填料葉片式旋轉(zhuǎn)床超重力三甘醇脫水裝置影響因素研究

孟江 張欽 易建國 程浩

1.重慶科技學(xué)院 2.中國石油西南油氣田公司致密油氣勘探開發(fā)項(xiàng)目部 3.中國石油青海油田天然氣公司

超重力強(qiáng)化傳質(zhì)新工藝已在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域成功應(yīng)用。但在天然氣三甘醇脫水領(lǐng)域，該工藝的應(yīng)用還處于初級(jí)階段。國外超重力技術(shù)應(yīng)用于三甘醇脫水方面的研究，Glitsch公司在路易斯安那州基于超重力裝置進(jìn)行了在不含H2S的氣體中利用二乙醇胺吸收CO2和用三甘醇進(jìn)行天然氣脫水兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，并獲得了成功。國內(nèi)超重力技術(shù)已成功應(yīng)用于海洋油氣工程中的天然氣脫水工藝，北京化工大學(xué)與中海油合作開發(fā)超重力三甘醇脫水技術(shù)，建成了國內(nèi)首套海上超重力三甘醇脫水裝置，在渤海一平臺(tái)進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用[1]。該工段處理能力由原74×104m3/d提高到164×104m3/d，處理后天然氣露點(diǎn)由0.98 ℃降至-5 ℃，出口天然氣中水質(zhì)量濃度由78.96 mg/m3降至36.64 mg/m3，利用超重力機(jī)替代原脫水塔，在處理氣量提高1倍多的同時(shí)，脫水能力明顯增強(qiáng)，設(shè)備體積大幅減小，節(jié)約了原平臺(tái)空間，投資成本驟減[2]。

目前，超重力的核心部件為旋轉(zhuǎn)床，其型式多樣，在傳熱傳質(zhì)中具有不同的特點(diǎn)[3-6]。填料葉片式旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)簡單，具有較好的傳質(zhì)效果。本研究以葉片式重力旋轉(zhuǎn)床為研究對(duì)象，分析該旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)三甘醇脫水效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

濕氣(空氣加濕)流量為2 400 L/h，貧三甘醇取自現(xiàn)場，純度(w)為98.6%，循環(huán)量設(shè)定為100 L/h。進(jìn)氣壓力0.3 MPa。脫水效果以氣體水露點(diǎn)表示。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)

本研究采用葉片式旋轉(zhuǎn)床，內(nèi)部由6個(gè)等規(guī)格葉片按60°間隔沿周向排布，每個(gè)葉片寬度約25 mm，厚度4 mm，高65 mm，氣液兩相在葉片之間的填料空間以逆流形式接觸，三甘醇分布器由噴淋管與進(jìn)液管組成相連，管徑大小保持一致(4 mm)，噴淋管隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，倒“T”型結(jié)構(gòu)噴淋管橫向兩側(cè)對(duì)稱開孔，孔徑設(shè)定為約1 mm，每側(cè)各10個(gè)孔，間距0.1 mm。開孔有兩種類型：①固定裝置底部不開孔；②固定裝置底部開孔。葉片式旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，圖中標(biāo)注尺寸以mm為單位。

1.2.2實(shí)驗(yàn)整體裝置

圖2為超重力脫水模擬實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖，根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行超重力脫水模擬實(shí)驗(yàn)。

露點(diǎn)測量采用AZ8726探針式露點(diǎn)儀(臺(tái)灣衡欣科技股份有限公司)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)先進(jìn)行裝置的調(diào)試，開啟壓縮機(jī)進(jìn)行整套實(shí)驗(yàn)裝置的吹掃，吹掃時(shí)間5～6 min，穩(wěn)定氣流和校準(zhǔn)濕氣的水露點(diǎn)；再調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速按200 r/min的梯度，依次增大到1 200 r/min，每次調(diào)整保持0.5～1 min，觀察確認(rèn)進(jìn)出口露點(diǎn)儀顯示露點(diǎn)一致。

裝置調(diào)試完成后，在貧三甘醇體積流量為100 L/h、貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.6%、濕氣體積流量為2 400 L/h的條件下，分析不同條件下脫水效果的變化情況。每次工況發(fā)生變化后，維持1～2 min的穩(wěn)定時(shí)間，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 溫度和轉(zhuǎn)速的影響

