面向海洋工程的超重力過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)及應(yīng)用

張亮亮，付紀(jì)文，羅勇，孫寶昌，鄒?？?，初廣文，陳建峰

（北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，教育部超重力工程研究中心，北京100029）

引 言

《中國(guó)油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析與展望報(bào)告藍(lán)皮書(shū)（2018-2019）》顯示，2018 年，我國(guó)石油表觀消費(fèi)量達(dá)6.48 億噸，較上年增長(zhǎng)6.95%[1]。與之對(duì)比，國(guó)內(nèi)原油產(chǎn)量連續(xù)第3年下滑，降至1.89億噸，與上年相比下降1.3%，石油對(duì)外依存度升至69.8%。同時(shí)，全年進(jìn)口天然氣9038.5 萬(wàn)噸，同比大幅增長(zhǎng)31.9%，對(duì)外依存度升至45.3%。油氣能源供給巨大缺口已成為國(guó)家安全的戰(zhàn)略性問(wèn)題。

海洋是國(guó)家戰(zhàn)略資源的重要基地。作為海洋大國(guó)，近五年來(lái)，我國(guó)原油年生產(chǎn)量已突破4500 萬(wàn)噸，海上原油產(chǎn)量在全國(guó)原油產(chǎn)量占比逐年增加[2]。海洋油氣資源開(kāi)發(fā)是我國(guó)未來(lái)油氣能源新的增長(zhǎng)點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和能源自給的重要舉措。海洋平臺(tái)和油氣開(kāi)采船舶是海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的主要工作場(chǎng)所。海洋平臺(tái)或船舶建造成本昂貴，如何通過(guò)過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)裝備的集約化和小型化，滿(mǎn)足受限空間的生產(chǎn)要求是迫切需要解決的重大問(wèn)題。

以旋轉(zhuǎn)填料床（rotating packed bed，RPB）為核心裝備的超重力技術(shù)是典型的化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)之一，旋轉(zhuǎn)填料床更是因其獨(dú)特的過(guò)程強(qiáng)化特性被譽(yù)為“化學(xué)工業(yè)的晶體管”。在旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)，液體在超重力環(huán)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(zhì)比表面積顯著增加，大幅強(qiáng)化分離和反應(yīng)過(guò)程，使得設(shè)備體積可縮小1～2 個(gè)量級(jí)[3-4]。目前，旋轉(zhuǎn)填料床已被成功應(yīng)用于海洋平臺(tái)油氣生產(chǎn)的天然氣脫硫、脫水、海水脫氧等兩相反應(yīng)或分離過(guò)程，在滿(mǎn)足生產(chǎn)指標(biāo)的情況下，極大縮小了空間要求，節(jié)約了建設(shè)成本[5-6]。

本文對(duì)超重力技術(shù)的原理、過(guò)程強(qiáng)化特性以及超重力技術(shù)在海洋工程中的具體應(yīng)用進(jìn)行綜述，并探討超重力技術(shù)在海洋工程中的未來(lái)發(fā)展方向。

1 超重力技術(shù)

基于美國(guó)太空署實(shí)驗(yàn)，英國(guó)帝國(guó)化學(xué)公司（ICI）新學(xué)科組的Ramshaw 等[7-8]于20 世紀(jì)70 年代提出超重力技術(shù)（high gravity, HiGee）的概念，它的實(shí)質(zhì)是通過(guò)離心力場(chǎng)的作用而達(dá)到模擬超重力環(huán)境的目的，核心在于對(duì)傳遞過(guò)程的極大強(qiáng)化。在超重力環(huán)境下，不同大小分子間的分子擴(kuò)散和相間傳質(zhì)過(guò)程均比常規(guī)重力場(chǎng)下的要快得多，巨大的剪切力將液體撕裂成微米至納米級(jí)的液膜、液絲和液滴，產(chǎn)生巨大的和快速更新的相界面，使相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)的塔器提高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，傳質(zhì)過(guò)程得到極大的強(qiáng)化。

1.1 超重力反應(yīng)器裝備

超重力技術(shù)理論和應(yīng)用研究日益成熟，裝置的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)不斷革新。旋轉(zhuǎn)填料床按氣液進(jìn)料方式不同分為并流型、逆流型和錯(cuò)流型。并流型旋轉(zhuǎn)填料床[圖1(a)]傳質(zhì)傳熱效果相對(duì)較差，因此研究較少[9]。逆流型旋轉(zhuǎn)填料床的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，液體分布器安裝在RPB 內(nèi)腔中央，下部為封閉結(jié)構(gòu)，通過(guò)合適的開(kāi)孔位置和數(shù)量以確保轉(zhuǎn)子填料內(nèi)層可被充分潤(rùn)濕，填料內(nèi)徑應(yīng)能容納液體分布器并比進(jìn)氣口內(nèi)徑稍大[10]。在單級(jí)逆流型旋轉(zhuǎn)填料床的基礎(chǔ)上，陳建峰等[11]開(kāi)發(fā)出了多級(jí)逆流型旋轉(zhuǎn)填料床（multi-stage counter-current rotating packed bed，MSCC-RPB），通過(guò)獨(dú)立的電機(jī)帶動(dòng)各級(jí)轉(zhuǎn)子填料轉(zhuǎn)動(dòng)。錯(cuò)流型旋轉(zhuǎn)填料床根據(jù)結(jié)構(gòu)的差異，可分為臥式和立式兩類(lèi)。臥式錯(cuò)流床[圖1(c)]轉(zhuǎn)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(xiàn)象發(fā)生[9]。

