孟凡然 ， 曹 永， 金 濤， 張公濤， 夏明磊

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司， 天津 300452；2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461；3.中海油(天津)管道技術工程有限公司， 天津 300452)

0 引 言

海洋平臺生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的伴生氣一般通過火炬放空的方式處理，造成一定程度的碳排放[1]。隨著我國海上油氣田的開發(fā)規(guī)模擴大，利用已有或待建的海底管道建設海底管網(wǎng)，既能推進周邊各個區(qū)塊的區(qū)域性滾動開發(fā)，又能將油田多余的天然氣輸送至陸地終端并接入陸地燃氣管網(wǎng)。利用海底管網(wǎng)回收天然氣可大幅提高天然氣回收率，提升經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，已成為我國海上油田節(jié)能減排、提質增效的重要手段。

天然氣特別是濕氣的長距離管道輸送仍然面臨技術挑戰(zhàn)，管道內存在的大量液體會加速海底管道的內腐蝕和水合物的生成，不利于管道長期穩(wěn)定的運行。目前應對這一問題的主要措施是在生產(chǎn)平臺上設置三甘醇(Triethylene Glycol，TEG)脫水裝置。TEG脫水工藝屬于溶劑吸收法，其主要機理為：TEG分子結構中的羥基和醚鍵能與水分子形成氫鍵[2]，對水有極強的親和力，具有較高的脫水率。TEG具有容易再生、運行成本低的優(yōu)點，在天然氣脫水領域得到了廣泛的應用。

1 海洋平臺TEG脫水工藝流程簡介

海洋平臺TEG脫水工藝(見圖1)設備主要包括入口分離器、吸收塔、閃蒸罐、再生塔、再沸器等。其中，吸收塔是脫水部分的核心，一般采用塔盤式結構設計，含水天然氣從塔底進入，TEG在重力作用下從塔頂流經(jīng)塔盤，在吸收塔中與含水天然氣充分接觸并吸附水分。TEG吸附天然氣中的水分和輕烴等物質后變?yōu)楦桓蚀迹烊粴饷撍笞優(yōu)楦蓺?。富甘醇再流?jīng)閃蒸罐、再沸器和再生塔，脫除吸收的輕烴和水分，再生為貧甘醇，通過甘醇循環(huán)泵輸送循環(huán)回到吸收塔。傳統(tǒng)脫水工藝應用較為成熟，脫水效果也可滿足外輸要求，但仍有如下問題：

圖1 海洋平臺TEG脫水流程

(1) 為提高經(jīng)濟效益，海上油田往往采用大氣量集中外輸?shù)姆绞?，脫水設備在設計上既需要考慮匹配外輸氣的容量，又需要保證TEG與天然氣的有效接觸面積和接觸時間，設備的尺寸、體積無法壓縮，造成布置困難，油田總體投資增加。

(2) 脫水塔等設備的填料每3～6 a需要清洗維護，清洗或更換填料的成本高、時間長。長時間清洗維護還會造成停產(chǎn)，使油田經(jīng)濟效益下降。

2 超重力機技術簡介

超重力指遠大于地球重力加速度環(huán)境下的物質所受到的力。超重力技術在化工設備中又被稱為旋轉填料床(Rotating Packed Bed，RPB)，是一種通過RPB高速旋轉產(chǎn)生的離心力實現(xiàn)超重力環(huán)境，利用超重力場代替脫水塔的重力場，強化分子間的分子擴散與相間接觸進而強化傳質過程的新技術。利用RPB的特殊結構，在超重力環(huán)境下流經(jīng)RPB的液體會受到巨大的剪切力，液體被撕裂成微米甚至納米級別的液膜、液滴甚至液絲，產(chǎn)生巨大和快速更新的相界面，使相間傳質速率較傳統(tǒng)塔式設備提高1～3個數(shù)量級，微觀混合和傳質過程得到顯著強化[3]。

2.1 超重力機的結構和工作原理

超重力機RPB(見圖2)由環(huán)狀絲網(wǎng)填料組成[4]，氣相在壓力梯度下從氣體引口管進入轉軸外腔，從轉軸外緣進入填料，液體從進口管經(jīng)噴淋頭灑在轉軸內緣，填料轉子在電機的驅動下高速旋轉產(chǎn)生超重力場，進入轉軸的液體受到填料的作用周向速度增加，產(chǎn)生的離心力將其推向轉軸外緣，在這一過程中液體表面被撕裂破碎成極薄的液膜或液滴，形成極大的、不斷更新的表面積，曲折的流道也加速界面更新，使轉軸內形成良好的傳質條件。液體與氣體在轉軸內逆向接觸，液體被拋至外殼后匯集并經(jīng)出口離開，氣體自轉軸中心離開轉軸，由氣體引出管引出，完成傳質過程[5]。

圖2 超重力機RPB結構圖

2.2 超重力機的主要優(yōu)點

與傳統(tǒng)塔式設備相比，超重力機有如下優(yōu)點：

(1) 氣液傳質效率高；

(2) 設備體積、重量小，填料清洗維護方便，運行成本較低。

2.3 超重力機的主要應用

(1) 天然氣/油田伴生氣等的凈化(脫H2S、脫水等)[6]；

(2) 工業(yè)煙氣脫硫(SO2)除塵[7-8]；

(3) 油田注水/鍋爐水超重力脫氧；

(4) 超重力碳捕集[9]；

(5) 納米材料制備；

(6) 化工過程強化反應。

3 超重力機TEG脫水模擬試驗

3.1 試驗設備和流程

以TEG為吸收劑，以軸向長度為80 mm、轉子內徑為70 mm/外徑為260 mm的鋼絲網(wǎng)填料作為RPB，以濕空氣模擬天然氣，試驗TEG流量、濕空氣流量、RPB轉子轉速對脫水后空氣露點的影響。TEG流量為100～800 L/h，濕空氣流量為2～20 m3/h，RPB轉速為1～1 300 r/min，試驗流程如圖3所示。

