CN104039410A - 接触和分离塔以及塔盘 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种接触和分离塔(1)，其包围一个或更多个叠置的接触和分离室(3)。每个接触和分离室包括：-塔盘(4)，其具有多个气流孔(6)，所述气流孔通向接触和分离单元(7)；-降液部(16)，其界定液体排放部；以及-液体供应部(17)。每个接触和分离单元(7)包括具有液体入口(12)的上游接触区(8，9)、以及一个或更多个下游分离区(10)，所述下游分离区配置有旋流器(13)和具有气体出口(14)的顶端。接触区(8，9)的截面面积大于接触和分离单元的一个或更多个上述分离区(10)的截面面积。还公开了通过这种塔处理气体的工艺。

Description

接触和分离塔以及塔盘
技术领域
本发明涉及一种接触和分离塔，其尤其能高容量地进行气/液传质，该接触和分离塔具有一个或更多个叠置的接触和分离室。液体首先被气流携带到所述接触和分离室中与气体充分接触，随后，通过旋流器的离心冲击将液体从气流中去除掉。本发明还涉及一种用于这种塔中的塔盘以及一种通过这种塔处理气体的工艺。
该塔例如可以是热交换塔、分馏塔、汽提塔或处理塔，尤其是一种处理塔，更具体而言，是一种处理天然气的塔，用于去除掉杂质(如，二氧化碳和/或硫化氢)。
背景技术
在此使用的术语“气体”还包括蒸汽，术语“液体”还包括含有气体(如，泡沫)的液体。术语“处理液”用于表示复合物(优选为液体)，其通过物理和/或化学现象可选择性地去除掉诸如硫化氢和/或二氧化碳这样的杂质。
用于气/液传质的塔盘中含有旋流式气/液分离装置，该塔盘不同于其应用范畴内的常规传质塔盘。在塔盘中，气体和液体接触，然后通过旋流式气/液装置将气体和液体分离。可将这种塔盘制造得比常规塔盘的结构要紧凑得多，在常规塔盘中，通过重力而不是通过离心力来分离气体和液体。
美国专利文献US-A-6,227,524号描述了用于高速传质塔盘的接触和分离元件(CSE′s)，在该高速传质塔盘中，液体通过成环形列的多个孔进入接触和分离元件中，并进入到由多个竖直叶片构成的网格结构中，从而将液体分散成小液滴，小液滴然后与气体一起运行到轴向旋流器(其位于所述竖直叶片正上方)的叶片上，之后，气液流在该轴向旋流器中承受旋转运动，从而，形成了向上旋转移动的液膜。在接触和分离元件上部部分中的分离区中进行最终的气/液分离，传质过程主要在吸液孔正上方的小区域中进行。进入接触区中的液体量取决于一种力平衡，这种力平衡使接触和分离元件周围的液位(由挡流结构的高度而定)提供让液体进入接触和分离元件中的静水压力。另外，接触和分离元件内部的气流将产生吸入力，从而增加流入接触和分离元件中的液体量。这两种作用力可通过接触和分离元件上的压降所导致的反作用力来平衡，上述压降尤其是由于旋流器以及上游接触区和下游分离区之间的狭窄过渡区域所导致。接触和分离元件的最大能力将最终取决于压力平衡：进入装置的气体比率增加时，压降将增加。当接触区内部的压降超过一定值(这取决于接触和分离元件周围的液位高度)时，一部分气体将通过液体入口溢流出，从而传质性能将显著下降。
文献EP-A-0048508号描述了一种设备，用于在高流速和/或高液体负荷下处理气液混合物。液体在单程模式(即，没有内循环的模式)下流动。另外，接触区的容积比分离区的容积小，但两区域的直径相同。
传质速率与接触区中单位气体所携带的液体量相关。待被吸收的杂质(如CO2)的分压越高，所需的体积传质速率将增加。但是，已经发现，现有的接触和分离塔所能达到的传质速率是有限的。
海上天然气开采过程中，在漂浮情况下使用接触和分离塔，例如在漂浮装置或船上使用接触和分离塔。海水运动会引起液体晃动或波动，从而会大大限制塔所能达到的传质和效率。
本发明的目的是提供一种接触和分离设备，其能提高传质性能。
本发明的另一目的是提供一种可在漂浮情况下使用的坚固的接触和分离设备。
发明内容
本发明公开了一种接触和分离塔，其包括塔壁，塔壁包围一个或更多个叠置的接触和分离室，其中，每个室包括：
