天然氣水合物顆粒-水流態化特性模擬研究

羅 丹，李愛蓉*，蔣樂樂,2，程 敏

（1.西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500；2.西南化工設計院有限公司 國家碳一化學工程技術研究中心，四川 成都 610225）

隨著社會經濟的發展，煤、石油等傳統能源已不能滿足日益增長的能源需求[1,2]。天然氣水合物作為一種儲量巨大的替代能源，正引起人們的廣泛關注[1,2]。據統計，天然氣水合物全球蘊藏量高達2.1×1016m3[3]，碳含量約為化石能源的2倍[4]。為了將天然氣水合物資源化利用，一些學者提出了注熱[5,6]、降壓[7,8]、氣體置換[9,10]和固態開采[11]等開采方法。其中，固態開采法將天然氣水合物以固態形式進行采掘和破碎，在密閉條件下將天然氣水合物顆粒與海水混合形成水合物漿體輸送至海平面，該方法可較好的應用于各類天然氣水合物藏，尤其是地層中分布比例最大的非成巖型天然氣水合物藏。但將海水與天然氣水合物顆粒同時提升至地面會使整個工藝的能耗過高，且在天然氣水合物漿體輸送的過程中，如果天然氣水合物發生分解，將會對輸送過程產生諸多不可控的問題[12]。為了解決上述問題，本文提出在固態天然氣水合物采掘和破碎的基礎上，在流化床中實現天然氣水合物顆粒的分解，流化床反應器由于結構簡單、處理量大、傳質傳熱效率高等[13,14]特點，已在化學工業中廣泛應用。最終，在天然氣水合物分解后，僅有甲烷氣體輸送至海面，從而避免了固態開采中的長距離多相流輸送，其過程如圖1所示。

圖1 工藝流程示意圖

流化床中的多相流動特性（如顆粒的分布、床層的壓力降等）對于流化床的設計及工業應用十分重要，顆粒的分布越均勻，床層的壓力降越小，說明流化的效果越好[15]，因此，天然氣水合物顆粒-水的流態化特性的研究是流化床在天然氣水合物開采中應用的前提。然而，流化床中顆粒的運動過程仍屬于變化復雜的多相流動，顆粒在流化床中的分布隨時間和空間不斷變化，因此相關學者仍對此進行了許多研究。尤東光等[16]研究了液固流化床中流化速度變化對流化床中的多相流動的影響，發現隨著流化速度增大，顆粒的瞬時分布變化較大。Razzak等[17]研究了不同特性的顆粒對流化床中的流動的影響，發現顆粒的粒徑和密度對顆粒分布均有一定程度的影響。Jiang等[18]研究了液固流化床中壓力降的特性，發現流化床中的壓力降受顆粒的初始體積分數影響較大。可以看出，流化速度、顆粒的密度和粒徑以及初始體積分數的不同對流化床中的流動特性均有一定影響，但現有關于天然氣水合物顆粒-水的流動研究[19,20]多集中于天然氣水合物顆粒的輸送上，而流化床中水合物顆粒懸浮于流體之中處于不斷運動的狀態但并不被流體所帶出，因而其流動規律與天然氣水合物顆粒輸送時有一定差異。

因此，本文采用ANSYSY Fluent軟件，對流化床中天然氣水合物顆粒（后文簡稱“水合物”）-水的兩相流動特性進行模擬，主要分析水流速度、水合物顆粒粒徑、密度和初始體積分數等因素對水合物顆粒分布和床層壓力降等特性的影響規律，確立水合物顆粒處于流態化下的流化速度范圍以及顆粒均勻分布的條件。

1 模型建立

在研究其流態化特性時，假定水合物不分解，以水為液相即連續相，水合物顆粒為固相即分散相，通過水合物顆粒和水的連續性方程和動量方程對其運動過程進行描述，同時考慮相間的相互作用及流體的湍流運動。

