晃动对槽盘式再分布器性能的影响

唐建峰 崔 健 邢庆艳 张伟明 金新明 马鹏飞

1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院 2.中国石油大学（华东）山东省油气储运安全省级重点实验室3.恒大集团山东公司

随着海洋资源勘探开发力度的不断加大，世界各国陆续开始对海上天然气资源进行探索和研究[1-3]。浮式液化天然气生产储卸装置（Floating Liquef i ed Natural Gas，FLNG）可根据海上天然气气田的生产状况进行灵活配置，节约运输成本，不占用陆上空间，且安全环保[4-7]。作为最重要的塔内件之一，再分布器对气液流场的调整和矫正发挥着重要作用，直接关系到处理后气体的品质和经济效益。而海上晃动工况对塔内件稳定性、高效性等提出了更高要求[8-9]。

槽盘式再分布器集液体收集、液体分布和气体分布3种作用于一体，具有占位低、抗堵塞性好、液体夹带少、高弹性、压力降较低等优点[10-13]。从填料段底部流出的液体堆积到再分布器底板和塔壁构成的空间内，形成一定高度的液位。其中，挡液风帽可以防止落下的液体进入升气管，同时起到均布气体的作用；堆积在底板上的液体没过升气管上的出液孔时，在液体静压的作用下从出液孔流出，沿着导液管流到下一层填料上面，完成液体均布；从填料塔底部上来的气体则流经升气管到达上层填料塔[6,14]。

1 实验装置的设计

1.1 实验主体流程

实验装置和主体流程如图1所示。实验时，利用离心泵将储水槽中的水按预定流量打入初始流场给定装置中，初始流场给定装置可以通过调节出口处的阀门将液体以一定偏流形式输入到再分布器中，从而达到模拟填料内液体偏流的效果。偏流后的液体经过再分布器分配到下一层的流量检测装置。通过流量检测段对再分布器分布后的液体流量进行检测，从而评价再分布器的分布效果。从再分布器流出的液体进入回收水槽后通过软管汇入到储水槽，完成液体的循环。

图1 气液再分布器的实验流程图

实验的主体部分，即初始流场给定装置、再分布器段、流量检测装置和回收水槽都放置在晃动平台上，晃动平台可以实现六自由度的单独晃动以及多自由度耦合晃动，通过调节晃动幅度以及晃动频率实现不同晃动工况[6-9]。

实验所用槽盘式再分布器尺寸为（图2）：底板直径为1.2 m，共有6个升气管，升气管宽度为80 mm，气体通道占塔截面的35%，升气管高为200 mm，孔口开设在距离底板20 mm处，孔口直径为10 mm。给定不同的进液条件，研究静止、横摇和纵摇工况下液体分布器的均布性能，得到晃动对槽盘式再分布器性能影响规律。

1.2 初始流场给定装置的确定

根据填料塔内的偏流形式，对再分布器实验的液相初始流场给定装置进行设计[15]。由于液相初始流场给定装置需要随再分布器一起晃动，因此需要保证给定的流场在晃动中保持稳定。另外，进液装置需要保证3个区域的进液量准确可控，便于计算进液的不均匀程度。设计后的初始流场给定装置结构如图3所示。

图3 初始流场给定装置示意图

1.3 检测装置的设计

1.3.1 再分布器的主要指标

由于再分布器的主要功能是收集填料段底部流出的不均匀液体并实现再均匀分布[16]，因此选取不均匀度（Mf）作为评价指标[9,17]，其计算公式如下：

式中N表示所要计算出口的总个数；Qoi表示i号孔口出口的流出量口，流m量L，/s。mL/s；表示所要计算孔口的平均

1.3.2 检测装置的确定

实验通过接取并测量每个液体的出口流量以检测液相不均匀度，实验中的流量检测装置如图4所示。

图4 流量检测装置示意图

流量检测装置位于气液再分布器下方，由量筒和推拉板组成，不接取液体时，推拉板向一侧推开，各量筒与气液再分布器出口相互错开。接取液体时，推拉板向内推进，每个再分布器出口与一个量筒对应，接收一定时间内的液体后，将推拉板拉出，完成液体流量的同时接取，通过读取量筒流量数据，完成液体流量的测量，进而完成对气液再分布器各出口流量不均匀度的计算。

