СПОСОБ УДАЛЕНИЯ КАПЕЛЬ ЗАГРЯЗНЯЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ ИЗ ПОТОКА ГАЗА И ПРОМЫВОЧНЫЙ ЛОТОК
METHOD OF REMOVING DROPS OF CONTAMINANT FROM GAS FLOW AND RINSING CHUTE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу удаления капель загрязняющей жидкости из потока газа и относится к промывочному лотку, который предназначен для реализации этого способа.
Уровень техники
Процессы обработки газа могут быть очень чувствительны к загрязнению подаваемого газа жидкими углеводородами. Примером может служить аминовая очистка, например процесс Sulfinol фирмы Shell, в которой из потока газа, в частности природного газа, удаляют соединения нефтяных газов, содержащих сероводород, указанный процесс осуществляют с помощью цикла абсорбции/регенерации. Жидкие углеводороды увеличивают склонность абсорберов к пенообразованию, что известно, например, из документа «Texas plant solves foam problems with modified MEA system», авторы C.R.Pauley, B.A.Perlmutter, журнал Oil & Gas Journal, февраль 1988 г., стр.67-70. Вспенивание приводит к недостаточной эффективности удаления нефтяных газов, содержащих сероводород, и, следовательно, к уменьшению пропускной способности для газа. Количество жидких углеводородов, составляющее до 50 частей на миллион по объему, уже может отрицательно воздействовать на эффективность обрабатывающей установки.
Более того, эти углеводородные загрязнения обычно присутствуют в виде небольших капель, диаметр которых имеет порядок микрометров и менее. Из-за небольших размеров капель и малой концентрации жидкие загрязнения трудно удалять. Использования обычных коагуляторов, таких как проволочная сетка, недостаточно для объединения большей части жидких загрязнений до капель больших размеров, которые могут быть удалены, например, с помощью центробежного сепаратора жидкости, например вихревой тарелки, во входном сепараторе до установки обработки газа. Так что даже высокоэффективные сепараторы с трудом справляются с удалением капель малого размера. Одна возможность удаления состоит в использовании фильтрующих систем, но для получения достаточной эффективности эти системы должны быть очень большими, кроме того, они отличаются очень большим перепадом давления и их трудно эксплуатировать из-за необходимости регулярной замены фильтров и соответствующих угроз безопасности. Более того, фильтры из волокна порождают большое количество твердых отходов.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить улучшенный способ и устройство удаления капель загрязняющей жидкости из потока газа.
Раскрытие изобретения
Для этого предложен способ удаления капель жидких загрязнений из потока газа, указанный способ включает в себя следующее:
- в сосуде предусматривают промывочный лоток, который содержит, по меньшей мере, одно устройство с вихревой трубкой, причем, по меньшей мере, одно устройство с вихревой трубкой содержит впускное отверстие для газа, впускное отверстие для промывочной жидкости и участок очистки, средство придания завихрения, расположенное ниже по потоку относительно участка очистки, выпускное отверстие для очищенного газа и выпускное отверстие для жидкости;
- впускают поток газа, содержащий капли жидкого загрязнения, по меньшей мере, в одну вихревую трубку через впускное отверстие для газа, по меньшей мере, одной вихревой трубки;
- впускают промывочную жидкость в поток газа, по меньшей мере, в одной вихревой трубке через впускное отверстие для промывочной жидкости, что делают с целью формирования смеси газ/жидкость, в которой капли промывочной жидкости рассеяны по потоку газа;
- дают возможность каплям промывочной жидкости и каплям жидкого загрязнения взаимодействовать в участке очистки;
- пропускают смесь газ/жидкость вдоль средства придания завихрения с тем, чтобы осуществить центробежное разделение смеси газ/жидкость на очищенный газ и жидкость; и
- удаляют очищенный газ и жидкость из выпускного отверстия для очищенного газа и выпускного отверстия для жидкости.
Изобретение основано на понимании того, что жидкие загрязнения могут быть эффективно удалены с помощью промывочного лотка, содержащего вихревые трубки. Лотки с вихревыми трубками обычно используются для отделения из потока газа жидких капель среднего и большого размера (больше приблизительно 20 мкм). Например, в заявке на европейский патент №ЕР 195464 описан высокоэффективный сепаратор, который является улучшением центробежного сепаратора жидкости, известного из заявки на европейский патент №ЕР 048508. Выше по направлению потока относительно центробежного сепаратора жидкости расположен коагулятор, представляющий собой влагоотделитель, пакетную систему лопастей или структурированную насадку. В документе ЕР 195484 признано, что центробежные сепараторы жидкости, содержащие вихревые трубки, недостаточно эффективны при отделении жидкости, присутствующей в мелкодисперсной форме. Для этого сначала коагулятор собирает капли жидкости, которые затем могут быть отделены центробежным сепаратором жидкости, содержащим вихревые трубки. Тем не менее, оказалось, что на практике влагоотделяющие коагуляторы недостаточно объединяют мелкие капли загрязнений.
