JP2016523179A - ２次分配システムを備えた気液接触塔のための分配トレイ - Google Patents

Abstract

気体と液体との間の熱交換および物質交換の少なくとも一方を意図した塔の分配トレイ２に関する本発明は、気体通過ケーシング（４）と、液体通過手段（６）と、トレイ（２）の下部から突出した２次分配システム（７）とを有する。２次分配システム（７）は、液体を収集し、接触器上により均一に分配することを可能にする。

Description

本発明は、気液接触塔の分野に関し、特には、気体処理ユニット、ＣＯ₂回収ユニットまたは蒸留ユニットのための気液接触塔に関する。

気体処理ユニット、アミン洗浄プロセスを利用したＣＯ₂回収ユニットおよび蒸留ユニットの少なくとも１つは、気体と液体との間の物質交換および／または熱交換のための複数の塔を有し、それらの塔は、例えば、液体または気体の吸収塔および再生塔でもよい。これらの塔は、向流または並流の気体／液体流動条件の下で動作する。

それらの気体処理ユニット、ＣＯ₂回収ユニット、蒸留ユニットおよび脱水ユニットの少なくとも１つは、一般的に、塔内を循環する気体と液体との間の物質交換および／または熱交換の原理に従って動作する。図１は、分配トレイを備えた気体処理塔１の頂部の特別な場合を示す。従来、この気体処理塔１は、接触器を充填した複数のセクション３と、セクション３のそれぞれの上に配置された分配トレイ２とを有する。この気液接触器は、交換を可能にするように気体Ｇを液体Ｌと接触させる。

例えば、吸収／再生塔または蒸留塔に使用される標準的な分配器２は、一般的に、筒４すなわち気体通過ケーシングを備えた収集／分配トレイから構成される（図２参照）。液体の分配は、トレイ２の下部に配置されたオリフィス５を介して液体を通過させることで行われ、気体の分配は、ケーシング４を介して行われる。各ケーシング４は、向流モードまたは並流モードに応じて、塔の下側から上側、または塔の上側から下側に気体を通過させることができる。ケーシング４は、トレイ２の片側から突出し、トレイ２に対して垂直である。各ケーシング４は、トレイ２の両側に開いた内部体積の範囲を定める、例えば、平行六面体形状または円筒形状のいくつかの壁からなる。液体のケーシング４への流入を防ぐために、トレイ上の気体排出口または気体注入口（これは向流モードまたは並流モードに応じて変わる）がキャップ（べベルとも呼ばれる）で覆われることが好ましい。分配トレイの目的は、気液接触器３上に均一に液体（Ｌ）を分配することである。

気体と液体との間の交換を最適化するために、多くの分配トレイが開発されてきた。これらの分配／収集トレイは、以下の２つの主要なファミリーに分類することができる。

第１のファミリーは、特許文献１〜６に記載されているような、筒を備えた分配器／収集器システムである。筒を備えたこの種のシステムでは、液体は、トレイ上に設けられるオリフィスを介して、または、オリフィスまたはスロットを備えた液体通過筒を介して分配され（図２の例参照）、気体は気体通過筒またはケーシングを通って分配される。トレイに設けられたオリフィスを介した液体の分配、または液体通過筒による液体の分配は、オリフィスまたは筒を多数備えなければ、接触器上の液体を均一に分配することができないが、しかしながら、それは、トレイが（液体通過筒が多数になるために）複雑で重くなってしまう。

第２のファミリーは、特許文献７〜１２に記載されているような専用の供給システム（上流収集システムまたは中間供給システム）が設けられた分配器ケーシングを備えたシステム、または、特許文献１３〜１５に記載されたような気体通過ケーシングを備えた分配／収集システムである。この種類の分配器には、ほとんどの場合、気体通過ケーシング上に配置された液体分配システムが設けられている。