2 数值模型的建立

2.1 模型建立及网格划分

建立槽盘式再分布器的几何模型（图2）。考虑到进液的方向和槽内液体流动的轨迹，选择方向性更强的六面体进行网格划分，从圆柱体的上表面到下表面方向上排列。图5所示为槽盘式气液再分布器网格划分图。

图5 槽盘式气液再分布器网格划分示意图

2.2 边界条件设置

模型采用捕捉气液界面效果较好的VOF模型，压力速度耦合采用Simple算法，动量采用二阶迎风格式，湍流动能和湍流耗散均采用一阶迎风格式。认为水不可压缩，进料口处截面定义为速度入口，所有出口定义为压力出口。模型的晃动是通过导入UDF（User-Def i ned Function）定义模型晃动速度实现，横摇及纵摇形式如图6所示。

图6 横摇及纵摇晃动形式图

2.3 模型准确性验证

为验证所建模型的准确性，拟定了3组典型工况，对实验和模拟的结果进行对比分析。

取1/4周期内的0周期时刻、1/16周期时刻、2/16周期时刻、3/16周期时刻和4/16周期时刻的流量值记为Q0、Q1、Q2、Q3和Q4，计算Q0和Q1的平均值、Q1和Q2的平均值、Q2和Q3的平均值、Q3和Q4的平均值分别记为Q01、Q12、Q23、Q34，将Q01、Q12、Q23、Q34加和后乘以1/16周期的时间即近似为1/4周期内的累计流量值。利用以上方法，对比静止、横摇5°和纵摇5°工况下的实验和模拟孔口流量，以其中一条槽上的孔口流量为例，对比结果如表1所示。

从表1数据可以看出，经过处理后的模拟结果

表1 模拟与实验的孔口流量对比表

与实验结果匹配较好。其中，静止工况和纵摇工况的孔口累计流量值误差绝大多数都在5%以内，模拟精度较高，绝大多数误差在10%以内，满足工程精度要求。因此认为数值模型建立和修正后较为准确，可用于模拟研究。

3 静止工况下的性能分析

3.1 全区域进液工况

全区域进液是给槽盘式再分布器的整个截面上均匀进液，其中各槽上孔口流量分布如图7所示。

从图7可以看出，在静止全区域均匀进液的条件下，各个槽上的孔口流量分布十分均匀。其中位于再分布器两侧的1、6号槽上的孔口流量基本保持在50 mL/s左右，而2～5号槽上的孔口流量略有微波动。此工况下槽盘式再分布器内部的液位分布情况如图8所示。

从图8明显看出，在此工况下槽盘式再分布器内部液位十分稳定，进液带来的液面波动很小。稳定的液位在各排孔口上形成的液体压头基本相同，根据孔口流速和加载到孔口上液体压头的关系，各孔口的出口流量基本保持一致。实验中各出口液体出流情况如图9所示。

各个槽孔口流量的平均值和不均匀度值如表2所示。

从表2数据可以看出，在此工况下，各槽孔口流量的平均值和不均匀度均相近，并且各槽上孔口流量的不均匀度和整体孔口流量的不均匀度都维持在0.03以下，由此可知，在静止全区域均匀进液工况下，传统的槽盘式再分布器的液体均布效果很好。

