NO162842B - Vertikal kolonne for aa bringe en gass i kontakt med en vaeske. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en vertikal kolonne for

å bringe en gass i kontakt med en væske. Kolonnen omfatter,

i likhet med en kolonne som er beskrevet i f.eks. EP patent-søknad, publ. nr. 92262, flere i vertikal avstand fra hverandre anordnede horisontale plater som hver for seg er forsynt med flere åpninger for gjennomstrømning av oppadstigende gass og minst én fallanordning for nedføring av væske til rommet under platen, hvilken fallanordning danner en kanal som strekker seg delvis over og delvis under platen, er åpen i den øvre ende og er forsynt med væskeuttaksåpninger i den nedre ende.

Under drift tilføres væske på toppen av kolonnen, mens gassfasen innføres i bunnen av kolonnen, slik at forskjellen i densitet utgjør en drivende kraft som bringer væsken og gassen til å strømme i motstrøm i forhold til hverandre gjennom kolonnen. Platene danner en rekke av aktive områder hvor væsken og gassen blandes grundig, slik at de kommer i intim kontakt med hverandre, hvorved det kan finne sted masseoverføring mellom de to faser. f

Uttrykket "gass" som benyttes i beskrivelsen og kravene, er ment å skulle innbefatte damp og væske med lavere densitet.

Kolonner av den ovennevnte type benyttes ved destil-lasjon, absorpsjon og stripping. Eksempler på plater som kan anvendes i en slik kolonne, er ristplater, hullplater som utgjøres av plater med runde åpninger eller åpninger av annen utformning for gassgjennomstrømning, og ventilplater, som er . plater utstyrt med ventiler som er uttagbart anordnet i plate-åpningene. Væske overføres fra ett platenivå til et annet ved hjelp av fallanordninger som er montert i åpninger i platene. Væskeuttaksåpningene i de nedre deler av fallanordningene er anordnet slik at disse åpninger under driften av kolonnen stenger for oppadrettet gasstrømning fordi det står væske over dem. Fallanordningene strekker seg et stykke over den angjeldende plate, slik at det opprettes et gitt væskenivå over platene i de aktive områder.

For at kontaktplatene skal kunne utøve sin masseover-føringsfunksjon på en effektiv måte må de tilføres avgasset væske fra platen ovenfor, slik at overføring av damp til platen nedenfor reduseres til et minimum. Fallanordningene i hvilke væsken fra de aktive områder oppsamles, må tillate adskillelse av væskefasen fra gassfasen inne i fallanordningene.

Den maksimale kapasitet av en kolonne som er utstyrt med kontaktplater med fallanordninger, nåes enten når disper-sjonen av væske og gass fyller hele rommet mellom naboplater, hvilket resulterer i flømming av kolonnen, eller når trykkfallet over platene ikke lenger oppveies av væskeinnholdet i fallanordningene, hvilket likeledes resulterer i flømming av kolonnen.

I olje- og gassindustrien utføres operasjoner som in-volverer motstrømskontakt mellom gass og væske under betingelser med høy gassdensitet og lav grensespenning mellom væskefasen og gassfasen. Eksempelvis gjelder dette for fraksjonering

nær det kritiske område. Et annet eksempel er ekstraktiv des-tillasjon og ytterligere et annet væske-væske-ekstråks j on . Disse operasjoner har tradisjonelt medført problemer, både med hensyn til kapasitet og med hensyn til driftsstabilitet. Over et vidt område av betingelser har det vist seg at for en gitt væskestrømningshastighet bestemmes den maksimale gasstrøm-ning gjennom en gitt plate av en konstant maksimalbelastnings-faktor. Drift ved høy temperatur kan imidlertid forårsake en markert minskning av belastningsfaktoren ved maksimal kapasitet som følge av en minskning av ulikheten i densitet mellom de to fluidfaser.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en gass/væske-kontaktkolonne som egner seg for drift ved høyt trykk, fordi den uheldige innvirkning av høyt trykk på kolonnens maksimale kapasitet elimineres eller i det minste reduseres' til et minimum.

