NO332546B1

NO332546B1 - Roterende utskillerhjul

Info

Publication number: NO332546B1
Application number: NO20092629A
Authority: NO
Inventors: Dag Arne Eimer; Torbjorn Fiveland; Asbjorn Strand
Original assignee: Statoil Asa
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2012-10-22
Also published as: WO2011005118A1; CA2767221A1; EP2451560A1; CN102574047A; BR112012000610A2; US20120175241A1; RU2012104609A; NO20092629A1

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning og en fremgangsmåte for å fjerne og gjenvinne CO2fra avgasser. Dessuten vedrører den foreliggende oppfinnelse en anordning og fremgangsmåte for utskilling av CO2fra en flytende absorbent.

I løpet av de senere år har der vært en økt fokusering på CCVfangst på grunn av miljøaspektene knyttet til frigjøringen av CO2til atmosfæren.

Den vanlige fremgangsmåte for å fjerne CO2fra avgass er ved bruk av en vanlig absorpsjonsutskillingsprosess. I denne prosess får gassen sitt trykk forøkt ved hjelp av en vifte enten før eller etter en indirekte eller direkte kontaktkjøler. Gassen blir så matet til et absorpsjonstårn der gassen bringes i kontakt motstrømsmessig med en absorbent som strømmer nedad. I toppen av kolonnen er en vaskeseksjon montert for å fjerne, hovedsakelig med vann, rester av absorbent som følger gassen fra CCVfjernings-seksjonen. Absorbenten, som er rik på CO2, fra absorbererbunnen pumpes til toppen av en utskillerkolonne via en varmegjenvinnings varmeveksler som gjør den rike absorbent forutoppvarmet før den går inn i utskillertårnet. I utskillertårnet strippes C02'en ved hjelp av damp, generert i en koker som er plassert ved kolonnebunnen. Dampen som beveger seg opp i tårnet tjener som et fortynningsmiddel for nevnte CO2, selv om noe av dampen kondenserer for å tilveiebringe utskillingsvarme for nevnte CO2. Vann og absorbent som følger CO2over toppen gjenvinnes i kondensatoren over utskillerens topp. Damp dannes i kokeren hvorfra absorbent som er mager på CO2pumpes via varmegjenvinnings varme veksleren og en kjøler til toppen av absorpsjonskolonnen.

EP 0 020 055 Al viser hvorledes for eksempel en gass og en væske kan bringes i kontakt motstrømsmessig i et roterende, pakket leie ved å introdusere væsken ved kjernen av leiet og gassen fra omkretsen. Det er videre kjent fra Ramshaw (Heat Recovery Systems & CHP, vol. 13, nr. 6, s. 493-513, 1993) at et roterende, pakket leie kunne også utstyres med en varmeveksler ved den ytre omkrets, og at denne varmeveksler kunne anvendes som en koker.

JP 1066420 omhandler et system for separering av CO2fra et arbeidsfluid som anvender et absorpsjonsfluid. Systemet omfatter to roterende sylindre og injeksjonsdyser anordnet derimellom. Et utskillersystem er ikke beskrevet.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et kompakt utskillings-system, hvilket er kostnadseffektivt både å konstruere, betjene og vedlikeholde. Dessuten tilsikter den foreliggende oppfinnelse å redusere den termiske degradering av absorpsjonsoppløsningen ved å begrense oppholdstiden for absorpsjonsfiuidet i utskilleren.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse oppnås det ovennevnte siktemål ved hjelp av en anordning og en fremgangsmåte ifølge de vedlagte, selvstendige krav. Ytterligere for-delaktige trekk og utførelsesformer er nevnt i de underordnede krav.

Den foreliggende oppfinnelse kan anvendes i forbindelse med gasser som kommer fra forskjellige typer av innretninger. Disse innretninger kunne være kombinerte syklus-gassdrevne kraftanlegg, kulldrevne kraftanlegg, kjeler, sementfabrikker, raffinerier, varmeovner for endotermiske prosesser, slik som damp som omdanner naturgass eller lignende kilder for røykgass som inneholder CO2.

