面向海洋工程的超重力過程強化技術及應用

張亮亮，付紀文，羅勇，孫寶昌，鄒?？?，初廣文，陳建峰

（北京化工大學化學工程學院，教育部超重力工程研究中心，北京100029）

引 言

《中國油氣產業發展分析與展望報告藍皮書（2018-2019）》顯示，2018 年，我國石油表觀消費量達6.48 億噸，較上年增長6.95%[1]。與之對比，國內原油產量連續第3年下滑，降至1.89億噸，與上年相比下降1.3%，石油對外依存度升至69.8%。同時，全年進口天然氣9038.5 萬噸，同比大幅增長31.9%，對外依存度升至45.3%。油氣能源供給巨大缺口已成為國家安全的戰略性問題。

海洋是國家戰略資源的重要基地。作為海洋大國，近五年來，我國原油年生產量已突破4500 萬噸，海上原油產量在全國原油產量占比逐年增加[2]。海洋油氣資源開發是我國未來油氣能源新的增長點，也是實現我國海洋強國戰略和能源自給的重要舉措。海洋平臺和油氣開采船舶是海洋油氣資源開發的主要工作場所。海洋平臺或船舶建造成本昂貴，如何通過過程強化技術實現平臺裝備的集約化和小型化，滿足受限空間的生產要求是迫切需要解決的重大問題。

以旋轉填料床（rotating packed bed，RPB）為核心裝備的超重力技術是典型的化工過程強化技術之一，旋轉填料床更是因其獨特的過程強化特性被譽為“化學工業的晶體管”。在旋轉填料床內，液體在超重力環境下被分散成納微尺度的液滴、液絲和液膜等微元形式，液體微元表面更新速率和氣液兩相有效傳質比表面積顯著增加，大幅強化分離和反應過程，使得設備體積可縮小1～2 個量級[3-4]。目前，旋轉填料床已被成功應用于海洋平臺油氣生產的天然氣脫硫、脫水、海水脫氧等兩相反應或分離過程，在滿足生產指標的情況下，極大縮小了空間要求，節約了建設成本[5-6]。

本文對超重力技術的原理、過程強化特性以及超重力技術在海洋工程中的具體應用進行綜述，并探討超重力技術在海洋工程中的未來發展方向。

1 超重力技術

基于美國太空署實驗，英國帝國化學公司（ICI）新學科組的Ramshaw 等[7-8]于20 世紀70 年代提出超重力技術（high gravity, HiGee）的概念，它的實質是通過離心力場的作用而達到模擬超重力環境的目的，核心在于對傳遞過程的極大強化。在超重力環境下，不同大小分子間的分子擴散和相間傳質過程均比常規重力場下的要快得多，巨大的剪切力將液體撕裂成微米至納米級的液膜、液絲和液滴，產生巨大的和快速更新的相界面，使相間傳質速率比傳統的塔器提高1～3個數量級，傳質過程得到極大的強化。

1.1 超重力反應器裝備

超重力技術理論和應用研究日益成熟，裝置的種類、結構不斷革新。旋轉填料床按氣液進料方式不同分為并流型、逆流型和錯流型。并流型旋轉填料床[圖1(a)]傳質傳熱效果相對較差，因此研究較少[9]。逆流型旋轉填料床的結構如圖1(b)所示，液體分布器安裝在RPB 內腔中央，下部為封閉結構，通過合適的開孔位置和數量以確保轉子填料內層可被充分潤濕，填料內徑應能容納液體分布器并比進氣口內徑稍大[10]。在單級逆流型旋轉填料床的基礎上，陳建峰等[11]開發出了多級逆流型旋轉填料床（multi-stage counter-current rotating packed bed，MSCC-RPB），通過獨立的電機帶動各級轉子填料轉動。錯流型旋轉填料床根據結構的差異，可分為臥式和立式兩類。臥式錯流床[圖1(c)]轉子兩端與外殼連接之間安裝有氣體密封裝置，除霧器安裝在氣體出口端，防止液沫夾帶現象發生[9]。

