КОНТАКТОР ДЛЯ ОБМЕННОЙ КОЛОННЫ, СОСТОЯЩИЙ ИЗ НАБОРА СТРУКТУРИРОВАННЫХ НАСАДОК, КОЛОННА ДЛЯ ТЕПЛООБМЕНА/МАССООБМЕНА, ПЛАВУЧАЯ КОНСТРУКЦИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УКАЗАННОЙ КОЛОННЫ Российский патент 2019 года по МПК B01D53/00 

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 0,2/0,8/0,2 м/с² на высоте 6 м над палубой, на которой находится колонна, до 0,3/1,3/0,3 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 US 5486318 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. Однако в вариантах выполнения, описанных в этом патенте, выбранный вариант разделения на отсеки может ухудшить однородность потока в колонне. Действительно, когда часть жидкости под действием волнения моря перемещается радиально из одной секции в другую, жидкость скапливается в плоскости препятствия, которым в зависимости от варианта выполнения может быть перфорированная стенка или насадочная пластина. Скопление жидкости, поступающей от нескольких листов насадки, образует преимущественный путь для жидкости и газа и ухудшает характеристики переноса контактной колонны.

Кроме того, в патентной заявке US 5984282 представлен вариант выполнения контактора, согласно которому осуществляют специальное упорядочение структурированной насадки, чтобы обеспечивать равномерное распределение. Однако этот вариант является сложным.

Кроме того, в патентных заявках US 7559539 и US 7559540 представлены варианты выполнения контакторов, согласно которым слой насадки состоит из двух типов структурированных насадок (разные геометрические площади, углы…). Наложение слоев насадок с разными площадями можно осуществлять как в осевом направлении колонны, так и в радиальном направлении, в зависимости от патента. В патентах US 7559539, US 7559540 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.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков известного уровня техники. Задача решается контактором для теплообменной и/или массообменной колонны, содержащим набор из двух структурированных насадок, имеющих разные геометрические площади и имеющих параллельные друг другу главные направления. Таким образом, изобретение обеспечивает хорошую однородность и равномерность распределения в слое структурированных насадок и, следовательно, 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, по меньшей мере, один слой насадки, образованный набором, по меньшей мере, из первой структурированной насадки и второй структурированной насадки, имеющей более значительную удельную геометрическую поверхность, чем упомянутая первая структурированная насадка. Главное направление упомянутой первой структурированной насадки параллельно главному направлению упомянутой второй структурированной насадки.

Согласно изобретению, упомянутые первая и вторая структурированные насадки выполнены в виде блоков структурированной насадки, при этом каждый блок упомянутой первой структурированной насадки окружен блоками упомянутой второй структурированной насадки.

Предпочтительно упомянутые блоки по существу имеют форму параллелепипеда, цилиндра, призмы и/или имеют форму участков цилиндра.

Предпочтительно объем каждого блока упомянутой второй структурированной насадки меньше объема упомянутой первой структурированной насадки.

Согласно варианту выполнения изобретения, упомянутые блоки по существу имеют форму параллелепипеда, при этом упомянутые блоки упомянутой второй структурированной насадки образуют в горизонтальной плоскости по существу перпендикулярные полосы.

В альтернативном варианте упомянутые блоки по существу являются цилиндрическими, и упомянутые блоки упомянутой второй структурированной насадки образуют в горизонтальной плоскости по существу концентричные окружности.

Предпочтительно периферия упомянутого контактора образована упомянутой второй структурированной насадкой.

Согласно отличительному признаку изобретения, удельная геометрическая поверхность упомянутой первой структурированной насадки составляет от 100 до 375 м²/м³ и предпочтительно по существу равна 250 м²/м³.

Кроме того, удельная геометрическая поверхность упомянутой второй структурированной насадки составляет от 250 до 750 м²/м³ и предпочтительно по существу равна 500 м²/м³.

