可变容量的多段填充分离柱的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在诸如吸收、汽提和蒸馏的分离处理中使用的填充柱的构造和操作。
【背景技术】
[0002] 填充柱被利用作为一种单元操作，所述单元操作用于实施诸如吸收、汽提和蒸馏 的分离处理，在所述分离处理中需要实现气相和液相之间的传质。例如，在吸收处理中，填 充柱通常用于通过与液体吸收剂接触而从气体流中去除一组分。
[0003] 在石油和天然气以及化学处理工业中，经常实施分离处理以满足预定产品规格。 填充柱的一种广泛应用为结合油气分离设备或者GOSP从气态烃流中去除水。在油井生产 期期间，从井口开采到地表并且进入到输送管路的原油和烃气体的混合物包含可变比例的 水，所述水可以呈液态形式或者蒸汽形式。重要的是，离开GOSP的气体流包含不超过预定 量的水，以避免腐蚀下游管道、配件和设备等。以镑/百万标准立方英尺（MMSCF)测量水的 浓度。
[0004] 当在此使用时，术语"水负荷规格"或者"规格"表示离开湿气体分离单元操作的 处理过的湿气体的水的预定重量，例如，镑/MMSCF。
[0005] 用于GOSP的水分离单元操作的设计可以很复杂。典型的分离器设置有固定不动 的填充物质，液体吸收剂逆流地在所述固定填充物质上方通过，其中，从其中去除水的湿气 体向上运动。一种常用的吸收剂是三甘醇（TEG)，在下文描述中将参照所述三甘醇进行描 述。其它吸收剂包括乙二醇、丙二醇和甲基二乙醇胺。
[0006] 如本领域中的普通技术人员理解的那样，必须考虑在处理进料流过程中采用的多 种部件的操作能力和参数，并且全部作为初始设计规格的一部分。如可显而易见地，任何显 著的上游变化均将影响下游操作。
[0007] 在图1的示意图中以其必要的简化形式图解了现有技术的典型分离单元操作，其 操作可描述如下：
[0008] a.高压湿气（210)进入到敲击式（knock-out)气液分离器（100)的入口，用于部 分地去除水和冷凝水（212);
[0009] b.气体从柱的底部进入到TEG接触器分离柱（110)，而再生的99%的纯贫 TEG (256)从顶部进入，用于进行逆流流动吸收处理；
[0010] C.干燥的已处理气体（215)从填充接触器分离柱（110)的顶部流经管壳式换热器 (132)，以进一步冷却进入到接触器（110)中的贫TEG ;
[0011] d.富TEG(216)被传输到再生系统，在所述再生系统中，在进入到闪蒸鼓（140)之 前通过蒸馏冷凝器（120)加热所述富TEG，所述闪蒸鼓设置成例如在55psig的条件下用于 闪蒸烃；
[0012] e.富TEG通过滤器系统（142A，142B)中的多个过滤级、净化器（144)和可选的木 炭过滤器（146)，此后，由穿过富/贫TEG换热器（150)的贫TEG加热完全纯的流（234);
[0013] f.加热的富TEG (236)进入到TEG蒸馏器（122)并且从TEG蒸馏器进入到再沸器 (124)，所述再沸器设置成在392 °F的条件下用于去除水；
[0014] g.通过汽提柱（125)将汽提气（260)的侧流供给到再沸器（124)，以通过降低水 的局部压力来提高TEG流（250)的纯度；
[0015] h.在蓄积器容器（126)中收集热的再生贫TEG(250)，并且再循环流（252)穿过升 压泵（128)通到富/贫TEG换热器（150);和
[0016] i.由循环泵（130)泵送冷却的贫TEG，并且在大约393psig的压力下在冷却流 (256)进入到接触器（110)之前由穿过换热器（132)的干燥气体（215)进一步冷却流 (255)。从分离单元中回收较暖的干燥气体（216)，用于进行继续传递。
[0017] 如本领域中众所周知的那样，实现针对已处理气体流的所需预定规格的填充柱的 容量基于单元的设计参数（特别地包括其体积容量）以及所使用的吸收液的类型和置于柱 中的填充材料。选择填充材料的构造，以确保载液气体和液体吸收剂之间最大接触和交换。 确定分离单元的设计参数并且所述设计参数在本领域中众所周知，而且由填充材料的制造 商公开填充材料的特征，以方便设计阶段使用。
[0018] 填充柱在油气工业中的常用应用包括：用三甘醇（TEG)液体接触湿气体，以脱水 或者部分脱水该气体以满足所需规格；和通过在柱中的填充材料上方的逆流流动中使用甲 基二乙醇胺（MDEA)去除硫化合物来为天然气脱硫（sweetening)。
[0019] 填充柱通常是圆柱形的竖直定向的容器，所述填充柱包括填充段，所述填充段填 充有规定的填充材料，所述填充材料具有多种类型。可随意放置填料，如利用拉西环，或者 可用具有特定设计结构的填充材料填充所述填充段。目的是实现在预定流速下两相之间的 最为有效的接触，以实现有效分离，与此同时，最小化柱的尺寸以及填充材料和吸收剂的对 应体积，从而最小化构造成本和持续操作成本。如上所述，鉴于正处理的气体流的流速、通 过与吸收剂接触将要去除的材料的初始负荷以及已处理气体流的规格或者最大可接受负 荷来确定填充柱的尺寸，例如，其直径和高度。
