張 楠 陳建華 宋 彬 李映年 吳 宇 劉 薔

1.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院

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絡(luò)合鐵法脫硫反應(yīng)器錐段硫磺沉降的數(shù)值模擬①

絡(luò)合鐵法脫硫工藝在天然氣行業(yè)應(yīng)用廣泛，將反應(yīng)生成的硫磺富集回收是反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵之一。在反應(yīng)器底部引入錐段對(duì)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(zhǎng)期沉積和結(jié)塊，應(yīng)分層通入擾動(dòng)氣體。通入氣量不能太小，以免達(dá)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(huì)使得硫磺難于沉降。本研究采用歐拉多流體模型，對(duì)錐段硫磺沉降進(jìn)行了模擬，研究了硫磺濃度和通氣速度對(duì)硫磺沉降的影響。結(jié)果表明：硫磺濃度對(duì)沉降速度影響較小，而通氣速度對(duì)沉降影響明顯。隨著氣速的增大，硫漿沉降越來(lái)越慢，對(duì)所研究的體系而言，最大通氣速度應(yīng)小于0.75 m/s。

氣液固三相流 計(jì)算流體力學(xué) 歐拉多流體模型 絡(luò)合鐵 脫硫 硫磺沉降

絡(luò)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(duì)原料氣波動(dòng)適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)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(yīng)器時(shí)，反應(yīng)器底部采取錐段設(shè)計(jì)[5]，有利于反應(yīng)生成硫磺顆粒的沉積和富集，而底部設(shè)置自動(dòng)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(duì)自循環(huán)環(huán)流反應(yīng)器的正常運(yùn)行有重要作用，通氣速度對(duì)硫磺顆粒的沉降有重要影響，但目前關(guān)于此方面的公開(kāi)文獻(xiàn)發(fā)表較少。這主要是由于對(duì)于復(fù)雜的氣液固三相體系，測(cè)試技術(shù)存在很大的局限性，尤其是對(duì)于高固含量工業(yè)體系，目前還沒(méi)有很好的測(cè)量方法[6-8]。

采用計(jì)算流體力學(xué)方法已經(jīng)成為除實(shí)驗(yàn)和理論以外科學(xué)研究中越來(lái)越重要的手段。對(duì)于液固之間存在滑移的氣液固三相體系，根據(jù)對(duì)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(dá)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(jì)算速度，歐拉多流體模型更適用于工業(yè)規(guī)模反應(yīng)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(duì)錐段硫磺顆粒在擾動(dòng)氣體作用下的沉降進(jìn)行了模擬，研究了固相濃度和氣相速度對(duì)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(luò)合鐵液相氧化還原法脫硫體系是典型的氣-液-固三相流復(fù)雜系統(tǒng)，反應(yīng)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(yīng)溶液通氣擾動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)，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(jìn)行模擬。其中，反應(yīng)溶液作為連續(xù)相，空氣和硫磺顆粒為離散相。固相應(yīng)力采用顆粒動(dòng)理論描述?？紤]到通氣量較小，而反應(yīng)溶液和生成的硫磺顆粒密度接近，因此，選擇計(jì)算量較小的k-ε混合物湍流模型描述體系內(nèi)的湍動(dòng)。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(xì)的模型描述見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

1.2 反應(yīng)器與構(gòu)體

反應(yīng)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(jiǎn)化計(jì)算，本研究采用二維非穩(wěn)態(tài)模擬，計(jì)算幾何區(qū)域設(shè)定如圖1所示。通過(guò)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(jì)算域內(nèi)。擾動(dòng)空氣入口按實(shí)際裝置高度分3層設(shè)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(wú)滑移邊界條件，氣相和固相為自由滑移邊界條件。

通過(guò)前期模擬嘗試，當(dāng)錐段網(wǎng)格為10 mm、延伸段網(wǎng)格為50 mm時(shí)，既可以保證計(jì)算速度，又可達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。

1.3 模型設(shè)置和求解

初始時(shí)，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(duì)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?jǐn)?shù)分別大于和小于平均分?jǐn)?shù)0.05堆積，其余為水，初始時(shí)空氣和固體物料的堆積分布見(jiàn)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(dòng)量守恒方程均采用一階離散方式。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.005 s，通過(guò)監(jiān)視反應(yīng)器內(nèi)物料分布均勻性和殘差曲線綜合判斷流動(dòng)是否達(dá)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(duì)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(lái)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(jìn)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(jiàn)式(1)。

(1)

(2)

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

2.2 硫漿體積分?jǐn)?shù)對(duì)均勻性指數(shù)的影響

在不同的硫漿體積分?jǐn)?shù)下均勻性指數(shù)隨時(shí)間變化的情況見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，不同硫漿體積分?jǐn)?shù)下均勻性指數(shù)隨時(shí)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(shí)，僅起到擾動(dòng)作用，硫漿主體在重力作用下沉降，故受體積分?jǐn)?shù)的影響不大。

模擬進(jìn)行200 s時(shí)，固相濃度的分布見(jiàn)圖5。此時(shí)，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(dòng)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(dòng)氣速對(duì)均勻性指數(shù)的影響

在不同的擾動(dòng)氣速下均勻性指數(shù)隨時(shí)間變化的情況見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，不同擾動(dòng)氣速下均勻性指數(shù)隨時(shí)間的變化斜率呈現(xiàn)兩種不同的趨勢(shì)：當(dāng)入口擾動(dòng)氣速小于0.75 m/s時(shí)，均勻性指數(shù)隨時(shí)間增加而降低；當(dāng)入口擾動(dòng)氣速大于0.75 m/s時(shí)，均勻性指數(shù)隨時(shí)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(dòng)氣速的增大，硫漿所受流體的曳力逐漸增大，甚至成為主導(dǎo)因素，導(dǎo)致硫漿不再沉降。

模擬進(jìn)行200 s時(shí)，固相濃度的分布見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，隨著擾動(dòng)氣速的增大，硫漿分布越來(lái)越均勻，也就意味著沉降越來(lái)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(duì)錐段硫磺顆粒在擾動(dòng)氣體作用下的沉降進(jìn)行了模擬，并得出以下結(jié)論：

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

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

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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(guó)科學(xué)院過(guò)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(yīng)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(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國(guó)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