Предпочтительно упомянутый контактор содержит несколько слоев насадки, при этом их главные направления являются по существу перпендикулярными друг к другу.

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 - контактор, состоящий из двух слоев структурированной насадки.

Фиг. 3-8 изображают различные варианты компоновки структурированных насадок контактора в соответствии с изобретением.

Фиг. 9 изображают две последовательные пластины структурированной насадки.

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, по меньшей мере, один слой насадки, образованный, по меньшей мере, первой структурированной насадкой и второй структурированной насадкой, имеющей более значительную удельную геометрическую поверхность, чем упомянутая первая структурированная насадка. Согласно изобретению, в каждом слое насадки главное направление первой структурированной насадки параллельно главному направлению второй структурированной насадки.

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. Преимуществом структурированных насадок является обеспечение большой геометрической площади при данном характерном диаметре. Пластины, образующие структурированную насадку, имеют главное направление в горизонтальной плоскости. Главное направление является направлением, перпендикулярным к вертикальной оси и определяемым структурой пластин. На фиг. 9 представлен пример двух последовательных гофрированных пластин 5 структурированной насадки. На этой фигуре ось z соответствует вертикальной оси, вдоль которой проходят текучие среды, и оси x и y определяют горизонтальную (поперечную) плоскость. На этой фигуре показано главное направление Dir структурированной насадки, которое соответствует направлению, ортогональному к вертикальной оси, проходящей через вершины (впадины) гофр пластин структурированной насадки. На этой фигуре главное направление структурированной насадки параллельно оси х.

Классически контактор содержит несколько расположенных друг над другом слоев структурированной насадки. На фиг. 2 показан контактор 3, состоящий из двух слов 4 структурированной насадки. 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.

Согласно изобретению, секции структурированных насадок с разными геометрическими площадями имеют главные направления, параллельные относительно друг друга. Структурированные насадки могут иметь одинаковые структуры с разными размерами или могут иметь разные структуры. Разделение секции насадки на несколько слоев с разной удельной геометрической поверхностью позволяет избежать массового перемещения жидкости в боковом направлении или образования преимущественного прохода жидкости в насадке под действием движения, вызванного волнением моря. Действительно, секция насадки с более значительной геометрической площадью позволяет ослабить/замедлить инерцию и боковое перемещение жидкой и паровой фаз и обеспечивает, таким образом, хорошую однородность распределения фаз в слое насадки. Кроме того, граница между различными секциями насадки не перекрывается. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает однородное и равномерное распределение жидкой и газообразной фаз благодаря набору из двух секций насадки с градиентом удельной геометрической поверхности.

Предпочтительно первая и вторая структурированные насадки расположены таким образом, чтобы образовать блоки структурированной насадки. Каждый блок структурированной насадки образован структурированной насадкой одного типа (то есть либо первой структурированной насадкой, либо второй структурированной насадкой). Не ограничительно блоки имеют форму параллелепипеда, цилиндра, призмы или имеют форму участка цилиндра. Предпочтительно каждый блок, образованный первой структурированной насадкой, окружен блоками, образованными второй структурированной насадкой. Если блок, образованный первой структурированной насадкой, находится на периферии контактора, он окружен блоками, образованными второй структурированной насадкой, и колонной (обечайкой колонны). Выполнение контактора в виде блоков позволяет ослаблять/замедлять инерцию и перемещение текучих сред во всех направлениях. Чтобы оптимизировать однородность распределения, блоки, образованные второй структурированной насадкой, имеют меньший объем, чем блоки, образованные первой структурированной насадкой. Как правило, объем блоков, образованный второй структурированной насадкой, меньше объема блоков, образованных первой структурированной насадкой, и предпочтительно меньше половины этого объема.

Согласно варианту выполнения изобретения, удельная геометрическая поверхность упомянутой первой структурированной насадки составляет от 100 до 375 м²/м³ и предпочтительно по существу равна 250 м²/м³. Кроме того, удельная геометрическая поверхность упомянутой второй структурированной насадки составляет от 375 до 750 м²/м³ и предпочтительно по существу равна 500 м²/м³.

