超重力技術(shù)在TEG脫水中的應(yīng)用研究

超重力技術(shù)在TEG脫水中的應(yīng)用研究馬國(guó)光1，李曉婷1，李楚2，張晨1，游東潘1（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610；520.大0慶油田工程建設(shè)有限公司巴州建材分公司，新疆庫(kù)爾勒841）000摘要：文中通過建立傳質(zhì)模型研究了超重力技術(shù)在三甘醇脫水中的應(yīng)用，探討了超重力技術(shù)三甘醇脫水的原理及工藝流程。得出在天燃?xì)饷撍に囍惺褂贸亓C(jī)，在一定范圍內(nèi)提高超重力機(jī)的轉(zhuǎn)速、增加三甘醇的流量或減少天然氣的流量有利于加強(qiáng)氣液反應(yīng)過程的傳質(zhì)，可以提高天然氣脫水的效率。關(guān)鍵詞：天然氣；傳質(zhì)模型；超重力技術(shù)；三甘醇脫水超重力技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新一代分離技術(shù)。超重力機(jī)傳質(zhì)強(qiáng)度高，可大幅度地增強(qiáng)傳遞效應(yīng)、減少設(shè)備的體積，降低設(shè)備投資。雖然超重力技術(shù)在國(guó)內(nèi)外有一定的應(yīng)用，包括了超重力脫硫化氫、脫二氧化碳、脫二氧化硫、脫硫除塵、吸收氮氧化物、吸收磷肥尾氣中氨氣和回收丙酮乙酸乙酯回合溶劑等技術(shù)，但是還未應(yīng)用于三甘醇脫水工藝中［1~4］。目前海上平臺(tái)的天然氣中含水上升造成了海上氣田設(shè)備、管道的腐蝕加劇，傳統(tǒng)的天然氣脫水技術(shù)雖然有一定的效果，但存在設(shè)備尺寸龐大、占地面積大、總體重量大的缺陷。對(duì)于面積緊張且限重的海上采油平臺(tái)，不適合采用陸地上應(yīng)用的天然氣脫水技術(shù)。1超重力機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理超重力機(jī)用旋轉(zhuǎn)的環(huán)狀多孔填料床代替垂直靜止的塔器，使氣－液在旋轉(zhuǎn)填料層中充分接觸，在液相的高度分散、表面急速更新和相界面得到強(qiáng)烈的擾動(dòng)的情況下進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱，使反應(yīng)過程得到強(qiáng)化［4，5］。和塔式設(shè)備相比，體積傳質(zhì)系數(shù)高很多，設(shè)備的體積和重量?jī)H是塔式設(shè)備的百分之幾，超重力機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖1。氣體進(jìn) 液體進(jìn)圖1超重力機(jī)結(jié)構(gòu)示意氣相在壓力梯度的作用下由氣體進(jìn)口管引入轉(zhuǎn)軸外腔，從轉(zhuǎn)軸外緣處進(jìn)入填料，液體在泵的作用下由進(jìn)口管經(jīng)噴頭淋灑在轉(zhuǎn)軸內(nèi)緣上；填料轉(zhuǎn)子在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)形成遠(yuǎn)大于重力加速度的超重力環(huán)境，進(jìn)入轉(zhuǎn)軸的液體受到轉(zhuǎn)軸內(nèi)填料的作用，周向速度增加，所產(chǎn)生的離心力將其推向轉(zhuǎn)軸外緣。在該過程中，液體被填料分散、破碎形成極大的、不斷更新的表面積，曲折的流道加劇了液體表面的更新［6，7］。因此，在轉(zhuǎn)軸內(nèi)部形成了極好的傳質(zhì)與反應(yīng)條件，液體被轉(zhuǎn)軸拋到外殼匯集后經(jīng)液體出口管離開旋轉(zhuǎn)填料床，氣體自轉(zhuǎn)軸中心離開轉(zhuǎn)軸，由氣體出口管引出，完成傳質(zhì)與反應(yīng)過程［8］。2傳質(zhì)模型建立傳質(zhì)的理論經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍壳?，超重力?chǎng)傳質(zhì)的理論模型有1959年Davidson發(fā)表的關(guān)于重力場(chǎng)中填料塔內(nèi)部傳質(zhì)的統(tǒng)計(jì)模型和1989年Munjal提出的Munjal模型。Davidson統(tǒng)計(jì)模型以亂堆填料作為研究對(duì)象，假定平板處于完全潤(rùn)濕狀態(tài)，在平板上的流動(dòng)方式為層流，利用滲透理論推導(dǎo)出了重力場(chǎng)中的傳質(zhì)系數(shù)模型。