CN104039409A - 接触和分离柱和盘 - Google Patents

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Abstract

一种接触和分离柱(1)，其包围一个或多个接触和分离小室(3)的堆垛。各小室包括：盘(4)，该盘有多个气流开口(6)，这些气流开口通向接触和分离单元(7)；下导管(16)，该下导管确定了液体排出装置；以及液体供给源(17)。各接触和分离单元(7)包括具有液体进口(12)的上游接触区域(8、9)以及一个或多个下游分离区域(10)，该下游分离区域设有旋流器(13)以及具有气体出口(14)的顶端。旋流器(13)布置在离气体进口一定距离处，该距离为接触和分离区域的总长度的50至90％。还公开了用于通过该柱来处理气体的方法。

Description

接触和分离柱和盘
技术领域
本发明涉及一种接触和分离柱，特别是用于高容量的气体/液体质量传递，具有一个或多个接触和分离小室的堆垛，其中，气体与液体强烈接触，该液体首先由气流夹带，随后通过旋流器的离心作用而从气流中除去。本发明还涉及一种用于这种柱中的盘以及用于通过这种柱来处理气体的方法。
所述柱例如能够是传热柱、分馏柱、汽提(stripping)柱或处理柱，特别是处理柱，更特别是用于处理天然气的柱，以便除去污染物，例如二氧化碳和/或硫化氢。
背景技术
这里使用的术语气体也包括蒸汽，而术语液体也包括包含气体的液体，例如泡沫。“处理液体”用于表示化合物，优选是液体，该化合物通过物理和/或化学现象而选择地除去污染物，例如硫化氢和/或二氧化碳。
包含旋流气体/液体分离装置的、用于气体/液体质量传递的盘与常规质量传递盘的区别在于它们的应用范围。盘(其中，气体和液体接触并随后通过旋流气体/液体装置而分离)能够制得比常规盘(其中，在气体和液体之间的分离是通过重力，而不是离心力)明显更紧凑。
US-A-6227524介绍了用于高速质量传递盘的接触和分离元件(CSE)，在该高速质量传递盘中，液体进入CSE，通过环形排的孔进入竖直叶片的栅格网中，该叶片使得液体分散成小液滴，这些小液滴与气体一起运动至直接位于竖直叶片上方的轴向旋流器的叶片，在该旋流器中，液体-气体流受到旋转运动，因此产生向上运动的旋转液体膜。最终的气体/液体分离在位于CSE的上部部分中的分离区域内进行，而质量传递主要在恰好位于液体进口孔上方的较小区域中进行。进入接触区域的液体量取决于力平衡，其中，在CSE周围的液体水平(由堰的高度来设置)提供了用于液体进入CES的静液压力。另外，在CSE内部的气流引起吸力，该吸力增加了液体向CSE内的流入。这两个力通过由于在CSE上的压力降(特别是由旋流器和在上游接触区域和下游分离区域之间的变窄过渡部分引起)引起的反力而平衡。最终，该CSE的最大容量将取决于压力平衡：当通向装置的气体速率增加时，压力降将增加。当接触区域内部的压力降超过特定值(该值取决于环绕CSE的液体高度)时，气体的一部分将通过液体进口逸出，这时质量传递性能将显著下降。
EP-A-0048508介绍了一种用于在高流速和/或高液体负载下处理液体和气体混合物的装置。液体以一次通过的方式流过，即没有内部再循环。而且，接触区域的容积与分离区域的容积相比较小，且旋流器布置在接触和分离单元的底部部分中。
质量传递率与在接触区域中每单位气体夹带的液体量相关。所需的容积质量传递率随着要吸收的杂质(例如CO2)的较高局部压力而增加。不过，通过现有技术的接触和分离柱可获得的质量传递率有限。
在海上采气时，接触和分离柱用于浮动用途，例如在浮动装置或船上。引起液体泼溅或波动的海洋运动严重地限制了可获得的质量传递和柱的效果。
本发明的目的是提供一种能够提高质量传递的接触和分离设备。
本发明的另一目的是提供紧固的接触和分离设备，该设备能够用于浮动用途。
发明内容
这里公开了一种接触和分离柱，它包括柱壁，该柱壁包围一个或多个接触和分离小室的堆垛，其中，各小室包括：
