Распределительная тарелка для колонны обмена между газом и жидкостью с дефектором жидкости, колонна обмена теплом и использование колонны - RU2682606C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к области колонн контакта газ/жидкость, а более конкретно - к установкам обработки газа, улавливания СО₂, или еще дистилляции.

Установки очистки газа и/или улавливания CO₂ промывкой аминами и/или дистилляции включают в себя колонны обмена массой и/или теплом между газом и жидкостью; это может быть, например, колонна абсорбции и регенерации флюида, жидкого или газообразного. Эти колонны работают на перемещении газа/жидкости в прямотоке или в противотоке.

Колонны, используемые в этих установках газоочистки и/или улавливания СО₂ и/или дистилляции и/или дегидратации, обычно работают по принципу обмена массы и/или тепла между газом и флюидом, которые циркулируют в колоннах. Фиг. 1 представляет частный случай колонки (1) газоочистки, снабженный распределительной тарелкой. Обычно эта колонна газоочистки (1) включает в себя несколько секций (3), заполненных через контактор, в частности насадку, над каждой секцией (3) расположена распределительная тарелка (2). Контактор газ/жидкость (3) обеспечивает контакт газа (G) и жидкости (L) для того, чтобы позволить обмен.

Например, стандартные распределители (2), используемые в колонках абсорбции/регенерации и еще дистилляции, обычно состоят из приемной/распределительной тарелки, оснащенной каналами (4) или камерами для прохождения газа (см. фиг. 2). Распределение жидкости осуществляется прохождением жидкости через отверстия (5), расположенные на нижней тарелке (2), а распределение газа происходит за счет камер (4). Каждая камера (4) допускает прохождение газа, в соответствии с противоточным или прямоточным режимом работы, из нижней части колонны в верхнюю часть колонны (1) или из верхней части в нижнюю часть. Каждая камера (4) формируется несколькими стенками, например параллелепипедными или цилиндрическими, которые ограничивают внутренний объем, который открыт с обеих сторон тарелки (2). Чтобы предотвратить прохождения жидкости в камеры (4), выпускное или впускное отверстие газа над тарелкой (в зависимости от противоточного или прямоточного режима работы) преимущественно закрыто крышкой (также называемой скосом). Задачей распределительной тарелки является равномерное распределение жидкости (L) на контактор газ/жидкость (3).

С целью оптимизации обмена между газом и жидкостью были разработаны многочисленные распределительные тарелки. Эти распределительные тарелки/коллекторы состоят в двух больших семействах:

Системы распределитель/коллектор с каналами, такие как описаны в патентных заявках GB 1169878 A, US 4808350 A, US 4472325 A, US 4427605 A, US 4839108 A, FR2203659. Для таких систем с каналами распределение жидкости осуществляется через отверстия, расположенные на тарелке или через каналы прохода жидкости, оснащенные отверстиями или щелями (см. пример на фиг. 2), распределение газа осуществляется через канал прохода газа или камеры. Распределение жидкости осуществляется через отверстия, выполненные на тарелке или посредством каналов для прохождения жидкости. Хорошо известно, что распределение жидкости через отверстия, размещенные на тарелке, не дает хорошей гибкости расхода жидкости. Распределение жидкости посредством канала имеет хорошую гибкость, но не позволяет получить равномерное распределение жидкости на контактор, без повышенного количества отверстий или каналов, что делает тарелку сложной и тяжелой (значительное количество каналов прохождения жидкости), системы с распределительными камерами, питаются с помощью выделенного питания (система сбора вверху по течению или промежуточное питание), как описано в патентных заявках US4909967, US4816191, US4981265, DE2752391, WO8802647, FR2569129 или распределитель/коллектор с камерой для прохождения газа такой, как описан в патентных заявках US4689183, US5132055, US4432913. Эти типы распределителей чаще всего имеют системы распределения жидкости, расположенные на камерах прохождения газа.