圖1 不同類型的旋轉填料床結構Fig.1 Structure of different types of rotating packed beds

為滿足實際需求以及有效提高傳質效果，通過對超重力反應器內部結構的改進，開發出了多種新型特殊的超重力過程裝置[9]。劉有智[12]研發出適用于液液接觸與反應的撞擊流-旋轉填料床（impinging stream-rotating packed bed，IS-RPB）。計建炳等研發了單層折流板式旋轉填料床(rotating zigzag bed,RZB)[13]和多層折流板式旋轉填料床[14]，有效解決了傳統RPB 中氣液停留時間短的問題。Sandilya等[15]在研究RPB中氣相傳質系數時，發現在氣膜控制的傳質體系中，氣體與填料間的相對角滑移速度較小，導致氣膜控制的傳質過程的傳質速率在RPB 中不能有效提高。為增強氣體與填料間的相對角滑移速度，Chandra 等[16]開發了分裂填料旋轉填料床(splitting packing-rotating packed bed, SPRPB)。潘朝群等[17]研發了多級霧化旋轉填料床(multistage spraying rotating packed bed,MS-RPB)，采用同心圓環絲網填料，兩級間的區域為噴霧區，可應用于大氣量的物系處理。陳昭瓊等[18-20]設計出了螺旋通道型旋轉床(RBHC)[18]，轉子內部有4 條螺旋形通道且內部不安裝填料。還有一種將填料去除的新型超重力過程工程裝置——旋轉盤反應器(spinning disc reactor, SDR)[21-24]，可將傳熱傳質的反應場所直接轉移到旋轉盤上[23]。

1.2 優勢與特點

傳統的塔式氣液傳質設備依靠重力作用實現氣液逆流傳質[23]，由于重力場強度低，氣液傳質系數小，故這類設備傳質強化能力不足。而超重力旋轉填料床利用高速旋轉的填料，對自內環向外環做徑向流動的液體產生強大的剪切力，將液體撕裂破碎成為微小的液滴、液膜和液絲，使得氣液兩相產生劇烈的湍動及快速更新的相際界面，有利于總體積傳質系數的增加，從而可大大強化氣液兩相的傳質[25]。

對于逆流型旋轉填料床和錯流型旋轉填料床，它們有其各自的優點：逆流型旋轉填料床氣液傳質推動力大，適用于對出口氣體濃度控制要求較高的體系；錯流型旋轉床轉子兩端與外殼之間安裝有氣體密封裝置，通過氣體出口端的除霧器，防止液沫夾帶并且有更高的動平衡性[26]。而并流型旋轉填料床由于氣體壓降低，因而在處理余壓較低的氣體方面有較大優勢。在以上三種基本旋轉填料床形式上所做的一些改進型結構可以通過特殊結構提高氣液傳質系數來達到增強氣液傳質的效果[27]，或可以通過延長氣液停留時間達到更好的處理效果，但同時，這些改進形式一定程度上提高了設備結構復雜性，為其應用帶來了一定阻礙。

2 基礎研究

2.1 RPB內流體流動特性研究

對RPB 反應器內流體流動特性的研究是傳質研究的基礎。目前對RPB 內流體流動的基礎研究主要通過流體力學實驗結合可視化技術，觀測流體流動形態，測量平均停留時間和持液量，以及探究端效應區的形成等。

2.1.1 流體流動形態 1995 年，Burns 等[28]開始嘗試將攝影技術應用于RPB 的實驗研究，將旋轉床的上蓋換成透明有機玻璃蓋，首次觀測到液體在填料上表面的液滴、液膜和液線三種流動形態。楊曠等[29-30]使用高速相機首先對外空腔區的液體流動形態進行了研究。如圖2所示，在空腔區內，高轉速高液量情況下，液體形態以液滴為主，提供了較大的氣液接觸有效比表面積，且液滴在周向上分布均勻。當在低轉速低液量的情況下，旋轉床產生的離心力不足以使大部分液體剪切成液滴，便會形成有少量液線流股存在的流動形態。Sang等[31]在此基礎上對外空腔區的流體流動形態進行了深入研究，通過可視化技術觀測到液滴破碎過程的運動形態（圖3），并通過分析獲得了空腔區中流動形態的轉變。

