CN104907023A - 由一组规整填料组成的交换塔接触器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于热和/或物质交换塔的接触器(3)，包含两种具有不同几何表面积和相互平行的主方向的规整填料(A,B)。本发明还涉及热交换塔、浮式结构和配有这种接触器的塔的用途。

Description

由一组规整填料组成的交换塔接触器
技术领域
本发明涉及海上气/液接触塔领域，更具体地涉及海上气处理、CO2捕集、脱水或蒸馏单元。
发明背景
采用氨洗工艺的海上气处理和/或CO2捕集单元包含液态或气态流体吸收和再生塔。这些塔在气/液逆向或同向流动条件下工作，它们安装在例如FPSO(浮式生产、储油和卸油)型或FLNG(浮式液化天然气)型船舶、钻井浮船或海上平台上。钻井浮船也包含蒸馏塔或脱水塔。
这些海上气处理和/或CO2捕集和/或蒸馏和/或脱水单元中所用的塔一般基于塔中流动的气体与液体之间的物质交换和/或热交换原理。接触塔通常由圆柱形外壳和在其内部配备的接触元件组成，所述接触元件促进流体之间的交换。增大接触表面积的接触元件(接触器)可以是规整填料(structured packing)、无规则填料(random packing)或塔板。图1显示了气体处理塔1的具体实例，塔顶配有分配塔板。在该例子中，气体(G)和液体(L)以逆流方式流动。该气体处理塔1通常包含装有接触器的若干区段3，分配塔板2安置在每个接触器3的上方。气体/液体接触器使气体G与液体L接触，从而进行交换。
所考虑的气/液接触塔放置在对波浪运动敏感的浮动结构上，例如船舶型、平台型或驳船型浮动结构。因此，安装在这些单元上的设备，特别是气/液分配塔板，发生多达六个自由度的波浪运动(艏摇，纵摇，横摇，垂荡，横荡，纵荡)。
作为提示性信息，与纵摇和横摇振荡的组合相关的角度约为+/-5°，周期为10-20秒。塔中遇到的纵向、横向和垂向加速度的数量级在高出甲板6米处(塔安装在此处)分别是0.2/0.8/0.2m/s2，在高出甲板50米处分别是0.3/1.3/0.3m/s2。在这种条件下，常规接触塔的工作可能受到极大干扰。实际上，波浪运动的影响会降低塔区段中相分布的均匀性。
若不加以控制，填料床中这种糟糕的分布会显著降低接触塔的性能。为了避免此类问题，人们开发了多种合适的规整填料堆。
例如，专利申请US 5,486,318公开了将填料区段隔开的接触器实施方式。在第一个实施方式中，用多孔壁将填料区段隔开。因此，塔由多个装有规整填料的隔室组成。在第二个实施方式中，每个填料区段与另一个区段垂直相邻，因而整个塔区段由多个规整填料区段组成。然而，在该专利所述的实施方式中，所采用的分隔模式会降低塔中的流动均匀性。事实上，当部分流体在海洋运动的影响下从一个区段到另一个区段径向移动时，液体汇集在障碍面上；视具体实施方式，该障碍面是多孔壁或填料板。液体从多个填料片汇集会形成液体和气体的优先通道，从而降低接触塔的传递性能。
此外，专利申请US 5,984,282公开了接触器组的实施方式，其中规整填料以特定方式排布，从而实现均匀分布。但是，这种实施方式比较复杂。
此外，专利申请US 7,559,539和US 7,559,540公开了接触器实施方式，其中填料床由两种类型的规整填料(就几何表面积、角度等而言)组成。根据该专利，具有不同面积的填料床可在塔的轴向或径向叠置。在专利申请US 7,559,539和US 7,559,540中，塔区段没有分成几个填料区段，因而在三维波浪运动作用下，其实施方式不能防止液体在所有方向上的侧向位移。因此，在海上环境中，这些实施方式没有提供良好的液相和蒸气相分布。
为了克服这些缺陷，本发明涉及用于热和/或物质交换塔的接触器，它包含具有不同几何表面积并且具有彼此平行的主方向的两种规整填料。因此，本发明能确保规整填料床中分布的良好均一性和一致性，从而使塔能够顺利工作，特别是在塔倾斜的情况下，而不管它倾斜的方向如何。
发明内容