Изобретением предложен набор, по меньшей мере, из двух типов структурированных насадок с разной геометрической площадью. Основным принципом изобретения является разделение слоя насадки в осевом направлении колонны на несколько секций при помощи насадок с большей удельной геометрической поверхностью. На фиг. 3-8 представлены различные варианты выполнения изобретения. На этих фигурах представлен вид в горизонтальной плоскости расположения структурированных насадок. На этих фигурах первая структурированная насадка обозначена А, и вторая структурированная насадка, имеющая более значительную геометрическую площадь, обозначена В.

В вариантах выполнения, показанных на фиг. 3 и 4, блоки по существу имеют форму параллелепипеда. Кроме того, блоки, образованные второй насадкой В, по существу имеют форму полосы (блок имеет ширину, намного меньшую длины). Как показано на фигурах, полосы расположены в двух направлениях в горизонтальной плоскости. Эти два направления являются по существу перпендикулярными друг к другу. В этих вариантах выполнения каждый блок насадки А окружен полосами насадки В и, в случае необходимости, контуром колонны φ. В примере на фиг. 4 имеется больше блоков, чем в примере на фиг. 3, следовательно, этот вариант выполнения более адаптирован для колонн большого диаметра или для колонн, подверженных более значительным наклонам. Согласно отличительному признаку этих вариантов выполнения, диаметр колонны φ составляет от 0,5 до 10 м, блоки насадки А имеют размеры: LA1 и LA2, составляющие от 0,2 до 5 м, и полосы насадки В имеют размеры: LB1 и LB2, составляющие от 0,1 до 2,5 м. Например, в варианте выполнения, показанном на фиг. 4, диаметр колонны φ равен 4 м, блоки насадки А имеют размеры: LA1 и LA2, равные 0,75 м, и полосы насадки В имеют размеры: LB1 и LB2, равные 0,2 м, при удельной геометрической поверхности насадки А, равной 250 м²/м³ и при удельной геометрической поверхности насадки В, равной 500 м²/м³.

Варианты выполнения, показанные на фиг. 5 и 6, соответствуют вариантам выполнения, показанным на фиг. 3 и 4, 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. Блоки, образованные второй 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 вариантах выполнения каждый блок насадки А окружен только блоками насадки В. В примере на фиг. 6 имеется больше блоков, чем в примере на фиг. 5, следовательно, этот вариант выполнения более адаптирован для колонн большого диаметра или для колонн, подверженных более значительным наклонам. Например, диаметр колонны φ составляет от 0,5 до 10 м, блоки насадки А имеют размеры: LA1 и LA2, составляющие от 0,2 до 5 м, полосы насадки В имеют размеры: LB1 и LB2, составляющие от 0,1 до 2,5 м, и размер периферического блока LB3 составляет от 0,1 до 2,5 м.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 7, блоки являются по существу цилиндрическими (трубчатыми) в горизонтальной плоскости: набор структурированных насадок образует совокупность концентричных окружностей с чередованием насадок А и В. В этом варианте выполнения центральный блок контактора является блоком насадки В, и контактор содержит периферический блок, образованный насадкой В. Каждый блок насадки А окружен, таким образом, блоками насадки В. Например, диаметр колонны φ составляет от 0,5 до 10 м, блоки насадки А имеют размеры: LA3 и LA4, составляющие от 0,2 до 2,5 м, блоки 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 варианте выполнения, показанном на фиг. 8, большинство блоков по существу являются цилиндрическими (трубчатыми) или имеют форму участка цилиндра (трубы) в горизонтальной плоскости, и меньшее количество блоков являются по существу прямоугольными в горизонтальной плоскости. Структурированные насадки образуют совокупность участков концентричных окружностей (по существу четвертей окружности) с чередованием насадок А и В. Кроме того, набор включает в себя несколько прямоугольников. Это расположение образует чередование насадок А и В. В этом варианте выполнения центральный блок контактора является блоком насадки В, и контактор содержит периферический блок, образованный насадкой В. Каждый блок насадки А окружен, таким образом, блоками насадки В. В примере на фиг. 8 имеется больше блоков, чем в примере на фиг. 7, следовательно, этот вариант выполнения более адаптирован для колонн большого диаметра или для колонн, подверженных более значительным наклонам. Например, диаметр колонны φ составляет от 0,5 до 10 м, блоки насадки А имеют размеры: LA3, LA4, LA6, составляющие от 0,2 до 5 м, блоки 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.