對于填料區的可視化研究，為了更清晰地觀測液體在填料絲網之間的相互作用，Xu 等[32]采用單層絲網填料以觀測液相撞擊填料絲的形態，探究了絲網的橫絲和縱絲對液體形態的不同影響機制。如圖4所示，通過高速攝像方法，觀察到當液體射流撞擊縱絲時，液體被縱絲切割，幾乎沒有圓周運動；而當液體射流撞擊橫絲時，液體會附著在旋轉的填料上，然后隨著橫絲的攜帶作用，可以觀察到相當大的圓周運動。說明對液體的切割作用主要由填料的縱絲提供，橫絲則為液體提供切向速度。

圖2 空腔區液相形態Fig.2 Liquid phase pattern in cavity zone

考慮到除了表面張力和離心力外，液體流量也會影響液滴直徑，因此在此基礎上，李振虎等[34]加入了液體流量qL對液體尺寸的影響

楊曠等[29]通過RPB 反應器外空腔區的拍攝照片，對液滴直徑進行了統計。發現液滴平均直徑為0.15～0.9 mm，并且隨填料厚度和轉速的增加而降低。在通過約8 層填料后，液滴在填料外延上均勻分布，從流體流動的角度證實了液相端效應區的存在。在此基礎上，Sang等[31]進行了更深入的研究，探究了操作條件對液滴直徑大小分布的影響規律。

2.1.3 液體停留時間及持液量 借助電導探頭，通過測量進出口處溶液的電導率響應時間，可計算液相的平均停留時間[35]。研究結果表明，隨著液體流速的增大，液體平均停留時間逐漸縮短，并且幅度趨于平緩；隨著旋轉填料床轉速的增大，液體的平均停留時間也在縮短，同樣這一趨勢也在趨于平緩，并在轉速增大到一定程度后保持不變。

Guo 等[33]在RPB 內安裝同步旋轉攝像機獲取液體流動狀態下連續穩定的實時圖像。通過圖像分析，探究了RPB 轉速及氣液流量對平均停留時間的影響。結果表明隨著轉速的增大，平均停留時間不斷縮短且趨于平緩直到幾乎不變。氣體流量的變化對停留時間幾乎沒有影響，當液體入口速度增大了2.5倍時，液體平均停留時間只降低了不到25%。

Yang等[36]首次使用X射線計算機斷層掃描技術（X-ray computed tomograghy, X-ray CT）觀測了RPB反應器中的液體流動，標志著RPB 的可視化研究從僅由填料表面的觀測向反應器內部觀測的發展。利用CT 掃描結果計算了填料區液體的持液量（圖5、圖6），并對不同轉速、液體流量、液體黏度和表面活性劑下兩種不同填料的影響進行了研究，建立了預測持液量關聯式。并在此基礎上，計算了不同條件下的平均停留時間。

對于金屬絲網填料

對于泡沫鎳填料

2.2 RPB內傳質特性研究

目前，已有大量研究者采用不同實驗系統[37-38]表征不同結構內RPB 的傳質特性，并研究了不同操作條件和結構下傳質特性規律。

圖3 空區液滴運動的典型圖像Fig.3 Typical images of droplet motion in cavity zone

圖4 流體射流對不同位置的剪切和攜帶作用的動態過程Fig.4 Dynamic processes of shearing and carrying action with liquid jet impacting on different positions

圖5 金屬絲網填料中18.5、55.8、155.6 mPa·s的液相在不同轉速下的持液量圖Fig.5 Liquid holdup maps in wire mesh packing with 18.5,55.8 and 155.6 mPa·s

2.2.1 氣體體積傳質系數（kGa） Guo等[39]研究了絲網形式填料的RPB 傳質特性，結果表明氣體流量對傳質系數影響較小，而氣相體積傳質分系數kGa與轉速的0.55 次方呈正比。Onda 等[40]建立了描述常規RPB 氣側傳質系數的關聯式。基于RPB 中氣體在曳力作用下表現與填料塔內行為幾乎一致的假設，越來越多研究者建立了常規RPB 的關聯式[41-43]。Wang 等[44]總結了目前針對不同RPB 結構及不同兩相體系的關于預測kGa的關聯式，如表1所示。