本发明涉及塔用接触器，所述塔用于两种流体之间的热交换和/或物质交换，所述接触器包含至少一个填料层，该填料层至少由第一规整填料和第二规整填料组成，所述第二规整填料的几何比表面积大于所述第一规整填料的几何比表面积。所述第一规整填料的主方向平行于所述第二规整填料的主方向。
根据本发明，所述第一和第二规整填料设置成规整填料块，每块所述第一规整填料被多块所述第二规整填料包围。
较佳的是，所述块基本上为平行六面体形、圆柱形、棱柱形和/或它们具有圆柱体上各个部分的形状。
每块所述第二规整填料的体积优选小于每块所述第一规整填料的体积。
根据本发明的一个实施方式，所述块基本上为平行六面体形，所述第二规整填料的所述块在水平面上形成基本上垂直的带。
或者，所述块基本上为圆柱形，所述第二规整填料的所述块在水平面上形成基本上同心的圆。
较佳的是，所述接触器的周边由所述第二规整填料组成。
根据本发明的一个方面，所述第一规整填料的几何比表面积在100-375m2/m3的范围内，优选基本上等于250m2/m3。
此外，所述第二规整填料的几何比表面积在250-750m2/m3的范围内，优选基本上等于500m2/m3。
所述接触器优选包含多个填料层，它们的主方向基本上彼此垂直。
此外，本发明涉及用于气体与液体之间的热交换和/或物质交换的塔，其中两种流体借助本发明的至少一个接触器相互接触。
本发明还涉及浮式结构，特别是用于回收烃的浮式结构。它包含本发明的至少一个用于气体与液体之间的热交换和/或物质交换的塔。
此外，本发明涉及本发明的塔在气体处理、CO2捕集、蒸馏或空气转化工艺中的用途。
附图简要说明
通过阅读下文中以非限制性实施例的方式给出的实施方式的描述并参考附图，可以了解本发明方法的其他特征和益处，其中：
图1，上文已作描述，显示了气体处理或CO2捕集塔的特定实例，该塔的塔顶配有分配塔板；
图2显示了由两个规整填料层组成的接触器；
图3-8显示了本发明接触器中规整填料的配置的不同实施方式；以及
图9显示了两个连续的规整填料板。
发明详述
本发明涉及塔用接触器，所述塔用于两股流体之间的热交换和/或物质交换。接触器是让两股流体接触，从而促进所述两股流体之间的热交换和/或物质交换的元件。本发明的接触器包含至少一个填料层，所述填料层至少由第一规整填料和第二规整填料组成，所述第二规整填料的几何比表面积大于所述第一规整填料的几何比表面积。根据本发明，在每个填料层中，第一规整填料的主方向平行于第二规整填料的主方向。
所谓规整填料是指一叠波纹板或折叠片，它们有条理地排布成大的块的形式，如专利申请FR 2,913,353(US 2010/0,213,625)、US 3,679,537和US4,296,050所特别描述。规整填料具有在代表性直径一定的情况下提供大几何表面积的优势。构成规整填料的板具有位于横平面上的主方向。因此，主方向是垂直于纵轴的方向，由板的结构限定。图9显示了规整填料的两个连续波纹板5的实例。在此图中，z轴对应于纵轴，流体流动沿此轴发生，而x轴和y轴限定了水平面(横平面)。此图显示了规整填料的主方向Dir，该方向对应于与纵轴正交的方向，穿过规整填料板的波褶的顶部(或空当)。在此图中，规整填料的主方向平行于x轴。
接触器通常包含几个层层叠起的规整填料层。图2显示了由两个规整填料层4组成的接触器3。为了促进流体之间的交换，接触器的各层具有不同的主方向，它们的主方向优选基本上彼此垂直。层的高度可在0.1-0.3m的范围内，优选等于0.21m。
规整填料的几何比表面积对应于填料所形成的总面积，该表面积表达为单位体积的填料的几何表面积。规整填料通常可形成100-750m2/m3之间的几何比表面积。由于其几何排布的原因，规整填料的比表面积大于具有相同水流容量的无规则填料的比表面积。
根据本发明，具有不同几何表面积的规整填料区段的主方向彼此平行。规整填料可具有相同结构而具有不同尺寸，或者它们可具有不同结构。将填料区段分成几个具有不同几何比表面积的床可防止在波浪运动影响下液体发生大规模侧向位移，或者在填料中形成优先通道。实际上，具有更大几何表面积的填料区段削弱/减小液相和蒸气相的惯性和侧向位移，从而在规整填料中提供良好的相分布均匀性。此外，各填料区段之间的边界不受阻碍。因此，本发明通过设置两个具有几何比表面积梯度的填料区段，提供了液相和气相的均匀、一致的分布。
