基于CFD模擬的油氣吸附過程關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

胡明剛　陶冶　崔哲　田文德

摘 要 目前我國(guó)石油化工領(lǐng)域生產(chǎn)過程存在較為嚴(yán)重的油氣蒸發(fā)損耗問題，不僅導(dǎo)致油品資源的損耗，也嚴(yán)重影響了大氣質(zhì)量，常通過吸附方式進(jìn)行油氣回收。針對(duì)實(shí)際工業(yè)中油氣吸附效率較低的問題，致力于尋求提高活性炭吸附性能的方法?；谟?jì)算流體力學(xué)軟件中的組分輸運(yùn)及多孔介質(zhì)模型，對(duì)油氣吸附過程進(jìn)行建模及動(dòng)態(tài)模擬，分析活性炭床層內(nèi)部的濃度場(chǎng)分布情況，并采用控制變量法對(duì)比空塔氣速對(duì)吸附性能的影響。不同氣速下穿透曲線的比對(duì)結(jié)果表明：氣速越大穿透曲線越陡峭，相同時(shí)間間隔內(nèi)的吸附負(fù)荷越大穿透時(shí)間越短。

關(guān)鍵詞 參數(shù)優(yōu)化 CFD模擬 油氣吸附 氣速 穿透曲線 空塔氣速 操作壓力 操作溫度

中圖分類號(hào) TP274? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 1000-3932（2023）04-0545-05

在石油化工領(lǐng)域，油品組分中存在大量揮發(fā)性較強(qiáng)的輕烴組分，在它們的開采、提煉、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用等過程中，由于受技術(shù)、工藝、設(shè)備條件等的限制，部分液態(tài)輕烴組分不可避免地會(huì)蒸發(fā)而逸入大氣，油品損耗嚴(yán)重，導(dǎo)致能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)嚴(yán)重影響大氣質(zhì)量，危害人體健康，并給企業(yè)帶來諸多安全問題［1，2］。因此，有必要對(duì)油氣進(jìn)行回收利用，以提高能源利用率、減少經(jīng)濟(jì)損失、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和消除安全隱患。

吸附法是目前國(guó)內(nèi)較為成熟的、節(jié)能環(huán)保型的油氣回收技術(shù)［3］，但在實(shí)際應(yīng)用中還存在油氣凈化率不夠高、吸附效率有待進(jìn)一步提高的問題。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法大多受設(shè)備規(guī)模、檢測(cè)精度等外部條件的制約，存在操作周期長(zhǎng)、成本高、人力物力消耗大的缺點(diǎn)。理論研究方法雖然沒有上述缺點(diǎn)，但必須對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化，在非線性情況下只有少數(shù)流動(dòng)才能產(chǎn)生分析結(jié)果。

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一種可靠的模擬技術(shù)，可以克服實(shí)驗(yàn)方法和理論分析方法的缺點(diǎn)，用于模擬吸附過程中的流體流動(dòng)狀況和組分輸運(yùn)現(xiàn)象，進(jìn)而優(yōu)化工藝設(shè)備及操作參數(shù)［4，5］。對(duì)于以活性炭為吸附劑的吸附過程來說，空塔氣速、操作壓力、操作溫度等參數(shù)都會(huì)影響吸附床層的利用效率，許多學(xué)者對(duì)該過程進(jìn)行了深入的研究。梁穎做了吸附罐內(nèi)氣體空間濃度分布的CFD數(shù)值模擬，基于有限元法研究了氣體在空間內(nèi)連續(xù)擴(kuò)散的問題，發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)的氣體濃度并不是均勻分布的，在高度方向上濃度存在明顯的拐點(diǎn)［6］，這為確定吸附罐內(nèi)活性炭的安裝位置提供了幫助。武華賓設(shè)計(jì)了一套三級(jí)冷凝-吸附集成的VOCs處理工藝，并采用Fluent對(duì)設(shè)備內(nèi)的流場(chǎng)分布情況進(jìn)行模擬分析，深入探討了設(shè)備選型優(yōu)化和集成工藝參數(shù)設(shè)計(jì)［7］。文獻(xiàn)［8］采用多孔介質(zhì)模型和用戶自定義方程（UDF）相結(jié)合的方法，模擬苯在活性炭上的吸附過程和多孔介質(zhì)中的流場(chǎng)分布，采用層流單相流方程結(jié)合傳質(zhì)方程，建立三維非定常氣體流動(dòng)模型，吸附速率由用戶自定義的源項(xiàng)添加到模型中。事實(shí)上，CFD模擬方法已成為研究VOCs凈化裝置內(nèi)流體分布狀況及流動(dòng)規(guī)律的重要手段［9～11］。

