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陈赓良 的个人博客

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超重力不能脱硫

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近年来,我国文献中有关“超重力脱硫”的报导可谓铺天盖地,应用领域涉及天然气选吸脱硫、脱碳、脱水与液相氧化法脱硫等等,但遗憾的是迄今为止尚未发表过令人信服的工业试验数据。从文献报导看,所谓超重力脱硫实际是在旋转填料床(RPD)中实现的溶液法气体脱硫过程;而实质上是一种置于离心力影响下填料接触塔(器),以气相为连续相时其结构简图如图1所示。


图1   旋转填料床气液传质系统结构示意图


一.超重力脱硫是一个错误的概念

地球重力即为引力(g),是当前自然界中已经确认的四种相互作用力之一,而所谓“超重力”(supergravity)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风马牛不相及。同时,超重力既非强化传质工艺,也非强化传质设备,如何能进行脱硫?因此,超重力脱硫是一个错误的概念。有趣的是在讨论RPB(包括我国作者发表)的英文文献中,只有Higee System或RPB两种提法,从未见过supergravity desulfurization 这样的提法。由此可见,超重力脱硫也是一个颇具中国特色的错误概念,似乎有意要将众所周知的旋转填料塔说得神乎其神,实际是混淆了离心力与重力这种完全不同的作用力。

强调上述基本概念,并非咬文嚼字。在RPB中,由于较高的g是由离心力诱导而来,因而的升高值与,相互间影响非常复杂;且力是矢量而具有方向性,从而更增加了问题的复杂性。

作为强化传质设备的旋转填料床应用于伴有化学反应的气液吸收过程,如原料气醇胺法脱硫、脱碳和尾气选吸脱硫等,虽然国内外均开展过大量研究,但目前国内外对离心力作用的本质、强化传质的机理、传质系数的数学模型、设备结构的改进等方面的认识,远未达到商业化应用的水平。


二.离心力增加对重力的影响迄今未能建立定量的关联模型

离心力(Centrifugal force)是一种惯性的表现,实际是不存在的。为使物体做圆周运动,物体需要受到一个指向圆心的力——即向心力;通常在文献中是将与向心力相平衡、而方向相反的虚拟力称为离心力(F)。在式(1)中,m表示物体的有效质量;v表示沿周界运动的速度;r表示圆周半径;ω表示角速度(即1s旋转的弧度,v=ωr)。


上式表明,离心力F将随转子的有效质量、角速度和转子半径的增加而增加。但由于在RPB中,处理物系与工况条件的相互影响关系错综复杂;因而离心力增加对重力g变化的影响,迄今未能建立定量的关联模型。例如,文献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8.0cm,内部半径为2.2cm,轴长为4.0cm。当此RPB在300rpm~2400rpm范围旋转内时,产生的离心力相当于。如果在离心力方向上的产生的力仅有5g,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500rpm开始。


三.建立适合工业装置应用的RPB内部传质模型非常困难

从基本原理的角度分析,RPD是一种利用强大的离心力促使重力g增大以强化气液传质的设备。因此,处于离心力场影响下RPB的液相体积传质系数()必然与填料床半径及其旋转速度密切有关。

Yi-Shao Chen等在外径(ro)为6cm,内径(ri)为1-5cm的RPB中,测定了O2-丙三醇系统在不同液流量及旋转速度下的,在液相流量为882ml/min工况下的测定结果如图2所示。


图2   在不同内径RPB中与旋转速度与的关系

从图2所示数据可以归纳出两个结论:

(1) 随着RPB半径增加降低;

(2) 随着旋转速度增加增加。

由于填料床半径及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,故建立适合工业装置应用的RPD内部的传质模型非常困难。Yi-Shao Chen等在关联大量实验数据的基础上,提出了如式(2)所示的传质模型。尽管(2)已经相当复杂,但它仅能应用于实验所涉及的设备尺寸与工况条件范围而不能外推。当将式(2)推广应用于各种不同半径、不同物料体系的RPB系统时,就可能出现误差极大的计算值,甚至得出完全错误的结论。


