一种差速式模块化超重力旋转填料床及天然气脱碳方法 |
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| 申请号 | CN202410220968.9 | 申请日 | 2024-02-28 | 公开(公告)号 | CN117861608A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 中国石油大学(华东); | 发明人 | 聂琦; 李玉星; 朱建鲁; 曹杭; 李楠; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种差速式模 块 化超重 力 旋转填料床及 天然气 脱 碳 方法，属于超重力旋转填料床技术领域。所述超重力旋转填料床，包括 外壳 、外壳内安装的可 水 平转动的 转子 、以及喷淋管，所述转子上设置填料 支撑 架、填料盖板以及环状排布的若干层填料，填料固定设置于填料支撑架和填料盖板之间，填料随填料支撑架旋转，每层填料的转速不同。本设计通过差速机构解决了液体在填料床内 停留时间 短的问题，增加了反应液在填料中的停留时间，单位能耗下可以解析出更多的气体或者提炼出更纯的组分，降低了系统的总能耗。同时模块化设计在超重力旋转填料床使用过程中只用更换部分 腐蚀 较为严重的模块即可，提高转子转动 稳定性 ，也节约了企业的生产运营成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种差速式模块化超重力旋转填料床，其特征在于，包括外壳、外壳内安装的可水平转动的转子、以及喷淋管，所述转子上设置填料支撑架、填料盖板以及环状排布的若干层填料，填料固定设置于填料支撑架和填料盖板之间，填料随填料支撑架旋转，每层填料的转速不同；所述填料至少为两层。 |
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| 说明书全文 | 一种差速式模块化超重力旋转填料床及天然气脱碳方法技术领域背景技术[0002] 在对天然气脱碳时，有多种不同的处理工艺和方式，但是现有的脱碳工艺设备均存在体积大，成本高等问题，从而导致现有处理天然气中二氧化碳的成本居高不下。超重力旋转填料床是一种通过强化多相流传递来加强反应程度的机械设备，其利用高速旋转产生的远大于重力的离心力，通过填料切割液流形成不同大小的液滴，从而扩大了气液接触面积，使气液两相不断接触，强化传质过程和效率，降低生产成本。 [0003] 但是对于天然气脱碳过程中使用的超重力旋转填料床，其液体腐蚀性较强，一旦发生腐蚀会影响传质过程和传质效率，生成副产物影响天然气纯度。传统超重力旋转填料床只能更换整块填料，增加了生产运营成本。且不断高速旋转会显著减少反应液在设备内的停留时间，同样影响传质或化学反应的过程。最终会导致传质不充分，反应不彻底。 发明内容[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种差速式模块化超重力旋转填料床及天然气脱碳方法，能针对天然气中存在的二氧化碳进行高效处理，以保证处理效率。为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案： [0005] 作为本发明的第一个方面，在于提供一种差速式模块化超重力旋转填料床，包括外壳、外壳内安装的可水平转动的转子、以及喷淋管，所述转子上设置填料支撑架、填料盖板以及环状排布的若干层填料，填料固定设置于填料支撑架和填料盖板之间，填料随填料支撑架旋转，每层填料的转速不同。所述填料至少为两层，可以为三层或三层以上。 [0006] 优选的，所述填料为三层，分别为内层填料、中层填料和外层填料，所述填料支撑架包括内层支撑架、中层支撑架和外层支撑架，所述填料盖板包括内层填料盖板、中层填料盖板和外层填料盖板，内层支撑架位于中心位置，向外依次排布环状结构的中层支撑架和外层支撑架。 [0007] 进一步的，还包括转轴，固定连接至内层支撑架的外端面，连接至驱动机构； [0008] 太阳轮，与转轴连接，固定于内层支撑架上； [0011] 每件行星轮与太阳轮和齿圈分别啮合。 [0012] 进一步的，外壳上、于所述转子下方设置气相入口，外壳侧方设置气相出口，所述喷淋管安装在气相入口内，并伸入转子中，所述喷淋管内端封口，侧壁上设置喷淋孔；转子下方的外壳上设置液相出口。 [0013] 优选的，所述内层填料、中层填料、外层填料分别为弧形面的填料块，拼接成环状。 [0014] 优选的，内层支撑架、中层支撑架和外层支撑架的内端面分别设置支撑架凹槽，内层填料、中层填料和外层填料通过插入支撑架凹槽中，拼成环状结构。 [0015] 优选的，所述内层填料、中层填料和外层填料的材料选自金属丝网、泡沫镍、聚四氟乙烯、PP塑料；优选的，内层填料采用金属丝网，中层填料采用泡沫镍，外层填料采用聚四氟乙烯。 [0016] 优选的，内层填料的孔径范围为4‑8mm，中层填料的孔径范围为3‑6mm，外层填料的孔径范围为2‑5mm。 [0017] 优选的，太阳轮半径为范围为80‑140mm，行星轮半径范围为40‑90mm。 [0018] 在一个实施例中，所述中层填料为两层，内层的中层填料设置于内层支撑架上，外层的中层填料设置于中层支撑架上，其设置位置以及层数根据产品性能需要可拓展。 [0019] 作为本发明的第二个方面，在于提供一种天然气脱碳方法，采用本发明提供的差速式模块化超重力旋转填料床，贫胺液由喷淋管进入，经喷头淋洒在内层填料的内圆周面上；在离心力的作用下，由内层填料流向中层填料和外层填料，而后，液体被转子甩到外壳，在重力的作用下从液相出口排出；含碳天然气由气相进口引入外壳，在气体压力的作用下由转子中心进入内层填料、中层填料和外层填料；与胺液逆流接触并传质，净化后的天然气自转子外缘离开转子，并最终由气相出口引出。 [0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0021] 本设计的优点在于继承传统填料床气体侧传质效率高的优点的同时，通过差速机构解决了液体在填料床内停留时间短的问题，增加了反应液在填料中的停留时间，单位能耗下可以解析出更多的气体或者提炼出更纯的组分，降低了系统的总能耗。同时模块化设计在超重力旋转填料床使用过程中只用更换部分腐蚀较为严重的模块即可，便于调配平衡，提高转子转动稳定性，也节约了企业的生产运营成本。附图说明 [0023] 图1为本发明提供的差速式模块化超重力旋转填料床的整体结构剖视图。 [0024] 图2为本发明提供的差速式模块化超重力旋转填料床中转子的上端面结构示意图。 [0025] 图3为本发明提供的差速式模块化超重力旋转填料床中填料结构示意图。 [0026] 图4为本发明提供的差速式模块化超重力旋转填料床中外壳结构示意图。 [0027] 图5为本发明提供的差速式模块化超重力旋转填料床中支撑架下端面结构示意图。 [0028] 图6为本发明提供的差速式模块化超重力旋转填料床中支撑架下端面内部结构示意图。 [0029] 图7为本发明提供的差速式模块化超重力旋转填料床中喷淋管结构示意图。 [0030] 附图标记：1、外壳；2、气相进口；3、气相出口；4、液相出口；5、转子；6、外层支撑架；7、中层支撑架；8、内层支撑架；9、外层填料；10、中层填料；11、内层填料；12、螺栓；13、外层填料盖板；14、中层填料盖板；15、内层填料盖板；16、太阳轮；17、行星轮；18、齿圈；19、喷淋管；20、转轴；21、支撑架凹槽；22、行星轮螺栓。 具体实施方式[0031] 应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。 [0032] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。 [0033] 实施例1，一种差速式模块化超重力旋转填料床 [0034] 如图1～图4所示，包括外壳1、以及设置于外壳1内部的转子5、喷淋管19；外壳1内安装的转子5可水平转动，所述转子5包括外层支撑架6、设置于外层支撑架6上的齿圈18、以及中层支撑架7、行星轮17、内层支撑架8、太阳轮16、外层填料盖板13、中层填料盖板14、内层填料盖板15、内层填料11、中层填料10、外层填料9；外层支撑架6通过焊接固定在外壳1上；内层支撑架8位于中心位置，向外依次排布环状结构的中层支撑架7和外层支撑架6；内层支撑架8的外端面固定连接转轴20；太阳轮16固定在内层支撑架8上，与转轴20连接，齿圈18固定在外层支撑架6内圈，齿圈18的齿面向太阳轮16；行星轮17为2‑4个、通过行星轮螺栓 22固定于中层支撑架7上，行星轮螺栓22螺栓头底面与行星轮17保持1‑2mm间隙不可拧紧、与行星轮17接触位置为光轴，以保持后者能自由转动，行星轮螺栓22螺栓顶面与外壳1内壁接触，同时与太阳轮16固定连接的转轴20可以轴向移动，通过调节转轴20的轴向位置和行星轮螺栓22的型号及位置以保证行星轮17、齿圈18和太阳轮16保持同一平面。行星轮17以转轴20为中心对称设置；每件行星轮17与太阳轮16和齿圈18分别啮合。转轴20连接至电机驱动轴为整体结构提供驱动力。外壳1上于所述转子下方加工有气相入口2，外壳侧方加工有气相出口3，所述喷淋管19安装在气相入口2内，并伸入转子中，底部与内层填料盖板所在平面重合。