超重力條件下旋轉(zhuǎn)填料層中流體流動特性研究

褚 潔 陳 杰 張曉慧 曾偉平 花亦懷 余思聰

(中海石油氣電集團有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心 北京 100028)

FLNG是集海上天然氣液化、儲存、裝卸及外運為一體的新型浮式液化裝置，具有便于遷移及安全性高等特點[1-2]。作為FLNG技術(shù)中天然氣液化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，天然氣預(yù)處理中的脫碳工藝對后期的天然氣液化至關(guān)重要[3-4]?，F(xiàn)有的天然氣脫碳技術(shù)研究主要集中在陸基工況，尤其集中于脫碳工藝優(yōu)化[5-6]、胺液配比研究[7]等，而天然氣脫碳設(shè)備技術(shù)方面的研究較少。

超重力技術(shù)應(yīng)用在化工領(lǐng)域最早源于1976年美國太空計劃征求微重力場的試驗項目[8]，隨后國外各研究機構(gòu)將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于精餾[9-10]、聚合物脫除[11]、選擇性吸收H2S[12]等方面。超重力技術(shù)在國內(nèi)化工領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚，尤其是在超重力脫碳方面尚未取得重大突破。目前，國內(nèi)僅有幾家科研院校利用簡單的實驗和數(shù)值模擬方法針對脫硫純度要求不高的化工過程進行超重力技術(shù)研究，包括北京化工大學(xué)[13-14]、華南理工大學(xué)[15]等。

超重力脫碳是一種強化原料氣與脫碳液之間反應(yīng)過程的技術(shù)，流體在高速旋轉(zhuǎn)填料層中流動，傳質(zhì)過程是影響脫碳效果的關(guān)鍵[16]。流體在高速旋轉(zhuǎn)條件下的流動較復(fù)雜，不容易掌握，尤其是處于晃蕩條件下的傳質(zhì)研究[17]。在數(shù)值模擬方法中，通過對流體流動復(fù)雜區(qū)域進行加密網(wǎng)格處理來滿足流體傳質(zhì)計算的準確性[18]。同時，還需要強化流體在旋轉(zhuǎn)填料層中的傳質(zhì)計算，如基于表面更新理論建立旋轉(zhuǎn)填料層內(nèi)的傳質(zhì)模型[19]。因此，在超重力技術(shù)應(yīng)用于FLNG脫碳工藝之前，有必要對超重力脫碳條件下旋轉(zhuǎn)填料層中流體流動特性進行研究。

本文針對新型超重力天然氣脫碳技術(shù)特點，通過數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合，研究了流體在超重力機旋轉(zhuǎn)填料層中的流動特性。考慮到海上天然氣液化工藝受晃蕩條件的影響，分析了海上晃蕩引起的各種邊界條件對流體流動特性的影響規(guī)律，并給出了超重力技術(shù)應(yīng)用于FLNG脫碳工藝的相關(guān)建議。

1 模型建立及驗證

超重力脫碳的原理是脫碳流體在高速旋轉(zhuǎn)填料層中與原料氣進行充分接觸，氣液兩相在填料層剪切作用及強離心力作用下獲得較大的相際接觸面積，從而提高傳質(zhì)效率，達到高效脫碳的目的。脫碳過程主要發(fā)生在超重力機的填料層中，因此，本研究選取旋轉(zhuǎn)填料層及其外部殼體的靜止區(qū)域為研究對象。

1.1 幾何模型

超重力機旋轉(zhuǎn)填料層模型如圖1所示，由絲網(wǎng)及其殼體靜止區(qū)域組成。為保證脫碳效果，絲網(wǎng)設(shè)有51層，層與層之間在徑向上的中心距為15 mm。流體在高速旋轉(zhuǎn)過程中會往殼體方向運動，因此有必要研究絲網(wǎng)外部靜止區(qū)域的流體分布情況。填料層旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)半徑600 mm，外半徑750 mm，高560 mm。殼體靜止區(qū)內(nèi)半徑550 mm，外半徑1 600 mm。絲網(wǎng)填料層繞中心軸向方向旋轉(zhuǎn)，基于不同的分析目標，其轉(zhuǎn)速不同。從圖1可看出，實際絲網(wǎng)填料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對計算機的性能及計算時間要求較高。為便于計算，得到準確結(jié)果，本研究采用ANSYS Fluent軟件中的多孔介質(zhì)模型與UDF函數(shù)相結(jié)合的方法模擬實際絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對絲網(wǎng)填料層中的氣液兩相流場進行三維數(shù)值模擬。