Den foreliggende oppfinnelse kan anvendes med en hvilken som helst type av flytende CC>2-absorbent, omfattende en absorbent og et flytende fortynningsmiddel. Eksempler på anvendbare absorbenter omfatter aminbaserte absorbenter, slik som primære, sekundære og tertiære aminer, idet ett velkjent eksempel på anvendbare aminer er monoetanolamin (MEA). Det flytende fortynningsmiddel velges blant fortynningsmidler som har et passende kokepunkt, er stabile og inerte mot absorbenten i det passende temperatur- og trykkintervall. Et eksempel på anvendbart fortynningsmiddel er vann.

Et fordelaktig aspekt ved den foreliggende oppfinnelse er at det er mulig å kombinere flere prosessutstyrsgjenstander, for eksempel fem prosessutstyrsenheter, eller enhets-funksjoner, til færre, eventuelt én, kompaktenheter. Den reduserte størrelse av enheten eller enhetene tillater en meget kompakt konstruksjon, og enheten eller enhetene kunne sammenstilles på én ramme.

Med hensyn til roterende, pakkede leier representerer den foreliggende oppfinnelse en løsning på problemet med plass i den radielle retning og forskjell i sentrifugalakselerasjon mellom indre og ytre omkretser, idet den foreliggende oppfinnelse også tilveie-bringer integrerte kondensatorer på et nivå rett ved siden av eller over/under masse-overførings- og kokersonene. Fremgangsmåten involverer dessuten å returnere væske-strømmen fira hovedkondensatoren til kjernen for en sylinder som omfatter en oppvarmet stripperenhet, og at hovedkondensatoren roteres rundt den samme aksen som sylinderen.

Den foreliggende oppfinnelse kan tilveiebringe løsninger for de følgende problemer som er knyttet til eksisterende teknologi: Den kompakte teknologi anvender mindre materiale, reduserer i sterk grad rørbehovene, og fjerner behovet for å arbeide høyt over bakken slik behovet er for en konvensjonell kolonne. Dette forventes i sterk grad å redusere kostnadene for utskillerenheten.

Ved å tillate langt mindre, kompakte utstyrsenheter å bli laget og gjennom dets kompakthet, kan den vanlige mottagende beholder og tilbakeløpspumpe elimineres. Disse er tradisjonelt standard og således blir av størrelsesorden 5 konvensjonelle enheter erstattet.

Den roterende utskiller ifølge den foreliggende oppfinnelse har en meget kort oppholdstid med lite tilbakeblanding. På grunn av dette forventes termisk degradering av absorbentoppløsningen å bli vesentlig redusert.

Den foreliggende oppfinnelse vil nå bli omtalt i nærmere detalj med henvisning til de vedlagte figurer, der: • Fig. 1 viser en roterende utskiller ifølge en første utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse; • Fig. 2 viser en utførelsesform av en roterende utskiller ifølge en andre utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse.

I konvensjonell teknologi behøves i størrelsesorden fem utstyrsdeler i utskillerseksjonen, nemlig kolonnen, en koker, en kondensator, en kondensatmottakerbeholder og en tilbakeløpspumpe. Ifølge den foreliggende oppfinnelse kan alle disse være innbefattet i én eller to utstyrsdeler, hvorved elimineres vesentlige rørleggingsforbindelser og prosesstyringsfunksjoner. Denne forenkling fører til direkte kostnadsbesparelser, men også vesentlige kostnadsbesparelser med hensyn til oppstilling, rørlegging og prosesstyring kan forventes.