Кроме того, разработаны распределительные тарелки, снабженные дефлекторами для распределения жидкости на контактор (см., например, патентные заявки US2010019061, US20090134063, US5403561, CN100364652). Тем не менее, они в основном предназначены для колонн, работающих прямоточно, в которых задача дефлектора - распылять жидкость в виде капель. Или в жидких распределителях противоточных способов следует избегать формирования капель, которые могут быть захвачены газом, во вред эффективности способа. Поток жидкости на выходе дефлектора для противоточных способов должен быть плотными струями. Кроме того, задачей этих дефлекторов является обеспечение равномерного распределения жидкости по всем направлениям.

Поток жидкости в насадки различается в зависимости от технологии насадки. В насыпной насадке дисперсия (диффузия) жидкости в слое насадки - изотропна. Напротив, в структурированной насадке из пластины насадки сольно ограничивают ориентацию дисперсии жидкости в направлениях, параллельных пластинам (однако некоторая вторичная дисперсия, перпендикулярная пластинам, может происходить из-за наличия небольших отверстий в пластинах, как правило, каналов). Более того, дисперсия в направлениях, перпендикулярных пластинам, осуществляется переходом на срез следующей насадки, пластины которой расположены, как правило, под углом в 90°, но это не гарантируется для первого слоя. Для классической распределительной тарелки распределение жидкости не направлено, неиспользуемая поверхность на первом слое структурированной насадки может быть оценена в 70%.

Для преодоления этих проблем настоящее изобретение относится к распределительной тарелке для колонны обмена тепла и/или вещества между газом и жидкостью. Тарелка включает в себя средства для прохождения газа, каналы для прохождения жидкости и средства распространения жидкости в соответствии с предпочтительной ориентацией. Таким образом, изобретение позволяет предоставить хорошее качество распределения жидкости и повысить эффективность обмена между жидкостью и газом, по меньшей мере, на первом срезе структурированной насадки с помощью ориентированных средств распространения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к распределительной тарелке для колонны обмена теплом и/или массой между газом и жидкостью, содержащей средства для прохождения указанного газа через указанную тарелку и по меньшей мере один канал для прохождения указанной жидкости через указанную тарелку. Указанная тарелка дополнительно включает в себя средства для распределения жидкости, выступающие из нижней части указанной тарелки для распределения в соответствии с предпочтительной ориентацией указанной жидкости, исходящей из указанного канала.

В соответствии с изобретением, указанное средство распределения жидкости распределяет указанную жидкость в форме, по меньшей мере, струи.

Преимущественно указанная тарелка расположена над структурированной насадкой, указанные средства распределения жидкости ориентированы по существу перпендикулярно направлению, в поперечной плоскости, пластин верхнего слоя указанной структурированной насадки.

Преимущественно указанные средства распределения жидкости прикреплены к указанному каналу при помощи ввинчивания, сварки, склеивания или путем вставки в указанный канал.

Предпочтительно указанные средства для прохождения газа образованы камерами, выступающими на верхней части указанной тарелки.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, упомянутые средства распределения жидкости содержат трубу, снабженную, по меньшей мере, одним средством прохода жидкости, указанная труба, по существу, параллельна указанной тарелке.

В зависимости от варианта указанные средства для прохождения жидкости являются отверстием (7, 11) или трубкой, размещенной на указанной трубе (5).

Преимущественно указанная труба содержит множество отверстий или трубок, выровненных в соответствии с осевым направлением указанной трубы.

Преимущественно указанное отверстие имеет форму щели.

Предпочтительно указанная труба содержит пластину рассеивания струи, исходящей из указанного канала к указанному средству для прохождения жидкости.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, указанное средство для прохождения жидкости расположено в верхней части указанных средств распределения жидкости, указанные средства распределения жидкости снабжены дефлектором для направления жидкости на выходе указанных средств прохождения жидкости вниз.

Согласно варианту осуществления, упомянутые средства распределения жидкости связаны с несколькими каналами.

