CN101612511B - 一种吸收h2s的微通道吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微通道吸收器，其中：主体部分为沿气液流动方向的具有一定相互间隔距离的很多条适于容纳气液流体的微通道；所需处理的气体和吸收液之间物流的接触方式为并流；吸收器入口有相应的气体和液体的分布装置，保证了气体和液体的均匀分布。本发明中微通道吸收器单位体积处理气体量大，结构紧凑；特别适合于脱除合成气、天然气、炼焦气、煤气尾气、油田伴生气和Claus尾气等混合气流中酸性气体(如CO₂，H₂S等)，以达到环境排放和后续的工艺气体加工要求问题。

Description

一种吸收H₂S的微通道吸收器

技术领域

本发明涉及一种微通道吸收器，可特别适合于脱除合成气、天然气、炼焦气、煤气尾气、油田伴生气和Claus尾气等混合气流中酸性气体(如CO₂，H₂S等)，以达到环境排放和后续工艺气体加工所需的要求。

背景技术

目前脱除H₂S的方法很多，一般可以分为干法脱硫、湿法脱硫、膜法脱硫、生物脱硫以及一些最新的脱硫技术。其中以干法和湿法脱硫较为成熟。干法脱硫是用各种吸附剂(如活性炭，分子筛，MnO，ZnO，Fe₂O₃等)来吸附H₂S，但是干法吸附适用于低浓度H₂S混合气流，高净化处理要求的场合，其吸附剂吸附容量较低，选择性小，不适宜处理高浓度的气流，而且占地面积大，再生能耗大。湿法脱硫方法以其处理量大，操作连续，吸收液可以再生，投资和操作费用低等优点应用广泛，湿法脱硫可以分为物理法，化学法和物理化学相结合的方法，其中以胺法中MDEA水溶液选择性脱除H₂S的方法应用广泛。目前在化工生产中广泛应用的填料塔仍在发挥着重要的作用，但是填料塔中接触的两相流体间存在相互影响，常常会导致雾沫夹带、液泛、漏液等问题，同时庞大的填料塔体积也使得运行和维护的成本较高。

20世纪90年代以来，微化工技术以其高传质，高传热，结构简单，无放大效应和内在安全等特点在化工领域迅速发展。气液接触的微反应器(micro-reactor)与传统的气液接触设备(湿壁塔反应器，鼓泡塔反应器，搅拌鼓泡反应器，筛板塔吸收器，填料塔反应器，降膜反应器和喷雾反应器等等)相比较有一下优点：(1)其线性尺度的减小会增加物理量的梯度，从而增加传质过程中推动力，(2)高的比表面积，通常的微反应器内的表面积可以达到10000-50000m²/m³，比常规的实验室和工业设备的比表面积大2-3个数量级，(3)体积减小，由于线性尺度的减小和高的比表面积，微反应器的体积急剧减小甚至可以小到几微升，反应时间大大缩短，而且提高了设备的安全性和反应过程的选择性。

目前，大规模的天然气管道运输前必须经过严格的脱硫脱碳过程。凭借其低成本、高效率和集成化的特点，微通道吸收技术及配套设备将在合成气、天然气、炼焦气、煤气尾气、油田伴生气和Claus尾气净化工程中具有相当大的竞争优势。微通道吸收器用于分离和净化领域中的气体吸收等方面可实现连续高效快速的分离。传统的放大过程由于存在着放大效应，耗时费力，一般需2-5年。由于微通道吸收器中每一通道相当于一个独立的吸收器，因此放大过程即是通道数目的叠加，可节约时间，降低成本，实现科研成果的快速转化。

发明内容

本发明目的在于提供一种微通道吸收器，该微通道吸收器可以解决：一、提高整个微通道吸收器的紧凑度，单位体积微通道吸收器的气体处理量可达到1×10⁵m³/h/(m³微通道)以上；二、减小吸收过程的传质阻力，提高传质效率；三、彻底解决传统填料吸收塔中接触的气液两相流体间相互影响、液泛、漏液等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一、因为高效的微通道技术，极大地提高传质的比表面积，获得很高的传质速率；微通道的高效传热性能也使得微通道吸收器内各通道间温差较小；二、液体采用液体实心均匀分布器，气体采用一次气体分布器和二次气体分布器，气液两相分布均十分均匀；三、采用气液并流的气液接触方式，解决了传统填料吸收塔中雾沫夹带、液泛、漏液等传统问题。

技术方案具体为：

一种吸收H₂S的微通道吸收器，包括吸收器本体、在吸收器本体的上部分别设置有贫液吸收液体入口和气体切线入口、在吸收器本体的下部分别设置有气体出口和富吸收液出口；在吸收器本体中部设置有2条或2条以上的相互平行的微通道，微通道的两端设置有入口公共通道区和出口公共通道区；

于气体入口与入口公共通道区间设置有1-5个层层递接的气体分布器；于贫液吸收液体入口与入口公共通道区间设置有液体分布器；所述每一微通道的当量直径可根据具体实施的处理原料气脱除H₂S过程的要求而选取，具体范围为：50μm-3000μm。

