超重力技术在TEG脱水中的应用研究

超重力技术在TEG脱水中的应用研究
马国光1，李晓婷1，李楚2，张晨1，游东潘1
（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都 610500；2.大庆油田工程建设有限公司巴州建材分
公司，新疆库尔勒 841000）
摘要：文中通过建立传质模型研究了超重力技术在三甘醇脱水中的应用，探讨了超重力技术三甘醇脱水的原理及工艺流程。

得出在天燃气脱水工艺中使用超重力机，在一定范围内提高超重力机的转速、增加三甘醇的流量或减少天然气的流量有利于加强气液反应过程的传质，可以提高天然气脱水的效率。

关键词：天然气；传质模型；超重力技术；三甘醇脱水
超重力技术是20世纪80年代发展起来的新一代分离技术。

超重力机传质强度高，可大幅度地增强传递效应、减少设备的体积，降低设备投资。

虽然超重力技术在国内外有一定的应用，包括了超重力脱硫化氢、脱二氧化碳、脱二氧化硫、脱硫除尘、吸收氮氧化物、吸收磷肥尾气中氨气和回收丙酮乙酸乙酯回合溶剂等技术，但是还未应用于三甘醇脱水工艺中[1~4]。

目前海上平台的天然气中含水上升造成了海上气田设备、管道的腐蚀加剧，传统的天然气脱水技术虽然有一定的效果，但存在设备尺寸庞大、占地面积大、总体重量大的缺陷。

对于面积紧张且限重的海上采油平台，不适合采用陆地上应用的天然气脱水技术。

1 超重力机的结构与原理
超重力机用旋转的环状多孔填料床代替垂直静止的塔器，使气－液在旋转填料层中充分接触，在液相的高度分散、表面急速更新和相界面得到强烈的扰动的情况下进行传质、传热，使反应过程得到强化[4，5]。

和塔式设备相比，体积传质系数高很多，设备的体积和重量仅是塔式设备的百分之几，超重力机结构示意见图1。

图1 超重力机结构示意
气相在压力梯度的作用下由气体进口管引入转轴外腔，从转轴外缘处进入填料，液体在泵的作用下由进口管经喷头淋洒在转轴内缘上；填料转子在电机的驱动下高速旋转形成远大于重力加速度的超重力环境，进入转轴的液体受到转轴内填料的作用，周向速度增加，所产生的离心力将其推向转轴外缘。

在该过程中，液体被填料分散、破碎形成极大的、不断更新的表面积，曲折的流道加剧了液体表面的更新[6，7]。

因此，在转轴内部形成了极好的传质与反应条件，液体被转轴抛到外壳汇集后经液体出口管离开旋转填料床，气体自转轴中心离开转轴，由气体出口管引出，完成传质与反应过程[8]。

2 传质模型建立
2.1 传质的理论经验模型
目前，超重力场传质的理论模型有1959年Davidson 发表的关于重力场中填料塔内部传质的统计模型和1989年Munjal 提出的Munjal 模型。

Davidson 统计模型以乱堆填料作为研究对象，假定平板处于完全润湿状态，在平板上的流动方式为层流，利用渗透理论推导出了重力场中的传质系数模型。

Munjal 等人以玻璃珠作为填料，将旋转填料简化成旋转圆盘以及旋转
叶片，得出了旋转填料床内传质系数的关联式[9，10]。

2.2 超重力场传质的经验模型
超重力场经验传质模型通过试验研究各影响因素之间的关系，然后进行归纳总结，从而得到传质系数与各影响因素之间的经验表达式。

康荣灿等以CO 2-NaOH 作为实验介质，建立了旋转填料床中体积传质系数K L a 与操作条件气相流速G 、液相流量L 以及超重力因子等因素的关系[11]。

焦讳洲等人以CO 2-NaOH 作为实验介质，研究了多孔波纹板填料中，传质性能与旋转填料结构、超重力因子β、液体流量L 、气体流速G 等因素的关系。

并针对其中一种填料对体积传质系数进行关联。

3 超重力场在TEG 脱水中的传质模型建立
3.1 超重力场下TEG 脱水的液相传质系数
旋转填料床逆流操作时气量变化对液体的流动影响不是特别明显，因此，在液相传质系数的讨论过程中忽略气相对其流动产生的影响。

超重力场中，由于液体在旋转填料上的撞击
使得液体表面更新速度相当快[12,13]。

因此，采用表面更新理论来计算液相传质系数。

根据
Danckwerts 的表面更新理论，计算液相传质系数的理论公式为：
L K （1） 式中 K L 为液相传质系数，m/s ；D 为扩散系数，m 2/s ；S 为表面更新率，1/s 。

要计算液相传质系数就必须先计算出扩散系数D 和表面更新率S 。

扩散系数D 根据wilke-chang 公式求出：
000=D T D T μμ
⋅ （2）
在超重力旋转填料中，液体表面更新迅速，液体表面更新速度受径向和切向2个方向的影响[8]。