圖6 泡沫鎳填料中18.5、55.8、155.6 mPa·s的液相在不同轉速下的持液量圖Fig.6 Liquid holdup maps in nickel foam packing with 18.5,55.8，155.6 mPa·s

表1 不同結構RPB中預測kGa的關聯式Table 1 Correlations for estimating gas volumetric mass transfer efficient in different type of RPB

2.2.2 液體體積傳質系數（kLa） RPB 中液體的傳質研究主要集中在液體體積傳質系數kLa上。Tsai等[45]利用水脫氧系統確定了逆流式RPB內的液相傳質分系數，并獲取了液體流速、轉速、擋板和填料類型對kLa的影響規律，并從傳質機理上解釋了液體流速和轉速對kLa的影響[46]。

Zhang 等[47]基于離子液體捕集CO2的過程，建立了一種關聯式，由于液體質量流量小、黏度高，所以忽略了Reynolds 數對結果的影響。Lin 等[48]用非線性回歸方法提出了Reynolds 數、液體Grashof 數與液相體積傳質系數的相關關系。Kumar 等[46]基于Tung等[49]提出的傳質關聯關系預測了用于化學吸收的液膜傳質系數。Chen 等[50-51]在前人研究的基礎上發展了填料結構的相關性，考慮了填料幾何形狀和端效應的影響。針對不同體系的液相體積傳質系數關聯結果如表2所示[44]。

表2 不同實驗體系預測kLa的關聯式Table 2 Correlations for estimating liquid volumetric mass transfer efficient of different systems

表3 不同研究者預測a/at的關聯式Table 3 Correlations for estimating effective mass transfer efficient in literature

2.2.3 有效傳質界面面積（a） 氣液有效界位面積是影響傳質的關鍵因素。研究不同操作參數對有效界位面積的影響規律對于解析超重力旋轉填料床內氣液兩相傳質過程尤為重要。目前已有很多研究者采用不同實驗體系研究了RPB 內有效傳質界面面積，提出了各參數對界面面積綜合影響的關聯式。Tsai 等[45]通過實驗解析了有效傳質面積與轉速和液體流速的關系。Ai等[52]用高速攝像機捕捉到了不同操作參數下RPB 內液體的分散及流型轉變過程。在此基礎上，提出了計算不同流型下總傳質面積的數學模型。Luo等[53]考慮了填料的類型、纖維直徑和絲網開口的影響，對Rajan等[54]的關聯式進行了改進，提高了關聯式的預測精度。不同研究者關于預測a/at的關聯式如表3所示[44]。

3 工程放大與裝備開發

超重力反應器的工程放大研究相對滯后，已在很大程度上制約了其大型化發展和推廣應用。北京化工大學超重力團隊通過多年研究，逐漸形成了“科學實驗+微觀機理模型+宏觀CFD 模擬”三位一體的超重力反應器放大方法，為超重力技術的應用和推廣提供了科學基礎[55]。鑒于以上關于科學實驗的詳細介紹，以下將主要對不同工作體系的超重力反應器模型化以及CFD模擬方面的工作進行介紹。

3.1 數學模型

基于超重力反應器在海洋工程中的應用，例如天然氣脫硫、脫碳，海水脫氧等氣液兩相過程，通過一些合理的假設和推導，結合經典傳質理論，已有研究建立了適用于不同體系的傳質理論模型。

楊曠[35]使用NaOH 溶液吸收CO2的體系研究了金屬絲網填料的RPB 內的氣液傳質特性。假設相比于填料表面，液相之間的傳質作用更多地發生于飛濺的微小的液滴表面，氣液兩相之間的傳質作用則同時發生在填料層和外空腔區[56]。基于以上假設，提出了以雙膜理論為基礎的傳質模型，此模型的計算結果與實驗值具有較好的吻合性。

