokk på en plate og en omtrentlig ensartet væsketetning over hver boblelokkåpning (unntatt for boblelokkene i innløpsraden eller radene), tvinges dampfordelingen ved maksimale belastningsforhold i det alt vesentlige å være ensartet. Ved de minste belastningsforhold er det imidlertid ikke mulig å opprettholde alle boblelokkene aktive på ensartet måte. Ved å ha spesielle boblelokk i raden eller radene ved innløpssonen som har en høyere åpningshøyde og utsettes for en mindre væskehøyde enn boblelokkene i rader som ikke er Inntil innløpssonen, forøkes aktiviteten av innløpsgruppen boblelokk og denne økning er særlig nyttig ved de minste belastningsforhold for å opprettholde effektiv damp-væskekontakt. Ved slike minimale belastningsforhold er antallet aktive lokk minsket og begrenset til de ved innløpet som derved muliggjør kontinuerlig aktivitet ved disse boblelokk snarere enn sporadisk, ineffektiv kontakt ved enkelte lokk utover platen. Aktivitet ved innløpet er å foretrekke ettersom væskestrømmen er mer ensartet når den entrer platen fra nedløpet enn hva den er når den passerer over platen, slik at dampaktiviteten ved innløpet er mer fordelaktig for ensartet damp-væskekontakt. I tillegg unngås noen av de ufordelaktige effekter ved mulig væskelekkasje fra platen ved å sikre at damp-væskekontakten skjer fortrinnsvis I nærheten av væskeinngangsområdet snarere enn i nærheten av overløpskanten ved utløpet. Startende bobling i nærheten av væskeinnløpet hjelper i å forfremme jevn bobling i påfølgende lokkrader nedstrøms etterhvert som strømningsmengdene øker over den minste belastningstilstand.

Om de spesielle boblelokk vil være anordnet i bare den enkelte rad nærmest innløpssonen, eller i tillegg i en eller flere rader Inntil den nærmeste rad, er en konstruksjonsav-gjørelse som kan gjøres av en dyktig platekonstruktør avhengig av belastningens nedkjøring, dvs. forskjellen mellom maksimal og minimal belastning som forventes.

Det følgende eksempel er fremsatt for illustrasjonsformål og er ikke ment å være en begrensning.

Eksempel 1

En bobleplate ifølge oppfinnelsen ble brukt i et destillasjonstårn som opererte med en tilførsel med strømningsmengde ved både den beregnede strømningsmengde og ved en fjortendedel av den beregnede strømningsmengde, dvs. en "turndown" eller belastningsforhold på 14:1. Bobleplaten var lik med den i fig. 2 ved at den hadde 10° med boblelokk over platen. Boblelokkene av den type som er vist i fig. 3 ble anordnet i radene j,i,h og g. Disse boblelokk hadde hver enkelt 15 triangulært utformede åpninger av den form som er vist i fig.

3 og hvert lokk hadde et totalt åpningsareal på omkring 9,0 cm<2>. Boblelokk av den type som er vist i fig. 3 ble anordnet i radene f,e og d. Disse boblelokk var identiske med boblelokkene I radene j,i,h og g bortsett fra at deres åpninger var orientert høyere. På denne måte var væskehøyden over det øverste parti av åpningene i hver av boblelokkene i radene d -j omtrent lik. boblelokkene av typen vist i fig. 5 ble anordnet i radene c,b og a. Disse boblelokk hadde hver 10 triangulært formede åpninger av formen vist i fig. 5 og hvert lokk hadde et totalt åpningsareal på omkring 9,0 cm<2>. Det øverste parti av åpningene av boblelokkene i radene a-c var nærmere inntil væskenivået enn hva det øverste parti av åpningene til boblelokkene i radene d-j var. Således utgjorde i dette eksempel radene i nærheten av innløpssonen 30% av de totale rader på bobleplaten.

Fig. 6 viser grafisk dampstrømningen gjennom platen ved både beregnet og høye "turndown" forhold. I fig. 6 angir horison-talaksen radene og vertikalaksen angir stigerørets F-faktor som er et mål på dampstrømningen. Stigerørets F-faktor er lik med produktet av damphastigheten i stigerøret i for pr. sek. og kvadratet av dampdensiteten i pund pr. kubikkfot.

Kurven A illustrerer dampstrømningen gjennom boblelokkene i hver av radene a-j når tilførselen er ved den beregnede strømningsmengde. Som det kan ses er dampstrømningsgraden gjennom hver av boblelokkene omtrentlig lik som således muliggjør god damp-væskekontakt over platen ved det beregnede driftsforhold. Kurven B illustrerer dampstrømningen gjennom boblelokkene i hver rad når tilførselsstrømningsmengden er kun en fjortendedel av den beregnede strømningsmengde. I denne høye "turndown" situasjon utføres aktivitet fortrinnsvis i nærheten av innløpssonen som således sikrer jevn kontakt mellom damp og væske. Således er det vist at bobleplaten ifølge oppfinnelsen muliggjør effektiv drift ved både beregnet og høye "turndown" forhold.

