劉 鵬，尹燕華，吳文宏

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056004)

0 引 言

隨著煤炭、石油、天然氣等化石能源的大量開發(fā)利用，大氣中的CO2含量日益增加，這使全球面臨著氣候變暖的危機(jī)，因此CO2減排已成為世界各國能源戰(zhàn)略發(fā)展的重點。人類活動釋放的CO2約被溶解到海洋中，目前海洋中總CO2濃度約100 mg/L，是大氣中CO2的含量140倍。海洋作為地球上的巨大“碳庫”，將其儲存的高濃度CO2高效地提取出來并收集起來加以利用，不僅符合CO2減排的戰(zhàn)略要求，對于今后理想的碳資源利用也具有深遠(yuǎn)意義[1]。

海水中的CO2主要以4種形式存在，分別是CO2，H2CO3，HC，C，其中 HC約為 95%，C約3%，CO2和H2CO3均為1%左右[2]，將海水電解酸化使HC轉(zhuǎn)化為CO2（aq），然后利用壓差驅(qū)動及膜分離的方法使CO2（aq）轉(zhuǎn)化為CO2（g）并進(jìn)行收集，從而實現(xiàn)CO2的提取。通過電化學(xué)方法從海水提取CO2的技術(shù)原理主要基于如下反應(yīng)過程：

圖1 三艙室酸化池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural sketch of three compartment acidizing tank

通過電化學(xué)技術(shù)實現(xiàn)海水酸化并制取出CO2的操作集中在1個三艙室的酸化池單元上[2]，如圖1所示。該酸化池分為3個艙室，即電解陽極室、電解陰極室和中間的海水酸化室。純水在陽極電解產(chǎn)生氫離子（H+），H+在電場作用下通過離子交換膜進(jìn)入中間酸化室，和酸化室內(nèi)海水中鈉離子（Na+）交換，海水pH值降低，即海水發(fā)生酸化[3-6]。利用電化學(xué)的方法對海水進(jìn)行酸化時，其核心部件酸化池內(nèi)部海水流動的均勻性和暢通性，直接影響到海水電解酸化系統(tǒng)的酸化效率和運行穩(wěn)定性。酸化池的抗堵塞性能差，會造成海水中的不溶物在離子交換膜和催化電極上沉積，這會降低膜的交換容量和電極活性，從而造成酸化電解電壓較高、連續(xù)工作時間短的問題。因此，本文應(yīng)用Fluent軟件，在不同流量條件和不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下對酸化池的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，對酸化池內(nèi)不溶物沉積的產(chǎn)生原因進(jìn)行探索性研究，為今后進(jìn)行大尺寸和大流場的酸化池研究提供建議和理論依據(jù)。

1 計算模型

1.1 物理模型

1）三維模型

以海水酸化電解試驗中的酸化池為原型，圖2所示為該酸化池內(nèi)膜框的三維模型，膜框的內(nèi)部空間即為酸化池的艙室，也就是流體流動的空間。整個膜框外形為長方形，左下角為流體進(jìn)液端，右上角為流體的出液口，艙室的主要尺寸為長178 mm，寬100 mm，厚1 mm。

圖2 酸化池內(nèi)膜框的三維模型Fig.2 Three-dimensional model of inner membrane frame of acidizing tank

2）幾何模型與網(wǎng)格劃分

為保證幾何模型構(gòu)建與數(shù)值求解順利進(jìn)行，在建立幾何模型時，對膜框的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理簡化，簡化后幾何模型如圖3所示。在Fluent軟件提供的幾何建模軟件GAMBIT中，建立酸化池膜框的全比例幾何模型，采用四邊形的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對膜框內(nèi)部的流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖3 酸化池內(nèi)膜框的幾何模型Fig.3 Geometric model of inner membrane frame of acidizing tank

1.2 數(shù)學(xué)模型

1）控制方程

連續(xù)方程

Navier-Stokes方程

式中：

2）邊界條件和物性參數(shù)

