液-液相变溶剂混合过程的数值模拟
王展旭 王敏
摘 ?????要： 基于相变溶剂的研究和分析，设计出液-液相变溶剂捕集CO2的工艺流程和装备，针对工艺流程中吸收CO2后分相贫液与解吸再生溶剂在循环使用周期中的混合问题，建立了SD型静态混合器物理模型。依据MEA-正丙醇水溶液相变溶剂体系物性参数，采用Mixture多相流模型和标准湍流模型进行数值计算，分析两相流在SD型静态混合器内流动特性。研究结果表明，该混合装置具有实现MEA-正丙醇水溶液混合均匀的可行性，为液-液相变溶剂捕集CO2工业应用中液体混合过程的装置选用与设计提供参考和理论依据。
关 ?键 ?词：液-液相变溶剂;SD型静态混合器;流动特性;混合过程;数值模拟
中图分类号：TQ 027.3+5 ?????文献标识码： A ??????文章编号： 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
近年来，全球气候变化成为人类面临的最紧迫问题，科学界普遍研究认为产生温室效应的主要原因与温室气体大量排放直接相关，其中CO2对全球变暖的贡献率高达76%[1]。在目前形势下，发展碳捕集与封存技术（CCS）是实现碳减排最有效可行的途径。其中碳捕集技术是碳减排措施的基础和前提条件，但也是整个CCS系统中成本和能耗最大的环节[2]。碳捕集技术，其实质是CO2气体的分离过程[3]。根据分离原理的不同分为吸附法、吸收法、膜分离法和低温分离法等。其中，化学吸收法是相对较为成熟的捕集技术，但受到高能耗和资金投入的限制，难以实现大规模的商业应用。因此，开发出一种能耗低且经济有效的捕集技术至关重要。
目前，各国学者以开发低成本、低能耗的CO2吸收剂作为研究热点，基于传统有机胺溶剂化学吸收技术研制出的液-液相变溶剂，能够降低捕集过程中最大的溶剂再生能耗部分，被认为是理想的CO2吸收剂[4]。
本文通过介绍液-液相变溶剂的研究现状，在相变溶剂研究和分析的基础上，设计液-液相变溶剂捕集CO2的工艺流程和装备，利用Solidworks软件建立相变溶剂混合器的三维实体模型，实现工艺循环周期中吸收CO2后分相贫液和解吸再生溶剂的两相液体混合目的，文中运用ANSYS Workbench对混合器内两相流动特性进行数值模拟，研究液-液相变溶剂在混合器中的混合效果，为液-液相变溶剂的混合装置的选用设计和工业应用提供参考。
1 ?液-液相变溶剂
1.1 ?液-液相变溶剂研究现状
液-液相變溶剂是由两种或三种及以上的化合物组成，反应产物在吸收CO2后仍以液相形式存在，溶剂在吸收CO2过程中或在解吸温度升高到某一值时发生分层，分层后经分离只需将含CO2的富液送入解吸塔进行加热再生，从而节省了再生过程中最大的能耗部分，再生后的富液变为贫液返回吸收塔重新循环使用。目前液-液相变溶剂主要包括亲脂性胺类、DMXTM相变溶液、混合胺溶液，其中混合胺溶液包括化学-物理复合相变溶剂以及有机胺-离子液体相变溶剂。
2006年美国Liang Hu[5]首次在专利中提出相变吸收剂的概念，并研究了一种化学-物理相变溶剂脱酸的方法，该类吸收剂由20%A和80%B组成。A作为活化剂溶于B中，吸收前以均相的形式存在;吸收过程中，液相吸收剂与包含CO2的气体混合物在吸收塔中接触，活化剂A与CO2反应生成新的产物A*CO2且不溶于化合物B，形成新的分层。实验表明[6]，相变试剂的再生能耗约为基准MEA溶液过程的15%，其工艺过程可将能耗成本降低80%。德国多特蒙德大学反应研究所David W，J.Zhang[7]等研制出具有低临界温度的特征的亲脂性胺类溶液，他们对30余种亲脂胺从相变温度、CO2负载量、反应动力学和再生特性等方面研究其作为相变吸收剂的可行性，其中改进的溶液体系-DMCA试剂，与MEA相比可将二氧化碳捕获效率提高60%以上，能耗降低40%以上，具有较高的CO2负载能力和可再生性能[8]。法国石油研究所Aleixo等对300多种胺类试剂（R1R2R3N）进行了筛选实验研究，得到了在室温下与水相溶，在给定的胺浓度范围内随CO2负载的增加或吸收温度的提高而形成两个不混溶相的有机胺试剂，即DMXTM试剂[9]。进一步，同为法国石油研究院的Raynal等通过改进常规有机胺溶液工艺流程方案开发出适用于DMXTM试剂的配套工艺流程，即DMXTM过程[10，11]方案。此外，国内清华大学、浙江大学、北京化工大学等相关课题组均通过实验筛选出可行的相变溶液。