許明等[57]使用水脫氧的體系研究RPB內的氣液傳質特性。假設氣相流動為不可壓縮流體的穩態湍流流動且沿周向均勻分布，液相主要以液滴的形式存在并且可以忽略液滴的內部運動。分別采用歐拉法和拉格朗日法對RPB 中的氣液兩相進行了數值模擬，并建立了液滴流動形態的傳質系數模型。此模型獲得的模擬值與實驗結果的平均誤差僅為±7.9%。

錢智等[58]使用MDEA 吸收CO2的體系研究了RPB 內的氣液傳質特性。假設液體以液膜形式存在，在滲透理論的基礎上建立傳質模型。通過比較該模型的模擬值與穩態傳質系數，發現旋轉填料床中強化傳質的直接原因為液體在旋轉床內高速填料作用下液膜滲透時間僅為毫秒級[56]。錢智等[58]還建立了基于嚴格可逆反應的傳質模型，理論上可以適用于任何包含有化學反應的反應-擴散傳質過程。

綜上，目前在旋轉填料床中建立氣液兩相傳質模型的研究均針對某一特定體系，并在一定實驗條件下進行傳質機理的合理簡化和假設，根據不同的傳質機理建立的傳質模型與實驗值之間大多吻合較好。

3.2 CFD模擬

前人針對旋轉填料床內部液體流動進行了大量的研究工作，借助先進的設備及巧妙的設計獲得了旋轉填料床內部一些液體形態的圖像，但填料結構的高速旋轉使得設備無法深入到填料內部，無法獲取清晰且直觀的數據。同時，實驗測量手段耗時長且成本過高，嚴重制約了旋轉填料床填料內部流體流動和傳質的研究[59-60]。而通過計算流體動力學來模擬和求解反應器內流場情況，不僅能更直觀有效，而且模擬過程方便經濟高效。模擬所得的結果經過商業軟件中后處理軟件的解析，可以輸出高質量的動態的流場圖像，從而達到填料內部細節處的可視化效果[61-62]。對流場內每個點進行數據分析，既可以在整體上了解流體的流動分布情況，也能在細節上捕捉到流體形態的變化，探究傳質效率的影響因素，探索更優的反應器結構及填料特性，為旋轉填料床的設計和研究提供理論依據[63]。

3.2.1 氣相流動模擬 單氣相和氣液兩相系統是RPB 模擬中兩種主要的流動系統。對于RPB 中的單一氣體模擬，由于缺乏速度或壓力空間分布等局部實驗數據，因此采用整體壓降測量作為CFD 模擬驗證的主要方法。Llerena-Chavez 等[61]和Yang 等[64]發現填料區內的壓降和氣速隨徑向增大而增大，其中填料區貢獻最大，且RPB 中徑向速度分布不均（圖7）。

圖7 氣體流動徑向速度分布不均勻Fig.7 Maldistribution of radial velocity contour plots of gas flow

Liu 等[65]發現氣體在填料外層的狀態明顯與其他區域不同，此處的湍動能約為其他區域的兩倍，在徑向位置的速度角范圍為136°～160°，而其他區域的速度角約為90°。證實了氣側端效應區的存在，此處也被認為是傳質效率最高的區域（圖8）。

圖8 RPB中填料區外邊緣的氣體流線Fig.8 Streamlines of gas in outer edge of packing zone in RPB

3.2.2 氣液兩相流動模擬 對于RPB 中氣液兩相流動的模擬，研究人員主要關注了兩相流動的流體力學特性。Guo 等[66]用CFD 方法得到了三種典型的液體流動（圖9）：液膜、孔流和液滴，模擬所得結果與高速相機拍攝的照片相似。

圖9 RPB中兩種典型的液體流動形態的模擬結果Fig.9 Simulation results about typical liquid flow in an RPB

Ouyang 等[67]對RPB 中黏性液體流動進行了模擬，結果表明，低黏度液體可以在填料區內分解成小液滴，而高黏度液體甚至在填料外邊緣也主要形成一條液體線（圖10）。仿真結果也證實了填料中液體的不均勻性。

