一种管状并流式气液接触吸收器的制作方法

本发明涉及一种油气开采过程的天然气净化处理设备，尤其涉及一种管状并流式气液接触吸收器，用于脱除气态水和脱除酸性气体。

背景技术：

众所周知，从地层中开采出来的天然气中不可避免地含有水、尘粒、二氧化然和硫化氢等杂质。一方面，天然气中含有的二氧化碳、硫化氢等酸性气体不仅会降低天然气的燃烧热值，而且会腐蚀天然气输送管道和设备。另一方面，天然气中含有的气态水(或气相水)在压力升高或温度降低时，会以液态水析出，这些液态水不仅会与某些低分子量的烃类结合形成水合物造成管路堵塞或设备损坏，而且会与天然气中的酸性气体形成酸性介质而加速管路和设备的腐蚀。因此，需要对开采出来的天然气进行脱酸和脱水等净化处理，以满足长距离管输、液化处理以及商品天然气对酸性气体和气态水的质量指标要求。

目前，天然气脱水的方法有超音速脱水法、膜分离法、固体干燥剂吸附法、冷冻分离法和溶剂吸收法，其中溶剂吸收法中三甘醇吸收法的应用最广泛。天然气脱二氧化碳、硫化氢等酸性气体的方法主要有低温分离法、膜分离法、分子筛吸附法、醇胺溶液吸收法等，其中以醇胺溶液为吸收剂的溶剂吸收法在现场应用最为普遍。天然气三甘醇吸收脱水和醇胺溶液吸收脱酸工艺中均需要气液接触吸收传质设备，目前普遍采用泡罩吸收塔、填料吸收塔和旋流管式吸收塔等。然而，传统的塔式气液传质设备主要依靠重力实现气液逆流传质，为防止产生液泛和雾沫夹带，空塔气速通常不大于1.5～2m/s，气液体积传质系数小，故塔类吸收设备普遍存在传质效率低、重量和占地面积大等缺点，难以满足海上平台对设备尺寸和重量的要求。

为解决传统塔类吸收设备在海上平台应用时处理量与设备尺寸和重量之间的矛盾，有研究人员提出采用气液管内并流举措来强化吸收传质过程。具体而言，待净化处理的气体在管道内高速流动，液体吸收剂注入到管内高速气流中，高速气流将注入的液体吸收剂撕裂破碎成微小的液丝和液滴，雾化后的吸收剂与高速气流在管内空间同向流动过程中充分混合吸收传质。气液两相并流过程中产生剧烈的湍动及快速更新的相际界面，有利于总体积传质系数的增加，从而可大大强化气液两相的传质过程。

基于上述认识，马来西亚国油大学的a.m.shariff等人2014年左右设计研制了结构类似于文丘里引射器的紧凑型管式接触器(cic)，用于针对天然气脱除co2。挪威statoilasa公司在美国专利us7128276中，提出一种管式气液混合方法，设计了一种管式湍流接触器结构用于酸性气体选择性吸收。该方案中在管道内部设计了文丘里结构，液体通过文丘里管收缩锥面上的狭缝注入，液体在收缩锥面上形成液膜，液膜在喉管处脱离锥面进入气流中被破碎成小液滴，在文丘里扩张段和下游直管段实现气液雾化混合。该方案的结构，采用壁面向心注入方式，液膜未进入喉管及下游高速气流区雾化，高速气流区的气体能量未能有效用于液膜雾化，导致液膜破碎雾化的均匀度较差。在大管径，液体注入量小的情况下，雾化后的液滴在下游管路中分布不均匀，气液雾化混合效果较差。为改善大管径条件下的气液雾化混合均匀度，美国专利us20170043306中对上述专利中的结构方案进行了改进，通过在管道内设置多个收缩锥面的结构改善液体在大直径管道内的初步分布的均匀度，进而改善雾化液滴在管道内与气流的雾化混合均匀度。但是液体仍然也液膜的形式在气流中破碎雾化成小液滴，液膜难以进入高速气流中而被雾化成均匀的小液滴，此方式雾化形成的液滴粒径分布较宽，大粒径液滴较多，不利于增大气液接触面积。美国prosep公司和挪威minoxtechnology公司基于上述专利中提到的管式雾化接触吸收器结构分别开发了prodrytm和drygas管式天然气脱水、脱酸技术。