较佳的是，对第一和第二规整填料进行设置，形成规整填料块。每个规整填料块由一种类型的规整填料(第一规整填料或第二规整填料)组成。作为非限制性例子，所述块是平行六面体形、圆柱形、棱柱形，或者它们具有圆柱体上的一个部分的形状。较佳的是，由第一规整填料组成的每个块被多个由第二规整填料组成的块包围。当在接触器周边设置由第一规整填料组成的块时，它被多个由第二规整填料组成的块以及塔身(塔外壳)包围。接触器以块的形式排布可削弱/减小流体在所有方向上的惯性和位移。为了优化分布均匀性，由第二规整填料组成的块的体积小于由第一规整填料组成的块的体积。由第二规整填料组成的块的体积一般小于由第一规整填料组成的块的体积，并且优选小于后者体积的一半。
根据本发明的一个实施方式，所述第一规整填料的几何比表面积在100-375m2/m3的范围内，优选基本上等于250m2/m3。此外，所述第二规整填料的几何比表面积在250-750m2/m3的范围内，优选基本上等于500m2/m3。
本发明包括至少两种具有不同几何表面积的规整填料的设置方式。本发明的基本原理是沿着塔的轴向将填料床分成多个装有几何比表面积更大的填料的区段。图3-8显示了本发明的不同实施方式。这些图对应于所设置的规整填料沿水平面观察的视图。在这些图中，第一规整填料标记为A，具有更大几何表面积的第二规整填料标记为B。
对于图3和图4中的实施方式，块基本上为平行六面体形。此外，基本上由第二填料B组成的块呈带状(该块的宽度比其长度小得多)。如图所示，这些带在水平面上沿两个方向设置。这两个方向基本上彼此垂直。对于这些实施方式，填料A的每个块被填料B的带和任选被塔Φ的轮廓包围。图4所示的例子比图3所示的例子包含更多的块，因而该实施方式更适合于大直径塔或者会更大程度倾斜的塔。根据这些实施方式的一个方面，塔的直径Φ在0.5-10m的范围内，填料A的块的尺寸：LA1和LA2在0.2-5m的范围内；填料B的带的尺寸：LB1和LB2在0.1-2.5m的范围内。例如，对于图4所示的实施方式，尺寸可选择如下：塔的直径Φ为4m，填料A的块的尺寸：LA1和LA2为0.75m；填料B的带的尺寸：LB1和LB2为0.2m，填料A的几何比表面积为250m2/m3，填料B的几何比表面积为500m2/m3。
图5和图6所示的实施方式对应于图3和图4所示的实施方式，其中接触器的周边由规整填料B组成。在周边设置第二规整填料的块明显可防止液体在塔壁上的汇集。由第二填料B组成的块基本上呈带状。如图所示，这些带在水平面上沿两个方向设置。这两个方向基本上彼此垂直。对于这些实施方式，填料A的每个块仅被填料B的块包围。图6所示的例子比图5所示的例子包含更多的块，因而该实施方式更适合于大直径塔或者会更大程度倾斜的塔。例如，塔的直径Φ在0.5-10m的范围内，填料A的块的尺寸：LA1和LA2在0.2-5m的范围内；填料B的带的尺寸：LB1和LB2在0.1-2.5m的范围内，周边块LB3的尺寸在0.1-2.5m的范围内。
对于图7所示的实施方式，这些块在水平面上基本上是圆柱形(管状)：规整填料的设置形成一组同心圆，其中填料A与填料B交替设置。对于该实施方式，接触器的中心块是填料B的块，接触器包含由填料B组成的周边块。因此，填料A的每个块被填料B的块包围。例如，塔的直径Φ在0.5-10m的范围内，填料A的块的尺寸：LA3和LA4在0.2-2.5m的范围内；填料B的块的尺寸：LB4在0.2-1m的范围内，LB5和LB6在0.1-2.5m的范围内，周边块LB3的尺寸在0.1-2.5m的范围内。
对于图8所示的实施方式，在水平面上，多数块基本上是圆柱形(管状)，或者它们具有圆柱体(或管体)上的一部分的形状，少数块基本上是矩形。规整填料的设置形成一组部分同心圆(例如基本上是四分之一圆)，其中填料A与填料B交替设置。此外，这种设置包含一些矩形。这种设置形成填料A与填料B交替的形式。对于该实施方式，中心块是填料B的块，接触器包含由填料B组成的周边块。因此，填料A的每个块被填料B的块包围。图8所示的例子比图7所示的例子包含更多的块，因而该实施方式更适合于大直径塔或者会更大程度倾斜的塔。例如，塔的直径Φ在0.5-10m的范围内，填料A的块的尺寸：LA3、LA4和LA6在0.2-2.5m的范围内；填料B的块的尺寸LB4在0.2-1m的范围内，LB5和LB6在0.1-2.5m的范围内，周边块LB3的尺寸在0.1-2.5m的范围内。
