張 楠 陳建華 宋 彬 李映年 吳 宇 劉 薔

1.中國科學院過程工程研究所多相復雜系統(tǒng)國家重點實驗室 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院

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絡合鐵法脫硫反應器錐段硫磺沉降的數(shù)值模擬①

絡合鐵法脫硫工藝在天然氣行業(yè)應用廣泛，將反應生成的硫磺富集回收是反應器穩(wěn)定運行的關(guān)鍵之一。在反應器底部引入錐段對硫磺的富集、沉降和回收很有幫助，為了避免硫磺在錐段側(cè)壁長期沉積和結(jié)塊，應分層通入擾動氣體。通入氣量不能太小，以免達不到避免錐段側(cè)壁硫磺沉積的作用；但也不能太大，否則會使得硫磺難于沉降。本研究采用歐拉多流體模型，對錐段硫磺沉降進行了模擬，研究了硫磺濃度和通氣速度對硫磺沉降的影響。結(jié)果表明：硫磺濃度對沉降速度影響較小，而通氣速度對沉降影響明顯。隨著氣速的增大，硫漿沉降越來越慢，對所研究的體系而言，最大通氣速度應小于0.75 m/s。

氣液固三相流 計算流體力學 歐拉多流體模型 絡合鐵 脫硫 硫磺沉降

絡合鐵液相氧化還原法脫硫技術(shù)具有吸收速度快、硫回收率高、對原料氣波動適應性較強等優(yōu)點，被認為是處理中低潛硫量煉廠氣和天然氣的理想選擇[1-4]。該工藝采用自循環(huán)環(huán)流式反應器時，反應器底部采取錐段設計[5]，有利于反應生成硫磺顆粒的沉積和富集，而底部設置自動脈沖吹掃系統(tǒng)則可使富集的硫磺不易結(jié)塊和沉積在壁面上。硫磺顆粒的富集、沉降和回收對自循環(huán)環(huán)流反應器的正常運行有重要作用，通氣速度對硫磺顆粒的沉降有重要影響，但目前關(guān)于此方面的公開文獻發(fā)表較少。這主要是由于對于復雜的氣液固三相體系，測試技術(shù)存在很大的局限性，尤其是對于高固含量工業(yè)體系，目前還沒有很好的測量方法[6-8]。

采用計算流體力學方法已經(jīng)成為除實驗和理論以外科學研究中越來越重要的手段。對于液固之間存在滑移的氣液固三相體系，根據(jù)對離散相顆粒的不同處理，有歐拉-拉格朗日方法[9-10]和歐拉多流體方法[11-13]。其中，正確地表達相間作用力是模擬成功的關(guān)鍵[11,14-15]。考慮到目前的模型發(fā)展和計算速度，歐拉多流體模型更適用于工業(yè)規(guī)模反應器的研究。

本研究采用歐拉多流體模型和k-ε混合物湍流模型對錐段硫磺顆粒在擾動氣體作用下的沉降進行了模擬，研究了固相濃度和氣相速度對錐段硫磺沉降的影響，為錐段通氣速度的選取提供了一定理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 模型描述

天然氣絡合鐵液相氧化還原法脫硫體系是典型的氣-液-固三相流復雜系統(tǒng)，反應生成的硫磺顆粒尺寸小，流體跟隨性好，但液固之間存在滑移。為了更好地描述硫磺在反應溶液通氣擾動下的運動，本研究將氣、液、固三相均視為連續(xù)介質(zhì)，選取歐拉多流體模型進行模擬。其中，反應溶液作為連續(xù)相，空氣和硫磺顆粒為離散相。固相應力采用顆粒動理論描述?？紤]到通氣量較小，而反應溶液和生成的硫磺顆粒密度接近，因此，選擇計算量較小的k-ε混合物湍流模型描述體系內(nèi)的湍動。根據(jù)前期研究結(jié)果，僅考慮氣液之間和液固之間的相間作用，詳細的模型描述見文獻[11]。

1.2 反應器與構(gòu)體

反應器直徑為2.8 m，底部錐角為75°。為防止硫漿在壁面沉積，分3層間歇通入脈沖空氣。為簡化計算，本研究采用二維非穩(wěn)態(tài)模擬，計算幾何區(qū)域設定如圖1所示。通過嘗試，在錐部上端加2.5 m的延伸段，可以保證在所研究范圍內(nèi)，液體及固體顆粒始終在計算域內(nèi)。擾動空氣入口按實際裝置高度分3層設置，均為速度入口，中上兩層入口速度方向沿壁面向下，底部入口速度向上，延伸段頂部為壓力出口，壁面處液相為無滑移邊界條件，氣相和固相為自由滑移邊界條件。

