JP6595778B2 - ランダム充填物の区画から成る交換カラム接触装置 - Google Patents

ランダム充填物の区画から成る交換カラム接触装置 Download PDF

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Description

本発明は、海洋の気液接触カラムの分野に関し、特に海洋のガス処理ユニット、CO捕捉ユニット、脱水ユニット、または蒸留ユニットに関する。
アミン洗浄プロセスを使用する海洋のガス処理ユニットおよびCO捕捉ユニットの少なくとも一方は、液体状または気体状の流体を吸収および再生する複数の吸収・再生カラムを有する。これらのカラムは、気体/液体の流れが向流または並流である条件の下で動作し、FPSO(浮体式海洋石油・ガス生産貯蔵積出設備)型またはFLNG(浮体式液化天然ガス)型の船舶、フローティングバージ、または海洋プラットフォーム上に設置される。フローティングバージは、複数の蒸留カラムまたは脱水カラムも有する。
これらの海洋のガス処理ユニットとCO捕捉ユニットと蒸留ユニットと脱水ユニットとのうちの少なくとも1つにおいて使用されるカラムは一般に、カラム内を循環する気体と流体との間の、物質交換および熱交換の少なくとも一方の原理に基づく。接触カラムは一般に、流体同士の間の交換を促進する内部接触部材を備えた円筒状の囲い(enclosure)から成る。接触表面積を増大させる接触部材(接触装置)は、構造化充填物、ランダム充填物、またはトレイであってもよい。図1は、カラム頂部に分配トレイを備えたガス処理カラム(1)の特定のケースを示す。この例では、気体(G)および液体(L)が向流として循環する。従来、このガス処理カラム(1)は、接触装置によって充填された数個の部分3を有し、分配トレイ2が各接触装置の上方に配置される。気体/液体接触装置は、気体Gを液体Lと接触させて交換を可能にする。
対象となる気体/液体接触カラムは、波動の影響を受けやすい、たとえば船舶型、プラットフォーム型、またはバージ型の浮体構造上に配置される。したがって、これらのユニット、特に気体/液体分配トレイおよび接触装置上に設置される機器、は、最大で6度の自由度(船首揺、縦揺、横揺、上下揺、左右揺、スラスト)の波動を受ける。
特徴的なデータとして、縦揺と横揺の組合せに関連する角度は+/−5°程度であり、周期は15sから20sの範囲である。カラムに生じる縦加速度、横加速度、および鉛直加速度の大きさはそれぞれ、カラムが配置されたデッキの6m上方における、0.24/0.76/0.25m/sと、カラムが配置されたデッキの50m上方における、0.33/1.28/0.33m/sとの間の範囲である。そのような条件の下では、従来の接触カラムの動作が著しく阻害されることがある。実際、波動の影響を受ける状態では、カラムが傾斜することによってカラム部分内における位相分布の均一性が低下する。
充填物層内におけるこの不十分な分布が調整されなければ、接触カラムの性能を実質的に低下させることがある。この種の問題を回避するために、様々な適切な構造化充填物の積層体が開発されている。
たとえば、特許文献1は、充填物部分の仕切りを有する接触装置の実施形態を開示している。第1の実施形態では、充填物部分は有孔壁によって仕切られる。したがって、カラムは構造化充填物を備えた数個の区画(compartment)で構成される。第2の実施形態では、各充填物部分は他の部分に垂直に隣接し、したがって、カラムの全体は、複数の構造化充填物部分で構成される。
さらに、特許文献2は、カラムの軸方向において、各充填物部分の組立体が中央の充填物部分本体を囲むように構造化充填物部材を配置した接触装置の実施形態を開示している。しかし、この実装形態は複雑である。