Med oppfinnelsen tilveiebringes det således en vertikal kolonne som innledningsvis angitt, hvilken kolonne er særpreget ved at hver fallanordning er forsynt med minst én gasspassasje dannet av to vertikale skvalpevegger, idet hver gasspassasje har et gassinntak ved den nedre ende og et gassuttak over den øvre ende av fallanordningen, og hver gasspassasje er forsynt med flere gassinntaksåpninger på forskjellige nivåer i den nedre del av fallanordningen, og den øvre ende av hver gassinntaksåpning er avskjermet av en nedadskrånende vegg.

Under drift kan gass som er blitt ført med væsken inn i fallanordningene, unnslippe via gasspassasjene til rommet over platen og blir således ikke ført med væsken til den neste, nedenfor anordnede plate.

Prinsippet med å utlufte medreven gass fra fallanordningene i platekolonner er i og for seg kjent fra US patent-skrift nr. 2 247 485. Det kjente avgasningssystem egner seg imidlertid kun for drift ved moderat trykk og gir ingen vesentlige fordeler ved drift under høyt trykk, hvor forskjellen i densitet mellom væske og gass er blitt liten. I det kjente avgasningssystem taes medreven gass ut fra fallanordningen på et nivå i nærheten av den nedre ende av fallanordningens damkant. Damkanten er den del av f allanordningens sidevegg som strekker seg opp fra platen. I det kjente avgasningssystem avlastes det trykk som kan bygge seg opp mellom væsken som strømmer inn i fallanordningen og damkanten ved høye væskebe-lastninger. Denne trykkoppbygning blir normalt betegnet som "trykk under damkantens overløp". Et slikt avgasningssystem for avlastning av trykket under overløpet er effektivt med hensyn til å øke den maksimale væskebelastning ved drift under lave og moderate trykk. Ved lave og moderate trykk faller væsken over fallanordningens damkant ved tyngdekraftens innvirkning og blir ikke i vesentlig grad hemmet av gassen. Væske-strømmen over damkanten øker med økende væskestrømningshastig-het og når etter hvert fallanordningens motstående damkant. Ved lave væskestrømningshastigheter har fallanordningen rikelig tverrsnitt for fjerning av frigjort gass. Etter hvert som væskestrømningshastigheten øker, reduseres det rom som er tilgjengelig for oppadrettet strømning av frigjort gass til bare å utgjøres av tilfeldige lommer. Etter hvert blir fallanordningens inntaksside fullstendig lukket, og en oppbygging av trykk som følge av frigjort gass mellom væskestrømmen og fallanordningens damkant finner sted. Dette trykk under over-løpet fremtvinger en oppadrettet væskestrømning og virker til å øke damkantens nødvendige overløpshøyde. Ved utlufting av den gass som forårsaker trykket under overløpet kan det opprettholdes et lavere væskenivå over damkanten, hvorved man effektivt øker væskekapasiteten sammenlignet med et ikke av-luftet system.

Ved høye trykk oppfører imidlertid fallanordningen seg helt annerledes enn ovenfor beskrevet. Ved lave og moderate trykk er gassmotstandskreftene mot de små væskedråper som strømmer inn i fallanordningen, relativt små, og væsken blir ikke vesentlig hemmet i sin nedadrettede strømning av den stasjonære gass i fallanordningen. Etter hvert som gassdensi-teten øker og overflatespenningen mellom væske og gass avtar, blir imidlertid gassmotstandskreftene mer vesentlige. En abso-lutt grense for en kolonnes maksimale gjennomstrømningsmengde kan godt bestemmes av det punkt hvor gasshastigheten blir lik den maksimale, sluttelige væskefallhastighet. Dette er grunnen til at kapasiteten av væske/væske-kolonner ofte korreleres med slutthastigheten av den dispergerte væskefase. Dersom gassmotstandskreftene er tilstrekkelig store, når de små væskedråper meget hurtig sin sluttelige fallhastighet. Strømningen i de øvre væskedispersjonsområder av fallanordningen lar seg omtrentlig beskrive av den følgende ligning:

hvor U3 C = fallanordningens overflatevæskehastighet

= væskevolum pr. tidsenhet

fallanordningens totale tverrsnittsareal

Ug = fallanordningens overflatedamphastighet

vdæ = væskedråpenes sluttelige fallhastighet

ad = volumfraksjon av dispergert (væske)fase.

