Контактор для обменной колонны, состоящий из отсеков неупорядоченной насадки, обменная колонна, плавучая конструкция, содержащая такую колонну, и использование колонны

Изобретение относится к контактору для тепломассообменной колонны, колонне с таким контактором, плавучей конструкции для производства углеводородов, содержащей тепломассообменную колонну с указанным контактором, а также использованию колонны с указанным контактором для процесса обработки газа, улавливания СО₂, дистилляции или переработки воздуха. Изобретение может быть использовано в морских установках для обработки газа. Контактор содержит неупорядоченную насадку, выполненную из неупорядоченных случайных наборов унитарных элементов. Насадка распределена в нескольких отсеках, ограниченных, как минимум, одной стенкой, разделяющей неупорядоченную насадку в осевом направлении контактора. Отсеки, в которых распределена насадка, могут иметь форму параллелепипеда, цилиндра, призмы. Стенка, разделяющая неупорядоченную насадку, может быть выполнена из структурированной насадки или перфорированной пластины. Обеспечивается однородность распределения потока в тепломассообменной колонне, в частности в случае наклона колонны, независимо от направления наклона, а также реализуются преимущества неупорядоченной насадки, например малая потеря напора и простота установки, в морских условиях эксплуатации. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области морских газожидкостных контактных колонн и, в частности, касается морских установок для обработки газа, улавливания СО₂, дегидратации или дистилляции.

Морские установки для обработки газа и/или улавливания СО₂ посредством промывки аминами содержат колонны для абсорбции и регенерации жидких или газообразных текучих сред. Эти колонны работают на принципе циркуляции газа/жидкости противотоком или прямотоком и установлены на судах, плавучих баржах или морских платформах, например, типа FPSO (от английского Floating Production, Storage and Offloading, то есть платформа для производства, хранения и выгрузки) или типа FLNG (от английского Floating Liquefied Natural Gas, то есть платформа для производства сжиженного природного газа). На плавучих баржах установлены также колонны для дистилляции или колонны для дегидратации.

Колонны, используемые в этих установках для обработки газа и/или улавливания СО₂ и/или дистилляции и/или дегидратации, обычно работают на принципе массообмена и/или теплообмена между газом и жидкостью, которые циркулируют в колоннах. Как правило, контактные колонны представляют собой цилиндрическую камеру, оборудованную внутренними контактными элементами, способствующими обмену между текучими средами. Контактные элементы (контактор), которые увеличивают площадь контакта, могут представлять собой структурированные насадки, неупорядоченные насадки или тарелки. На фиг. 1 представлен частный случай колонны 1 для обработки газа, оборудованной тарельчатым питателем в головке колонны. В этом примере газ (G) и жидкость (L) циркулируют противотоком. Классически эта колонна 1 обработки газа содержит несколько секций 3, заполненных контактором, при этом над каждым контактором 3 расположен тарельчатый питатель 2. Газожидкостный контактор реализует контакт между газом G и жидкостью L для обеспечения обменов.

Рассматриваемые газожидкостные контактные колонны установлены на плавучих конструкциях, например, типа судна, платформы или баржи, чувствительных к морскому волнению. Поэтому оборудование, используемое на этих установках, и, в частности, тарельчатые газожидкостные питатели и контакторы подвергаются воздействию морского волнения с шестью степенями свободы («рыскание, килевая качка, бортовая качка, вертикальное колебание, горизонтальное колебание, толчки»).

Например, угол, соответствующий комбинации колебаний при килевой качке и бортовой качке, составляет примерно +/-5° с периодом от 10 до 20 с. Порядки величины продольного, поперечного и вертикального ускорений, которые могут действовать в колонне, соответственно меняются от 0,24/0,76/0,25 м/с² на высоте 6 м над палубой, на которой находится колонна, до 0,33/1,28/0,33 м/с² на 50 м над палубой. В этих условиях работа классических контактных колонн может существенно нарушаться. Действительно, при морском волнении наклон колонны ухудшает равномерность распределения фаз в секции колонны.

Это нарушение распределения в слое насадки, если его не контролировать, может значительно ухудшить характеристики контактной колонны. Чтобы решить эти проблемы, были разработаны различные соответствующие наборы структурированных насадок.