筆者基于CFD軟件中的多孔介質(zhì)模型、組分輸運(yùn)模型和自主編寫的UDF代碼進(jìn)行油氣吸附過程的數(shù)值模擬，多孔介質(zhì)模塊包含一整套物理場(chǎng)接口，可以近似地模擬活性炭中的實(shí)際孔隙。針對(duì)單相的多孔介質(zhì)模型不能反映固體吸附劑與氣體吸附質(zhì)之間的質(zhì)量、熱量傳遞問題，通過編寫UDF還原了吸附分離過程中氣固兩相間的傳質(zhì)、傳熱現(xiàn)象，將單相模型改進(jìn)為氣固兩相耦合模型，探索了吸附過程內(nèi)在機(jī)理，優(yōu)化了過程操作參數(shù)。

1 數(shù)值求解方法

由一組偏微分代數(shù)方程給出的模型方程較難求解。當(dāng)氣流軸向擴(kuò)散不明顯時(shí)，濃度曲線可能會(huì)比較陡峭，這類曲線需要精細(xì)化的網(wǎng)格來進(jìn)行處理，這就需要大量的計(jì)算工作。因此，在優(yōu)化吸附過程時(shí)減少計(jì)算工作量就顯得尤為關(guān)鍵，所以應(yīng)該將數(shù)值進(jìn)行離散化處理［12］。筆者采用有限差分法將計(jì)算域進(jìn)行離散化，將一組偏微分代數(shù)方程轉(zhuǎn)換為一組微分代數(shù)方程。在求解過程中，數(shù)值求解方法選擇較為穩(wěn)定的迎風(fēng)差分法［13］，該方法模擬時(shí)間較短且模擬結(jié)果合理準(zhǔn)確，可以通過增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量來提高精度。

1.1 質(zhì)量平衡方程

1.2 動(dòng)量平衡方程

1.3 吸附動(dòng)力學(xué)

2 案例應(yīng)用

將實(shí)際工業(yè)中油氣吸附罐設(shè)備的規(guī)格尺寸等比縮小100倍，在建模軟件中建立幾何模型，然后通過網(wǎng)格劃分軟件對(duì)構(gòu)建的幾何體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，多孔介質(zhì)區(qū)全部采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格并添加邊界層，以更好地模擬真實(shí)流動(dòng)。采用Mesh軟件提供的正交質(zhì)量和單元畸變度兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)網(wǎng)格質(zhì)量，評(píng)價(jià)結(jié)果表明所劃分的網(wǎng)格可以滿足計(jì)算精度要求。將劃分完網(wǎng)格的模型導(dǎo)入CFD求解器中進(jìn)行瞬態(tài)求解，求解器設(shè)置見表1。

實(shí)際的油氣組成較為復(fù)雜，為降低模擬的復(fù)雜性，用丁烷（C4H10）、戊烷（C5H12）和空氣的混合物代替油氣，各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為丁烷0.3、戊烷0.3、空氣0.4。由于C4H10和C5H12間存在競(jìng)爭(zhēng)吸附現(xiàn)象，且活性碳層對(duì)分子量較大的C5H12吸附能力強(qiáng)，優(yōu)先吸附C5H12，所以C4H10比C5H12先穿透，因此將C4H10穿透時(shí)間作為衡量吸附性能的指標(biāo)，具體操作方法為監(jiān)控吸附罐出口處C4H10的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

油氣在多孔介質(zhì)內(nèi)吸附傳質(zhì)過程中的丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖如圖1所示，紅色區(qū)域代表活性炭已處于飽和狀態(tài)，藍(lán)色區(qū)域表示活性炭還未被利用，中間部分代表傳質(zhì)區(qū)。具體數(shù)值如圖1比色柱所示。