В настоящем изобретении промывочную жидкость в рассеянной форме вводят в находящуюся выше по потоку часть вихревой трубки. В участке очистки небольшие капли жидкого загрязнения, которые обычно текут вдоль газа, могут быть захвачены благодаря взаимодействию с рассеянной промывочной жидкостью. Капли промывочной жидкости достаточно велики для того, чтобы их эффективно извлечь в ходе последующей центробежной сепарации.
Заметим, что в заявке на европейский патент №ЕР 828543 В1 описано использование горизонтального лотка, содержащего вихревые трубки, для удаления из природного газа водяного пара путем встречного контакта природного газа, содержащего водяной пар, и гликоля. Гликоль является растворителем для водяного пара, но удаление капель загрязнения из природного газа не описано.
3
3
Количество промывочной жидкости, которое добавляют в поток газа, обычно значительно превосходит количество жидких загрязнений в газе. Следовательно, жидкость, отделенная устройством с вихревыми трубками, в основном состоит из промывочной жидкости, содержащей только небольшое количество жидких загрязнений. Целесообразно, чтобы, по меньшей мере, часть отделенной жидкости была возвращена в пространство подачи промывочной жидкости, расположенное в промывочном лотке, причем указанное пространство сообщается с впускным отверстием для жидкости, по меньшей мере, одной вихревой трубки. Благодаря этой рециркуляции промывочной жидкости в промывочном лотке, может быть эффективно установлено выгодное высокое отношение жидкости и газа, например, находящееся в диапазоне от 5 до 15 л/м, такое как 10 л/м. Центробежная сепарация в вихревых трубках может быть осуществлена с такими высокими отношениями жидкости к газу.
В специальном варианте осуществления промывочный лоток содержит пластину лотка, на которой, при нормальном функционировании, присутствует промывочная жидкость, причем промывочную жидкость допускают к промывочному лотку с использованием средства подачи жидкости, которое содержит выпускное отверстие для промывочной жидкости, расположенное выше упомянутой пластины лотка. Таким образом, можно эффективно смешивать свежуют промывочную жидкость и жидкость, возвращенную из устройства с вихревыми трубками. Пластина лотка может являться верхней пластиной лотка, содержащей отверстия, ведущие в расположенное ниже пространство подачи жидкости.
Вода является эффективной промывочной жидкостью для обработки потоков природного газа с загрязнениями из жидких углеводородов. Оказалось, что не возникает проблемы при использовании промывочной жидкости, которая не смешивается с загрязняющей жидкостью, и считается, что это объясняется тем, что механизм взаимодействия капель загрязнения и промывочной жидкости имеет механическую/физическую природу. Фактически использование промывочной жидкости, которая не смешивается с загрязняющей жидкостью, облегчает последующее разделение жидкостей, так что промывочная жидкость может быть легче возвращена в оборот. Другим вариантом промывочной жидкости при обработке природного газа является конденсат природного газа, хотя в этом случае требуется больший сосуд. Гликоль не является подходящей промывочной жидкостью из-за своей высокой вязкости и склонности к пенообразованию.
Кроме того, в изобретении предложен промывочный лоток, предназначенный для использования в сосуде с целью удаления капель жидкого загрязнения из потока газа с помощью промывочной жидкости, причем указанный промывочный лоток содержит пластину лотка, пространство подачи жидкости, расположенное выше пластины лотка, и устройство с вихревыми трубками, при этом устройство с вихревыми трубками содержит трубку с впускным отверстием для газа, которое выходит из под пластины лотка, тянется в направлении ниже по потоку и доходит до пластины лотка, содержит средство рассеивания капель жидкости по газу, расположенное ниже по направлению потока относительно впускного отверстия для газа; средство придания завихрения, расположенное в трубке ниже по потоку относительно средства рассеивания жидкости; и направляющее средство, предназначенное для направления жидкости от верхнего конца открытой трубки вниз к пространству подачи жидкости, указанный промывочный лоток дополнительно содержит средство подачи жидкости, предназначенное для подачи промывочной жидкости к лотку, при этом средство подачи жидкости содержит выпускное отверстие, расположенное на некотором расстоянии над пространством подачи жидкости.
Краткое описание чертежей
Далее более подробно будет описан один вариант осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид, схематически в вертикальном разрезе показывающий промывочный лоток, соответствующий изобретению и установленный в вертикальном сосуде;
фиг.2 - увеличенный вид узла А на фиг.1;
фиг.3 - вид сверху, схематически показывающий промывочный лоток, соответствующий изобретению;
фиг.4 - вид, схематически показывающий вертикальный разделительный сосуд, который содержит промывочный лоток, соответствующий изобретению; и
d
фиг.5 - вид, графически показывающий результаты вычислений эффективности Е захвата капель размера 1 мкм в зависимости от размера d собирающих капель и отношения L/G промывочная жидкость/газ.
