NS穿流复合塔板对于乙二醇再生塔在海上平台防晃动可行性分析*

王海萍 张燕鹏 刘峰 佘志鸿 葛新灿 乔英云 田原宇

（1.中国石油大学（华东）化学工程学院；2.启东中远海运海洋工程有限公司海工和新能源研发中心；3.中国石油天然气股份有限公司规划总院）

目前工业上常用的除水合物方法是在开采过程中加入水合物抑制剂，常用的水合物抑制剂主要有乙二醇和甲醇[1]，乙二醇相比甲醇更易于回收且成本低[2]，因此在工业上被广泛采用。作为水合物抑制剂使用的乙二醇会通过精馏再生后循环使用，因此乙二醇精馏塔是乙二醇脱水再生工艺的核心设备之一，但由于常规的再生精馏塔在海上平台晃动状况下，极易出现干区，从而造成气液接触不良、效率大幅度下降和操作不稳定。近年来有学者[3-4]对乙二醇再生工艺进行节能优化研究，但是关于乙二醇再生塔在海上平台规避晃动的研究较少。

1 晃动对海上浮式装置的影响

1.1 晃动对塔性能的影响

受海上操作平台空间的限制，要求使用塔径较小的塔器设备，同时要考虑到设备有抗风浪适应能力，结合实际操作范围、压降、起泡、腐蚀和造价等综合因素，因此海上油气田广泛采用填料塔而不是板式塔装置。

传统塔器设备对于塔体的垂直度要求非常严格，一般不超过0.3% 。在海上操作平台，设备一直处于晃动状态，这就导致设备轴线与重力方向始终不能保持一致。

经众多学者研究表明，海上晃动会导致塔器内气液分布不均、气液分离、压力波动以及持液量波动等，随着摆动角度的增加，不均匀现象更加严重，当摆动角度和周期超过一定值后，填料的分散性能显著下降[5-10]。

1.2 晃动对液体分布器及液体再分布器的影响

作为填料塔中非常重要的部件，液体分布器的主要作用是消除填料塔内存在的液体不均匀分布现象，减少因为分布不均匀导致的传质效率下降[11]。一般在填料塔塔顶设置液体分布器，在填料塔一定高度设置液体再分布器，下面对常用的排管式液体分布器、槽式液体分布器和槽盘式液体再分布器在海上操作平台中的研究进行介绍。

排管式液体分布器：在不同的晃动形式和晃动幅度下，对分布器的孔口流量分布影响较大的为横摇和纵摇，且随着晃动幅度的增大，分布器的整体分布质量明显下降。针对该种情况，当排管式液体分布器的孔口直径减小时，分布器的分布均匀性增加，此时受海上晃荡的影响液减小，并指出真滴特定的晃动角度和喷淋密度下，液体分布较均匀的孔口直径[12]。

槽式液体分布器：在不同的晃动工况下，对一级槽的分配性能影响最大的为纵摇运动，其次是纵荡，而横摇、艏摇、横荡和垂荡几乎没有影响；对于二级槽的分配性能影响最大的为横摇，其次是纵摇，艏摇、横荡、纵荡和垂荡的影响较小。因此提出提高一级槽和二级槽的槽体高度以满足防溢出要求，同时对于二级槽可增加竖直隔板，可起到一定的阻晃效果[13]。

槽盘式分布器：静止工况下，传统槽盘式再分布器性能较好。液体偏移工况下，造成的液位高低差异是再分布器再均布效果下降的主要原因，其整体孔口流量受横摇和纵摇影响较为严重。全区域均匀进液和偏流进液情况下，再分布器均布效果均较差，受海上晃动工况影响较大。因此，设计了新型槽盘式液体再分布器，新型气液再分布器的底板被合理分割，提高了原有再分布器对区域偏流和孔口流量差异的矫正效果，从而对于较小晃动幅度下再分布器的液体均布性能进行了优化，研究结果对于Fluent 模拟重力式再分布器流场分布的准确性提供了一定程度的验证，为重力式气液再分布器在海上晃动平台上的模拟优化提供了一定的理论基础。

在海上晃动平台中，对于液体分布器和再分布器的主要优化目的为尽量避免较大的摇摆度数加载到分布器上，减少分布器内的液体溢出，对于排管式分布器，应满足各孔口加载的液体压头足够克服晃动对分布器造成的液体分布不均，孔口直径需进行合理设计的情况下受晃动的影响更轻，对于槽式和槽盘式则可通过增加分区的方法实现，减小每个分区内的液体波动，减少区域偏流情况。

2 乙二醇再生塔优化方案探讨

2.1 目前运行情况

某海上天然气开采项目中，采用乙二醇作为天然气水合物抑制剂，且用量较大，乙二醇再生塔采用填料塔，为保证乙二醇再生后贫液质量分数达到设计要求，需保证再生塔内气液接触不存在干区情况，采用的回流比较大，故乙二醇再生过程能耗较高，对乙二醇再生塔在晃动工况下的性能进行研究发现：当海上操作平台的晃动角度达到6°时，塔底贫液产品中乙二醇浓度的波动幅度可达到2%；当海上操作平台的晃动角度增加至8°时，塔底贫液产品中乙二醇浓度的波动幅度增加至3.1%；当海上操作平台的晃动角度为10°时，塔底贫液产品中乙二醇浓度的波动幅度达到3.3%；数据表明塔底产品中乙二醇质量分数随着海上操作平台晃动角度的增大而出现更大幅度的波动。而在同一晃动角度下，塔底贫液产品中乙二醇浓度随着晃动周期的延长而出现更大幅度的波动；另外在相同周期的晃动之下，填料塔从高到低液相受到的扰动逐渐减弱；在相同角度的晃动下，不同高度截面的持液率、吸收液轴向速度和吸收液的径向速度，在填料塔从高到低的截面处，三个检测指标受扰动幅度都在逐渐减小。