しかしながら、専用の供給システムを必要とする液体分配システムは、分配器の上流に収集器が存在するため、非常に大きくなってしまうことが多い。さらにそれらの液体分散システムは、接触器上の液体を均一に分配することができない。また、いくつかの気体通過ケーシングの形状は、高い圧力降下を引き起こし、塔の効果を制限してしまう。

ほとんどの場合、従来技術のシステムは、分配トレイに対する十分な適応性を提供していない。分配トレイの適応性は、高い流体（液体または気体）流速と同様に低い流体流速についても、良好な液体分配を提供できる能力によって定義される。高い適応性を備えた分配トレイは、交換効率の向上または使用される流体に対する適合のために、流体間の物質交換および熱交換の少なくとも一方の動作条件（特に流速）を変化させることで使用されてもよい。実際、それらの動作条件を変化させることができる。例えば、液体の溶射速度（塔の表面積に対する流体流速）は、５〜１２０ｍ³/ｍ²/hまでの範囲とすることができ、気体の反応速度因子（気体空塔速度に基づく気体の慣性の平方根）は、０．５〜４Ｐａ^1/2までの範囲とすることができ、ターンダウン（塔の最小の動作流速）に対する名目流速の比は、１と５〜６の間の範囲である。また、塔は１〜１０ｍの間の直径を有することができる。

液体の均一な分配を提供するために、スプリンクラーの形の分配器が開発されている（特許文献１６）。しかしながら、この種の分配器では、適応性が制限されており、床間分配器として使用されるように、収集装置に関連付けられる必要がある。

英国特許１１６９８７８号明細書 米国特許４８０８３５０号明細書 米国特許４４７２３２５号明細書 米国特許４４２７６０５号明細書 米国特許４８３９１０８号明細書 仏国特許２２０３６５９号明細書 米国特許４９０９９６７号明細書 米国特許４８１６１９１号明細書 米国特許４９８１２６５号明細書 独国特許２７５２３９１号明細書 国際特許８８０２６４７号明細書 仏国特許２５６９１２９号明細書 米国特許４６８９１８３号明細書 米国特許５１３２０５５号明細書 米国特許４４３２９１３号明細書 米国特許４７７６９８９号明細書

本発明は、気体と液体との間の物質交換および／または熱交換のため塔の分配器に関し、気体通過ケーシング、液体通過手段および２次分配システムを有する。２次分配システムは、液体を収集し、接触器上により均一に分配できる。このため、本発明による分配トレイは、より単純な方法で、液体の良好な分配を実現し、圧力低下を制限し、良好なトレイ適応性を有することができる。

本発明は、気体と液体との間の熱交換および物質交換の少なくとも一方を意図した塔のための分配トレイに関し、前記分配トレイを介して前記気体を通過させるための、前記分配トレイの上部から突出した少なくとも１つの気体通過ケーシングと、前記分配トレイを介して液体を通過させるための少なくとも１つの液体通過手段とを有する。前記分配トレイは、前記液体通過手段からの前記液体を分配するために、前記分配トレイの下部から突出した少なくとも１つの２次分配システムをさらに有する。

本発明によれば、前記分配トレイは、少なくとも１つの有孔ケーシングからなる。

前記有孔ケーシングは、複数の孔を有することが有利である。

各有孔ケーシングは、略槽形状を有することが好ましい。
前記有孔ケーシングは、略台形状または略長方形状の横断面および縦断面を有し、各断面において最も長い辺は、前記分配トレイの側にあることが有利である。

本発明の一実施形態によれば、前記有孔ケーシングは、前記液体を通過させることが可能な管を有する。

前記管の少なくとも一部は、前記有孔ケーシングの内側に突出してもよい。

また、前記管の少なくとも一部は、前記有孔ケーシングの外側に突出してよい。

さらに、前記有孔ケーシングの外側に突出している前記管の少なくとも一部は、傾斜してもよい。

変形として、前記有孔ケーシングの外側に突出している前記管の少なくとも一部は、斜角終端（bevelled end）を有する。

本発明によれば、前記２次分配システムは、前記気体通過ケーシングを含まない反対側領域に配置された複数の有孔ケーシングを有する。
前記気体通過ケーシングは、略平行六面体形状であることが有利である。
複数の前記気体通過ケーシングを有し、各気体通過ケーシングは、他の気体通過ケーシングと平行であることが好ましい。

