專利名稱：液體/氣體/固體分離裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及大質(zhì)量流率的氣體流過容器并要從容器中除掉氣體時，向容器中填固體物料。
本發(fā)明可延伸到對固體物料進行熱處理或冷處理。
本發(fā)明尤其涉及，但并不排除其他，從固體物料和高質(zhì)量流率的氣體(從固體物料中產(chǎn)生，并/或作為工藝的一部分加入容器)中產(chǎn)生出液體時(包括高壓、高溫)，在容器中填充固體物料(優(yōu)選地，其導熱率低)。
本發(fā)明尤其涉及在高溫高壓的情況下通過從含碳物料去掉水，提高含碳物料BTU值，而優(yōu)化含碳物料的方法和設備，含碳物料一般指煤，尤其是低級煤。該方法和設備包括對固體和由該方法產(chǎn)生的或供給該方法的液相、氣相進行分離。
下面對現(xiàn)有技術(shù)的討論涉及在增高的壓力條件下通過加熱煤來脫水時產(chǎn)生的氣體、液體與固體分離時的難度。注意到，總體說來，本發(fā)明延及到在加熱或冷卻的條件下由經(jīng)過容器的含有固體并有或沒有液體的高質(zhì)量流率氣體帶來的困難。
授予Koppelman的美國專利5,290,523公開了一種通過同時加壓、加溫來優(yōu)化煤的方法。
Koppelman公開了在升高的壓力、溫度條件下通過加熱煤、在煤中發(fā)生物理變化來使煤熱脫水，從而利用“擠壓”反應從煤中去掉水。
Koppelman還公開了在優(yōu)化過程中要保持壓力充分高，使副產(chǎn)品水主要生成為液體而不是蒸汽。
Koppelman也公開了選擇進行優(yōu)化處理的不同設備的范圍。總的說來，這些選擇基于使用一種壓力容器，其包括倒錐入口、圓柱體、錐出口以及本體內(nèi)水平或垂直放置的熱交換管組件。錐形出口在其頂端，即容器的最下部，設有一個出口。
在使用Koppelman式設備的一個建議中，垂直設置的管和出口端裝有煤，并注入氮氣對管和出口端增壓。利用從管外供給圓柱體的熱交換介質(zhì)進行間接的熱交換來加熱煤。通過把水加入管中，隨后形成蒸汽，起到傳熱介質(zhì)的作用，而產(chǎn)生更多的熱。增高的壓力和溫度一起使煤中的水部分蒸發(fā)，然后使部分水凝結(jié)成液體。在增高的壓力作用下，額外加入的水產(chǎn)生的部分蒸汽也凝結(jié)為液體。沒有凝結(jié)的蒸汽超過了堆積床(packed bed)最佳增壓的要求，必須排出。另外，非凝結(jié)氣體(如CO，CO2)析出，也需要排出。液體要定期地從出口端排出。最后，經(jīng)過預定的滯留時間后，給容器降壓并經(jīng)同一出口端排出升級后的煤。
人們發(fā)現(xiàn)，上述的Koppelman型設備的出口端結(jié)構(gòu)在分離固/液/氣相方面并不令人滿意，尤其是分離液/氣相方面。所遇到的問題包括出口端的高壓降和高氣流，導致了(i)從出口端出來的很難控制的氣液兩相流；(ii)防堵塞排放；(iii)細顆粒以及有時會有粗物料同液體(和氣體)一起排出。
總的說來，尤其是由于氣體和液體在床、管道和控制閥中的流動阻力不同，氣體和液體從同一出口管道流出容器時會產(chǎn)生相當不規(guī)則的流動模式。氣體可壓縮性質(zhì)和液體的迅速變化的阻力和較高的密度形成了有高加速度力的流動，而擾動并可能攜帶堆積床中的顆粒。
本發(fā)明的一個目的是對供給或在Koppelman型設備中產(chǎn)生的固體、液體、氣體進行改進的分離。
本發(fā)明更一般的目的是提供一種在高壓和高溫下工作的壓力容器中的固體、液體和氣體的分離設備。
本發(fā)明更加一般的目的是提供一種設備，將高質(zhì)量流率的氣體引入或從裝有固體物料的容器中排出，其中固體物料在容器中處理。
