一种浮式规整填料塔气液接触面积、持液量与压降耦合测试方法以及测试系统

本发明涉及天然气预处理的，具体而言，尤其涉及一种浮式规整填料塔气液接触面积、持液量与压降耦合测试方法以及测试系统。

背景技术：

1、天然气作为优质低碳清洁能源，是全球能源结构绿色转型的核心能源品类。随着海洋油气开发技术的迭代升级，浮式液化天然气生产储卸装置（flng）技术凭借其适配深远海开发、施工灵活、经济性强的优势，被广泛应用于深远海天然气开采领域，有效提升了深远海天然气资源的开发效率，大幅降低了海上天然气生产、运输环节的能耗与综合成本，已然成为我国海洋天然气规模化开发的核心技术支撑。

2、规整填料塔是海上浮式天然气净化处理工艺的核心传质设备，主要承担天然气中二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等酸性组分的脱除任务，其传质性能直接决定天然气净化品质，是保障后续天然气液化工艺稳定、安全运行的关键。在常规陆上固定工况下，规整填料塔气液两相流动状态稳定、传质效率优异，可满足天然气净化的工艺指标要求。

3、但flng作业平台长期处于复杂海洋环境中，受海风、海浪、海流的耦合作用，浮体将产生横摇、纵摇、垂荡等六自由度不规则运动，会对塔内气液两相流动状态产生剧烈扰动，引发一系列技术难题。浮体的动态晃动会彻底破坏规整填料塔内气液两相的稳态流动体系，导致塔内流体分布不均、液膜断裂、气液接触不充分，直接造成填料塔传质性能大幅衰减、净化处理效率显著下降。

4、经实验测试验证，在浮体横摇典型工况下，现有规整填料塔净化处理后的天然气中二氧化碳含量最高可达250ppm，而天然气液化工艺对二氧化碳杂质含量的限值为不超过50ppm，实际杂质含量远超工艺标准要求。天然气中酸性组分超标，不仅会严重影响后续液化工艺的运行稳定性，极易造成设备腐蚀、工艺故障，威胁整套flng生产系统的运行安全，还会导致天然气净化不彻底、能源利用效率降低，额外增加生产过程的碳排放负担，违背天然气清洁能源的应用初衷，严重制约深远海浮式天然气开发技术的高质量发展。

5、现阶段行业内缺乏针对性适配浮体动态运动工况的规整填料塔传质性能测试体系与测试方法，无法精准量化浮体运动对塔内传质效率的影响规律，难以精准定位设备运行缺陷，进而无法有效优化浮式工况下填料塔的内部传质参数，导致现有规整填料塔无法适配海上浮动复杂工况的生产需求。

6、综上所述，为解决现有技术中浮式环境下规整填料塔传质性能衰减、天然气酸性组分超标、工艺运行安全性差的技术痛点，填补浮体运动工况下填料塔性能专项测试技术的空白，亟需开发一种适配浮式环境的规整填料塔传质性能测试方法，为提升传质效率、保障深远海天然气净化液化工艺稳定运行提供技术支撑。

技术实现思路

1、根据上述背景技术中提到的现有技术中浮式环境下规整填料塔传质性能衰减、天然气酸性组分超标、工艺运行安全性差的技术问题，而提供一种浮式规整填料塔气液接触面积、持液量与压降耦合测试方法以及测试系统。本发明通过液体输送单元、气体输送单元和测量记录单元，实现对填料塔传质性能指标——气液接触面积的实验测定；同时在静止与浮体运动条件下，模拟海上生产环境，研究浮体多自由度运动对填料塔性能的影响规律；基于实验数据，建立气液操作条件与浮体运动参数的定量关系，为工程优化提供参考。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种浮式规整填料塔气液接触面积测试方法，其采用快速不可逆化学反应体系，包括以下步骤：

4、步骤a1、对二氧化碳红外分析仪进行预热与精度校准，在分析仪进气端设置杂质过滤器，同时在塔顶和塔底分别设置气体混合器与干燥剂；

5、步骤a2、在浮式规整填料塔竖直静态工况下，采集塔顶的出气浓度，建立静态基准浓度数据；

6、步骤a3、启动六自由度运动平台，模拟海上浮体多自由度耦合运动工况，实时监测塔顶出气浓度动态变化；

7、步骤a4、待塔顶出气浓度达到拟稳态后，获取浓度时程曲线，计算浓度周期性变化的积分平均值；

8、步骤a5、基于质量守恒与双膜传质理论构建整塔气液接触面积计算模型，同时计算得到塔内实际气液接触面积；

9、步骤a6、固定气液操作条件，通过比较静态与动态实验获得的气液接触面积，计算相对变化率，根据变化率正负判定浮体运动对填料塔传质性能的强化或弱化效果，完成浮式规整填料塔传质性能测试。