图7 静止全区域进液工况下的孔口流量分布柱状图

图8 静止全区域进液工况下的再分布器液位分布图

图9 静止全区域进液工况下各孔口液体出流情况照片

表2 静止全区域进液工况下各槽孔口的流量平均值和不均匀度值表

3.2 2/3区域进液工况

2/3区域进液是给再分布器进行局部均匀进液，其中各槽上孔口流量分布如图10所示。

从图10可以看出，虽然各槽上的孔口流量波动仍然较小，但是相比于全区域进液的工况，各孔口流量之间的高低差别有所增大。另外，虽然本次工况下整个再分布器截面上只有2/3区域进液，但是再分布器各槽间未出现较大的平均流量差异。分析可知是由于底板上的液体连通性较好，落入再分布器的液体迅速串流并铺满整个再分布器截面，从而使得加载到各个孔口上的压头基本一致，出口流量也基本相同。各个槽孔口流量的平均值和不均匀度如表3所示。

图10 静止2/3区域进液工况下的孔口流量分布柱状图

表3 静止2/3区域进液工况下各槽孔口流量平均值和不均匀度值表

从表3数据可以看出，此工况与全区域进液相比，各槽的平均流量同样保持基本一致，不均匀度较全区域进液工况均有所增大，整体孔口流量的Mf值也略微增大，但增大幅度均很小。可见在静止工况下，2/3区域进液对再分布器的流量均布效果影响较小。

3.3 1/3区域进液工况

与2/3区域进液类似，1/3区域进液也是给再分布器进行局部均匀进液，各槽上的孔口流量分布如图11所示。

从图11可以看出，与全区域进液的工况相比，此工况下各孔口的流量波动情况也有所增加，与2/3区域进液的情况类似，总体上仍保持较高的分布质量。因此1/3区域进液工况给槽盘式再分布器各槽孔口流量带来的影响仍较小。各个槽孔口流量的平均值和不均匀度如表4所示。

从表4数据可以看出，此工况下各槽孔口平均流量之间的差别很小，孔口流量的不均匀度较全区域进液工况有所增大，但同样维持在0.03左右。从整体分布质量上比较，全区域进液情况优于2/3区域进液情况及1/3区域进液情况，但是3组工况间的差异很小。

综上可知，在静止工况下，即使进液出现较为极端的2/3区域进液或者1/3区域进液的情况，由于槽盘式再分布器的水平度较高，内部连通性较好，液体能迅速形成稳定且高度一致的液位，所以液体均布性保持较好，即静止工况下槽盘式再分布器对偏流进液的再均布效果较好，且与偏流程度基本无关。同时，下文晃动工况下的进液条件仅选取全区域进液工况和2/3区域进液工况。

4 晃动工况下的性能分析

4.1 横摇工况

4.1.1 全区域进液工况

横摇5°全区域进液情况下各槽上孔口在1/4晃动周期内的平均流量分布如图12所示。

在此工况下，由于再分布器向编号较小的孔口一侧倾斜，内部液位随之发生倾斜，图13显示的是再分布器倾斜到最大角度时的内部液位分布情况。倾斜的液位导致加载到各排孔口上的液体压头不同，各孔口的流量也产生较大差别。从图12中可以看出，各槽上的孔口流量分布规律基本一致，以2号槽为例，处于晃动较低位置的1～4号孔口流量较大，处于晃动较高位置的5～8号孔口流量较小，并且高低位置处孔口的平均流量差异较大。

图11 静止1/3区域进液工况下的孔口流量分布柱状图

表4 静止1/3区域进液工况下各槽孔口的流量平均值和不均匀度值表

图12 横摇5°全区域进液工况下的孔口流量分布柱状图

从图13中可以看出，随着晃动的进行，特别是在横摇到最大角度时，再分布器内部液位发生明显偏移，在晃动过程中处于较高位置处底板上的液位逐渐降低，这部分区域内的孔口流量逐渐减小直至无液体流出，因此大幅度降低了再分布器整体的均布质量。各个槽上孔口流量的平均值和不均匀度如表5所示。