在上下文“氣體質(zhì)量流率”中術(shù)語“高”在此應理解成表示氣體總量占固體物料較大的比例，一般在5-10％，以及/或氣體的質(zhì)量流率接近對容器中固體物料進行高速氣流運輸?shù)拈撝怠?br> 廣義地講，本發(fā)明對在包括高質(zhì)量流率氣體流經(jīng)容器等條件處理固體物料填裝的容器進行改進，這種改進包括在容器上設置至少一個固料出口，用于從容器中排出固體；以及多個氣體入口和/或氣體出口，用來在容器的一個或多個高度上，在氣體出口上方把氣體引進或從容器中排出。
更具體地講，根據(jù)本發(fā)明，對在包括高質(zhì)量流率氣體流經(jīng)容器及從固體物料生成液體的條件下處理固體物料填裝的容器進行改進，這種改進包括具有至少一個固體出口、至少一個液體出口、至少一個氣體出口的出口端，至少一個氣體出口位于至少一個固體出口和至少一個液體出口上方。
上段所述本發(fā)明的方面基于實現(xiàn)對從容器中出來的固體，液體和氣體進行有效分離，使攜帶的帶液體的固體量、氣體量最小，這可以通過在出口端不同高度處分別除去液體和氣體來作到，其中氣體出口處于比液體出口高的位置。
本發(fā)明的這個方面也可以描述成一種設備，對在包括高質(zhì)量流率氣體流經(jīng)設備以及從固體物料中生成液體的條件下處理固體物料的填料，該設備包括(a)一個容器，其具有(i)一個有入口的入口端，用于裝入固體物料以形成容器中的堆積床，(ii)一個出口端，具有至少一個固體出口、至少一個液體出口和位于固體/液體出口上方的至少一個氣體出口；(b)供應流體而給堆積床增壓的裝置；(c)供應熱交換介質(zhì)來加熱堆積床上的固體物料的裝置。
出口端最好位于容器的下部。
出口端最好向一個(或多個)固體出口收斂。
出口端最好為錐形。
出口端最好包括多個氣體出口。
多個氣體出口最好設在出口端一個以上的高度上。
在出口端的至少一個高度上最好有多個氣體出口。
在有多個氣體出口的每個高度上，氣體出口最好環(huán)繞著容器周長間隔分布，使得在該高度的截面上具有大致均勻的降低氣體質(zhì)量流率。
廣義上講，氣體出口的數(shù)量，位置和結(jié)構(gòu)取決于下面因素(i)需要沿著出口端在不同高度上逐步地除去氣體，使堆積床上每單位截面的質(zhì)量流量(或流率)在每個高度上大致保持為常量；(ii)需要在每個高度上把氣體導向氣體出口，但不會形成高氣體速率區(qū)，高氣體速率會產(chǎn)生高的壓降，以及/或攜帶固體和/或液體；(iii)需要將氣流從向下轉(zhuǎn)向成橫向向外，同時使所有液體繼續(xù)沿大致向下的方向行進。
注意到，上面的(b)段中使用了術(shù)語“流體”，它有很寬的范圍，覆蓋了被引入容器中的氮氣等氣體和水等液體。
供應熱交換介質(zhì)的裝置最好供給通過間接熱交換來加熱固體物料的介質(zhì)。
該容器最好為壓力容器。
本發(fā)明上述的具體方面也可以描述成一種方法，對在包括高質(zhì)量流率氣體和從固體物料中生成液體的條件下處理固體物料的填料，該方法包括(a)把固體物料裝入容器中，而形成固體物料的堆積床；(b)對堆積床增壓；(c)通過用熱交換介質(zhì)進行熱交換來加熱固體物料，從而，壓力和熱綜合的效果是從固體物料中釋放出水和其他液體，以及/或氣體化合物，其中所釋放的部分水為氣相，部分水為液相；(d)經(jīng)容器上至少一個氣體出口從堆積床上排出氣體；(e)經(jīng)容器上位于氣體出口下的液體出口從堆積床上排出液體。
該方法可包括向容器引入作為工作流體的氣體，而有助于向固體物料傳熱。
注意到，排出氣體的步驟(d)可包括去掉一定量的液體。還注意到，排出液體的步驟(e)可包括去掉一定量的氣體。
從堆積床排出氣體的步驟最好控制(i)出口端的壓降；和/或(ii)流進出口端氣體出口下面的截面的氣體流量。
更好地，該方法包括從堆積床經(jīng)多個氣體出口排出氣體，使出口端氣體出口下的截面上的氣體流率基本不變。
從堆積床排出液體的步驟在該方法的工作過程中最好位于出口端任一點的液位處，使經(jīng)液體出口排出的主要是液體。
該方法最好包括在液體出口上方兩個或多個高度處從堆積床經(jīng)氣體出口排出氣體。
該方法最好包括至少在液體出口上方的一個高度通過多個氣體出口排出氣體。