その他に、特許文献3および特許文献4は、充填物層がそれぞれに異なる幾何学的面積を有する2種類の充填物から成る接触装置の実施形態を開示している。この特許によれば、それぞれに異なる面積を有する充填物層は、カラムの軸方向または半径方向に重ね合わされてもよい。特許文献3および特許文献4では、カラムの各部分が数個の充填物部分に分割されることはなく、したがって、三次元で波動の影響を受ける状況下では、これらの実施形態は、液体が左右に変位することをすべての方向において防止することはできない。したがって、これらの実施形態は、海洋環境において液相および気相の良好な分布を実現することができない。
これらの解決手段は一般に、ランダム充填物よりも海洋環境の影響を受けにくいという利点をもたらす構造化充填物によって実現される。ここで、ランダム充填物は、伝達効率、圧力降下の低さ、および設置の容易さに関しても興味深い特性を有する。
米国特許出願第5486318号 米国特許出願第5984282号 米国特許出願第7559539号 米国特許出願第7559540号 ヨーロッパ特許出願第1478457号 WO2008/067031 フランス特許第2913353号(米国特許出願第2010/0213625号) 米国特許第3679537号 米国特許第4296050号
本発明は、海洋接触カラムにおいてランダム充填物を使用することに関する欠点を解消することを可能にする。本発明による接触装置は、数個の区画においてランダム充填物構成を有し、それによって、接触カラムにおいて良好な分布均一性を実現し、したがって、海洋環境においてランダム充填物によってもたらされる利点の恩恵を受けることを可能にする。各区画は、有孔板または構造化充填物から成る壁によって仕切られる。本発明はさらに、特にカラムが傾斜した場合であっても、その傾斜方向に関わらず、カラムが円滑に動作することを可能にする。
本発明は、2つの流体間の熱交換および物質交換の少なくとも一方を対象とするカラム用の接触装置であって、ランダム充填物を有する接触装置に関する。ランダム充填物は、少なくとも1枚の壁によって仕切られる数個の区画間で分散される。
本発明によれば、各区画の形状は、実質的に、平行6面体状である、円筒状である、角柱状である、および、円筒の一部分の形状を有する、という特徴のうち、少なくとも1つの特徴を有する。
少なくとも1枚の壁は、構造化充填物から成ることが有利である。
構造化充填物の幾何学的比表面積は125m/mから750m/mの間の範囲であることが好ましく、実質的に250m/mに等しいことが好ましい。
さらに、少なくとも1枚の壁は有孔板であってもよい。
本発明の一実施態様によれば、各区画は実質的に平行四辺形であり、各壁は、水平面において実質的に互いに垂直な帯状部を形成する。
代替として、各区画は、実質的に円筒状であり、各壁は、水平面において実質的に同心状の円を形成する。
接触装置の外周部は、構造化充填物の壁によって形成されることが有利である。
さらに、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対象とするカラムであって、2つの流体が、本発明による少なくとも1つの接触装置によって接触させられるカラムに関する。
本発明は、特に炭化水素捕捉用の浮体構造であって、本発明による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対象とする少なくとも1つのカラムを有する浮体構造にも関する。
さらに、本発明は、ガス処理プロセス、CO捕捉プロセス、蒸留プロセス、または空気転換プロセスにおける本発明によるカラムの使用方法に関する。
本発明によれば、海洋接触カラムにおいてランダム充填物を使用することに関する欠点を解消することが可能である。
前述した、カラム頂部に分配トレイを備えたガス処理カラムまたはCO捕捉カラムの特定のケースを示す図である。 本発明による接触装置についての、有孔板によって仕切られた各区画の配置の一実施形態を示す図である。 本発明による接触装置についての、有孔板によって仕切られた各区画の配置の一変形実施形態を示す図である。 本発明による接触装置についての、有孔板によって仕切られた各区画の配置の一変形実施形態を示す図である。 本発明による接触装置についての、構造化充填物によって仕切られた各区画の配置の一実施形態を示す図である。 本発明による接触装置についての、構造化充填物によって仕切られた各区画の配置の一変形実施形態を示す図である。 本発明による接触装置についての、構造化充填物によって仕切られた各区画の配置の一変形実施形態を示す図である。 本発明による接触装置についての、構造化充填物によって仕切られた各区画の配置の一変形実施形態を示す図である。 本発明による接触装置についての、構造化充填物によって仕切られた各区画の配置の一変形実施形態を示す図である。 本発明による接触装置についての、構造化充填物によって仕切られた各区画の配置の一変形実施形態を示す図である。