1.1 主要模型方程

(1)連續性方程

液相水的連續性方程如式(1)：

式中：t為時間，ɑl為液相體積分數，ρl為液相密度，vl為液相流速。

固相水合物顆粒連續性方程如式(2)：

式中：ɑs為固相體積分數，ρs為固相密度，vs為固相流速。

其中，水合物顆粒可視為純水合物和海底沉積物的混合物[21]，其密度由式(3)計算：

式中，φ為水合物顆粒中純水合物的體積分數，SH為水合物的飽和度，SW為水的飽和度，ρH為純水合物的密度，ρp為沉積物的密度。

(2)動量方程

液相水的動量方程如式(4)：

式中：g為重力加速度，Ms,l為液固相間作用力，為液相的應力張量由式(5)計算：

式中：μl為液相的剪切粘度，為單位張量。固相水合物顆粒的動量方程如式(6)：

式中：ps為固體壓力，Ml,s為液固相間作用力，為固相的應力張量由式(7)計算：

式中：μs為固相剪切粘度，λs為固相體積粘度。其中固相剪切粘度μs采用Gisdaspow模型計算，固相體積粘度λs采用Lun模型計算。

相間的作用力由Wen-Yu模型計算，湍流模型采用Dispersed RNG k-ε模型。

1.2 定解條件

本文中的流化床高0.8m，寬0.1m，初始填充時，流化床底部為水合物顆粒和水，上部充滿水，如圖2所示。入口邊界為速度入口，由水作為流化介質，由底部入口流入，出口邊界為壓力出口，壁面為無滑移的邊界條件，時間步長取0.001s。

圖2 流化床模型

2結果與討論

本文就水的入口流速、水合物顆粒粒徑和密度，初始床層體積分數和初始床層高度等參數對床層中水合物顆粒分布、床層膨脹程度和壓力等參數的影響進行了分析。各物理量取15～20s內的平均值，其中，徑向物理量取高y＝0.2m處的值，軸向物理量取x＝0.05m處的值。

2.1 水的入口流速對流化特性的影響

在考察水的入口流速的影響時，水合物顆粒粒徑設置為1.0mm，密度為1800kg/m3，水合物顆粒初始床層體積分數為0.5，初始床高為0.2m。從圖2看出，當水的入口流速為0.01m/s時，床層高度為0.2m，水合物顆粒體積分數約為0.5，與初始時相同，床層幾乎未發生膨脹，顆粒沒有被流化；而當水的入口流速為0.12m/s時，床層的膨脹高度已快超過床高，顆粒幾乎被帶出了床層，有進入顆粒輸送狀態的趨勢。這說明在本文的操作條件下，顆粒處于流態化狀態下的水的入口流速應取在0.01～0.12m/s之間。因此， 選取0.02m/s，0.04m/s，0.06m/s和0.08m/s作為水的入口流速，來考察水的入口流速對水合物顆粒-水的流化特性的影響。

圖3 水的入口流速范圍的分析

從圖4看出，隨著水的入口流速從0.02m/s增大到0.08m/s，液固間的相間作用增強，床層高度由約0.34m增大到0.59m，床層膨脹程度也隨之增大，因而從整體上看，床層中軸向水合物顆粒的體積分數減小。

圖4 水的入口流速對軸向顆粒分布的影響

從圖5(a)的徑向水合物顆粒體積分數分布可以看出，水合物顆粒呈左右對稱分布，水合物顆粒的體積分數在近壁面處取得最小值，在中部的分布則較為均勻，這是由于在壁效應的作用下，壁面處的液相流速更大，進而水在兩側占據了更多空間。同時，隨著入口流速增大到0.06m/s和0.08m/s，水合物顆粒體積分數在約x＝0.02m和x＝0.08m處的局部固相含率較大，這說明隨著流速增大，在更強的相間作用下，水合物顆粒在床層中的運動更為劇烈，分布的均勻性下降。

從圖5(b)的軸向壓力分布可以看出，隨著軸向位置的增大，在各個液相水的入口流速下，床層壓力均從約102100Pa減小到101300Pa，壓力降均在800Pa左右，無明顯變化，這與流化床壓差不隨入口流速改變[21]的特點相符，說明水合物顆粒在上述流速下，已處于流態化。