圖1 不同類(lèi)型的旋轉(zhuǎn)填料床結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of different types of rotating packed beds

為滿(mǎn)足實(shí)際需求以及有效提高傳質(zhì)效果，通過(guò)對(duì)超重力反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出了多種新型特殊的超重力過(guò)程裝置[9]。劉有智[12]研發(fā)出適用于液液接觸與反應(yīng)的撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床（impinging stream-rotating packed bed，IS-RPB）。計(jì)建炳等研發(fā)了單層折流板式旋轉(zhuǎn)填料床(rotating zigzag bed,RZB)[13]和多層折流板式旋轉(zhuǎn)填料床[14]，有效解決了傳統(tǒng)RPB 中氣液停留時(shí)間短的問(wèn)題。Sandilya等[15]在研究RPB中氣相傳質(zhì)系數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在氣膜控制的傳質(zhì)體系中，氣體與填料間的相對(duì)角滑移速度較小，導(dǎo)致氣膜控制的傳質(zhì)過(guò)程的傳質(zhì)速率在RPB 中不能有效提高。為增強(qiáng)氣體與填料間的相對(duì)角滑移速度，Chandra 等[16]開(kāi)發(fā)了分裂填料旋轉(zhuǎn)填料床(splitting packing-rotating packed bed, SPRPB)。潘朝群等[17]研發(fā)了多級(jí)霧化旋轉(zhuǎn)填料床(multistage spraying rotating packed bed,MS-RPB)，采用同心圓環(huán)絲網(wǎng)填料，兩級(jí)間的區(qū)域?yàn)閲婌F區(qū)，可應(yīng)用于大氣量的物系處理。陳昭瓊等[18-20]設(shè)計(jì)出了螺旋通道型旋轉(zhuǎn)床(RBHC)[18]，轉(zhuǎn)子內(nèi)部有4 條螺旋形通道且內(nèi)部不安裝填料。還有一種將填料去除的新型超重力過(guò)程工程裝置——旋轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器(spinning disc reactor, SDR)[21-24]，可將傳熱傳質(zhì)的反應(yīng)場(chǎng)所直接轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)盤(pán)上[23]。

1.2 優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

傳統(tǒng)的塔式氣液傳質(zhì)設(shè)備依靠重力作用實(shí)現(xiàn)氣液逆流傳質(zhì)[23]，由于重力場(chǎng)強(qiáng)度低，氣液傳質(zhì)系數(shù)小，故這類(lèi)設(shè)備傳質(zhì)強(qiáng)化能力不足。而超重力旋轉(zhuǎn)填料床利用高速旋轉(zhuǎn)的填料，對(duì)自?xún)?nèi)環(huán)向外環(huán)做徑向流動(dòng)的液體產(chǎn)生強(qiáng)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(chǎn)生劇烈的湍動(dòng)及快速更新的相際界面，有利于總體積傳質(zhì)系數(shù)的增加，從而可大大強(qiáng)化氣液兩相的傳質(zhì)[25]。

對(duì)于逆流型旋轉(zhuǎn)填料床和錯(cuò)流型旋轉(zhuǎn)填料床，它們有其各自的優(yōu)點(diǎn)：逆流型旋轉(zhuǎn)填料床氣液傳質(zhì)推動(dòng)力大，適用于對(duì)出口氣體濃度控制要求較高的體系；錯(cuò)流型旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子兩端與外殼之間安裝有氣體密封裝置，通過(guò)氣體出口端的除霧器，防止液沫夾帶并且有更高的動(dòng)平衡性[26]。而并流型旋轉(zhuǎn)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(yōu)勢(shì)。在以上三種基本旋轉(zhuǎn)填料床形式上所做的一些改進(jìn)型結(jié)構(gòu)可以通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)提高氣液傳質(zhì)系數(shù)來(lái)達(dá)到增強(qiáng)氣液傳質(zhì)的效果[27]，或可以通過(guò)延長(zhǎng)氣液停留時(shí)間達(dá)到更好的處理效果，但同時(shí)，這些改進(jìn)形式一定程度上提高了設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，為其應(yīng)用帶來(lái)了一定阻礙。