Одинаковые ссылочные позиции, используемые на различных фигурах, обозначают одинаковые или аналогичные элементы.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 схематически показано поперечное сечение одного варианта осуществления промывочного лотка с вихревыми трубками, который соответствует настоящему изобретению. Промывочный лоток расположен в вертикальном сосуде или колонне 1, содержащей корпус 2, в котором расположен промывочный лоток 3. В показанном варианте осуществления изобретения корпус представляет собой стенку сосуда, в других вариантах осуществления изобретения корпус может быть расположен в сосуде отдельно.
Промывочный лоток 3 показан в горизонтальном положении, предназначенном для штатной эксплуатации, и содержит верхнюю горизонтальную пластину 6 и нижнюю горизонтальную пластину 7. Между верхней и нижней горизонтальными пластинами 6 и 7 находится пространство 8 подачи жидкости. Кроме того, промывочный лоток 3 снабжен устройством 13 с вихревой трубкой. Для иллюстрации на чертеже показаны два таких устройства. Может быть предусмотрено большее или меньшее количество устройств с вихревой трубкой. Устройство 13 с вихревой трубкой содержит открытую трубку 15, направленную от места, расположенного выше верхней горизонтальной пластины 6, и проходящую через отверстие 18 в пластине 6 до отверстия 19 в нижней горизонтальной пластине 7. Также трубка может проходить через нижнюю пластину 7 так, чтобы входное отверстие трубки было расположено под нижней пластиной. Отверстие 19 является входным отверстием для газа, поступающего из-под нижней горизонтальной пластины 7. На чертеже направление вниз по потоку в открытой трубке 15 представляет собой направление вверх.
Кроме того, устройство 13 с вихревой трубкой содержит входное отверстие для жидкости, выполненное в виде устройства 22 подачи жидкости. Устройство 22 подачи жидкости содержит открытый канал 25, снабженный направленным вверх отверстием 26 подачи жидкости, при этом открытые концы открытого канала 25 направлены в пространство 8 подачи жидкости, так что указанный открытый канал сообщается с указанным пространством. Для ясности заметим, что канал 25 не блокирует направленный вверх вертикальный проход газа в трубку 15 из пространства, расположенного ниже трубки 15. В этом примере отверстие 26 подачи жидкости размещено по центру в открытой трубке 25 и расположено таким образом, что представляет собой средство рассеивания капель жидкости по газу, текущему при нормальном функционировании вверх через трубку 15, то есть вниз по направлению потока от входного отверстия 19 для газа.
Кроме того, устройство 13 с вихревой трубкой содержит участок 28 очистки, в котором взаимодействуют газ и жидкость, рассеянная устройством подачи жидкости, и содержит средство 30 придания завихрения, расположенное в открытой трубке 15 на некотором расстоянии над устройством 22 подачи жидкости. Подходящее расстояние составляет, по меньшей мере, половину диаметра трубки 15 или более, предпочтительно один диаметр или более, например два диаметра или более. Более того, предусмотрено направляющее средство 31, предназначенное для направления жидкости от верхнего конца открытой трубки 15 на верхнюю горизонтальную пластину 6. Направляющее средство 31 содержит внешнюю трубку 32, внешний конец которой загибается внутрь поверх верхней кромки трубки 15. Внешняя трубка 32 охватывает открытую трубку 15 и идет вниз на некоторое расстояние до точки, расположенной над верхней горизонтальной пластиной 6.
Центральное выпускное отверстие 33 для газа позволяет газу выходить вверх из устройства с вихревой трубкой. В варианте осуществления изобретения, показанном на чертеже, направляющее средство 31 дополнительно содержит чашеобразное выпускное отверстие для газа, расположенное в верхнем конце внешней трубки. Для иллюстрации этого варианта осуществления изобретения чашеобразное выпускное отверстие 34 для газа показано в виде части направляющего устройства 31, принадлежащее к самому правому устройству 13 с вихревой трубкой лотка 3. Указанное выпускное отверстие показано расположенным над внутренней кромкой нижнего направляющего средства и таким образом может служить для улавливания капель жидкости, которые повторно захвачены у нижней кромки.
Верхняя часть трубки 15, расположенная ниже по потоку относительно средства 30 придания завихрения, может быть снабжена отверстиями, таким как прорези, расположенными в стенке, но также верхняя часть трубки 15 может быть закрытой.