本発明による方法の他の特徴および利点は、添付の各図を参照して非制限的な例として与えられる実施形態についての以下の説明から明らかになるだろう。
本発明は、2つの流体間の熱交換および物質交換の少なくとも一方を対象とするカラム用の接触装置に関する。接触装置は、2つの流体を接触させることを可能にして2つの流体間の熱交換および物質交換の少なくとも一方を推進する部材である。本発明による接触装置は、各ランダム充填物を含む数個の区画を有する。
ランダム充填物と呼ばれるものは、特定の形状、たとえば、リング、螺旋などを有するユニット部材の無秩序で無作為の積層体で構成される。熱交換および物質交換の少なくとも一方は、これらのユニット部材内で生じる。各部材は、金属、セラミック、プラスチック、または同様の物質で構成されてもよい。特許文献5および特許文献6は、ランダム充填物ユニット部材の2つの例について説明している。ランダム充填物は、伝達効率、圧力降下の低さ、および設置の容易さに関して興味深い特性を有する。
本発明によれば、接触装置は、各々が複数のランダム充填物を含む複数の区画を有している。本発明の基本的な原則は、ランダム充填物層をカラムの軸線方向、すなわち、接触装置の軸線方向に分割して数個のランダム充填物の区画を得ることである。各区画は、複数の有孔板と複数の構造化充填物の少なくとも一方で構成された壁によって仕切られている。各壁は、カラムの軸線およびランダム充填物層の軸線に実質的に相当する接触装置の軸線に実質的に平行である。ランダム充填物部分を壁(有孔板と構造化充填物の少なくとも一方)によって仕切られた数個の層(区画)に分割すると、特にうねりに関係する動きによってカラムが傾斜している状態で、大量の液体が左右に変位することまたは充填物内に液体の優先経路が形成されることを防止することができる。実際、壁(有孔板と構造化充填物の少なくとも一方)は、液相および気相の慣性および左右の変位を減衰/減速させることを可能にし、したがって、充填物層において良好な相分布均一性および一様性を実現する。さらに、カラムの傾斜もランダム充填物の変位を生じさせることがあるので、各区画はランダム充填物のこのような変位を制限することを可能にする。
各区画は、実質的に平行6面体状、円筒状、角柱状であるか、または円筒の一部分の形状を有していることが有利である。各区画は、壁(有孔板と構造化充填物の少なくとも一方)に囲まれていることが有利である。区画は、接触装置の外周部に配置されると、有孔板と構造化充填物で構成された壁の少なくとも一方およびカラム(カラムシェル)に囲まれる。複数の区画の形をした接触装置のレイアウトは、すべての方向における流体の慣性および変位を減衰/減速させることを可能にする。
第1の実施形態によれば、区画は複数の有孔板によってのみ仕切られる。ランダム充填物部分が有孔板によって仕切られるこの実施形態では、複数の孔が、壁の各側の圧力の釣り合い、したがって、様々な区画間の圧力の釣り合いをとることを可能にする。各有孔板は、たとえば金属で作られている。
図2〜図4は、(複数の有孔板を有する)本発明の第1の実施形態の様々なバリエーションを示している。各図は、構造化充填物構成の水平面における図に相当する。これらの図では、ランダム充填物はAによって示され、有孔板はPによって示されている。
