褚 潔 陳 杰 張曉慧 曾偉平 花亦懷 余思聰
(中海石油氣電集團(tuán)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(chǔ)存、裝卸及外運(yùn)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(diǎn)[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(duì)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(guó)太空計(jì)劃征求微重力場(chǎng)的試驗(yàn)項(xiàng)目[8],隨后國(guó)外各研究機(jī)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(guó)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(guó)內(nèi)僅有幾家科研院校利用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法針對(duì)脫硫純度要求不高的化工過(guò)程進(jìn)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(qiáng)化原料氣與脫碳液之間反應(yīng)過(guò)程的技術(shù),流體在高速旋轉(zhuǎn)填料層中流動(dòng),傳質(zhì)過(guò)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(dòng)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(guò)對(duì)流體流動(dòng)復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行加密網(wǎng)格處理來(lái)滿足流體傳質(zhì)計(jì)算的準(zhǔn)確性[18]。同時(shí),還需要強(qiáng)化流體在旋轉(zhuǎn)填料層中的傳質(zhì)計(jì)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(duì)超重力脫碳條件下旋轉(zhuǎn)填料層中流體流動(dòng)特性進(jìn)行研究。
本文針對(duì)新型超重力天然氣脫碳技術(shù)特點(diǎn),通過(guò)數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合,研究了流體在超重力機(jī)旋轉(zhuǎn)填料層中的流動(dòng)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(duì)流體流動(dòng)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。
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(jìn)行充分接觸,氣液兩相在填料層剪切作用及強(qiáng)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(dá)到高效脫碳的目的。脫碳過(guò)程主要發(fā)生在超重力機(jī)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?yàn)檠芯繉?duì)象。
超重力機(jī)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(guò)程中會(huì)往殼體方向運(yùn)動(dòng),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(biāo),其轉(zhuǎn)速不同。從圖1可看出,實(shí)際絲網(wǎng)填料結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)計(jì)算機(jī)的性能及計(jì)算時(shí)間要求較高。為便于計(jì)算,得到準(zhǔn)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(shí)際絲網(wǎng)結(jié)構(gòu),對(duì)絲網(wǎng)填料層中的氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬。
圖1 超重力機(jī)旋轉(zhuǎn)填料層及外部殼體Fig .1 Geometry of rotating packed layer and its outer shell
對(duì)于旋轉(zhuǎn)工況,用滑移網(wǎng)格法計(jì)算三維多孔介質(zhì)時(shí),由于計(jì)算過(guò)程中容易出現(xiàn)負(fù)網(wǎng)格區(qū)域的情況,所以對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,如圖2所示。為保證計(jì)算過(guò)程中不會(huì)發(fā)散,絲網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格必須加密。同時(shí),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(duì)于控制方程的求解能夠順利進(jìn)行。
圖2 超重力機(jī)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(duì)研究結(jié)果影響較大,尤其是對(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型,因此需要驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。選取100萬(wàn)與400萬(wàn)之間3種不同網(wǎng)格數(shù)量下的模型,進(jìn)行同一工況條件的計(jì)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(shí),壓力計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差小于0.15%。為確保最小的計(jì)算量及足夠的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性,選擇網(wǎng)格數(shù)為1 651 747的模型進(jìn)行模擬分析。
流體在任何狀態(tài)條件下的流動(dòng),包括牛頓流體和非牛頓流體,其質(zhì)量傳遞、動(dòng)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(dòng)定律主要包含質(zhì)量守恒定律、動(dòng)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(dòng)劇烈,湍動(dòng)能較高。為精確模擬流動(dòng)過(guò)程,考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng),本研究選取RNGk-e模型。
本研究所用模型的合理性可參考文獻(xiàn)[13]。基于本文研究方法,給出與文獻(xiàn)[13]相同的結(jié)構(gòu)尺寸和邊界條件,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)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(guò)6%,因此本文研究成果可靠。
圖4 本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[13]研究結(jié)果對(duì)比Fig .4 Comparison of pressure with the results of reference[13] and this paper
在液相脫碳液MDEA[20]進(jìn)入旋轉(zhuǎn)填料層之前,里面充滿含碳?xì)怏w。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(qiáng)分散性和流動(dòng)性的特點(diǎn),海上晃蕩工況對(duì)氣相流體流動(dòng)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。
晃蕩工況對(duì)海上天然氣脫碳工藝中流體流動(dòng)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(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生影響,因此需要對(duì)多種邊界條件下的流體流動(dòng)情況進(jìn)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(duì)象具有中心對(duì)稱(chēng)特性,艏搖和橫搖對(duì)流體流動(dòng)影響可以忽略。
考慮海上晃蕩工況主要是對(duì)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(jìn)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(dòng)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(duì)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(dòng)模擬結(jié)果Fig .5 Fluid flow results obtained under offshore conditions
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(guò)對(duì)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(chǎng)、壓力場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行分析,找到超重力條件下旋轉(zhuǎn)填料層中流體的流動(dòng)特性。
2.2.1速度場(chǎng)