Munjal等人以玻璃珠作為填料，將旋轉(zhuǎn)填料簡(jiǎn)化成旋轉(zhuǎn)圓盤以及旋轉(zhuǎn)葉片，得出了旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式［9，10。］超重力場(chǎng)傳質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ统亓?chǎng)經(jīng)驗(yàn)傳質(zhì)模型通過試驗(yàn)研究各影響因素之間的關(guān)系，然后進(jìn)行歸納總結(jié)，從而得到傳質(zhì)系數(shù)與各影響因素之間的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式?？禈s燦等以CO2-NaOH作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，建立了旋轉(zhuǎn)填料床中體積傳質(zhì)系數(shù)KLa與操作條件氣相流速G、液相流量L以及超重力因子等因素的關(guān)系［11］。焦諱洲等人以CO2-NaOH作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，研究了多孔波紋板填料中，傳質(zhì)性能與旋轉(zhuǎn)填料結(jié)構(gòu)、超重力因子0、液體流量L、氣體流速G等因素的關(guān)系。并針對(duì)其中一種填料對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。3超重力場(chǎng)在TEG脫水中的傳質(zhì)模型建立超重力場(chǎng)下TEG脫水的液相傳質(zhì)系數(shù)旋轉(zhuǎn)填料床逆流操作時(shí)氣量變化對(duì)液體的流動(dòng)影響不是特別明顯，因此，在液相傳質(zhì)系數(shù)的討論過程中忽略氣相對(duì)其流動(dòng)產(chǎn)生的影響。超重力場(chǎng)中，由于液體在旋轉(zhuǎn)填料上的撞擊使得液體表面更新速度相當(dāng)快［12,13］。因此，采用表面更新理論來計(jì)算液相傳質(zhì)系數(shù)。根據(jù)Danckwerts的表面更新理論，計(jì)算液相傳質(zhì)系數(shù)的理論公式為：K=DS）S ⑴L式中KL為液相傳質(zhì)系數(shù)，m/s；D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；S為表面更新率，1/s。要計(jì)算液相傳質(zhì)系數(shù)就必須先計(jì)算出擴(kuò)散系數(shù)D和表面更新率S。擴(kuò)散系數(shù)D根據(jù)wilke-chang公式求出：D=T.匕0 （2）D一TH00在超重力旋轉(zhuǎn)填料中，液體表面更新迅速，液體表面更新速度受徑向和切向2個(gè)方向的影響［8］。

徑向假設(shè)在徑向方向上液體每經(jīng)過一層旋轉(zhuǎn)填料，其表面更新一次。徑向表面更新率S徑向公式為：S徑向NS徑向N=u 徑向R—R21（3）假設(shè)在切向方向上液體每碰撞一次旋轉(zhuǎn)填料，其表面也更新一次。根據(jù)液體在填料內(nèi)徑向運(yùn)動(dòng)和切向運(yùn)動(dòng)的時(shí)間一致的原則，從而得到計(jì)算切向表面更新率S切向的方法，即：S=u切向--徑向-S ⑷切向ul徑向徑向周向式中u切向?yàn)樘盍现幸后w的平均切向速度，m/s；u徑向?yàn)樘盍现幸后w的平均徑向速度，m/s；l徑向?yàn)樘盍蠈优c層徑向上的中心距，mm；l切向?yàn)槊繉犹盍现芟虻闹行木?，mm。超重力場(chǎng)下TEG脫水的氣相傳質(zhì)系數(shù)氣相傳質(zhì)系數(shù)使用恩田等提出的氣相傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算。由于計(jì)算機(jī)性能的限制，建立的物理模型具有一定的局限性，因此，這里不考慮超重力場(chǎng)中液相對(duì)氣相流動(dòng)的影響［1，415。