2 基礎(chǔ)研究

2.1 RPB內(nèi)流體流動(dòng)特性研究

對(duì)RPB 反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)特性的研究是傳質(zhì)研究的基礎(chǔ)。目前對(duì)RPB 內(nèi)流體流動(dòng)的基礎(chǔ)研究主要通過(guò)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合可視化技術(shù)，觀測(cè)流體流動(dòng)形態(tài)，測(cè)量平均停留時(shí)間和持液量，以及探究端效應(yīng)區(qū)的形成等。

2.1.1 流體流動(dòng)形態(tài) 1995 年，Burns 等[28]開(kāi)始嘗試將攝影技術(shù)應(yīng)用于RPB 的實(shí)驗(yàn)研究，將旋轉(zhuǎn)床的上蓋換成透明有機(jī)玻璃蓋，首次觀測(cè)到液體在填料上表面的液滴、液膜和液線(xiàn)三種流動(dòng)形態(tài)。楊曠等[29-30]使用高速相機(jī)首先對(duì)外空腔區(qū)的液體流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了研究。如圖2所示，在空腔區(qū)內(nèi)，高轉(zhuǎn)速高液量情況下，液體形態(tài)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(dāng)在低轉(zhuǎn)速低液量的情況下，旋轉(zhuǎn)床產(chǎn)生的離心力不足以使大部分液體剪切成液滴，便會(huì)形成有少量液線(xiàn)流股存在的流動(dòng)形態(tài)。Sang等[31]在此基礎(chǔ)上對(duì)外空腔區(qū)的流體流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了深入研究，通過(guò)可視化技術(shù)觀測(cè)到液滴破碎過(guò)程的運(yùn)動(dòng)形態(tài)（圖3），并通過(guò)分析獲得了空腔區(qū)中流動(dòng)形態(tài)的轉(zhuǎn)變。

對(duì)于填料區(qū)的可視化研究，為了更清晰地觀測(cè)液體在填料絲網(wǎng)之間的相互作用，Xu 等[32]采用單層絲網(wǎng)填料以觀測(cè)液相撞擊填料絲的形態(tài)，探究了絲網(wǎng)的橫絲和縱絲對(duì)液體形態(tài)的不同影響機(jī)制。如圖4所示，通過(guò)高速攝像方法，觀察到當(dāng)液體射流撞擊縱絲時(shí)，液體被縱絲切割，幾乎沒(méi)有圓周運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)液體射流撞擊橫絲時(shí)，液體會(huì)附著在旋轉(zhuǎn)的填料上，然后隨著橫絲的攜帶作用，可以觀察到相當(dāng)大的圓周運(yùn)動(dòng)。說(shuō)明對(duì)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(qū)液相形態(tài)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(huì)影響液滴直徑，因此在此基礎(chǔ)上，李振虎等[34]加入了液體流量qL對(duì)液體尺寸的影響

楊曠等[29]通過(guò)RPB 反應(yīng)器外空腔區(qū)的拍攝照片，對(duì)液滴直徑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。發(fā)現(xiàn)液滴平均直徑為0.15～0.9 mm，并且隨填料厚度和轉(zhuǎn)速的增加而降低。在通過(guò)約8 層填料后，液滴在填料外延上均勻分布，從流體流動(dòng)的角度證實(shí)了液相端效應(yīng)區(qū)的存在。在此基礎(chǔ)上，Sang等[31]進(jìn)行了更深入的研究，探究了操作條件對(duì)液滴直徑大小分布的影響規(guī)律。

2.1.3 液體停留時(shí)間及持液量 借助電導(dǎo)探頭，通過(guò)測(cè)量進(jìn)出口處溶液的電導(dǎo)率響應(yīng)時(shí)間，可計(jì)算液相的平均停留時(shí)間[35]。研究結(jié)果表明，隨著液體流速的增大，液體平均停留時(shí)間逐漸縮短，并且幅度趨于平緩；隨著旋轉(zhuǎn)填料床轉(zhuǎn)速的增大，液體的平均停留時(shí)間也在縮短，同樣這一趨勢(shì)也在趨于平緩，并在轉(zhuǎn)速增大到一定程度后保持不變。

Guo 等[33]在RPB 內(nèi)安裝同步旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)獲取液體流動(dòng)狀態(tài)下連續(xù)穩(wěn)定的實(shí)時(shí)圖像。通過(guò)圖像分析，探究了RPB 轉(zhuǎn)速及氣液流量對(duì)平均停留時(shí)間的影響。結(jié)果表明隨著轉(zhuǎn)速的增大，平均停留時(shí)間不斷縮短且趨于平緩直到幾乎不變。氣體流量的變化對(duì)停留時(shí)間幾乎沒(méi)有影響，當(dāng)液體入口速度增大了2.5倍時(shí)，液體平均停留時(shí)間只降低了不到25%。