exxonmobilupstreamresearch公司在美国专利us8899557中提到一种气液并流管式气液接触器的结构方案，该结构方案采用文丘里引射器结构形式，在文丘里管的喉部上游安装气体喷射管，高速喷射的气流在文丘里管上游部分产生负压区，液体通过该部分管壁上的孔道被吸入管道，气液两相在文丘里管内混合，液体在文丘里管喉管处破碎雾化成小液滴。液体的引射受气体流量的影响，当气体流量变小时对液体的引射雾化混合效果较差，该结构的接触吸收器的工作范围较窄，引射的部分液体附着在文丘里管和直管段的管壁上很难被剥离壁面产生雾化，导致该结构接触吸收器的雾化混合效率较低。作为改进，在美国专利us20170145803中的紧凑型天然脱水工艺中提到了一种管式接触吸收器结构，雾化混合部件以法兰盘对夹的方式安装于管道上，法兰盘内部开有液体流动的环形空间，中心轴线设计一个导流锥，法兰盘和导流锥之间通过周向均匀分布的连接管连接，连接管的迎风面和侧面上开有液体射流小孔，液体通过均匀分布的小孔入射到高速气流中产生雾化液滴，导流锥迎风面开有气体流道，部分气体进入锥体后在连接管侧壁的狭缝喷出，将附着在导流锥和连接管壁面上的液膜吹散雾化。然而，在连接管迎风面的小孔入射的液体流动方向与气流相反，大部分液体会被气流吹回到连接管壁面，连接管侧壁靠近外管位置的小孔喷出的液体会喷到外管壁面上产生液膜，外管壁面的液膜无法有效剥离壁面产生雾化液滴。在导流锥侧壁和连接管侧壁均开有气体狭缝，为保证狭缝喷出的气体有足够的速度将液膜吹离壁面，需要在导流锥引入更多的气流，这会导致该结构的雾化混合器的气体阻力过大。基于上述专利中提到的管式雾化接触吸收器结构，美国exxonmobil公司2017年推出了天然气脱水用管式气液接触吸收传质技术。

通过上述分析，虽然目前已经将管式气液接触吸收器应用于天然气净化处理领域，并且在海上油气田的开发中应用技术优势明显，但是，目前提出的管式气液并流接触吸收器结构仍存在雾化压差大、效率低、雾化微液滴粒径均匀度差、微液滴产生方式不合理、气液有效操作流量范围窄等不足，限制了其在工业生产中的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种管状并流式气液接触吸收器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的管状并流式气液接触吸收器，从功能分区上，主要包括依次连接的气体稳流直管段、气体收缩加速段、气体分散扩张段和气液均匀混合传质吸收段，所述气体收缩加速段和气体分散扩张段内设有液体吸收剂注入雾化部件，所述液体吸收剂注入雾化部件包括内置的椭球形导流锥和梯形圆锥；

所述气体稳流直管段为从吸收器入口到气体收缩加速段之间的直管；

所述气体收缩加速段结构为直径渐缩内锥与内置的椭球形导流锥外壁面所组成的流通面积渐缩的气体流道；

所述气体扩张分散段结构为直径渐扩内锥与内置的梯形圆锥外壁面所围成的渐扩气体流道；

所述气液均匀混合传质吸收段为气体扩张分散段到吸收器出口之间的直管段。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的管状并流式气液接触吸收器，可以实现不同工况下天然气脱水、脱酸的净化处理，其设备具有气液传质效率高、结构紧凑、处理量大、操作简单、气液流量适应范围广等优势。

附图说明

图1为本发明实施例提供的管状并流式气液接触吸收器全剖视结构示意图；

图2为本发明实施例的左视图；

图3为本发明实施例中液体吸收剂注入雾化部件的剖视图；

图4a为图1的a-a向剖视图；

图4b为图1的b-b向剖视图；

图5为本发明实施例的特征角度示意图；

图中：

1-吸收器气体入口、2-气体稳流直管段、3-直径渐缩内锥、4-吸收剂液体入口、5-液体吸收剂入口连接管、6-直径渐扩内锥、7-气液混合传质直管段、8-吸收器出口、9-梯形圆锥、10-外管液体环形流道、11-椭球形导流锥、12-液体环形流道连接管、13-辅助雾化气体入口、14-辅助雾化气体流道、15-辅助雾化气体导流圆锥、16-辅助雾化气体环缝出口、17-液体入射小孔、18-导流锥液体环形流道、19-辅助雾化气体导流分配筋板。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的管状并流式气液接触吸收器，其较佳的具体实施方式是：