Промывочный лоток 3 может дополнительно содержать открытую выпускную трубу 35, имеющую входное отверстие 37, расположенное над верхней горизонтальной пластиной 6, и выходное отверстие, расположенное под нижней горизонтальной пластиной 7. Между верхней пластиной 6 и входным отверстием 37 сформировано пространство 38 сбора жидкости.
На фиг.2, которая соответствует участку А с фиг.1, показан специальный вариант осуществления средства рассеивания жидкости по потоку газа. В этом варианте осуществления изобретения непосредственно над отверстием 26 подачи жидкости расположен отражатель 40. Целесообразно, чтобы отражатель 40 представлял собой пластину, диаметр которой составляет вплоть до половины внутреннего диаметра открытой трубки 15, и целесообразно, чтобы указанный диаметр находился в диапазоне от одной десятой до половины внутреннего диаметра открытой трубки 15. В других вариантах осуществления изобретения средство рассеивания жидкости может содержать более одного отверстия, например отверстия, расположенные на расстоянии от центра трубки 15. Может быть предусмотрено большее количество каналов 25, например каналы, расположенные в трубке 15 параллельно указанному каналу. Если газ, снизу попадающий в устройства 13 с вихревой трубкой, имеет вихревую компоненту, то канал (каналы) 25 также служат для разрушения этого вихревого движения. Вместо отражателя 40 может быть предусмотрена сетка, на которой сформирована пленка из жидкости и с которой капли промывочной жидкости могут быть захвачены проходящим газом. Вообще говоря, целесообразно, чтобы рассеивание обеспечивалось созданием пленки жидкости в месте, где указанная пленка может быть легко разрушена и захвачена протекающим газом, например, у острых кромок отражателя 40. Доступной высоты промывочной жидкости обычно недостаточно для осуществления рассеивания через сопло или подобный узел.
Как показано на фиг.1, промывочный лоток дополнительно содержит средство подачи жидкости, предназначенное для подачи промывочной жидкости к лотку, указанное средство имеет вид коллектора 50 для промывочной жидкости. Коллектор 50 для промывочной жидкости, соответствующий этому варианту осуществления изобретения, представляет собой канал 52, расположенный горизонтально и тянущийся вдоль диаметра сосуда 1 над устройствами 13 с вихревой трубкой. Здесь показано, что канал 52 проходит через одну сторону корпуса, причем через указанную сторону корпуса подают жидкость, но надо понимать, что возможны другие пути для канала 52. Канал снабжен выпускными отверстиями 53. Расположенный ниже по потоку конец 54 закрыт.
Впускное отверстие для жидкости, ведущее в пространство 8 подачи жидкости из пространства над верхней пластиной 6, предусмотрено в виде впускных отверстий 56. Из фиг.2 кажется, что выпускные отверстия 53 из коллектора 50 промывочной жидкости расположены непосредственно над впускными отверстиями 56 и впускными отверстиями 37 выпускной трубы, тем не менее, целесообразно, чтобы присутствовало смещение в направлении, перпендикулярном плоскости бумаги, чтобы промывочная жидкость выходила из выпускных отверстий 53 на верхнюю пластину лотка. Это станет ясно после рассмотрения фиг.3, которая является видом сверху варианта осуществления изобретения.
На фиг.3 показан вид сверху промывочного лотка, соответствующего изобретению. Несколько устройств 13 с вихревой трубкой расположено согласно шаблону в виде сетки. Коллектор 50 для промывочной жидкости тянется вдоль диаметра сосуда 1. Четыре впускных отверстия 56 на каждую вихревую трубку расположены так, как показано. Также обозначены выпускные трубы 35. В вертикальной проекции впускные отверстия 56 для жидкости и выпускные трубы 35 смещены относительно выпускных отверстий 53. Показанный здесь лоток опирается на кольцо 58, прикрепленное к корпусу 2 или к вертикальному сосуду 1.
На фиг.4 схематически показан промывочный лоток 3 с вихревыми трубками, причем он установлен в вертикальном сосуде 1 вместе с другими внутренними устройствами. Промывочный лоток 3 установлен в отдельном корпусе 2, расположенном в сосуде 1, при этом указанный корпус подвешен с помощью уплотненной опоры 60 к разделительной вихревой тарелке 62, где разделительная вихревая тарелка 62 с уплотнением установлена в сосуде 1 с помощью опорной пластины 63.
Устройство 70 впуска газа предусмотрено с целью впуска газа из подающей линии 71 и с целью проведения предварительной сепарации. Устройство впуска газа, схематически показанное на фиг.4, является так называемым впускным устройством лопастного типа, которое известно, например, из заявки на патент Великобритании №1119699. Такое впускное устройство лопастного типа служит для впуска газа, его распределения по поперечному сечению сосуда и предварительной сепарации любых больших капель жидкости путем отклонения под действием центробежных сил на изогнутых наружу лопастях, которые расположены одна за другой в направления потока газа вдоль устройства 70. Также могут быть использованы другие устройства впуска газа, такие как колоколообразное приспособление для пара или отклоняющая пластина.