Например, в патентной заявке US5486318 представлены варианты выполнения контакторов с разделением секции насадки. В первом варианте выполнения секцию насадки разделяют при помощи перфорированных стенок. Таким образом, колонна состоит из нескольких отсеков, содержащих структурированные насадки. Во втором варианте выполнения каждая секция насадки является перпендикулярно смежной с другой секцией, и, таким образом, общая секция колонны состоит из множества секций со структурированными насадками.

Кроме того, в патентной заявке US5984282 представлен вариант выполнения контактора, согласно которому в осевом направлении колонны элементы структурированных насадок упорядочены таким образом, чтобы каждый набор секции насадки охватывал центральный корпус секции насадки. Однако этот вариант является сложным.

Кроме того, в патентных заявках US7559539 и US7559540 представлены варианты выполнения контакторов, согласно которым слой насадки состоит из двух типов насадок с разными геометрическими площадями. Наложение слоев насадок с разными площадями можно осуществлять как в осевом направлении колонны, так и в радиальном направлении, в зависимости от патента. В патентных заявках US7559539, US7559540 секцию колонны не разбивают на несколько секций насадок, поэтому при действии трехмерного движения морского волнения варианты выполнения не позволяют избегать перемещения жидкости во всех боковых направлениях. Следовательно, эти варианты выполнения не позволяют обеспечивать хорошее распределение жидкой и паровой фаз в условиях моря.

Как правило, реализацию этих решений осуществляют с использованием структурированных насадок, преимуществом которых является меньшая чувствительность к морской среде по сравнению с неупорядоченными насадками. Однако неупорядоченные насадки обеспечивают также интересные качества с точки зрения эффективности переноса, слабой потери напора и простоты установки.

Настоящее изобретение позволяет устранить недостатки использования неупорядоченной насадки в морской контактной колонне. Контактор в соответствии с изобретением содержит неупорядоченные насадки в нескольких отсеках, что обеспечивает хорошую однородность распределения в контактной колонне и позволяет использовать преимущества неупорядоченной насадки в морской среде. Отсеки ограничены стенками, образованными перфорированными пластинами или структурированной насадкой. Таким образом, изобретение обеспечивает хорошую работу колонны, в частности, в случае наклона колонны, независимо от направления наклона колонны.

Заявленное устройство

Объектом изобретения является контактор для колонны теплообмена и/или массообмена между двумя текучими средами, при этом упомянутый контактор содержит неупорядоченную насадку. Упомянутая неупорядоченная насадка распределена в нескольких отсеках, ограниченных, по меньшей мере, одной стенкой.

Согласно изобретению, упомянутые отсеки по существу имеют форму параллелепипеда, цилиндра, призмы и/или имеют форму участков цилиндра.

Предпочтительно, по меньшей мере, одна стенка образована структурированной насадкой.

Предпочтительно удельная геометрическая поверхность упомянутой структурированной насадки составляет от 125 до 750 м²/м³ и предпочтительно по существу равна 250 м²/м³.

Кроме того, по меньшей мере, одна стенка может быть выполнена в виде перфорированной пластины.

Согласно варианту выполнения изобретения, упомянутые отсеки по существу имеют форму параллелепипеда, при этом упомянутые стенки образуют в горизонтальной плоскости по существу перпендикулярные полосы.

В альтернативном варианте упомянутые отсеки по существу являются цилиндрическими, и упомянутые стенки образуют в горизонтальной плоскости по существу концентричные окружности.

Предпочтительно периферия упомянутого контактора образована стенкой структурированной насадки.

Объектом изобретения является также колонна для теплообмена и/или массообмена между газом и жидкостью, в которой две текучие среды входят в контакт при помощи, по меньшей мере, одного контактора в соответствии с изобретением.

Объектом изобретения является также плавучая конструкция, в частности, для производства углеводородов. Она содержит, по меньшей мере, одну колонну теплообмена и/или массообмена между газом и жидкостью в соответствии с изобретением.

Кроме того, объектом изобретения является использование колонны в соответствии с изобретением для процесса обработки газа, улавливания СО₂, дистилляции или переработки воздуха.

