液-液相變?nèi)軇┗旌线^(guò)程的數(shù)值模擬

王展旭 王敏

摘 ?????要： 基于相變?nèi)軇┑难芯亢头治觯O(shè)計(jì)出液-液相變?nèi)軇┎都疌O2的工藝流程和裝備，針對(duì)工藝流程中吸收CO2后分相貧液與解吸再生溶劑在循環(huán)使用周期中的混合問(wèn)題，建立了SD型靜態(tài)混合器物理模型。依據(jù)MEA-正丙醇水溶液相變?nèi)軇w系物性參數(shù)，采用Mixture多相流模型和標(biāo)準(zhǔn)湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析兩相流在SD型靜態(tài)混合器內(nèi)流動(dòng)特性。研究結(jié)果表明，該混合裝置具有實(shí)現(xiàn)MEA-正丙醇水溶液混合均勻的可行性，為液-液相變?nèi)軇┎都疌O2工業(yè)應(yīng)用中液體混合過(guò)程的裝置選用與設(shè)計(jì)提供參考和理論依據(jù)。

關(guān) ?鍵 ?詞：液-液相變?nèi)軇?SD型靜態(tài)混合器;流動(dòng)特性;混合過(guò)程;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 027.3+5 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）04-0825-05

Abstract： Based on the research and analysis of phase change solvent， the process and equipments for the capture of CO2 with liquid-liquid phase solvent were designed. Aiming at the mixing problem of phase-dissolved lean liquid after absorbing CO2 and desorbing regeneration solvent in the cycle， the physical model of SD static mixer was established. According to the physical property parameters of the phase change solvent system of MEA and n-propanol aqueous solution， the Mixture multiphase flow model and the standard turbulence model were used for numerical calculation， and the flow characteristics of the two-phase flow in the SD static mixer were analyzed. The research results show that the mixing device has the feasibility of achieving uniform mixing of the MEA and n-propanol aqueous solution. The paper can provide reference and theoretical basis for the selection and design of the liquid mixing process in the industrial application of liquid-liquid phase solvent in capturing CO2.

Key words： Liquid-liquid phase change solvent; SD static mixer; Flow characteristics; Mixing process; Numerical simulation

近年來(lái)，全球氣候變化成為人類(lèi)面臨的最緊迫問(wèn)題，科學(xué)界普遍研究認(rèn)為產(chǎn)生溫室效應(yīng)的主要原因與溫室氣體大量排放直接相關(guān)，其中CO2對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)率高達(dá)76%[1]。在目前形勢(shì)下，發(fā)展碳捕集與封存技術(shù)（CCS）是實(shí)現(xiàn)碳減排最有效可行的途徑。其中碳捕集技術(shù)是碳減排措施的基礎(chǔ)和前提條件，但也是整個(gè)CCS系統(tǒng)中成本和能耗最大的環(huán)節(jié)[2]。碳捕集技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是CO2氣體的分離過(guò)程[3]。根據(jù)分離原理的不同分為吸附法、吸收法、膜分離法和低溫分離法等。其中，化學(xué)吸收法是相對(duì)較為成熟的捕集技術(shù)，但受到高能耗和資金投入的限制，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)出一種能耗低且經(jīng)濟(jì)有效的捕集技術(shù)至關(guān)重要。

目前，各國(guó)學(xué)者以開(kāi)發(fā)低成本、低能耗的CO2吸收劑作為研究熱點(diǎn)，基于傳統(tǒng)有機(jī)胺溶劑化學(xué)吸收技術(shù)研制出的液-液相變?nèi)軇軌蚪档筒都^(guò)程中最大的溶劑再生能耗部分，被認(rèn)為是理想的CO2吸收劑[4]。

本文通過(guò)介紹液-液相變?nèi)軇┑难芯楷F(xiàn)狀，在相變?nèi)軇┭芯亢头治龅幕A(chǔ)上，設(shè)計(jì)液-液相變?nèi)軇┎都疌O2的工藝流程和裝備，利用Solidworks軟件建立相變?nèi)軇┗旌掀鞯娜S實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)工藝循環(huán)周期中吸收CO2后分相貧液和解吸再生溶劑的兩相液體混合目的，文中運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)混合器內(nèi)兩相流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究液-液相變?nèi)軇┰诨旌掀髦械幕旌闲Ч?，為?液相變?nèi)軇┑幕旌涎b置的選用設(shè)計(jì)和工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 ?液-液相變?nèi)軇?/p>