本文中海水酸化室的流場視為不可壓縮流動問題，模型的邊界設(shè)置有入口、出口，內(nèi)部流體域和邊壁。

入口邊界：該模型海水為垂向孔口進(jìn)流。進(jìn)口以一定工作水頭注入，入口流量值可換算為速度值，故入口邊界設(shè)定為速度入口。

出口邊界：該模型海水為自由流出，故出口邊界設(shè)定為直接接觸大氣的自由出流。

壁面邊界：除了進(jìn)口、出口，其他所有的表面都是水和固體接觸的面，都是邊壁類邊界。

物性參數(shù)：該模型中流體域的流體為海水，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 海水材料物性參數(shù)表Tab.1 Physical properties of seawater materials

3）求解計算

對流場計算模型的控制方程進(jìn)行離散化處理，應(yīng)用半隱式SIMPLE算法對控制方程求解，各變量收斂殘差控制在10-6數(shù)量級。采用壁面函數(shù)法對壁面附近粘性邊界層內(nèi)的流速進(jìn)行修正，設(shè)置為壁面無滑移條件。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 固定流量條件

圖4 酸化池內(nèi)部水流流場模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of flow field in acidizing tank

圖4為在10 L/h流量下，酸化池中水流流場的速度矢量圖和速度大小分布圖。圖中速度流線的疏密程度表明速度的大小，流線較密的區(qū)域水流速度較大，反之則表明水流速度較小?？梢钥闯觯峄貎?nèi)的流體流動可以劃分為主流區(qū)A、漩渦區(qū)B和滯留區(qū)C三個區(qū)域。主流區(qū)為入口和出口之間狹長的帶狀區(qū)域，流速最大；主流在流經(jīng)流道下壁面背水區(qū)時，拐彎處有離壁現(xiàn)象，主流流線在迎水面的慣性帶動下偏離下游B區(qū)，從而在此形成環(huán)流，即漩渦區(qū)；C區(qū)的流線也是在主流慣性的引導(dǎo)下偏離主流流向，形成封閉環(huán)流，此處的流體速度非常小，為低速滯留區(qū)[8]。

主流區(qū)內(nèi)流線均勻，流速較大，過流能力好，不會有沉淀產(chǎn)生；滯留區(qū)流速從近壁面處至中心處遞減，且中心處為酸化池內(nèi)流場的最低速度區(qū)，速度幾乎為零，其原因在于最低速度區(qū)遠(yuǎn)離主流區(qū)，高速水流不足以沖刷到最低速度區(qū)；漩渦區(qū)離主流區(qū)較近，高速水流對該區(qū)有一定的沖刷作用，能夠帶動該區(qū)流體不斷循環(huán)運動，該區(qū)域不會對酸化池的暢通性產(chǎn)生較大影響，故不易形成沉淀。因此，滯留區(qū)為最低速度區(qū)，該區(qū)域妨礙了酸化池內(nèi)的暢通性，容易形成不溶物的沉積，這與實驗中拆解酸化池觀察到的現(xiàn)象是一致的。

2.2 不同流量條件

不同的邊界條件對流場分布有重要影響，邊界條件是否合理直接關(guān)系到模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，入口的流量不同即入口速度不同，會導(dǎo)致流場的分布不同。本小節(jié)的入口和出口采用A4和B1的形式，出入口寬度均為13 mm，分別設(shè)置入口流量為0.5 L/h、10 L/h、50 L/h，進(jìn)行水流的流場模擬計算。

圖5 不同入口流量時的速度矢量流線圖Fig.5 Velocity vector streamline at different inlet flows

通過對圖5所示速度矢量流線圖進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著入口流量的變化，主流區(qū)、滯留區(qū)、漩渦區(qū)均有改變，其中對滯留區(qū)的影響最為顯著。具體而言，當(dāng)模型入口流量增大時，主流區(qū)的區(qū)域在趨于變小，由于主流區(qū)與酸化池下邊壁接壤，故主流區(qū)上部區(qū)域的面積為增大趨勢，這就為滯留區(qū)的形成提供了越來越大的空間，從而造成滯留區(qū)所占區(qū)域面積逐漸增大，漩渦區(qū)的區(qū)域面積幾乎沒有變化。

實際中總是希望酸化池能夠?qū)Ｋ休^大處理量，故在入口流量≥10 L/h的條件下，雖然水流流量的增大，有助于提升主流區(qū)的過流能力及其對漩渦區(qū)的沖刷作用，但并未減小酸化池中的流場主流區(qū)上部的區(qū)域面積，因此，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適的入口流量。