Yang等[36]首次使用X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（X-ray computed tomograghy, X-ray CT）觀測(cè)了RPB反應(yīng)器中的液體流動(dòng)，標(biāo)志著RPB 的可視化研究從僅由填料表面的觀測(cè)向反應(yīng)器內(nèi)部觀測(cè)的發(fā)展。利用CT 掃描結(jié)果計(jì)算了填料區(qū)液體的持液量（圖5、圖6），并對(duì)不同轉(zhuǎn)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(jìn)行了研究，建立了預(yù)測(cè)持液量關(guān)聯(lián)式。并在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了不同條件下的平均停留時(shí)間。

對(duì)于金屬絲網(wǎng)填料

對(duì)于泡沫鎳填料

2.2 RPB內(nèi)傳質(zhì)特性研究

目前，已有大量研究者采用不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[37-38]表征不同結(jié)構(gòu)內(nèi)RPB 的傳質(zhì)特性，并研究了不同操作條件和結(jié)構(gòu)下傳質(zhì)特性規(guī)律。

圖3 空區(qū)液滴運(yùn)動(dòng)的典型圖像Fig.3 Typical images of droplet motion in cavity zone

圖4 流體射流對(duì)不同位置的剪切和攜帶作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程Fig.4 Dynamic processes of shearing and carrying action with liquid jet impacting on different positions

圖5 金屬絲網(wǎng)填料中18.5、55.8、155.6 mPa·s的液相在不同轉(zhuǎn)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(zhì)系數(shù)（kGa） Guo等[39]研究了絲網(wǎng)形式填料的RPB 傳質(zhì)特性，結(jié)果表明氣體流量對(duì)傳質(zhì)系數(shù)影響較小，而氣相體積傳質(zhì)分系數(shù)kGa與轉(zhuǎn)速的0.55 次方呈正比。Onda 等[40]建立了描述常規(guī)RPB 氣側(cè)傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。基于RPB 中氣體在曳力作用下表現(xiàn)與填料塔內(nèi)行為幾乎一致的假設(shè)，越來(lái)越多研究者建立了常規(guī)RPB 的關(guān)聯(lián)式[41-43]。Wang 等[44]總結(jié)了目前針對(duì)不同RPB 結(jié)構(gòu)及不同兩相體系的關(guān)于預(yù)測(cè)kGa的關(guān)聯(lián)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)RPB中預(yù)測(cè)kGa的關(guān)聯(lián)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(zhì)系數(shù)（kLa） RPB 中液體的傳質(zhì)研究主要集中在液體體積傳質(zhì)系數(shù)kLa上。Tsai等[45]利用水脫氧系統(tǒng)確定了逆流式RPB內(nèi)的液相傳質(zhì)分系數(shù)，并獲取了液體流速、轉(zhuǎn)速、擋板和填料類(lèi)型對(duì)kLa的影響規(guī)律，并從傳質(zhì)機(jī)理上解釋了液體流速和轉(zhuǎn)速對(duì)kLa的影響[46]。

Zhang 等[47]基于離子液體捕集CO2的過(guò)程，建立了一種關(guān)聯(lián)式，由于液體質(zhì)量流量小、黏度高，所以忽略了Reynolds 數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。Lin 等[48]用非線(xiàn)性回歸方法提出了Reynolds 數(shù)、液體Grashof 數(shù)與液相體積傳質(zhì)系數(shù)的相關(guān)關(guān)系。Kumar 等[46]基于Tung等[49]提出的傳質(zhì)關(guān)聯(lián)關(guān)系預(yù)測(cè)了用于化學(xué)吸收的液膜傳質(zhì)系數(shù)。Chen 等[50-51]在前人研究的基礎(chǔ)上發(fā)展了填料結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，考慮了填料幾何形狀和端效應(yīng)的影響。針對(duì)不同體系的液相體積傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)結(jié)果如表2所示[44]。

表2 不同實(shí)驗(yàn)體系預(yù)測(cè)kLa的關(guān)聯(lián)式Table 2 Correlations for estimating liquid volumetric mass transfer efficient of different systems

表3 不同研究者預(yù)測(cè)a/at的關(guān)聯(lián)式Table 3 Correlations for estimating effective mass transfer efficient in literature

2.2.3 有效傳質(zhì)界面面積（a） 氣液有效界位面積是影響傳質(zhì)的關(guān)鍵因素。研究不同操作參數(shù)對(duì)有效界位面積的影響規(guī)律對(duì)于解析超重力旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)氣液兩相傳質(zhì)過(guò)程尤為重要。目前已有很多研究者采用不同實(shí)驗(yàn)體系研究了RPB 內(nèi)有效傳質(zhì)界面面積，提出了各參數(shù)對(duì)界面面積綜合影響的關(guān)聯(lián)式。Tsai 等[45]通過(guò)實(shí)驗(yàn)解析了有效傳質(zhì)面積與轉(zhuǎn)速和液體流速的關(guān)系。Ai等[52]用高速攝像機(jī)捕捉到了不同操作參數(shù)下RPB 內(nèi)液體的分散及流型轉(zhuǎn)變過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，提出了計(jì)算不同流型下總傳質(zhì)面積的數(shù)學(xué)模型。Luo等[53]考慮了填料的類(lèi)型、纖維直徑和絲網(wǎng)開(kāi)口的影響，對(duì)Rajan等[54]的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了改進(jìn)，提高了關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)精度。不同研究者關(guān)于預(yù)測(cè)a/at的關(guān)聯(lián)式如表3所示[44]。