10、进一步地，所述气液接触面积计算模型的计算公式为：

11、；

12、其中，表示塔内实际气液接触面积；表示气速；表示气相总传质系数；表示填料层高度；表示气体常数；表示温度；表示塔底进气的摩尔分数；表示塔顶出气的摩尔分数。

13、进一步地，所述相对变化率的计算公式为：

14、；

15、其中，表示相对变化率；表示动态实验气液接触面积；表示静态实验气液接触面积；

16、当时，判定浮体运动降低了气液接触面积，整塔传质性能恶化；

17、当时，判定浮体运动强化了气液接触面积，传质性能提高；

18、当时，判定浮体运动不改变气液接触面积，传质性能保持不变。

19、本发明还包含一种浮式规整填料塔持液量与压降耦合测试方法，采用空气—水两相测试体系，通过液相调控组件、气相调控组件、物性调节组件及六自由度运动平台完成测试，包括以下步骤：

20、步骤b1、通过循环水泵及电磁流量计控制液相的喷淋密度，控制流量误差＜0.2%；通过离心风机搭配涡街流量计调节气相流速；通过添加甘油或表面活性剂调节液相物性，使液相粘度控制在、表面张力控制在，经anton-paar高级物化性质测试仪校准物性参数；

21、步骤b2、通过截断排空法获取静止工况下塔内基准持液量数据，通过填料段上下布置的高精度差压传感器采集静态压降数据，结合小波分析分离固有压降与系统噪声，获取静态压降参数；

22、步骤b3、通过六自由度运动平台，拟多自由度耦合海上运动工况，采用进出口流量差值法，同步监测塔体进出口瞬时流量，计算塔内持液量动态变化数据；结合小波分析分离浮体运动引发的周期性压力波动，获取动态压降的有效数据；

23、步骤b4、量化分析不同海况运动参数下持液量、压降的变化规律，完成浮体运动对填料塔流动及传质性能的影响量化测试。

24、进一步地，所述测试的参数包括：液相喷淋密度，气相流速，浮体横摇振幅，横荡/垂荡振幅，运动周期，多自由度相位差。

25、进一步地，所述动态持液量计算方式为：通过实时采集的塔体进口液相瞬时流量与出口液相瞬时流量的差值，积分后获取不同运动时刻下塔内实时持液量，拟合得到持液量动态时程变化曲线。

26、进一步地，所述动态压降数据处理方式为：通过小波分析对动态压降原始数据进行降噪与频谱分离，获取浮体多自由度运动耦合产生的周期性压降波动特征参数。

27、本发明还包含一种浮式规整填料塔海上综合传质性能测试系统，包括：

28、浮体运动模拟模块，包括：六自由度运动平台，用于模拟海上浮体横摇、横荡、垂荡多自由度耦合运动；

29、气相传质检测模块，包括：二氧化碳红外分析仪、微型采样泵、杂质过滤器、气体混合器及干燥剂，用于获取、净化并检测塔内co2气体浓度；

30、液相传质调控模块，包括：循环水泵、电磁流量计、物性调节组件及anton-paar高级物化性质测试仪；用于调控液相流量、粘度及表面张力参数；

31、气液参数监测模块，包括：涡街流量计以及差压传感器；所述气液参数监测模块用于获取气相流速、塔内压降数据；

32、数据处理模块，获取所述浮体运动模拟模块、气相传质检测模块、液相传质调控模块以及气液参数监测模块获取的参数，完成数据运算、降噪及性能评价。

33、进一步地，所述气体采样组件包括：塔顶、塔底双向采样结构，且采样气路中均设置有干燥过滤结构。

34、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

35、本发明通过系统探究规整填料塔在浮体多自由度运动工况下的传质性能变化规律，可有效指导高效传质的绿色工艺技术在浮式天然气净化系统中的落地应用，显著优化塔内气液传质匹配状态，降低天然气净化处理过程中的单位产品能耗，实现海上天然气绿色高效生产。

36、同时，本发明能够精准解决浮式工况下填料塔净化性能衰减、酸性组分超标等核心问题，保障flng系统天然气净化、液化全工艺流程稳定可控，为深远海浮式天然气安全、连续、规模化生产提供坚实可靠的技术支撑。

37、此外，经本发明可优化高效规整填料塔结构与传质调控方案，具备良好的场景适配性与可移植性，可进一步推广应用于低成本碳捕集（ccus）相关海洋工程及工业场景，大幅拓展设备与技术的应用边界，实现技术成果的工程复用、价值增值与可持续产业化应用。