本発明の実施形態によれば、前記液体通過手段は、前記分配トレイの上部から突出した少なくとも１つの筒を有し、前記筒は、前記液体の流入のための半径方向のオリフィスと、前記液体を前記２次分配手段（７）の上へ噴き出す開口とを有する。

前記筒は、前記分配トレイの上面に対して異なる高さで配置された少なくとも２つの半径方向のオリフィスを有することが有利である。

代わりに、前記液体通過手段は、前記気体通過ケーシングの側部オリフィスと、液体を前記気体通過ケーシングから前記２次分配システムへ流動させることが可能な液体流動手段とを有してもよい。

また、本発明は、気体と液体との間の熱交換および物質交換の少なくとも一方のための塔に関し、前記気体および前記液体は、接触器によって接触され、前記接触器の上へ前記気体および前記液体を分配できる。

本発明によれば、前記分配トレイ上の液体を分配するために前記分配トレイの上方に配置された少なくとも１つの分周器をさらに有し、前記分周器は、前記液体を通過させるために孔があけられ、前記気体または液体を通過させるための少なくとも１つの隆起孔を有する。

また、本発明は、本発明による塔を使用した、気体処理方法、ＣＯ₂回収方法、蒸留方法または空気転換方法に関する。

分配トレイを備えた気体処理塔またはＣＯ₂回収塔の頂部の特別な場合を示す。 先行技術による分配トレイを示す。 本発明の第１の実施形態による分配トレイを示す。 本発明の第１の実施形態の分配トレイの別の例を示す 図４の分配トレイの下面を示す。 第１の実施形態のための液体筒を示す。 本発明による分配トレイの２次分配システムの別の例を示す。 本発明による分周器が上に配置される、本発明によるトレイの上面を示す。 本発明による分周器の実施形態を示す。 本発明の第２の実施形態による分配トレイを示す。

図３および図４は、本発明による分配器の第１の実施形態を示す。

本発明は、気体Ｇと液体Ｌとの間の熱交換および物質交換の少なくとも一方を意図した塔１のための分配トレイ２に関し、慣習通りに、分配トレイ２を介して気体が通過するための少なくとも１つのケーシング４と、筒６のような、分配トレイ２を介して液体が通過するための少なくとも１つの手段と、少なくとも１つの２次分配システム７とを有する。分配トレイ２は、その上面に液体防護面を形成してもよい。ケーシング４および筒５は、分配トレイ２の上部から（塔の頂部に向かう方向に）突出しているが、２次分配システム７は、分配トレイ２の下部から（塔の底部に向かう方向に）突出している。２次分配システム７は、主（つまり、１次）分配システムと考えられる液体通過手段に関連して２次と呼ばれる。

気体通過ケーシング４は、向流モードで動作する塔において、分配トレイ２の底部側から頂部側へ気体を通過させることができる。気体通過ケーシング４は、気体を通過させるための広い開口を提供し、圧力降下を制限するように略平行六面体形状であることが好ましい。さらに、分配トレイ２が複数の気体通過ケーシング４を有する場合、それらは、他のものと平行に配置されてもよい。図３の変形実施形態によれば、４つの気体通過ケーシングは、大きさが異なり、分配トレイ２上におけるそれらの間の空間を平行に区切っている。図４の変形実施形態によれば、４つの気体通過ケーシング４は、略同一の大きさを有し、分配トレイ２上の空間を平行かつ垂直に区切っている。これらの例は、気体通過ケーシング４の可能な実施形態を網羅していない。気体通過ケーシング４は、液体がそのケーシングに流入することを防ぐために、キャップ（べベルとも呼ばれる）で覆われることが好ましい。