圖3是進(jìn)氣口無導(dǎo)流片時(shí)不同貧甘醇溫度和轉(zhuǎn)速下的氣體脫水效果曲線(倒“T”型噴淋器固定裝置下部無孔)。

由圖3可知，在貧三甘醇溫度不變的情況下，隨著旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速的增大，干氣水露點(diǎn)呈下降趨勢。當(dāng)旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速未達(dá)到800 r/min時(shí)，表現(xiàn)為隨著轉(zhuǎn)速的增大，干氣水露點(diǎn)持續(xù)下降。當(dāng)旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速達(dá)到800 r/min后，隨著轉(zhuǎn)速的增大，干氣水露點(diǎn)降低的幅度變化不大。在旋轉(zhuǎn)床中，三甘醇在葉片和填料上主要以液膜的形式存在，在空腔區(qū)主要以液滴的形式存在[7-8]。轉(zhuǎn)速增大，在三甘醇界面張力不變的條件下，三甘醇分散的液滴變小[9]，三甘醇分散更充分，附著在葉片上的三甘醇由于周向速度的增加而液膜厚度變小，傳質(zhì)阻力減小，且液體表面更新速度加快，使傳質(zhì)強(qiáng)度增大[10]，從而使三甘醇更易吸收氣體中的水分，氣體中的水含量降低，水露點(diǎn)下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過800 r/min后，三甘醇在旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)體中分散已經(jīng)比較均勻，轉(zhuǎn)速增大對(duì)三甘醇液滴的分布影響不大，三甘醇液滴形成的吸收表面更新速率變緩，轉(zhuǎn)速增大已經(jīng)不能使吸收界面更新速度發(fā)生明顯變化，傳質(zhì)強(qiáng)度不會(huì)明顯加強(qiáng)，反而增加了三甘醇被氣流帶走的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速不變，在溫度不低于30 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，氣體水露點(diǎn)緩慢增大，這與傳統(tǒng)的吸收法規(guī)律一致。在其他條件不變時(shí)，當(dāng)溫度和轉(zhuǎn)速同時(shí)增大時(shí)，氣體水露點(diǎn)明顯上升，表明對(duì)于葉片式超重力裝置，溫度對(duì)三甘醇脫水效果的影響比轉(zhuǎn)速的影響程度更大。當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，干氣水露點(diǎn)偏高的主要原因?yàn)椋涸跍囟容^低的條件下，三甘醇黏度較大，達(dá)到47.1 mPa·s，分布器噴出的量偏少，且不易均勻分布，造成氣液接觸不充分，傳質(zhì)效果較差，表現(xiàn)為水露點(diǎn)偏高。當(dāng)溫度達(dá)到30 ℃以上時(shí)，三甘醇黏度明顯下降，且隨著溫度的升高，其下降幅度不大。因此，在溫度達(dá)到30 ℃以上后，就可以不考慮三甘醇黏度變化對(duì)脫水效果的影響。圖4為超重力裝置進(jìn)氣口采用不同形狀導(dǎo)流片時(shí)不同溫度、轉(zhuǎn)速下的脫水效果，圖中標(biāo)注尺寸以mm計(jì)。導(dǎo)流片垂直于進(jìn)氣方向，氣液兩相在葉片之間的通道以逆流形式接觸，倒“T”型噴淋器固定裝置下部無孔。由圖4可知，進(jìn)氣口增加導(dǎo)流片后，在相同條件下，干水露點(diǎn)變化趨勢與圖3一致。表明在氣體不同進(jìn)口條件下，轉(zhuǎn)速與溫度變化對(duì)三甘醇脫水效果的影響規(guī)律一致。對(duì)于目前的超重力三甘醇脫水裝置而言，旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速在800 r/min、溫度在30～50 ℃時(shí)氣體的脫水效果較佳。

2.2 進(jìn)氣口導(dǎo)流片的影響

氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入旋轉(zhuǎn)床內(nèi)腔后直接沖向出口，易造成短路，影響傳質(zhì)效果[11]。在進(jìn)氣口增加導(dǎo)流片時(shí)，改變氣流的流動(dòng)方向，使旋轉(zhuǎn)床進(jìn)口處的氣體流速更加均勻，與三甘醇液滴的接觸更加充分[11]。但不同的導(dǎo)流片形狀對(duì)氣體的能量影響不同，如圖4所示。從圖4分析，當(dāng)氣體通過方形導(dǎo)流片時(shí)，三甘醇脫水效果低于弧形導(dǎo)流片(與方形同面積)的效果。主要原因是氣體經(jīng)過進(jìn)氣口方形導(dǎo)流片時(shí)，會(huì)形成較大的漩渦，大于弧形導(dǎo)流片形成的漩渦，明顯降低了氣體的能量，增大了氣體通過超重力脫水裝置的壓降，從而降低了三甘醇脫水效率。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，在超重力裝置進(jìn)氣口處安裝與超重力殼體同弧度的導(dǎo)流板，可提高三甘醇脫水效果。

