УСТРОЙСТВО ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО ВВОДА НАГРУЖЕННОГО ГАЗОМ ПОТОКА ЖИДКОСТИ В ГОЛОВНУЮ ЧАСТЬ КОЛОННЫ
TANGENTIAL INLET DEVICE TO FEED FLUID FLOW SATURATED WITH GAS INTO COLUMN HEAD END

Настоящее изобретение касается устройства тангенциального ввода нагруженного газом потока жидкости в головную часть колонны, в которой происходит разделение газа и жидкости, при этом его подвод в головную часть колонны осуществляется через обычный, расположенный радиально патрубок, к которому, однако, примыкает специальная трубная конструкция, которая обеспечивает создание по возможности ровного не турбулентного потока и его тангенциальный отвод в головную часть колонны.
2
2
2
2
2
2
2
В многочисленных процессах, имеющих место в химической промышленности, встречаются потоки газа, которые содержат в качестве загрязнений кислые газы, такие как СО, HS, SO, CS, HCN, COS или меркаптаны. В случае этих газовых потоков речь может идти, например, о природном газе, технологическом газе, получаемом из тяжелой нефти или из тяжелых остатков, о газе, который получают на нефтеперерабатывающем заводе, или же о газе, получаемом в процессе частичного окисления органических материалов, таких как, например, уголь или нефть. Прежде чем подвергать эти газы дальнейшей транспортировке или переработке, необходимо существенно уменьшить содержание в них кислого газа. Например, из природного газа необходимо удалить СО, поскольку высокая концентрация СО приводит к уменьшению теплоты сгорания газа. Кроме того, СО в сочетании с водой, которая очень часто прихватывается газовыми потоками, может приводить к коррозии на трубопроводах и арматуре.
Известны способы удаления нежелательных кислых газовых компонентов из самих газов путем абсорбционной очистки газа водными и неводными смесями органических растворителей в качестве абсорбционных средств. При этом используются как физические, так и химические растворители. Известными физическими растворителями являются, например, циклотетраметиленсульфон(сульфолан), N-метилпирролидон и N-алкилированные пиперидоны. Среди химических растворителей хорошо зарекомендовали себя с технологической стороны, в частности, водные растворы первичных, вторичных и третичных алифатических аминов и соответственно алканоламинов, таких как моноэтаноламин (МЕА), диэтаноламин (DEA), монометилэтаноламин (ММЕА), диэтилэтаноламин (DEEA), триэтаноламин (TEA), диизопропаноламин (DIPA) и метилдиэтаноламин (MDEA), сравни, например, WO 03/009924.
Обработка неочищенного газа с помощью жидкого абсорбента осуществляется обычно в абсорбционном устройстве методом противотока, проводимого под давлением. При этом получают, с одной стороны, промытый чистый газ, имеющий все необходимые свойства, а с другой стороны, находящуюся под давлением абсорбционную жидкость, которая нагружена газом. Последняя, как правило, подается в десорбционное устройство для того, чтобы получить обратно представляющий ценность абсорбент, который можно снова подавать в абсорбционное устройство. В десорбционном устройстве нагруженная газом абсорбционная жидкость разгружается от давления. Падение давления на входе в десорбционное устройство вызывает, в частности, у современных и очень эффективно действующих абсорбентов, как например у третичных алифатических алканоламинов, как то метилдиэтаноламин (MDEA), которые обладают очень высокой абсорбционной способностью в отношении упомянутых выше кислых газов, сильные выбросы газа из абсорбционной жидкости, таким образом, при осуществлении процедуры ввода необходимо задействовать определенные меры для того, чтобы обеспечить продолжительную безаварийную эксплуатацию установки абсорбционной очистки, которая имеет соединенные между собой абсорбционную и регенерационную колонны.
Поэтому устройства подвода к регенерационным колоннам имеют многообразие форм конструктивного исполнения. Предпочтительным образом речь идет о радиальных вариантах подвода но известны также и тангенциальные формы выполнения подводящих устройств. На прилагаемых фиг.1 и 2 изображены общепринятые на сегодняшний день конструктивные формы исполнения так называемых подводящих устройств с мгновенным (взрывным) выделением газа, которые идут к регенерационным колоннам. Под подводящими устройствами с мгновенным выделением газа понимают работающие под давлением устройства подвода абсорбционной жидкости, нагруженной газом, которые при входе в регенерационную колонну, работающую в условиях существенно более низкого давления, вследствие перепада давления сразу же отдают большие количества газовой нагрузки.