假设在径向方向上液体每经过一层旋转填料，其表面更新一次。

径向表面更新率S 径向公式为：
21
S =N u R R -径向径向 （3） 假设在切向方向上液体每碰撞一次旋转填料，其表面也更新一次。

根据液体在填料内径向运动和切向运动的时间一致的原则，从而得到计算切向表面更新率S 切向的方法，即：
S =l u S u l ⋅⋅径向切向切向径向
径向周向 （4） 式中 u 切向为填料中液体的平均切向速度，m/s ；u 径向为填料中液体的平均径向速度，m/s ；l 径向为填料层与层径向上的中心距，mm ；l 切向为每层填料周向的中心距，mm 。

3.2 超重力场下TEG 脱水的气相传质系数
气相传质系数使用恩田等提出的气相传质系数经验关联式进行计算。

由于计算机性能的限制，建立的物理模型具有一定的局限性，因此，这里不考虑超重力场中液相对气相流动的影响[14，15]。

恩田关联式：
10.723=C()()()G V G p G G G G
k RT G ad aD a D μμρ- （5） 在恩田等提出的气相传质系数关联式的基础上，结合超重力旋转填料结构及流场特点，改变关联式中一些参数的求解方法，从而初步建立了超重力场气相传质系数
表达式为：
10.73=C ()()()G G G G G G G G u a D k a D R T
ρμμρ （6） 式中 C 为系数，取2.0；u G 为旋转填料中气体的平均流速，m/s ；ρG 为天然气的密度， kg/m 3；a 为旋转填料的比表面积，m 2/m 3；μG 为天然气的粘度，pa ·s ；D G 为三甘醇扩散系数，m 2·s ；l 周向为旋转填料的周向距离，m ；R 为气体常数，8.314；T 为气体温度，K 。

根据超重力旋转填料床中液体流动特点，选择了表面更新理论建立液相传质系数模型，通过上述6个公式可以建立超重力三甘醇脱水的传质模型，并且通过计算发现，当入口速度和转子转速的适当增大时，有利于传质过程的进行[16~20]。

4 超重力技术三甘醇脱水工艺
4.1 TEG 脱水的原理 天然气三甘醇脱水工艺工艺属于溶剂吸收法，是目前应用最普遍的天然气脱水方法之
一。

其利用吸收原理，采用甘醇类物质作为吸收剂与天然气充分接触，使水传递到溶剂中从
而达到脱水的目的。

在甘醇的分子结构中含有羟基和醚键，能与水形成氢键，氢键能和电负性较大的原子相连，包括同1分子或另1分子中电负性较大的原子。

因此甘醇对水有极强的亲和力，具有较高的脱水深度，这是甘醇与水能够完全互溶的根本原因。

4.2 脱水工艺流程
超重力技术在三甘醇脱水工艺中的运用中，将超重力机安装在为脱水的天然气和三甘醇储罐和中间，未脱水的天然气从上方进入超重力机，与同时从上方进入的三甘醇在超重力机的旋转中充分接触，从而达到更好的脱水效果[21]。

超重力技术三甘醇脱水流程见图2。

图2 重力技术三甘醇脱水流程
5 结论
超重力机为气液反应提供了高效的空间，为气液反应提供了革命性的理念。

在天然气三甘醇脱水过程中，采用超重力机，提高了天然气脱水的效率。

并且在一定范围内，提高超重力机的转速、增加三甘醇的流量、减少天然气的流量有利于强化气液反应过程的传质工作。

因此，超重力技术可在一定程度上提高脱水效率，对于海上平台或自发电厂及有气液反应的工艺有积极的意义。

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收稿日期：2016-02-26
作者简介：马国光，男，副教授，1981年毕业于西南石油大学油气储运专业，现从事天然气的集输与处理和LNG技术的教学及研究工作。

Application Research of gravity technology in TEG Dehydration
Ma Guoguang1，Li Xiaoting1，Li Chu2，Zhang Chen1，You Dongpan1（1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，610500，China 2. Daqing Oilfield Engineering Construction Company Limited Building
Materials Company，Kuerle，841000，China）
Abstract：In order to improve the efficiency of natural gas dehydration offshore platforms，reduce corrosion and equipment covers offshore gas field equipment and pipelines. In this paper，with gravity natural gas dehydration technology-based new technology，by studying mass transfer model and to verify the feasibility of the establishment of gravity technology in natural gas dehydration and to study the gravity technology in TEG Dehydration，Discussion on the gravity technology principle and TEG dehydration process. Obtained using gravity machine in natural gas dehydration process，and increase the speed of gravity machine within a certain range，increase or
decrease the flow rate of TEG flow of natural gas in favor of strengthening the gas-liquid mass transfer reaction processes work，you can improve the efficiency of natural gas dehydration.
Keywords：natural gas，high gravity technology，three glycol dehydration，mass transfer model。