Разделительная вихревая тарелка 62 может иметь тип, который описан, например, в заявках на европейские патенты ЕР 083811 или ЕР 1594589. Целесообразно, чтобы разделительная вихревая тарелка содержала несколько центробежных сепараторов жидкости или вихревых трубок, расположенных по поперечному сечению вихревой тарелки. На нижнем конце вихревых трубок расположено впускное отверстие для очищенного газа, а на верхних концах вихревых трубок расположено выпускное отверстие для газа и вихревые трубки содержат выпускные отверстия для отделенной жидкости. Выпускное отверстие 80 из вихревой тарелки для сухого газа расположено в верхней части сосуда 1.
Отделенную жидкость выпускают из вихревой тарелки 62 через трубопровод 62а, целесообразно, чтобы эта жидкость поступала в нижнюю часть сосуда, но также возможен выпуск в промывочный лоток 3. При выборе положения выпуска принимают во внимание то, что при нормальной работе выпускное отверстие из выпускного трубопровода должен быть герметичен для жидкой фазы.
Под впускным устройством 70 расположен лоток 85 для сбора, предназначенный для отделения сточного колодца для жидкости, который формируют при нормальном функционировании в нижней части сосуда 1, от впускного устройства 70 и для направления жидкости, отделенной во впускном устройстве, к уровню 86 раздела углеводороды/вода, поддерживаемому в сточном колодце.
Кроме того, нижняя часть сосуда 1 снабжена системой 90, 91 двойного водослива, позволяющей отделять воду отдельно от углеводородов.
Линия 95 выпуска воды расположена так, чтобы принимать воду из цилиндрического отделения 92 для воды, указанная линия сообщается с коллектором 50 для промывочной жидкости с целью подачи промывочной жидкости (в этом случае - воды) к промывочному лотку. Часть воды выпускают из сосуда 1 через линию 96 сброса, а свежую воду добавляют через линию 97 подпитки.
Жидкие углеводороды можно удалить с помощью кольцеобразного отделения 98 для углеводородов, содержащего выпуск 99, при этом в указанное отделение углеводороды могут течь через водослив верхнего течения.
Далее будет описано штатная эксплуатация сосуда 1, при этом будет показана работа промывочного лотка и способа, которые соответствуют изобретению.
Сосуд 1 может служить, например, сепаратором газ/жидкость, используемым в участке обработки газа установки получения сжиженного природного газа (СПГ). Участок обработки газа может содержать расположенный ниже по потоку блок удаления кислых газов (БУКГ), например, так называемый блок сульфинола.
L
G
G
L
L
Q
L
G
Обычные условия эксплуатации сосуда 1 могут быть описаны в терминах параметра φ потока и коэффициента λ загрузки газом. Параметр φ потока определяется следующим образом: φ=M/M·sqrt(ρ/ρ), где M и M - скорости массового расхода жидкости и газа, а ρ и ρ - плотности жидкости и газа соответственно. Параметр потока является подходящей мерой для загрузки жидкостью сосуда. Обычными значениями параметров потока, при которых будет применено настоящее изобретение, являются значения, меньшие 0,05, например, находящиеся в диапазоне от 0,001 до 0,05.
G
L
G
3
2
Загрузка газом может быть охарактеризована коэффициентом λ загрузки газом, который определяется следующим образом: λ=Q/A·sqrt(ρ/(ρ-ρ)), где Q - объемный поток газа (м/час), А - доступная площадь (м) поперечного сечения для потока газа в сосуде. Множитель под знаком квадратного корня отвечает за действие давления. Отношение Q/A также называется поверхностной скоростью газа. Обычные коэффициенты загрузки газом, при которых будет работать настоящее изобретение при нормальном функционировании, находятся в диапазоне λ=0,1-0,25, в частности λ=0,12-0,2.
6
3
Диаметр сосуда 1 может, например, равняться 1,5 м. Обычно пропускная способность по отношению к газу есть величина порядка 1…10·10 стандартных м/день (стандартных кубических метров в день). Обычно содержание жидкости в сырье, получаемом по линии 71, составляет 100-1000 л/час.
Коагулятор, содержащий проволочную сетку, недостаточно эффективен для объединения небольших капель жидкости, например таких капель, диаметр которых составляет 20 мкм и менее. Поток газа может содержать жидкие загрязнения, диаметр капель в которых составляет 20 мкм и менее, в частности 10 мкм и менее или 5 мкм и менее.