[0020] 将参照图2更加详细地描述现有技术的典型填充柱（10)的特征。压力容器包括 上部部分（12)、中央部分（14)和下端部分（16)。用填充材料或者已经预定的材料来填充 填充段（20)，以提供吸收液和要从气体流中去除的材料之间的最优接触条件。新鲜的或者 贫的液体吸收剂（31)保持在存储容器（未示出）中，并且经由液体进料入口（30)被引入 到液体分配器（32)，所述液体分配器如图所示可包括歧管，所述歧管具有一系列分配喷嘴 (34)，或者可替代地，具有有孔盘（未示出），所述有孔盘将吸收液分配在填充段（20)的横 截面区域上。在其在填充材料（22)上方向下流动以及吸收待从气体流中去除的一种或多 种化合物之后，由托盘（40)保持富吸收液（41)，并且富吸收液穿过液体出口（42)而通到吸 收剂再生单元（未示出），此后，贫吸收剂返回到吸收剂存储容器。
[0021] 待处理的气体流（51)经由进气口（50)进入到柱（10)中，并且由进气口分配装置 (52)将所述气体流分配成通过下部横截面区域，所述进气口分配装置可以呈歧管的形式， 所述歧管具有多个穿孔（54)，通过所述多个穿孔排出气体（51)，以提供均匀的向上流。存 在于流入气体流中的任何液体均被作为冷凝水（58)收集在塔的底部部分（16)中，并且可 经由带有阀的冷凝水出口（18)从柱（10)排放出。柱的底部部分（16)用作一体的敲击式 气液分离器，所述敲击式气液分离器从进气气体流部分地去除水和液体冷凝物。
[0022] 进入到入口（50)的气体穿过气烟囱（44)，所述气烟囱利用通道将气流直接引导 到柱的填充段，而不允许其行进通过托盘（40)中的已聚集的液体。
[0023] 在与填充段（20)中的吸收液紧密接触地通过之后，已处理气体体聚集在柱（10) 的顶部部分（12)中的上部气体脱离段（36)中。通过气体出口（38)排放已处理气体流 (37)。气体脱离阶段使得气体流中携带的任何液体能够分离并且使其返回以与进入的吸收 液进料（31)混合。
[0024] 在设计填充柱的过程中必须予以考虑的显著变化是在待处理的气体流中携带的 水的预期负荷。例如，如上所述，在新油井的最早生产阶段，水负荷可能相对低。随着持续 生产烃，油井必须承受注水，以为了从周围的储层岩流动到井筒，以用于生产到地表。结果， 随着油井成熟，产出的水的量并且因此存在于气相中的水的量可能显著增加，并且在某一 时刻超过减小水负荷并且实现已处理气流的所需规格的填充柱的容量。
[0025] 如本领域中的普通技术人员理解的那样，经常因填充柱的上游和下游生产操作和 /或处理操作的连续性质而无法减小进入到填充柱的气体流的流量。本发明解决了在分离 单元中处理气体流的问题，在所述分离单元中，待吸收的化合物的负荷是可变的并且期望 最大化单元操作的操作效率和经济效益。
[0026] 解决的其它问题是：在没有导致产生与将全新分离器单元安装在现有更大型的复 杂单元操作中有关的大规模资本投资的前提下，再构造或者改造因引入进料的变化而不再 能够满足处理过进料的规格的现有分离器单元操作。
【发明内容】
[0027] 本发明克服了在现有技术的填充柱的设计和操作中遇见的上述问题，在本发明 中，一种新型工业填充柱设备构造并且设定尺寸，以用于通过与液体吸收剂接触来处理气 体流而去除组分，所述设备包括：
[0028] a.多个管状构件，所述多个管状构件具有上端部和下端部，所述上端部和下端部 以竖直平行阵列方式对齐以形成第一管束，
[0029] b.每个管状构件在其上端部和下端部之间具有填充段，所述填充段包含填充材 料，
[0030] c.管状构件中的每一个具有：贫吸收液入口和富吸收液出口，所述贫吸收液入口 定位在填充段的上方，所述富吸收液出口定位在填充段的下方，
[0031] d.管状构件中的每一个具有未加工进料气体入口和已处理气体出口，所述未加工 进料气体入口定位在填充段下方，所述已处理气体出口位于填充段上方、在管状构件的顶 部处，
[0032] e.未加工进料气体入口中的每一个经由控制阀连接到未加工进气歧管，用于选择 性地允许进料气体进入到多个管状构件中的一个或多个，
[0033] f.已处理气体出口中的每一个经由带有阀的导管分别连接到第一管束中的其它 管状构件中的一个或多个的（i)已处理气体收集歧管和（ii)未加工气体入口，并且
[0034] 设备设置有适当的监测器、传感器和控制器，使得离开管状构件的已处理气体流 的全部或者部分能够可选地为了进行进一步处理通到第一管束中的其它管状构件中的至 少一个。
[0035] 在一个优选实施例中，引入贫液体流和包含被吸收的水的富吸收液被导管连通到 歧管，所述歧管与吸收液再生系统流体连通。再生的液体吸