Кроме того, изобретение относится к колонне обмена теплом и/или массой между газом и жидкостью, в которой два флюида вступают в контакт посредством структурированной насадки. Указанная колонна содержит, по меньшей мере, одну распределительную тарелку в соответствии с изобретением для распределения указанных флюидов на указанную структурированную насадку.

Преимущественно упомянутые средства распределения жидкости ориентированы по существу перпендикулярно направлению, в поперечной плоскости, пластин верхнего слоя указанной структурированной насадки.

Кроме того, изобретение относится к применению колонки, такой как описана для способа обработки газа, улавливания СО₂, дистилляции или преобразования воздуха.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием неограничительных вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 иллюстрирует частный случай головы колонны переработки газа или захвата СО₂, оборудованной распределительной тарелкой.

Фиг. 2 иллюстрирует распределительную тарелку в соответствии с предшествующим уровнем техники.

Фиг. 3 иллюстрирует пример структурированной насадки.

Фиг. 4 иллюстрирует пример распределительной тарелки в соответствии с изобретением.

Фиг. 5 иллюстрирует канал распределительной тарелки в соответствии с изобретением.

Фиг. 6 схематически иллюстрирует средства распределения жидкости распределительной тарелки в соответствии с изобретением.

Фиг. 7 иллюстрирует первый вариант реализации средств распределения жидкости в соответствии с изобретением.

Фиг. 8 иллюстрирует второй вариант реализации средств распределения жидкости в соответствии с изобретением.

Фиг. 9 иллюстрирует третий вариант реализации средств распределения жидкости в соответствии с изобретением.

Фиг. 10 иллюстрирует четвертый вариант реализации средств распределения жидкости в соответствии с изобретением.

Фиг. 11 иллюстрирует пятый вариант реализации средств распределения жидкости в соответствии с изобретением.

Фиг. 12А и 12В показывают шестой вариант реализации средств распределения жидкости в соответствии с изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к распределительной тарелке для колонны обмена теплом и/или массой между газом и жидкостью, как правило, содержащей, по меньшей мере, одно средство для прохождения газа через тарелку, такое как камера, по меньшей мере, канал для прохождения жидкости через тарелку и, по меньшей мере, средства распределения жидкости. Распределительная пластина позволяет образовать гидрозатвор на своей верхней поверхности. Камеры и каналы, выступающие на верхней части тарелки (ориентированные к верху колонны), в то время как средства распределения жидкости выступают на нижней части тарелки (направленные к нижней части колонны). В соответствии с изобретением, средства распределения жидкости распределяет жидкость из каналов внизу тарелки в соответствии с предпочтительной ориентацией. Предпочтительная ориентация определяется в зависимости от применения тарелки (дистилляция, обработка газа …) и/или типа и ориентации контактора (например, структурированной насадки), используемого в колонне. Распределительная тарелка в соответствии с изобретением пригодна для противотокового течения в колонне обмена теплом и/или материей; газ, поднимающийся через камеры, и жидкость, спускающаяся через каналы и средства распространения. Тем не менее, она также подходит для прямотокового течения.

Фиг. 4 показывает распределительную тарелку в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Для этого варианта осуществления распределительная тарелка (2) оснащена камерами (4) для прохождения газа через тарелку, каналы (6) для прохождения жидкости через тарелку (2), и средства (5) распределения жидкости. Средства (5) распределения жидкости соединены с каналами (6) и все ориентированы в одном направлении для распространения жидкости в предпочтительном направлении. Жидкость распространяется через отверстия, расположенные на каналах жидкости к средствам (5) распространения жидкости, также называемым дефлекторами. Согласно показываемому варианту осуществления, имеется средство (5) распространения жидкости для каждого канала (6).

Камера для прохождения газа позволяет колонне, работающей в противотоке, прохождение газа снизу к верху тарелки. Преимущественно камера для прохождения газа имеет, по существу, параллелепипедную форму таким образом, чтобы обеспечить широкое отверстие для прохода газа, для минимизации потерь давления. Кроме того, когда распределительная тарелка включает в себя несколько камер для прохождения газа, они могут быть расположены параллельно друг другу. Камеры для прохождения газа предпочтительно прикрыты крышкой (также называемой скосом) для предотвращения проникновения в них жидкости.