1.1 ?液-液相變?nèi)軇┭芯楷F(xiàn)狀

液-液相變?nèi)軇┦怯蓛煞N或三種及以上的化合物組成，反應(yīng)產(chǎn)物在吸收CO2后仍以液相形式存在，溶劑在吸收CO2過(guò)程中或在解吸溫度升高到某一值時(shí)發(fā)生分層，分層后經(jīng)分離只需將含CO2的富液送入解吸塔進(jìn)行加熱再生，從而節(jié)省了再生過(guò)程中最大的能耗部分，再生后的富液變?yōu)樨氁悍祷匚账匦卵h(huán)使用。目前液-液相變?nèi)軇┲饕ㄓH脂性胺類(lèi)、DMXTM相變?nèi)芤骸⒒旌习啡芤?，其中混合胺溶液包括化學(xué)-物理復(fù)合相變?nèi)軇┮约坝袡C(jī)胺-離子液體相變?nèi)軇?/p>

2006年美國(guó)Liang Hu[5]首次在專(zhuān)利中提出相變吸收劑的概念，并研究了一種化學(xué)-物理相變?nèi)軇┟撍岬姆椒?，該?lèi)吸收劑由20%A和80%B組成。A作為活化劑溶于B中，吸收前以均相的形式存在;吸收過(guò)程中，液相吸收劑與包含CO2的氣體混合物在吸收塔中接觸，活化劑A與CO2反應(yīng)生成新的產(chǎn)物A*CO2且不溶于化合物B，形成新的分層。實(shí)驗(yàn)表明[6]，相變?cè)噭┑脑偕芎募s為基準(zhǔn)MEA溶液過(guò)程的15%，其工藝過(guò)程可將能耗成本降低80%。德國(guó)多特蒙德大學(xué)反應(yīng)研究所David W，J.Zhang[7]等研制出具有低臨界溫度的特征的親脂性胺類(lèi)溶液，他們對(duì)30余種親脂胺從相變溫度、CO2負(fù)載量、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和再生特性等方面研究其作為相變吸收劑的可行性，其中改進(jìn)的溶液體系-DMCA試劑，與MEA相比可將二氧化碳捕獲效率提高60%以上，能耗降低40%以上，具有較高的CO2負(fù)載能力和可再生性能[8]。法國(guó)石油研究所Aleixo等對(duì)300多種胺類(lèi)試劑（R1R2R3N）進(jìn)行了篩選實(shí)驗(yàn)研究，得到了在室溫下與水相溶，在給定的胺濃度范圍內(nèi)隨CO2負(fù)載的增加或吸收溫度的提高而形成兩個(gè)不混溶相的有機(jī)胺試劑，即DMXTM試劑[9]。進(jìn)一步，同為法國(guó)石油研究院的Raynal等通過(guò)改進(jìn)常規(guī)有機(jī)胺溶液工藝流程方案開(kāi)發(fā)出適用于DMXTM試劑的配套工藝流程，即DMXTM過(guò)程[10，11]方案。此外，國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、浙江大學(xué)、北京化工大學(xué)等相關(guān)課題組均通過(guò)實(shí)驗(yàn)篩選出可行的相變?nèi)芤骸?/p>

1.2 ?液-液相變?nèi)軇┕に嚵鞒?/p>

目前，對(duì)相變?nèi)芤旱膶?shí)驗(yàn)研究和取得的理論成果均表明液-液相變?nèi)軇┚哂休^大的節(jié)能潛力。本文選用液-液相變?nèi)軇镸EA-正丙醇水溶液相變體系，其正丙醇作為水溶性的有機(jī)活化劑，促使吸收CO2后的溶液發(fā)生分層并加快反應(yīng)速率，MEA水溶液作為有機(jī)胺吸收劑與CO2反應(yīng)生成MEAH+/MEACOO-，其反應(yīng)產(chǎn)物在水中的溶解度大于在正丙醇中，隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，聚集的水分子和排出的正丙醇溶劑分子達(dá)到宏觀可見(jiàn)時(shí)，出現(xiàn)液-液分相[12]。與傳統(tǒng)的捕集CO2工藝相比，液-液相變?nèi)軇┰谖誄O2前的兩相液混合問(wèn)題、吸收CO2后形成的兩相性質(zhì)以及分相后富液再生解吸特性，均需要增加新的工藝流程和設(shè)備，以保證工藝過(guò)程的穩(wěn)定性和連續(xù)性?；谖墨I(xiàn)研究[13]及相變機(jī)理分析，設(shè)計(jì)了液-液相變?nèi)軇┎都疌O2的工藝流程和裝備，如圖1所示。

