海上采油平台三相超重力脱硫技术的应用

刘 杰，张晓雷，余国贤，闫化云，李晓成，王 海

(1.中海油能源发展股份有限公司上海采油技术服务分公司，天津300452;2.华东理工大学，上海200237)

超重力技术是20世纪80年代快速发展成熟的新一代化工分离技术，使气－液在旋转填料层中充分接触，达到强化传质、传热的目的［1－2］。目前海上平台药剂脱硫技术在三相中的应用瓶颈在于如何强化过程传质，传统的在线混合装置无法满足要求。超重力技术可大大强化多相流体之间的传质，加快药剂与硫化氢的反应效率同时可大大节省平台空间。通过现场应用验证超重力技术海上平台应用的可行性，同时积累可靠数据为今后工艺优化及推广提供重要依据。现场硫化氢监测标准为:GB/T 11060.1－2010《碘量法测定硫化氢含量》。

1 实验及结果分析

1.1药剂及设备

脱硫剂GCL－203，有效成分有机胺;超重力脱硫装置;活化剂。

1.2 转速对硫化氢解析的研究

不加药剂，测定不同转速(100，300，500 r/min)时超重力机出、入口气相中硫化氢含量，试验结果见图1。

出口硫化氢浓度明显高于入口，高速旋转产生的超重力将液相中的硫化氢解析到气相中。进口碘量法分析的主要是游离气体，出口分析的气体大部分来源于液相解析气，从而造成了出口硫化氢浓度较高。

1.3 转速对脱硫效果的影响

超重力机入口硫化氢质量分数为600 μg/g，加药量为200 L/min，测定转速为100，300和500 r/min时出口硫化氢浓度，结果见图2。

图1 转速对其进出口流体硫化氢浓度的影响Fig．1 Effect of speed on H2S concentration of the import and export flow

随着超重力机转速增加，出口硫化氢质量浓度降低，脱硫效果增强。转速增加流体获得的超重力增加，流体湍流加剧，相界面更新速度加快，气液接触面积增加，传质系数、传质速率增加，脱硫效果明显增强［4－5］。

1.4 温度对脱硫效果的影响

超重力机加药量为200 mL/min，超重力机转速为500 r/min，操作温度分别为62℃和70℃，测定超重力机进、出口硫化氢浓度，结果如图3所示。

图2 超重力机转速与出口硫化氢浓度关系Fig．2 Relationship of super gravity speed and export H2S concentration

图3 温度对超重力机脱硫效果的影响Fig．3 Effect of temperature on super gravity desulfurization

温度由62℃上升到70℃时，入口硫化氢浓度变化不大，出口硫化氢浓度由106 μg/g下降为38μg/g，升高温度有利于药剂脱硫。温度升高降低了原油黏度和表面张力，更有利于旋转填料床将液相分散为更细小的液滴，降低传质阻力，加快反应速率，增强脱硫效果。

1.5 加剂点及药剂分配对脱硫效果的影响

固定井口和超重力机口的加剂总量为200，250 mL/min时，超重力机转速为500 r/min，操作温度为70℃，考察了井口和超重力机入口药剂分配对脱硫效果的影响，实验结果如表1所示。

加剂总量一定情况下，单独井口和超重力机加剂脱除效果要比在井口和超重力机两处加剂效果差。GLT－203药剂同硫化氢反应为多级反应，一级反应为快反应，后续反应逐级速度降低。一部分药剂加入井口，立即同水相中的硫化氢反应，同时反应掉部分油相中的硫化氢;井口加药混合效果不佳，难以脱除气相中的硫化氢，在超重力机入口加药，在超重力机超强传质作用下，迅速将气相中的硫化氢脱除。多点加剂以及药剂优化分配能充分发挥药剂的脱硫作用［5］。

表1 药剂量分配对脱硫效果的影响Table 1 Effect of the drug dose distribution on desulfurization result mL/min

1.6 药剂加量对脱硫效果的研究

固定井口和超重力机口药剂分配为2∶3，超重力机转速为500 r/min，操作温度为70℃，考察不同药剂总加量下超重力机进、出口硫化氢的浓度。结果见图4。

图4 总药剂浓度对流体硫化氢浓度的影响ig．4 Influence of the total agents added concentration on the liquid hydrogen sulfide concentration

在低的药剂用量时，出口硫化氢质量分数高于入口;总加剂量高于200 L/d时，出口硫化氢质量分数低于入口，随着总加剂的增加，进、出口液相硫化氢质量分数都降低，药剂总加剂量360 L/d时，出口硫化氢质量分数将为63 μg/g，加剂量增加到400 L/d时，出口硫化氢质量分数控制在20 μg/g以内，有非常好的脱硫效果。

1.6 吸收活化剂的强化作用试验

固定井口和超重力机口药剂分配为2:3，超重力机转速为500 r/min，操作温度为70℃，为进一步加强药剂的脱硫效果，在药剂中加入少量(10L/t)碱性有强吸附作用的活化剂，加快药剂液相脱出硫化氢的反应速度，结果见图5。

图5 吸收活化剂对GLT－203脱硫性能的影响Fig．5 Influence of absorption activator on desulfurization performance of H2S removal agent GLT–203

对比加入吸收活化剂前后的试验数据发现，加入吸收活化剂后脱硫效果明显增强，加药量360 L/d将超重力机出口硫化氢质量分数降低至21 μg/g，加药量400 L/d纯将超重力机出口的硫化氢质量分数降低至15 μg/g。吸收活化剂加入在一定程度可减少药剂用量。

2 结论及建议

在某平台进行了全世界首例超重力海管混输原油多相流体脱硫化氢现场工业试验，得到以下结论:

(1)GLT－203脱硫剂在混输海管多相流体中具有优良的脱硫性能;

(2)超重力机使药剂和流体充分混合并使其获得较大加速度，流体在填料床中湍流加剧，相界面生成和更新速度加快，传质速率增加，使药剂脱硫效果明显增加;

(3)升高温度、增加转速、多点加剂以及药剂量的优化分配、加入吸收活化剂能充分发挥药剂的脱硫作用;

(4)超重力脱硫设备协同药剂可以将多相流体中的硫化氢含量降至15μg/g以下，高效、经济地脱除混输原油多相流体中的硫化氢;

(5)药剂与硫化氢反应为不可逆反应，反应产物为缓蚀剂，建议开展反应产物的腐蚀性评价工作。

［1］ C．C．Lin，K．S．Chien，Mass－ transfer performance of rotating packed beds equipped with blade packings in VOCs absorption into water［J］，Sep．Purif．Technol．2008．63:138-144.

［2］ C.C.Lin，et al.，Feasibility of a cross－ flow rotating packed bed in removing carbon dioxide from gaseous streams［J］ Sep.Purif.Technol．2008．62:507-512.

［3］ J.S.Saien，A.E.Zonouzian，A.M.Dehkordi，Investigation of a two impingingjets contacting device for liquid–liquid extraction processes， ［J］ Chem．Eng．Sci．2006，61:3942-3950.

［4］ J.F.Chen，C.Zheng，G.A.Chen，Interaction of macro －and micro－mixing on particle size distribution in reactive precipitation，［J］Chem.Eng.Sci.1996，51:1957-1966

［5］ K.Guo．A study on liquid flowing inside the Higee rotor［D］．Ph.D．Thesis，1996．