Краткое описание фигур

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания не ограничительных примеров осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 (уже описана) изображает частный случай колонны обработки газа или улавливания СО₂, оборудованной тарельчатым питателем в головке колонны.

Фиг. 2-4 изображают различные варианты компоновки отсеков, ограниченных перфорированными стенками, для контактора в соответствии с изобретением.

Фиг. 5-10 изображают различные варианты компоновки отсеков, ограниченных структурированной насадкой, для контактора в соответствии с изобретением.

Подробное описание изобретения

Объектом изобретения является контактор для колонны теплообмена и/или массообмена между двумя текучими средами. Контактор является элементом, обеспечивающим контакт двух жидкостей, чтобы способствовать теплообменам и/или массообменам между двумя текучими средами. Контактор в соответствии с изобретением содержит несколько отсеков, каждый из которых содержит неупорядоченную насадку.

Неупорядоченной насадкой называют неупорядоченные случайные наборы унитарных элементов, имеющих особые формы, например, формы колец, спиралей и т.д. Теплообмены и/или массообмены происходят внутри этих унитарных элементов. Эти унитарные элементы могут быть выполнены из металла, керамики, пластика или аналогичных материалов. В патентных заявках ЕР 1478757 и WO 2008/067031 описаны два примера унитарного элемента неупорядоченной насадки. Неупорядоченная насадка имеет предпочтительные качества с точки зрения эффективности переноса, небольшой потери напора и простоты установки.

Согласно изобретению, контактор содержит множество отсеков, каждый из которых содержит неупорядоченную насадку. Основным принципом изобретения является разделение слоя неупорядоченной насадки в осевом направлении колонны на несколько отсеков неупорядоченной насадки. Отсеки ограничены стенками, образованными перфорированными пластинами и/или образованными структурированными насадками. Разделение секции неупорядоченной насадки на несколько слоев (отсеков), ограниченных стенкой (перфорированной пластиной и/или структурированной насадкой), позволяет избежать массового перемещения жидкости в боковом направлении или образования преимущественного прохода жидкости в насадке под действием наклона колонны, в частности, в результате движения, вызванного волнением моря. Действительно, стенка (перфорированная пластина и/или структурированная насадка) позволяет ослабить/замедлить инерцию и боковое перемещение жидкой и паровой фаз и обеспечивает, таким образом, хорошую однородность и равномерность распределения фаз в слое насадки. Кроме того, поскольку наклон колонны может привести также к перемещению неупорядоченной насадки, отсеки позволяют ограничить перемещение неупорядоченной насадки.

Предпочтительно отсеки по существу имеют форму параллелепипеда, цилиндра, призмы или имеют форму участка цилиндра. Предпочтительно каждый отсек окружен стенкой (перфорированной пластиной и/или структурированной насадкой). Если отсек находится на периферии контактора, он окружен перфорированной пластиной и/или стенкой, образованной структурированной насадкой и колонной (обечайкой колонны). Выполнение контактор в виде отсеков позволяет ослабить/замедлить инерцию перемещения текучих сред во всех направлениях.

Согласно первому варианту выполнения, отсеки ограничены только перфорированными пластинами. В этом варианте выполнения с секциями неупорядоченной насадки, ограниченными перфорированной пластиной, отверстия позволяют уравновесить давление с двух сторон стенки и, следовательно, между различными отсеками. Перфорированные пластины выполнены, например, из металла.

На фиг. 2-4 представлены различные версии первого варианта выполнения изобретения (с перфорированными пластинами). На этих фигурах представлен вид в горизонтальной плоскости расположения структурированных насадок. На этих фигурах неупорядоченная насадка обозначена А, и перфорированные пластины обозначены Р.

В версиях выполнения, представленных на фиг. 2 и 3, отсеки по существу имеют форму параллелепипеда. Как показано на фигурах, перфорированные пластины расположены в двух направлениях в горизонтальной плоскости. Эти два направления являются по существу перпендикулярными друг к другу. В этих версиях выполнения каждый отсек неупорядоченной насадки А окружен перфорированными пластинами и, в случае необходимости, контуром колонны φ. В примере на фиг. 3 имеется больше блоков, чем в примере на фиг. 2, следовательно, эта версия выполнения более адаптирована для колонн большого диаметра или для колонн, подверженных более значительным наклонам. Согласно отличительному признаку этих версий выполнения, диаметр колонны φ составляет от 0,5 до 10 м, и отсеки неупорядоченной насадки А имеют размеры: LA1 и LA2, составляющие от 0,2 до 5 м.