如图7所示，所述喷淋管19内端封口，侧壁上设置喷淋孔。转子下方的外壳上加工有液相出口4。喷淋管19、转子5、气相入口2和外壳1中心轴位于同一直线上。 [0035] 外层支撑架6、中层支撑架7和内层支撑架8分别与外层填料盖板13、中层填料盖板14和内层填料盖板15通过螺栓12连接，形成的空间容纳外层填料9、中层填料10和内层填料 11。 [0036] 作为一种实施方式，如图3和图5所示，外层填料盖板13、中层填料盖板14、内层填料盖板15分别与外层支撑架6、中层支撑架7和内层支撑架8固定连接，所述外层填料9封装于外层填料盖板13和外层支撑架6之间，中层填料10封装于中层填料盖板14和中层支撑架7之间，内层填料11封装于内层填料盖板15和内层支撑架8之间。 [0037] 如图6所示，内层支撑架8、中层支撑架7和外层支撑架6的内端面分别设置支撑架凹槽21，如图3所示，所述内层填料11、中层填料10、外层填料9分别为弧形面的填料块，内层填料11、中层填料10和外层填料9通过插入方式进入支撑架凹槽21中，拼成环状结构，并通过对应层的盖板固定，盖板通过螺栓固定在对应的支撑架上。内层填料、中层填料和外层填料可使用相同或不同种类的填料。 [0038] 所述中层填料可以为一层或一层以上，作为一个典型的实施方案，如图3所示，所述内层填料11为两层，内层的两层填料设置于内层支撑架8上，中层填料10设置于中层支撑架7上，其设置位置以及层数根据产品性能需要可拓展。 [0039] 内层填料、中层填料和外层填料可采用本领域常用的材料，可选的材料包括金属丝网、泡沫镍、聚四氟乙烯、PP塑料等。通常情况下内层填料采用金属丝网，将连续不断的液流切割成细小的液丝和液滴；中层填料采用泡沫镍，增加反应液在填料中的停留时间，促进反应的持续进行；外层填料采用聚四氟乙烯，有利于将从泡沫镍甩出的反应液的液丝和液滴变成液膜，增加气液反应的接触面积，提高反应效率。选用具有上述效果的其他材料亦可。 [0040] 内层填料的孔径范围为4‑8mm，中层填料的孔径范围为3‑6mm，外层填料的孔径范围为2‑5mm。结构图中仅为示意，并不限定各层填料之间的孔径比例。 [0041] 作为一个典型的实施例，太阳轮半径为范围为80‑140mm，行星轮半径范围为40‑90mm。 [0042] 电机驱动转轴20和太阳轮16转动，太阳轮16与内层支撑架连接8，从而使内层填料11旋转。太阳轮16带动行星轮17绕太阳轮16转动，从而使中层支撑架7带动中层填料10转动，其速度低于内层填料。行星轮17将动力传递给齿圈18使齿圈18转动，齿圈18与外层支撑架6连接，外层支撑架6带动外层填料9转动，其转动速度低于中层填料10。 [0043] 实施例2，一种天然气脱碳方法 [0044] 采用乙醇胺(MEA)二乙醇胺(MDEA)和水的混合溶液进行天然气脱碳，贫胺液由喷淋管19进入，经喷头淋洒在内层填料11的内圆周面上；在离心力的作用下，由内层填料11流向中层填料10和外层填料9。在此过程中，液体被填料的巨大剪切力分散、切割、破碎，形成液丝、液膜和液滴等常规工况下不能形成的状态，液体的表面积是极大的、且不断更新。从内层填料、中层填料到外层填料转速逐渐减小，反应液滴在转子中的停留时间增加，反应液与含碳天然气的反应时间也随之增加，在转子内部形成了极好的传质与反应条件。而后，液体被转子甩到外壳，在重力的作用下从液相出口4排出，被输送到再生设备中进行解析。此过程延长了液体在填料床内停留时间，提高了胺液的二氧化碳负载量，使得后续的加热解析环节中单位能耗下可以解析出更多的二氧化碳气体。降低系统的总能耗。含碳天然气由气相进口2引入超重力机外腔，在气体压力的作用下由转子中心进入内层填料11、中层填料10和外层填料9。与胺液逆流接触并传质，净化后的天然气自转子外缘离开转子，并最终由气相出口2引出。 [0045] 作为一个典型的实施例，提供了如下结构的旋转填料床： [0046] 太阳轮半径为105mm，行星轮半径为65.3mm，内层填料、中层填料和外层填料材料分别为金属丝网、泡沫镍、聚四氟乙烯，四层填料的孔径范围由内向外依次为4‑8mm、4‑8mm、3‑6mm、2‑5mm。 [0047] 转轴转速为500rpm。 [0048] 采用实施例2所述步骤进行天然气脱碳，结果脱附反应时间小于2s、脱附率95％以上、天然气二氧化碳含量0.44％，采用本装置进行天然气脱碳脱附率高，天然气纯度更高。 [0049] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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