基于CFD模擬的油氣吸附過程關鍵參數優化

胡明剛　陶冶　崔哲　田文德

摘 要 目前我國石油化工領域生產過程存在較為嚴重的油氣蒸發損耗問題，不僅導致油品資源的損耗，也嚴重影響了大氣質量，常通過吸附方式進行油氣回收。針對實際工業中油氣吸附效率較低的問題，致力于尋求提高活性炭吸附性能的方法。基于計算流體力學軟件中的組分輸運及多孔介質模型，對油氣吸附過程進行建模及動態模擬，分析活性炭床層內部的濃度場分布情況，并采用控制變量法對比空塔氣速對吸附性能的影響。不同氣速下穿透曲線的比對結果表明：氣速越大穿透曲線越陡峭，相同時間間隔內的吸附負荷越大穿透時間越短。

關鍵詞 參數優化 CFD模擬 油氣吸附 氣速 穿透曲線 空塔氣速 操作壓力 操作溫度

中圖分類號 TP274? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 1000-3932（2023）04-0545-05

在石油化工領域，油品組分中存在大量揮發性較強的輕烴組分，在它們的開采、提煉、儲運、應用等過程中，由于受技術、工藝、設備條件等的限制，部分液態輕烴組分不可避免地會蒸發而逸入大氣，油品損耗嚴重，導致能源浪費和經濟損失，還會嚴重影響大氣質量，危害人體健康，并給企業帶來諸多安全問題［1，2］。因此，有必要對油氣進行回收利用，以提高能源利用率、減少經濟損失、保護生態環境和消除安全隱患。

吸附法是目前國內較為成熟的、節能環保型的油氣回收技術［3］，但在實際應用中還存在油氣凈化率不夠高、吸附效率有待進一步提高的問題。傳統的實驗研究方法大多受設備規模、檢測精度等外部條件的制約，存在操作周期長、成本高、人力物力消耗大的缺點。理論研究方法雖然沒有上述缺點，但必須對計算對象進行簡化，在非線性情況下只有少數流動才能產生分析結果。

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一種可靠的模擬技術，可以克服實驗方法和理論分析方法的缺點，用于模擬吸附過程中的流體流動狀況和組分輸運現象，進而優化工藝設備及操作參數［4，5］。對于以活性炭為吸附劑的吸附過程來說，空塔氣速、操作壓力、操作溫度等參數都會影響吸附床層的利用效率，許多學者對該過程進行了深入的研究。梁穎做了吸附罐內氣體空間濃度分布的CFD數值模擬，基于有限元法研究了氣體在空間內連續擴散的問題，發現罐內的氣體濃度并不是均勻分布的，在高度方向上濃度存在明顯的拐點［6］，這為確定吸附罐內活性炭的安裝位置提供了幫助。武華賓設計了一套三級冷凝-吸附集成的VOCs處理工藝，并采用Fluent對設備內的流場分布情況進行模擬分析，深入探討了設備選型優化和集成工藝參數設計［7］。文獻［8］采用多孔介質模型和用戶自定義方程（UDF）相結合的方法，模擬苯在活性炭上的吸附過程和多孔介質中的流場分布，采用層流單相流方程結合傳質方程，建立三維非定常氣體流動模型，吸附速率由用戶自定義的源項添加到模型中。事實上，CFD模擬方法已成為研究VOCs凈化裝置內流體分布狀況及流動規律的重要手段［9～11］。

筆者基于CFD軟件中的多孔介質模型、組分輸運模型和自主編寫的UDF代碼進行油氣吸附過程的數值模擬，多孔介質模塊包含一整套物理場接口，可以近似地模擬活性炭中的實際孔隙。針對單相的多孔介質模型不能反映固體吸附劑與氣體吸附質之間的質量、熱量傳遞問題，通過編寫UDF還原了吸附分離過程中氣固兩相間的傳質、傳熱現象，將單相模型改進為氣固兩相耦合模型，探索了吸附過程內在機理，優化了過程操作參數。