Dersom det settes Ug = 0, hvilket innebærer at ingen damp føres med av væsken fra fallanordningen til den neste plate på nedsiden, fåes den følgende, forenklede ligning:

udc = ad (1-ad)vd°°-

For konstant V(j°°, forutsier denne ligning at U^ c blir maksimal for ad = 0,5.

Dersom aa = 0/5 blir Udc = 0,25 V^00 for det tilfelle at ingen damp føres med væsken fra fallanordningen til den neste plate på nedsiden. Av denne ligning synes det sannsynlig at en vesentlig overføring av damp med væsken fra fallanordningen til den neste plate på nedsiden vil finne sted dersom Udc/Vd°° er større enn 0,25. Det ble foretatt forsøk hvor væskefraksjonen ble målt i bunnen av en fallanordning for et stort utvalg av høy-trykkssystemer. Av disse forsøk fremgikk det at det ovenfor angitte uttrykk gir en temmelig god indikasjon på inntredenen av en vesentlig overføring av damp med væsken fra fallanordningen til den neste plate på nedsiden. Oppfinneren har nu funnet at den maksimale væskebelastning i fallanordningen i høytrykks gass/væske-kontaktkolonner i stor utstrekning kan gjøres uavhengig av gasstrykket ved at noe gass tillates å strømme sammen med væsken inn i fallanordningen, hvoretter gassen så utluftes fra fallanordningen på et lavere nivå. På denne måte strømmer gassen og væsken i medstrøm i forhold til hverandre i den øvre del av fallanordningen, slik at motstanden mot væskestrømningen reduseres vesentlig. Det vil forståes at gassen under drift av en slik kolonne fortrinnsvis bør fjernes fra fallanordningen på et så lavt nivå som mulig, nær væskenivået.

Oppfinnelsen skal nu beskrives under henvisning til en utførelsesform vist på de vedføyede tegninger, hvor fig. 1 viser et vertikalt snitt gjennom et mellomparti av en plate-kolonne i henhold til en utførelse av oppfinnelsen, fig. 2 viser et tverrsnitt etter linjen II-II på fig. 1, og fig. 3 perspektivisk viser en fallanordning utstyrt med gassutslipp-ningsanordninger i henhold til en annen utf ørelsesf orm av oppfinnelsen.

Fig. 1 viser en del at en vertikal kolonne 1 med en sylindrisk sidevegg 2. Kolonnen er utstyrt med flere horisontale kontaktplater 3 som er anordnet over hverandre med passende mellomrom, f.eks. i en avstand av fra 150 til 750 mm fra hverandre, og som strekker seg over praktisk talt hele kolonnens tverrsnitt. Hver av platene 3 er forsynt med flere åpninger 4 som danner passasjer for oppadstrømmende gass. Disse åpninger 4 er hovedsakelig jevnt fordelt over platenes aktive områder og kan ha en hvilken som helst egnet utformning. Eksempelvis kan de ha form av spalter eller runde hull. Åpningene har samme størrelse og er fordelt på avstand fra hverandre på en slik måte at det fåes et samlet areal, dvs. et aktivt plateareal, som er egnet for de belastningsbetingelser ved hvilke kolonnen skal drives. De deler av platene 3 som er forsynt med åpningene 4 for gjennomstrømning av gass, utgjør de aktive arealer av platene 3, hvilket vil si at over disse arealer blir væske og gass blandet intimt med hverandre for masseover-føring eller varmeoverføring mellom de to fluidfaser.