2.3 不同出入口位置

當(dāng)酸化池的出入口位置變化時，會涉及到突擴(kuò)（縮）通道水流特性以及后臺階湍流流動。突變通道的水流特性為：當(dāng)流體進(jìn)入突然擴(kuò)大的結(jié)構(gòu)處時會發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象，此時的突擴(kuò)結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生流體空白區(qū)，一部分流體會倒流回來填充空白區(qū)，這與突擴(kuò)通道內(nèi)產(chǎn)生流向相反的兩向流體，即而形成漩渦[9]。

臺階式湍流流動的流體沿臺階上游向前流動，流動到達(dá)臺階后，由于流場在高度上面的變化，下部流體緊貼臺階邊壁向下運動，上部流體由于慣性作用繼續(xù)向前運動，這樣就在臺階后發(fā)生了分離。這種流動的本質(zhì)是自由剪切流。上部流動與下部流動的速度不同，接觸后發(fā)生剪切運動，此過程不斷向下，直至與下壁面接觸，從而形成封閉的湍流流動回流區(qū)域[10]。

從圖6可以看出，酸化池入口為突變結(jié)構(gòu)，出口為臺階式結(jié)構(gòu)時，酸化池內(nèi)流場中主流區(qū)上下兩側(cè)均有較大空間，故而在主流區(qū)的上下兩側(cè)均形成了自行封閉的滯留區(qū)；酸化池入口和出口均為突變結(jié)構(gòu)時，酸化池內(nèi)流場中主流區(qū)與上邊壁接壤，而與下邊壁之間有較大空間，故在主流區(qū)下側(cè)形成滯留區(qū)，其位置和形狀雖發(fā)生改變，但面積并無明顯減小，漩渦區(qū)位于右上部拐角處。

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，入口均采用臺階式結(jié)構(gòu)，出口采用突變結(jié)構(gòu)和臺階式結(jié)構(gòu)2種不同的形式時，酸化池內(nèi)流場中主流區(qū)會與上邊壁或者下邊壁接壤，從而在主流區(qū)的下部或者上部有足夠的空間形成封閉的滯留區(qū)，此時的滯留區(qū)的最低速度區(qū)幾乎位于酸化池的中心位置且面積大小幾乎不變。

故無論是采用突變結(jié)構(gòu)還是臺階式結(jié)構(gòu)，即不同的出入口位置，都不會消除酸化池中的最低速滯留區(qū)。

2.4 不同長寬比

圖6 突變通道流動速度分布云圖Fig.6 Clouds of flow velocity distribution in abrupt channel

保持酸化池長度為178 mm不變，分別取寬度為120 mm，60 mm，保持酸化池寬度為100 mm不變，分別取長度為218 mm，50 mm，入口和出口均采用臺階式結(jié)構(gòu)，且寬度均為13 mm，分別建立相應(yīng)的模型進(jìn)行流場計算分析。

從圖8可以看出，當(dāng)酸化池的長寬比變化時，只要酸化池流道沿水流方向的截面尺寸比水流主流區(qū)的截面尺寸大的較多，主流區(qū)與邊壁之間就會有較大的空間，此時，主流遇到邊壁時都會有部分水流脫離，而在此空間形成自行封閉的滯留區(qū)，只有當(dāng)兩者尺寸相近時，主流區(qū)與邊壁之間的空間很小，即使形成封閉環(huán)流，由于主流區(qū)的沖刷作用，不溶物沉積也就不會產(chǎn)生。故酸化池流道沿水流方向的截面尺寸與主流區(qū)截面尺寸比，能夠?qū)魠^(qū)的形成與否起決定性作用。

2.5 不同流道結(jié)構(gòu)參數(shù)

在酸化池內(nèi)部加設(shè)擋板可以改變酸化池的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)（見圖9），入口和出口均采用臺階式結(jié)構(gòu)，出入口截面寬度均為13 mm，入口流量設(shè)定為10 L/h，分別建立加設(shè)2個、6個、8個擋板的模型，對應(yīng)的酸化池內(nèi)流道的截面寬度分別為59 mm，25 mm，19 mm，分別進(jìn)行數(shù)值模擬計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行分析。

圖7 臺階式湍流流動速度分布云圖Fig.7 Clouds of flow velocity distribution in stepped turbulent flow