容器最好包括向一個(或多個)固體出口收斂的出口端。
尤其是容器最好包括錐形出口端，氣體出口和液體出口位于出口端。
下面參照附圖以示例的形式描述本發(fā)明。其中，


圖1是根據(jù)本發(fā)明設備的一個優(yōu)選實施例的出口端示意圖；圖2是沿圖1中2-2線的剖視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明設備另一個優(yōu)選實施例的出口端示意圖；圖4是申請人在進行計算流體動力學(cfd)建模時生成的沿容器長度方向的壓降曲線圖；圖5是申請人在進行cfd建模時生成的從軸向中心線到容器周邊距容器底部3m的高度處的質(zhì)量流率曲線圖。
下文的描述主要是關(guān)于優(yōu)化煤。應注意，本發(fā)明并不限于此，可擴展到處理任何合適的固體物料。
另外，下文的描述主要是關(guān)于上述Koppelman型設備，應注意，本發(fā)明并非限制性的，而是可廣泛地應用于在增高的壓力和溫度下于處理后期要求分離固體、液體和氣體的條件下處理固體物料。
通過進一步的具體例子，本發(fā)明可擴展到申請人的國際申請PCT/AU98/0005和PCT/AU98/00142公布的設備(和方法)，這些國際申請所公開的內(nèi)容在此引作參考文獻。
參照圖1和2，該設備包括帶錐形的標號為3的出口端的壓力容器。
出口端3包括(i)錐端上的固體出口5；(ii)錐下部的液體出口7；(iii)在固體/液體出口5，7上方不同高度處的多個氣體出口9，如圖2所示，在每個高度上有不只一個氣體出口9；(iv)可選擇地，固體物料滯留裝置29。
應注意到，本發(fā)明并不限于錐形出口端，例如，可以擴展到向一個或多個出口收斂的任何出口端。
上述液體1氣體出口7，9的定位能實現(xiàn)向下流經(jīng)容器到出口端3的液體、氣體的液體分離和氣體分離。具體地說，隨著氣流在錐內(nèi)向著錐下端收斂，氣體出口9能逐步地去掉氣體。
固體/液體/氣體出口5，7，9可以是任何合適的形狀。
對于氣體出口9，其可以為考慮到下面需要的任何形狀和位置(i)沿著錐在不同高度逐步去掉氣體，使得在每個高度處，通過堆積床單位橫截面的質(zhì)量流量(或速率)大致保持不變；
(ii)在每個高度向出口端導引氣體，而不會形成高氣體速率區(qū)，高氣體速率區(qū)會產(chǎn)生高的壓降和/或攜帶固體和/或液體。
如圖2所示，本發(fā)明的優(yōu)選實施例包括沿著容器周邊在給定高度間隔分布的一系列離散氣體出口9。這種結(jié)構(gòu)導致向下流動的部分氣體向容器周邊然后經(jīng)出口流出容器的一般性向外的流動。
另外，例如，可以繞著容器周邊在各個高度上形成大致連續(xù)的出口(未示出)，能夠保證氣體向著容器周邊均勻地向外運動。
固體/液體/氣體出口5，7，9包括閥裝置11，能有選擇地進行工作，以使固體、液體和氣體從出口端3排出。
閥裝置11的位置盡可能地靠近容器，因此在閥裝置和容器之間形成最小的管道結(jié)構(gòu)，使在啟動時流經(jīng)出口端的氣體質(zhì)量通量最小。
設備還包括連接到液體出口7盛裝從出口端排出的液體的、較小的收集槽17。收集槽17在下部有由閥裝置11控制的出口管線19。工作時，液體經(jīng)出口管線19從收集槽17排出。
在利用這些設備來給煤脫水時，向容器裝填煤，尤其是向設備的出口端3和管道(未示出)。隨后(i)將氮氣泵入管道和出口端3中煤堆積床中而給堆積床增壓，一般到壓力值為100-200psi；(ii)向管道外的容器供入熱交換介質(zhì)，通過間接熱交換來加熱煤，一般到溫度為500°F；(iii)向堆積床供水，以提供蒸汽源。
從入口供給的水在堆積床中生成的蒸汽有利于堆積床中的壓力，提供了一種進一步加熱煤的方法。另外，如上所述，煤中的水生成的蒸汽也有利于堆積床中的壓力。所有這些因素合在一起使堆積床增壓到工作壓力，一般為700psi。
增高的壓力和溫度的綜合效果是從堆積床的煤中蒸出或擠壓出水，然后在容器中逐步的更低高度上使水凝結(jié)?！皵D壓”反應是由煤的結(jié)構(gòu)重整及脫羧基反應造成的。