Med konvensjonelle roterende, pakkede leier er det vanskelig å finne tilstrekkelig plass i kjerneområdet for å tillate inkorporeringen av en integrert kondensator. Ifølge den foreliggende oppfinnelse blir disse begrensninger unngått, idet det tillates tilveiebringelsen av en integrert kondensator på et nivå over/under eller ved siden av masseoverførings-og kokersonene. Den foreliggende oppfinnelse løser derved i stor grad problemet med plass i den radielle retning og forskjellen i sentrifugalakselerasjon mellom de indre og ytre omkretser.

En ytterligere forbedring for prosessutstyret i utskillingsprosessen er reduksjonen i størrelse. Derved anvendes mindre materiale, mindre areal behøves, og oppstilling blir ytterligere gjort lettere.

En første utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er vist på fig. 1 og viser et tverrsnittsriss langs en vertikal rotasjonsakse. Utstyret omfatter en roterende sammenstilling med to nivåer. På det nedre nivået er det en stripperenhet omfattende et roterende, pakket leie 12 nærmest den indre kjernen. I denne utskillerpakke 12 blir CO2utskilt fra den rike absorbenten som innføres gjennom ledning 2 og fordeles ved kjernen via dyser 3. Utskillingen oppnås hovedsakelig ved hjelp av vanndamp som strømmer i en motstrømsmåte fra omkretsen, og ved del av denne vanndamp som kondenserer, hvorved tilveiebringes varme for den endotermiske utskilling av CO2. Den innadrettede dampstrømning 13 skapes i en kokerseksjon 14 som danner en periferidel av stripperenheten. En del av væsken 15, som er mager med hensyn til CO2og som beveger seg radielt utad på grunn av rotasjonen, fordampes bevirket av kondenserende damp på den varme siden av denne varmeveksler/kokerseksjon. Dampen 4 som det refereres til innføres ved kjernen og forlater som kondensat 6, også ved kjernen etter at den har tilført varme til kokerseksjonen 14. Væsken 18 er vesentlig strippet for CO2og tillates å forlate den roterende sammenstilling ved den ytre omkrets av kokerseksjonen 14. Dampstrømmen 20 som når kjernen fra det roterende, pakkede leiet stiger til det øvre nivået hvor denne dampstrøm strømmer utad i en kondensator 16, og der fortynnende damp kondenseres ved hjelp av et kjølemiddel 8 i indirekte kontakt. Det oppvarmede kjølemiddel forlater kondensatoren ved kjernen som strøm 10. Ved den ytre omkrets er gasstrømmen 24 som forlater kondensatoren 16 hovedsakelig CO2og strømmen 24 er tilpasset for tørking og kompresjon hvis den trengs for sekvestrasjon. Væskestrømmen 22 som forlater den ytre omkrets omfatter kondensert fortynningsmiddel og absorbent og denne strøm returneres til kjernen ved det nedre nivå via dyser 5.

Væskene 2, 22 som introduseres ved kjernen i den viste utførelsesform fordeles via dyser. Imidlertid kan andre midler for å mate væsker også forestilles, slik som perforerte rør eller lignende.