計算流體力學方法除了能顯示液體的形態，還能測量液體在RPB 中的持液量和停留時間分布。持液量是RPB 的一個重要特性，可用于確定傳質和混合過程中可用的界面面積。Yang 等[64]、Xie等[68]以及其他研究者[67-70]使用CFD 模擬方法分析了RPB 內液體持液量，并將模擬結果與實驗結果進行了比較，誤差范圍在20%以內，模擬結果表明，隨著液體流速和黏度的增加，液含率增大，而隨著轉速的增加，液含率減小，與實驗結果一致。Ouyang等[67]研究了RPB 中不同徑向位置的停留時間分布，發現停留時間分布的方差在填料區內側相對較高，而在填料區其余位置較小且幾乎沒有變化。

圖10 兩種黏度下的液相形態Fig.10 Liquid forms in two viscosities

目前關于RPB 持液量的模擬結果大部分均低于實驗值，這可能是由于仿真過程中采用的幾何模型不能完全反映實際填料結構，從而削弱了填料對液體流動的影響。Guo 等[66]采用與實際填料結構更為接近的三維結構進行RPB 內液體流動的模擬。結果表明，與二維模擬結果相比，三維模擬結果值更準確，這表明幾何模型對RPB 多相仿真具有顯著影響。

目前對于RPB 的CFD 模擬還存在以下問題：①在幾何建模方面，對RPB 填料幾何結構與網格模型的質量和尺寸尋找到更好的平衡；②建立更適當的湍流模型，特別是調整模型以更準確地描述湍流邊界層內的流動；③多相流模型中氣液兩相的相間作用力由于高強度離心力場環境和微小尺度內多孔流動的影響，因此需要進行修正，現有模型難以描述氣液間的相互作用；④數值結果需要更全面的驗證，因此需要更有效、更復雜的實驗方法。盡管目前針對RPB 的模擬存在一些問題，但隨著計算能力、各種算法和可視化技術的發展，CFD 模擬將具有廣闊的前景，對于超重力裝備的設計以及工程放大具有重要意義。

4 工程應用

隨著超重力基礎理論研究的不斷深入及裝備放大技術的不斷成熟。目前，已將超重力技術成功應用于海洋油氣工程注入水脫氧、天然氣脫硫及脫水。

4.1 采油注入水脫氧

油氣田開采過程中，需要將水注入地下以維持地層壓力，保證油氣產量。為防止地下管道腐蝕和地層中微生物滋生堵塞地下巖隙孔道，注入水必須經過脫氧處理。常用的脫水方法包括沸騰法、真空法和化學法?；瘜W法是通過加入一定化學藥劑消耗水中的氧氣以達到除氧的目的。該方法在對水中離子含量要求比較嚴格的工況下一般不適用。而沸騰法和真空法是通過加熱或真空環境，降低氧氣在水中的平衡溶解度以促進氧氣從水中向氣相中轉移。在該過程，液體深處的氧需要通過擴散到達氣液相界面進而遷移到氣相中，因此，氧的傳遞速率就變成水脫氧過程的限制步驟。提高氧傳遞速率的方法主要有兩種，一是降低液膜厚度，縮短氧的傳遞距離，二是加強液相湍動，使液相溶氧通過渦流擴散快速傳遞至氣液界面，加速液體表面濃度更新。超重力水脫氧技術正是利用以上兩點，通過將液體分散破碎為細小液體微元和高速剪切加速表面更新強化了水脫氧過程，大大提高了水脫氧的效率。

伴隨原油開采產生的伴生天然氣完全不含氧，可作為汽提介質對水中溶解氧進行吹脫同時降低氣相中氧氣分壓，北京化工大學教育部超重力工程研究中心利用該原理，開發了超重力汽提海水脫氧技術，并在國際上首先將超重力水脫氧技術實現商業化應用。該團隊在1998 年將海水處理能力為250 t·h-1的超重力機安裝于勝利油田埕島二號平臺上（圖11）。該裝置可將海水中含氧量由11～17 mg·m-3脫至0.070 mg·m-3以下，滿足注入水脫氧工業應用要求。與現有雙塔真空脫氧技術相比，無論在脫氧指標上還是在動力消耗上，超重力注入水脫氧技術都有較大優越性。