3 工程放大與裝備開(kāi)發(fā)

超重力反應(yīng)器的工程放大研究相對(duì)滯后，已在很大程度上制約了其大型化發(fā)展和推廣應(yīng)用。北京化工大學(xué)超重力團(tuán)隊(duì)通過(guò)多年研究，逐漸形成了“科學(xué)實(shí)驗(yàn)+微觀機(jī)理模型+宏觀CFD 模擬”三位一體的超重力反應(yīng)器放大方法，為超重力技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供了科學(xué)基礎(chǔ)[55]。鑒于以上關(guān)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)介紹，以下將主要對(duì)不同工作體系的超重力反應(yīng)器模型化以及CFD模擬方面的工作進(jìn)行介紹。

3.1 數(shù)學(xué)模型

基于超重力反應(yīng)器在海洋工程中的應(yīng)用，例如天然氣脫硫、脫碳，海水脫氧等氣液兩相過(guò)程，通過(guò)一些合理的假設(shè)和推導(dǎo)，結(jié)合經(jīng)典傳質(zhì)理論，已有研究建立了適用于不同體系的傳質(zhì)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(wǎng)填料的RPB 內(nèi)的氣液傳質(zhì)特性。假設(shè)相比于填料表面，液相之間的傳質(zhì)作用更多地發(fā)生于飛濺的微小的液滴表面，氣液兩相之間的傳質(zhì)作用則同時(shí)發(fā)生在填料層和外空腔區(qū)[56]。基于以上假設(shè)，提出了以雙膜理論為基礎(chǔ)的傳質(zhì)模型，此模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(nèi)的氣液傳質(zhì)特性。假設(shè)氣相流動(dòng)為不可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)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(nèi)部運(yùn)動(dòng)。分別采用歐拉法和拉格朗日法對(duì)RPB 中的氣液兩相進(jìn)行了數(shù)值模擬，并建立了液滴流動(dòng)形態(tài)的傳質(zhì)系數(shù)模型。此模型獲得的模擬值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均誤差僅為±7.9%。

錢(qián)智等[58]使用MDEA 吸收CO2的體系研究了RPB 內(nèi)的氣液傳質(zhì)特性。假設(shè)液體以液膜形式存在，在滲透理論的基礎(chǔ)上建立傳質(zhì)模型。通過(guò)比較該模型的模擬值與穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)填料床中強(qiáng)化傳質(zhì)的直接原因?yàn)橐后w在旋轉(zhuǎn)床內(nèi)高速填料作用下液膜滲透時(shí)間僅為毫秒級(jí)[56]。錢(qián)智等[58]還建立了基于嚴(yán)格可逆反應(yīng)的傳質(zhì)模型，理論上可以適用于任何包含有化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)-擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程。

綜上，目前在旋轉(zhuǎn)填料床中建立氣液兩相傳質(zhì)模型的研究均針對(duì)某一特定體系，并在一定實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行傳質(zhì)機(jī)理的合理簡(jiǎn)化和假設(shè)，根據(jù)不同的傳質(zhì)機(jī)理建立的傳質(zhì)模型與實(shí)驗(yàn)值之間大多吻合較好。

3.2 CFD模擬

前人針對(duì)旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)部液體流動(dòng)進(jìn)行了大量的研究工作，借助先進(jìn)的設(shè)備及巧妙的設(shè)計(jì)獲得了旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)部一些液體形態(tài)的圖像，但填料結(jié)構(gòu)的高速旋轉(zhuǎn)使得設(shè)備無(wú)法深入到填料內(nèi)部，無(wú)法獲取清晰且直觀的數(shù)據(jù)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段耗時(shí)長(zhǎng)且成本過(guò)高，嚴(yán)重制約了旋轉(zhuǎn)填料床填料內(nèi)部流體流動(dòng)和傳質(zhì)的研究[59-60]。而通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)來(lái)模擬和求解反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)情況，不僅能更直觀有效，而且模擬過(guò)程方便經(jīng)濟(jì)高效。模擬所得的結(jié)果經(jīng)過(guò)商業(yè)軟件中后處理軟件的解析，可以輸出高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)的流場(chǎng)圖像，從而達(dá)到填料內(nèi)部細(xì)節(jié)處的可視化效果[61-62]。對(duì)流場(chǎng)內(nèi)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，既可以在整體上了解流體的流動(dòng)分布情況，也能在細(xì)節(jié)上捕捉到流體形態(tài)的變化，探究傳質(zhì)效率的影響因素，探索更優(yōu)的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及填料特性，為旋轉(zhuǎn)填料床的設(shè)計(jì)和研究提供理論依據(jù)[63]。