Средства для прохождения жидкости позволяют прохождение жидкости от низа тарелки к верху. В соответствии с изобретением, средства для прохождения жидкости через тарелку состоят из множества каналов. Эти каналы, по существу трубчатой формы, расположены между камерами для прохождения газа. Число каналов преимущественно больше числа камер для прохождения газа. Шаг каналов для прохождения жидкости может иметь треугольный или квадратный шаг.

Фиг. 5 является примером канала (6), который может быть использован для распределительной тарелки в соответствии с изобретением. Канал (6) имеет высоту Н меньше высоты камер для прохождения газа (например, канал (6) может иметь высоту 600 мм, а камера - высоту 700 мм). Чтобы избежать проникновения жидкости в камеры для прохождения газа, когда высота гидрозатвора важна, канал имеет проем (10). Этот проем также позволяет сбалансировать давление внутри канала. Кроме того, канал (6) имеет крышку (или скос) для предотвращения проникновения жидкости непосредственно в канал (6). Канал (6) содержит, по меньшей мере, одно, а предпочтительно два, как показано, радиальное(ых) отверстие(я) (9) для входа жидкости в канал, жидкость под действием силы тяжести поступает в низ тарелки. Предпочтительно, когда канал (6) включает в себя, по меньшей мере, два радиальных отверстия (9); они расположены на разных высотах: h_R1 и h_R2. Таким образом, когда расход жидкости низкий, высота гидрозатвора на тарелке (высота жидкости по отношению к уровню тарелки) является низкой, только первое радиальное отверстие позволяет жидкости проходить через тарелку. Когда поток жидкости выше, высота охраны жидкости возрастает, и первое и второе радиальные отверстия позволяют жидкости проходить через тарелку. Благодаря этой характеристике, распределительная тарелка подходит для различных потоков, следовательно, она гибкая. Канал также может включать в себя несколько уровней отверстий (больше, чем 2).

Средства распределения жидкости используются для распределения жидкости, содержащейся в каналах, на контактор, в частности, насадку (фиг. 1). Насадка (3) может быть структурированной насадкой, такой как показана на фиг. 3. На этой фигуре и на следующих насадка представлена схематически и неограничивающе. Структурированные насадки обычно представляют собой совокупность пластин, ориентированных таким образом, чтобы способствовать обмену между жидкостью и газом. Пример структурированной насадки описан, в частности, в патенте FR 2913353 (US 2010/0213625). Согласно примеру, показанному на фиг. 3, структурированная насадка состоит из, по меньшей мере, двух слоев (T1 и T2) структурированной насадки. Обычно слои (T1 и T2), расположенные один над другим, ориентированы перпендикулярно друг к другу. Чтобы увеличить используемую площадь верхнего слоя (T1), распределение жидкости направляется средствами распространения жидкости. Чтобы достичь этой цели, средства распространения жидкости могут быть расположены, по существу, перпендикулярно направлению, в поперечной плоскости, пластин верхнего слоя (Т1) структурированной насадки. Действительно, пластины, образующие структурированную насадку, имеют, в поперечной плоскости, главное направление, средства распределения (5) жидкости ортогональны этому направлению. Таким образом, используются все пластины насадки первого слоя.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, средства распределения реализованы в виде цилиндрической трубы, снабженной средствами для подключения, по меньшей мере, к одному каналу. Кроме того, труба может быть реализована в других формах, например призматических, прямоугольных …. Труба может быть по существу параллельна тарелке. Труба может быть оснащена средствами для прохождения жидкости, в частности, в виде отверстий или трубок, предпочтительно скошенных; средства для прохождения жидкости позволяют распространение в соответствии с предпочтительным направлением жидкости из трубы к насадке. Предпочтительно средства для прохождения жидкости распространяют жидкость в виде струи жидкости без образования капель. Труба прикреплена на, по меньшей мере, одном канале с помощью соединительных средств, в частности, путем завинчивания, сварки, склеивания, вставки внутрь канала…. Соединение трубы может быть реализовано, в частности, с помощью внутренней или внешней резьбы.