液体通過手段は、分配トレイ２の頂部から下側へ液体を通過させることができる。図３および図４の実施形態によれば、その手段は、筒の集合から構成される分配トレイ２を介して液体を通過させることができる。略管状の筒６は、気体通過ケーシング間に配置される。筒６の数は、気体通過ケーシング４の数よりも多いことが有利である。液体通過筒６のピッチは、三角形状または四角形状である。

図６は、この実施形態で用いられる筒６の例である。筒の高さＨは、気体通過ケーシング４の高さよりも小さい（例えば、筒６の高さを６００ｍとし、ケーシング４の高さを７００ｍとすることができる）。液体ガードの高さが非常に大きい場合に液体が気体通過ケーシングに流入することを防ぐために、筒には開口部１０が設けられる。さらに筒６は、液体が筒６に直接流入することを防ぐためにキャップ（または、ベベル）を有する。筒６は、液体が筒６に流入することを防ぐために、少なくとも１つ、好ましくは図示されたように２つの半径方向のオリフィス９を有し、これにより、液体は分配トレイより低い位置に重力によって運ばれる。筒６が少なくとも２つの半径方向のオリフィス９を有する場合、それらは異なる高さｈ_R1およびｈ_R2を有することが好ましい。これにより、液体流速が低い場合、分配トレイ上の液体ガードの高さ（トレイの高さに対する液体の相対的な高さ）は低く、第１の半径方向のオリフィスのみから、液体を分配トレイを介して流すことができる。流体流速が高い場合、液体ガードの高さは大きくなり、第１および第２の半径方向のオリフィスから、液体を分配トレイ６を介して流すことができる。この特性のために、分配トレイは、様々な流速に適し、したがって適応性がある。

さらに、本発明による分配トレイは、そのトレイの下側から突出する、少なくとも１つの２次分配システムを有する。２次分配システム７は、均等分配法により、トレイ２の下に配置された接触器３の上方にある液体通過手段からの液体を分散させることができる。本発明の一実施形態によれば、２次分配システムは、トレイ２の下に配置された少なくとも１つの有孔ケーシング７からなる。有孔ケーシング７は、トレイを介して液体通過手段からの液体を収集することができ、このケーシング７の穿孔８は、液体の均一な分配を提供する。例えば、孔の２つの列は、有孔ケーシング７のそれぞれに設けられている。有孔ケーシング７は、特に気体を自由に通過させるために、トレイ２を介して液体の通過させる手段の反対側、図３および図４の実施形態による筒６の反対側、そして、気体通過ケーシング４の反対側にはない。図５は、有孔ケーシング７と気体通過ケーシングとが交互に見える、本発明による分配トレイの下面図を示す。穿孔８は、分配突出点の密度を増加させ、このため、分配の質を向上させることができる。このため、分配器の下に位置する充填層の大きい領域は、従来システムに関するこの分配トレイの利点となっている。また、この概念は、分配トレイ上に存在する筒の数を減らすことによって、本実施形態の複雑さを低減することができ、また、分配トレイの大きさおよび重さも軽減することができる。

この収集を達成するために、有孔ケーシング７は、略槽（トラフ：trough）形状を有するのが有利である。好ましくは、この槽は、図７に示すように、トレイ２の側において、上部に最も長い辺を備えた略台形または略長方形の横断面を有する。さらに槽は、トレイ２の側において、上部に最も長い辺を備えた、略台形または略長方形の縦断面を有する。分配槽の台形形状は、局所的に気体の加速を最小限にしながら、液体が気体通過ケーシングの中に流入されることを防止することを可能にする。

図７(a)〜７(e)は、有孔ケーシングの他の実施形態を示す。図７（ａ）の実施形態によれば、有孔ケーシング７は、穿孔８のみを有する。
図７（ｂ）〜７（ｄ）の実施形態によれば、有孔ケーシング７は、穿孔８に加えて、管１１を有する。

