旋转填料床在天然气净化中应用的探索

陈赓良 李 劲

中国石油西南油气田公司天然气研究院，四川 成都 610213

1 化工过程强化

化工过程强化（Process Intensification）技术的研发应用是化工业近30 年来最值得注意的技术进步。1995年，首届国际化工过程强化会议在比利时召开，与会专家将化工过程强化技术定义为：指在生产能力不变的情况下，在生产和加工过程中运用新技术、新设备，极大地减小设备体积或提高设备的生产能力，显著地提高能量利用效率，大幅度地减少三废排放。鉴于此，化工过程强化的理念通常可表达为：更小型、更便宜、更安全、更巧妙。

目前化工过程强化主要包括过程强化设备（硬件强化）和过程强化方法（软件强化）；在多数情况下这两者是相互交叉的，新设备的开发成功往往推动新工艺的实现，因而化工过程强化实质上也是一门交叉科学。化工过程强化技术的分类见图1［1］。图1 表明，化工过程强化方法可分为三类：

a）新工艺方法，如反应与其它单元操作的集成（多功能反应器）；

b）其它形式的能量和非传统能源的应用；

c）新技术、新设备的开发。

图1 化工过程强化技术的分类

早在20 世纪80 年代，化工过程强化设备及方法就开始应用于天然气净化，其典型例子即为应用于络合铁法脱硫工艺的自循环反应器［2］。该反应器集气体脱硫、硫黄生成和分离沉降于一体。近年来，化工过程强化设备及方法发展较快，很可能成为天然气净化（乃至气体净化）领域今后技术进步的主导方向。化工过程强化技术在天然气净化中应用示例见表1。

表1 化工过程强化技术在天然气净化中应用示例

尽管已有一系列化工过程强化设备与方法被成功应用于气体净化领域，并引起普遍重视，但迄今为止，作为强化传质设备的旋转填料床在伴有化学反应的气液吸收过程（如原料气脱硫、脱碳和尾气选吸脱硫等）中的成功应用尚未见报导。虽然国内外均开展过大量研究，然而对离心力作用的本质、强化传质的机理、设备结构的改进等方面的认识还有待深化。

目前天然气净化的三类方法是：以醇胺法为代表的溶剂吸收法、以络合铁法为代表的氧化还原法和非再生型的固体脱硫剂法［4］。国内文献虽有“超重力反应吸收法脱除硫酸工业尾气中二氧化硫”工业侧线试验成功、“硫酸工业尾气二氧化硫超重力法深度脱除……”达到国际领先水平等报导［5］，但此类研究成果尚待确认。

2 旋转填料床（RPD）

RPD 实质上是一种置于离心力影响下的填料接触塔（器），以气相为连续相时其结构简图见图2。英国帝国化学公司（ICI）的Ramshaw 从美国宇航局（NASA）在太空微重力条件下（g ＜10-4）几乎不能进行气液传质的试验结果得到启发，从逆向思维的角度率先提出：“在地球重力加速度（g）增大的工况下有望强化传质”的设想，并申请了专利［6］。由于在实验室中无法创造出增大g 的实验条件，故设计并建立了两套将填料接触器置于离心力场中的精馏中试装置，并将其命名为Higee 装置，即“在较高重力工况下运行的装置”。

图2 旋转填料床（RPD）的结构简图（以气相为连续相）

从基本原理分析，RPD 是一种利用强大的离心力促使重力加速度g 增大以强化气液传质的设备。但地球重力即为引力，是当前自然界中已经确认的四种相互作用力之一；而所谓的“超重力”（super gravity）则是理论物理中假设的、目前尚在探索中的一种力，它与本文讨论的RPD 无关。

描述常规填料接触塔中气液吸收过程的理论与模型基本上都不适用于RPD，故现有的有关RPD 泛点、压降和等板高度（HETP）的关联式都是由实验数据处理而得的经验公式。由于影响因素众多，且诸多影响因素的变化规律又随处理物系和填料特性不同而变化，因而现有RPD 相关研究主要是通过实验数据对传统模型进行必要修正而使之能应用于RPD，对RPD 本质的认识远未达到常规填料塔的水平。以目前研究甚多的精馏系统为例，常规填料塔中确定泛点与压降关系的基本经验公式——Sherwood 关联式对RPD 并不一定适用［1］。原因在于导入了旋转速度（r/min）的影响后，RPD 的泛速必须在一定气量和液量的条件下通过改变转速的一系列实验来确定其压降的陡增点。在一定的转速下，发生液泛时RPD 的压降最大；但转速不同则泛速也不同。