1.2 ?液-液相变溶剂工艺流程
目前，对相变溶液的实验研究和取得的理论成果均表明液-液相变溶剂具有较大的节能潜力。本文选用液-液相变溶剂为MEA-正丙醇水溶液相变体系，其正丙醇作为水溶性的有机活化剂，促使吸收CO2后的溶液发生分层并加快反应速率，MEA水溶液作为有机胺吸收剂与CO2反应生成MEAH+/MEACOO-，其反应产物在水中的溶解度大于在正丙醇中，随着反应继续进行，聚集的水分子和排出的正丙醇溶剂分子达到宏观可见时，出现液-液分相[12]。与传统的捕集CO2工艺相比，液-液相变溶剂在吸收CO2前的两相液混合问题、吸收CO2后形成的两相性质以及分相后富液再生解吸特性，均需要增加新的工艺流程和设备，以保证工艺过程的稳定性和连续性。基于文献研究[13]及相变机理分析，设计了液-液相变溶剂捕集CO2的工艺流程和装备，如图1所示。
含CO2的烟气经风机增压后，由气体进口进入吸收塔，液-液相变溶剂在液体混合器中均匀混合后由喷淋装置喷入填料内，在填料内溶液与CO2烟气逆向接触吸收;吸收后，溶液由于重力作用进入设置在吸收塔底端的溶液静置段，静止分层后的上层贫液经第一循环泵进入贫液泵流入吸收塔循环利用，下层溶液经第二循环泵进入贫富液热交换器进入再生塔加热再生;再生时，塔底的液体通过自循环进入再沸器，再沸器流入再生塔的溶液部分浸没搅拌器，经过搅拌器强化再生，CO2充分再生的溶液从底部离开再生塔，送至吸收塔循环使用。再生塔再生出来的CO2和水蒸气混合气从再生塔塔顶出来，经过再生气冷却器冷凝后进行水汽分离，高纯度的CO2气体进入产品罐，满足其它工业需求。
2 ?液体混合器的计算模型
2.1 ?几何建模与网格划分
为满足吸收CO2后分相贫液和解吸再生溶剂的两相液体混合的要求，实现捕集吸收过程的稳定性和高效性，液-液相变溶剂混合器采用SD型静态混合器，混合单元由相互垂直交叉的叶片组成单元，多个单元相互衔接成D型单元形成交错的多室状态[14]。当流体流经一个单元的时候，流体被叶片切割开，实现分流，也附带着拉伸混合，使混合效果加强，液流经过分割、重混，使内部物质变得均匀化[15]。由于SD型静态混合器结构比较复杂，应用专业的建模软件Solidworks对混合器建立几何实体模型，如图2所示，结构尺寸见表1。
利用ANSYS Workbench软件中的Fluent模块进行数值模拟，运用ANSYS Mesh做网格划分，在此选用对复杂边界条件的适应性较强以及相对最简单的四面体网格划分方法，节点数为266 337，单元数为1 385 932个。
2.2 ?计算模型及边界条件设置
2.2.1 ?控制方程
根据MEA-正丙醇水溶液相变溶剂体系物性参数和工艺要求，在利用ANSYS Workbench对液-液相变溶液混合模拟的过程中采用Mixture多相流模型进行计算求解，Mixture模型的控制方程如下[16]：
2.2.2 ?边界条件与计算模型
计算工质温度为30 ℃;以正丙醇作为基本相：密度为788.445 kg/m3，粘度1.684×10-3 Pa·s;MEA水溶液作为第二相：密度为1 000.106 8 kg/m3，粘度1.45×10-2 Pa·s。计算中重力忽略不计，入口采用速度进口：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叶片壁面均按无滑移光滑绝热壁面边界条件处理;湍流模型选择标准的模型;求解器中主要参数设置为：压力和速度耦合项采用SIMPLE算法，梯度采用Least Squares Cell Based，压力方程采用PRESTO！格式，体积分数方程采用QUICK格式，其余皆采用二阶迎风格式。