从功能分区上，主要包括依次连接的气体稳流直管段、气体收缩加速段、气体分散扩张段和气液均匀混合传质吸收段，所述气体收缩加速段和气体分散扩张段内设有液体吸收剂注入雾化部件，所述液体吸收剂注入雾化部件包括内置的椭球形导流锥和梯形圆锥；

所述气体稳流直管段为从吸收器入口到气体收缩加速段之间的直管；

所述气体收缩加速段结构为直径渐缩内锥与内置的椭球形导流锥外壁面所组成的流通面积渐缩的气体流道；

所述气体扩张分散段结构为直径渐扩内锥与内置的梯形圆锥外壁面所围成的渐扩气体流道；

所述气液均匀混合传质吸收段为气体扩张分散段到吸收器出口之间的直管段。

所述直径渐缩内锥面的角度α范围为10°～30°，所述直径渐扩内锥面的角度β为5°～20°，所述气液混合吸收段的长度根据气液吸收传质时间尺度确定。

所述气液混合吸收段的长度为10～40倍管径范围。

所述气体收缩加速段和气体分散扩张段的外壁设有外管液体环形流道，所述外管液体环形流道通过液体吸收剂入口连接管与吸收剂液体入口连接；

所述椭球形导流锥内设有导流锥液体环形流道，所述外管液体环形流道与导流锥液体环形流道之间通过多个液体环形流道连接管连通，多个液体环形流道连接管沿周向均匀分布，所述导流锥液体环形流道外壁面沿周向均匀分布多个液体入射小孔。液体采取由入射小孔从管道中心入射的方式提高液体在气流中的初次分布均匀度。

所述椭球形导流锥内部轴向设置辅助雾化气体流道，所述辅助雾化气体流道前端在椭球形导流的锥前端迎风面端开口，后端与所述椭球形导流锥尾部端面的辅助雾化气体环缝连接，椭球形导流锥尾部设计辅助雾化气流环缝出口，在少量辅助雾化气流的作用下将附着在导流锥壁面上的液膜吹离进入高速气流并雾化成微米级液滴。

所述椭球形导流锥的下游端部与梯形圆锥的上游端部之间设计垂直于中心轴的狭缝空间，所述狭缝空间沿圆周均匀分布的若干辅助雾化气体导流分配筋板，将端面之间的狭缝空间分成若干相同大小的扇形气体流道，保证辅助雾化气流在各扇形流动通道内分布均匀。

所述辅助雾化气体环缝中心部位正对所述辅助雾化气体流道轴心的部位设有辅助雾化气体导流圆锥。

所述辅助雾化气体环缝出口的圆锥面与中心轴线之间的夹角γ在30°～60°之间。

本发明的新型天然气脱水、脱酸净化达标处理的管状并流式气液接触吸收器，一方面液体采取由入射小孔从管道中心入射的方式提高液体在气流中的初次分布均匀度，射流柱雾化产生的液滴粒径分布范围更小；另一方面椭球形导流锥尾部设计辅助雾化气流环缝出口，在少量辅助雾化气流的作用下将附着在导流锥壁面上的液膜吹离进入高速气流并雾化成微米级液滴，显著增大了液体吸收剂的流量操作范围，提高了雾化效率和均匀度。

本发明的管状并流式气液接触传质吸收器，所述管状并流式气液接触传质吸收器通过法兰或者焊接的方式与气体上游工艺管路连接，可以实现不同工况下天然气脱水、脱酸的净化处理，其设备具有气液传质效率高、结构紧凑、处理量大、操作简单、气液流量适应范围广等优势。尤其适用于海上平台代替天然气脱水或脱酸工艺中的传统吸收塔。