从表5中数据可以看出，虽然每个槽上孔口的平均流量基本相同，但是由于每一排上各孔口之间的流量存在较大差异，使得每个槽上的孔口流量不均匀度和整体的孔口流量不均匀度数值较大，基本上都在0.5～0.6之间，与静止工况下的不均匀度相比，数值增大了一个数量级，分布质量下降了一个等级。

4.1.2 2/3区域进液工况

横摇5°2/3区域进液情况下各槽上孔口在1/4晃动周期内的平均流量分布如图14所示。

图13 横摇5°全区域进液工况下再分布器液位分布图

表5 横摇5°全区域进液工况下各槽孔口流量平均值和不均匀度值表

图14 横摇5°2/3区域进液工况下的孔口流量分布柱状图

从图14中可以看出，此工况下的各孔口流量分布与全区域进液下的流量分布规律是相似的，区别在于此工况下各槽上1号孔口的流量更大，8号孔口的流量更小，各个槽的左右侧孔口流量差异更大。主要是由于横摇带来的液位倾斜造成的，区域偏流带来的影响效果不明显。各个槽孔口流量的平均值和不均匀度如表6所示。

从表6数据可以看出，与横摇5°全区域进液的情况类似，此工况下各槽孔口的平均流量基本一致，都在50 mL/s左右。但是各槽孔口流量的不均匀度和整体不均匀度较大，基本都在0.6左右，比全区域进液情况更恶劣，但是下降的程度与横摇本身带来的影响程度相比明显要小。可见横摇工况下槽盘式气液再分布器分布质量下降的原因主要是液面倾斜，偏流程度带来的影响效果较小。

4.2 纵摇工况

4.2.1 全区域进液工况

纵摇5°全区域进液情况下各槽上孔口在1/4晃动周期内的平均流量分布如图15所示。

如图15所示，由于纵摇运动，气液再分布器向槽编号较小的一侧倾斜，造成1、2、3号槽附近的液位较高，孔口流量也相应变大；4、5、6号槽附近的液位较低，孔口流量也相应变小。槽内液位如图16所示，液位高度的变化导致各排孔口流量产生差异。从图16中可以明显看出，1号和6号槽的平均流量差距最大，2号槽和5号槽次之，3号槽和4号槽最小，各排槽上孔口之间的流量波动情况较静止工况下也有所增大。

各个槽孔口流量的平均值和不均匀度如表7所示。

从表7数据可以看出，与横摇工况不同，纵摇工况带来的影响主要表现在各排槽上孔口流量的平均值之间产生较大差异，但是每排槽上孔口流量的不均匀度较小，大多在0.04以下。由于各槽孔口平均流量之间存在较大差异，纵摇工况下整体的不均匀度达到0.373 6，与横摇工况下整体的不均匀度0.599 1相比，虽然分布效果受影响的程度更小，但是与静止工况相比仍然提高了一个数量级。

表6 横摇5°2/3区域进液工况下各槽孔口流量平均值和不均匀度值表

图15 纵摇5°全区域进液工况下的孔口流量分布柱状图

图16 纵摇5°全区域进液工况下再分布器液位分布图

表7 纵摇5°全区域进液工况下各槽孔口流量平均值和不均匀度值表

4.2.2 2/3区域进液工况

纵摇5°2/3区域进液情况下各槽上孔口在1/4晃动周期内的平均流量分布如图17所示。

此工况下，各槽孔口流量的分布规律同纵摇全区域进液工况类似，主要表现为各槽孔口平均流量之间的差异较大，而2/3区域进液的边界条件未带来较为明显的影响效果。各个槽孔口流量的平均值和不均匀度如表8所示。

表8中数据同样显示出，在此工况下，各槽孔口流量的不均匀度维持在同一个数量级，但是整体流量的不均匀度到达了0.375 2，与纵摇全区域进液工况下的整体流量不均匀度基本相同。可见，区域偏流在纵摇工况中的影响程度同样很小。