3.2.1 氣相流動(dòng)模擬 單氣相和氣液兩相系統(tǒng)是RPB 模擬中兩種主要的流動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此采用整體壓降測(cè)量作為CFD 模擬驗(yàn)證的主要方法。Llerena-Chavez 等[61]和Yang 等[64]發(fā)現(xiàn)填料區(qū)內(nèi)的壓降和氣速隨徑向增大而增大，其中填料區(qū)貢獻(xiàn)最大，且RPB 中徑向速度分布不均（圖7）。

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

Liu 等[65]發(fā)現(xiàn)氣體在填料外層的狀態(tài)明顯與其他區(qū)域不同，此處的湍動(dòng)能約為其他區(qū)域的兩倍，在徑向位置的速度角范圍為136°～160°，而其他區(qū)域的速度角約為90°。證實(shí)了氣側(cè)端效應(yīng)區(qū)的存在，此處也被認(rèn)為是傳質(zhì)效率最高的區(qū)域（圖8）。

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

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

圖9 RPB中兩種典型的液體流動(dòng)形態(tài)的模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results about typical liquid flow in an RPB

Ouyang 等[67]對(duì)RPB 中黏性液體流動(dòng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，低黏度液體可以在填料區(qū)內(nèi)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(xiàn)（圖10）。仿真結(jié)果也證實(shí)了填料中液體的不均勻性。

計(jì)算流體力學(xué)方法除了能顯示液體的形態(tài)，還能測(cè)量液體在RPB 中的持液量和停留時(shí)間分布。持液量是RPB 的一個(gè)重要特性，可用于確定傳質(zhì)和混合過(guò)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(nèi)液體持液量，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，誤差范圍在20%以?xún)?nèi)，模擬結(jié)果表明，隨著液體流速和黏度的增加，液含率增大，而隨著轉(zhuǎn)速的增加，液含率減小，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。Ouyang等[67]研究了RPB 中不同徑向位置的停留時(shí)間分布，發(fā)現(xiàn)停留時(shí)間分布的方差在填料區(qū)內(nèi)側(cè)相對(duì)較高，而在填料區(qū)其余位置較小且?guī)缀鯖](méi)有變化。

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

目前關(guān)于RPB 持液量的模擬結(jié)果大部分均低于實(shí)驗(yàn)值，這可能是由于仿真過(guò)程中采用的幾何模型不能完全反映實(shí)際填料結(jié)構(gòu)，從而削弱了填料對(duì)液體流動(dòng)的影響。Guo 等[66]采用與實(shí)際填料結(jié)構(gòu)更為接近的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行RPB 內(nèi)液體流動(dòng)的模擬。結(jié)果表明，與二維模擬結(jié)果相比，三維模擬結(jié)果值更準(zhǔn)確，這表明幾何模型對(duì)RPB 多相仿真具有顯著影響。

目前對(duì)于RPB 的CFD 模擬還存在以下問(wèn)題：①在幾何建模方面，對(duì)RPB 填料幾何結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格模型的質(zhì)量和尺寸尋找到更好的平衡；②建立更適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ?，特別是調(diào)整模型以更準(zhǔn)確地描述湍流邊界層內(nèi)的流動(dòng)；③多相流模型中氣液兩相的相間作用力由于高強(qiáng)度離心力場(chǎng)環(huán)境和微小尺度內(nèi)多孔流動(dòng)的影響，因此需要進(jìn)行修正，現(xiàn)有模型難以描述氣液間的相互作用；④數(shù)值結(jié)果需要更全面的驗(yàn)證，因此需要更有效、更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)方法。盡管目前針對(duì)RPB 的模擬存在一些問(wèn)題，但隨著計(jì)算能力、各種算法和可視化技術(shù)的發(fā)展，CFD 模擬將具有廣闊的前景，對(duì)于超重力裝備的設(shè)計(jì)以及工程放大具有重要意義。

4 工程應(yīng)用

隨著超重力基礎(chǔ)理論研究的不斷深入及裝備放大技術(shù)的不斷成熟。目前，已將超重力技術(shù)成功應(yīng)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(kāi)采過(guò)程中，需要將水注入地下以維持地層壓力，保證油氣產(chǎn)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(jīng)過(guò)脫氧處理。常用的脫水方法包括沸騰法、真空法和化學(xué)法。化學(xué)法是通過(guò)加入一定化學(xué)藥劑消耗水中的氧氣以達(dá)到除氧的目的。該方法在對(duì)水中離子含量要求比較嚴(yán)格的工況下一般不適用。而沸騰法和真空法是通過(guò)加熱或真空環(huán)境，降低氧氣在水中的平衡溶解度以促進(jìn)氧氣從水中向氣相中轉(zhuǎn)移。在該過(guò)程，液體深處的氧需要通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)氣液相界面進(jìn)而遷移到氣相中，因此，氧的傳遞速率就變成水脫氧過(guò)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(qiáng)液相湍動(dòng)，使液相溶氧通過(guò)渦流擴(kuò)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(shù)正是利用以上兩點(diǎn)，通過(guò)將液體分散破碎為細(xì)小液體微元和高速剪切加速表面更新強(qiáng)化了水脫氧過(guò)程，大大提高了水脫氧的效率。