Сырье поступает во впускное устройство 70 лопастного типа по линии 71 с целью предварительного отделения из потока газа больших капель жидкости и распределения потока газа по сосуду. В настоящей заявке может иметь место ситуация, когда поступающий газ не содержит или содержит малое количество капель, размеры которых настолько велики, что впускное устройство лопастного типа может их отделить при обычных условиях большой загрузки газом λ≥0,1. В этом случае впускное устройство в основном служит для распределения газа по поперечному сечению сосуда.
Поток газа течет вверх по сосуду. Лоток 63 и кольцо 60 уплотнены так, что газ вынужден поступать в промывочный лоток 3 снизу. Целесообразно, чтобы диаметр, по меньшей мере 25% по весу, в частности по меньшей мере, 50% по весу жидких углеводородных загрязнений, которые поступают в промывочный лоток с вихревыми трубками, находится в диапазоне от 0,01 до 20 мкм, в частности от 0,05 до 10 мкм, в частности от 0,1 до 5 мкм.
Далее рассмотрим одно устройство 13 с вихревой трубкой промывочного лотка, такое как правая вихревая трубка, показанная на фиг.1 и 2. Газ поступает в вихревую трубку через впускное отверстие 19 и течет вдоль устройства 22 подачи жидкости.
Промывочная жидкость поступает в поток газа в вихревой трубке по впускному отверстию для промывочной жидкости устройство 22 подачи жидкости. Промывочную жидкость вводят через отверстие 26 подачи жидкости в устройство 13 с вихревой трубкой с помощью потока газа и благодаря действию газа, протекающего вдоль отверстия подачи жидкости, такому как разрыв пленки жидкости на острой кромке или остром краю, таким образом образуется смесь газ/жидкость, содержащая капли промывочной жидкости, рассеянные по потоку газа.
Капли промывочной жидкости и капли жидкого загрязнения взаимодействуют при течении вверх с потоком газа в участке 28 очистки. Целесообразно, чтобы этот процесс протекал по всему поперечному сечению трубки 15 и по этой причине полезно, чтобы в участке очистки практически не было вихревого движения, которое может вызвать центробежное разделение.
Перед тем, как перейти к подробному обсуждению процесса, соответствующего изобретению, рассмотрим взаимодействие капель промывочной жидкости и капель жидкого загрязнения. Не желая ограничиваться какой-либо конкретной теорией, автор настоящей заявки считает, что соответствующий механизм для функционирования настоящего изобретения представляет собой инерционные столкновения капель промывочной жидкости и капель жидкого загрязнения.
Благодаря малым размерам и массе капли загрязнения следуют за газом. Когда газ встречает каплю промывочной жидкости, рассеянную по потоку газа, и отклоняется, то инерция капель загрязнения может быть достаточна для прохождения через течение газа и для соударения с каплей промывочной жидкости. В документе «Venturi and other atomising scrubbers efficiency and pressure drop», автор С.Калверт (S.Calvert), AlChE Journal, том 16 (1970), стр.392-396, описан способ вычисления эффективности распыляющих газоочистителей, основанный на модели сбора частиц пыли, который происходит благодаря инерционным столкновениям.
c
c
Уменьшение Δc концентрации c загрязнений в газе на расстоянии Δz в газоочистителе может быть определено из следующего равенства:
g
d
d
d
где ν - скорость газа, ν - скорость капель промывочной жидкости, x - объем фракции капель промывочной жидкости в смеси газ/жидкости, d - диаметр капель промывочной жидкости и η - эффективность сбора одной капли. Параметр η может быть вычислен из эмпирического выражения
где κ - параметр инерционного столкновения
с
c
g
где ρ и d - плотность и диаметр капель загрязнений и µ - вязкость газа.
3
В промывочном лотке с вихревыми трубками имеет место аналогичный механизм. Здесь также сравнительно малое количество жидкости рассеяно по потоку газа с целью улавливания частиц загрязнения, в этом случае небольших капель углеводородов и воды. Сильное место лотков с вихревыми трубками состоит в том, что они могут работать с большим отношением жидкости к газу. Благодаря внутренней рециркуляции жидкости, может быть установлено отношение промывочной жидкости к газу, равное 10 л/м, порядок величины которого больше такой же величины для, например, скруббера Вентури. Рециркуляция жидкости будет подробно рассмотрена ниже.
с
c
3
На фиг.5 показаны эффективности Е=Δс/c улавливания промывочной жидкостью жидкого загрязнения, которые вычисляют на основе формул (1)-(3) и для обычных рабочих условий лотков с вихревыми трубками, то есть при фактических скоростях газа, находящихся в диапазоне от 1 до 2 м/с, и плотности газа, составляющей от 50 до 100 кг/м. На фиг.5 упомянутые эффективности показаны как функции размера собирающих капель промывочной жидкости и для различных отношений L/G промывочная жидкость/газ.