圖1 超重力機旋轉(zhuǎn)填料層及外部殼體Fig .1 Geometry of rotating packed layer and its outer shell

1.2 網(wǎng)格劃分

對于旋轉(zhuǎn)工況，用滑移網(wǎng)格法計算三維多孔介質(zhì)時，由于計算過程中容易出現(xiàn)負網(wǎng)格區(qū)域的情況，所以對網(wǎng)格進行加密處理，如圖2所示。為保證計算過程中不會發(fā)散，絲網(wǎng)轉(zhuǎn)動區(qū)域網(wǎng)格必須加密。同時，合適的網(wǎng)格質(zhì)量是數(shù)值模擬可靠性的基礎(chǔ)，本研究將網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.3以上(圖3)，對于控制方程的求解能夠順利進行。

圖2 超重力機旋轉(zhuǎn)填料層及外部殼體網(wǎng)格Fig .2 Mesh of rotating packed layer and its outer shell

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量Fig .3 Mesh quality

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對研究結(jié)果影響較大，尤其是對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型,因此需要驗證網(wǎng)格無關(guān)性。選取100萬與400萬之間3種不同網(wǎng)格數(shù)量下的模型，進行同一工況條件的計算。結(jié)果顯示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從1 651 747上升到3 852 345時，壓力計算結(jié)果的相對誤差小于0.15%。為確保最小的計算量及足夠的網(wǎng)格無關(guān)性，選擇網(wǎng)格數(shù)為1 651 747的模型進行模擬分析。

1.3 物理模型

流體在任何狀態(tài)條件下的流動，包括牛頓流體和非牛頓流體，其質(zhì)量傳遞、動量傳遞和能量傳遞都要符合相應(yīng)的物理守恒定律。流體流動定律主要包含質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律，分別建立如下方程：

(1)

(2)

(3)

流體在超重力脫碳條件下流動劇烈，湍動能較高。為精確模擬流動過程，考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，本研究選取RNGk-e模型。

1.4 模型驗證

本研究所用模型的合理性可參考文獻[13]。基于本文研究方法，給出與文獻[13]相同的結(jié)構(gòu)尺寸和邊界條件，模擬結(jié)果與實驗研究結(jié)果對比如圖4所示。隨著氣體流量的變化，旋轉(zhuǎn)填料層中壓降的平均模擬誤差不超過6%,因此本文研究成果可靠。

圖4 本文模擬結(jié)果與文獻[13]研究結(jié)果對比Fig .4 Comparison of pressure with the results of reference[13] and this paper

2 結(jié)果分析

在液相脫碳液MDEA[20]進入旋轉(zhuǎn)填料層之前，里面充滿含碳氣體。隨著MDEA溶液的不斷流入，氣相流體碳含量不斷減小，脫碳后的氣相沿著絲網(wǎng)填料層上部流出。由于氣相流體本身具有強分散性和流動性的特點，海上晃蕩工況對氣相流體流動的影響可以忽略,因此液相流體在旋轉(zhuǎn)填料層中的速度、壓力和濃度分布規(guī)律受流體自身的流速和填料層的旋轉(zhuǎn)共同影響。

2.1 晃蕩條件對流體流動的影響

晃蕩工況對海上天然氣脫碳工藝中流體流動的影響主要體現(xiàn)在流體分布規(guī)律上。由于晃蕩與填料層的旋轉(zhuǎn)共同對流體流動產(chǎn)生影響，因此需要對多種邊界條件下的流體流動情況進行模擬分析。另外，海上晃蕩典型工況包括橫搖、艏搖、橫蕩和垂蕩。由于研究對象具有中心對稱特性，艏搖和橫搖對流體流動影響可以忽略。