盘，该盘有多个气流开口，这些气流开口通向一个或多个接触和分离单元，其中，各接触和分离单元包括具有液体进口的上游接触区域以及一个或多个分离区域，该分离区域设有旋流器以及具有气体出口的顶端；
下导管，该下导管确定了用于溢出下导管的液体的液体排出装置，该液体排出装置的高度超过液体进口的高度；
液体供给源，用于将液体供给接触和分离小室；
其中，旋流器布置在离气体进口一定距离处，该距离为接触和分离区域的总长度的50至90％。
在第二方面，公开了一种接触和分离盘，用于所述柱中。
在第三方面，公开了一种用于处理气体的方法，该方法使用所述柱。
详细说明
通过有布置在离气体进口一定距离处的旋流器，可用于接触的容积变得更大，这用于大大增加在接触区域中的平均滞留时间，因此增加容积气体/液体质量传递率。
旋流器布置在离气体进口一定距离处，该距离为接触和分离区域的总长度的50至90％，优选是从60至90％，更优选是从65至85％。
通过保证接触区域具有比在所述单元中的一个或多个分离区域更大的截面面积而能够使容积气体/液体质量传递率进一步提高。截面面积是与接触和分离小室的最长轴线成直角地由切割所述区域的中部的平面产生的截面的表面面积。沿接触和分离区域一起的最长轴线方向来获取区域的中部。
所述单元的分离区域(或多个分离区域)的截面面积是与所述接触区域流体连接的全部分离区域的截面面积的总和。
当接触区域的截面面积大于该一个或多个分离区域时，气体在接触区域中的流速通常将低于在分离区域中的流速。较低的流速导致增强了在接触区域中的质量传递，而在分离区域中的更快的流速导致增强了分离。流速能够由Souders-Brown密度校正的气体负载系数Cs＝UGas*(ρGas/(ρLiquid-ρGas))1/2表示。
为了在旋流器处获得良好的离心分离，该系数能够例如在0.3m/s<Cs<1.5m/s的范围内。该速度非常高，特别是与常规现有技术接触装置(例如带有盘或包装)相比，现有技术接触装置通常在低于0.1m/s的Cs系数下工作。在接触区域中，这样的流速将导致非常短的气体/液体接触时间和较低质量传递率。由于在接触区域中的更大的截面面积，流速能够明显更低。气体在接触区域中的流速通常能够为分离区域中的流速的最多90％，优选是最多80％，或者甚至更优选是最多50％。
接触区域的更大截面面积的附加优点是它提供了用于更大气体进口区域和更大液体进口区域的空间，这将减小用于气体和液体进入接触区域的压力降，因此导致更高的液体吸入率，同时也有利于更好的质量传递。
本发明的另一优点是它允许液体在接触和分离单元中再循环，这使得发送给所述单元的新鲜液体的容积有灵活性。
在特定实施例中，盘的下导管能够能够布置得相对于下一个盘的下导管偏离，例如交替地在相邻小室的相对侧，其中，上部接触和分离小室的液体排出装置形成下部接触和分离小室的液体供给源。流入上部小室的下导管中的液体流入下面的小室中，其中，它再次循环，直到它流入下一个下导管。
“上游”和“下游”是相对于旋流器而言。
接触区域的截面面积能够例如比单个分离区域的截面面积大至少30％，更特别是至少50％，更优选是至少80％，最优选是至少100％。
优选是，接触区域的截面面积比属于与该接触区域相同的单元的全部分离区域的截面面积大至少5％，更特别是至少8％，更优选是至少10％。最优选是，接触区域的截面面积比属于与该接触区域相同的单元的全部分离区域的截面面积大至少50％。
而且，接触区域的容积优选是比与所述接触区域直接流体连通的全部分离区域的容积大至少50％，更特别是至少80％，更优选是至少大100％。
在盘边缘处的下导管能够包括堰，该堰和边缘与柱壁间隔开，以便确定液体排出装置，用于溢出堰的液体。该堰能够是盘的一部分，或者它能够是单独部件。在可选实施例中，下导管例如能够是管或者任意其它合适类型的导管。盘可以有相同或不同类型的一个或多个下导管。