Фиг. 6 демонстрирует пример распределительной тарелки (2), расположенной над структурированной насадкой (3). На этой фиг. 6 средства для прохождения газа через тарелку (2) не показаны. В соответствии с показанным вариантом осуществления, каналы (6) для прохождения жидкости выступают с двух сторон тарелки (2). На выступе каналов (6) с нижней стороны тарелки (2) закреплены цилиндрические трубы (5). Цилиндрические трубы (5) параллельны к тарелке (2) и перпендикулярны к ориентации структурированной насадки (3), то есть к направлению пластин верхнего слоя указанной структурированной насадки (3), в поперечной плоскости. Пластины, составляющие структурированную насадку, имеют, в поперечной плоскости, главное направление, трубы (5) ортогональны этому направлению. Цилиндрические трубы содержат множество средств для прохождения жидкости, формирующих струи жидкости на структурированную насадку (3). Струи (L) жидкости представлены черным на фиг. 6. Таким образом, жидкость более равномерно распределена по насадке в соответствии с предпочтительным направлением и в виде струи, которая способствует массообмену и/или теплообмену между газом и жидкостью в насадке.

Фиг. 7-12 представляют различные варианты реализации средств распределения, реализованных в виде цилиндрической трубы. На этих фигурах идентичные элементы обозначены одними и теми же ссылочными знаками. Для описания этих фигур описаны только изменения, внесенные в средства распределения фиг. 6.

Фиг. 7 представляет первый вариант осуществления средств распределения в соответствии с изобретением. Согласно этому варианту, нижняя часть распределительной трубы (5) содержит несколько отверстий (7) достаточно малых, чтобы поддерживать гидрозатвор и, таким образом, равномерно распределять поток жидкости. Отверстия (7) могут быть выровнены в осевом направлении цилиндрической трубы (5). Преимущественно отверстия (7) имеют, по существу, круглую форму. Труба (5) крепится с помощью соединительных средств на наружной стороне нижнего выступа трубы (6).

Фиг. 8 представляет второй вариант реализации средств распространения жидкости. Согласно этому варианту реализации, в котором средства (7) для прохождения жидкости идентичны тем, что на фиг. 7, труба (5) дополнительно содержит пластину или дефлектор (8), помещенный в цилиндрическую трубу (5), и расположены под каналом (6) жидкости, чтобы рассеять инерцию падающего потока жидкости и чтобы избежать неоднородности распределения. Как показано на этой фигуре, нижний выступ канала (6) скошен. Форма выступа канала не является ограничивающей и может быть скомбинирована со всеми описанными вариантами осуществления.

Фиг. 9 представляет третий вариант реализации средств распространения жидкости. Согласно этому варианту осуществления, средства для прохождения жидкости выполнены в нижней части цилиндрической трубы (5) с помощью щели (11). Щель (11) может быть прямоугольной, продолговатой или аналогичной. На этой фигуре дефлектор (8) представлен, но он не является обязательным.

Фиг. 10 представляет четвертый вариант реализации средств распространения жидкости. Согласно этому варианту осуществления, канал (6) не имеет нижнего выступа на нижней стороне тарелки (2), и основной выход жидкости осуществляется через отверстие, расположенное на одном уровне с нижней пластиной (2) дозатора, трубка цилиндрической трубы (5) вставлена в это отверстие, например, при помощи свинчивания. Как показано, цилиндрическая труба (5) имеет несколько отверстий (7), таких как описаны в первом варианте осуществления. Этот вариант осуществления может быть объединен с третьим вариантом осуществления; отверстия (7) могут быть заменены на щель (11). Кроме того, на этой фигуре представлен дефлектор (8), но он не является обязательным.