1 數值求解方法

由一組偏微分代數方程給出的模型方程較難求解。當氣流軸向擴散不明顯時，濃度曲線可能會比較陡峭，這類曲線需要精細化的網格來進行處理，這就需要大量的計算工作。因此，在優化吸附過程時減少計算工作量就顯得尤為關鍵，所以應該將數值進行離散化處理［12］。筆者采用有限差分法將計算域進行離散化，將一組偏微分代數方程轉換為一組微分代數方程。在求解過程中，數值求解方法選擇較為穩定的迎風差分法［13］，該方法模擬時間較短且模擬結果合理準確，可以通過增加節點數量來提高精度。

1.1 質量平衡方程

1.2 動量平衡方程

1.3 吸附動力學

2 案例應用

將實際工業中油氣吸附罐設備的規格尺寸等比縮小100倍，在建模軟件中建立幾何模型，然后通過網格劃分軟件對構建的幾何體進行網格劃分，多孔介質區全部采用結構化的六面體網格并添加邊界層，以更好地模擬真實流動。采用Mesh軟件提供的正交質量和單元畸變度兩種評價指標來評價網格質量，評價結果表明所劃分的網格可以滿足計算精度要求。將劃分完網格的模型導入CFD求解器中進行瞬態求解，求解器設置見表1。

實際的油氣組成較為復雜，為降低模擬的復雜性，用丁烷（C4H10）、戊烷（C5H12）和空氣的混合物代替油氣，各組分的質量分數分別為丁烷0.3、戊烷0.3、空氣0.4。由于C4H10和C5H12間存在競爭吸附現象，且活性碳層對分子量較大的C5H12吸附能力強，優先吸附C5H12，所以C4H10比C5H12先穿透，因此將C4H10穿透時間作為衡量吸附性能的指標，具體操作方法為監控吸附罐出口處C4H10的質量分數。

油氣在多孔介質內吸附傳質過程中的丁烷質量分數云圖如圖1所示，紅色區域代表活性炭已處于飽和狀態，藍色區域表示活性炭還未被利用，中間部分代表傳質區。具體數值如圖1比色柱所示。

吸附罐不同軸向位置的壓力分布情況如圖2所示，可以看出，氣體進、出口封頭處壓力大小不變，多孔介質區域壓強均勻下降。適當的壓降有助于氣體均勻分布，壓降過大易造成安全隱患。

如果吸附過程處于理想情況下，即不存在傳質阻力、吸附速率趨于無窮大、氣固兩相能夠瞬間達到平衡狀態，穿透曲線的形狀將呈直角折線。但實際中由于存在傳質阻力、流動速度分布不均等因素的影響，穿透曲線為S型曲線。

筆者對比了空塔氣速分別為0.2、0.3、0.4、0.5 m/s的情況下，對吸附穿透曲線造成的影響，進而指導工業實際操作參數的選用，如圖3所示。

認為當出口濃度C等于0.05倍的入口濃度，即Ct /C0=0.05時，活性炭床層被穿透，達到“穿透點”，對應的流動時間即為穿透時間。出口濃度C等于0.95倍的入口濃度，即Ct /C0=0.95時，活性炭床層飽和，達到“流干點”。圖3中的模擬結果表明，當其他模擬條件一定時，在相同的時間間隔內，氣流空塔氣速的大小對床層吸附的性能影響較大。隨著氣流空塔氣速v增加，穿透曲線斜率變大，吸

附傳質速率加快，穿透曲線向左平移，吸附床達到“穿透點”的時間縮短，達到“流干點”的時間也減小，床層的吸附負荷變大。

3 結束語

當氣流空塔氣速從0.2 m/s增加到0.5 m/s，穿透時間從3.6 s縮短到1.0 s。隨著氣速增加，吸附速率加快，穿透曲線斜率也隨之變大，穿透曲線更為陡峭，床層穿透時間和達到平衡的時間明顯減小，等量吸附劑處理的吸附質越多，即吸附負荷越大。然而，氣速增加后單位時間內經過床層的氣體量增加，床層的無效層厚度和傳質區長度也延長，床層的利用率降低。綜合考慮氣速對吸附床層的無效層厚度和傳質區長度的影響，是下一步工作需要完善的重要內容。

參 考 文 獻

［1］ 王教凱.油氣處理廠VOCs排放特征及綜合管控對策研究［J］.石油石化綠色低碳，2020，5（6）：40-44.

