旋轉填料床在天然氣凈化中應用的探索

陳賡良 李 勁

中國石油西南油氣田公司天然氣研究院，四川 成都 610213

1 化工過程強化

化工過程強化（Process Intensification）技術的研發應用是化工業近30 年來最值得注意的技術進步。1995年，首屆國際化工過程強化會議在比利時召開，與會專家將化工過程強化技術定義為：指在生產能力不變的情況下，在生產和加工過程中運用新技術、新設備，極大地減小設備體積或提高設備的生產能力，顯著地提高能量利用效率，大幅度地減少三廢排放。鑒于此，化工過程強化的理念通常可表達為：更小型、更便宜、更安全、更巧妙。

目前化工過程強化主要包括過程強化設備（硬件強化）和過程強化方法（軟件強化）；在多數情況下這兩者是相互交叉的，新設備的開發成功往往推動新工藝的實現，因而化工過程強化實質上也是一門交叉科學。化工過程強化技術的分類見圖1［1］。圖1 表明，化工過程強化方法可分為三類：

a）新工藝方法，如反應與其它單元操作的集成（多功能反應器）；

b）其它形式的能量和非傳統能源的應用；

c）新技術、新設備的開發。

圖1 化工過程強化技術的分類

早在20 世紀80 年代，化工過程強化設備及方法就開始應用于天然氣凈化，其典型例子即為應用于絡合鐵法脫硫工藝的自循環反應器［2］。該反應器集氣體脫硫、硫黃生成和分離沉降于一體。近年來，化工過程強化設備及方法發展較快，很可能成為天然氣凈化（乃至氣體凈化）領域今后技術進步的主導方向。化工過程強化技術在天然氣凈化中應用示例見表1。

表1 化工過程強化技術在天然氣凈化中應用示例

盡管已有一系列化工過程強化設備與方法被成功應用于氣體凈化領域，并引起普遍重視，但迄今為止，作為強化傳質設備的旋轉填料床在伴有化學反應的氣液吸收過程（如原料氣脫硫、脫碳和尾氣選吸脫硫等）中的成功應用尚未見報導。雖然國內外均開展過大量研究，然而對離心力作用的本質、強化傳質的機理、設備結構的改進等方面的認識還有待深化。

目前天然氣凈化的三類方法是：以醇胺法為代表的溶劑吸收法、以絡合鐵法為代表的氧化還原法和非再生型的固體脫硫劑法［4］。國內文獻雖有“超重力反應吸收法脫除硫酸工業尾氣中二氧化硫”工業側線試驗成功、“硫酸工業尾氣二氧化硫超重力法深度脫除……”達到國際領先水平等報導［5］，但此類研究成果尚待確認。

2 旋轉填料床（RPD）

RPD 實質上是一種置于離心力影響下的填料接觸塔（器），以氣相為連續相時其結構簡圖見圖2。英國帝國化學公司（ICI）的Ramshaw 從美國宇航局（NASA）在太空微重力條件下（g ＜10-4）幾乎不能進行氣液傳質的試驗結果得到啟發，從逆向思維的角度率先提出：“在地球重力加速度（g）增大的工況下有望強化傳質”的設想，并申請了專利［6］。由于在實驗室中無法創造出增大g 的實驗條件，故設計并建立了兩套將填料接觸器置于離心力場中的精餾中試裝置，并將其命名為Higee 裝置，即“在較高重力工況下運行的裝置”。

圖2 旋轉填料床（RPD）的結構簡圖（以氣相為連續相）

從基本原理分析，RPD 是一種利用強大的離心力促使重力加速度g 增大以強化氣液傳質的設備。但地球重力即為引力，是當前自然界中已經確認的四種相互作用力之一；而所謂的“超重力”（super gravity）則是理論物理中假設的、目前尚在探索中的一種力，它與本文討論的RPD 無關。