3 ?计算结果分析
3.1 ?液-液相变溶液流动和混合特性
3.1.1 ?速度分析
图3（a）为X=0和Z=0截面內平面速度分布云图，图3（b）为沿Y轴方向管道不同截面的速度分布云图。由图可以看出，由于混合元件的剪切、旋转作用，两相流流速进入混合区域后流速迅速增加，混合器内部的最高流速达到0.013 m/s。在未进入混合区域前，两相流为层流速度分布;进入混合区域后，边界层内的低速流体在相反方向的叶片1下方和叶片2上方区域的流速得到较大提升，流场变化变得复杂，接触到混合器叶片的流体被剪切削离，流体流经叶片3后，实现流体沿管道的径向圆周换位。
3.1.2 ?湍动能与湍流强度
图4为混合流沿Y轴方向不同截面的湍动能和湍流强度曲线图。
由图4可知，湍流强度在未进入混合区域时降至最低;当流体流经混合元件后，流体的湍流强度显著增加，促进了两相流的互相扰动混合和剪切作用。随着流体逐渐远离混合元件区域，湍流强度逐渐减弱。流体湍动能在未混合区域段呈先上升后下降的趋势，在混合区域段与湍流强度的分布趋势基本一致。因流体物理特性和入口边界条件设置，使分析中湍动能和湍流强度的数量级均较小，但变化趋势与前面的速度分析结果可以相互验證。
3.2 ?液-液相变溶液混合效果
图5（a）-（f）为SD型静态混合器沿Y轴方向不同截面处的正丙醇相分率云图。由图5可知，在两相流进入混合区域前，正丙醇相分布主要集中在管道的下侧，分布很不均匀;进入混合区域后，在混合元件的剪切、分割作用下，两相流的流速和湍流强度迅速提高，正丙醇相从下侧高浓度聚集区沿管道圆周方向扩散，正丙醇相进行了重新分布，均匀性得到了明显的提高;图5（f）表明，当流体离开混合区域后，两相流体仍保持着良好的混合特性，说明MEA水溶液与正丙醇已经得到充分的混合。
为验证两相流在SD静态混合器中的混合效果，本文进一步采用不均匀系数对相分布混合程度进行定量计算。的定义如下：
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术平方根。根据不均匀系数的定义，越小，表明混合效果越好。图6为SD静态混合器沿Y轴不同截面的不均匀系数，Y=0为MEA水溶液的入口位置，Y=70为正丙醇溶液的入口中心位置，两相流体在层流段不均匀系数呈上升趋势，但到达流体混合区域（Y=98～230 mm）时，不均匀系数均得到明显的下降，不均匀系数均降低至0.25。
随后，随着流体在管道的流动，不均匀系数不再发生明显的改变并趋于平稳。不均匀系数的定量计算与混合器沿Y轴方向不同截面处的正丙醇相分率分布基本一致。
4 ?结 论
（1）通过对液-液相变溶剂相关文献的分析，提出了液-液相变溶剂捕集CO2烟气的工艺流程与装备，针对其与传统捕集工艺的不同之处，保证在循环捕集周期内分相贫液和解吸再生溶剂的充分混合，设计出液-液相变溶剂的液体混合装置，创建了SD型静态混合器的三维实体模型。
（2）基于工业应用成熟的MEA、MDEA等吸收剂，选择MEA-正丙醇水溶液相变体系，运用ANSYS Workbench软件对SD型静态混合器内的流动和混合特性进行数值模拟，计算结果表明正丙醇和MEA水溶液混合的较均匀，设计的混合器具有较好的混合性能。
（3）通过数值模拟，分析并掌握了两相流体的各种流动特性参数，为下一步相变溶液混合体系捕集CO2过程提供了混合流反应参数，保证了捕集CO2工艺流程的连续性和高效性。此外，数值模拟结果可以为液-液相变溶剂的工艺流程中混合过程的装置选用和设计提供参考和理论依据。
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