［2］ 王思宇，黃玉虎，胡瑋，等.加油站油氣處理裝置作用及VOCs排放現狀［J］.環境科學研究，2021，34（2）：279-285.

［3］ 黃義峰.油氣的危害及回收方法［J］.廣州化工，2018，46（10）：103-104；107.

［4］ 魏新利，李慧，張軍.計算流體動力學（CFD）在化工領域的應用［J］.化工時刊，2006（2）：63-65.

［5］ 舒長青，王友欣.計算流體力學在化學工程中的應用［J］.化工管理，2014（6）：29.

［6］ 梁穎.基于有限元法的罐內氣體空間濃度分布模擬［J］.當代化工，2020，49（4）：732-737.

［7］ 武華賓.基于Fluent的冷凝-吸附集成VOCs治理技術仿真模擬及設計［D］.廣州：華南理工大學，2020.

［8］ HASHEMIPOUR M H.Experimental study and artificial neural network simulation of methane adsorption on activated carbon［J］.Korean Journal of Chemical Engineering，2012，29：601-605.

［9］ 卜令兵，張劍鋒，楊云.變壓吸附空分制氧應用進展［J］.氣體分離，2007，46（3）：12-14.

［10］ 姜曉明，聶宇宏，金云學，等.基于組分輸運模型的SCR煙氣脫硝系統模擬及優化［J］.熱力發電，2016，45（11）：106-113.

［11］ 楊亞超.真空變壓吸附捕集二氧化碳建模及動態特性研究［D］.上海：華東理工大學，2016.

［12］ 吳琦，杜強，張金華，等.多孔介質輕烴吸附數值研究［J］.當代化工，2013，42（4）：513-515；519.

［13］ 張志娟，袁益讓.非飽和水流問題的迎風差分法及其數值模擬［J］.應用數學學報，2009，32（3）：385-399.

［14］ 陳勇.氣固兩相流變壓吸附制氧的CFD模擬［D］.大連：大連理工大學，2013.

［15］ 解晨.甲烷在活性炭上的吸附平衡及充放氣研究［D］.廈門：集美大學，2012.

［16］ 彭育志.氫氣純化變壓吸附的穿透曲線及循環熱效應［D］.武漢：武漢理工大學，2016.

［17］ 趙毅，沈艷梅，白鷺.固定床CO2吸附的穿透曲線模型及傳質動力學［J］.華北電力大學學報（自然科學版），2012，39（4）：107-112.

（收稿日期：2022-12-06，修回日期：2023-01-07）

Key Parameters Optimization in Oil & Gas Adsorption Process

Based on CFD Simulation

HU Ming-gang TAO Ye2， CUI Zhe TIAN Wen-de

（1. Qingdao Nuocheng Chemicals Safety Technology Co.， Ltd.；

2. College of Chemical Engineering， Qingdao University of Science & Technology）

Abstract? ?The oil & gas evaporation loss bothers petrochemical production at home， which leads to the loss of oil resources and seriously influences the air quality and the way of adsorption is employed generally for oil & gas recovery. In this paper， considering the poor efficiency of oil & gas adsorption in industry， theways to improve adsorption performance of activated carbon was proposed. In which， having component transport and porous media models in computational fluid dynamics software based to model and simulate the oil & gas adsorption process was implemented， including analyzing the concentration field distribution within activated carbon bed and having control variable method adopted to compare the effect of superficial gas flow rate on the adsorption performance. The comparison of the penetration curves at different gas velocities shows that， the higher gas velocity can bring about steeper penetration curve and in the same time interval， the higher adsorption load results in shorter penetration time.

Key words? ? parameter optimization， CFD simulation， oil & gas adsorption， gas velocity， penetration curve，? superficial gas flow rate， operating pressure， operating temperature