-塔盘，其具有多个气流孔，气流孔通入一个或更多个接触和分离单元，其中，每个接触和分离单元包括具有液体入口的上游接触区、以及一个或更多个分离区，所述分离区配置有旋流器和具有气体出口的顶端；
-降液部，其界定液体排放部，所述液体排放部用于溢流出降液部的液体，降液部的高度超过液体入口的高度；以及
-液体供应部，其将液体供应到接触和分离室中，
其中，所述接触区的截面面积大于接触和分离单元的一个或更多个上述分离区。
在第二方面，公开了一种可用于所公开的塔中的接触和分离塔盘。
在第三方面，提供了一种使用所公开的塔来处理气体的工艺。
具体描述
使接触区的截面面积大于分离区的截面面积，可显著增加在接触区中的平均停留时间，从而，将显著提高气/液容积传质速率。通过使旋流器与气体入口间隔一定距离，可进一步提高容积传质速率。
上述截面面积是指与所述接触和分离室的最长轴线成直角地穿过上述区域的中间部分的平面所截取的部分的表面积。在接触和分离区的最长轴线的方向上得到该区域的中间部分。
上述单元的分离区或多个分离区的截面面积是与上述接触区保持流体连通的所有分离区的截面面积之和。可以采用单个分离区，但通常将布置2个或更多个分离区。
由于接触区的截面面积更大，因此，气体在接触区中的流动速度通常小于在分离区中的流动速度。接触区中的流动速度更小将会提高接触区中的传质效率，分离区中的流动速度更大将会提高分离效果。流动速度用索德尔斯-布朗(Souders-Brown)密度修正气体负荷因子Cs＝UGas*(ρGas/(ρLiquid-ρGas))1/2表示。
为了让旋流器中的离心分离效果佳，该因子的范围例如可以是0.3m/s<Cs<1.5m/s。尤其与现有的常规接触装置(例如，其具有盘或填充物)相比，这种速度十分高，现有的常规接触装置通常在Cs因子低于0.1m/s的情况下运行。在接触区中，这种流速将会使气/液的接触时间十分短、传质速度十分低。由于接触区的截面面积更大，因此，流速非常低。气体在接触区中的流速是分离区中的流速的通常最高达90％，优选最高达80％，或甚至优选最高达50％。
接触区的截面面积更大所达到的另一优点是，可提供空间使进气区域更大、进液区域更大，从而减小了进入接触区中的气体和液体的压降，这样，吸液速度更高，同时还有助于让传质效果更佳。
本发明的另一优点是，可使液体在接触和分离单元中循环，这样，被送入上述接触和分离单元中的新鲜液体的体积将会存在灵活性。
在某具体实施例中，塔盘的降液部可偏离下一个塔盘的降液部布置，例如，交替地布置在相邻室的相对侧处，其中，处于上部的接触和分离室的液体排放部构成处于下部的接触和分离室的液体供应部。流入处于上部的接触和分离室的降液部中的液体流入处于下部的接触和分离室中，该液体再次在该处于下部的接触和分离室中循环，直到液体流入到下一降液部中为止。
使用的术语“上游”和“下游”是相对于旋流器而言的。
接触区的截面面积例如可以比单个分离区的截面面积至少大30％，更特别地，可至少大50％，更优选地，至少大80％，最好至少大100％。
优选地，在同一单元中，接触区的截面面积比所有分离区的截面面积至少大5％，更特别地，至少大8％，更优选地，至少大10％。最优选地，在同一单元中，接触区的截面面积比所有分离区的截面面积最多大50％。
另外，接触区的容积优选比与所述接触区直接地流体连通的所有分离区的容积至少大50％，更特别地，至少大80％，更优选地，至少要大100％。
塔盘边缘处的降液部包括挡流结构，该挡流结构以及所述边缘与塔壁隔开以界定用于从挡流结构溢流出的液体的液体排放部。挡流结构可以是塔盘的部件，或者可以是单独部件。在可供选择的实施例中，降液部例如可以是管道或任何其他合适类型的管。塔盘可以具有一个或更多个相同或不同类型的降液部。
接触区配置有一个或更多个入口，用于在降液部顶端下方将液体输送到气流中。使用中，液体入口浸没在塔盘上的液体中，即，液体入口在正常运行的液位下方。优选地，液体入口位于塔盘底板上的气流孔处或附近，最优选地，液体入口被气体入口覆盖。液体入口例如可以是狭槽，或是圆形孔、正方形孔或三角形孔、或任何合适的替换形状的孔。