На фиг.1 представлено схематическое изображение головной части регенерационной колонны с тангенциальным устройством подвода, соответствующее уровню техники;
на фиг.2 схематично показаны три варианта радиального устройства подвода, соответствующие уровню техники.
Как представлено на фиг.1, головная часть (15) регенерационной колонны того типа, о котором здесь идет речь, имеет устройство (17) подвода, предназначенное для нагруженной газом абсорбционной жидкости. Это устройство подвода выходит в галерею (18), на которой и происходит первое большое снятие давления с жидкости, в процессе которого и высвобождаются большие количества газа. Над галереей предусмотрены встроенные узлы (19). Высвободившиеся газы покидают колонну через выходное устройство (16), предусмотренное в колонне. Показанное на фиг.1 устройство (17) подвода тангенциально входит в колонну, что четко показано на разрезе А-А. Это тангенциальное устройство подвода обеспечивает мягкий, без завихрений перепуск потока в колонну и равномерное высвобождение газовой нагрузки, поэтому не возникает быстро меняющихся и/или ассиметричных импульсных усилий, которые со временем могли бы привести к повреждению колонны или ее встроенных узлов вследствие действия знакопеременной нагрузки. Поэтому тангенциальное исполнение устройства подвода, в частности в случае устройства подвода с мгновенным выделением газа, является предпочтительным, и можно даже сказать, обязательным.
Однако большинство регенерационных колонн, которые на сегодняшний день находятся в эксплуатации, снабжены радиальным устройством подвода, как это, например, изображено на фиг.2.
На фиг.2 в трех сечениях "А", "B" и "С" показаны три формы исполнения радиальных устройств подвода. Показанные в разрезе изображения "А" и "B" представляют поперечные сечения, выполненные на уровне разреза А-А регенерационной колонны той модели, которая представлена на фиг.1. Цилиндрическая оболочка (25, 35) регенерационной колонны имеет радиальное устройство подвода (26, 36), которое в случае формы исполнения, представленной на фигуре 2А, непосредственно переходит в прилегающий к внутренней стенке колонны дефлектор (27), в котором происходит деление поступающего потока и его резкое отклонение на 90 град. Затем в галерее (28) происходит разделение обоих выходящих из дефлектора (27) встречных потоков. Резкое изменение направления входящего в дефлектор (27) потока при одновременном снятии давления приводит к сильным вихревым движениям, ударам и толчкам, которые оказывают влияние на всю головную часть колонны и на ее встроенные узлы, так что со временем неизбежно возникновение повреждений. Аналогичной является ситуация и в случае формы исполнения, представленной на фиг.2B. Радиальное устройство (36) подвода, проведенное через стенку (35) колонны, соединено с размещенным в аксиальном центре колонны Т-образным элементом (37), концы (39, 39') которого в пространстве между галереей (38) и цилиндрическим корпусом (35) колонны согнуты в Т-образной плоскости под углом 90 град. В этом случае поступающий поток резко меняет направление соответственно на 90 град, даже дважды, что, как было уже описано выше, может стать причиной возникновения значительных вихревых движений, ударов и толчков в головной части колонны. И в этом случае со временем неизбежно возникновения повреждений. Имеющие форму клина разделители потока, представленные на фиг.2С, едва ли могут помочь в этой ситуации. Выполненный клинообразно разделитель (47) потока имеет в силу обстоятельств довольно близкие радиусы, так что отклонение на 90 град происходит очень резко. Устройство подвода с мгновенным выделением выпускает на этой стадии сброса давления много газа. Чередование сжимаемой среды (газ) и несжимаемой среды (жидкость) является в этом случае причиной возникновения в поступающем потоке уже упоминавшихся выше толчков и ударов, а также повреждений, появление которых со временем неизбежно.
Таким образом, в основе изобретения лежит задача предоставить в распоряжение устройство для ввода нагруженного газом потока жидкости в головную часть регенерационной колонны, в которой происходит разделение газа и жидкости, которое может присоединяться к имеющему традиционное исполнение радиальному впускному каналу, однако оно не вызывает резких, проходящих под углом 90 град отклонений течения, а в итоге создает возможность для спокойного, без завихрений ввода нагруженного газом потока жидкости в головную часть регенерационной колонны.