For sammenligningsformål ble en ulik bobleplate benyttet i samme destillasjonstårn som i eksempel 1 under de samme driftsforhold for beregnet tilførselstrømningsmengde og "turndown" på 14:1. Denne bobleplate hadde 10 rader (a-j) med boblelokk hvor hver var av typen vist i fig. 3. Således var det øverste parti av åpningene i boblelokkene i rader ikke i nærhet av innløpet, ikke ved omtrentlig den samme avstand under væskenivået, og det øverste parti av åpningene til boblelokkene i rader inntil innløpet var ikke nærmere væskenivået enn de til andre boblelokk.

Fig. 7 viser grafisk dampstrømningen gjennom denne plate ved både beregnet og høye "turndown" forhold. Den horisontale og vertikale akse angir det samme som i fig. 6. Kurven C illustrerer dampstrømningen gjennom boblelokkene i hver av radene a-j når tilførselen er ved den beregnede strømnings-mengde. Som det kan sees. skjønt det er dampstrømning gjennom hver av boblelokkradene i platen passerer dampstrømningen fortrinnsvis gjennom boblelokkene anordnet i radene i nærheten av utløpssonen og er ikke jevnt fordelt over platen. Dette resulterer i ineffektiv drift. Ineffektiviteten blir ekstrem ved en tilførselsstrømningsmengde på en fjortendedel av den beregnede strømningsmengde som illustrert i kurve D. Som det kan sees er det hovedsakelig ingen aktivitet ved boblelokkene i nærheten av innløpssonen og tillater således muligheten for ikke-ensartet damp-væskekontakt med påfølgende dårlig virkningsgrad for masseovergangsaktiviteten og muligheten for nedfall av væske ned gjennom stigerørene ved innløpssonen.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet i detalj med henvisning til spesielle utførelser, vil fagmannen hurtig innse at det er mulig med et stort antall andre utførelser som vil ligge innenfor oppfinnelsens ramme. F.eks. kan antallet rader med boblelokk og antallet boblelokk i hver rad være ethvert anvendelig antall. Generelt vil bobleplatene ifølge oppfinnelsen ha fra 3 til 40 rader med boblelokk anordnet over hele brettbunnen. Størrelsen på boblelokkene og antallet og størrelsen av åpninger på hvert boblelokk kan avvike fra de spesielle utførelser illustrert i figurene.

Claims (8)

1. Bobleplate med en platebunn, en væskeinnføringssone med en overløpskant ved Innløpet og en væskeutløpssone med en overløpskant ved utløpet, 1 stand til å etablere et væskenivå på platebunnen som generelt avtar i høyde fra innløpssonen til utløpssonen, og et antall boblelokk anordnet i rader som er seriemessig anordnet på platebunnen fra innløpssonen til utløpssonen, karakterisert ved at: (a) hvert boblelokk har et antall triangulært tilformede åpninger; (b) det totale areal av åpningene på hvert boblelokk er hovedsakelig likt; (c) hver rad som Ikke er i nærheten av Innløpssonen har boblelokk med åpninger hvis øverste parti er ved omtrent den samme avstand under væskenivået; og (d) hver rad i nærheten av innløpssonen har boblelokk med åpninger hvis øverste parti er nærmere Inntil væskenivået enn hva det øvre parti av åpningene til boblelokkene i rader som ikke er i nærheten av innløpssonen er.

2. Bobleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at de triangulært tilformede åpninger i form av et avkortet triangel.

3. Bobleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at åpningsarealet er innenfor området fra 3,2 cm <2> til 19,4 cm2 .

4 . Bobleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at kun den enkelte rad nærmest innløpssonen inneholder boblelokk med åpninger hvis øverste parti overskrider høyden av, og er nærmere væskenivået enn, det øverste parti av åpningene i boblelokkene i de andre rader.

5 . Bobleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at mer enn en rad i nærheten av innløpssonen Inneholder boblelokk med åpninger hvis øverste parti overskrider høyden av, og er nærmere inntil væskenivået enn det øverste parti av åpningene I boblelokkene ved de andre rader.

6. Bobleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at fra 3 til 40 rader boblelokk er anordnet utover platebunnen .

7. Bobleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at hver av de triangulært utformede åpninger på hvilke som helst gitt boblelokk har de samme størrelser som de andre triangulært utformede åpninger på nevnte gitte boblelokk.

8. Bobleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at de triangulært utformede åpninger på hvilke som helst gitt boblelokk er plassert ved lik avstand rundt nevnte gitte boblelokk.