图17 纵摇5°2/3区域进液工况下的孔口流量分布柱状图

表8 纵摇5°2/3区域进液工况下各槽孔口流量平均值和不均匀度值表

5 结论

1）静止工况下，由于传统的槽盘式再分布器在结构设计上满足喷淋点足够多、喷淋点位置均布的要求，并且水平条件下的再分布器内部液位保持一致，因此各喷淋点的出液量基本保持相同，整体孔口流量的不均匀度数值在10－2数量级上，均布性很好。

2）静止、横摇和纵摇工况下，进液偏流程度的改变对槽盘式再分布器均布效果的影响程度很小，横摇5°和纵摇5°时，全区域进液和极端的2/3区域进液情况下的整体孔口流量不均匀度差值在5%以内，基本可以忽略，再分布器均布效果下降的主要原因是液体偏移造成的液位高低差异。

3）横摇5°工况下槽盘式再分布器的整体孔口流量不均匀度增大至0.5以上，纵摇5°工况下增大至0.3以上。晃动5°工况下，无论全区域均匀进液还是偏流进液，槽盘式再分布器出口均布效果均较差，受海上工况影响较大。

[ 1 ] 陶明信, 刘朋阳, 李晶, 徐义, 陈祥瑞, 张爱华, 等. 全球油气资源量及预测研究综述[J]. 资源科学, 2015, 37(6): 1190-1198.Tao Mingxin, Liu Pengyang, Li Jing, Xu Yi, Chen Xiangrui,Zhang Aihua, et al. Overview and forecast of global oil and gas resources[J]. Resources Science, 2015, 37(6): 1190-1198.

[ 2 ] 颜映霄, 徐正斌, 王世清. 国内外海上油田油气集输及配套技术现状和发展趋势浅析[J]. 中国海洋平台, 2002, 17(2): 7-10.Yan Yingxiao, Xu Zhengbin & Wang Shiqing. An analysis on the gathering & transportation technologies of offshore oil and gas and their relevant facilities[J]. China Offshore Platform, 2002,17(2): 7-10.

[ 3 ] 陈利琼, 韩晓瑜, 黄坤, 吴晓南, 吴世娟, 卢泓方, 等. LNG储备库蒸发气回收工艺研究[J]. 石油与天然气化工, 2015,44(1): 39-44.Chen Liqiong, Han Xiaoyu, Huang Kun, Wu Xiaonan, Wu Shijuan, Lu Hongfang, et al. Study of boil off gas recovery process in LNG repository[J]. Chemical Engineering of Oil &Gas, 2015, 44(1): 39-44.

[ 4 ] 薄玉宝. 浮式液化天然气(FLNG)技术在中国海上开发应用探讨[J]. 中国海洋平台, 2013, 28(3): 1-5.Вo Yubao. Floating liquef i ed natural gas (FLNG) technology in China oあshore development application to discussion[J]. China Oあshore Platform, 2013, 28(3): 1-5.

[ 5 ] 巨永林, 顾妍, 李秋英. 浮式LNG生产储卸装置关键设计技术对比分析[J]. 化工学报, 2009, 60(增刊1): 27-34.Ju Yonglin, Gu Yan & Li Qiuying. Comparison analysis on key technologies of LNG-FPSO[J]. CIESC Journal, 2009, 60(S1): 27-34.

[ 6 ] 唐建峰, 张豪杰, 程强, 杨文刚, 张伟明, 史泽林. 晃动对填料塔动持液量影响研究[J]. 化学工程, 2017, 45(10): 54-58.Tang Jianfeng, Zhang Haojie, Cheng Qiang, Yang Wengang,Zhang Weiming & Shi Zelin. Inf l uence of sloshing on dynamic liquid holdup of packing column[J]. Chemical Engineering(China), 2017, 45(10): 54-58.