Selv om aksen i de fleste av de viste utførelsesformer er vertikalt innrettet, kunne den roterende aksen også være horisontalt innrettet. Rotasjonsaksen vil bevirke væskene til å vandre radielt og derved tvinge dampfasen til å bevege seg mot rotasjonsaksen. Fig. 2 viser en annen utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse der rotasjonsaksen er horisontalt innrettet. Utførelsesformen har mange likhetstrekk med utførelsesformen vist på fig. 1. Fig. 2 illustrerer strømningsretningene i denne utførelsesform. Lignende elementer er vist til med lignende henvisningstall med en tilføyelse av 300 for at henvisningstallene skal være distinktive. Fig. 2 viser en integrert, tubulær koker og stripper. I den viste utførelsesform er kokerenheten 317 utformet med et antall av rør med liten diameter for varmetilførsel. Damp tilføres gjennom ledning 304 og føres gjennom rørene som strekker seg parallelt med rotasjonsaksen. Rørene står i forbindelse med en ledning 306 for å fjerne kondensatet. For illustrasjonens formål er tre rør vist på hver side av rotasjonsaksen, men kokeren kan omfatte et hvilket som helst antall av rør. I denne utførelsesform er stripperen integrert i kokeren. Den C02-rike absorbent innføres via ledning 302 og strippingen vil finne sted når absorbentoppløsningen innføres i enheten 317. Utarmet absorbentoppløsning forlater kokerenheten 317 ved omkretsen som strøm 318, mens dampfasen som innbefatter nevnte CO2forlater kokeren nær midten inn i leder 320 og dirigeres inn i en første kondensator 316 ved omkretsen. For å skape ytterligere overflateareal for masseoverføringen, foreslås i ett aspekt av oppfinnelsen å innbefatte lag av tynt metallnett mellom radene av kokerrør, for eksempel 6 mm rør i 9 mm senterdiameter vil gi en kokerspesifikk overflate lik 233 m<2>/m<3>. Et fint metallnett med tråddiameter 0,5-1 mm i diameter gir spesifikke overflatearealer over 1000 m<2>/m<3>avhengig av nettavstand. De små rørene kan festes til endeplatene ved å anvende konvensjonelle valseekspanderingsteknikker. I denne utførelsesform foreslås det å anvende horisontale rør i kokeren og utelate helningen. Dette er hovedsakelig på grunn av utformings- og fremstillingsbetraktninger. Denne løsning krever at rørene er åpne i begge ender med kondensatdrenering i enden som er nærmest kondensatorseksjonen 316. Dampen strømmer fra 304 til 306, fira venstre mot høyre, og blir gradvis omformet til kondensat og drenert til høyre gjennom 306. Kondensatet kan fjernes i en fluidmekanisk tetning som er plassert på statorsylinderen ved den samme aksielle posisjon, i stedet for å anvende spesielle returkanaler på statoren og dekselet.

I ett aspekt ved den foreliggende oppfinnelse er siktbrett eller perforerte plater innbefattet mellom radene av rør for varmetilførsel i stedet for tynt metallnett, idet siktbrettene/de perforerte plater vil øke arealet for flytende gasskontakt og også bidra til forøkt fordeling av væskefasen.

I et annet aspekt ved den foreliggende oppfinnelse er små, sfæriske "kuler" innbefattet mellom radene av rør.

På grunn av dampforbruksbetraktninger foretrekkes det å anvende en utforming med en gasstrøm mot rotasjonssenteret og absorbentstrøm mot periferien. Deretter må gassen ledes fra midten til kondensatorseksjonen 316. Dette kan oppnås ved å innbefatte radielle strømningskanaler med stive stålplater.

Utførelsesformen som er vist på fig. 2 omfatter en totrinns kondensator 316 og 346. Kjølevæske innføres ved midten gjennom ledning 308 og tilføres først den andre kondensatoren 346 og deretter på den første kondensatoren 316 før kjølevæsken forlater gjennom ledning 310 anordnet ved midten. I et annet aspekt av den foreliggende oppfinnelse tilføres kjølevæsken gjennom ledninger langs midten, men med innløp og utløp fra kokersiden. I den første kondensatoren 316 blir fortynningsmiddel og absorbent kondensert og vil på grunn av rotasjonen bli transportert til omkretsen hvor den forlater kondensatoren 316 som strøm 322. Strømmen 322 kan returneres til kokeren 317 som tilbakeløp. Tilbakeløpet av kondensert damp, som blir strøm 322, over gassblandingen i den første kondensatoren, anses å bidra til elimineringen av absorbentdamp i den gjenvunnede CO2.1 den andre kondensatoren 346 blir hovedsakelig fortynningsmiddel fritt for absorbent kondensert og forlater kondensatoren som strøm 342. Dersom vann anvendes som et fortynningsmiddel, kan den oppnådde vannstrøm fra den andre kondensatoren i ett aspekt ved den foreliggende oppfinnelse anvendes som vaskevæske i absorpsjonsprosessen for å fjerne spor av absorbenten fra den CCVutarmede gasstrøm. Strømmen 324 ut av kondensatoren vil inneholde den utskilte CO2klar til tørking og komprimering dersom den trengs for sekvestrering.