2.3 旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)中三甘醇分布器位置和結(jié)構(gòu)的影響

由于目前超重力脫水裝置在旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速為800 r/min、溫度為30～50 ℃的條件下脫水效果較佳。因此，在研究三甘醇分布器結(jié)構(gòu)和位置對(duì)三甘醇脫水效果影響時(shí)，只分析了旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速為800 r/min和溫度為40 ℃時(shí)的情況。圖5是旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速為800 r/min、溫度為40 ℃時(shí)不同開孔結(jié)構(gòu)分布器距旋轉(zhuǎn)床下底板不同位置時(shí)的氣體脫水效果和三甘醇脫水曲線。

從圖5分析，當(dāng)分布器倒“T”型噴淋管下部有孔時(shí)，噴淋管越靠近出氣口，干氣水露點(diǎn)越低，脫水效果越好。當(dāng)噴淋管接近出氣口(即噴淋管距旋轉(zhuǎn)床下底板50 mm)時(shí)，干氣水露點(diǎn)變化不大，脫水效果變化不明顯，但氣體中攜帶的三甘醇量增加，三甘醇損失量增大。其原因是在進(jìn)氣條件不變時(shí)，三甘醇分布器越接近氣體出口，氣體與三甘醇接觸越充分，體現(xiàn)出了傳統(tǒng)塔式三甘醇脫水的特點(diǎn)，由于旋轉(zhuǎn)床的存在，又使三甘醇液滴分布更為均勻，促進(jìn)了三甘醇與氣體的充分接觸，使得脫水效率提高。同時(shí)，由于三甘醇液滴直徑變得更小，且接近氣體出口，便于氣體攜帶而造成損失。

從圖5中還可以看到，在同樣的條件下，分布器倒“T”型噴淋管固定裝置下部無孔的氣體脫水效果明顯優(yōu)于底部有孔的。其原因主要是底部固定裝置無孔的分布器將三甘醇更多地噴射到葉片和填料的中上部，使更多三甘醇能與氣體進(jìn)行較為充分的接觸，從而提高脫水效率。當(dāng)分布器的位置接近氣體出口位置時(shí)，底部固定裝置有孔的分布器下部噴出的三甘醇大部分會(huì)在旋轉(zhuǎn)床的中上部分布。此時(shí)，兩種型式的分布器脫水效果接近。

通過試驗(yàn)分析，當(dāng)三甘醇分布器中噴淋管距旋轉(zhuǎn)床下底板50 mm位置時(shí)，脫水效果變化不大，但氣體帶走的三甘醇量明顯增大。在分布器固定裝置底部有孔的條件下，三甘醇損失量占整個(gè)三甘醇循環(huán)量的0.14%(w)，而分布器固定裝置底部無孔時(shí)，三甘醇損失量增加到0.16%。表明三甘醇越向旋轉(zhuǎn)床的中上部分布，三甘醇的損失量越大。

因此，三甘醇分布器的設(shè)計(jì)既要考慮脫水效果，又要考慮三甘醇的損失。在考慮三甘醇損失控制的前提下，三甘醇分布器底部少開孔，盡量靠近氣體出口位置布置。

3 結(jié)論

針對(duì)填料葉片式超重力三甘醇脫水裝置，通過模擬實(shí)驗(yàn)分析了不同條件下的脫水效果。

(1) 在其他條件不變時(shí)，溫度和轉(zhuǎn)速對(duì)脫水效果均有明顯的影響，溫度對(duì)脫水效果的影響大于轉(zhuǎn)速。在實(shí)驗(yàn)條件下，最佳脫水溫度為30～50 ℃，轉(zhuǎn)速為800 r/min。

(2) 進(jìn)氣口加裝導(dǎo)流片形狀對(duì)脫水效果有明顯的影響。加裝與旋轉(zhuǎn)床殼體弧度相同的導(dǎo)流片，脫水效果和效率更好。

(3) 三甘醇分布器中倒“T”型噴淋管鉆孔位置和安裝位置對(duì)脫水效果和三甘醇損失量有明顯的影響，倒“T”型固定裝置無孔，有利于三甘醇在空間上向中上部分布，增加氣體與三甘醇的接觸時(shí)間，提高脫水效果；三甘醇分布器噴淋管越靠近氣體出口，脫水效果越好，但三甘醇損失量會(huì)增加。