通過前期模擬嘗試，當錐段網(wǎng)格為10 mm、延伸段網(wǎng)格為50 mm時，既可以保證計算速度，又可達到網(wǎng)格無關(guān)性。

1.3 模型設置和求解

初始時，錐段上部空間為空氣，底部為液固混合物。為研究硫漿濃度及通氣速度變化對硫漿沉降的影響，將錐段平均分為左右兩部分，固體物料按體積分數(shù)分別大于和小于平均分數(shù)0.05堆積，其余為水，初始時空氣和固體物料的堆積分布見圖2。

壓力-速度的耦合求解采用相間耦合的壓力耦合方程組的半隱式(Phase Coupled SIMPLE)算法，質(zhì)量守恒與動量守恒方程均采用一階離散方式。時間步長設置為0.005 s，通過監(jiān)視反應器內(nèi)物料分布均勻性和殘差曲線綜合判斷流動是否達到穩(wěn)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 固體分布均勻度指數(shù)

為了研究通入空氣對硫漿沉降的影響，采用均勻性指數(shù)表征錐體部分固相分布均勻度。均勻性指數(shù)是用來描述指定表面上指定的物理量變化情況，最大值為1，表明指定表面上物理量均勻分布，數(shù)值越小，分布均勻性越差。均勻性指數(shù)能夠采用面積或質(zhì)量加權(quán)進行衡量：面積加權(quán)均勻性指數(shù)捕捉量的變化(如組分濃度)，質(zhì)量加權(quán)均勻性指數(shù)捕捉通量的變化(如組分通量)。根據(jù)研究需要，采用面積加權(quán)考慮硫磺濃度分布的均勻性。其定義見式(1)。

(1)

(2)

入口氣速為0.375 m/s 、硫漿體積分數(shù)為15%的均勻性指數(shù)隨時間變化的情況見圖3。模擬剛開始時，由于擾動氣體的通入，使得錐段固相濃度分布有更均勻的趨勢。隨著模擬的進行，均勻性指數(shù)分布隨時間呈線性下降趨勢?；诖?，后續(xù)所有的模擬時間均按200 s考慮，以保證錐段均勻性指數(shù)變化趨勢達到穩(wěn)定。

2.2 硫漿體積分數(shù)對均勻性指數(shù)的影響

在不同的硫漿體積分數(shù)下均勻性指數(shù)隨時間變化的情況見圖4。從圖4可以看出，不同硫漿體積分數(shù)下均勻性指數(shù)隨時間的變化斜率基本一致，造成這種情況的主要原因是氣速在0.375 m/s時，僅起到擾動作用，硫漿主體在重力作用下沉降，故受體積分數(shù)的影響不大。

模擬進行200 s時，固相濃度的分布見圖5。此時，錐段固相整體呈現(xiàn)底部濃度高而上部濃度低的分層分布，在徑向上，由于底部入口的氣相擾動作用，同一高度上中心濃度略高于靠近錐段壁面的濃度。

2.3 擾動氣速對均勻性指數(shù)的影響

在不同的擾動氣速下均勻性指數(shù)隨時間變化的情況見圖6。從圖6可以看出，不同擾動氣速下均勻性指數(shù)隨時間的變化斜率呈現(xiàn)兩種不同的趨勢：當入口擾動氣速小于0.75 m/s時，均勻性指數(shù)隨時間增加而降低；當入口擾動氣速大于0.75 m/s時，均勻性指數(shù)隨時間增加而增大。這主要是由于硫漿受重力作用沉

降，隨著擾動氣速的增大，硫漿所受流體的曳力逐漸增大，甚至成為主導因素，導致硫漿不再沉降。

模擬進行200 s時，固相濃度的分布見圖7。從圖7可以看出，隨著擾動氣速的增大，硫漿分布越來越均勻，也就意味著沉降越來越慢，甚至不再沉降。

3 結(jié) 論

采用歐拉多流體模型和k-ε混合物湍流模型對錐段硫磺顆粒在擾動氣體作用下的沉降進行了模擬，并得出以下結(jié)論：

(1) 在擾動空氣入口速度為0.375 m/s時，硫漿體積分數(shù)為10%～30%，均勻性指數(shù)隨時間的變化斜率基本一致。

(2) 硫漿體積分數(shù)為15%，當入口擾動氣速小于0.75 m/s時，均勻性指數(shù)隨時間增加而降低；當入口擾動氣速大于0.75 m/s時，均勻性指數(shù)隨著時間的增加而增大。

[1] 李勁, 雷萌, 唐浠. 對中低含硫天然氣脫硫技術(shù)的認識[J]. 石油與天然氣化工, 2013, 42(3): 227-233.