描述常規填料接觸塔中氣液吸收過程的理論與模型基本上都不適用于RPD，故現有的有關RPD 泛點、壓降和等板高度（HETP）的關聯式都是由實驗數據處理而得的經驗公式。由于影響因素眾多，且諸多影響因素的變化規律又隨處理物系和填料特性不同而變化，因而現有RPD 相關研究主要是通過實驗數據對傳統模型進行必要修正而使之能應用于RPD，對RPD 本質的認識遠未達到常規填料塔的水平。以目前研究甚多的精餾系統為例，常規填料塔中確定泛點與壓降關系的基本經驗公式——Sherwood 關聯式對RPD 并不一定適用［1］。原因在于導入了旋轉速度（r/min）的影響后，RPD 的泛速必須在一定氣量和液量的條件下通過改變轉速的一系列實驗來確定其壓降的陡增點。在一定的轉速下，發生液泛時RPD 的壓降最大；但轉速不同則泛速也不同。

旋轉速度對填料床表面液體的流體力學性能及氣液傳質效率所產生的影響極其復雜，故建立RPD 內部的傳質模型相當困難。由于較高的g 是由離心力誘導而來，因而g 的升高值與RPB 結構、尺寸、填料類型及質量和轉速等均有關；加之，力是矢量而具有方向性，更增加了問題的復雜性。例如，文獻［7］報導的一個研究正戊烷/正已烷精餾系統的RPD，其外殼半徑為8.0 cm，內部半徑為2.2 cm，軸長為4.0 cm，當此RPB 在300～2 400 r/min范圍內旋轉時，產生的離心力相當于5～360 倍重力加速度（g）。如果在離心力方向上產生的力僅有5 g，在重力方向上產生的影響必然很小，甚至完全沒有影響，故此項研究就從轉速500 r/min 開始。該實驗同時表明：RPD 必須達到一定轉速后才能改善氣液傳質效率。文獻［8］還曾報導過一個在RPD 中進行甲醇/乙醇系統精餾的實驗研究，在轉子轉速為600～1 600 r/min時離心加速度可以達到4～298 倍重力加速度 （g）。該RPD 的實驗結果表明：8.6 mm 厚的填料層僅相當于1～3塊理論板，等板高度（HETP）約為3～9 cm；這些數據不僅遠低于其它文獻報導，甚至還低于常規填料塔。由此可見，對RPD 中傳質過程的認識尚有待進一步深化，目前還不能得出諸如“超重力氣液接觸是迄今強化相間傳質最有效的方法之一”的結論［9］。

綜上所述可以看出，RPD 的商業化應用當前存在兩方面的風險: 實際的風險主要是旋轉設備機械設計的可靠性，包括密封、軸承和轉子的穩定性；潛在的風險則來自對過程原理還缺乏深刻了解。雖然利用離心力以強化氣液傳質的研究已有50 年左右歷史，但迄今成功地應用于工業僅有油田水脫氧和次氯酸反應氣提等少數幾例［1］。鑒于此，在選擇將RPD 應用于天然氣凈化領域氣液傳質過程的研究項目時必須慎重，務必保證其技術優勢得以實現。同時，必須仔細分析當前已經完成的部分室內及中試試驗，從中取得有益的經驗與教訓。

3 RPD 應用于天然氣凈化

3.1 應用于三甘醇（TEG）深度脫水

早在1987 年，美國Fluor 公司的Bucklin 等就發表了將RPD 應用于天然氣TEG 法深度脫水的探索思路。深度脫水的目標是露點降（ΔT）超過71℃以防止利用透平膨脹機法回收輕烴時原料氣生成水合物［10］。但此項探索未經現場試驗即停止進行。因為相關研究工作獲得的數據表明：

a）要達到上述ΔT，吸收塔必須至少有6 塊理論板；且在常規填料塔中TEG 法脫水的氣液比已經很高，進一步降低傳質單元高度將影響傳質效率。

b）ΔT 與貧TEG 的再生質量密切有關，按上述ΔT要求貧TEG 的質量濃度必須達到99.995%；即使采用特殊措施也很難達到，ΔT 與貧TEG 濃度關系見表2。

表2 ΔT 與貧TEG 濃度的關系

c）要將貧TEG 提濃至上述水平，再生塔至少有8塊理論板。

以上數據說明TEG 法在本質上就不適合應用于天然氣深度脫水，目前工業上在要求ΔT 超過50℃的工況下，一般都采用分子篩法深度脫水。

3.2 應用于原料氣選擇性脫除H2S

建于美國San Juan 天然氣凈化廠RPD 試驗裝置是采用甲基二乙醇胺（MDEA）水溶液進行選吸脫硫［11］。試驗裝置的最大處理量為56.3×104m3/d，最高操作壓力為8.5 MPa，最大貧液循環量為45.6 m3/h。RPD 最高轉速1 200 r/min。該廠建設了不同尺寸的2 套RPD，其規格見表3。試驗用RPD 的填料厚度為R0-R1；氣液接觸面積為2πR×L，見圖3。