可选择地，可使用液体分配装置将液体分配在塔盘上的气流孔区域上。这样，液体不仅在外周被引入气流中，而且还可在整个气流区域上实现液体的更均匀分布。已经发现，这将会显著提高传质速率。而且，在保持高的传质速率的情况下，可采用更大的气流孔和截面面积更大的接触区。可应用的引导装置的例子是叶片或槽，例如，其截面可以是矩形、半圆形或V形。
旋流器例如可以是使气/液混合物进行旋转运动的叶片组件。通过这种旋转运动，气/液混合物中的液滴将朝外猛冲，撞击并聚集在管道内表面上。
旋流器可定位在距离气体入口一定距离处，该距离为接触和分离区总长度的50％至90％，典型地为60％至90％，优选为65％至85％。
在某具体实施例中，使接触区的截面为正方形或矩形。优选地，接触区的形状可以是盒形，支撑一个或更多个管状分离区，如，圆筒形或锥形分离区。由于接触区为盒形，因此接触区能相互靠近地布置在一起，这样，各室中可利用空间的使用比例较高。
优选地，分离区顶端的气体出口由液体导流器界定边界。
可供选择地，液体导流器包括径向截面为U形的回流裙部，回流裙部的开口侧布置在分离区的顶部边缘上方。由于旋流器的离心撞击，被经过的气体携带的液体聚集在分离区的圆柱形或锥形内壁上，从而液体在经过的气流的影响下向上流动。在接触区的上部边缘处，气体经出口向上流动，被分离的液体通过回流裙部被转向，再次向下流到接触区外部。
在某具体实施例中，全部接触区的截面面积占据塔盘表面的大部分面积，通常至少占据60％，更特别地至少占据70％，优选至少占据80％。在此方面，接触区的截面面积为连接到上述塔盘上的所有接触区的总截面面积。不考虑分离区的截面面积。接触和分离区的密度高，将降低其对海水运动引起的倾斜和波动的敏感度，从而可使该装置十分适于应用在漂浮情况下。接触和分离区内部的流体的运行情况实际上与外部运动无关，其由接触和分离区内的高气流速度控制。由于倾斜或运动，接触和分离区之间的液面上会出现波动。但是，由于接触和分离区之间的空间有限，因此波动不会扩大，这是因为接触和分离区将抑制波动的形成。
由于倾斜或运动引起波动时，塔盘上的液位将变化，但是，只要与塔盘上的平均液位高度相比波动高度相对较小，那么由波动所造成的冲击会非常小。通过增加挡流结构高度，可供选择地，也可通过增加盘间距，将会让塔盘上的液位进一步升高。因此，已经成功测试了比常规塔盘上的挡板结构高度要高(例如10倍于常规塔盘上的挡板结构高度)的挡板结构高度(最高达700mm)。
一个或更多个接触和分离盘可形成所述接触和分离塔的独立部件，或形成接触和分离塔的整体式部件。该塔盘包括具有多个气流孔的底板，气流孔通向底板上侧上的一个或更多个接触和分离单元。在某具体实施例中，每个接触和分离单元包括上游接触区、以及一个或更多个下游分离区；上游接触区具有液体入口，液体入口优选在气流孔的范围内，下游分离区配置有旋流器和顶端，所述顶端具有气体出口，该气体出口由液体导流器界定边界；
其中，接触区的截面面积比分离区的截面面积大。
该塔盘的一个或更多个边缘处具有挡流结构，该挡流结构可以是塔盘的一部分或者可以是单独部件或塔壁的一部分。
在塔盘的某具体典型实施例中，接触和分离区包括盒形接触区，其通向一个或更多个管状分离区(其通常为圆筒形和/或锥形分离区)。
接触区可以是空的，可让经过的气体自由流动，或者其全部或局部部分含有填充材料(如，波纹板材和/或金属丝网材料)。这种填充材料会增加液体在接触区中的停留时间，从而这种填充材料将进一步促进传质。
本发明的塔还配置有液体入口、液体出口、气体入口和气体出口。
所公开的接触和分离塔可用于通过液体处理气体的工艺。因此，通过气流孔将气体引入接触和分离区，同时在接触和分离塔的处于下部的接触和分离室中的液体入口处引入处理液。
该工艺例如用于处理含有水、二氧化碳和/或硫化氢的气体(如，天然气或页岩气)。如果主要去除掉水，那么该工艺通常称之为脱水。最优选地，该工艺用于去除二氧化碳和/或硫化氢。