所述液体分布器为液体实心喷嘴的均匀分布器；所述微通道的截面形状为圆形、三角形、楔形、正方形、长方形、梯形或正弦曲线形等；所述整个微通道吸收器的横截面可设计为圆形、正方形或长方形等。

所述微通道吸收器的应用，所述微通道吸收器用于H₂S的吸收过程，其可以净化处理的原料气中的H₂S浓度范围较广：体积浓度0.05％-10％。

在微通道吸收器设备运行时，系统压力的范围选择比较广：0.1-5MPa，可根据不同的实施方案而选择。吸收温度为0-60℃，吸收温度优选为0-30℃。

吸收原料气中H₂S的溶剂可根据具体实施方案选择，可以是：醇胺类吸收剂中一乙醇胺MEA、二乙醇胺DEA、甲基二乙醇胺MDEA、三乙醇胺TEA、二甘醇胺DGA或二异丙醇胺DIPA；或有机溶剂中的聚乙二醇二甲醚NHD；碳酸丙烯酯、甲醇、乙醇、聚乙二醇或噻吩烷；碱性溶剂中的碳酸钾或碳酸钠溶液；

或者是以上一种以上溶剂所组成的混合溶剂。

所述溶剂中还添加有活化剂哌嗪、二乙二醇、咪唑或甲基取代咪唑(为如1-甲基咪唑、2-甲基咪唑或4-甲基咪唑)。

本发明中微通道吸收器单位体积处理气体量大，结构紧凑；特别适合于脱除合成气、天然气、炼焦气、煤气尾气、油田伴生气和/或Claus尾气等混合气流中酸性气体(如CO₂，H₂S等)，以达到环境排放和后续的工艺气体加工所需的要求；所吸收的原料气除包括H₂S外，还可选择性吸收原料气中的其它酸性气体，如CO₂等。

本发明所需处理的气体和吸收液进入微通道前分别经过相应的进料分布器，它能使原料气和原料液进入微通道时分布更为均匀。其主体部分为沿气液流动方向的具有一定相互间隔距离的多条适于容纳气液流体的微通道；所需处理的气体和吸收液之间物流的流动方式为并流流动；吸收器入口有相应的气体和液体的分布装置，保证了气体和液体在吸收器的多个微通道内均匀分布。微通道吸收器中每一通道相当于一个独立的吸收器，通过微通道数目的叠加即可获得所需的更大规模的吸收装置。微通道吸收器内部温度场分布均匀。

本发明首次将微通道吸收器应用于H₂S混合气体的脱除，能够将传统填料塔的体积缩小1-2个数量级以上，吸收器前后压差较小，克服了以往填料塔脱H₂S时的一些弊端，在低压(0.1-0.5MPa)时即可达到90％以上的H₂S脱除率，而传统填料塔的操作压力一般在5.0MPa以上。另外，微通道吸收器的投资、运行和维护的成本均较低。

附图说明

图1是微通道吸收器示意图；

图2是微通道吸收器在具体实施时的实验流程图；

图3是微通道吸收器在具体实施时的部分实验结果图。

具体实施方式

本发明的微通道吸收器(图1)，一种吸收H₂S的微通道吸收器，包括吸收器本体、在吸收器本体的上部分别设置有贫液吸收液体入口和气体切线入口、在吸收器本体的下部分别设置有气体出口和富吸收液出口；在吸收器本体中部设置有2条或2条以上的相互平行的微通道，微通道的两端设置有入口公共通道区和出口公共通道区；于气体入口与入口公共通道区间设置有1-5个层层递接的气体分布器；于贫液吸收液体入口与入口公共通道区间设置有液体分布器；

所述每一微通道的当量直径可根据具体实施的脱碳过程的要求而选取，具体范围为：50μm-3000μm。

主要应用于脱除合成气、天然气、炼焦气、煤气尾气、油田伴生气和Claus尾气等混合气流中酸性气体(如CO₂，H₂S等)，以达环境排放和后续的工艺气体加工所需的要求。需要脱H₂S净化的原料气主要包括H₂S，同时还可含有CO₂等酸性气体成分，具体成分随实际需求应用场合的不同而有相应的变化。用于微通道吸收器的吸收剂可选择：醇胺类吸收剂(MEA、DEA和MDEA)、聚乙二醇二甲醚(NHD)、碳酸丙烯酯、甲醇、乙醇、聚乙二醇及噻吩烷、碳酸钾等。也可以是以上溶剂组成的混合溶剂，还可以添加少量活化剂，一般使用的活化剂有：哌嗪、二乙二醇、咪唑或甲基取代咪唑如1-甲基咪唑、2-甲基咪唑，4-甲基咪唑等有机物质。