[ 7 ] 唐建峰, 崔健, 修云飞, 杨文刚, 金新明, 张伟明. 海上天然气脱酸塔内排管式液体分布器各喷淋密度下的孔径研究[J].化工进展, 2017, 36(4): 1192-1201.Tang Jianfeng, Cui Jian, Xiu Yunfei, Yang Wengang, Jin Xinming& Zhang Weiming. Research on orifices diameter of calandria liquid distributor used in offshore deacidification tower with diあerent spray densities[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2017, 36(4): 1192-1201.

[ 8 ] 唐建峰, 黄彬, 金新明, 花亦怀, 史泽林, 程强. 耦合晃动工况下填料塔流体分布性能[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2017, 41(1): 130-137.Tang Jianfeng, Huang Вin, Jin Xinming, Hua Yihuai, Shi Zelin& Cheng Qiang. Fluid distribution performance of packed tower under coupling sloshing working conditions[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Sciences), 2017,41(1): 130-137.

[ 9 ] 唐建峰, 杨帆, 崔健, 褚洁, 张豪杰, 修云飞. 晃动对FLNG排管式液体分布器性能的影响[J]. 天然气工业, 2016, 36(1):123-128.Tang Jianfeng, Yang Fan, Cui Jian, Chu Jie, Zhang Haojie & Xiu Yunfei. Eあects of sloshing on the performance of FLNG calandria liquid distributor[J]. Natural Gas Industry, 2016, 36(1): 123-128.

[10] 张波, 闫文平, 高维平, 王茁. 槽盘式气液分布器的优化设计[J]. 青岛科技大学学报, 2003, 24(2): 156-158.Zhang Вo, Yan Wenping, Gao Weiping & Wang Zhuo. Optimal design of box-type gas-liquid distributor[J]. Journal of Qingdao University of Science and Technology, 2003, 24(2): 156-158.

[11] 董谊仁, 孙凤珍. 填料塔液体分布器的设计(续四)——液体再分布器[J]. 化工生产与技术, 1999(1): 4-12.Dong Yiren & Sun Fengzhen. The design of liquid distributor in packed column (V): Liquid redistributors[J]. Chemical Production and Technology, 1999(1): 4-12

[12] 董谊仁, 侯章德. 现代填料塔技术(二)——液体分布器和再分布器[J]. 化工生产与技术, 1996(3): 20-27.Dong Yiren & Hou Zhangde. Technology for modern packed column (II): Liquid distributor and liquid redistributor[J]. Chemical Production and Technology, 1996(3): 20-27.

[13] 王树楹, 李锡源, 魏建华. 现代填料塔技术指南[M]. 北京: 中国石化出版社, 1998.Wang Shuying, Li Xiyuan & Wei Jianhua. Modern packed tower technical guide[M]. Вeijing: China Petrochemical Press, 1998.

[14] 赵汝文, 田桂林, 于健. 盘槽式气液分布器的设计及应用[J].石油化工设备, 2005, 34(6): 54-55.Zhao Ruwen, Tian Guilin & Yu Jian. Design and application of pan-trough liquid gas distributor[J]. Petro-chemical Equipment,2005, 34(6): 54-55.

[15] 周凯. 晃动条件下胺法脱碳吸收塔结构设计优化研究[D]. 青岛: 中国石油大学(华东), 2015.Zhou Kai. Studies on decarbonization tower design optimization under sloshing conditions[D]. Qingdao: China University of Petroleum (East China), 2015.

[16] Ali AM, Jansens PJ & Olujić Ž. Experimental characterization and computational fl uid dynamics simulation of gas distribution performance of liquid (Re) distributors and collectors in packed columns[J]. Chemical Engineering Research and Design, 81(1):108-115.

[17] Son Y, Kim G, Lee S, Kim H, Min K & Lee KS. Experimental investigation of liquid distribution in a packed column with structured packing under permanent tilt and roll motions using electrical resistance tomography[J]. Chemical Engineering Science,2017, 166: 168-180.