接触区域设有用于将液体供给气流中的一个或多个进口，该进口在比下导管的顶端更低的高度处。在使用中，液体进口浸没在盘上的液体中，即液体进口低于正常工作的液体高度。优选是，液体进口在盘的基板中的气流开口处或附近，最优选是，液体进口由气体进口覆盖。液体进口例如可以是狭缝或者圆形、正方形或三角形的孔或者为任意合适的可选形状。
可选地，液体分配装置能够用于将液体分配至盘中的气流开口区域上面。这样，液体不仅沿周向引入气流中，而且在全部气流区域上获得更均匀的液体分布。已经发现，这大大增加质量传递率。而且，能够使用更大的气流开口和具有更大截面面积的接触区域，同时保持较高的质量传递率。能够应用的引导装置的实例是叶片或沟槽，例如具有矩形、半圆形或V形截面。
旋流器例如能够是叶片组件，该叶片组件使得气体/液体混合物产生旋转运动。通过这种旋转运动，气体/液体混合物的液滴向外抛出，以便撞击和聚结在导管的内表面上。
在特定实施例中，接触区域是这样的，即，它的截面为正方形或矩形。优选是，接触区域可以有箱的形状，承载一个或多个管形分离区域，例如柱形或锥形分离区域。由于箱形形状，接触区域能够布置成靠拢，从而利用在各小室中的最大比例的可用空间。
优选是，分离区域的顶端的气体出口由液体流动偏转器来界定。
可选地，液体流动偏转器包括返回裙缘，该返回裙缘有U形径向截面，其具有布置在分离区域的顶边缘上面的开口侧。由于旋流器的离心作用，由经过的气体运载的液体被收集在分离区域的柱形或锥形内壁上，在该处，它在经过的气流的作用下向上流动。在接触区域的上边缘处，气体向上流过出口，而分离的液体通过返回裙缘而偏转，以便在接触区域的外部再次向下流动。
在特定实施例中，接触区域的截面面积总共占据盘表面的大部分，通常至少60％，更特别是至少70％，优选是至少80％。在该方面，接触区域的截面面积是指与所述盘连接的全部接触区域的联合截面面积。并不考虑分离区域的截面面积。
接触和分离区域的高密度减小了对于海洋运动引起的倾斜和运动的敏感性，这使得该装置非常适合浮动用途。在接触和分离区域内部的流体性能实际上独立于外部运动，并由在接触和分离区域内部的较高气体流速来支配。由于倾斜或运动而形成的波纹可能在接触和分离区域之间的液体表面处产生。不过，由于在接触和分离区域之间的有限空间，波纹不能发展，因为接触和分离区域将阻尼所述波纹的形成。
当由于倾斜或运动而形成波纹时，在盘上的液体高度将变化，但是影响将保持非常小，只要波纹高度与盘上的平均液体高度相比相对较小。在盘上的液体高度能够通过增加堰高度和(可选的)盘间距而进一步增加。对于该目的，已经成功测试了比常规盘高10倍的堰高度(高达700mm)。
所述一个或多个接触和分离盘可以形成接触和分离柱的单独或整体部件。盘包括基板，该基板有多个气流开口，这些气流开口通向位于基板上侧的一个或多个接触和分离单元内。在特定实施例中，各接触和分离单元包括：上游接触区域，该上游接触区域有液体进口，该液体进口优选是在气流开口的范围内；一个或多个下游分离区域，该下游分离区域设有旋流器以及具有气体出口的顶端，该气体出口由液体流动偏转器来界定；
其中，接触区域有比分离区域更大的截面面积。
盘能够包括在一个或多个盘边缘处的堰，该堰能够是盘自身的一部分，或者它能够是柱壁的分开部件或者部件。
在盘的特定示例实施例中，接触和分离区域包括箱形接触区域，该箱形接触区域通向一个或多个管形分离区域中，通常为柱形和/或锥形分离区域。
接触区域能够排空，从而允许经过的气体自由流动，或者它可以整个或局部包含填充材料，例如波纹板材和/或线网材料。这样的填充材料增加了液体在接触区域中的滞留时间，因此，这种填充进一步支持质量传递。
本发明的柱还将设有液体进口、液体出口、气体进口和气体出口。
所公开的接触和分离柱能够用于以液体处理气体的方法。因此，气体通过气流开口而被引入接触和分离区域，而在接触和分离柱的下部接触和分离小室中的液体进口处处理流体。
该方法例如能够用于处理包含水、二氧化碳和/或硫化氢的气体，例如天然气或页岩气。当主要除去水时，该方法通常被称为脱水。最优选地，该方法用于除去二氧化碳和/或硫化氢。