考慮海上晃蕩工況主要是對液相流體邊界條件的影響，本文以0.1～0.5 m/s速度為絲網(wǎng)填料層液相流體入口條件，以300～400 rad/s為旋轉(zhuǎn)條件，流體沿與壁面夾角0°～180°的方向進入旋轉(zhuǎn)填料層，模擬橫蕩和垂蕩工況下旋轉(zhuǎn)填料層內(nèi)流體流動的邊界條件。改變邊界條件，得到旋轉(zhuǎn)填料層中液相流體的速度和壓降規(guī)律如圖5所示。從圖5可以看出，海上晃蕩工況對超重力條件下旋轉(zhuǎn)填料層中流體分布的影響可以忽略。

圖5 海上晃蕩工況下流體流動模擬結(jié)果Fig .5 Fluid flow results obtained under offshore conditions

2.2 流動特性分析

選取典型邊界條件，即入口速度0.3 m/s、轉(zhuǎn)速380 rad/s，通過對0.5、5.0、9.5 s內(nèi)液相流體在旋轉(zhuǎn)填料層中的速度場、壓力場和流場進行分析，找到超重力條件下旋轉(zhuǎn)填料層中流體的流動特性。

2.2.1速度場

為便于觀察及分析，對模擬結(jié)果沿徑向方向進行切割，得到填料層橫截面速度分布，如圖6所示。從圖6可以看出，流體在絲網(wǎng)填料層中的速度梯度隨流動時間的增加而減小；隨著流體不斷進入旋轉(zhuǎn)填料層，絲網(wǎng)填料層中的流體趨向于均勻分布；液相流體濃度增大有利于提高流體流動對填料層旋轉(zhuǎn)的敏感性，對流速分布的均勻性起積極作用。當(dāng)流動時間足夠大時，液相充滿旋轉(zhuǎn)填料層，填料層內(nèi)的速度大小趨于一致(圖6c)。

流體在絲網(wǎng)填料層中的流動隨著填料層的旋轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)出不同的流動規(guī)律，隨著時間的推移，流體流動形態(tài)的變化情況如圖7所示。從圖7可以看出，填料層中的流體在高速旋轉(zhuǎn)條件下沿著圓周呈均勻分布；當(dāng)流體剛進入旋轉(zhuǎn)填料層時，在填料層外部殼體的靜止區(qū)域會發(fā)生偏流現(xiàn)象。當(dāng)流動時間為0.5 s時，流體流出填料層后出現(xiàn)聚集效應(yīng)，流體的聚集現(xiàn)象在旋轉(zhuǎn)填料層剪切作用下沿著圓周呈周期性分布(圖7a)。隨著流動時間的增加，旋轉(zhuǎn)填料層內(nèi)液相濃度逐漸增多，靜止區(qū)域的流動與旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流動一樣，隨著填料層的旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)均勻分布的特點(圖7c)。

圖6 不同流動時間下填料層橫截面速度分布Fig .6 Characteristics of velocity distribution during fluid flow

圖7 不同流動時間下流體運動軌跡圖Fig .7 Characteristics of motion track during fluid flow

為了精確判斷流體在旋轉(zhuǎn)條件下的速度變化趨勢，通過研究流體在垂直于水平方向的速度變化曲線，判斷流體在旋轉(zhuǎn)填料層中的速度分布規(guī)律，結(jié)果如圖8所示。圖8中，紅色表示超重力機中填料層外部殼體靜止區(qū)域液相流體的流速分布，黑色表示填料層旋轉(zhuǎn)區(qū)域液相流體的流速分布；沿橫軸方向可以看出流體自填料層底部向上部流速的分布規(guī)律，沿縱軸方向可以看出旋轉(zhuǎn)填料層中的流體沿徑向方向流速的分布情況。

從圖8可以看出，在填料層旋轉(zhuǎn)區(qū)域，流速沿徑向和軸向均勻分布，尤其在靠近旋轉(zhuǎn)區(qū)壁面附近，流體運動較為活躍；沿縱坐標軸方向觀察可知，流體在旋轉(zhuǎn)區(qū)域沿徑向方向呈線性變化；當(dāng)流動時間為9.5 s時，沿徑向方向出現(xiàn)流速變化頻率較大的區(qū)域，即圖中縱坐標軸的上部區(qū)域，流體呈錯流流動規(guī)律，對流體分布均勻性起積極影響。對于絲網(wǎng)填料層外部的殼體靜止區(qū)，當(dāng)流動時間從0.5 s增加到9.5 s時，沿橫坐標軸的速度梯度變化逐漸變小，在靜止區(qū)流體沿縱向的速度分布逐漸均勻。