本发明的管状并流式气液接触传质吸收器，结构紧凑、气液传质效率高，可以将液体吸收剂在管内高速气流中雾化成微米级的液滴，雾化后的液滴与管内气流同向湍流流动，显著增大气液接触面积并减小气液传质阻力。气体收缩加速段的外管直径渐缩内锥和中心椭球形导流锥组成流通面积逐渐减小的气体流道，气体在流道内均匀加速。在气体分散扩张段，外管直径渐扩内锥和中心梯形圆锥组成的流通面积增大的气体流道，气体逐渐扩张减速，梯形圆锥较少了尾部湍流涡的能量耗散，确保接触吸收器可以在入口气速在6～30m/s范围内稳定高效工作，气体压降低于26kpa。椭球形导流锥外壁均匀分布的液体入射小孔，保证注入的液体吸收剂沿圆周以若干均匀射流柱形式在气流中初次分布，射流柱在高速气流中经过初次破碎和二次破碎形成均匀的微米级雾化液滴，从而在气液之间形成均匀混合的高分散体系，这有利于天然气脱水、脱酸过程过程中的气液接触吸收传质过程。中心椭球形导流锥设置辅助雾化气体流道，在椭球形导流锥迎风面端部的压力最高点将管道内部分气体作为辅助雾化气流引入导流锥内部的辅助雾化气体流道，引入的辅助雾化气体经过椭球形导流锥尾部端面的辅助雾化气体环缝出口喷出，环缝喷出的气流将附着在导流锥表面的液膜吹离表面，吹离壁面的液膜进入高速气流实现液膜的雾化。辅助雾化气流可以扩大液体吸收剂的有效流量范围，在最大液体入射流量到接近零的流量，均能保证液体吸收剂被有效雾化成微米级液滴与气体充分均匀混合。本发明的管状并流式气液接触传质吸收器具有压降低，气体处理量大，注入液体流量操作范围宽的特点，可以替代天然气脱水、脱酸工艺流程中的传统吸收塔，显著减小天然气净化处理工艺装置的尺寸和重量，这一优势使管状并流式气液接触传质吸收器尤其适合海上平台或水下生产系统中天然气净化场合的应用。

本发明的原理是：

在实际工作过程中，需要净化处理的天然气经吸收器气体入口进入管式接触吸收器，流经气体稳流直管段进入气体收缩加速段，绝大部分气体流经外管直径渐缩内锥内壁和椭球形导流锥外壁所包围的流通面积逐渐减小的气体流道，随着气体流道的减小气体的流速逐渐增大，在气体收缩加速段出口获得最大气速，提供足够的动能将注入的液体吸收剂雾化。一部分气体作为辅助雾化气流通过椭球形导流锥上游端部的辅助雾化气体入口进入导流锥内部流道，然后在椭球形导流锥尾部的辅助雾化气体环缝出口以较高气速喷出。液体吸收剂经液体吸收剂入口连接管进入外管液体环形流道，然后经沿周向均匀分布的若干液体环形流道连接管进入导流锥液体环形流道，经环形流道与椭球形导流锥外壁面之间沿周向均匀分布的若干液体入射小孔均匀入射到高速气流中，注入的液体吸收剂在气流中以若干射流柱形式沿圆周初步均匀分布，液体射流柱在高速气流的作用下发生偏转，最终射流液体流动方向与气流方向平行，在这过程中液柱发生破碎产生液带和小液滴，液带和小液滴在气体分散扩张段的高速气流区发生二次破碎，产生均匀的微米级液滴，在气液均匀混合传质吸收段内形成气液高分散体系，这有利于天然气脱水、脱酸过程过程中的气液接触吸收传质过程。当液体射流量较小时，入射吸收剂不能全部喷射进高速气流中，部分液体或全部液体会附着在液体入射小孔到椭球形导流锥尾端的侧壁形成液膜，如果液膜不能有效地从导流锥壁面分离进入高速气流区，将会影响气液雾化混合的均匀性和效率。在椭球形导流锥的头部中心引入辅助雾化气流，辅助雾化气流经椭球形导流锥中心的辅助雾化气体流道经椭球形导流锥尾部的辅助雾化气体环缝出口喷出，将椭球形导流锥尾部的液膜吹离壁面进入高速气流区，液膜进入高速气流中雾化成微米级的液滴。辅助雾化气流可以扩大液体吸收剂的有效流量范围，液体吸收剂的注入量范围在最大设计流量到接近零注入量范围内均能保证气液之间均匀雾化混合，均能保证液体吸收剂被有效雾化成微米级液滴与气体充分均匀混合，液体吸收剂的注入量没有下限，使管状并流式气液接触吸收器的工作范围更宽，气液强化传质性能更可靠。雾化成液滴的吸收剂在气体分散扩张段和气液均匀混合传质吸收段形成高分散的气液混合体系，在气液均匀混合传质吸收段进行气液间的吸收传质，可根据气液接触传质时间尺度调节气液均匀混合传质段的长度。