Grensende opp til de aktive platearealer finnes der på hver plate 3 flere langstrakte fallanordninger 5 for ned-føring av væske. Fallanordningene er ført gjennom platen til en på forhånd bestemt høyde over den øvre overflate av platen og en på forhånd bestemt avstand under den nedre overflate av platen. Den del av fallanordningen som rager opp over platen, blir normalt betegnet med uttrykket "dam". Fallanordningene er åpne i den øvre ende, mens den nedre ende utgjøres av en bunnvegg 6 som er forsynt med flere væskeuttaksåpninger 7. Væskeuttaksåpningene 7 er fordelt over fallanordningenes 5 bunnvegg 6, slik at de slipper ut væske hovedsakelig jevnt i fallanordningens lengderetning. Det samlede areal av væskeuttaksåpningene 7 i fallanordningene 5 må være tilstrekkelig for uttømming av all den væske som strømmer ned gjennom kolonnen ved den ønskede væskebelastning og må være begrenset i forhold til det horisontale tverrsnittsareal av den nedre del av fallanordningen, slik at det under drift av kolonnen opprettholdes i fallanordningen en væskesøyle som ved væskeuttaksåpningene 7 utøver et hydrostatisk trykk som er tilstrekkelig til å hindre oppadstigende gass i å strømme inn i fallanordningene via åpningene 7. Fallanordningene er dessuten utstyrt med skvalpevegger for å hindre væsken i å skvalpe fra den ene side av en f allanordning til det aktive plateareal på den motstående side av fallanordningen. Disse skvalpevegger 8 består av 2 vertikale, parallelle vegger som er anordnet i en viss avstand fra hverandre for å danne en gasspassasje 9. Den øvre ende av skvalpeveggene 8 bør fortrinnsvis rage over det skum av væske og gass som dannes over platen under drift av kolonnen ved maksimal kapasitet; for eksempel kan den øvre ende av skvalpeveggene 8 anordnes nær den nedre overflate av den neste plate 3 på oversiden. Avstanden mellom de to skvalpevegger 8 må velges slik at hastigheten av den oppadstrømmende gass blir relativt liten, slik at væske som føres med gassen i gasspassasjen 9, skilles fra den oppadstrømmende gass ved tyngdekraftens innvirkning. Hvert par av parallelle skvalpevegger 8 anordnes fortrinnsvis sentralt i fallanordningen. Skvalpeveggene kan monteres på fallanordningens vegger på en hvilken som helst hensiktsmessig måte, for eksempel ved hjelp av bærebånd. Skvalpeveggene 8 er videre utstyrt med flere i vertikal avstand fra hverandre anordnede spalteformede gassåpninger 10. For å hindre inntrengning av væske i disse åpninger 10 er det anordnet nedadskrånende vegger 11 i skvalpeveggene

8 ved de øvre ender av åpningene 10.

Under drift av kolonnen strømmer gass i retning oppad via åpningene 4 i platene 3, mens væske strømmer ned gjennom kolonnen via fallanordningene 5. Ved lave trykk vil væske fra det skum som dannes over platenes aktive områder, stort sett ikke hindres av gass når nevnte væske strømmer inn i fallanordningene 5. Dersom kolonnen drives ved høyt trykk, avtar forskjellen i densitet mellom gassen og væsken, slik at gassmotstandskreftene på de små væskedråper blir større. Som følge av reduksjonen av den endelige fallhastighet av væskedråpene avtar f allanordningens væskebehandlingskapasitet dersom det ikke taes spesifikke forholdsregler, slik som her foreslått. Som allerede redegjort for ovenfor kan den økede motstand mot væskestrømning føre til utidig flømming av kolonnen. Dessuten vil de små væskedråper, selv ved lavere belastning enn den maksimale, danne en barriere som danner motstand mot den oppad-rettede strømning av medreven gass. En følge herav vil være at gass passerer sammen med væsken gjennom åpningene i fallanordningen.

Takket være arrangementet med skvalpevegger 8 i fallanordningen 5 overvinnes det ovenfor omtalte problem med damp som føres med væsken til den neste, nedenforliggende plate ved høye gassbelastninger. Som følge av tilstedeværelsen av gasspassasjene, som dannes av gassinntaksåpningene 10 og rommet mellom skvalpeveggene 8, vil gass som er tilstede i fallanordningen og som blokkeres av væskedråpene som strømmer inn i fallanordningen, strømme mot inntaksåpningene 1 0 og unnslippe fra fallanordningen via gasspassasj ene 9 mot et punkt over skummet på platen. Denne gasstrøm vil ha den virkning at den reduserer motstanden mot strømning av de små væskedråper og således hjelper væsken i å strømme inn i fallanordningen. Den endelige fallhastighet for de små væskedråper økes kunstig som følge av den tvungne nedadrettede gasstrømning, slik at overflatevæskehastigheten i fallanordningen kan øke, uten risiko for at damp føres med væsken til den neste, nedenforliggende plate.