В версии выполнения, показанной на фиг. 4, отсеки являются по существу цилиндрическими. Как показано на фигуре, перфорированные пластины образуют концентричные окружности в горизонтальной плоскости. Промежуток между двумя последовательными стенками может быть по существу идентичным. В этой версии выполнения каждый отсек неупорядоченной насадки А, по существу образующий кольцо, окружен перфорированными пластинами и, в случае необходимости, контуром колонны φ. Согласно отличительному признаку этой версии выполнения, диаметр колонны φ составляет от 0,5 до 10 м, и отсеки неупорядоченной насадки А имеют размеры: LA3 от 0,2 до 5 м и LA5 от 0,1 до 2,5 м.

Согласно второму варианту выполнения изобретения, отсеки ограничены стенками из структурированной насадки. Эта конфигурация позволяет объединить преимущества каждой насадки, неупорядоченной и структурированной, и обеспечить хорошую однородность и равномерность распределения в теплообменной и/или массообменной колонне.

Структурированной насадкой называют набор рифленых, корругированных пластин (от английского “corrugated”, то есть по существу гофрированных с прямыми углами), скомпонованных в виде больших блоков, как описано, в частности, в патентных заявках FR 2913353 (US 2010/0213625), US 3679537, US 4296050. Пластины, образующие структурированную насадку, имеют главное направление в горизонтальной плоскости. Главное направление является направлением, перпендикулярным к вертикальной оси и определяемым структурой пластин. Преимуществом структурированных насадок является обеспечение большой геометрической площади при данном характерном диаметре.

Согласно изобретению, контактор, содержащий структурированную насадку, содержит несколько слоев структурированной насадки, расположенных друг над другом. Для обеспечения обменов между текучими средами слои контактора имеют разные главные направления, предпочтительно они являются по существу перпендикулярными друг к другу. Высота слоев может составлять от 0,1 до 0,3 м и предпочтительно может быть равна 0,21 м.

Удельная геометрическая поверхность структурированной насадки соответствует общей развернутой площади насадки, причем эта геометрическая площадь насадки выражена в виде геометрической площади насадки на единицу объема. Классически структурированные насадки могут иметь удельную геометрическую поверхность от 100 до 750 м²/м³. С учетом их геометрической компоновки структурированные насадки могут иметь удельную поверхность, превышающую удельную поверхность неупорядоченных насадок при одинаковой гидравлической характеристике. В этом варианте выполнения изобретения удельная геометрическая поверхность структурированной насадки составляет от 125 до 750 м²/м³ и предпочтительно равна 250 м²/м³.

Поскольку удельная поверхность структурированной насадки превышает удельную поверхность неупорядоченной насадки, стенки структурированной насадки, разделяющие на отсеки неупорядоченную насадку, ослабляют/тормозят инерцию и боковое перемещение жидкой и паровой фаз и обеспечивают, таким образом, хорошую однородность и равномерность распределения фаз в слое насадки.

На фиг. 5-10 представлены различные версии второго варианта выполнения изобретения (со стенками из структурированной насадки). На этих фигурах представлен вид в горизонтальной плоскости расположения структурированных насадок. На этих фигурах неупорядоченная насадка обозначена А, и структурированная насадка обозначена В.