天然气是含有大量甲烷的烃类气体混合物，其中，甲烷的重量含量优选至少为40％，更特别地，至少为50％，最特别地，为60％至95％。通常暂时液化天然气以便于存储或运输。为了准备天然气进行液化，要对天然气进行处理，去除掉在液化条件下凝结或对液化设备有害的成分(如，水、硫化氢和二氧化碳)。用于处理气体的液体可以是适于此目的的任何公知液体。通常，用于去除掉不适宜复合物的液体将含有水、乙二醇、甲醇和/或胺，更具体而言，该液体是含有一种或多种胺的水溶液，更特别地，所述胺是烷基胺，更特别地，可以是从下列物质所构成的组中选择的一种或多种：单乙醇胺、二乙醇胺、甲基二乙醇胺、二异丙醇胺和二甘醇胺。
添加称之为催化剂的复合物，将会进一步提高天然气和处理液之间的化学和/或物理反应速度，从而进一步提高传质效果。采用更高的温度，例如高于正常操作温度最高达30℃，可进一步提高传质效果。
在本发明的接触区中进行充分混合所达到的另一优点是：对于被吸收到液体中的吸收率更高的杂质而言，将其去除掉的选择性将会提高。例如，充分混合倾向于有利于吸收二氧化碳表面上的硫化氢，这在处理天然气时特别有益。
所公开的工艺通常被设计成产生几乎纯的甲烷。
如果需要，该工艺还可用于处理其他气体或用于汽提或分馏。
附图说明
现在将参照附图通过实例更详细描述本发明，附图如下：
图1示意性地示出了本发明的接触和分离塔的平面图；
图2沿图1中的线A-A示出了图1中的塔的纵向截面；
图3示出了图1中的塔的内部部分的透视图；
图4示出了图3所示部分的不同透视图。
具体实施方式
图1-4示出了接触和分离塔1，其包括塔壁2，塔壁包围两个叠置的接触和分离室3。每个接触和分离室3包括具有底板5的塔盘4，所述底板上配置有多个气流孔6，气流孔通向位于塔盘4上侧的相应接触和分离单元7。每个接触和分离单元7包括盒形上游接触区8、9和位于接触区8、9顶部上的圆筒形分离区10。盒形接触区8、9包括较大的中间箱8和两个较小的箱9，该两个较小的箱位于较大的中间箱两侧。较大的中间接触区8支撑排成一排的三个分离区10，两个较小的接触区仅支撑两个分离区10，如图1所示。这样，每个接触区8、9的截面面积大于与对应的一个接触区保持流体连通的分离区10的截面面积之和。由于接触区的高度比分离区大得多，所以接触区的容积将比与一个接触区流体连通的分离区10的容积要大得多。
接触和分离单元7的下端处包括一组平行的竖直板11，它们跨接气流孔6并将接触区8、9与底板5隔开。气体可穿过气流孔6经由竖直板11之间的空间进入接触区8、9。竖直板11界定存在于室3中的液体的入口12。
圆筒形分离区10的下端内配置有旋流器13。分离区的顶端14形成气体出口，该气体出口由液体导流器15界定边界。液体导流器15由径向截面为U形的环构成，其开口侧设置在分离区10的顶边缘上方。
塔盘4还包括具有挡流结构的边缘，该挡流结构与塔壁2隔开以界定液体排放部17，用于将溢过挡流结构的液体排到处于下部的室3中。挡流结构的高度决定了室3内的液位。在塔盘4的下侧处，挡流结构延伸至处于下部的另一塔盘4的底板5上方的一定距离处。该距离对应于竖直板11的高度。这样，挡流结构和塔壁2的相邻部分界定降液部16，降液部起到用于下方的下一个室3的液体供应部17的作用。
塔1中的盘4相对于相邻的上部或下部塔盘而言布置在镜像对称的位置上。因此，每个塔盘4的挡流结构布置在塔的一侧处，而其上方或下方的塔盘4的挡流结构则布置在塔的相对侧处。通过采用这种布置结构，每个塔盘4的挡流结构构成了将液体输送到下方的下一个室3中的降液部16。在可供选择的实施例中，还可采用其他类型的降液部，如导管。