圖11 中國石化勝利油田埕島平臺超重力注入水脫氧裝置Fig.11 Higee device for water deoxidation in Chengdao platform of Shengli oilfield,Sinopec

考慮到部分工況無伴生天然氣的供應，該團隊還將超重力技術與真空技術耦合，開發了超重力真空水脫氧技術（圖12）。該技術可在海洋平臺和浮動油氣船上工作，實現對注入水深度脫氧。經超重力真空脫除后，水中氧含量可降低至0.145 mg·m-3以下。北京化工大學團隊近年來將一臺處理量為500 t·h-1的超重力真空脫氧裝置出口至歐洲，用于海上油氣開采作業船的注入水脫氧。與傳統塔式裝備相比，設備質量至少降低50%，為業主節約了大量的基礎建設投資。

圖12 海上油氣開采作業船（a）及超重力真空水脫氧裝置（b）Fig.12 Offshore oil and gas exploitation ship(a)and Higee device for vacuum water deoxidation(b)

4.2 海上天然氣脫硫

地下采出伴生氣或天然氣中不可避免地會含有硫化氫、二氧化碳等酸性雜質。硫化氫是一種致命的有毒氣體，且使設備、管線腐蝕嚴重，帶來嚴重的安全隱患。為了保證管路輸送或液化輸送安全，必須對伴生氣或天然氣中硫化氫進行脫除，使之符合有關國家標準。目前國內外的氣體脫硫方法非常多，總地來說可分為化學吸收法、物理吸收法、聯合吸收法(化學物理吸收法)、直接轉化法。其中，采用溶液或溶劑作脫硫劑的脫硫方法習慣上又統稱為濕法，采用固體作脫硫劑的脫硫方法又統稱為干法。干法脫硫多用精脫硫，工藝簡單，但后續運行成本比較高，廢棄脫硫劑排放、處理也存在一定的環境隱患。

濕式氧化還原脫除硫化物的方法是目前較為成熟的脫硫伴生氣或天然氣脫硫工藝，它的特點是吸收劑無毒、能一步將H2S轉變成元素S，H2S的脫除率可達99.5%以上。濕式氧化還原脫除硫化物工藝裝置由兩大部分構成，吸收系統和再生系統。在吸收系統中，硫化氫氣體被吸收液吸收、電離，進而被三價鐵離子氧化生成固體硫磺單質；而后吸收液進入再生系統，在再生系統中，二價鐵離子被風機鼓入的空氣氧化生成三價鐵離子，實現鐵離子的循環利用。具體反應機理如下。

絡合鐵溶液吸收系統

絡合鐵溶液再生系統

總反應方程式

該技術適用于H2S 濃度較低或其濃度較高但流量不大的情況。在硫產量相對較低時，該工藝的操作費用和設備投資有很大優勢，更重要的優點是該工藝在脫除硫化物過程中，幾乎不受氣源中CO2含量的影響，從而達到很高的吸收率。但該工藝在海洋平臺應用過程中，卻面臨吸收塔占地面積大，設備整體高等瓶頸，對海洋平臺建設投資造成巨大壓力。北京化工大學團隊發明了基于超重力技術的適用于硫化氫反應、吸收的填料層和葉片層間隔排列多環式、結構化整體填料式等多種新穎內結構高效超重力反應器。可有效取代該工藝中傳統塔器結構，對伴生氣或天然氣中硫化氫進行高效脫除。近年來，該團隊與中國海洋石油公司合作，在南海油田海洋平臺進行了該技術的工業化應用（圖13）。

工業運行結果表明，經超重力撬塊處理后，天然氣中硫化氫含量可從53000 mg·m-3左右降低至8 mg·m-3以下。超重力脫硫工藝方案占地僅60 m2，與國外公司提供的塔器脫硫技術方案相比，占地面積減少三分之二左右，業主可節約近億元海洋平臺建造投資。