Эта задача решается с помощью устройства названного выше вида, которое характеризуется наличием первого колена трубы, имеющего угол изгиба γ<90°, которое размещено на входе радиальной подводящей линии, предназначенной для подвода нагруженного газом потока жидкости в головную часть регенерационной колонны, и второго колена трубы, соединенного с первым коленом трубы и имеющего угол изгиба γ′<90°, которое изогнуто относительно первого колена трубы и размещено таким образом, что входное отверстие находится вблизи внутренней стенки колонны и позволяет нагруженному газом потоку жидкости входить в колонну, существенным образом, тангенциально относительно ее внутренней стенки.
Предпочтительным является вариант, когда второе колено трубы соединено с первым коленом трубы посредством прямого патрубка. Длину прямого патрубка предпочтительным образом следует выбирать такой, чтобы выпускное отверстие второго патрубка было смещено относительно отверстия, предназначенного для входа в колонну, приблизительно на 90° по дуге, которую описывает внутренний периметр колонны.
В своей форме исполнения устройство по изобретению точно охватывает выпускное отверстие, которое, целесообразным образом, образуется концом трубы второго колена трубы. Вместо отдельного выпускного отверстия для слива из второго колена трубы, из которого выходит весь нагруженный газом поток жидкости, можно предусмотреть также множество выпускных отверстий, в частности два выпускных отверстия. В этом случае ко второму колену трубы примыкает еще одно колено трубы (третье колено трубы). Между вторым и третьим коленами трубы предусмотрен патрубок частичного слива нагруженной газом жидкости. Переход от второго колена трубы к третьему колену трубы выполнен, целесообразным образом, так, что одна часть потока, которая отводится в колонну, существенным образом, входит в нее тангенциально по отношению к внутренней стенке колонны, а другая часть потока попадает из второго колена трубы в третье колено трубы без внезапного изменения направления движения. В случае двух выпускных отверстий предпочтительно выбирать геометрию и поперечные сечения выпускных отверстий таким образом, чтобы поток газа при выходе из каждого выпускного отверстия соответственно делился бы приблизительно пополам. Кривизну и длину третьего колена трубы, целесообразным образом, выбирают так, чтобы второе выпускное отверстие было смещено относительно первого выпускного отверстия приблизительно на 180° по дуге, которую описывает внутренний диаметр колонны. За счет размещения обоих выпускных отверстий в противолежащих друг другу точках стенки колонны импульсные усилия, которые оказывают воздействие на колонну во время слива нагруженной газом жидкости в колонну, могут существенно компенсировать друг друга.
Углы изгиба γ и γ′ обоих колен трубы могут быть одинаковыми или разными и составлять от 30° до 60°, в частности от 40° до 50°; предпочтительным образом каждый угол изгиба γ, γ′ составляет приблизительно 45°.
Рекомендуется усилить внутреннюю стенку колонны в зоне выпускного отверстия второго колена трубы, причем включая значительный участок по течению потока, поскольку входящий поток жидкости в этой зоне сталкивается со стенкой колонны и отдает ей при этом существенную часть своей газовой нагрузки. В случае, когда количество выпускных отверстий более одного, с другими выпускными отверстиями следует поступать аналогичным образом.
2
Предложенное устройство имеет преимущество, состоящее в том, что его можно устанавливать в обычных регенерационных колоннах того типа, о котором здесь идет речь, вместо известных радиальных впускных каналов, причем не требуется внесения каких-либо дорогостоящих переделок или изменений в саму колонну. Беспроблемная замена обычных, предусмотренных в колонне радиальных впускных устройств выполненным согласно изобретению устройством с тангенциальным вводом имеет большое практическое значение, поскольку для процесса абсорбционной промывки газа постоянно разрабатывают и производят улучшенные абсорбенты, которые обладают, к примеру, более высокой способностью поглощения абсорбируемых кислых газов, а также способностью их легче и полнее отдавать. Если же в регенерационной колонне обычный абсорбент с очень сильной химической привязкой к абсорбируемому кислому газу (например, CO) заменяют улучшенным абсорбентом, например метилдиэтаноламином (MDEA), причем этот процесс называют "замена растворителя", то в большинстве случаев возникают описанные выше проблемы, связанные с известными радиальными впускными устройствами, а именно в головной части колонны возникают вихревые движения, удары и толчки, которые со временем вызывают повреждения. По этой причине в прошлом приходилось часто отказываться от применения процедуры "замены растворителя". Но, используя настоящее изобретение, сейчас можно без всяких проблем осуществлять подобные процедуры "замены растворителя".