伴隨原油開(kāi)采產(chǎn)生的伴生天然氣完全不含氧，可作為汽提介質(zhì)對(duì)水中溶解氧進(jìn)行吹脫同時(shí)降低氣相中氧氣分壓，北京化工大學(xué)教育部超重力工程研究中心利用該原理，開(kāi)發(fā)了超重力汽提海水脫氧技術(shù)，并在國(guó)際上首先將超重力水脫氧技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)在1998 年將海水處理能力為250 t·h-1的超重力機(jī)安裝于勝利油田埕島二號(hào)平臺(tái)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(mǎn)足注入水脫氧工業(yè)應(yīng)用要求。與現(xiàn)有雙塔真空脫氧技術(shù)相比，無(wú)論在脫氧指標(biāo)上還是在動(dòng)力消耗上，超重力注入水脫氧技術(shù)都有較大優(yōu)越性。

圖11 中國(guó)石化勝利油田埕島平臺(tái)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(wú)伴生天然氣的供應(yīng)，該團(tuán)隊(duì)還將超重力技術(shù)與真空技術(shù)耦合，開(kāi)發(fā)了超重力真空水脫氧技術(shù)（圖12）。該技術(shù)可在海洋平臺(tái)和浮動(dòng)油氣船上工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)注入水深度脫氧。經(jīng)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(xué)團(tuán)隊(duì)近年來(lái)將一臺(tái)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(kāi)采作業(yè)船的注入水脫氧。與傳統(tǒng)塔式裝備相比，設(shè)備質(zhì)量至少降低50%，為業(yè)主節(jié)約了大量的基礎(chǔ)建設(shè)投資。

圖12 海上油氣開(kāi)采作業(yè)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(huì)含有硫化氫、二氧化碳等酸性雜質(zhì)。硫化氫是一種致命的有毒氣體，且使設(shè)備、管線(xiàn)腐蝕嚴(yán)重，帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。為了保證管路輸送或液化輸送安全，必須對(duì)伴生氣或天然氣中硫化氫進(jìn)行脫除，使之符合有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)外的氣體脫硫方法非常多，總地來(lái)說(shuō)可分為化學(xué)吸收法、物理吸收法、聯(lián)合吸收法(化學(xué)物理吸收法)、直接轉(zhuǎn)化法。其中，采用溶液或溶劑作脫硫劑的脫硫方法習(xí)慣上又統(tǒng)稱(chēng)為濕法，采用固體作脫硫劑的脫硫方法又統(tǒng)稱(chēng)為干法。干法脫硫多用精脫硫，工藝簡(jiǎn)單，但后續(xù)運(yùn)行成本比較高，廢棄脫硫劑排放、處理也存在一定的環(huán)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(diǎn)是吸收劑無(wú)毒、能一步將H2S轉(zhuǎn)變成元素S，H2S的脫除率可達(dá)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(gòu)成，吸收系統(tǒng)和再生系統(tǒng)。在吸收系統(tǒng)中，硫化氫氣體被吸收液吸收、電離，進(jìn)而被三價(jià)鐵離子氧化生成固體硫磺單質(zhì)；而后吸收液進(jìn)入再生系統(tǒng)，在再生系統(tǒng)中，二價(jià)鐵離子被風(fēng)機(jī)鼓入的空氣氧化生成三價(jià)鐵離子，實(shí)現(xiàn)鐵離子的循環(huán)利用。具體反應(yīng)機(jī)理如下。

絡(luò)合鐵溶液吸收系統(tǒng)

絡(luò)合鐵溶液再生系統(tǒng)

總反應(yīng)方程式

該技術(shù)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(chǎn)量相對(duì)較低時(shí)，該工藝的操作費(fèi)用和設(shè)備投資有很大優(yōu)勢(shì)，更重要的優(yōu)點(diǎn)是該工藝在脫除硫化物過(guò)程中，幾乎不受氣源中CO2含量的影響，從而達(dá)到很高的吸收率。但該工藝在海洋平臺(tái)應(yīng)用過(guò)程中，卻面臨吸收塔占地面積大，設(shè)備整體高等瓶頸，對(duì)海洋平臺(tái)建設(shè)投資造成巨大壓力。北京化工大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)明了基于超重力技術(shù)的適用于硫化氫反應(yīng)、吸收的填料層和葉片層間隔排列多環(huán)式、結(jié)構(gòu)化整體填料式等多種新穎內(nèi)結(jié)構(gòu)高效超重力反應(yīng)器?？捎行〈摴に囍袀鹘y(tǒng)塔器結(jié)構(gòu)，對(duì)伴生氣或天然氣中硫化氫進(jìn)行高效脫除。近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)與中國(guó)海洋石油公司合作，在南海油田海洋平臺(tái)進(jìn)行了該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用（圖13）。

