液-液相變溶劑混合過程的數值模擬

王展旭 王敏

摘 ?????要： 基于相變溶劑的研究和分析，設計出液-液相變溶劑捕集CO2的工藝流程和裝備，針對工藝流程中吸收CO2后分相貧液與解吸再生溶劑在循環使用周期中的混合問題，建立了SD型靜態混合器物理模型。依據MEA-正丙醇水溶液相變溶劑體系物性參數，采用Mixture多相流模型和標準湍流模型進行數值計算，分析兩相流在SD型靜態混合器內流動特性。研究結果表明，該混合裝置具有實現MEA-正丙醇水溶液混合均勻的可行性，為液-液相變溶劑捕集CO2工業應用中液體混合過程的裝置選用與設計提供參考和理論依據。

關 ?鍵 ?詞：液-液相變溶劑;SD型靜態混合器;流動特性;混合過程;數值模擬

中圖分類號：TQ 027.3+5 ?????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）04-0825-05

Abstract： Based on the research and analysis of phase change solvent， the process and equipments for the capture of CO2 with liquid-liquid phase solvent were designed. Aiming at the mixing problem of phase-dissolved lean liquid after absorbing CO2 and desorbing regeneration solvent in the cycle， the physical model of SD static mixer was established. According to the physical property parameters of the phase change solvent system of MEA and n-propanol aqueous solution， the Mixture multiphase flow model and the standard turbulence model were used for numerical calculation， and the flow characteristics of the two-phase flow in the SD static mixer were analyzed. The research results show that the mixing device has the feasibility of achieving uniform mixing of the MEA and n-propanol aqueous solution. The paper can provide reference and theoretical basis for the selection and design of the liquid mixing process in the industrial application of liquid-liquid phase solvent in capturing CO2.

Key words： Liquid-liquid phase change solvent; SD static mixer; Flow characteristics; Mixing process; Numerical simulation

近年來，全球氣候變化成為人類面臨的最緊迫問題，科學界普遍研究認為產生溫室效應的主要原因與溫室氣體大量排放直接相關，其中CO2對全球變暖的貢獻率高達76%[1]。在目前形勢下，發展碳捕集與封存技術（CCS）是實現碳減排最有效可行的途徑。其中碳捕集技術是碳減排措施的基礎和前提條件，但也是整個CCS系統中成本和能耗最大的環節[2]。碳捕集技術，其實質是CO2氣體的分離過程[3]。根據分離原理的不同分為吸附法、吸收法、膜分離法和低溫分離法等。其中，化學吸收法是相對較為成熟的捕集技術，但受到高能耗和資金投入的限制，難以實現大規模的商業應用。因此，開發出一種能耗低且經濟有效的捕集技術至關重要。

目前，各國學者以開發低成本、低能耗的CO2吸收劑作為研究熱點，基于傳統有機胺溶劑化學吸收技術研制出的液-液相變溶劑，能夠降低捕集過程中最大的溶劑再生能耗部分，被認為是理想的CO2吸收劑[4]。

本文通過介紹液-液相變溶劑的研究現狀，在相變溶劑研究和分析的基礎上，設計液-液相變溶劑捕集CO2的工藝流程和裝備，利用Solidworks軟件建立相變溶劑混合器的三維實體模型，實現工藝循環周期中吸收CO2后分相貧液和解吸再生溶劑的兩相液體混合目的，文中運用ANSYS Workbench對混合器內兩相流動特性進行數值模擬，研究液-液相變溶劑在混合器中的混合效果，為液-液相變溶劑的混合裝置的選用設計和工業應用提供參考。

1 ?液-液相變溶劑

1.1 ?液-液相變溶劑研究現狀

液-液相變溶劑是由兩種或三種及以上的化合物組成，反應產物在吸收CO2后仍以液相形式存在，溶劑在吸收CO2過程中或在解吸溫度升高到某一值時發生分層，分層后經分離只需將含CO2的富液送入解吸塔進行加熱再生，從而節省了再生過程中最大的能耗部分，再生后的富液變為貧液返回吸收塔重新循環使用。目前液-液相變溶劑主要包括親脂性胺類、DMXTM相變溶液、混合胺溶液，其中混合胺溶液包括化學-物理復合相變溶劑以及有機胺-離子液體相變溶劑。