[2] 王海秀. 水合物法天然氣脫硫工藝研究[J]. 石油與天然氣化工, 2014, 43(4): 370-373.

[3] 陳賡良, 李勁. 天然氣脫硫脫碳工藝的選擇[J]. 天然氣與石油, 2014, 32(6): 29-34.

[4] 劉宏偉, 徐西娥. LO-CAT○R硫磺回收技術(shù)在煉廠硫磺回收裝置中的應用[J]. 石油與天然氣化工, 2009, 38(4): 322-326.

[5] 李軍, 王劍鋒. LO-CATⅡ硫磺回收反應器錐體堵塞原因分析及對策[J]. 石油與天然氣化工, 2016, 45(1): 36-41.

[6] 于佩潛, 門卓武, 卜億峰, 等. 多相流反應器流體力學參數(shù)測試技術(shù)進展[J]. 化工學報, 2013, 64(增刊1): 8-20.

[7] 劉建華, 劉明言, 胡宗定. 低固含率氣-液-固循環(huán)流化床流動特性[J]. 化工學報, 2013, 64(2): 504-516.

[8] PIETSCH T, MEHRWALD R, GRAJETZKI R, et al. Macro-and microscopic in-situ observation of gas bubbles and sludge particles in a biogas tower reactor[J]. Water Research, 2002, 36(11): 2836-2842.

[9] 李彥鵬, 王煥然. 基于Level Set方法的氣-液-固三相流動模型與模擬[J]. 應用力學學報, 2008, 25(4): 578-582.

[10] 聞建平, 黃琳, 周懷, 等. 氣液固三相湍流流動的E/E/L模型與模擬[J]. 化工學報, 2001, 52(4): 343-348.

[11] 陳建華. 鼓泡塔反應器內(nèi)氣液(固)流動多尺度模型分析和計算[D]. 北京: 中國科學院研究生院, 2011.

[12] 張敏華, 甘瑤瓊, 耿中峰, 等. 內(nèi)循環(huán)厭氧反應器的氣-液-固三相流數(shù)值模擬研究[J]. 計算機與應用化學, 2015, 32(10): 1153-1157.

[13] 袁春昱, 劉永民. 氣升式環(huán)流反應器數(shù)值模擬研究進展[J]. 化學工業(yè)與工程技術(shù), 2012, 33(6): 31-35.

[14] 李向陽, 楊士芳, 馮鑫, 等. 氣-液-固三相攪拌槽反應器模型及模擬研究進展[J]. 化學反應工程與工藝, 2014, 30(3): 238-246.

[15] 柴芳芳, 聞建平. 三相流化床反應器流體流動的數(shù)值模擬[J]. 化工設計通訊, 2001, 27(2): 56-60.

Numerical simulation of sulfur deposition in the cone section of chelated iron desulphurization reactor

Zhang Nan1, Chen Jianhua1, Song Bin2, Li Yingnian2, Wu Yu2, Liu Qiang2

(1.StateKeyLaboratoryofMultiphaseComplexSystems,InstituteofProcessEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China; 2.ResearchInstituteofNaturalGasTechnologyofPetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,Chengdu610213,China)

Chelated iron desulfurization process is widely used in natural gas industry, the enrichment and removal of sulfur particles is a key factor for stable operation of the reactor. The design of a cone section at the bottom of the reactor is helpful for the enrichment, settlement and recovery of sulfur particles. In order to avoid long-term deposition and agglomeration of sulfur particles at the side wall of the cone section, the disturbed gas should be injected at different heights. The flow rate of the disturbed air should not be too small, so as to avoid sulfur deposition at the side wall of the cone section. It should also not be too large, so as to prevent the settlement difficulty of the sulfur particles. Eulerian multiphase model was used to simulate sulfur deposition in the cone section. The effects of sulfur concentration and air flow velocity on sulfur deposition were studied. The results showed that sulfur concentration had little influence on the settling velocity, while the effect of air flow velocity on the settlement was obvious. The deposition rate of sulfur particle decreased with the increasing of gas velocity, the maximum air flow velocity of the system should be less than 0.75 m/s to ensure the settlement of the sulfur particles.

gas-liquid-solid three phase flow, computational fluid dynamics, Eulerian multiphase model, chelated iron, desulphurization, sulfur deposition

張楠(1982-)，男，遼寧撫順人，中國科學院過程工程研究所副研究員，主要從事多相流系統(tǒng)的多尺度建模與其應用研究。E-mail：nzhang@ipe.ac.cn

張 楠1陳建華1宋 彬2李映年2吳 宇2劉 薔2

1.中國科學院過程工程研究所多相復雜系統(tǒng)國家重點實驗室 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院

TE644; TQ015.9; TP391.9; O6-39

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.06.003

2016-03-04；編輯：溫冬云