工業(yè)運(yùn)行結(jié)果表明，經(jīng)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(guó)外公司提供的塔器脫硫技術(shù)方案相比，占地面積減少三分之二左右，業(yè)主可節(jié)約近億元海洋平臺(tái)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(zhì)，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(huì)與鋼鐵管道發(fā)生化學(xué)作用，生成鐵離子或者鐵的氧化物，從而破壞管道的強(qiáng)度，甚至可能造成穿孔。此外，在壓力升高或溫度降低時(shí)，氣體中的水分子會(huì)與天然氣中的某些低分子量的烴類(lèi)或非烴類(lèi)氣體分子結(jié)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(chǎn)，因此需要對(duì)水進(jìn)行脫除。目前，采用三甘醇溶液對(duì)天然氣中的水分及性能脫除是海上平臺(tái)天然氣脫水應(yīng)用最為廣泛的方法。但該技術(shù)存在塔器傳質(zhì)效率低，占地面積大等缺點(diǎn)。

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(tái)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(xué)與中海油合作，開(kāi)發(fā)了超重力三甘醇脫水技術(shù)，建成國(guó)內(nèi)首套海上超重力三甘醇脫水裝置（圖14），在渤海一平臺(tái)進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用。該平臺(tái)的三甘醇系統(tǒng)處理天然氣時(shí)露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)，因此擬對(duì)原有脫水塔進(jìn)行擴(kuò)建改造，但此方案需要外擴(kuò)甲板，整體改造費(fèi)用很高。經(jīng)過(guò)技術(shù)比選，采用超重力技術(shù)對(duì)脫水工段進(jìn)行改造，該工段處理能力由原74萬(wàn)方/天提高到164萬(wàn)方/天，處理后天然氣露點(diǎn)達(dá)到-5℃。利用超重力機(jī)替代原脫水塔，在處理氣量提高一倍多的同時(shí)，還大幅度地減小了設(shè)備體積，節(jié)約了原平臺(tái)空間，因此共節(jié)省了近9000萬(wàn)元的投資。利用的趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)基于超重力技術(shù)的油氣資源就地轉(zhuǎn)化工藝及方法尤為迫切。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及對(duì)能源的迫切需求，未來(lái)我國(guó)對(duì)于海洋能源的依賴(lài)度將逐步提高，超重力技術(shù)因其過(guò)程強(qiáng)化特性在海洋工程中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)將大有作為。

符 號(hào) 說(shuō) 明

a——有效界面面積，m2·m-3

at——比表面積，m2·m-3

DG——?dú)怏w擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1

DL——液體擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1

dp——有效直徑，m

Fr——Froude數(shù)，F(xiàn)r=Q2/a2c(2πrh)2dp

5 展望與結(jié)論

超重力旋轉(zhuǎn)填料床經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，目前在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)學(xué)模型化及CFD 模擬方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。基于這些研究方法和研究基礎(chǔ)，超重力技術(shù)的工業(yè)放大方法日趨成熟。目前，超重力技術(shù)已經(jīng)在海洋油氣開(kāi)采的天然氣脫水、脫硫及注入水脫氧等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工業(yè)突破，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用價(jià)值。但鑒于海洋環(huán)境的復(fù)雜性及海洋工程的特殊要求，針對(duì)超重力過(guò)程技術(shù)的研究還有很多需要關(guān)注的內(nèi)容，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）海洋環(huán)境高濕、高鹽及氯離子存在的工況對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備材質(zhì)的要求需要進(jìn)行深入研究，以保證在海洋環(huán)境中長(zhǎng)周期運(yùn)行的可靠性。

（2）油氣開(kāi)采過(guò)程中所涉及的處理量巨大，在現(xiàn)有工業(yè)運(yùn)行基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備及技術(shù)的進(jìn)一步放大仍將面臨挑戰(zhàn)。

（3）實(shí)現(xiàn)油氣資源的就地轉(zhuǎn)化是遠(yuǎn)海油氣資源

g——重力加速度，m·s-2

kG——?dú)庀鄠髻|(zhì)系數(shù)

kGa——?dú)庀囿w積傳質(zhì)系數(shù)

kL——液相傳質(zhì)系數(shù)

kLa——液相體積傳質(zhì)系數(shù)

R——填料外徑，m

Sc——Schmidt數(shù)，Sc=μ/ρD

Vi——床內(nèi)半徑內(nèi)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(shù)，We=L2/ρa(bǔ)tσ

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(zhuǎn)速，rad·s-1