2006年美國Liang Hu[5]首次在專利中提出相變吸收劑的概念，并研究了一種化學-物理相變溶劑脫酸的方法，該類吸收劑由20%A和80%B組成。A作為活化劑溶于B中，吸收前以均相的形式存在;吸收過程中，液相吸收劑與包含CO2的氣體混合物在吸收塔中接觸，活化劑A與CO2反應生成新的產物A*CO2且不溶于化合物B，形成新的分層。實驗表明[6]，相變試劑的再生能耗約為基準MEA溶液過程的15%，其工藝過程可將能耗成本降低80%。德國多特蒙德大學反應研究所David W，J.Zhang[7]等研制出具有低臨界溫度的特征的親脂性胺類溶液，他們對30余種親脂胺從相變溫度、CO2負載量、反應動力學和再生特性等方面研究其作為相變吸收劑的可行性，其中改進的溶液體系-DMCA試劑，與MEA相比可將二氧化碳捕獲效率提高60%以上，能耗降低40%以上，具有較高的CO2負載能力和可再生性能[8]。法國石油研究所Aleixo等對300多種胺類試劑（R1R2R3N）進行了篩選實驗研究，得到了在室溫下與水相溶，在給定的胺濃度范圍內隨CO2負載的增加或吸收溫度的提高而形成兩個不混溶相的有機胺試劑，即DMXTM試劑[9]。進一步，同為法國石油研究院的Raynal等通過改進常規有機胺溶液工藝流程方案開發出適用于DMXTM試劑的配套工藝流程，即DMXTM過程[10，11]方案。此外，國內清華大學、浙江大學、北京化工大學等相關課題組均通過實驗篩選出可行的相變溶液。

1.2 ?液-液相變溶劑工藝流程

目前，對相變溶液的實驗研究和取得的理論成果均表明液-液相變溶劑具有較大的節能潛力。本文選用液-液相變溶劑為MEA-正丙醇水溶液相變體系，其正丙醇作為水溶性的有機活化劑，促使吸收CO2后的溶液發生分層并加快反應速率，MEA水溶液作為有機胺吸收劑與CO2反應生成MEAH+/MEACOO-，其反應產物在水中的溶解度大于在正丙醇中，隨著反應繼續進行，聚集的水分子和排出的正丙醇溶劑分子達到宏觀可見時，出現液-液分相[12]。與傳統的捕集CO2工藝相比，液-液相變溶劑在吸收CO2前的兩相液混合問題、吸收CO2后形成的兩相性質以及分相后富液再生解吸特性，均需要增加新的工藝流程和設備，以保證工藝過程的穩定性和連續性。基于文獻研究[13]及相變機理分析，設計了液-液相變溶劑捕集CO2的工藝流程和裝備，如圖1所示。

含CO2的煙氣經風機增壓后，由氣體進口進入吸收塔，液-液相變溶劑在液體混合器中均勻混合后由噴淋裝置噴入填料內，在填料內溶液與CO2煙氣逆向接觸吸收;吸收后，溶液由于重力作用進入設置在吸收塔底端的溶液靜置段，靜止分層后的上層貧液經第一循環泵進入貧液泵流入吸收塔循環利用，下層溶液經第二循環泵進入貧富液熱交換器進入再生塔加熱再生;再生時，塔底的液體通過自循環進入再沸器，再沸器流入再生塔的溶液部分浸沒攪拌器，經過攪拌器強化再生，CO2充分再生的溶液從底部離開再生塔，送至吸收塔循環使用。再生塔再生出來的CO2和水蒸氣混合氣從再生塔塔頂出來，經過再生氣冷卻器冷凝后進行水汽分離，高純度的CO2氣體進入產品罐，滿足其它工業需求。

2 ?液體混合器的計算模型

2.1 ?幾何建模與網格劃分

為滿足吸收CO2后分相貧液和解吸再生溶劑的兩相液體混合的要求，實現捕集吸收過程的穩定性和高效性，液-液相變溶劑混合器采用SD型靜態混合器，混合單元由相互垂直交叉的葉片組成單元，多個單元相互銜接成D型單元形成交錯的多室狀態[14]。當流體流經一個單元的時候，流體被葉片切割開，實現分流，也附帶著拉伸混合，使混合效果加強，液流經過分割、重混，使內部物質變得均勻化[15]。由于SD型靜態混合器結構比較復雜，應用專業的建模軟件Solidworks對混合器建立幾何實體模型，如圖2所示，結構尺寸見表1。

利用ANSYS Workbench軟件中的Fluent模塊進行數值模擬，運用ANSYS Mesh做網格劃分，在此選用對復雜邊界條件的適應性較強以及相對最簡單的四面體網格劃分方法，節點數為266 337，單元數為1 385 932個。

2.2 ?計算模型及邊界條件設置

2.2.1 ?控制方程

根據MEA-正丙醇水溶液相變溶劑體系物性參數和工藝要求，在利用ANSYS Workbench對液-液相變溶液混合模擬的過程中采用Mixture多相流模型進行計算求解，Mixture模型的控制方程如下[16]：