旋转速度对填料床表面液体的流体力学性能及气液传质效率所产生的影响极其复杂，故建立RPD 内部的传质模型相当困难。由于较高的g 是由离心力诱导而来，因而g 的升高值与RPB 结构、尺寸、填料类型及质量和转速等均有关；加之，力是矢量而具有方向性，更增加了问题的复杂性。例如，文献［7］报导的一个研究正戊烷/正已烷精馏系统的RPD，其外壳半径为8.0 cm，内部半径为2.2 cm，轴长为4.0 cm，当此RPB 在300～2 400 r/min范围内旋转时，产生的离心力相当于5～360 倍重力加速度（g）。如果在离心力方向上产生的力仅有5 g，在重力方向上产生的影响必然很小，甚至完全没有影响，故此项研究就从转速500 r/min 开始。该实验同时表明：RPD 必须达到一定转速后才能改善气液传质效率。文献［8］还曾报导过一个在RPD 中进行甲醇/乙醇系统精馏的实验研究，在转子转速为600～1 600 r/min时离心加速度可以达到4～298 倍重力加速度 （g）。该RPD 的实验结果表明：8.6 mm 厚的填料层仅相当于1～3块理论板，等板高度（HETP）约为3～9 cm；这些数据不仅远低于其它文献报导，甚至还低于常规填料塔。由此可见，对RPD 中传质过程的认识尚有待进一步深化，目前还不能得出诸如“超重力气液接触是迄今强化相间传质最有效的方法之一”的结论［9］。

综上所述可以看出，RPD 的商业化应用当前存在两方面的风险: 实际的风险主要是旋转设备机械设计的可靠性，包括密封、轴承和转子的稳定性；潜在的风险则来自对过程原理还缺乏深刻了解。虽然利用离心力以强化气液传质的研究已有50 年左右历史，但迄今成功地应用于工业仅有油田水脱氧和次氯酸反应气提等少数几例［1］。鉴于此，在选择将RPD 应用于天然气净化领域气液传质过程的研究项目时必须慎重，务必保证其技术优势得以实现。同时，必须仔细分析当前已经完成的部分室内及中试试验，从中取得有益的经验与教训。

3 RPD 应用于天然气净化

3.1 应用于三甘醇（TEG）深度脱水

早在1987 年，美国Fluor 公司的Bucklin 等就发表了将RPD 应用于天然气TEG 法深度脱水的探索思路。深度脱水的目标是露点降（ΔT）超过71℃以防止利用透平膨胀机法回收轻烃时原料气生成水合物［10］。但此项探索未经现场试验即停止进行。因为相关研究工作获得的数据表明：

a）要达到上述ΔT，吸收塔必须至少有6 块理论板；且在常规填料塔中TEG 法脱水的气液比已经很高，进一步降低传质单元高度将影响传质效率。

b）ΔT 与贫TEG 的再生质量密切有关，按上述ΔT要求贫TEG 的质量浓度必须达到99.995%；即使采用特殊措施也很难达到，ΔT 与贫TEG 浓度关系见表2。

表2 ΔT 与贫TEG 浓度的关系

c）要将贫TEG 提浓至上述水平，再生塔至少有8块理论板。

以上数据说明TEG 法在本质上就不适合应用于天然气深度脱水，目前工业上在要求ΔT 超过50℃的工况下，一般都采用分子筛法深度脱水。

3.2 应用于原料气选择性脱除H2S

建于美国San Juan 天然气净化厂RPD 试验装置是采用甲基二乙醇胺（MDEA）水溶液进行选吸脱硫［11］。试验装置的最大处理量为56.3×104m3/d，最高操作压力为8.5 MPa，最大贫液循环量为45.6 m3/h。RPD 最高转速1 200 r/min。该厂建设了不同尺寸的2 套RPD，其规格见表3。试验用RPD 的填料厚度为R0-R1；气液接触面积为2πR×L，见图3。

表3 试验用RPD 的规格 mm

图3 试验用RPD 的转子结构

表4 原料气CO2 含量调整前后的模拟结果比较

表5 典型的试验结果

上述RPD 试验装置在1987 年投入运行后，共取得了60 套数据。由于取样分析和试验条件控制等方面的困难，获得的CO2分析数据误差较大，故又利用AMSIM 和HYSIM 软件模拟数据对H2S 和CO2含量数据进行适当调整后，试验数据显示的吸选效果基本可信,详细数据见表4，典型的试验结果见表5。

分析表5 数据可得：

a）编号1 的数据表明，特定的操作条件下在RPD中进行吸选脱硫，可使CO2的共吸收率降到5 %左右，说明此设备对加强选吸有一定效果。但在此工况下，气液比达到约5 000，H2S 脱除率仅91.4 %，净化气不合格。

b）编号42 的数据表明，若原料气中CO2/H2S（碳硫比）降到4.3，气液比降到约2 900，净化气中H2S 含量可以达标，且CO2共吸收率仍可保持约10 %。

c）编号14 和16 的两组数据表明，RPD 转速和气液比对CO2共吸收率均有影响，但气液比对H2S 与CO2净化度的影响比RPD 转速更大；当RPD 的转速达到900 r/min 后，继续提高转速对选吸脱硫效果的影响不明显。

d）总体而言，RPD 在特定操作条件下对改善选吸有一定作用，但由于商品天然气对H2S 和CO2含量均有严格要求，能适应的原料气极其有限；且RPD 难以满足HSE 管理方面的诸多要求，故20 世纪90 年代后国外停止了有关探索，也未见有工业应用的报导。