天然气是包含大量甲烷的烃气体混合物，通常包含至少40wt％的甲烷，特别是至少50wt％，最特别是从60至95wt％。通常暂时液化该天然气，以便容易储存或输送。为了制备天然气用于液化，对其进行处理，以便除去将在液化条件下冰冻或者将损坏液化设备的组分，例如水、硫化氢和二氧化碳。用于处理气体的液体能够是已知适合该目的的任何液体。通常，用于除去不合适的化合物的液体将包含水、乙二醇、甲醇和/或胺，更特别是一种或多种胺的水溶液，更特别是烷基胺，更特别是从以下组中选择的一种或多种化合物，该组包括：单乙醇胺、二乙醇胺、四基二乙醇胺、二异丙醇胺和aminoethoxyethanol。
还能够通过添加称为加速剂的化合物来增强质量传递，该加速剂进一步增加在天然气和处理液体之间的化学和/或物理相互作用的速度。能够通过使用更高温度而进一步增强质量传递，例如高于正常工作温度(直到最大30℃)。
在本发明的接触区域中发生强烈混合的另一优点是增加了用于除去具有更高液体吸收速率的污染物的选择性。例如，强烈混合将有利于吸收硫化氢(优于二氧化碳)，这在处理天然气时是很大的优点。公开的方法通常设计成给出几乎纯净的甲烷。
附图说明
下面将参考附图通过实例更详细地介绍本发明，附图中：
图1示意表示了本发明的接触和分离柱的平面图；
图2表示了图1的柱沿图1中的线A-A的纵剖图；
图3表示了图1的柱的内部的一部分的透视图；
图4表示了图3中所示的部分的不同透视图。
具体实施方式
图1-4表示了接触和分离柱1，该接触和分离柱1包括柱壁2，该柱壁2包围两个接触和分离小室3的堆垛。各小室3包括盘4，该盘4有基板5，该基板5设有多个气流开口6，该气流开口6通向位于盘4上侧的各接触和分离单元7中。各接触和分离单元7包括箱形上游接触区域8、9和在该接触区域8、9顶部的柱形分离区域10。箱形接触区域8、9包括较大的中间箱8和在该较大中间箱两侧的两个较小箱9。较大的中间接触区域8承载一排三个分离区域10，而两个较小的箱只承载两个分离区域10，如图1中所示。这样，各接触区域8、9的截面面积大于与单个接触区域流体连接的分离区域10的联合截面面积。而且，因为接触区域比分离区域高得多，因此接触区域的容积比与单个接触区域流体连接的分离区域10的容积大得多。
接触和分离单元7在它们的下端包括一组平行竖直板11，该组平行竖直板11桥接气流开口6并使得接触区域8、9与基板5隔开。气体能够通过在竖直板11之间的空间而流过气流开口6进入接触区域8、9。竖直板11确定了用于存在于小室3中的液体的进口12。
柱形分离区域10设有在它们的下端内的旋流器13。分离区域的顶端14形成气体出口，该气体出口由液流偏转器15来界定，该液流偏转器15由具有U形径向截面的环形成，其中开口侧布置在分离区域10的顶边缘上面。
盘4还包括具有堰的边缘，该堰与柱壁2间隔开，以便确定液体排出装置17，用于将溢出堰的液体排出至下部小室3。堰的高度确定了存在于小室3中的液体的高度。在盘4的下侧，堰延伸至高于下部盘4的基板5一定距离。该距离对应于竖直板11的高度。这样，堰和柱壁2的相邻部分确定了下导管16，用作用于下面的下一小室的液体供给源17。
在柱1中的盘4相对于相邻的上部或下部盘布置在镜像位置中。因此，各盘4的堰布置在所述柱的、与上面或下面的盘4的堰所布置的一侧相反的一侧。通过这样的布置，各盘4的堰形成将液体供给下一个下部小室3的下导管16。在可选实施例中，也能够使用其它类型的下导管，例如管。
液体从下导管16向下流入小室3中，在该小室中，对液体进行收集，直到它达到堰的上边缘的高度。同时，气体沿由图2中的箭头A表示的方向流动。气体通过气流开口6而向上流入小室3中，经由接触区域8、9和分离区域10流入下一个上部小室3的气流开口6中。在接触区域8、9的液体进口12处，液体通过静液压力和由通过的气流施加的吸力而被迫流入接触区域8、9中。这些力通过反力来平衡，该反力由在气流中的、由于截面面积变窄而引起的压力降产生。液体将逐渐进入接触区域8、9，并分散至经过的气流中。由于竖直板11，液体不仅在接触区域周边处进入气流，而且还在气流的更大区域上进入，从而增进了液体进入气流的质量传递。接触区域8、9相对较高，这有助于在液体和气体之间的更强烈接触。当经过旋流器13时，气流受到离心力。因此，由气体带有的液体将扫过分离区域10的内壁并由通过的气流向上推动。气流通过出口14而离开分离区域10。到达分离区域8的顶边缘的分离的液体通过返回裙缘15而偏转至柱形壁的外侧，它在该处向下流回至小室3的液体中。