圖8 不同流動時間下流體流速變化曲線Fig .8 Characteristics of velocity curve during fluid flow

2.2.2壓力場

流體在旋轉(zhuǎn)填料層中的壓力場反映了流體在旋轉(zhuǎn)填料層中運動所受到的阻力變化規(guī)律。為便于觀察及分析，對模擬結(jié)果沿徑向方向進行切割，得到填料層橫截面壓力分布，如圖9所示。從圖9可以看出，隨著時間的推移，流體在旋轉(zhuǎn)填料層中的壓力增大，但各區(qū)域的壓力大小逐漸趨于一致。在流動時間為0.5 s時，旋轉(zhuǎn)填料層內(nèi)部內(nèi)壁面與外壁面之間的壓降較大(圖9a)。隨著流動時間的增加，填料層內(nèi)液相增加，旋轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)的壓降逐漸減小，說明流體在旋轉(zhuǎn)填料層內(nèi)的流動阻力減小，流體流動均勻性變好。當(dāng)流動時間為9.5 s時，沿旋轉(zhuǎn)填料層徑向方向的壓降幾乎可以忽略(圖9c)。

為了準確判斷流體在旋轉(zhuǎn)填料層流動過程中的壓力變化趨勢，繪制不同流動時間下的壓力變化曲線，如圖10所示。圖10中，紅色表示超重力機中填料層外部殼體靜止區(qū)流體的壓力分布，黑色表示填料層旋轉(zhuǎn)區(qū)流體的壓力分布。

從圖10可以看出，盡管壓降隨著運動時間的增大而減小，但觀察縱軸方向可知，流體在旋轉(zhuǎn)區(qū)徑向的壓力大小呈線性變化。在靜止區(qū)，流體剛開始進入旋轉(zhuǎn)填料層時表現(xiàn)出來的壓降波動較大，這是因為較低液相濃度時的流體運動對旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的敏感度低，壓降受旋轉(zhuǎn)的影響較小。與縱軸方向壓力分布規(guī)律不同，流體在旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)的縱向壓力分布隨流動時間的變化均較大。在流動時間為0.5 s時，流體沿縱向的壓力集中的區(qū)間較大，壓降很大，說明流體沿縱向的流動對旋轉(zhuǎn)敏感性較小。在自身流動和外部旋轉(zhuǎn)條件共同作用下，流體在填料層內(nèi)流動均勻性較小，在剛開始進入旋轉(zhuǎn)填料層時軸向方向表現(xiàn)出來的壓降波動規(guī)律與徑向方向波動規(guī)律一致。

圖9 不同流動時間下內(nèi)部橫向壓力剖面圖Fig .9 Characteristics of pressure distribution during fluid flow

圖10 不同流動時間下壓力分布曲線Fig .10 Characteristics of pressure curve during fluid flow

2.2.3流場分布

當(dāng)轉(zhuǎn)速為380 rad/s時，分別模擬流動時間為0.5、5.0、9.5 s時的流場。流體的入口速度為0.3 m/s，選取典型的模擬結(jié)果作分析。不同流動時間條件下，流體隨填料層的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流體分布情況如圖11所示。流體在旋轉(zhuǎn)條件下經(jīng)過0.5 s時，剛進入旋轉(zhuǎn)填料層中的流體在旋轉(zhuǎn)區(qū)未完全鋪展(圖11a)。沿著超重機軸向方向呈梯度分布，沿著旋轉(zhuǎn)周向方向呈周期性分布，且在沿入口徑向方向較軸向方向分布均勻。經(jīng)過5 s后，流體充滿填料層下部區(qū)域，且在靜止區(qū)下部均勻展開(圖11b)。該結(jié)果驗證了在旋轉(zhuǎn)填料層中速度場和壓力場分析結(jié)果，當(dāng)旋轉(zhuǎn)填料層中速度分布均勻及壓降較小時，流體均勻分布。當(dāng)流體在旋轉(zhuǎn)條件下流動9.5 s時，流體完全充滿填料層，且在填料層外部殼體靜止區(qū)均勻鋪開(圖11c)。這表明，隨著流體不斷進入填料層，流體流速分布均勻，流體壓降變化較小，旋轉(zhuǎn)敏感度增加，流體在填料層中流動阻力減小，流體呈現(xiàn)均勻分布的特征，尤其是在流動時間為9.5 s時，流體分布均勻性最好。因此，隨著流動時間的增長，流體在旋轉(zhuǎn)填料層內(nèi)的均布性會不斷變好。