圖5 水的入口流速對顆粒徑向分布和軸向壓力分布的影響

2.2 水合物顆粒粒徑對流化特性的影響

在考察水合物顆粒粒徑的影響時，設置水的入口流速為0.06m/s，水合物顆粒密度為1800kg/m3，初始床層體積分數為0.5，初始床高0.2m。水合物顆粒粒徑根據Misyura[23]的研究取值為0.8mm，1.0mm，1.2mm和1.5mm。由圖6可以看出，隨著水合物顆粒粒徑的增大，顆粒對流體的阻礙作用也就越大，床層的膨脹程度逐漸減小，床層高度在粒徑為0.8mm時為約0.50m，在1.5mm時減小到約0.39m。同時，在1.2mm和1.5mm的較大粒徑時，顆粒在底部的體積分數分布較大。

圖6 水合物顆粒粒徑對軸向顆粒分布的影響

從圖7(a)的徑向水合物顆粒體積分數分布可以看出，水合物顆粒在各種粒徑下仍呈左右對稱分布，水合物顆粒的體積分數在近壁面處取得最小值，在中部的分布較為均勻。顆粒在1.5mm的較大粒徑時，由于顆粒間的相互碰撞幾率增加，水合物顆粒體積分數在約x＝0.01m和x＝0.09m處的局部相含率較大，而在較小的粒徑時，雖在水合物顆粒的體積分數床層中部仍有一定波動，但總體程度較小，顆粒分布的均勻性更好。

圖7 水合物顆粒粒徑對顆粒徑向分布和軸向壓力分布的影響

從圖7(b)的軸向壓力分布可以看出，隨著軸向位置的增大，在各個水合物顆粒粒徑下，床層壓力均從約102100Pa減小到101300Pa，床層壓力降均在800Pa左右，無明顯變化。這是由于雖然顆粒粒徑不同，但床層水合物顆粒初始體積分數相同，因而床層中顆粒所占的總質量相同，產生的阻力無較大變化，進而壓力降無明顯變化。

2.3 水合物顆粒密度對流化特性的影響

在考察水合物顆粒密度的影響時，設置水的入口流速為0.06m/s，水合物顆粒粒徑為1.0mm，水合物顆粒初始床層體積分數為0.5，初始床高0.2m。根據據相關研究[24-26]，各類水合物藏中沉積物的密度約為2600kg/m3，孔隙度為30%～50%，水合物的飽和度約10%～50%，基于此，取水合物顆粒的平均密度為1400kg/m3，1600kg/m3，1800kg/m3和2000kg/m3來進行分析。從圖8可以看出，隨著水合物顆粒密度的增大，顆粒中沉積物的比例就越高，自身所受重力也就越大，因而床層高度由0.60m減小到0.40m，膨脹程度減小，水合物顆粒在軸向上整體體積分數增大。

圖8 水合物顆粒密度對軸向顆粒分布的影響

從圖9(a)的徑向水合物顆粒體積分數分布可以看出，水合物顆粒在各種密度下仍呈左右對稱分布，體積分數在近壁面處取得最小值，在中部的分布較為均勻。但當水合物顆粒密度在1400kg/m3時，由于顆粒自身重力較小，在所受曳力相同的情況下，其所受合力也就越大，因而運動更為劇烈，體積分數在徑向上有一定的波動。

從圖9(b)的軸向壓力分布可以看出，當水合物顆粒密度為2000kg/m3時，隨著軸向距離增大，床層壓力從約102300Pa降低到101300Pa，壓力降為1000Pa。而當水合物顆粒密度為1400kg/m3時，隨著軸向距離增大，床層壓力從約101700Pa降低到101300Pa，壓力降為400Pa，這說明隨著水合物顆粒密度的增大，在相同初始體積下，整個床層的質量也就越大，產生的阻力也就越大，因而床層壓力降也增大。

圖9 水合物顆粒密度對顆粒徑向分布和軸向壓力降的影響

2.4 水合物顆粒初始床層體積分數對流化特性的影響

圖10 水合物顆粒初始體積分數對軸向顆粒分布的影響

在考察水合物顆粒初始床層體積分數的影響時，設置液相水的入口流速為0.06m/s，水合物顆粒粒徑為1.0mm，水合物顆粒密度為1800kg/m3，初始床高0.2m，初始體積分數取值為0.3，0.4，0.5和0.6。 由圖10可以看出隨著水合物顆粒初始床層體積分數的增大，由于床層中的顆粒數目增多，床層的膨脹程度逐漸增大，床層高度由約0.34m增大到0.46m，底部的顆粒體積分數也越大。