］恩田關(guān)聯(lián)式：kRTG、/日、1 （5）-G=C（—）0.7（G）13（ad）-2aD a日 pDpG G GG在恩田等提出的氣相傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式的基礎(chǔ)上，結(jié)合超重力旋轉(zhuǎn)填料結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)特點(diǎn)，改變關(guān)聯(lián)式中一些參數(shù)的求解方法，從而初步建立了超重力場(chǎng)氣相傳質(zhì)系數(shù)表達(dá)式為：k=CQ0）7#G13）半） （6）g a口 pDRTG GG式中C為系數(shù)，取2.0；uG為旋轉(zhuǎn)填料中氣體的平均流速，m/s；pG為天然氣的密度，kg/m3；a為旋轉(zhuǎn)填料的比表面積，m2/m3；4G為天然氣的粘度，pa?s；DG為三甘醇擴(kuò)散系數(shù)，m2^s；l周向?yàn)樾D(zhuǎn)填料的周向距離，m；R為氣體常數(shù)，8.314；T為氣體溫度，K。根據(jù)超重力旋轉(zhuǎn)填料床中液體流動(dòng)特點(diǎn)，選擇了表面更新理論建立液相傳質(zhì)系數(shù)模型，通過上述6個(gè)公式可以建立超重力三甘醇脫水的傳質(zhì)模型，并且通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入口速度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的適當(dāng)增大時(shí)，有利于傳質(zhì)過程的進(jìn)行［16~20］。4超重力技術(shù)三甘醇脫水工藝脫水的原理天然氣三甘醇脫水工藝工藝屬于溶劑吸收法，是目前應(yīng)用最普遍的天然氣脫水方法之一。其利用吸收原理，采用甘醇類物質(zhì)作為吸收劑與天然氣充分接觸，使水傳遞到溶劑中從而達(dá)到脫水的目的。在甘醇的分子結(jié)構(gòu)中含有羥基和醚鍵，能與水形成氫鍵，氫鍵能和電負(fù)性較大的原子相連，包括同1分子或另1分子中電負(fù)性較大的原子。因此甘醇對(duì)水有極強(qiáng)的親和力，具有較高的脫水深度，這是甘醇與水能夠完全互溶的根本原因。脫水工藝流程超重力技術(shù)在三甘醇脫水工藝中的運(yùn)用中，將超重力機(jī)安裝在為脫水的天然氣和三甘醇儲(chǔ)罐和中間，未脫水的天然氣從上方進(jìn)入超重力機(jī)，與同時(shí)從上方進(jìn)入的三甘醇在超重力機(jī)的旋轉(zhuǎn)中充分接觸，從而達(dá)到更好的脫水效果［21］。超重力技術(shù)三甘醇脫水流程見圖2。圖2重力技術(shù)三甘醇脫水流程5結(jié)論超重力機(jī)為氣液反應(yīng)提供了高效的空間，為氣液反應(yīng)提供了革命性的理念。在天然氣三甘醇脫水過程中，采用超重力機(jī)，提高了天然氣脫水的效率。并且在一定范圍內(nèi)，提高超重力機(jī)的轉(zhuǎn)速、增加三甘醇的流量、減少天然氣的流量有利于強(qiáng)化氣液反應(yīng)過程的傳質(zhì)工作。因此，超重力技術(shù)可在一定程度上提高脫水效率，對(duì)于海上平臺(tái)或自發(fā)電廠及有氣液反應(yīng)的工藝有積極的意義。參考文獻(xiàn)：［1］王柏林，袁紀(jì)文，李崇.超重力技術(shù)在硫酸裝置尾氣脫硫中的應(yīng)用效果［J］.硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程，2011（4）：31-35.［2］王柏林，袁紀(jì)文.超重力技術(shù)在硫酸尾氣脫硫中的工業(yè)化應(yīng)用［J］.硫酸工業(yè)，2011（5）：48-52.［3］王偉，朱寶璋，馮志豪.超重力技術(shù)在油氣回收中的應(yīng)用［J］.化工進(jìn)展，2011（1）：517-520.［4］于召洋.旋轉(zhuǎn)填充床在天然氣脫水與脫硫液再生中的研究口］.北京：北京化工大學(xué)，2007.［5］陳建峰，鄒?？?，初廣文，等.超重力技術(shù)及其工業(yè)化應(yīng)用［J］.硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程，2012（1）：6-10.［6］王玉紅，郭鍇，陳建峰，等.超重力技術(shù)及其應(yīng)用［J］.金屬礦山，1999（4）：25.［7］霍閃，鄧小川，卿彬菊，等.超重力技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2015（9）：5-9.［8］渠麗麗，劉有智，楚素珍，等.超重力技術(shù)在氣體凈化中的應(yīng)用［J］.天然氣化工，2011（2）：55-59.[9]HongkunLi，ZhihuiSun，ShuaiZhou.InvestigationonMachineConditionClassificationbyUsingHilbertEnergySpectrumGravityCenterandSVM[C].ChineseSocietyforVibrationEngineering，2008：10.