Claims (16)

1.一种接触和分离柱(1)，包括柱壁(2)，该柱壁包围一个或多个接触和分离小室的堆垛，其中，各小室包括：
盘(4)，该盘有多个气流开口(6)，这些气流开口通向位于盘(4)上侧的一个或多个接触和分离单元(7)，其中，各接触和分离单元(7)包括具有液体进口(12)的上游接触区域(8、9)以及一个或多个下游分离区域(10)，该下游分离区域设有旋流器(13)以及具有气体出口(14)的顶端；
下导管(16)，该下导管限定了液体排出装置；
液体供给源(17)，用于将液体供给接触和分离小室；
其中，旋流器(13)布置在离气体进口一定距离处，该距离是接触和分离区域的总长度的50至90％。
2.根据权利要求1所述的接触和分离柱，其中：接触区域(8、9)具有比一个或多个分离区域(10)更大的截面面积。
3.根据前述任意一项权利要求所述的接触和分离柱，其中：接触区域的容积比所述接触和分离单元(7)的分离区域的联合容积大至少50％。
4.根据前述任意一项权利要求所述的接触和分离柱，其中：接触区域(8、9)的截面为正方形或矩形。
5.根据前述任意一项权利要求所述的接触和分离柱，其中：接触和分离单元(7)包括单个接触区域(8、9)和多个分离区域(10)。
6.根据前述任意一项权利要求所述的接触和分离柱，其中：气体出口(14)由液流偏转器(15)来界定。
7.根据前述任意一项权利要求所述的接触和分离柱，其中：液流偏转器(15)包括返回裙缘，该返回裙缘有U形径向截面，其中开口侧布置在分离区域(10)的顶边缘上面。
8.根据前述任意一项权利要求所述的接触和分离柱，其中：接触区域(8、9)的至少一部分充满填充材料。
9.根据前述任意一项权利要求所述的接触和分离柱，其中：在相邻小室中的下导管(16)相对于彼此而偏离，且上部接触和分离小室的液体排出装置形成下部接触和分离小室的液体供给源。
10.根据前述任意一项权利要求所述的接触和分离柱，其中：在盘(4)的边缘处，下导管(16)包括堰，该堰和柱壁(2)确定液体排出装置。
11.一种接触和分离盘，用于根据前述任意一项权利要求所述的接触和分离柱中，其中：盘(4)包括基板(5)，该基板(5)有多个气流开口(6)，这些气流开口(6)通向定位在该盘(4)上侧的一个或多个接触和分离单元(7)中，其中，各接触和分离单元(7)包括具有液体进口(12)的上游接触区域(8、9)以及一个或多个下游分离区域(10)，该下游分离区域设有旋流器(13)以及具有气体出口(14)的顶端，该气体出口(14)由液流偏转器(15)来界定；其中，接触区域(8、9)具有比分离区域(10)更大的截面面积。
12.根据权利要求11所述的接触和分离盘，其中：堰存在于盘(4)的边缘处，该堰和柱壁(2)限定了液体排出装置。
13.根据权利要求11或12所述的接触和分离盘，其中：接触和分离单元(7)包括箱形接触区域(8、9)，该箱形接触区域(8、9)通向一个或多个管形分离区域(10)中。
14.一种用液体处理气体的方法，该方法包括：在根据权利要求1至10中任意一项所述的接触和分离柱(1)的下部接触和分离小室(3)中，在气体进口(6)处引入气体并在液体进口(12)处引入液体。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：气体在接触区域(8、9)中的流速低于在分离区域(10)中的流速。
16.根据权利要求15所述的方法，其中：气体是天然气。
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