3
Измерения распределения размера капель были выполнены для варианта осуществления вихревых трубок 13 с помощью устройства рассеивания жидкости с фиг.2 и было обнаружено, что средний размер капель (средний объем капли) равен 350 мкм. На основе размера капель и прогнозов эффективности с фиг.5 для отношения промывочной жидкости к газу, равного 10 л/м, эффективность удаления капельного загрязнения ожидается равной 95%. Эта оценка, возможно, является заниженной, так как предполагается, что фактическое распределение размеров капель приводит к большим значениям эффективности.
Целесообразно, чтобы для заданного размера капель загрязнений или распределения размера усредненный по объему размер капель промывочной жидкости и отношение промывочная жидкость/газ были выбраны таким образом, что, по меньшей мере, 90% по весу, предпочтительно, по меньшей мере, 95% по весу капель загрязнений улавливаются промывочной жидкостью, что можно проверить вычислениями, аналогичными тем, которые были рассмотрены в связи с обсуждением фиг.5. Усредненный по объему размер собирающих капель может равняться, например, 1000 мкм или меньше, 600 мкм или меньше, 400 мкм или меньше.
Возвратимся к обсуждению нормального функционирования сосуда 1. У расположенного ниже по потоку конца участка 28 очистки поток газа содержит объединенные капли жидкости большего размера, которые были образованы из промывочной жидкости и капель жидкого загрязнения.
Этот поток газа проходит через или вдоль средства 30 придания завихрения. Подходящие средства придания завихрения известны в технике и обычно содержат одну или несколько наклоненных лопастей.
Смеси газ/жидкость придают вихревое движение и жидкость отбрасывается наружу, по направлению к внутренней стенке трубки 15. Образуется насыщенный жидкостью поток или пленка, текущая вверх вдоль внутренней стенки. Отделенную жидкость, обходящую верхнюю кромку трубки 15 (и/или сквозные отверстия в стенке трубки), направляют с помощью направляющего средства 31 (содержащего, если возможно, чашеобразное выпускное отверстие 34 для газа) на верхнюю горизонтальную пластину 6. Поток газа, содержащий малое количество жидкости, проходит вверх.
Жидкость собирают на верхней горизонтальной пластине. Там она смешивается с промывочной жидкостью, полученной из средства 50 подачи жидкости через выпускные отверстия 53. Жидкость из верхнего лотка 6 поступает в пространство 8 подачи жидкости через впускные отверстия 56. Максимальная высота жидкости на верхней пластине 6 определяется впускным отверстием 37 выпускной трубы 35, то есть высотой пространства 38 сбора жидкости при нормальном функционировании.
3
3
Таким образом, промывочная жидкость циркулирует в промывочном лотке в замкнутом цикле. Целесообразно, чтобы промывочный лоток был выполнен таким образом, чтобы жидкость проходила от 2 до 50 рециркуляций в лотке, предпочтительно от 5 до 20 рециркуляций. Например, когда количество рециркуляций равно 10, чистый объем подачи промывочной жидкости, равный, скажем, 5 м/час, эквивалентен пропусканию через промывочный лоток 50 м/час промывочной жидкости. Рециркуляция может быть установлена с помощью гидравлической конструкции лотка. Жидкость, не участвующая в рециркуляции, проходит к нижней части сосуда 1 через выпускные трубы 35, которые целесообразно объединить в единый трубопровод выпускных труб, доходящий до нижней части сосуда.
Газ, выходящий из вихревых труб вверх через центральные выпускные отверстия 33 для газа, обычно все еще содержит жидкость. Показанные устройства 13 с вихревыми трубками не предназначены для максимального удаления жидкости, а реализуют комбинированную функцию очистки и разделения. Подходящая эффективность разделения составляет 90% и более, предпочтительно 95% и более. Жидкость, все еще остающаяся в газе, представляет собой объединение промывочной жидкости и жидкого загрязнения и размер капель в указанной жидкости обычно составляет 20 мкм в диаметре и более, что гораздо больше размера капель в жидком загрязнении в потоке газа. Для максимального удаления жидкости газ далее направляют вверх через кольцо 60 в специальный вторичный сепаратор газ/жидкость, разделительную вихревую тарелку 62.
В качестве альтернативы вторичный сепаратор в принципе также может представлять собой пакетную систему лопастей или проволочную сетку, но вихревая тарелка является предпочтительным вариантом, так как она может работать с высокой эффективностью и производительностью даже при сравнительно высоких давлениях.
С помощью разделительной вихревой тарелки капли больших размеров могут быть удалены с высокой эффективностью, например с эффективностью, равной 98% и более. Очищенный газ выходит из разделительной вихревой тарелки и сосуда 1 через выпускное отверстие 80. Жидкость, отделенная разделительной вихревой тарелкой, направляют к нижней части сосуда 1.