図2および図3の例では、各区画は実質的に平行6面体状である。図示のように、各有孔板は、水平面において2つの方向に沿って配置されている。この2つの方向は、実質的に互いに垂直である。これらの変形実施形態では、ランダム充填物Aの各区画は、各有孔板および場合によってはカラムφの外郭に囲まれている。図3の例は、図2の例よりも多くのブロックを有し、したがって、この変形実施形態は、直径の大きいカラムまたはより大きい傾斜を受けるカラムにより適している。これらの変形実施形態の一態様によれば、カラムφの直径は0.5mから10mの間の範囲であり、ランダム充填物Aの各区画の各寸法LA1およびLA2は、0.2mから5mの間の範囲である。
図4の変形実施形態では、各区画は実質的に円筒状である。図示のように、各有孔板は水平面において同心円を形成する。連続する2枚の壁間の間隔は実質的に同一であってもよい。この変形実施形態では、実質的に頂部を形成する各ランダム充填物の区画Aは、各有孔板および場合によってはカラムφの外郭に囲まれている。この変形実施形態の一態様によれば、カラムφの直径は、0.5mから10mの間の範囲であり、各ランダム充填物の区画Aの寸法、すなわち、LA3は0.2mから5mの間の範囲であり、LA5は0.1mから2.5mの間の範囲である。
本発明の第2の実施形態によれば、各区画は、構造化充填物の壁によって仕切られている。この構成は、各充填物に特有の利点を組み合わせ、熱交換カラムおよび物質交換カラムの少なくとも一方において良好な分布均一性および一様性を実現することを可能にする。
構造化充填物と呼ばれるものは、特に特許文献7、特許文献8、および特許文献9に記載されたように大きい複数のブロックの形で組織的に波形にされた複数のプレートまたは折り畳まれた複数のシートの積層体である。構造化充填物を構成する各プレートは、横断面において主方向を有する。したがって、主方向は、各プレートの構造によって画定される鉛直軸に垂直な方向である。構造化充填物は、与えられた代表直径に対して大きい幾何学的面積を与える利点をもたらす。
本発明によれば、構造化充填物を有する接触装置は、上下に積み重ねられた数個の構造化充填物層を有する。各流体間の交換を推進するために、接触装置の各層は、様々な主方向を有し、各主方向は好ましくは、互いに垂直である。各層の高さは0.1mから0.3mの間の範囲であってよく、好ましくは0.21mに等しい。
構造化充填物の幾何学的比表面積は、充填物によって形成される全面積に相当し、この表面積は、体積単位当たりに利用可能な充填物の幾何学的表面積として表される。従来、構造化充填物は、100m/mから750m/mの間の範囲の幾何学的比表面積を形成することがある。構造化充填物は、その幾何学的レイアウトの結果として、ランダム充填物と同じ水圧容量でランダム充填物の比表面積よりも大きい比表面積を形成する。本発明のこの実施形態では、構造化充填物の幾何学的比表面積は、125m/mから750m/mの間の範囲であり、好ましくは250m/mに等しい。
構造化充填物の比表面積は、ランダム充填物の比表面積よりも大きいので、ランダム充填物の区画を仕切る構造化充填物の壁は、液相および気相の慣性および左右の変位を減衰/減速させ、したがって、充填物層において良好な分布均一性および一様性を実現する。
図5〜図11は、(構造化充填物の壁を有する)本発明の第2の実施形態の様々なバリエーションを示している。これらの図は、構造化充填物構成の垂直面における図に相当する。これらの図において、ランダム充填物はAによって示されており、構造化充填物はBによって示されている。
図5および図6の各実施形態では、各区画は実質的に平行6面体状である。さらに、構造化充填物Bで構成された各壁は、実質的に複数の帯状部の形状(すなわち、幅が水平面における長さよりもずっと小さい)を有する。図示のように、各帯状部は、水平面における2つの方向に沿って配置されている。この2つの方向は実質的に互いに垂直である。これらの変形実施形態では、各ランダム充填物の区画Aは、構造化充填物の帯状部Bに囲まれ、かつ場合によってはカラムφの外郭に囲まれている。図6の例は、図5の例よりも多くのブロックを有し、したがって、この変形実施形態は、直径の大きいカラムまたはより大きい傾斜を受けるカラムにより適している。これらの変形実施形態の一態様によれば、カラムφの直径は0.5mから10mの範囲であり、各ランダム充填物の区画Aの寸法LA1およびLA2は、それぞれ0.2mから5mの間の範囲であり、各構造化充填物の帯状部Bの寸法LB1およびLB2は、それぞれ0.1mから2.5mの間の範囲である。たとえば、図6の実施形態では、各寸法は以下のように選択されてもよい。すなわち、カラムφの直径が4mであり、各ランダム充填物の区画Aの寸法LA1およびLA2がそれぞれ0.75mであり、各構造化充填物の帯状部Bの寸法LB1およびLB2がそれぞれ0.2mである。