Det vises nu til fig. 3, som perspektivisk viser en del av en kolonneplate med alternative gassutslippsanordninger. Som følge av den avstand gassen må tilbakelegge til gassut-slippsanordningen, vil et arrangement av den type som er vist på figurene 1 og 2 normalt foretrekkes fremfor denne andre utførelse.

På fig. 3 er den kolonneplatedel som er angitt ved henvisningstall 30, forsynt med åpninger 31 for oppadstigende gass og en langstrakt fallanordning 32 med bunnåpninger 33 for nedadstrømmende væske. Fallanordningen 32 er forsynt med en skvalpevegg 34 som er i og for seg kjent, for å hindre væske i å skvalpe over fallanordningen og for avstedkomme en forhåndsadskillelse av gass fra væske før væsken strømmer inn i fallanordningen. I denne utf ørelsesf orm av oppfinnelsen danner gasspassasjene for utlufting av gass fra fallanordningen en integrerende del av støtteanordningen for skvalpeveggen, og de utgjøres av parvis anordnede skvalpevegger 35 som er festet til skvalpeveggen 34 og f al lanordningens 32 sidevegger. Veggene 35 er forsynt med gassinntaksåpninger 36 som er i det vesentlige jevnt fordelt over veggenes høyde. For beskyttelse av inntaksåpningene 36 mot inntrengning av væske er det anordnet skrånende vegger 37 som avskjermer inntaksåpningene. Veggene 35 er parvis forbundet med hverandre ved hjelp av lukkede endevegger 38, som er festet til fallanordningens sidevegger. Rommene som avgrenses av hvert par av vegger 35, endevegger 38 og skvalpevegg 34, tjener som gasspassasjer som muliggjør frigjøring av gass fra fallanordningen. For dette formål strekker de øvre ender av veggene 34, 35 og 38 seg i retning oppad over skummet av væske og gass som dannes under driften.

Med hensyn til virkemåten av denne type gassåpninger som er vist på fig. 3, vises det til redegjørelsen for den utførelsesform av oppfinnelsen som er vist på figurene 1 og 2.

De ovenstående eksempler på gasspassasjer med side-åpninger i skvalpeveggene som avgrenser gasspassasj ene, er fordelaktige ved drift under relativt store fluktuasjoner i væskebelastningen, hvorunder væskenivået i fallanordningene kan fluktuere sterkt.

Det vil være klart at skvalpeveggen 34 i denne ut-førelsesform ville kunne utelates, uten at man går utenfor rammen av oppfinnelsen.

Claims (4)

1. Vertikal kolonne for å bringe en gass i kontakt med en væske, omfattende flere i vertikal avstand fra hverandre anordnede horisontale plater (3,30) som hver er forsynt med flere åpninger (4,31) for gjennomstrømning av oppadstigende gass og minst én fallanordning (5,32) for nedføring av væske til rommet under platen, hvilken fallanordning danner en kanal som strekker seg delvis over og delvis under platen, er åpen i den øvre ende og er forsynt med væskeuttaksåpninger (7,33) i den nedre ende, karakterisert ved at hver fallanordning (5,32) er forsynt med minst én gasspassasje (9) dannet av to vertikale skvalpevegger (8,35), idet hver gasspassasje har et gassinntak ved den nedre ende og et gassuttak over den øvre ende av fallanordningen, og hver gasspassasje er forsynt med flere gassinntaksåpninger (10,36) på forskjellige nivåer i den nedre del av fallanordningen, og den øvre ende av hver gassinntaksåpning (10,36) er avskjermet av en nedadskrånende vegg (11,37).

2. Kolonne ifølge krav 1, karakterisert ved at skvalpeveggene (8,35) strekker seg i hele fallanordningens (5,32) lengde.

3. Kolonne ifølge krav 1, karakterisert ved at fallanordningen (5,32) er langstrakt i horisontalretningen og omfatter flere gasspassasjer som hver er dannet mellom to parallelle, vertikale skvalpevegger (35) som står vertikalt på fallanordningens lengdeakse.

4. Kolonne ifølge krav 1-3, karakterisert ved at gassinntaksåpningene (10,36) strekker seg i hele lengderetningen av en skvalpevegg (8,35 ) .