Claims

1. System for utskilling av CO2fra et absorpsjonsfluid, omfattende en sylinder med en åpen indre kjerne og omfattende en strippingsenhet anordnet mellom den indre kjernen og omkretsen av sylinderen, der strippingsenheten (12; 317) omfatter et roterende, pakket leie anordnet rundt en akse gjennom kjernen, en ledning for a å tilføre CCVrikt absorpsjonsfluid til den indre kjernen, et utløp for mager absorbent ved omkretsen av sylinderen, middel for varmetilførsel til minst en omkretsdel av strippingsenheten (12;

317), og et damputløp anordnet ved den indre kjernen ved en første ende av sylinderen,karakterisert vedat systemet dessuten omfatter en hovedkondensator (16; 346) anordnet i nærheten av den første enden av sylinderen med et innløp (20; 320) i fluidkommunikasjon med damputløpet fira kjernen, et væskeutløp (22; 322) i fluidkommunikasjon med kjernen av sylinderen og et CCVutløp (24; 324), og der kondensatoren kjøles ved indirekte kontakt med et kjølemiddel (8; 308), at systemet dessuten omfatter en tilbakeløpskondensator (16; 316) anordnet med et innløp i fluidkommunikasjon med damputløpet fra kjernen og et evre damputløp i fluidkommunikasjon med innlepet til hovedkondensatoren, et væskeinnløp i fluidkommunikasjon med væskeutløpet fra hovedkondensatoren, og et væskeutløp i fluidkommunikasjon med kjernen, og at hovedkondensatoren er roterbart anordnet i nærheten av sylinderen og roterbar rundt den samme aksen, og der innløpet til hovedkondensatoren er anordnet i nærheten av aksen og væskeutløpet fra hovedkondensatoren er anordnet ved omkretsen.

2. System for utskilling av CO2ifølge krav 1,karakterisert vedat midlet for varmetilførsel omfatter et innløp (304) og et utløp (306) for et varmemedium anordnet ved kjernen, idet nevnte innløp og utløp er i fluidkommunikasjon med et sirkuleringssystem i varmeoverførbar kontakt med strippingsenheten (317).

3. System for utskilling ifølge krav 1,karakterisert vedat varme tilføres overalt i hele strippingsenheten (12; 317).

4. System for utskilling ifølge krav 1 eller 3,karakterisert vedat den indre delen av stripperenheten (12) nær aksen er en utskillerdel uten ekstern varmetilførsel, mens omkretsdelen av stripperenheten er oppvarmet som en koker (14).

5. System ifølge et hvilket som helt av de foregående krav,karakterisert vedat dysene (5) er anordnet i kjernen i fluidkommunikasjon med den rike absorbenten.

6. Fremgangsmåte for å utskille CO2fra et C02-rikt absorpsjonsfluid, omfattende C02, absorbent og et fortynningsmiddel, omfattende trinnene å mate nevnte CCVrike absorbent til en kjerne har en roterende sylinder som omfatter en stripperenhet (12;

317), å tilføre varme til minst omkretsdelen av stripperenheten, å fjerne mager absorbent og fortynningsmiddel fra omkretsen av sylinderen, å fjerne damp som omfatter CO2, fortynningsmiddel og absorbent fira kjernen, å mate dampen til en hovedkondensator (16; 346), å kondensere hoveddelen av fortynningsmidlet og absorbenten i dampen, og å oppnå en C02-rik dampstrøm og en flytende fortynningsmiddel- og absorbentstrøm, k a rakterisert ved at fremgangsmåten dessuten omfatter å returnere væskestrømmen fra en tilbakeløpskondensator (16; 316) til sylinderens kjerne, og at hovedkondensatoren roteres rundt den samme aksen som sylinderen.