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(qiáng)化

化工過程強(qiáng)化（Process Intensification）技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用是化工業(yè)近30 年來最值得注意的技術(shù)進(jìn)步。1995年，首屆國際化工過程強(qiáng)化會(huì)議在比利時(shí)召開，與會(huì)專家將化工過程強(qiáng)化技術(shù)定義為：指在生產(chǎn)能力不變的情況下，在生產(chǎn)和加工過程中運(yùn)用新技術(shù)、新設(shè)備，極大地減小設(shè)備體積或提高設(shè)備的生產(chǎn)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(qiáng)化的理念通?？杀磉_(dá)為：更小型、更便宜、更安全、更巧妙。

目前化工過程強(qiáng)化主要包括過程強(qiáng)化設(shè)備（硬件強(qiáng)化）和過程強(qiáng)化方法（軟件強(qiáng)化）；在多數(shù)情況下這兩者是相互交叉的，新設(shè)備的開發(fā)成功往往推動(dòng)新工藝的實(shí)現(xiàn)，因而化工過程強(qiáng)化實(shí)質(zhì)上也是一門交叉科學(xué)?；み^程強(qiáng)化技術(shù)的分類見圖1［1］。圖1 表明，化工過程強(qiáng)化方法可分為三類：

a）新工藝方法，如反應(yīng)與其它單元操作的集成（多功能反應(yīng)器）；

b）其它形式的能量和非傳統(tǒng)能源的應(yīng)用；

c）新技術(shù)、新設(shè)備的開發(fā)。

圖1 化工過程強(qiáng)化技術(shù)的分類

早在20 世紀(jì)80 年代，化工過程強(qiáng)化設(shè)備及方法就開始應(yīng)用于天然氣凈化，其典型例子即為應(yīng)用于絡(luò)合鐵法脫硫工藝的自循環(huán)反應(yīng)器［2］。該反應(yīng)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(qiáng)化設(shè)備及方法發(fā)展較快，很可能成為天然氣凈化（乃至氣體凈化）領(lǐng)域今后技術(shù)進(jìn)步的主導(dǎo)方向?；み^程強(qiáng)化技術(shù)在天然氣凈化中應(yīng)用示例見表1。

表1 化工過程強(qiáng)化技術(shù)在天然氣凈化中應(yīng)用示例

盡管已有一系列化工過程強(qiáng)化設(shè)備與方法被成功應(yīng)用于氣體凈化領(lǐng)域，并引起普遍重視，但迄今為止，作為強(qiáng)化傳質(zhì)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)填料床在伴有化學(xué)反應(yīng)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(yīng)用尚未見報(bào)導(dǎo)。雖然國內(nèi)外均開展過大量研究，然而對(duì)離心力作用的本質(zhì)、強(qiáng)化傳質(zhì)的機(jī)理、設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等方面的認(rèn)識(shí)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(luò)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(nèi)文獻(xiàn)雖有“超重力反應(yīng)吸收法脫除硫酸工業(yè)尾氣中二氧化硫”工業(yè)側(cè)線試驗(yàn)成功、“硫酸工業(yè)尾氣二氧化硫超重力法深度脫除……”達(dá)到國際領(lǐng)先水平等報(bào)導(dǎo)［5］，但此類研究成果尚待確認(rèn)。

2 旋轉(zhuǎn)填料床（RPD）

RPD 實(shí)質(zhì)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(xù)相時(shí)其結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。英國帝國化學(xué)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(jìn)行氣液傳質(zhì)的試驗(yàn)結(jié)果得到啟發(fā)，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(qiáng)化傳質(zhì)”的設(shè)想，并申請(qǐng)了專利［6］。由于在實(shí)驗(yàn)室中無法創(chuàng)造出增大g 的實(shí)驗(yàn)條件，故設(shè)計(jì)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(yùn)行的裝置”。

圖2 旋轉(zhuǎn)填料床（RPD）的結(jié)構(gòu)簡圖（以氣相為連續(xù)相）

從基本原理分析，RPD 是一種利用強(qiáng)大的離心力促使重力加速度g 增大以強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的設(shè)備。但地球重力即為引力，是當(dāng)前自然界中已經(jīng)確認(rèn)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(shè)的、目前尚在探索中的一種力，它與本文討論的RPD 無關(guān)。