為便于觀察及分析,對(duì)模擬結(jié)果沿徑向方向進(jìn)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(dòng)時(shí)間的增加而減??;隨著流體不斷進(jìn)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(dòng)對(duì)填料層旋轉(zhuǎn)的敏感性,對(duì)流速分布的均勻性起積極作用。當(dāng)流動(dòng)時(shí)間足夠大時(shí),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(dòng)隨著填料層的旋轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)出不同的流動(dòng)規(guī)律,隨著時(shí)間的推移,流體流動(dòng)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(jìn)入旋轉(zhuǎn)填料層時(shí),在填料層外部殼體的靜止區(qū)域會(huì)發(fā)生偏流現(xiàn)象。當(dāng)流動(dòng)時(shí)間為0.5 s時(shí),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(dòng)時(shí)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(dòng)與旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流動(dòng)一樣,隨著填料層的旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)均勻分布的特點(diǎn)(圖7c)。
圖6 不同流動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)間下流體運(yùn)動(dòng)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(shì),通過(guò)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(jī)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(yùn)動(dòng)較為活躍;沿縱坐標(biāo)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(dòng)時(shí)間為9.5 s時(shí),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(biāo)軸的上部區(qū)域,流體呈錯(cuò)流流動(dòng)規(guī)律,對(duì)流體分布均勻性起積極影響。對(duì)于絲網(wǎng)填料層外部的殼體靜止區(qū),當(dāng)流動(dòng)時(shí)間從0.5 s增加到9.5 s時(shí),沿橫坐標(biāo)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(dòng)時(shí)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(chǎng)
流體在旋轉(zhuǎn)填料層中的壓力場(chǎng)反映了流體在旋轉(zhuǎn)填料層中運(yùn)動(dòng)所受到的阻力變化規(guī)律。為便于觀察及分析,對(duì)模擬結(jié)果沿徑向方向進(jìn)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(shí)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(dòng)時(shí)間為0.5 s時(shí),旋轉(zhuǎn)填料層內(nèi)部?jī)?nèi)壁面與外壁面之間的壓降較大(圖9a)。隨著流動(dòng)時(shí)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(shuō)明流體在旋轉(zhuǎn)填料層內(nèi)的流動(dòng)阻力減小,流體流動(dòng)均勻性變好。當(dāng)流動(dòng)時(shí)間為9.5 s時(shí),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(zhǔn)確判斷流體在旋轉(zhuǎn)填料層流動(dòng)過(guò)程中的壓力變化趨勢(shì),繪制不同流動(dòng)時(shí)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(jī)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(kāi)始進(jìn)入旋轉(zhuǎn)填料層時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的壓降波動(dòng)較大,這是因?yàn)檩^低液相濃度時(shí)的流體運(yùn)動(dòng)對(duì)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(dòng)時(shí)間的變化均較大。在流動(dòng)時(shí)間為0.5 s時(shí),流體沿縱向的壓力集中的區(qū)間較大,壓降很大,說(shuō)明流體沿縱向的流動(dòng)對(duì)旋轉(zhuǎn)敏感性較小。在自身流動(dòng)和外部旋轉(zhuǎn)條件共同作用下,流體在填料層內(nèi)流動(dòng)均勻性較小,在剛開(kāi)始進(jìn)入旋轉(zhuǎn)填料層時(shí)軸向方向表現(xiàn)出來(lái)的壓降波動(dòng)規(guī)律與徑向方向波動(dòng)規(guī)律一致。
圖9 不同流動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)間下壓力分布曲線Fig .10 Characteristics of pressure curve during fluid flow
2.2.3流場(chǎng)分布
當(dāng)轉(zhuǎn)速為380 rad/s時(shí),分別模擬流動(dòng)時(shí)間為0.5、5.0、9.5 s時(shí)的流場(chǎng)。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(dòng)時(shí)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(guò)0.5 s時(shí),剛進(jìn)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(jī)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(guò)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(kāi)(圖11b)。該結(jié)果驗(yàn)證了在旋轉(zhuǎn)填料層中速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)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(shí),流體均勻分布。當(dāng)流體在旋轉(zhuǎn)條件下流動(dòng)9.5 s時(shí),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(kāi)(圖11c)。這表明,隨著流體不斷進(jìn)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(dòng)阻力減小,流體呈現(xiàn)均勻分布的特征,尤其是在流動(dòng)時(shí)間為9.5 s時(shí),流體分布均勻性最好。因此,隨著流動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng),流體在旋轉(zhuǎn)填料層內(nèi)的均布性會(huì)不斷變好。
圖11 不同流動(dòng)時(shí)間下空間流體分布Fig .11 Characteristics of volume faction during fluid flow
本次研究主要對(duì)流體在旋轉(zhuǎn)填料層中流動(dòng)9.5 s時(shí)的均布性進(jìn)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(duì)象。
當(dāng)X軸和Z軸坐標(biāo)均為1 000 mm時(shí),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(shí),流體在靜止區(qū)自下而上呈線性分布,其中當(dāng)縱向坐標(biāo)為272 mm(即高度超過(guò)325 mm)時(shí),在上部區(qū)域流體分布逐漸減小,直至沒(méi)有流體分布。但隨著時(shí)間的推移,流體會(huì)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(shí),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(guò)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(diǎn)。
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(wú)論是在縱向還是在徑向,均呈現(xiàn)出線性變化的特點(diǎn)。隨著時(shí)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。
本文針對(duì)新型超重力天然氣脫碳技術(shù)特點(diǎn),以實(shí)際工程脫碳工藝數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),構(gòu)建了超重力機(jī)旋轉(zhuǎn)填料層數(shù)值模型,對(duì)旋轉(zhuǎn)填料層中的流體流動(dòng)特性進(jìn)行了研究,得出以下認(rèn)識(shí):
1) 改變流體運(yùn)動(dòng)的邊界條件,如流速、轉(zhuǎn)速及進(jìn)入方向,對(duì)旋轉(zhuǎn)填料層中流體的流動(dòng)幾乎沒(méi)有影響。
2) 超重力脫碳條件下,流體在旋轉(zhuǎn)填料層中的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下,流體在旋轉(zhuǎn)填料層及外部殼體區(qū)域達(dá)到均勻分布,此時(shí)的脫碳效果最好。
4) 流體自身的流動(dòng)與外部填料層的旋轉(zhuǎn)共同對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝中提高旋轉(zhuǎn)敏感度。