[10]韓喜民，解交平，孫雙紅.超重力機(jī)在變換氣脫硫裝置中的應(yīng)用[J].化肥工業(yè)，2008,35(2)：52.[11]康榮燦，劉有智，焦煒洲，等.填料結(jié)構(gòu)對(duì)錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床傳質(zhì)性能的影響[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，28(5)：406-409.[12]李振虎，李文銘，郝國(guó)均，等.磁力驅(qū)動(dòng)超重力機(jī)用于煉廠氣脫H2s的工業(yè)應(yīng)用[J].石油化工，2013(8)：902-906.[13]張富明.超重力機(jī)脫除混合氣中的二氧化碳[D].北京：北京化工大學(xué)，2009.[14]王芳，李小露，余國(guó)賢，等.超重力脫除模擬煙氣中一氧化氮[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2014(1)：280-284.[15]邢銀全，劉有智，王其倉(cāng)，等.超重力旋轉(zhuǎn)床強(qiáng)化吸收煙道氣中CO2試驗(yàn)研究[]現(xiàn)代化工，2007,27：470-472.[16]王海，施明恒.離心流化床中強(qiáng)制對(duì)流的實(shí)驗(yàn)研究5.化工學(xué)報(bào)，2003,54(5)：597-600.[17]王維，閻紅，陳國(guó)防，等.離心流化床干燥器傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)研究5.化學(xué)工程，2000,28(3)：17-20.[18]Munjals,DudukovcMP,RamachandranP.Mass-transferinrotatingpackedbeds-I.Developmentofgas-liquidandliquid-solidmass-transfercorreIations[J].ChemicalEngineeringscience,1989,44(10)：2245-2256.[19]劉有智.超重力化工過程與技術(shù)[M].北京：國(guó)防教育出版社，2009：2-8.[20]李振虎，郭錯(cuò).旋轉(zhuǎn)填充床氣相壓降特性研究田.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1999,26(4)：5-10.[21]李燕，王維民，高金吉.超重力機(jī)自動(dòng)平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及模擬試驗(yàn)研究5.振動(dòng)測(cè)試與診斷，2010(1)：16-18.收稿日期：2016-02-26作者簡(jiǎn)介：馬國(guó)光,男,副教授,198年1畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè),現(xiàn)從事天然氣的集輸與處理和 技術(shù)的教學(xué)及研究工作。ApplicationResearchofgravitytechnologyinTEGDehydrationMaGuoguang1,LiXiaoting1,LiChu2,ZhangChen1,YouDongpan1(1.stateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,southwestPetroleumUniversity,Chengdu,610500,China2.DaqingOilfieldEngineeringConstructionCompanyLimitedBuildingMaterialsCompany,Kuerle,841000,China)Abstract：Inordertoimprovetheefficiencyofnaturalgasdehydrationoffshoreplatforms,reducecorrosionandequipmentcoversoffshoregasfieldequipmentandpipelines.Inthispaper,withgravitynaturalgasdehydrationtechnology-basednewtechnology,bystudyingmasstransfermodelandtoverifythefeasibilityoftheestablishmen