液體匯集在容器的出口端3，然后周期性地經(jīng)液體出口7排進收集槽17中。
如上面所討論的，固體/液體/氣體出口5，7，9在不同高度的定位能分別從出口端3除去固體，液體和氣體，尤其是液體和氣體。
另外，經(jīng)氣體出口9從容器中除去氣體獨立于除去液體，就能避免在出口端形成大的壓降和在出口端3下部形成高氣體流率。
參照圖3，為了使經(jīng)氣體出口9的液體和固體損耗最小，本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例包括板或篩21，其位置與氣體出口9有關(guān)，開始時使固體、液體、氣體流向下偏斜，遠離氣體出口。另外，板/篩21構(gòu)成了開口向下的通道23。這種結(jié)構(gòu)是使氣體能繞著板/篩21向外、向上流動進入通道23，然后流向出口9。很容易可以理解，氣體繞板/篩21下端向外、向上流動使攜帶的固體和液體最少。還有，一般沒有固體的通道23使氣體能加速流向氣體出口9。
申請人開發(fā)了一種軸對稱垂直限幅cfd模型以檢驗本發(fā)明。這個模型基于在容器中經(jīng)單個固體出口上方的多個入口噴射氣體，冷卻容器中固體物料的堆積床。這個模型基于上面所引用的國際申請所描述的方法和設備。建模工作的結(jié)果部分地總結(jié)于圖4和5中。該建模工作比較了傳統(tǒng)單氣體入口/出口的效果和本發(fā)明建議的多氣體入口/出口的效果。參見圖4，建模工作表明，與傳統(tǒng)單氣體入口/出口產(chǎn)生的壓降相比，根據(jù)本發(fā)明的多氣體入口/出口具有使沿容器長度方向的壓降顯著減小的明顯優(yōu)勢。參見圖5，與傳統(tǒng)單氣體入口/出口產(chǎn)生的不均勻質(zhì)量流率相比，根據(jù)本發(fā)明的多氣體入口/出口具有使在容器截面上流過容器的質(zhì)量流率基本上均勻的明顯優(yōu)勢。
不脫離本發(fā)明的精神和范圍，可以作出許多根據(jù)上述優(yōu)選實施例的變型。
雖然通過舉例的方式，上述優(yōu)選實施例包括單個的固體出口5和單個的液體出口7，但很容易理解，本發(fā)明不限于此，可以擴展到包含有不只一個的固體出口5和/或不只一個液體出口7。
權(quán)利要求
1.一種在包括高質(zhì)量流率氣體流經(jīng)容器及從固體物料生成液體的條件下處理固體物料填料的容器，其特征在于，包括具有至少一個固體出口、至少一個液體出口、至少一個氣體出口的出口端，所述至少一個氣體出口位于所述至少一個固體出口和至少一個液體出口上方。
2.如權(quán)利要求1所述的容器，其特征在于，出口端位于容器的下部。
3.如權(quán)利要求1或2所述的容器，其特征在于，出口端包括多個氣體出口。
4.如權(quán)利要求3所述的容器，其特征在于，多個氣體出口設在出口端一個以上的高度上。
5.如權(quán)利要求4所述的容器，其特征在于，在出口端的至少一個高度上有多個氣體出口。
6.如權(quán)利要求5所述的容器，其特征在于，在有多個氣體出口的每個高度上，氣體出口環(huán)繞著容器周邊間隔分布，使得在該高度的截面上具有大致均勻的下行氣體質(zhì)量流率。
7.如上述任一權(quán)利要求所述的容器，其特征在于，還包括連接到氣體出口的偏轉(zhuǎn)/遮擋裝置，防止向下流經(jīng)出口端的液體、氣體流直接到達氣體出口。
8.如權(quán)利要求7所述的容器，其特征在于，各氣體出口的偏轉(zhuǎn)/遮擋裝置包括從氣體出口上方向下、向內(nèi)伸進容器的板或篩。
9.如權(quán)利要求8所述的容器，其特征在于，板或篩至少部分地繞著容器內(nèi)表面延伸，構(gòu)成了開口向下、用于接納向下流經(jīng)容器的氣體。