用于微通道吸收器的贫吸收液体首先经贫液吸收液体入口11进入，然后经液体实心均匀分布器15在微通道主体入口处均匀分布。需要处理的含有H₂S的原料气则由微通道吸收器的气体切线入口12进入，经一次气体分布器13和二次气体分布器14两次分布后均匀向下和贫液吸收液体接触。气液两相以并流操作方式通过具有一定相互间隔距离的多条微通道18，并在微通道18中完成H₂S的吸收过程。净化气体由气体出口16进入下一个工序，富吸收液由富吸收液出口17进入再生器再生。整个微通道吸收器的横截面可以设计为圆形19，也可根据实际需求设计为正方形、长方形或其他几何形状。

本发明的微通道吸收器在具体实施时的实验流程见图2。实验时，首先将原料气20和贫吸收液28按一定的比例进入微通道吸收器24，原料气20和贫液吸收液28的量分别由质量流量计21和泵23a控制。原料气在进入微通道吸收器24前还需由预热器22a预热到所需温度，贫吸收液也同样需要预热器22b在进入微通道吸收器24前先预热。原料气在微通道吸收器24中和贫吸收液并流流经微通道吸收器24内的微通道组，并完成吸收过程，净化气体29由专设的气体出口16流出进入下一工序。富液则由富吸收液出口17进入再生器25再生，得到较高浓度的H₂S气体30。再生后的贫吸收液流经换热器22c并由泵23b注回贫吸收液储罐已备循环使用。另外，从流程图中的压力表26a和26b可以知道整个微通道吸收器24的压降随处理量的不同在0-0.05MPa之间变化。具体实施的流程中还分别设置了原料气和富吸收液的采样口27a和27b。

为了简要地说明一下实际实施过程中的一些情况，现选择MDEA的水溶液吸收含1200ppm H₂S的混合气体来举例说明。部分实验结果见图3。

按上述设计方案设计制造了系列1-10m³/h气体处理量的微通道吸收器，微通道吸收器的处理量达到了1×10⁵m³/h/(m³微通道)以上。根据不同的工艺要求，可以采用不同的原料气和吸收剂的比例，净化气中H₂S可由1200ppm降到0-100ppm，此完全取决于用户对净化气质量的要求。在低压(0.1-0.5MPa)时即可达到90％以上的H₂S脱除率，

本发明的微通道吸收器既可广泛用于脱除合成气、天然气、炼焦气、煤气尾气、油田伴生气和Claus尾气等混合气流中酸性气体(如CO₂，H₂S等)，以达到环境排放和后续的工艺气体加工所需的要求。微通道吸收器的处理原料气的规模可由1000-100000m³/h，更大的规模也可由相同的微通道吸收器组合实现。

Claims (10)

1.一种吸收H₂S的微通道吸收器，包括吸收器本体、在吸收器本体的上部分别设置有贫液吸收液体入口(11)和气体切线入口(12)、在吸收器本体的下部分别设置有气体出口(16)和富吸收液出口(17)；其特征在于：在吸收器本体中部设置有2条或2条以上的相互平行的微通道(18)，微通道(18)的两端设置有入口公共通道区和出口公共通道区；

于气体入口(12)与入口公共通道区间设置有1-5个层层递接的气体分布器；于贫液吸收液体入口(11)与入口公共通道区间设置有液体分布器；所述每一微通道(18)的当量直径为：50μm-3000μm。

2.按照权利要求1所述微通道吸收器，其特征在于：所述液体分布器为液体实心喷嘴的均匀分布器。

3.按照权利要求1所述微通道吸收器，其特征在于：所述微通道的截面形状为圆形、三角形、长方形或梯形。

4.按照权利要求1所述微通道吸收器，其特征在于：所述整个微通道吸收器的横截面可设计为圆形或长方形。

5.一种权利要求1所述微通道吸收器的应用，其特征在于：所述微通道吸收器用于H₂S的吸收过程，其净化处理的原料气中的H₂S体积浓度0.05％-10％。

6.按照权利要求5所述的应用，其特征在于：微通道吸收器运行时，系统压力：0.1-5MPa吸收温度为0-60℃

7.按照权利要求5所述的应用，其特征在于：吸收原料气中H₂S的溶剂是：醇胺类吸收剂中一乙醇胺MEA、二乙醇胺DEA、甲基二乙醇胺MDEA、三乙醇胺TEA、二甘醇胺DGA或二异丙醇胺DIPA；或有机溶剂中的聚乙二醇二甲醚NHD；碳酸丙烯酯、甲醇、乙醇或聚乙二醇；碱性溶剂中的碳酸钾或碳酸钠溶液；

或者是以上溶剂所组成的混合溶剂。

8.按照权利要求7所述的应用，其特征在于：所述溶剂中还添加有活化剂哌嗪、二乙二醇、咪唑或甲基取代咪唑。

9.按照权利要求8所述的应用，其特征在于：所述甲基取代咪唑为1-甲基咪唑、2-甲基咪唑或4-甲基咪唑。

10.按照权利要求5所述的应用，其特征在于：所述微通道吸收器适合于脱除合成气、天然气、炼焦气、煤气尾气、油田伴生气和/或Claus尾气气流中酸性气体，以达到环境排放和后续的工艺气体加工所需的要求；所吸收的原料气除包括H₂S外，还可选择性吸收原料气中的其它酸性气体。

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