図7および図8の各変形実施形態は、接触装置の外周部が構造化充填物Bで構成された図5および図6の各変形実施形態に相当する。第2の構造化充填物のブロックを外周部に配置すると、特にカラムの壁に液体を蓄積することが可能になる。構造化充填物Bで構成された各壁は、実質的に複数の帯状の形状を有している。図示のように、各帯状部は、水平面において2つの方向に沿って配置されている。この2つの方向は、実質的に互いに垂直である。これらの変形実施形態では、各ランダム充填物の区画Aは、各構造化充填物Bによってのみ囲まれている。図8の例は、図7の例よりも多くのブロックを有し、したがって、この変形実施形態は、直径の大きいカラムまたはより大きい傾斜を受けるカラムにより適している。たとえば、カラムφの直径は0.5mから10mの間の範囲であり、各ランダム充填物の区画Aの寸法LA1およびLA2は、それぞれ0.2mから5mの間の範囲であり、各構造化充填物の帯状部Bの寸法LB1およびLB2は、それぞれ0.1mから2.5mの間の範囲であり、外周部壁LB3の寸法は0.1mから2.5mの間の範囲である。
図9の変形実施形態では、各区画は、水平面において実質的に円筒状(筒状)であり、各ランダム充填物および各構造化充填物の構成は、各ランダム充填物の区画Aと各構造化充填物の壁Bが交互に配置された1組の同心円を形成する。この変形実施形態では、接触装置の中心は構造化充填物Bで構成され、接触装置は、構造化充填物Bから成る周辺壁を有している。したがって、各ランダム充填物の区画Aは、構造化充填物Bに囲まれている。たとえば、カラムφの直径は、0.5mから10mの間の範囲であり、各ランダム充填物の区画Aの寸法LA3およびLA4は、それぞれ0.2mから2.5mの間の範囲であり、各構造化充填物の帯状部Bの各寸法として、LB4は0.2mから1mの間の範囲であり、LB5およびLB6は、0.1mから2.5mの間の範囲であり、外周部ブロックLB3の寸法は0.1mから2.5mの間の範囲である。
図10の変形実施形態では、ランダム充填物の区画の大部分および構造化充填物で構成された壁の大部分は、実質的に円筒状(筒状)であるか、または円筒(または筒)の一部分の形状を有し、区画の少数部分および壁の少数部分は、水平面において実質的に矩形である。ランダム充填物および構造化充填物の構成は、各ランダム充填物Aと各構造化充填物Bが交互に配置された複数の円の同心部分(たとえば、実質的に4分の1円)の組を形成する。さらに、この構成は数個の矩形を有する。この構成は、充填物Aと充填物Bの交互構成を形成する。この変形実施形態では、接触装置の中心が構造化充填物Bで構成され、接触装置は、構造化充填物Bから成る周辺壁を有している。したがって、各ランダム充填物の区画Aは、構造化充填物の壁Bに囲まれている。図10の例は、図9の例よりも多くの区画を有し、したがって、この変形実施形態は、直径の大きいカラムまたはより大きい傾斜を受けるカラムにより適している。たとえば、カラムφの直径は0.5mから10mの間の範囲であり、各ランダム充填物の区画Aの寸法LA3、LA4、LA6は、それぞれ0.2mから2.5mの間の範囲であり、各構造化充填物の帯状部Bの各寸法として、LB4は0.2mから1mの間の範囲であり、LB5およびLB6は0.1mから2.5mの間の範囲であり、外周部壁LB3の寸法は0.1mから2.5mの間の範囲である。
これらの実施形態は、特に、各流体の均一な分布を実現しつつ、接触カラムにおける各充填物部材の実際的な取付けの簡略化を可能にする簡素な構成を実現することを可能にする。