4.3 海上天然氣脫水

地下采出天然氣中除含有硫化氫、二氧化碳等酸性雜質，還含有一定含量的水。硫化氫、二氧化碳溶于水后電離出的氫離子會與鋼鐵管道發生化學作用，生成鐵離子或者鐵的氧化物，從而破壞管道的強度，甚至可能造成穿孔。此外，在壓力升高或溫度降低時，氣體中的水分子會與天然氣中的某些低分子量的烴類或非烴類氣體分子結合形成氣體水合物，從而減小管路的流通斷面積造成管路壓降增大，甚至可能造成水合物堵塞管道，影響生產，因此需要對水進行脫除。目前，采用三甘醇溶液對天然氣中的水分及性能脫除是海上平臺天然氣脫水應用最為廣泛的方法。但該技術存在塔器傳質效率低，占地面積大等缺點。

圖13 南海油田天然氣脫硫撬塊（a）及超重力脫硫裝置（b）Fig.13 Natural gas desulfurization skid in Nanhai oilfield(a)and Higee desulfurization device(b)

圖14 渤海某平臺超重力三甘醇脫水裝置Fig.14 Higee triglycol dehydration device in Bohai platform

北京化工大學與中海油合作，開發了超重力三甘醇脫水技術，建成國內首套海上超重力三甘醇脫水裝置（圖14），在渤海一平臺進行了工業應用。該平臺的三甘醇系統處理天然氣時露點不達標，因此擬對原有脫水塔進行擴建改造，但此方案需要外擴甲板，整體改造費用很高。經過技術比選，采用超重力技術對脫水工段進行改造，該工段處理能力由原74萬方/天提高到164萬方/天，處理后天然氣露點達到-5℃。利用超重力機替代原脫水塔，在處理氣量提高一倍多的同時，還大幅度地減小了設備體積，節約了原平臺空間，因此共節省了近9000萬元的投資。利用的趨勢，開發基于超重力技術的油氣資源就地轉化工藝及方法尤為迫切。

隨著我國經濟的高速發展及對能源的迫切需求，未來我國對于海洋能源的依賴度將逐步提高，超重力技術因其過程強化特性在海洋工程中具有無可比擬的優勢，在未來將大有作為。

符 號 說 明

a——有效界面面積，m2·m-3

at——比表面積，m2·m-3

DG——氣體擴散系數，m2·s-1

DL——液體擴散系數，m2·s-1

dp——有效直徑，m

Fr——Froude數，Fr=Q2/a2c(2πrh)2dp

5 展望與結論

超重力旋轉填料床經過近40年的發展，目前在基礎實驗研究，數學模型化及CFD 模擬方面都取得了長足的進步。基于這些研究方法和研究基礎，超重力技術的工業放大方法日趨成熟。目前，超重力技術已經在海洋油氣開采的天然氣脫水、脫硫及注入水脫氧等領域實現了工業突破，展現了良好的應用價值。但鑒于海洋環境的復雜性及海洋工程的特殊要求，針對超重力過程技術的研究還有很多需要關注的內容，主要體現在以下幾個方面。

（1）海洋環境高濕、高鹽及氯離子存在的工況對旋轉設備材質的要求需要進行深入研究，以保證在海洋環境中長周期運行的可靠性。

（2）油氣開采過程中所涉及的處理量巨大，在現有工業運行基礎上進行設備及技術的進一步放大仍將面臨挑戰。

（3）實現油氣資源的就地轉化是遠海油氣資源

g——重力加速度，m·s-2

kG——氣相傳質系數

kGa——氣相體積傳質系數

kL——液相傳質系數

kLa——液相體積傳質系數

R——填料外徑，m

Sc——Schmidt數，Sc=μ/ρD

Vi——床內半徑內的體積，m3

Vt——RPB的總體積，m3

V0——床的外半徑與固定殼體之間的體積，m3

We——Weber數，We=L2/ρatσ

εL——持液量

μ——液體黏度，mN·m-1

ρ——密度，kg·m-3

σ——液體表面張力，mN·m-1

σc,σw——填料表面張力，mN·m-1

ω——轉速，rad·s-1