在该海上天然气开采项目中，操作平台一直处于晃动状态，乙二醇为保证塔内不出现干区情况需增加回流比，从而能耗相应增加。

2.2 优化设计

针对传统塔器，可考虑增加塔径，增加液体再分布器，增加喷淋密度等方式来缓解晃动对于再生产品品质的影响，但是这些方式均会带来投资成本或运行成本的增加。该天然气开采项目中，通过对海上操作平台的晃动程度对乙二醇再生塔的影响研究分析可知，在保证产品质量的前提下，可考虑降低再生塔的塔高，减少晃动对于再生塔内传质的影响，同时减少回流比减少再生过程中的能耗。

但对传统填料塔，减小回流比势必会造成塔器在晃动角度较大时塔内出现干区的情况，针对该情况，提出对原有填料塔进行优化，塔板可采用中国石油大学（华东）低碳能源化工团队研制出的NS穿流复合塔板[14]，NS 穿流复合塔板俯视图见图1。

NS 穿流复合塔板具有以下特点：①采用穿流复合塔板上层加隔板的方式，通过合理分区与设置隔板高度，可降低晃动对版面液体分布不均的影响，提高传质效率；②采用大孔径穿流塔板双层固定复合，孔径错对并合理设置双板间距，强化两板间的气液传质，板上形成丰富泡沫层，提高传质效率，同时高开孔率降低板压降，提高塔的处理能力；③塔板采用H 型分块安装，竖边作为塔板自身支撑梁，解决塔板安装与强度难题；④塔板具有气液自分配作用，省去填料塔的气液再分配器，简化塔设备结构，提高塔内传质空间利用率，降低塔高。上述特点构建高开孔率、低压降高效率穿流符合塔板，在板面形成多个全混型区域，大幅度提高塔板效率和处理能力，同时减小塔高和塔径，适应海上平台的需求，实验结果表明，穿流符合塔板的传质效率比普通大孔径筛板高出20%左右，且在整个操作范围内效率都在80%以上，较高气速下接近100%。

2.3 应用实例

2011 年，针对菏泽玉皇化工降低醚后碳四的异丁烯含量和提高装置处理能力的需求，将原条形浮阀塔板的MTBE 共沸塔的上部改为反应段，下部改为NS 穿流立体复合塔板及其配套液体分布器，改造后在产量达到设计要求的前提下，回流比可降低至1.8 倍，产量提高了2.5 倍。2014 年，三江化工针对三江化工环氧乙烷装置扩量后两套乙二醇减压分离塔存在的处理能力和分离精度不足问题，在利用原有塔器设备部件的前提下，将原有填料改为NS穿流复合塔板，改造后单套减压装置产品精度达到99.95 %；处理能力达到1.8 t/h，远高于原来两套填料塔的处理能力。NS 穿流复合塔板改造前后对比情况见表1。

表1 NS 穿流复合塔板改造前后对比情况Tab.1 Comparative situation of NS through-flow composite tray before and after transformation

从NS 穿流复合塔板在工业上的应用案例可看出该塔板具有传质效率高等特点，同时可有效减少塔高、降低回流比，若将该塔板应用于海上操作平台后，需结合现场实际晃动工况，通过优化塔板上隔板高度与布置设计合理的塔板，减小因晃动造成的气液分布不均的情况，相比传统填料塔，穿流复合塔板在相同的塔效率下可减小塔高，从而重心下移，减少晃动对塔器造成的影响，又因为塔板上隔板的存在可有效减小回流比，从而有效减小再生能耗。

3 结论与展望

1）对于传统塔器设备，在海上晃动平台中，塔内的气液分布和压力波动随着海平面的晃荡呈现一定的规律性，当晃荡角度和摇摆角度增大时，塔内液体分布的不均匀现象越严重。压力波动变的更加明显，对于传统塔器设备，可通过增加塔径、减小填料床层的高度、增加填料段的数量和液体再分配器，增加喷淋密度等措施减小晃动对塔器效率造成的影响。但是塔径、填料段与再分布器的增加势必增加塔高，从而导致塔器重心升高，受晃动的影响更加明显，同时此种优化方法也容易引起设备成本以及运行成本的增加。

2）对于海上操作平台，排管式液体分布器具有抗干扰性强、运行相对稳定等特点，同时该类型分布器驱动力为液体压力，能较好的适应海上晃动，所以该分布器较适用于海上操作平台填料塔对液体进行预分布。对于传统的槽盘式液体再分布器，可将底板进行合理分割，新型气液再分布器的底板被合理分割，而这些优化则需要进一步的放大实验研究。

3）新型乙二醇再生穿流复合塔板可显著提高塔传质效率，因为隔板的存在可有效减少晃动对于塔板上气液分布不均的影响，进而降低塔高，减少设备成本；同时由于塔板被分为多个“全混型”小区域，在相同的晃动角度下，相比传统填料塔，塔板可减少由于晃荡引起的“干区”情况，在适当减少回流比的情况下亦不易引起操作不稳定，从而大大降低再生能耗，减少运行成本。目前该类塔板还未应用于海上开采平台中，在后续工作中需进行更深入的实验研究，从宏观以及微观尺度对新型塔板进行深入研究，得出该类型塔板在海上操作平台运行特点，通过理论分析得出适用于海上操作平台的该类塔器设备的优化设计方案，从而有效用于海上油气开采项目中，减少投资成本，降低工艺能耗。