10.一種設備，在包括高質(zhì)量流率流經(jīng)設備以及從固體物料中生成液體的條件下處理固體物料的填料，該設備包括(a)一個容器，其具有(i)一個有入口的入口端，用于裝入固體物料以在容器中形成堆積床，(ii)一個出口端，具有至少一個固體出口、至少一個液體出口和位于固體/液體出口上方的至少一個氣體出口；(b)供應流體而給堆積床增壓的裝置；(c)供應熱交換介質(zhì)來加熱堆積床上的固體物料的裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的設備，其特征在于，出口端位于容器的下部。
12.如權(quán)利要求10或11所述的設備，其特征在于，出口端包括多個氣體出口。
13.如權(quán)利要求12所述的設備，其特征在于，多個氣體出口設在出口端一個以上的高度上。
14.如權(quán)利要求13所述的設備，其特征在于，在出口端的至少一個高度上有多個氣體出口。
15.如權(quán)利要求14所述的設備，其特征在于，在有多個氣體出口的每個高度上，氣體出口環(huán)繞著容器周邊間隔分布，使得在該高度的截面上具有大致均勻的下行氣體質(zhì)量流率。
16.如上述任一權(quán)利要求所述的設備，其特征在于，還包括連接到氣體出口的偏轉(zhuǎn)/遮擋裝置，防止向下流經(jīng)出口端的液體、氣體流直接到達氣體出口。
17.如權(quán)利要求16所述的設備，其特征在于，各氣體出口的偏轉(zhuǎn)/遮擋裝置包括從氣體出口上方向下、向內(nèi)伸進容器的板或篩。
18.如權(quán)利要求17所述的設備，其特征在于，板或篩至少部分地繞著容器內(nèi)表面延伸，構(gòu)成了開口向下、用于接納向下流經(jīng)容器的氣體。
19.如權(quán)利要求10-18任一項所述的設備，其特征在于，供應熱交換介質(zhì)的裝置供給通過間接熱交換來加熱固體物料的介質(zhì)。
20.如權(quán)利要求10-19任一項所述的設備，其特征在于，該容器為壓力容器。
21一種在包括高質(zhì)量流率氣體和從固體物料中生成液體的條件下處理固體物料填料的方法，該方法包括(a)把固體物料裝入容器中，而形成固體物料的堆積床；(b)對堆積床增壓；(c)通過用熱交換介質(zhì)進行熱交換來加熱固體物料，從而，壓力和熱綜合的效果是從固體物料中釋放出水和其他液體，以及/或氣體化合物，其中所釋放的部分水為氣相，部分水為液相；(d)經(jīng)容器上至少一個氣體出口從堆積床上排出氣體；(e)經(jīng)容器上位于氣體出口下的液體出口從堆積床上排出液體。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，包括從堆積床經(jīng)多個氣體出口排出氣體，使出口端堆積床上的氣體流率基本不變。
23.如權(quán)利要求21或22所述的方法，其特征在于，包括在液體出口上方兩個或多個高度處從堆積床經(jīng)氣體出口排出氣體。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，包括在液體出口上方至少一個高度處經(jīng)多個氣體出口排出氣體。
25.一種在包括高質(zhì)量流率氣體流經(jīng)容器及從固體物料生成液體的條件下處理固體物料填裝的容器，其特征在于，容器設有至少一個從容器中排放固體的固體出口和多個在固體出口上方的一個或多個高度處向容器引進或從容器排出氣體的氣體入口和/或出口。
全文摘要
一種對在包括高質(zhì)量流率氣體流經(jīng)容器及從固體物料生成液體的條件下處理固體物料填料的方法和設備。該設備包括(i)一個有入口的入口端,用于裝入固體物料以在容器中形成堆積床,和(ii)一個出口端,具有至少一個固體出口、至少一個液體出口和至少一個氣體出口。至少一個氣體出口位于固體/液體出口上方。
文檔編號B01J3/00GK1252735SQ98804352
公開日2000年5月10日 申請日期1998年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月26日
發(fā)明者戴維·S·科諾奇 申請人:科夫克斯公司