從圖11(a)的徑向水合物顆粒體積分數分布可以看出，水合物顆粒在各初始體積分數下仍呈左右對稱分布，在近壁面處取得最小值。但可以明顯看出，在顆粒在初始分數在0.3時，由于床層中顆粒數目減少，顆粒間的相互碰撞幾率降低，因而分布的均勻性更好。

從圖11(b)的軸向壓力分布可以看出，當水合物顆粒初始床層體積分數為0.6時，隨著軸向距離增大，床層壓力從約102260Pa降低到101300Pa，壓力降為960Pa。當水合物顆粒初始床層體積分數為0.3時，隨著軸向距離增大，床層壓力從約1017800Pa降低到101300Pa，壓力降為480Pa，這說明隨著水合物顆粒初始床層體積分數的增大，床層中顆粒數目和質量明顯增大，總體的阻力增大，因而床層壓力降增大。

圖11 水合物顆粒初始床層體積分數對顆粒徑向分布和軸向壓力分布的影響

2.5 初始床層高度對流化特性的影響

在考察初始床層高度的影響時，設置液相水的入口流速為0.06m/s，水合物顆粒粒徑為1.0mm，水合物顆粒密度為1800kg/m3，水合物顆粒初始體積分數為0.5，初始床高設置為0.1m，0.2m，0.3m，0.4m。由圖12可以看出隨著初始床層高度的增大，床層高度由約0.32m增大到0.66m。但由于初始高度的不同，膨脹程度在初始高度較低時較大，由0.1m膨脹至0.32m，膨脹比約為3.4，而初始床高為0.4m時，膨脹比僅為1.8左右，因此整體上看，水合物顆粒在軸向上的體積分數就較大。

圖12 初始床層高度對軸向顆粒分布的影響

從圖13(a)可以明顯看出，在初始高度為0.1m時，由于此時床層膨脹程度最大，顆粒整體體積分數較小，顆粒間的相互碰撞幾率降低，因而水合物顆粒在徑向上的分布均勻性更好。

圖13 初始床層高度對顆粒徑向分布和床層壓力分布影響

從圖13(b)的軸向壓力分布可以看出，當初始床層高度為0.4m時，隨著軸向距離增大，床層壓力從約102900Pa降低到101300Pa，壓力降為1600Pa。而當初始床層高度為0.1m時，隨著軸向距離增大，床層壓力從約101690Pa降低到101300Pa，壓力降為390Pa。這說明隨著水合物顆粒初始床高的增大，床層中顆粒質量增大，阻力增加，床層壓力降增大，且變化最為明顯。

3 結論

本文通過對流化床中天然氣水合物顆粒-水的流態化特性模擬，研究了水的入口流速、天然氣水合物顆粒直徑和密度、初始床層體積分數和初始床高等參數的影響，主要結論如下：

(1)水的入口流速是決定天然氣水合物顆粒是否處于流態化下的主要因素，在水合物顆粒密度為1800kg/m3，粒徑為1.0mm，初始床高為0.2m，初始顆粒體積分數為0.5的條件下，水合物顆粒處于流態化下水的入口流速范圍為0.01m/s～0.12m/s。

(2)隨著水的入口流速、水合物顆粒密度和初始體積分數的增加，床層膨脹程度明顯增大，從整體上看，顆粒在床層中的體積分數減小。而水合物顆粒在徑向上大體上呈對稱分布，最小值位于壁面處，在中部的分布整體上變化不大，但隨著水的入口流速、水合物顆粒粒徑、初始床層體積分數的增大，顆粒在一些位置的局部相含率存在波動，不均性提高。

(3)床層壓力降受水的入口流速和粒徑的影響較小，受水合物顆粒密度，初始床層體積分數和床高影響較大，其中，初始床高對壓力降的影響最為明顯，在其它條件不變的情況下，隨著初始床高由0.1m增大到0.4m，床層壓力降由約390Pa增到1600Pa。