含CO2的煙氣經(jīng)風(fēng)機(jī)增壓后，由氣體進(jìn)口進(jìn)入吸收塔，液-液相變?nèi)軇┰谝后w混合器中均勻混合后由噴淋裝置噴入填料內(nèi)，在填料內(nèi)溶液與CO2煙氣逆向接觸吸收;吸收后，溶液由于重力作用進(jìn)入設(shè)置在吸收塔底端的溶液靜置段，靜止分層后的上層貧液經(jīng)第一循環(huán)泵進(jìn)入貧液泵流入吸收塔循環(huán)利用，下層溶液經(jīng)第二循環(huán)泵進(jìn)入貧富液熱交換器進(jìn)入再生塔加熱再生;再生時(shí)，塔底的液體通過(guò)自循環(huán)進(jìn)入再沸器，再沸器流入再生塔的溶液部分浸沒(méi)攪拌器，經(jīng)過(guò)攪拌器強(qiáng)化再生，CO2充分再生的溶液從底部離開(kāi)再生塔，送至吸收塔循環(huán)使用。再生塔再生出來(lái)的CO2和水蒸氣混合氣從再生塔塔頂出來(lái)，經(jīng)過(guò)再生氣冷卻器冷凝后進(jìn)行水汽分離，高純度的CO2氣體進(jìn)入產(chǎn)品罐，滿足其它工業(yè)需求。

2 ?液體混合器的計(jì)算模型

2.1 ?幾何建模與網(wǎng)格劃分

為滿足吸收CO2后分相貧液和解吸再生溶劑的兩相液體混合的要求，實(shí)現(xiàn)捕集吸收過(guò)程的穩(wěn)定性和高效性，液-液相變?nèi)軇┗旌掀鞑捎肧D型靜態(tài)混合器，混合單元由相互垂直交叉的葉片組成單元，多個(gè)單元相互銜接成D型單元形成交錯(cuò)的多室狀態(tài)[14]。當(dāng)流體流經(jīng)一個(gè)單元的時(shí)候，流體被葉片切割開(kāi)，實(shí)現(xiàn)分流，也附帶著拉伸混合，使混合效果加強(qiáng)，液流經(jīng)過(guò)分割、重混，使內(nèi)部物質(zhì)變得均勻化[15]。由于SD型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的建模軟件Solidworks對(duì)混合器建立幾何實(shí)體模型，如圖2所示，結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

利用ANSYS Workbench軟件中的Fluent模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，運(yùn)用ANSYS Mesh做網(wǎng)格劃分，在此選用對(duì)復(fù)雜邊界條件的適應(yīng)性較強(qiáng)以及相對(duì)最簡(jiǎn)單的四面體網(wǎng)格劃分方法，節(jié)點(diǎn)數(shù)為266 337，單元數(shù)為1 385 932個(gè)。

2.2 ?計(jì)算模型及邊界條件設(shè)置

2.2.1 ?控制方程

根據(jù)MEA-正丙醇水溶液相變?nèi)軇w系物性參數(shù)和工藝要求，在利用ANSYS Workbench對(duì)液-液相變?nèi)芤夯旌夏M的過(guò)程中采用Mixture多相流模型進(jìn)行計(jì)算求解，Mixture模型的控制方程如下[16]：

2.2.2 ?邊界條件與計(jì)算模型

計(jì)算工質(zhì)溫度為30 ℃;以正丙醇作為基本相：密度為788.445 kg/m3，粘度1.684×10-3 Pa·s;MEA水溶液作為第二相：密度為1 000.106 8 kg/m3，粘度1.45×10-2 Pa·s。計(jì)算中重力忽略不計(jì)，入口采用速度進(jìn)口：入口1速度0.001 7 m/s，入口2速度0.002 m/s，出口采用outflow自由流出口;混合器壁面和混合元件葉片壁面均按無(wú)滑移光滑絕熱壁面邊界條件處理;湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的模型;求解器中主要參數(shù)設(shè)置為：壓力和速度耦合項(xiàng)采用SIMPLE算法，梯度采用Least Squares Cell Based，壓力方程采用PRESTO！格式，體積分?jǐn)?shù)方程采用QUICK格式，其余皆采用二階迎風(fēng)格式。

3 ?計(jì)算結(jié)果分析

3.1 ?液-液相變?nèi)芤毫鲃?dòng)和混合特性

3.1.1 ?速度分析

圖3（a）為X=0和Z=0截面內(nèi)平面速度分布云圖，圖3（b）為沿Y軸方向管道不同截面的速度分布云圖。由圖可以看出，由于混合元件的剪切、旋轉(zhuǎn)作用，兩相流流速進(jìn)入混合區(qū)域后流速迅速增加，混合器內(nèi)部的最高流速達(dá)到0.013 m/s。在未進(jìn)入混合區(qū)域前，兩相流為層流速度分布;進(jìn)入混合區(qū)域后，邊界層內(nèi)的低速流體在相反方向的葉片1下方和葉片2上方區(qū)域的流速得到較大提升，流場(chǎng)變化變得復(fù)雜，接觸到混合器葉片的流體被剪切削離，流體流經(jīng)葉片3后，實(shí)現(xiàn)流體沿管道的徑向圓周換位。