Эти варианты выполнения позволяют предложить простое устройство и, в частности, упростить на практике установку на место насадочных элементов в контактной колонне.

Кроме того, можно предусмотреть другие варианты выполнения, например, выполняя по существу треугольные блоки при помощи полос насадки В, ориентированных под углом 45° относительно друг друга, или выбирая расположение, показанное на фиг. 7 и 8, исключив периферический слой второй насадки.

Согласно другой версии выполнения изобретения, слои контактора включают в себя более двух разных структурированных насадок, главные направления которых параллельны между собой. Например, структурированная насадка с большей удельной геометрической поверхностью расположена таким образом, чтобы замедлять/ограничивать перемещение текучей среды в главном направлении наклона колонны, и насадка с промежуточной удельной геометрической поверхностью расположена в направлении, перпендикулярном к структурированной насадке с большей удельной геометрической поверхностью.

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.

Объектом изобретения является контактор для колонны теплообмена и/или массообмена, содержащий набор из двух структурированных насадок, имеющих разную геометрическую площадь и имеющих параллельные главные направления. Объектами изобретения являются также теплообменная колонна, плавучая конструкция и использование колонны, оборудованной таким контактором. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Контактор для колонны теплообмена и/или массообмена между двумя текучими средами, содержащий, по меньшей мере, один слой (4) насадки, образованный набором, по меньшей мере, из первой структурированной насадки (А) и второй структурированной насадки (В), имеющей более значительную удельную геометрическую поверхность, чем упомянутая первая структурированная насадка (А), отличающийся тем, что главное направление упомянутой первой структурированной насадки параллельно главному направлению упомянутой второй структурированной насадки.

2. Контактор по п. 1, в котором упомянутые первая и вторая структурированные насадки выполнены в виде блоков структурированной насадки, и в котором каждый блок упомянутой первой структурированной насадки (А) окружен блоками упомянутой второй структурированной насадки (В).

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

4. Контактор по одному из пп. 2 или 3, в котором объем каждого блока упомянутой второй структурированной насадки (В) меньше объема упомянутой первой структурированной насадки (А).

5. Контактор по п. 2, в котором упомянутые блоки по существу имеют форму параллелепипеда, при этом упомянутые блоки упомянутой второй структурированной насадки (В) образуют в горизонтальной плоскости по существу перпендикулярные полосы.

6. Контактор по п. 2, в котором упомянутые блоки по существу являются цилиндрическими, и упомянутые блоки упомянутой второй структурированной насадки (В) образуют в горизонтальной плоскости по существу концентричные окружности.

7. Контактор по п. 1, в котором периферия упомянутого контактора (3) образована упомянутой второй структурированной насадкой (В).

8. Контактор по п. 1, в котором удельная геометрическая поверхность упомянутой первой структурированной насадки (А) составляет от 100 до 375 м²/м³ и предпочтительно по существу равна 250 м²/м³.

9. Контактор по п. 1, в котором удельная геометрическая поверхность упомянутой второй структурированной насадки (В) составляет от 250 до 750 м²/м³ и предпочтительно по существу равна 500 м²/м³.

10. Контактор по п. 1, в котором упомянутый контактор (3) содержит несколько слоев (4) насадки, при этом их главные направления являются по существу перпендикулярными друг к другу.

11. 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.

12. 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. 11.

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