Приведенное выше имеет также силу для случаев так называемой процедуры "модернизации", что подразумевает повторный ввод в эксплуатацию установок, прошедших капитальный ремонт, которые до этого эксплуатировались с использованием абсорбентов, обладающих малой производительностью, и которые можно теперь перевести на режим эксплуатации с использованием современных, обладающих улучшенными свойствами абсорбентов, используя настоящее устройство по изобретению.
Далее предметом изобретения является преобразование регенерационной колонны с известной радиальной системой ввода нагруженного газом потока жидкости в регенерационную колонну с тангенциальной системой ввода потока жидкости, причем известную радиальную систему ввода удаляют и на ее радиальном впускном патрубке крепят описанное выше устройство согласно изобретению.
Таким образом, устройство по изобретению является пригодным, в частности, для использования в регенерационных колоннах установок абсорбционной очистки кислого газа. Если для абсорбционной очистки кислого газа в качестве абсорбента используют водный раствор, по меньшей мере, одного алканоламина, выбранного из группы: метилдиэтаноамин (MDEA), моноэтаноламин (МЕА), диэтаноламин (DEA), триэтаноламин (TEA), дилзопропаноламин (DIPA), аминодимэтиленгликоль (ADG), то весьма настоятельно рекомендуется оснастить регенерационную колонну тангенциальным впускным устройством, выполненным согласно изобретению. Названные абсорбенты обладают особенно сильной способностью поглощения кислых газов, которые они в условиях уменьшенного давления легко и в большом количестве опять отдают. Поэтому высвобождение газовой нагрузки происходит относительно свободно без побочных явлений только тогда, когда ввод нагруженного газом потока жидкости в регенерационную колонну происходит в форме ровного (без завихрений) тангенциального потока. Особенно пригодным для этих целей является настоящее устройство по изобретению. Предпочтительным образом общая концентрация алканоламина в водном абсорбционном растворе должна выбираться в диапазоне от 38 до 50 весовых процентов. Кроме того, предпочтительным образом к водному раствору абсорбента в качестве активатора следует добавлять пиперазин, метилпиперазин и/или 3-метиламино-1-пропиламин (МАРА). При использовании MDEA в качестве абсорбента особенно предпочтительным является совместное использование упомянутых активаторов.
Настоящее изобретение более подробно поясняется с помощью фиг.3. На фиг.3 представлена форма исполнения изобретения с выпускным отверстием.
На фиг.3 схематично показано поперечное сечение регенерационной колонны на уровне ввода нагруженного газом потока жидкости. Обозначенная цифрой 1 цилиндрическая оболочка головной части регенерационной колонны снабжена радиальной подводящей линией 3, которая после входа в колонну сразу же переходит в первое колено 2 трубы. На месте входа подводящей линии 3 в колонну можно предусмотреть фланец, с помощью которого состоящая из колен трубы конструкция, выполненная согласно изобретению, крепится на подводящей линии 3. Изображенное на фиг.3 колено 2 трубы имеет угол изгиба γ, равный 45°, и соединено с прямым патрубком 7, который переходит во второе колено 4 трубы, изогнутое в противоположном направлении. Это второе колено трубы также имеет угол кривизны (γ′), равный 45°. Длина прямого патрубка 7 в варианте, показанном на фиг.3, выбрана таким образом, что второе колено трубы смещено относительно впускного патрубка 3 приблизительно на 90° по дуге, которую описывает внутренний периметр колонны. Его выпускное отверстие 5 находится в непосредственной близости от внутренней стенки 6 колонны, так что при вводе нагруженного газом потока жидкости этот поток почти тангенциально касается внутренней стенки 6 колонны 1 в том месте, где она имеет утолщение 8. Входящий поток жидкости разделяется в головной части колонны внутри галереи 9 и на этой галерее, которая имеет общепринятое конструктивное исполнение. Выполненная согласно изобретению трубная конструкция, которая преобразует характеристику поступающего потока из радиальной в тангенциальную, имеет форму лежащего вытянутого вопросительного знака или же вытянутой буквы S.
Как было уже описано выше, устройства впуска потока поступающей жидкости, имеющие обычное конструктивное исполнение, некоторые формы которых представлены на фиг.2, с помощью устройства по изобретению могут быть очень просто преобразованы в тангенциальные впускные каналы, что опять же создает возможности для использования так называемых процедур "замены растворителя" и "модернизации".