氯化鈉在乙二醇溶液中結(jié)晶過程模擬

（1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500； 2. 中國石油西藏銷售分公司倉儲分公司，西藏 拉薩 851400）

賀 三1，劉 陽1，梁 權(quán)2，喬 如2，楊克誠1

氯化鈉在乙二醇溶液中結(jié)晶過程模擬

（1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500； 2. 中國石油西藏銷售分公司倉儲分公司，西藏 拉薩 851400）

賀 三1，劉 陽1，梁 權(quán)2，喬 如2，楊克誠1

采用多相流與粒數(shù)衡算方程的耦合求解，利用ANSYS15.0來模擬乙二醇脫一價鹽閃蒸罐中的結(jié)晶過程，得到晶體的粒度分布和結(jié)晶過程的過飽和度分布等參數(shù)。研究結(jié)果表明，流體在閃蒸罐內(nèi)能夠很好的流動，模擬能夠得到晶體在閃蒸罐中生長、沉降的狀況，模擬得到的晶體粒度分布與實驗結(jié)果具有較好的一致性。通過選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)模擬，可以更好的對結(jié)晶過程進行分析，為優(yōu)化乙二醇脫一價鹽閃蒸罐結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)提供指導(dǎo)，節(jié)約實驗成本。

結(jié)晶；粒數(shù)衡算；模擬

深水氣田開發(fā)中采出液含鹽量高，從管道中回流的水合物抑制劑乙二醇溶液在吸收了部分采出液后，通常都含有一定量的鹽類。當(dāng)含鹽較多時，再生回收乙二醇時鹽易在再生流程中沉積在容器內(nèi)表面，出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象[1,2]，使重沸器、換熱器的換熱效果受影響，嚴重時導(dǎo)致整個乙二醇再生回收裝置無法正常工作需進行停產(chǎn)維護。因此，研究乙二醇再生脫鹽技術(shù)對深水氣田天然氣開發(fā)具有十分重要的意義。

乙二醇再生脫一價鹽理論主要基于負壓閃蒸與沉降分離，為使乙二醇和鹽更好的分離，有必要對氯化鈉在乙二醇溶液中的結(jié)晶進行研究。本文采用多相流與粒數(shù)衡算方程的耦合求解模型，利用ANSYS15.0來模擬結(jié)晶過程，得到晶體的粒度分布和結(jié)晶過程的過飽和度分布等參數(shù)，對氯化鈉在乙二醇溶液中的結(jié)晶過程進行分析，為氯化鈉結(jié)晶的過程控制和乙二醇脫一價鹽裝置中閃蒸罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)，并能夠節(jié)約實驗成本。

1 求解模型

根據(jù)多相流方程與粒數(shù)衡算方程的耦合求解模型[3,4]，設(shè)定液體為連續(xù)相，用下標(biāo)a表示。晶體顆粒分散相，用下標(biāo)b表示。單一尺寸的晶體，其連續(xù)性方程可表示為：

式中，bri為晶體密度，kg·m-3；jbi為分散相體積分數(shù)；Sbi為源相，表示由于分散相破碎、聚并、生長等因素引起的晶體質(zhì)量變化，kg·m-3·s-1。

其源相可表示為：

式中，G為生長速率，m·s-1；in為粒數(shù)密度，m-4；DL為粒度區(qū)間寬度，m；vk為體積形狀因子；Lbi為粒度區(qū)間平均粒度，m。

液相的連續(xù)性方程可表示為：

源相Sa表示結(jié)晶過程中固相和液相間的傳質(zhì)速率，可用晶體的生長速率來表達，因此液相的連續(xù)性方程源相可以寫成：

溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量濃度方程可表示為：

因此，連續(xù)性方程可用粒數(shù)衡算方程中晶體生長引起的變化表示而獲得。將結(jié)晶過程的粒數(shù)衡算方程和多相流方程嵌入ANSYS15.0耦合求解，對結(jié)晶過程進行模擬。

2 模擬與驗證

本文用于模擬的閃蒸罐的網(wǎng)格，使用計算流體力學(xué)前處理軟件Gambit 進行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為11萬。使用ANSYS15.0中的 UDF（User Defined Function）功能，將氯化鈉在乙二醇溶液中的結(jié)晶熱力學(xué)方程和結(jié)晶動力學(xué)方程嵌入求解[5,6]。

2.1 模擬條件

罐體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圓柱體部分高1 050 mm、直徑350 mm，錐體高245 mm、直徑70 mm，上部進料口直徑20 mm，錐體下端連降液管。進料口流量0.045 m3/h、溶液為含鹽5%(wt)的乙二醇溶液，操作溫度138oC。