В версиях выполнения, показанных на фиг. 5 и 6, отсеки по существу имеют форму параллелепипеда. Кроме того, стенки, образованные структурированной насадкой В, по существу имеют форму полос (то есть имеют ширину, намного меньшую длины в горизонтальной плоскости). Показанные полосы расположены двух направлениях в горизонтальной плоскости. Эти два направления являются по существу перпендикулярными друг к другу. В этих версиях выполнения каждый отсек неупорядоченной насадки А окружен полосами структурированной насадки В и, в случае необходимости, контуром колонны φ. В примере на фиг. 6 имеется больше блоков, чем в примере на фиг. 5, следовательно, эта версия выполнения более адаптирована для колонн большого диаметра или для колонн, подверженных более значительным наклонам. Согласно отличительному признаку этих версий выполнения, диаметр колонны φ составляет от 0,5 до 10 м, отсеки неупорядоченной насадки А имеют размеры: LA1 и LA2, составляющие от 0,2 до 5 м, а полосы структурированной насадки В имеют размеры: LB1 и LB2, составляющие от 0,1 до 2,5 м. Например, в варианте выполнения, показанном на фиг. 6, размеры можно выбирать следующим образом: диаметр колонны φ равен 4 м, размеры отсеков неупорядоченной насадки А: LA1 и LA2 равны 0,75 м, и размеры полос структурированной насадки В: LB1 и LB2 равны 0,2 м.

Версии выполнения, показанные на фиг. 7 и 8, соответствуют версиям выполнения, показанным на фиг. 5 и 6, но в них периферия контактора образована структурированной насадкой В. Расположение блока второй структурированной насадки на периферии позволяет, в частности, избегать скопления жидкости на стенке колонны. Стенки, образованные структурированной насадкой В, по существу имеют форму полосы. Показанные полосы расположены в двух направлениях в горизонтальной плоскости. Эти два направления являются по существу перпендикулярными друг к другу. В этих версиях выполнения каждый отсек неупорядоченной насадки А окружен только стенками структурированной насадки В. В примере на фиг. 8 имеется больше блоков, чем в примере на фиг. 7, следовательно, эта версия выполнения более адаптирована для колонн большого диаметра или для колонн, подверженных более значительным наклонам. Например, диаметр колонны φ составляет от 0,5 до 10 м, отсеки неупорядоченной насадки А имеют размеры: LA1 и LA2, составляющие от 0,2 до 5 м, полосы структурированной насадки В имеют размеры: LB1 и LB2, составляющие от 0,1 до 2,5 м, и размер периферической стенки LB3 составляет от 0,1 до 2,5 м.

В версии выполнения, показанной на фиг. 9, отсеки являются по существу цилиндрическими (трубчатыми) в горизонтальной плоскости: неупорядоченные и структурированные насадки образуют совокупность концентричных окружностей с чередованием отсеков неупорядоченной насадки А и стенок структурированной насадки В. В этом варианте выполнения центр контактора образован структурированной насадкой В, и контактор содержит периферическую стенку, образованную структурированной насадкой В. Каждый отсек неупорядоченной насадки А окружен, таким образом, структурированной насадкой В. Например, диаметр колонны φ составляет от 0,5 до 10 м, отсеки неупорядоченной насадки А имеют размеры: LA3 и LA4, составляющие от 0,2 до 5 м, стенки структурированной насадки В имеют размеры: LB4 составляет от 0,2 до 1 м, и LB5 и LB6 составляют от 0,1 до 2,5 м, и размер периферического блока LB3 составляет от 0,1 до 2,5 м.

В версии выполнения, показанной на фиг. 10, большинство отсеков неупорядоченной насадки и стенок, образованных структурированной насадкой, по существу являются цилиндрическими (трубчатыми) или имеют форму участка цилиндра (трубы) в горизонтальной плоскости, и меньшее количество отсеков и стенок являются по существу прямоугольными в горизонтальной плоскости. Неупорядоченные и структурированные насадки образуют совокупность участков концентричных окружностей (по существу четвертей окружности) с чередованием неупорядоченных А и структурированных В насадок. Кроме того, набор включает в себя несколько прямоугольников. Это расположение образует чередование насадок А и В. В этой версии выполнения центр контактора образован структурированной насадкой В, и контактор содержит периферическую стенку, образованную структурированной насадкой В. Каждый отсек неупорядоченной насадки А окружен, таким образом, структурированной насадкой В. В примере на фиг. 10 имеется больше отсеков, чем в примере на фиг. 9, следовательно, эта версия выполнения более адаптирована для колонн большого диаметра или для колонн, подверженных более значительным наклонам. Например, диаметр колонны φ составляет от 0,5 до 10 м, отсеки неупорядоченной насадки А имеют размеры: LA3, LA4, LA6, составляющие от 0,2 до 5 м, стенки структурированной насадки В имеют размеры: LB4 составляет от 0,2 до 1 м, и LB5 и LB6 составляют от 0,1 до 2,5 м, и размер периферической стенки LB3 составляет от 0,1 до 2,5 м.