Фиг. 11 представляет пятый вариант реализации средств распространения жидкости. Согласно этому варианту осуществления, цилиндрическая труба (5) прикрепляется одновременно к нескольким каналам (6), выступающим ниже тарелки (2), в частности, чтобы пересечь колонну из конца в конец. Этот вариант представлен с рядом отверстий (7), а также с рядом дефлекторов (8). Тем не менее, ряд отверстий (7) может быть заменен одной или более щелей (11). Кроме того, дефлекторы (8) являются необязательными.

Фиг. 12а (вид спереди) и 12b (вид сбоку) представляют шестой вариант реализации средств распространения жидкости. Согласно этому варианту осуществления, цилиндрическая труба (5) снабжена отверстием на своей верхней части в виде щели и дефлектора (12) для возврата жидкости вниз, избегая образования мелких капель. Стрелки на фиг. 12В иллюстрируют поток жидкости в цилиндрической трубе (5).

Кроме того, в соответствии с не показанными альтернативными вариантами осуществления, отверстия (7) первого, второго и четвертого вариантов осуществления могут быть заменены вертикальными трубками. Для оптимизации ориентации струи жидкости на насадке трубы могут быть скошены.

Средства распределения жидкости (дефлектор) могут быть сделаны для новых распределительных тарелок или также могут быть установлены на существующие распределители в случае модификации существующей тарелки.

Таким образом, изобретение позволяет улучшить распределение, по меньшей мере, на первый слой структурированной насадки с помощью ориентированных средств распространения. Изобретение также позволяет увеличить количество точек инъекции с уменьшением размера. Таким образом, данное изобретение обеспечивает потенциальный выигрыш от 3% до 5% в общей используемой поверхности на высоте насадки, разделяющей два распределителя. Выигрыш также может быть еще выше, потому что распределение на второй слой насадки также улучшается.

Изобретение также относится к колонне (1) обмена массы и/или тепла между двумя флюидами, в которой два флюида вступают в контакт посредством, по меньшей мере, одного контактора (3) газ/жидкость, колонна (1) содержит, по меньшей мере, первый вход жидкого флюида, по меньшей мере, второй вход газообразного флюида, по меньшей мере, первый вывод газообразного флюида и, по меньшей мере, второй выход жидкого флюида. Колонна (1) дополнительно содержит, по меньшей мере, одну распределительную тарелку (2), как описана выше, чтобы обеспечить дозирование жидкости на контактор (3).

В частном случае, в котором распределитель установлен в колонну, последний может быть снабжен разделителем, установленным над распределителем, для разбивания струи жидкости, идущей от основного питания колонны. Разделитель также позволяет хорошо разделить жидкость на распределителе.

Преимущественно контактор (3) газ/жидкость представляет собой слой из структурированной насадки. В этом случае средства распределения ориентированы перпендикулярно к ориентации верхнего слоя структурированной насадки для распределения жидкости в соответствии с предпочтительным направлением, благоприятствующим обмену массы и/или тепла в насадке.

Предпочтительно газ и жидкость текут в колонне (1) в противопотоке.

Колонна в соответствии с изобретением может быть использована в способах обработки газа, поглощения СО₂ (например, промывкой аминами), дистилляции или переработки воздуха, …. Кроме того, изобретение может быть использовано с любым типом растворителя.

Реферат

Изобретение предназначено для тепломассообмена. Распределительная тарелка для колонны обмена теплом и/или массой между газом и жидкостью содержит средства (4) для прохождения указанного газа через указанную тарелку (2) и по меньшей мере один канал (6) для прохождения указанной жидкости через указанную тарелку (2). Тарелка (2) дополнительно включает в себя средства (5) для распределения жидкости, выступающие из нижней части указанной тарелки для распределения в соответствии с предпочтительной ориентацией указанной жидкости, исходящей из указанного канала (6). Тарелка (2) расположена над структурированной насадкой. Средства (5) распределения жидкости ориентированы по существу перпендикулярно направлению в поперечной плоскости пластин верхнего слоя указанной структурированной насадки. Технический результат: повышение эффективности тепломассообмена между газом и жидкостью. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 13 ил.

Формула