吸附罐不同軸向位置的壓力分布情況如圖2所示，可以看出，氣體進(jìn)、出口封頭處壓力大小不變，多孔介質(zhì)區(qū)域壓強(qiáng)均勻下降。適當(dāng)?shù)膲航涤兄跉怏w均勻分布，壓降過大易造成安全隱患。

如果吸附過程處于理想情況下，即不存在傳質(zhì)阻力、吸附速率趨于無窮大、氣固兩相能夠瞬間達(dá)到平衡狀態(tài)，穿透曲線的形狀將呈直角折線。但實(shí)際中由于存在傳質(zhì)阻力、流動(dòng)速度分布不均等因素的影響，穿透曲線為S型曲線。

筆者對(duì)比了空塔氣速分別為0.2、0.3、0.4、0.5 m/s的情況下，對(duì)吸附穿透曲線造成的影響，進(jìn)而指導(dǎo)工業(yè)實(shí)際操作參數(shù)的選用，如圖3所示。

認(rèn)為當(dāng)出口濃度C等于0.05倍的入口濃度，即Ct /C0=0.05時(shí)，活性炭床層被穿透，達(dá)到“穿透點(diǎn)”，對(duì)應(yīng)的流動(dòng)時(shí)間即為穿透時(shí)間。出口濃度C等于0.95倍的入口濃度，即Ct /C0=0.95時(shí)，活性炭床層飽和，達(dá)到“流干點(diǎn)”。圖3中的模擬結(jié)果表明，當(dāng)其他模擬條件一定時(shí)，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，氣流空塔氣速的大小對(duì)床層吸附的性能影響較大。隨著氣流空塔氣速v增加，穿透曲線斜率變大，吸

附傳質(zhì)速率加快，穿透曲線向左平移，吸附床達(dá)到“穿透點(diǎn)”的時(shí)間縮短，達(dá)到“流干點(diǎn)”的時(shí)間也減小，床層的吸附負(fù)荷變大。

3 結(jié)束語

當(dāng)氣流空塔氣速?gòu)?.2 m/s增加到0.5 m/s，穿透時(shí)間從3.6 s縮短到1.0 s。隨著氣速增加，吸附速率加快，穿透曲線斜率也隨之變大，穿透曲線更為陡峭，床層穿透時(shí)間和達(dá)到平衡的時(shí)間明顯減小，等量吸附劑處理的吸附質(zhì)越多，即吸附負(fù)荷越大。然而，氣速增加后單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過床層的氣體量增加，床層的無效層厚度和傳質(zhì)區(qū)長(zhǎng)度也延長(zhǎng)，床層的利用率降低。綜合考慮氣速對(duì)吸附床層的無效層厚度和傳質(zhì)區(qū)長(zhǎng)度的影響，是下一步工作需要完善的重要內(nèi)容。

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（收稿日期：2022-12-06，修回日期：2023-01-07）

Key Parameters Optimization in Oil & Gas Adsorption Process

Based on CFD Simulation

HU Ming-gang TAO Ye2， CUI Zhe TIAN Wen-de

（1. Qingdao Nuocheng Chemicals Safety Technology Co.， Ltd.；

2. College of Chemical Engineering， Qingdao University of Science & Technology）

Abstract? ?The oil & gas evaporation loss bothers petrochemical production at home， which leads to the loss of oil resources and seriously influences the air quality and the way of adsorption is employed generally for oil & gas recovery. In this paper， considering the poor efficiency of oil & gas adsorption in industry， theways to improve adsorption performance of activated carbon was proposed. In which， having component transport and porous media models in computational fluid dynamics software based to model and simulate the oil & gas adsorption process was implemented， including analyzing the concentration field distribution within activated carbon bed and having control variable method adopted to compare the effect of superficial gas flow rate on the adsorption performance. The comparison of the penetration curves at different gas velocities shows that， the higher gas velocity can bring about steeper penetration curve and in the same time interval， the higher adsorption load results in shorter penetration time.

Key words? ? parameter optimization， CFD simulation， oil & gas adsorption， gas velocity， penetration curve，? superficial gas flow rate， operating pressure， operating temperature