四. 对RPB的泛点、阻力降、等板高度(HETP)的认识还有待深化

对天然气醇胺法脱硫而言,H2S净化度是个关键性指标。大量工业经验与理论分析均表明,当要求达到优于20mg/m3的净化度指标时,通常吸收塔至少需要20块实际塔板(或相应的等板高度的填料)。工业上通常以塔板效率25%估计,故设计吸收塔时应考虑其传质高度约为5块理论塔板。

目前国内外的研究者大多以处理常规填料塔中气液吸收过程的理论来关联实验数据以建立模型,但由于RPB中诸多影响因素的变化规律随处理物系和填料特性不同而变化,因而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的研究工作,迄今尚不能对其泛点、阻力降、等板高度等关键参数得出有工业应用价值的经验公式。例如,文献还曾报导过一个在RPD中进行甲醇/乙醇系统精馏的实验研究,在转速为600rpm~1600rpm时可以提供4g~298g离心力。实验结果表明:8.6mm厚的填料层仅相当于1~3块理论板,等板高度(HETP)约为3cm~9cm;这些数据甚至还低于常规填料塔。由此可见,当前不可能得出诸如“RPB传质效率较传统填料塔可以提高1~2个数量级”之类的普遍结论。

文献曾报导过建于我国某炼油厂的一套RPB炼厂气吸选脱硫工业试验装置,其主要技术参数如表1所示;图3所示则为该RPB装置的照片。在原有的常规填料塔中,填料段高度为12m,填料体积为14m3;而RPB内填料高度仅1.42m。


表1    RPB工业试验装置与原有填料吸收塔技术参数的比较


图3   RPB工业试验装置的现场照片

很遗憾,该工业试验装置自2007年建成以来从未发表过试验数据。但从国外文献发表的数据分析,在工业规模RPB的工况条件下,不可能在不足1.5m的填料段内将原料气中浓度达15g/m3的H2S降至净化气中的20mg/m3的水平。

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)达到大于710C以防止利用透平膨胀机法回收轻烃时原料气生成水合物。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:要达到上述ΔT,吸收塔必须至少有;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。因此,上述露点降目标不可能在RPB中实现!


五.国外工业试验结果表明RPB不适用于天然气选吸脱硫

1987年,在美国San Juan天然气净化厂建设了两套RPD工业试验装置,用甲基二乙醇胺(MDEA)水溶液进行选吸脱硫。试验装置的最大处理量为56.3×104m3/d,最高操作压力为8.5MPa,最大贫液循环量为45.6m3/h。RPD最高转速1200rpm。两套RPD的规格示于表2。

表3所示的试验数据都是在表2中编号(2)的RPD中完成的;这套装置是30年来发表过较完整试验数据的、规模最大的试验装置,试验数据极具代表性。

表2   试验用RPD的规格(cm)


RPD试验装置投入运行后,共取得了60套数据。由于CO2取样分析和试验条件平稳控制等方面均存在困难,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。调整后试验数据显示的吸选效果基本可信,典型的试验结果示于表3。

表3    典型的试验结果

分析表5数据可以得到如下认识。

(1)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的效果较明显。但在此工况下,气液比达到约5000,H2S脱除率仅91.4%,净化气不合格。

(2)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2900,净化气中H2S含量可以达标,且CO2共吸收率仍可保持约10%。

(3)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。但对H2S与CO2净化度而言,气液比的影响比转速更大;当RPD的转速达到900rpm后,继续提高转速对选吸脱硫效果的影响不明显。

(4)总体而言,RPD在特定的操作条件下对改善选吸有较明显作用,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;且高速旋转的RPD自身存在诸多管理方面的要求颇难解决,故工业试验探索,也未见有工业应用的报导。