さらに、たとえば、充填物Bによって作られ互いに対して45°に向けられた複数の壁と複数の帯状部の少なくとも一方によって実質的に三角形の各ブロックを画定するか、または図9および図10の構成を使用し、一方、周辺の構造化充填物の壁を除去するか、または各有孔板と構造化充填物を組み合わせて使用して各区画を仕切ることによって他の実施形態も考えられる。
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を対象とするカラム1であって、2つの流体が少なくとも1つの気体/液体接触装置3によって接触させられ、カラム1が、少なくとも液体流体用の第1の入口と、少なくとも気体流体用の第2の入口と、少なくとも気体流体用の第1の出口と、少なくとも液体流体用の第2の出口とを有するカラム1にも関する。本発明によれば、接触装置は上記の通りである。さらに、カラム1は、各流体を接触装置3上に分配することを可能にする少なくとも1つの分配トレイを有してもよい。
気体および液体は、向流または並流としてカラム内を循環してもよい。
さらに、本発明は、特に炭化水素を捕捉するための、たとえばFPSO型またはFLNG型のプラットフォーム、船舶、バージなどの浮体構造に関する。この浮体構造は、本発明による少なくとも1つの物質交換カラムと少なくとも1つの熱交換カラムの少なくとも一方を含む少なくとも1つの炭化水素処理ユニットを有する。
本発明によるカラムは、ガス処理プロセス、CO捕捉プロセス(たとえば、アミン洗浄)、蒸留プロセス、または空気転換プロセスにおいて使用されてもよい。
さらに、本発明は任意の溶剤種と一緒に使用されてもよい。
1 カラム
3 接触装置
A ランダム充填物
B 構造化充填物
φ カラム
LA1、LA2、LA3、LA4、LA5、LA6、LB1、LB2、LB3、LB4、LB5、Lb6 寸法

Claims (9)

  1. ランダム充填物(A)を有し、2つの流体間の熱交換および物質交換の少なくとも一方を対象とするカラム用の接触装置において、
    前記ランダム充填物(A)は、前記接触装置(3)の軸線方向に当該ランダム充填物を分割する少なくとも1枚の壁によって仕切られた複数の区画に分散して設けられ、前記少なくとも1枚の壁は、ブロック状で組織的に配置された波形プレートまたは折り畳みシートの積層体である構造化充填物(B)からなり、前記2つの流体の横方向の変位を減衰させることを可能にするように構成されていることを特徴とする接触装置。
  2. 前記区画は、平行6面体状である、円筒状である、角柱状であるか、円筒の一部分の形状を有するかの少なくともいずれかである、請求項1に記載の接触装置。
  3. 前記構造化充填物(B)の幾何学的比表面積は、125m/mから750m/mの間の範囲であ、請求項1または2に記載の接触装置。
  4. 前記区画は平行6面体状であり、前記壁は、水平面において互いに垂直な帯状部を形成する、請求項1からのいずれか1項に記載の接触装置。
  5. 前記区画は、円筒状であり、前記壁は、水平面において同心状の円を形成する、請求項1からのいずれか1項に記載の接触装置。
  6. 前記接触装置(3)の外周部は、構造化充填物(B)の壁によって形成される、請求項1からのいずれか1項に記載の接触装置。
  7. 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対象とするカラムであって、前記気体および前記液体は、請求項1からのいずれか1項に記載の少なくとも1つの接触装置によって接触させられるカラム。
  8. 特に炭化水素捕捉用の浮体構造であって、請求項に記載の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対象とする少なくとも1つのカラム(1)を有することを特徴とする浮体構造。
  9. 請求項に記載のカラムを、ガス処理プロセス、CO捕捉プロセス、蒸留プロセス、または空気転換プロセスにおいて用いるカラムの使用方法。
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