從圖10所示的模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)在酸化池中加設(shè)擋板改變流道的結(jié)構(gòu)形式時，在水流的轉(zhuǎn)彎處，由于水流速度的方向變化較劇烈，如果主流區(qū)邊界與擋板及酸化池邊壁之間有較大的空間，就會形成滯留區(qū)[11]。然而隨著加設(shè)擋板數(shù)量的增加，當(dāng)酸化池的流道與主水流截面大小接近時，主流區(qū)邊界與擋板及邊壁較近，雖然也會形成很小面積的滯留區(qū)，但是高速水流對滯留區(qū)的沖刷作用較好，能夠帶動該區(qū)流體不斷循環(huán)運動，該區(qū)域不會對酸化池的暢通性產(chǎn)生較大影響，故不易形成不溶物的沉積。因此，當(dāng)酸化池流道的尺寸設(shè)計值與入口尺寸值接近相等時，可以消除酸化池內(nèi)的不溶物沉積。

3 電解酸化裝置的實驗驗證

圖8 酸化池不同長寬比的模擬結(jié)果圖Fig.8 Simulation results of different aspect ratios in acidizing tank

圖9 加設(shè)擋板酸化池模型圖Fig.9 Adding baffle acidification tank model diagram

為進(jìn)一步驗證酸化池流場數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，搭建海水電解酸化系統(tǒng)實驗流程。該實驗系統(tǒng)由水箱、電解槽、氣體分離器、電控箱和流量計、電壓表、電流表及PH計等構(gòu)成，其實驗流程圖和實驗流程如圖11所示。實驗條件設(shè)置為海水入口流量30 L/min，純水2 L/min，系統(tǒng)為恒壓5 V正向運行。

對2種酸化池結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)運行實驗結(jié)果進(jìn)行對比，如圖12和圖13所示。由于原酸化池結(jié)構(gòu)易在酸化池中上部位的低速滯留區(qū)產(chǎn)生不溶物沉淀，而沉淀的生成會造成酸化池電堆的電阻增加，從而使得電流呈衰減趨勢，拆槽后發(fā)現(xiàn)，SPE膜產(chǎn)生褶皺，且在海水室出現(xiàn)較多沉淀，這不僅嚴(yán)重影響系統(tǒng)的酸化效率和性能穩(wěn)定性，還大大增加了實驗成本，說明了原酸化池結(jié)構(gòu)的明顯不足。而采用流道與入口尺寸值接近相等的酸化池結(jié)構(gòu)時，對系統(tǒng)進(jìn)行了近40 h的累積運行實驗，從實驗結(jié)果觀察到，整個實驗過程中的電流變化無明顯衰減趨勢，且拆解池堆觀察，酸化池內(nèi)未出現(xiàn)沉淀物。

4 結(jié) 語

1）建立了酸化池的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，水流流場結(jié)果顯示形成封閉環(huán)流的滯留區(qū)為妨礙酸化池暢通性的最低速度區(qū)，是不溶物沉積的位置所在；當(dāng)出入口采用突變結(jié)構(gòu)或臺階式結(jié)構(gòu)時，酸化池內(nèi)流場分布情況有所區(qū)別；當(dāng)入口水流流量增大時，有助于提升主流區(qū)的過流能力。但均不能消除形成封閉環(huán)流的滯留區(qū)的最低速度區(qū)。

2）通過改變長寬比和加設(shè)擋板的手段，減小酸化池內(nèi)水流流道的截面尺寸，提高了酸化池流道的“自清洗”效果，酸化池的暢通性較好，從而有效的避免了不溶物沉積的產(chǎn)生。故在對酸化池進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可考慮將海水流道截面寬度設(shè)計為與入口截面寬度接近相等。

3）針對改進(jìn)前后酸化池的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了海水電解酸化系統(tǒng)的運行實驗，比較了酸化池新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)運行效果。結(jié)果表明，改進(jìn)的酸化池結(jié)構(gòu)對于消除酸化池內(nèi)的不溶物沉淀和避免SPE膜的褶皺起到了明顯的效果，從而證明了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性和有效性。

圖12 原酸化池結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運行結(jié)果圖Fig.12 System operation result diagram of original acidizing tank structure

圖13 改進(jìn)酸化池結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運行結(jié)果圖Fig.13 System operation result diagram of improved acidizing tank structure