描述常規(guī)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(xiàn)有的有關(guān)RPD 泛點(diǎn)、壓降和等板高度（HETP）的關(guān)聯(lián)式都是由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理而得的經(jīng)驗(yàn)公式。由于影響因素眾多，且諸多影響因素的變化規(guī)律又隨處理物系和填料特性不同而變化，因而現(xiàn)有RPD 相關(guān)研究主要是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)傳統(tǒng)模型進(jìn)行必要修正而使之能應(yīng)用于RPD，對(duì)RPD 本質(zhì)的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)未達(dá)到常規(guī)填料塔的水平。以目前研究甚多的精餾系統(tǒng)為例，常規(guī)填料塔中確定泛點(diǎn)與壓降關(guān)系的基本經(jīng)驗(yàn)公式——Sherwood 關(guān)聯(lián)式對(duì)RPD 并不一定適用［1］。原因在于導(dǎo)入了旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的一系列實(shí)驗(yàn)來確定其壓降的陡增點(diǎn)。在一定的轉(zhuǎn)速下，發(fā)生液泛時(shí)RPD 的壓降最大；但轉(zhuǎn)速不同則泛速也不同。

旋轉(zhuǎn)速度對(duì)填料床表面液體的流體力學(xué)性能及氣液傳質(zhì)效率所產(chǎn)生的影響極其復(fù)雜，故建立RPD 內(nèi)部的傳質(zhì)模型相當(dāng)困難。由于較高的g 是由離心力誘導(dǎo)而來，因而g 的升高值與RPB 結(jié)構(gòu)、尺寸、填料類型及質(zhì)量和轉(zhuǎn)速等均有關(guān)；加之，力是矢量而具有方向性，更增加了問題的復(fù)雜性。例如，文獻(xiàn)［7］報(bào)導(dǎo)的一個(gè)研究正戊烷/正已烷精餾系統(tǒng)的RPD，其外殼半徑為8.0 cm，內(nèi)部半徑為2.2 cm，軸長為4.0 cm，當(dāng)此RPB 在300～2 400 r/min范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的離心力相當(dāng)于5～360 倍重力加速度（g）。如果在離心力方向上產(chǎn)生的力僅有5 g，在重力方向上產(chǎn)生的影響必然很小，甚至完全沒有影響，故此項(xiàng)研究就從轉(zhuǎn)速500 r/min 開始。該實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明：RPD 必須達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后才能改善氣液傳質(zhì)效率。文獻(xiàn)［8］還曾報(bào)導(dǎo)過一個(gè)在RPD 中進(jìn)行甲醇/乙醇系統(tǒng)精餾的實(shí)驗(yàn)研究，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為600～1 600 r/min時(shí)離心加速度可以達(dá)到4～298 倍重力加速度 （g）。該RPD 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：8.6 mm 厚的填料層僅相當(dāng)于1～3塊理論板，等板高度（HETP）約為3～9 cm；這些數(shù)據(jù)不僅遠(yuǎn)低于其它文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，甚至還低于常規(guī)填料塔。由此可見，對(duì)RPD 中傳質(zhì)過程的認(rèn)識(shí)尚有待進(jìn)一步深化，目前還不能得出諸如“超重力氣液接觸是迄今強(qiáng)化相間傳質(zhì)最有效的方法之一”的結(jié)論［9］。

綜上所述可以看出，RPD 的商業(yè)化應(yīng)用當(dāng)前存在兩方面的風(fēng)險(xiǎn): 實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)主要是旋轉(zhuǎn)設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性，包括密封、軸承和轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性；潛在的風(fēng)險(xiǎn)則來自對(duì)過程原理還缺乏深刻了解。雖然利用離心力以強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的研究已有50 年左右歷史，但迄今成功地應(yīng)用于工業(yè)僅有油田水脫氧和次氯酸反應(yīng)氣提等少數(shù)幾例［1］。鑒于此，在選擇將RPD 應(yīng)用于天然氣凈化領(lǐng)域氣液傳質(zhì)過程的研究項(xiàng)目時(shí)必須慎重，務(wù)必保證其技術(shù)優(yōu)勢(shì)得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，必須仔細(xì)分析當(dāng)前已經(jīng)完成的部分室內(nèi)及中試試驗(yàn)，從中取得有益的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。

3 RPD 應(yīng)用于天然氣凈化

3.1 應(yīng)用于三甘醇（TEG）深度脫水

早在1987 年，美國Fluor 公司的Bucklin 等就發(fā)表了將RPD 應(yīng)用于天然氣TEG 法深度脫水的探索思路。深度脫水的目標(biāo)是露點(diǎn)降（ΔT）超過71℃以防止利用透平膨脹機(jī)法回收輕烴時(shí)原料氣生成水合物［10］。但此項(xiàng)探索未經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)即停止進(jìn)行。因?yàn)橄嚓P(guān)研究工作獲得的數(shù)據(jù)表明：

a）要達(dá)到上述ΔT，吸收塔必須至少有6 塊理論板；且在常規(guī)填料塔中TEG 法脫水的氣液比已經(jīng)很高，進(jìn)一步降低傳質(zhì)單元高度將影響傳質(zhì)效率。