3.3 应用于尾气处理工艺的选吸脱硫

国内目前正在探索用RPD 替代SCOT 法尾气处理工艺中的选吸脱硫塔以进一步降低CO2共吸收率，从而改善返回克劳斯装置的酸气质量，并降低排放尾气中的H2S 含量。此技术开发思路是正确的，但荷兰壳牌公司于20 世纪90 年代中期开发成功超级SCOT 法的经验表明，要使排放尾气中的H2S 含量降到200 mg/m3以下，除了加强选吸外，必须严格控制贫液质量和贫液入塔温度。为此还专门设计了获得“超贫液”的两段再生系统，其流程示意见图4［2］。

图4 两段再生工艺流程示意图

4 结论与建议

a）化工过程强化技术的研发与应用可视为化学工业近30 年来最值得关注的技术进步。化工过程强化主要包括过程强化设备和过程强化方法；这两者目前均已在我国的天然气净化工业得到应用，建议今后加强这方面的技术开发。

b）旋转填料床（RPD）实质上是一种利用强大的离心力促使重力加速度g 增大以强化气液传质的设备。描述常规填料接触塔中气液吸收过程的理论与模型基本上都不适用于RPD，多年来虽开展了大量研究，但实际应用却十分有限。

c）美国Fluor 公司于1988 年发表的试验数据表明：RPD 作为强化传质设备不适用于净化气TEG 深度脱水和原料天然气选吸脱硫。用RPD 替代SCOT 法尾气处理工艺中的选吸脱硫塔以进一步降低CO2共吸收率的思路是正确的；但必须同时严格控制贫液质量和贫液入塔温度。

d）RPD 的商业化应用当前存在颇大阻力，后者主要来源于两方面的风险。现实风险主要是旋转设备机械设计的可靠性，包括密封、轴承和转子的稳定性；潜在风险则来自对过程原理还缺乏深刻了解。鉴于此，在选择将RPD 应用于天然气净化领域气液传质过程的研究项目时必须慎重，尤其要切实地保证其技术优势得以实现。

［1］Stankiewicz A， Moulijn J A. 化工装置的再设计——过程强化［M］. 王广全，刘学军，陈金花，译. 北京：国防工业出版社，2012. 20-36.Stankiewicz A, Moulijn J A. Re-Engineering the Dhemical Processing Plant——Process Intensification［M］. Wang Guangquan, Liu Xuejun, Chen Jinhua, Trans. Beijing: National Defense Industry Press, 2012. 20-36.

［2］陈赓良，常宏岗. 配方型溶剂的应用与气体净化工艺的发展动向（第二版）［M］.北京：石油工业出版社，2009.94-96.Chen Gengliang, Chang Honggang. Utilization of Formulated Solvents and Development Tendency of Gas Purification［M］.Beijing: Petroleum Industry Press, 2009.94-96.

［3］陈赓良，肖学兰. 克劳斯法硫黄回收工艺技术［M］.北京：石油工业出版社，2007. 142-145.Chen Gengliang, Xiao Xuelan. Claus Sulfur Recovery Technology［M］. Beijing: Petroleum Industry Press, 2007. 142-145.

［4］陈赓良，朱利凯.天然气处理与加工工艺原理及技术进展［M］.北京：石油工业出版社, 2010.150-153.Chen Gengliang, Zhu Likai. Principle and Progress in Processing and Conditioning of Natural Gas［M］.Beijing: Petroleum Industry Press, 2010.150-153.

［5］陈建峰，邹海魁，初广文，等. 超重力技术及其工业化应用［J］. 硫磷设计与粉体工程，2012, (1): 6-10.Chen Jianfeng, Zou Haikui, Chu Guangwen, et al. High Gracity Technology and Its Industrial Application［J］. Sulphur Phosphorus & Bulk Materials Handling Related Engineering, 2012, (1): 6-10.

［6］Mallison R, Ramshaw C. Mass Transfer Process[P]. European Patent: 2568B, 1979.

［7］Nascimento T V S, Ravagnani T M K, et al. Experimental study of a rotating packed bed distillation column, Brazilian Journal of Chemical Engineering, 2009, 26(1): 219.

［8］Lin Chiachang, Ho Tsungjen . Distillation in a Rotating Packed Bed［J］. Journal of Chemical Engineering of Japan, 2002, 35(12):1298.

［9］刘有智.超重力化工过程与技术［M］. 北京：国防工业出版社，2009. 19.Liu Youzhi. High Gracity Chemical Process and Technology［M］. Beijing: National Defense Industry Press, 2009. 19.

［10］Bucklin R W, Won K W. Higee contactors for selective H2S Removal and Superdehydration［A］. Laurence Reid Gas Conditioning Conference［C］. Norman: University of Oklahoma Press, 1987.

［11］Bucklin R W, Buckingham P A, Smelser S T. The Higee Demonstration Test of Selective H2S Removal with MDEA［A］. Laurence Reid Gas Conditioning Conference［C］. Norman: University of Oklahoma Press, 1988.