圖11 不同流動時間下空間流體分布Fig .11 Characteristics of volume faction during fluid flow

2.3 均布性分析

本次研究主要對流體在旋轉(zhuǎn)填料層中流動9.5 s時的均布性進行分析，以掌握流體在超重力條件下的分布規(guī)律。由于流體已充滿旋轉(zhuǎn)區(qū)，且在旋轉(zhuǎn)區(qū)均勻分布，因此選取靜止區(qū)的流體分布情況作為研究對象。

當(dāng)X軸和Z軸坐標均為1 000 mm時，旋轉(zhuǎn)填料層徑向中間區(qū)沿縱軸方向自下而上的流體分布情況如圖12所示。從圖12可以看出，當(dāng)入口速度為0.3 m/s時，流體在靜止區(qū)自下而上呈線性分布,其中當(dāng)縱向坐標為272 mm(即高度超過325 mm)時，在上部區(qū)域流體分布逐漸減小，直至沒有流體分布。但隨著時間的推移，流體會慢慢充滿靜止區(qū)。由于旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的存在，流體在靜止區(qū)的分布不受海上晃蕩工況的影響。

圖12 旋轉(zhuǎn)條件下流體在縱向的濃度分布Fig .12 Volume fraction of MDEA along the vertical direction

當(dāng)縱向高度為280 mm時，旋轉(zhuǎn)填料層縱向中間區(qū)沿徑向方向的流體分布情況如圖13所示。從圖13可以看出，經(jīng)過9.5 s，在旋轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)的流體均勻分布，在靜止區(qū)的流體呈現(xiàn)出線性分布的特點。

圖13 旋轉(zhuǎn)條件下流體在徑向的濃度分布Fig .13 Volume fraction of MDEA along the horizontal direction

基于以上分析結(jié)果，在靜止區(qū)的流體，無論是在縱向還是在徑向，均呈現(xiàn)出線性變化的特點。隨著時間的推移，旋轉(zhuǎn)填料層內(nèi)的液相濃度增多，靜止區(qū)內(nèi)的流體均勻分布的區(qū)間線性增大。

3 結(jié)論與認識

本文針對新型超重力天然氣脫碳技術(shù)特點，以實際工程脫碳工藝數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了超重力機旋轉(zhuǎn)填料層數(shù)值模型，對旋轉(zhuǎn)填料層中的流體流動特性進行了研究，得出以下認識：

1) 改變流體運動的邊界條件，如流速、轉(zhuǎn)速及進入方向，對旋轉(zhuǎn)填料層中流體的流動幾乎沒有影響。

2) 超重力脫碳條件下，流體在旋轉(zhuǎn)填料層中的運動規(guī)律表現(xiàn)在其流速和壓降的變化，而且流速梯度越小，壓降越小，流體分布越均勻。

3) 流體在旋轉(zhuǎn)填料層內(nèi)運動時間足夠長的情況下，流體在旋轉(zhuǎn)填料層及外部殼體區(qū)域達到均勻分布，此時的脫碳效果最好。

4) 流體自身的流動與外部填料層的旋轉(zhuǎn)共同對流體的運動產(chǎn)生影響，影響大小可用旋轉(zhuǎn)敏感度表示。為提高FLNG用超重力脫碳技術(shù)的效果，應(yīng)盡量在超重力機設(shè)計和生產(chǎn)工藝中提高旋轉(zhuǎn)敏感度。