図７（ｂ）の実施形態によれば、有孔ケーシング７は、穿孔８および管１１の両方を有し、管１１は、有孔ケーシングの多孔性を動作流速に適合するように有孔ケーシングへ突出している。有孔ケーシング７の内部とは、有孔ケーシング７とトレイ２によって区切られている空間である。液体流速が低い場合、有孔ケーシング内の液体ガード高さ（ケーシングの底部に対する液体の高さ）は低く、穿孔８だけが液体をケーシングを介して流動させることを可能にし、液体流速がより高い場合、液体ガードの高さは増加し、穿孔８および管１１が液体を有孔ケーシング７を介して流動させることを可能にする。このため、この装置は、全流速範囲上で優れた分布を維持することができ、この特性のため、分配トレイは様々な流速に対応でき、したがって、適応性がある。

図７（ｃ）の実施形態によれば、有孔ケーシング７は、有孔ケーシング７の外側に突出した管１１を有する。有孔ケーシング７の外側とは、有孔ケーシング７の下の空間である。管１１は、流体流を配向することができる。この配向を実現するために、この突出している管は、接触器全体３へ流体を送るように傾斜してもよい。さらに外管１１は、気体加速領域に対して液体出口を相対的にシフトすることにより、液体が流動されることをより強く防ぐことができる。

図７（ｄ）の実施形態は、図７（ｂ）および図７（ｃ）の実施形態を組み合わせており、管１１は、有孔ケーシング７の外側に突出し、それらのうちのいくつかは、有孔ケーシング７の内部にも突出している。

図７（ｅ）に示すように、有孔ケーシング７の外側に突出した管１１は、分配管からの噴流の質を向上させるための面取りを行ってもよい。

内側および外側の少なくとも一方に突出したこのような管１１の使用は、面取りの有無によらず、ケーシング７の穿孔８の一部または全部を占めることができる。より高い適応性のために、内側に異なる高さで突出した管１１が使用されてもよい。

また、本発明は、２つの流体間の物質交換および熱交換の少なくとも一方のための塔１に関し、２つの流体は、気液接触器３によって接触し、塔１は、液体流体のための少なくとも１つの第１の入口と、気体流体のための少なくとも１つの第２の入口と、気体流体のための少なくとも１つの第１の出口と、気体流体のための少なくとも１つの第２の出口とを有する。また、塔１は、上述したように分配トレイ２を含み、接触器３上の流体の分配を可能にする。

気液接触器３としては、積層充填床またはランダム充填床が有利である。

分配器が塔の頂部に設けられた特別な場合、分周器１２が分配トレイ２の上に配置される（図８（ａ）および図８（ｂ））。分周器１２の目的は、一方では、塔の入口における供給ラインからの噴流の慣性を破ることであり、他方では、分配トレイ２の収集空間において液体の良好な分配を提供することである。分周器１２は、降水管と、収集および分配のための空間とで構成される。分周器１２は、液体が分配トレイ２上に分配される孔の列を備える（図９）。本発明の他の実施形態によれば、いくつかの孔１４は、分周器の多孔性で動作流速を調整するように設けられる。この概念は、広い液体流速変動範囲（最小の動作流速および最大の動作流速の間の広い比率）で動作する塔に特に適している。このため、この装置は、広い液体流速範囲において分配トレイ上の液体の良好な分配を維持することができる。

本発明による塔は、気体処理方法、ＣＯ₂回収方法、蒸留または空気転換方法に使用することができる。

（他の実施形態）
図１０（ａ）および図１０（ｂ）で示された本発明の第２の実施形態によれば、トレイ２を介して液体を通過させる手段は、気体通過ケーシング４上の側部オリフィス１４と、液体を気体通過ケーシング４から２次分配手段７に流動させることが可能な液体流動手段１５から構成される。この液体流動手段１５は、気体通過ケーシング４に挿入され、２次分配システム７の中に延伸される。この液体流動手段１５は、ケーシング４の側部オリフィスを含む壁を覆うプレートから構成されることが有利であり、これにより、液体はプレートと気体通過ケーシング４との間に流れ、２次分配システム７に至る。

Claims (19)