圖3 試驗流程示例

3.2 小試模擬試驗

3.2.1 TEG流量和質量分數(shù)對空氣露點的影響

不同TEG質量分數(shù)下TEG流量對露點降的影響如圖4所示。在氣量恒定的前提下，TEG流量對露點降的影響非常顯著，但達到一定液量后露點的下降就不夠明顯。同時TEG溶液質量分數(shù)對露點的影響也很明顯，高質量分數(shù)下的露點降遠好于低質量分數(shù)下的露點降。這證明提高TEG再生的質量分數(shù)比增加流量容易獲得更多的露點降。但TEG不能在過低的流量下運行，否則將無法保證TEG擁有足夠的動壓頭，這會增大氣液相逆向接觸的傳質阻力，降低吸收率。當試驗流量在400 L/h 以上時露點下降明顯，但是過大的流量增加了能耗同時增大對TEG再生能力的要求，因此選擇最優(yōu)經(jīng)濟流量對工業(yè)運行非常關鍵。

圖4 不同TEG質量分數(shù)下流量對露點降的影響

3.2.2 RPB轉速對空氣露點的影響

RPB轉速對露點的影響如圖5所示，在TEG流量、濕空氣流量恒定的前提下，空氣露點隨轉速的增加而下降。當轉速超過一定范圍時，轉速增加使氣液接觸時間減少，轉速繼續(xù)增加對露點的影響不太明顯。轉速增加使液體的旋轉速度增加，在液體后方造成低壓區(qū)，氣體補充這一低壓區(qū)向填料出口的運動趨勢增加，氣體通過填料層時的壓降顯著增加，不利于天然氣外輸。

圖5 不同TEG質量分數(shù)下超重力機轉速對露點降的影響

3.2.3 濕空氣流量對空氣露點的影響

濕空氣流量對露點的影響如圖6所示，在TEG流量、RPB轉速恒定的前提下，濕空氣流量的增加對露點溫度的影響較為緩慢，總體露點溫度變化不超過±3 ℃，但當TEG流量低于200 L/h時，露點溫度的變化更明顯。這也印證了第3.2.1節(jié)經(jīng)濟TEG流量的觀點。

圖6 不同TEG流量下濕空氣流量對露點降的影響

4 超重力機天然氣脫水工藝流程設計

由模擬試驗的結果可知，利用超重力機對天然氣進行脫水效果非常明顯，且具備工業(yè)應用潛力。假設用超重力機替代原脫水塔，平臺天然氣脫水流程如圖7所示?？紤]油田的實際情況，天然氣入口壓力較高，在超重力機內氣液接觸時間短，易夾帶甘醇，在超重力機氣相出口增加1臺聚結器，用來分離天然氣中夾帶的甘醇。聚結器分離出的甘醇與超重力機內的富甘醇匯合，并回流至再生系統(tǒng)。

圖7 超重力機脫水流程

5 超重力機與脫水塔的運維成本對比

陸地某化工項目超重力機和脫水塔的運維成本對比如表1所示。由表1可知，超重力機的運維成本明顯低于脫水塔，且維修簡單方便，不會造成長時間停產(chǎn)檢修。

表1 超重力機和吸收塔運維成本對比

6 結 論

進行超重力機脫水模擬試驗，并結合海上平臺實際情況，得出如下結論：

(1) 在TEG流量相對較低或氣液比較大的工況下，氣量增加會造成露點溫度的快速上升，但在TEG流量較大或氣液比較小的工況下氣量的增加對露點溫度的影響較為平緩。兼顧實用性和經(jīng)濟性，可根據(jù)特定平臺的氣量得出適合的經(jīng)濟TEG流量。

(2) 在同樣的TEG流量下，再生后TEG質量分數(shù)越高，露點降越大，提高TEG的再生效果對脫水效果影響非常大。

(3) 超重力機脫水工藝流程與傳統(tǒng)TEG流程基本相同，只是用超重力機代替脫水塔。超重力機傳質效率高，核心設備的體積顯著減小，這有利于海上平臺的流程改造。

(4) 超重力機填料結構為絲網(wǎng)結構，尺寸較小，便于清洗，運維成本明顯低于脫水塔。超重力機的維修更方便，可縮短油田停產(chǎn)檢修時間。

(5) 在高壓、大氣量工況下，由于超重力機的強化混合，甘醇液相被分散，易造成天然氣夾帶從而造成甘醇損失，應在超重力機氣相出口設置甘醇聚結器，以強制分離天然氣中夾帶的甘醇。

海上油田天然氣通過海底管道長距離輸送具有較大的經(jīng)濟和環(huán)境效益，天然氣的脫水效果對管道的長期穩(wěn)定運行非常重要。超重力技術是一種高效傳質技術，具有設備體積小、維修方便的優(yōu)勢，非常適合在空間狹窄的海洋平臺上應用。本文提出將超重力機用于海洋平臺天然氣脫水，并進行模擬試驗。通過模擬試驗，得出超重力機脫水存在經(jīng)濟TEG流量的結論，在經(jīng)濟TEG流量下可得到足夠的露點降，且氣量的波動對露點溫度影響不大。由模擬試驗可知，在高壓、大氣量工況下，由于超重力機的強化混合，甘醇液相被分散，易造成天然氣夾帶而造成甘醇損失的問題，可設置甘醇聚結器以解決該問題。模擬試驗的結論為超重力機脫水下一步的工業(yè)化應用提供技術支持。