Эти варианты выполнения позволяют предложить простое устройство и, в частности, упростить установку на место на практике насадочных элементов в контактной колонне, обеспечивая при этом однородное распределение текучих сред.

Кроме того, можно предусмотреть другие варианты выполнения, например, выполняя по существу треугольные блоки при помощи стенок и/или полос насадки В, ориентированных под углом 45° относительно друг друга, или выбирая расположение, показанное на фиг. 9 и 10, исключив периферическую стенку структурированной насадки, или комбинируя использование перфорированных пластин и структурированных насадок для ограничения отсеков.

Объектом изобретения является также колонна 1 для массообмена и/или теплообмена между двумя текучими средами, в которой две текучие среды входят друг с другом в контакт при помощи, по меньшей мере, одного газожидкостного контактора 3, при этом колонна 1 содержит, по меньшей мере, первый вход жидкой среды, по меньшей мере, второй вход газообразной среды, по меньшей мере, первый выход газообразной среды и, по меньшей мере, второй выход жидкой среды. Согласно изобретению, используют описанный выше контактор. Кроме того, колонна 1 может содержать, по меньшей мере, один тарельчатый питатель 2 для обеспечения распределения текучих сред на контакторе 3.

Газ и жидкость могут проходить в колонне противотоком или прямотоком.

Кроме того, объектом изобретения является плавучая конструкция, такая как платформа, судно, плавучая баржа, например, типа FPSO или FNLG, в частности, для производства углеводородов. Плавучая конструкция содержит, по меньшей мере, одну установку обработки углеводородов, включающую в себя, по меньшей мере, одну массообменную и/или теплообменную колонну в соответствии с изобретением.

Колонну в соответствии с изобретением можно использовать в процессах обработки газа, улавливания СО₂ (например, посредством промывки аминами), дистилляции или переработки воздуха.

Кроме того, изобретение можно применять с любым типом растворителя.

1. Контактор для колонны теплообмена и/или массообмена между двумя текучими средами, содержащий неупорядоченную насадку (А), то есть насадку, выполненную из неупорядоченных случайных наборов унитарных элементов, при этом упомянутая неупорядоченная насадка (А) распределена в нескольких отсеках, ограниченных, по меньшей мере, одной стенкой, разделяющей неупорядоченную насадку в осевом направлении контактора.

2. Контактор по п. 1, в котором упомянутые отсеки по существу имеют форму параллелепипеда, цилиндра, призмы и/или имеют форму участков цилиндра.

3. Контактор по одному из пп. 1 или 2, в котором, по меньшей мере, одна стенка образована структурированной насадкой (В).

4. Контактор по п. 3, в котором удельная геометрическая поверхность упомянутой структурированной насадки (В) составляет от 125 до 750 м²/м³ и предпочтительно по существу равна 250 м²/м³.

5. Контактор по п. 1, в котором, по меньшей мере, одна стенка выполнена в виде перфорированной пластины.

6. Контактор по п. 1, в котором упомянутые отсеки по существу имеют форму параллелепипеда, при этом упомянутые стенки образуют в горизонтальной плоскости по существу перпендикулярные полосы.

7. Контактор по п. 1, в котором упомянутые отсеки по существу являются цилиндрическими, и упомянутые стенки образуют в горизонтальной плоскости по существу концентричные окружности.

8. Контактор по п. 1, в котором периферия упомянутого контактора (3) образована стенкой структурированной насадки (В).

9. Колонна для теплообмена и/или массообмена между газом и жидкостью, в которой две текучие среды входят в контакт при помощи, по меньшей мере, одного контактора (3) по одному из предыдущих пунктов.

10. Плавучая конструкция, в частности, для производства углеводородов, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, одну колонну (1) теплообмена и/или массообмена между газом и жидкостью по п. 9.

11. Использование колонны по п. 9 для процесса обработки газа, улавливания СО₂, дистилляции или переработки воздуха.