2.2.2 ?邊界條件與計算模型

計算工質溫度為30 ℃;以正丙醇作為基本相：密度為788.445 kg/m3，粘度1.684×10-3 Pa·s;MEA水溶液作為第二相：密度為1 000.106 8 kg/m3，粘度1.45×10-2 Pa·s。計算中重力忽略不計，入口采用速度進口：入口1速度0.001 7 m/s，入口2速度0.002 m/s，出口采用outflow自由流出口;混合器壁面和混合元件葉片壁面均按無滑移光滑絕熱壁面邊界條件處理;湍流模型選擇標準的模型;求解器中主要參數設置為：壓力和速度耦合項采用SIMPLE算法，梯度采用Least Squares Cell Based，壓力方程采用PRESTO！格式，體積分數方程采用QUICK格式，其余皆采用二階迎風格式。

3 ?計算結果分析

3.1 ?液-液相變溶液流動和混合特性

3.1.1 ?速度分析

圖3（a）為X=0和Z=0截面內平面速度分布云圖，圖3（b）為沿Y軸方向管道不同截面的速度分布云圖。由圖可以看出，由于混合元件的剪切、旋轉作用，兩相流流速進入混合區域后流速迅速增加，混合器內部的最高流速達到0.013 m/s。在未進入混合區域前，兩相流為層流速度分布;進入混合區域后，邊界層內的低速流體在相反方向的葉片1下方和葉片2上方區域的流速得到較大提升，流場變化變得復雜，接觸到混合器葉片的流體被剪切削離，流體流經葉片3后，實現流體沿管道的徑向圓周換位。

3.1.2 ?湍動能與湍流強度

圖4為混合流沿Y軸方向不同截面的湍動能和湍流強度曲線圖。

由圖4可知，湍流強度在未進入混合區域時降至最低;當流體流經混合元件后，流體的湍流強度顯著增加，促進了兩相流的互相擾動混合和剪切作用。隨著流體逐漸遠離混合元件區域，湍流強度逐漸減弱。流體湍動能在未混合區域段呈先上升后下降的趨勢，在混合區域段與湍流強度的分布趨勢基本一致。因流體物理特性和入口邊界條件設置，使分析中湍動能和湍流強度的數量級均較小，但變化趨勢與前面的速度分析結果可以相互驗證。

3.2 ?液-液相變溶液混合效果

圖5（a）-（f）為SD型靜態混合器沿Y軸方向不同截面處的正丙醇相分率云圖。由圖5可知，在兩相流進入混合區域前，正丙醇相分布主要集中在管道的下側，分布很不均勻;進入混合區域后，在混合元件的剪切、分割作用下，兩相流的流速和湍流強度迅速提高，正丙醇相從下側高濃度聚集區沿管道圓周方向擴散，正丙醇相進行了重新分布，均勻性得到了明顯的提高;圖5（f）表明，當流體離開混合區域后，兩相流體仍保持著良好的混合特性，說明MEA水溶液與正丙醇已經得到充分的混合。

為驗證兩相流在SD靜態混合器中的混合效果，本文進一步采用不均勻系數對相分布混合程度進行定量計算。的定義如下：

其中，表示截面上物相分率的分布方差，表示截面上物相分率的算術平方根。根據不均勻系數的定義，越小，表明混合效果越好。圖6為SD靜態混合器沿Y軸不同截面的不均勻系數，Y=0為MEA水溶液的入口位置，Y=70為正丙醇溶液的入口中心位置，兩相流體在層流段不均勻系數呈上升趨勢，但到達流體混合區域（Y=98～230 mm）時，不均勻系數均得到明顯的下降，不均勻系數均降低至0.25。

隨后，隨著流體在管道的流動，不均勻系數不再發生明顯的改變并趨于平穩。不均勻系數的定量計算與混合器沿Y軸方向不同截面處的正丙醇相分率分布基本一致。

4 ?結 論

（1）通過對液-液相變溶劑相關文獻的分析，提出了液-液相變溶劑捕集CO2煙氣的工藝流程與裝備，針對其與傳統捕集工藝的不同之處，保證在循環捕集周期內分相貧液和解吸再生溶劑的充分混合，設計出液-液相變溶劑的液體混合裝置，創建了SD型靜態混合器的三維實體模型。

（2）基于工業應用成熟的MEA、MDEA等吸收劑，選擇MEA-正丙醇水溶液相變體系，運用ANSYS Workbench軟件對SD型靜態混合器內的流動和混合特性進行數值模擬，計算結果表明正丙醇和MEA水溶液混合的較均勻，設計的混合器具有較好的混合性能。

（3）通過數值模擬，分析并掌握了兩相流體的各種流動特性參數，為下一步相變溶液混合體系捕集CO2過程提供了混合流反應參數，保證了捕集CO2工藝流程的連續性和高效性。此外，數值模擬結果可以為液-液相變溶劑的工藝流程中混合過程的裝置選用和設計提供參考和理論依據。

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