表3 試驗用RPD 的規格 mm

圖3 試驗用RPD 的轉子結構

表4 原料氣CO2 含量調整前后的模擬結果比較

表5 典型的試驗結果

上述RPD 試驗裝置在1987 年投入運行后，共取得了60 套數據。由于取樣分析和試驗條件控制等方面的困難，獲得的CO2分析數據誤差較大，故又利用AMSIM 和HYSIM 軟件模擬數據對H2S 和CO2含量數據進行適當調整后，試驗數據顯示的吸選效果基本可信,詳細數據見表4，典型的試驗結果見表5。

分析表5 數據可得：

a）編號1 的數據表明，特定的操作條件下在RPD中進行吸選脫硫，可使CO2的共吸收率降到5 %左右，說明此設備對加強選吸有一定效果。但在此工況下，氣液比達到約5 000，H2S 脫除率僅91.4 %，凈化氣不合格。

b）編號42 的數據表明，若原料氣中CO2/H2S（碳硫比）降到4.3，氣液比降到約2 900，凈化氣中H2S 含量可以達標，且CO2共吸收率仍可保持約10 %。

c）編號14 和16 的兩組數據表明，RPD 轉速和氣液比對CO2共吸收率均有影響，但氣液比對H2S 與CO2凈化度的影響比RPD 轉速更大；當RPD 的轉速達到900 r/min 后，繼續提高轉速對選吸脫硫效果的影響不明顯。

d）總體而言，RPD 在特定操作條件下對改善選吸有一定作用，但由于商品天然氣對H2S 和CO2含量均有嚴格要求，能適應的原料氣極其有限；且RPD 難以滿足HSE 管理方面的諸多要求，故20 世紀90 年代后國外停止了有關探索，也未見有工業應用的報導。

3.3 應用于尾氣處理工藝的選吸脫硫

國內目前正在探索用RPD 替代SCOT 法尾氣處理工藝中的選吸脫硫塔以進一步降低CO2共吸收率，從而改善返回克勞斯裝置的酸氣質量，并降低排放尾氣中的H2S 含量。此技術開發思路是正確的，但荷蘭殼牌公司于20 世紀90 年代中期開發成功超級SCOT 法的經驗表明，要使排放尾氣中的H2S 含量降到200 mg/m3以下，除了加強選吸外，必須嚴格控制貧液質量和貧液入塔溫度。為此還專門設計了獲得“超貧液”的兩段再生系統，其流程示意見圖4［2］。

圖4 兩段再生工藝流程示意圖

4 結論與建議

a）化工過程強化技術的研發與應用可視為化學工業近30 年來最值得關注的技術進步。化工過程強化主要包括過程強化設備和過程強化方法；這兩者目前均已在我國的天然氣凈化工業得到應用，建議今后加強這方面的技術開發。

b）旋轉填料床（RPD）實質上是一種利用強大的離心力促使重力加速度g 增大以強化氣液傳質的設備。描述常規填料接觸塔中氣液吸收過程的理論與模型基本上都不適用于RPD，多年來雖開展了大量研究，但實際應用卻十分有限。

c）美國Fluor 公司于1988 年發表的試驗數據表明：RPD 作為強化傳質設備不適用于凈化氣TEG 深度脫水和原料天然氣選吸脫硫。用RPD 替代SCOT 法尾氣處理工藝中的選吸脫硫塔以進一步降低CO2共吸收率的思路是正確的；但必須同時嚴格控制貧液質量和貧液入塔溫度。

d）RPD 的商業化應用當前存在頗大阻力，后者主要來源于兩方面的風險。現實風險主要是旋轉設備機械設計的可靠性，包括密封、軸承和轉子的穩定性；潛在風險則來自對過程原理還缺乏深刻了解。鑒于此，在選擇將RPD 應用于天然氣凈化領域氣液傳質過程的研究項目時必須慎重，尤其要切實地保證其技術優勢得以實現。

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