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

表2 ΔT 與貧TEG 濃度的關(guān)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(shù)據(jù)說明TEG 法在本質(zhì)上就不適合應(yīng)用于天然氣深度脫水，目前工業(yè)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(yīng)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(yàn)裝置是采用甲基二乙醇胺（MDEA）水溶液進(jìn)行選吸脫硫［11］。試驗(yàn)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(huán)量為45.6 m3/h。RPD 最高轉(zhuǎn)速1 200 r/min。該廠建設(shè)了不同尺寸的2 套R(shí)PD，其規(guī)格見表3。試驗(yàn)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(yàn)用RPD 的規(guī)格 mm

圖3 試驗(yàn)用RPD 的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

表4 原料氣CO2 含量調(diào)整前后的模擬結(jié)果比較

表5 典型的試驗(yàn)結(jié)果

上述RPD 試驗(yàn)裝置在1987 年投入運(yùn)行后，共取得了60 套數(shù)據(jù)。由于取樣分析和試驗(yàn)條件控制等方面的困難，獲得的CO2分析數(shù)據(jù)誤差較大，故又利用AMSIM 和HYSIM 軟件模擬數(shù)據(jù)對(duì)H2S 和CO2含量數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示的吸選效果基本可信,詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4，典型的試驗(yàn)結(jié)果見表5。

分析表5 數(shù)據(jù)可得：

a）編號(hào)1 的數(shù)據(jù)表明，特定的操作條件下在RPD中進(jìn)行吸選脫硫，可使CO2的共吸收率降到5 %左右，說明此設(shè)備對(duì)加強(qiáng)選吸有一定效果。但在此工況下，氣液比達(dá)到約5 000，H2S 脫除率僅91.4 %，凈化氣不合格。

b）編號(hào)42 的數(shù)據(jù)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(dá)標(biāo)，且CO2共吸收率仍可保持約10 %。

c）編號(hào)14 和16 的兩組數(shù)據(jù)表明，RPD 轉(zhuǎn)速和氣液比對(duì)CO2共吸收率均有影響，但氣液比對(duì)H2S 與CO2凈化度的影響比RPD 轉(zhuǎn)速更大；當(dāng)RPD 的轉(zhuǎn)速達(dá)到900 r/min 后，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速對(duì)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(duì)改善選吸有一定作用，但由于商品天然氣對(duì)H2S 和CO2含量均有嚴(yán)格要求，能適應(yīng)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(jì)90 年代后國外停止了有關(guān)探索，也未見有工業(yè)應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。

3.3 應(yīng)用于尾氣處理工藝的選吸脫硫

國內(nèi)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(jìn)一步降低CO2共吸收率，從而改善返回克勞斯裝置的酸氣質(zhì)量，并降低排放尾氣中的H2S 含量。此技術(shù)開發(fā)思路是正確的，但荷蘭殼牌公司于20 世紀(jì)90 年代中期開發(fā)成功超級(jí)SCOT 法的經(jīng)驗(yàn)表明，要使排放尾氣中的H2S 含量降到200 mg/m3以下，除了加強(qiáng)選吸外，必須嚴(yán)格控制貧液質(zhì)量和貧液入塔溫度。為此還專門設(shè)計(jì)了獲得“超貧液”的兩段再生系統(tǒng)，其流程示意見圖4［2］。

圖4 兩段再生工藝流程示意圖

4 結(jié)論與建議

a）化工過程強(qiáng)化技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用可視為化學(xué)工業(yè)近30 年來最值得關(guān)注的技術(shù)進(jìn)步。化工過程強(qiáng)化主要包括過程強(qiáng)化設(shè)備和過程強(qiáng)化方法；這兩者目前均已在我國的天然氣凈化工業(yè)得到應(yīng)用，建議今后加強(qiáng)這方面的技術(shù)開發(fā)。

b）旋轉(zhuǎn)填料床（RPD）實(shí)質(zhì)上是一種利用強(qiáng)大的離心力促使重力加速度g 增大以強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的設(shè)備。描述常規(guī)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(shí)際應(yīng)用卻十分有限。

c）美國Fluor 公司于1988 年發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：RPD 作為強(qiáng)化傳質(zhì)設(shè)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(jìn)一步降低CO2共吸收率的思路是正確的；但必須同時(shí)嚴(yán)格控制貧液質(zhì)量和貧液入塔溫度。

d）RPD 的商業(yè)化應(yīng)用當(dāng)前存在頗大阻力，后者主要來源于兩方面的風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)主要是旋轉(zhuǎn)設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性，包括密封、軸承和轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性；潛在風(fēng)險(xiǎn)則來自對(duì)過程原理還缺乏深刻了解。鑒于此，在選擇將RPD 應(yīng)用于天然氣凈化領(lǐng)域氣液傳質(zhì)過程的研究項(xiàng)目時(shí)必須慎重，尤其要切實(shí)地保證其技術(shù)優(yōu)勢(shì)得以實(shí)現(xiàn)。

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