1. 気体（Ｇ）と液体（Ｌ）との間の熱交換および物質交換の少なくとも一方を意図した塔のための分配トレイ（２）であって、前記分配トレイ（２）を介して前記気体を通過させるための、前記分配トレイ（２）の上部から突出した少なくとも１つの気体通過ケーシング（４）と、前記分配トレイ（２）を介して前記液体を通過させるための少なくとも１つの液体通過手段（６、１５）とを有する分配トレイ（２）において、
   前記液体通過手段（６，１５）からの前記液体を分配するために、前記分配トレイ（２）の下部から突出した少なくとも１つの２次分配システム（７）をさらに有することを特徴とする分配トレイ。
2. 前記２次分配システムは、少なくとも１つの有孔ケーシング（７）からなる請求項１に記載の分配トレイ。
3. 前記有孔ケーシングは、複数の孔（８）を有する請求項２に記載の分配トレイ。
4. 各有孔ケーシングは、略槽形状を有する請求項２または３に記載の分配トレイ。
5. 前記有孔ケーシングは、略台形状または略長方形状の横断面および縦断面を有し、各断面において最も長い辺は、前記分配トレイ（２）の側にある、請求項４に記載の分配トレイ。
6. 前記有孔ケーシング（７）は、前記液体を通過させることが可能な管（１１）を有する請求項２ないし５のいずれか１項に記載の分配トレイ。
7. 前記管（１１）の少なくとも一部は、前記有孔ケーシング（７）の内側に突出している請求項６に記載の分配トレイ。
8. 前記管（１１）の少なくとも一部は、前記有孔ケーシング（７）の外側に突出している請求項６に記載の分配トレイ。
9. 前記有孔ケーシング（７）の外側に突出している前記管（１１）の少なくとも一部は、傾斜している請求項８に記載の分配トレイ。
10. 前記有孔ケーシング（７）の外側に突出している前記管（１１）の少なくとも一部は、斜角終端（bevelled end）を有する請求項８または９に記載の分配トレイ。
11. 前記２次分配システムは、前記気体通過ケーシング（４）を含まない反対側領域に配置された複数の有孔ケーシング（７）を有する請求項２ないし１０のいずれか１項に記載の分配トレイ。
12. 前記気体通過ケーシング（４）は、略平行六面体形状である請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の分配トレイ。
13. 複数の前記気体通過ケーシングを有し、各気体通過ケーシングは、他の気体通過ケーシングと平行である請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の分配トレイ。
14. 前記液体通過手段は、前記分配トレイ（２）の上部から突出した少なくとも１つの筒（６）を有し、前記筒は、前記液体の流入のための半径方向のオリフィス（９）と、前記液体を前記２次分配手段（７）の上へ噴き出す開口とを有する請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の分配トレイ。
15. 前記筒は、前記分配トレイの上面に対して異なる高さで配置された少なくとも２つの半径方向のオリフィス（９）を有する請求項１４に記載の分配トレイ。
16. 前記液体通過手段は、前記気体通過ケーシングの側部オリフィス（１４）と、液体を前記気体通過ケーシングから前記２次分配システム（７）へ流動させることが可能な液体流動手段（１５）とを有する請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の分配トレイ。
17. 気体と液体との間の熱交換および物質交換の少なくとも一方のための塔（１）であって、
    前記気体および前記液体は、接触器（３）によって接触され、
    前記接触器の上へ前記気体および前記液体を分配できる、請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の分配トレイ（２）を有する塔。
18. 前記分配トレイ（２）上の液体を分配するために前記分配トレイ（２）の上方に配置された少なくとも１つの分周器（１２）をさらに有し、
    前記分周器（１２）には、前記液体を通過させるために孔があけられ、前記気体または液体を通過させるための少なくとも１つの隆起孔（１４）を有することを特徴とする請求項１７に記載の塔。
19. 請求項１６または１７に記載の塔を使用した、気体処理方法、ＣＯ₂回収方法、蒸留方法または空気転換方法。

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