3.1.2 ?湍動(dòng)能與湍流強(qiáng)度

圖4為混合流沿Y軸方向不同截面的湍動(dòng)能和湍流強(qiáng)度曲線圖。

由圖4可知，湍流強(qiáng)度在未進(jìn)入混合區(qū)域時(shí)降至最低;當(dāng)流體流經(jīng)混合元件后，流體的湍流強(qiáng)度顯著增加，促進(jìn)了兩相流的互相擾動(dòng)混合和剪切作用。隨著流體逐漸遠(yuǎn)離混合元件區(qū)域，湍流強(qiáng)度逐漸減弱。流體湍動(dòng)能在未混合區(qū)域段呈先上升后下降的趨勢(shì)，在混合區(qū)域段與湍流強(qiáng)度的分布趨勢(shì)基本一致。因流體物理特性和入口邊界條件設(shè)置，使分析中湍動(dòng)能和湍流強(qiáng)度的數(shù)量級(jí)均較小，但變化趨勢(shì)與前面的速度分析結(jié)果可以相互驗(yàn)證。

3.2 ?液-液相變?nèi)芤夯旌闲Ч?/p>

圖5（a）-（f）為SD型靜態(tài)混合器沿Y軸方向不同截面處的正丙醇相分率云圖。由圖5可知，在兩相流進(jìn)入混合區(qū)域前，正丙醇相分布主要集中在管道的下側(cè)，分布很不均勻;進(jìn)入混合區(qū)域后，在混合元件的剪切、分割作用下，兩相流的流速和湍流強(qiáng)度迅速提高，正丙醇相從下側(cè)高濃度聚集區(qū)沿管道圓周方向擴(kuò)散，正丙醇相進(jìn)行了重新分布，均勻性得到了明顯的提高;圖5（f）表明，當(dāng)流體離開(kāi)混合區(qū)域后，兩相流體仍保持著良好的混合特性，說(shuō)明MEA水溶液與正丙醇已經(jīng)得到充分的混合。

為驗(yàn)證兩相流在SD靜態(tài)混合器中的混合效果，本文進(jìn)一步采用不均勻系數(shù)對(duì)相分布混合程度進(jìn)行定量計(jì)算。的定義如下：

其中，表示截面上物相分率的分布方差，表示截面上物相分率的算術(shù)平方根。根據(jù)不均勻系數(shù)的定義，越小，表明混合效果越好。圖6為SD靜態(tài)混合器沿Y軸不同截面的不均勻系數(shù)，Y=0為MEA水溶液的入口位置，Y=70為正丙醇溶液的入口中心位置，兩相流體在層流段不均勻系數(shù)呈上升趨勢(shì)，但到達(dá)流體混合區(qū)域（Y=98～230 mm）時(shí)，不均勻系數(shù)均得到明顯的下降，不均勻系數(shù)均降低至0.25。

隨后，隨著流體在管道的流動(dòng)，不均勻系數(shù)不再發(fā)生明顯的改變并趨于平穩(wěn)。不均勻系數(shù)的定量計(jì)算與混合器沿Y軸方向不同截面處的正丙醇相分率分布基本一致。

4 ?結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)液-液相變?nèi)軇┫嚓P(guān)文獻(xiàn)的分析，提出了液-液相變?nèi)軇┎都疌O2煙氣的工藝流程與裝備，針對(duì)其與傳統(tǒng)捕集工藝的不同之處，保證在循環(huán)捕集周期內(nèi)分相貧液和解吸再生溶劑的充分混合，設(shè)計(jì)出液-液相變?nèi)軇┑囊后w混合裝置，創(chuàng)建了SD型靜態(tài)混合器的三維實(shí)體模型。

（2）基于工業(yè)應(yīng)用成熟的MEA、MDEA等吸收劑，選擇MEA-正丙醇水溶液相變體系，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對(duì)SD型靜態(tài)混合器內(nèi)的流動(dòng)和混合特性進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果表明正丙醇和MEA水溶液混合的較均勻，設(shè)計(jì)的混合器具有較好的混合性能。

（3）通過(guò)數(shù)值模擬，分析并掌握了兩相流體的各種流動(dòng)特性參數(shù)，為下一步相變?nèi)芤夯旌象w系捕集CO2過(guò)程提供了混合流反應(yīng)參數(shù)，保證了捕集CO2工藝流程的連續(xù)性和高效性。此外，數(shù)值模擬結(jié)果可以為液-液相變?nèi)軇┑墓に嚵鞒讨谢旌线^(guò)程的裝置選用和設(shè)計(jì)提供參考和理論依據(jù)。

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