这些实施方式可提供简单的设置，在实践中特别能够简化接触塔内填料元件的配置。
还考虑了其他实施方式，例如利用彼此按45°取向的填料B的带限定基本上呈三角形的块，或者采用图7和图8的设置但去除第二填料的周边层。
根据本发明的另一个变形实施方式，接触器的层由超过两种的不同规整填料组成，这些规整填料的主方向彼此平行。例如，设置几何比表面积最大的规整填料，从而减小/限制塔的倾斜主方向上的流***移，并且在垂直于具有最大几何比表面积的规整填料的方向上设置具有中等几何比表面积的填料。
本发明还涉及用于两种流体之间的物质交换和/或热交换的塔1，其中两种流体借助于至少一个气体/液体接触器3接触，塔1包含至少一个用于液态流体的第一进口，至少一个用于气态流体的第二进口，至少一个用于气态流体的第一出口，以及至少一个用于液态流体的第二出口。根据本发明，接触器如上文所述。此外，塔1可包含至少一个分配塔板2，用于使流体分布到接触器3上。
气体和液体可以逆向流动或同向流动的方式在塔内流动。
此外，本发明涉及浮式结构，如FPSO或FLNG型平台、船舶、驳船，特别是用于回收烃。浮式结构包含至少一个烃处理单元，所述单元包括至少一个本发明的物质和/或热交换塔。
本发明的塔可用于气体处理、CO2捕集(例如氨洗)、蒸馏或空气转化工艺。
此外，本发明可结合任何溶剂类型使用。

Claims (13)

1.一种塔用接触器，所述塔用于两种流体之间的热交换和/或物质交换，所述接触器(3)包含至少一个填料层(4)，该填料层(4)至少由第一规整填料(A)和第二规整填料(B)组成，所述第二规整填料(B)的几何比表面积大于所述第一规整填料(A)的几何比表面积，其特征在于，所述第一规整填料的主方向平行于所述第二规整填料的主方向。
2.如权利要求1所述的接触器，其特征在于，所述第一规整填料和第二规整填料设置成规整填料块，并且每块所述第一规整填料(A)被多块所述第二规整填料(B)包围。
3.如权利要求2所述的接触器，其特征在于，所述块基本上为平行六面体形、圆柱形、棱柱形和/或它们具有圆柱体上的一部分的形状。
4.如权利要求2或3所述的接触器，其特征在于，每块所述第二规整填料(B)的体积小于每块所述第一规整填料(A)的体积。
5.如权利要求2-4中任一项所述的接触器，其特征在于，所述块基本上为平行六面体形，所述第二规整填料(B)的所述块在水平面上形成基本上垂直的带。
6.如权利要求2-4中任一项所述的接触器，其特征在于，所述块基本上为圆柱形，所述第二规整填料(B)的所述块在水平面上基本上形成同心圆。
7.如前述权利要求中任一项所述的接触器，其特征在于，所述接触器(3)的周边由所述第二规整填料(B)组成。
8.如前述权利要求中任一项所述的接触器，其特征在于，所述第一规整填料(A)的几何比表面积在100-375m2/m3的范围内，并且优选基本上等于250m2/m3。
9.如前述权利要求中任一项所述的接触器，其特征在于，所述第二规整填料(B)的几何比表面积在250-750m2/m3的范围内，并且优选基本上等于500m2/m3。
10.如前述权利要求中任一项所述的接触器，其特征在于，所述接触器(3)包含多个填料层(4)，所述填料层(4)的主方向基本上彼此垂直。
11.一种用于气体与液体之间的热交换和/或物质交换的塔，其特征在于，这两种流体借助于前述权利要求中任一项所述的至少一个接触器(3)相互接触。
12.一种浮式结构，特别是用于回收烃的浮式结构，其特征在于，它包含至少一个如权利要求11所述的用于气体与液体之间的热交换和/或物质交换的塔(1)。
13.如权利要求11所述的塔在气体处理、CO2捕集、蒸馏或空气转化工艺中的用途。
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