溶解度方程[7]：

成核速率方程[7]：

生長速率方程[7]：

式中，x表示摩爾分率溶解度；T為絕對溫度，K； B0為成核速率，n·m-3·s-1；DC為過飽和度，kg/100 kg；MT為懸浮密度kg·m-3。

2.2 模擬結(jié)果與討論

流場的分布是結(jié)晶進行的外部條件，不同尺寸的分散相的流場與液相的流場僅速度值不同，相對分布相似，本文僅分析液相流場分布。由圖2可見，閃蒸罐頂部入口處及降液管出口處流速較快，且整個閃蒸罐內(nèi)流速分布較為均勻，說明流體在閃蒸罐內(nèi)能夠很好的流動，生成的晶體能夠很好的沉降至接收罐。

圖1 閃蒸罐結(jié)構(gòu)Fig.1 Flasn tank

圖2 液相流場流速分布（m·s-1）Fig.2 Flow field

圖3是閃蒸罐內(nèi)過飽和度的分布情況，由圖可知，閃蒸罐上部較閃蒸罐底部具有較高的過飽和度。這是因為進料口位于閃蒸罐頂部，晶體出現(xiàn)后由于重力作用沉降至閃蒸罐底部，在閃蒸罐底部繼續(xù)生長，消耗過飽和度。過飽和度對結(jié)晶起到推動作用，通過分析閃蒸罐中過飽和度的分布情況來調(diào)整優(yōu)化乙二醇脫一件鹽氯化鈉結(jié)晶過程的進料流速、進料濃度、溫度等操作參數(shù)，實現(xiàn)過程控制。

圖3 過飽和度（kg/100kg）Fig.3 Flasn tank

圖4 9 μm晶體體積分率Fig.4 9 μm volume fraction

模擬所獲得的不同尺寸晶體的體積分數(shù)分布如圖4-6所示。由圖4可以看出，較小尺寸的晶體在罐中分布比較均勻，可以較好的懸浮，由圖5和圖6對比可知，較大尺寸晶體的體積分數(shù)在結(jié)晶器底部比上部高，這是晶體的生長、沉降所致。模擬得到的晶體粒度分布如圖7所示。

圖5 80 μm晶體體積分率Fig.5 80 μm volume fraction

圖6 134 μm晶體體積分率Fig.6 134 μm volume fraction

圖7 晶體粒度分布Fig.7 Crystal size distribution

模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較為一致，但模擬的所得的氯化鈉晶體粒度偏大，這是模擬過程中忽略了結(jié)晶過程的破碎、聚結(jié)和固體相間相互作用等簡化造成的。所得的粒度分布數(shù)據(jù)是對乙二醇脫鹽過程中氯化鈉晶體的粒度分布的預(yù)測，通過與實際數(shù)據(jù)的比較，進一步改進操作條件，能夠提高裝置脫鹽能力。

適當(dāng)?shù)膮?shù)，采用該方法模型進行模擬，能夠得到合理的結(jié)果，具有一定的工程實用性。

3 結(jié) 論

本文建立了粒數(shù)衡算方程和多相流方程的耦合求解方法，模擬乙二醇脫一價鹽時氯化鈉結(jié)晶的粒度分布，模擬得到的晶體粒度分布與實驗得到的具有較好的一致性，驗證了模擬的可行性。通過選擇

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Simulation of Sodium Chloride Crystallization in Ethylene Glycol Solution

HE San1, LIU Yang1, LIANG Quan2, QIAO Ru2, YANG Ke-cheng1
(1. School of Petroleum and Natural gas Engineering , Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610500, China; 2. PetroChina Tibet Marketing Company,Tibet Lhasa 851400, China）

In order to simulate sodium chloride crystallization in monoethylene-glycol regeneration unit, the model of multiphase flow coupling with the population balance equations was studied by computational fluid dynamics. The flow fields, supersaturation and the volume fraction distributions of different dispersed phases were analyzed, and the simulation results were compared with experimental result. The results show that the model in this work can reasonably predict the flow fields, supersaturation and the volume fraction distributions of different dispersed phases in the sodium chloride crystallization process. This paper provides a new method for studying sodium chloride crystallization in monoethylene-glycol regeneration unit, saving experiment cost at the same time.

Crystallization; Population balance; Simulation

TQ 028

A

1671-0460（2016）03-0646-03

2016-01-15

賀三（1975-），男，四川省成都市人，副教授，博士，主要從事油氣儲運方面研究。