本发明具有如下优点和效果：

1.本发明所述的吸收器通过液体吸收剂注入雾化部件在高速气流中将吸收剂雾化成微米级的液滴，显著增大气液间的传质吸收面积，外管内锥和中心液体吸收剂注入雾化部件可以显著增大和气液均匀混合传质吸收段的湍流强度，增强气液截面的表面更新率和均质混合，增大吸收器的处理量，减少吸收剂的用量。

2.本发明所采用液体吸收剂注入雾化部件，通过导流锥壁面周向均匀分布的小孔将液体吸收剂注入高速气流中，并采取中心入射方式保证液体在高速气流中注入均匀，实现雾化液滴在高速气流中均匀分布。椭球形导流锥上游端部引入的辅助雾化气流在其尾部的辅助雾化气体环缝出口喷出，将附着在导流锥壁面上的液膜吹离壁面进入高速气流雾化成液滴。液体吸收剂的注入量范围在最大设计流量到接近零注入量范围内均能保证液体吸收剂被有效雾化成微米级液滴与气体充分均匀混合，液体吸收剂的注入量没有下限，管式气液并流接触吸收器的工作范围更宽，气液强化传质性能更可靠。

具体实施例：

如图1至图5所示，本发明实施例提供一种管状并流式气液接触吸收器，该接触吸收器的外管包括依次连接的吸收器气体入口1、气体稳流直管段2、直径渐缩内锥3、直径渐扩内锥6和气液混合传质直管段7。所述管状并流式气液接触吸收器通过法兰或者焊接的方式与气体上游工艺管路连接，所述管状并流式气液接触吸收器的气体入口1与外管直径渐缩内锥3之间的圆管部分为气体稳流直管段2，所述气体稳流直管段2与气体收缩加速段连接，所述气体收缩加速段为外管直径渐缩内锥3内壁和椭球形导流锥11外壁面所包围的流动空间组成，所述直径渐缩内锥壁面的角度α范围为10°～30°，所述气体收缩加速段与气体分散扩张段连接，所述气体分散扩张段为外管直径渐扩内锥6壁面和梯形锥面外壁面所包围的空间组成，所述直径渐扩内锥锥面的角度β为5°～20°，所述气体分散扩张段与气液均匀混合传质吸收段连接，所述气液均匀混合传质吸收段为外管直径渐扩内锥6与吸收器出口8之间的圆形气液混合传质直管段7，所述气液混合传质直管段7的长度根据气液吸收传质时间尺度确定，长度一般为10～40倍管径范围。

液体吸收剂注入雾化部件包括头部的椭球形导流锥11和尾部的梯形圆锥9，椭球形导流锥11和梯形圆锥9的中心轴线与外管中心轴线重合，液体吸收剂注入雾化部件内部包括液体流道和辅助雾化气体流道。

液体流道包括吸收剂液体入口4、液体吸收剂入口连接管5、外管液体环形流道10、液体环形流道连接管12、导流锥液体环形流道18、液体入射小孔17组成。吸收剂通过沿圆周均匀分布的液体入射小孔17注入到高速气流中并发生破碎雾化，设置的外管液体环形流道10、液体环形流道连接管12和导流锥液体环形流道18结构使各液体入射小孔17的液体流量均匀分配，保证液体吸收剂均匀注入高速气流中。

辅助雾化气体流道包括椭球形导流锥头部的圆形辅助雾化气体入口13、圆柱形辅助雾化气体流道14、辅助雾化气体导流圆锥15、辅助雾化气体导流分配筋板19、辅助雾化气体环缝出口16。椭球形导流锥下游端部的外沿与梯形圆锥上游端面外沿之间为环形凸台，所述环形凸台上开有辅助雾化气体环缝出口16，辅助雾化气体环缝出口16壁面与中心轴线之间的夹角γ在30°～60°之间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。