液体从降液部16向下流入室3内，并聚集在所述室中，直到液体到达挡流结构的上端边缘位置为止。同时，气体在图2中的箭头A所示的方向上流动。气体通过气流孔6向上流入室3内，通过接触区8、9和分离区10进入处于上部的下一个室3的气流孔6中。在接触区8、9的液体入口12处，静水压力和穿过该入口的气流所施加的吸入力迫使液体流入接触区8、9中。由于截面面积变窄会在气流中产生压降，从而产生反向力，这种反向力将会平衡上述力。液体将会逐渐进入接触区8、9，分散到经过的气流中。由于竖直板11的作用，液体不仅进入接触区外周处的气流中，而且会布满在气流的较大区域中，从而传递到气流中的液体质量将会增加。接触区8、9位置相对高，从而有助于液体和气体更紧密接触。气流经过旋流器13时将会承受离心力。因此，被气流携带的液体将冲击分离器10的内壁而被经过的气流向上推动。气流通过出口14从分离区10排出。被分离出的液体到达分离区10的顶部边缘，通过回流裙部15而被转向流到圆筒形壁外侧，然后向下流回到室3内的液体中。

Claims (15)

1.一种接触和分离塔(1)，其包括塔壁(2)，所述塔壁包围一个或更多个叠置的接触和分离室，其中，每个接触和分离室包括：
-塔盘(4)，其具有多个气流孔(6)，所述气流孔通向位于塔盘(4)上侧上的一个或更多个接触和分离单元(7)，其中，每个接触和分离单元(7)包括具有液体入口(12)的上游接触区(8，9)、以及一个或更多个下游分离区(10)，所述下游分离区配置有旋流器(13)和具有气体出口(14)的顶端；
-降液部(16)，其界定液体排放部；以及
-液体供应部(17)，其将液体输送到接触和分离室中，
其中，接触区(8，9)的截面面积大于接触和分离单元的一个或更多个上述分离区(10)。
2.根据权利要求1的接触和分离塔，其中，接触区(8，9)的截面面积至少比单个分离区(10)的截面面积大50％。
3.根据前述任一权利要求的接触和分离塔，其中，接触区(8，9)的截面为正方形或矩形。
4.根据前述任一权利要求的接触和分离塔，其中，接触和分离单元(7)包括单个接触区(8，9)和多个分离区(10)。
5.根据前述任一权利要求的接触和分离塔，其中，气体出口(14)由液体导流器(15)界定边界。
6.根据前述任一权利要求的接触和分离塔，其中，液体导流器(15)包括径向截面为U形的回流裙部，该回流裙部的开口侧布置在分离区(10)的顶部边缘上方。
7.根据前述任一权利要求的接触和分离塔，其中，接触区(8，9)内至少局部填充有填充材料。
8.根据前述任一权利要求的接触和分离塔，其中，相邻接触和分离室中的降液部(16)相互偏置，其中处于上部的接触和分离室的液体排放部构成处于下部的接触和分离室的液体供应部。
9.根据前述任一权利要求的接触和分离塔，其中，在塔盘(4)的边缘处，降液部(16)包括挡流结构，其中，所述挡流结构和塔壁(2)界定液体排放部。
10.一种接触和分离塔盘，其用于根据前述任一权利要求的接触和分离塔中，其中，该接触和分离塔盘(4)包括底板(5)，底板具有多个气流孔(6)，所述气流孔通向位于塔盘(4)上侧上的一个或更多个接触和分离单元(7)，其中，每个接触和分离单元(7)包括具有液体入口(12)的上游接触区(8，9)、以及一个或更多个下游分离区(10)，所述下游分离区配置有旋流器(13)和具有气体出口(14)的顶端，所述气体出口由液体导流器(15)界定边界；其中，接触区(8，9)的截面面积大于分离区(10)。
11.根据权利要求10的接触和分离塔盘，其中，挡流结构位于塔盘(4)的边缘处，该挡流结构和塔壁(2)界定液体排放部。
12.根据权利要求10或11的接触和分离塔盘，其中，接触和分离单元(7)包括盒形接触区(8，9)，所述盒形接触区通向一个或更多个管状分离区(10)。
13.利用液体处理气体的工艺，该工艺包括：在接触和分离塔(1)的处于下部的接触和分离室(3)中，在气体入口(6)处将气体引入，在液体入口(12)处将液体引入，该接触和分离塔是根据权利要求1至9中的任一权利要求的接触和分离塔。
14.根据权利要求13的工艺，其中，气体在接触区(8，9)中的流动速度小于在分离区(10)中的流动速度。
15.根据权利要求14的工艺，其中，所述气体是天然气。
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