В нижней части осуществляется отделение воды и жидких углеводородов под воздействием силы тяжести. Система 90, 91 двойного водослива, расположенная в нижней части сосуда 1, позволяет осуществить раздельное удаление воды и углеводородов. Вода течет по водосливу 90 нижнего течения и водосливу 91 верхнего течения в цилиндрическое отделение 92 для воды, расположенное в сосуде по центру, и далее в выпускное отверстие 95 для воды. Углеводороды текут по водосливу верхнего течения в кольцеобразное отделение 98 для углеводородов, расположенное вдоль внешней стенки. Оттуда углеводороды извлекают через выпуск 99 для углеводородов. Высота водослива 91 верхнего течения и водослива верхнего течения кольцеобразного отделения 98 для углеводородов в комбинации с плотностями воды и углеводородами определяют положение уровня раздела и нормальный уровень жидкости (НУЖ) во впускном отделении.
Лоток 85 для сбора, расположенный под впускным устройством 70 для газа, поддерживает оптимальное разделение жидкость/жидкость в нижней части сосуда. Показанный вариант осуществления изобретения содержит некоторое количество наклоненных пластин, направляющих жидкость, отделенную впускным устройством для газа, через выпускные трубы в сточный колодец для жидкости. Еще достоинства лотка для сбора состоят в том, что он препятствует вторичному захвату жидкости и также опусканию газа, что препятствует разделению жидкость/жидкость.
Вариант осуществления лотка 3, показанный на фиг.1, содержит верхнюю и нижнюю пластины 6 и 7. Между пластинами сформировано пространство 8 подачи жидкости. На верхней части пластины 6 сформировано пространство 38 сбора жидкости и жидкость течет от пространства сбора жидкости через отверстия 56 в пространство подачи жидкости. Эта конструкция, в которой пространство сбора жидкости и пространство подачи жидкости отделены, может быть особенно полезной, если в специальном варианте осуществления несколько промывочных лотков расположены один над другим. Тогда выпускная труба 35 более высоко расположенного лотка может открываться в пространство подачи жидкости более низко расположенного лотка. Таким образом, может быть достигнута ступенчатая работа нескольких лотков. Тем не менее, во многих, если не в большинстве, случаев будет достаточно одного промывочного лотка. В этом случае и также для самого высоко расположенного лотка из набора лотков обычно не нужно располагать верхнюю пластину 6 лотка над (нижней) пластиной 7 лотка. В этом случае пространство 38 сбора жидкости и пространство 8 подачи жидкости совпадают.
Пример
Для иллюстрации нормального функционирования рассмотрим пример содержания жидкости в потоке газа в различных местах сосуда 1. В этом примере поток газа, поступающий через линию 71, содержит 200 л/час жидких углеводородных загрязнений в мелкодисперсной форме, причем указанные загрязнения, по существу, не отделяются из потока газа впускным устройством 70 лопастного типа. Коллектор воды подает в промывочный лоток 3 промывочную воду со скоростью 5000 л/час. Благодаря внутренней рециркуляции жидкости в промывочном лотке, причем в этом примере рециркуляция осуществляется 10 раз, эффективное пропускаемое количество промывочной жидкости составляет 50000 л/час. При эффективности улавливания, равной 95%, промывочной жидкостью будет улавливаться 190 л/час загрязняющей жидкости.
Оставшиеся 10 л/час загрязнений не улавливаются и текут вверх с газом до разделительной вихревой тарелки, где они, по существу, не отделяются из-за своих малых размеров и выходят с газом из колонны. Центробежное разделение устройствами с вихревыми трубками промывочного лотка при предполагаемой эффективности, равной примерно 95%, приводит к 2510 л/час жидкости, которая течет вверх к разделительной вихревой тарелке, причем указанная жидкость состоит из 2500 л/час промывочной воды и 10 л/час загрязнений. 2680 л/час (то есть оставшиеся чистые 2500 л/час промывочной воды и 180 л/час жидких углеводородных загрязнений) направляют в сточный колодец для жидкости. Разделительная вихревая тарелка работает, например, с эффективностью отделения жидкости, равной примерно 98%, следовательно, 50-51 л/час жидкости (большая часть которой составляет промывочная жидкость) выходит из сосуда через выпускное отверстие 80 для газа, а оставшуюся жидкость также направляют в сточный колодец для разделения вода/углеводороды. Кроме жидких углеводородных загрязнений также могут присутствовать капли водных загрязнений, которые улавливаются аналогичным образом, но растворяются в промывочной воде. Поток 96 сброса, составляющий, например, 390 л/час, удаляют из рециркуляции воды и подходящий подпитывающий поток свежей воды добавляют по линии 97 с целью поддержания уровня промывочной жидкости в сточном колодце. После разделения вода/углеводороды в нижней части сосуда 190 л/час жидких углеводородов изолируют и удаляют из устройства сбора углеводородов.