Введение
В современных условиях интенсивного развития газоперерабатывающей промышленности и ужесточения экологических требований к выбросам в атмосферу проблема эффективной очистки природного газа от кислых примесей, в первую очередь диоксида углерода (CO₂) и сероводорода (H₂S), приобретает первостепенное значение [1; 2]. Среди различных методов очистки газовых смесей наибольшее распространение получила абсорбционная технология на основе водных растворов алканоламинов [3; 4].
В контексте подготовки метаносодержащих газовых смесей диэтаноламин (ДЭА) занимает важное место благодаря сбалансированному сочетанию реакционной способности и физико-химических характеристик [5; 6]. В химическом реакторе подача диэтаноламинов в жидкой фазе происходит через верхнюю часть реактора на насадочный слой, который способствует контакту жидкости с метаном. Структура насадочного слоя и геометрия абсорбера оказывают существенное влияние на гидродинамику и массоперенос [7; 8]. Также гидравлические параметры потоков, включая скорость газа и жидкости, критически важны для формирования режима течения и эффективности контакта фаз [9; 10].
Традиционные подходы к проектированию абсорбционных аппаратов базируются на эмпирических корреляциях и упрощенных моделях идеального вытеснения или смешения, которые не учитывают сложную структуру потоков, неравномерность распределения фаз и локальные особенности гидродинамики. Однако с развитием технологий, в особенности CFD-моделирования, появилась возможность эффективно исследовать характеристики процесса в химическом реакторе [11; 12].
В связи с изложенным актуальность настоящего исследования обуславливается необходимостью детального анализа гидродинамических характеристик течения двухфазной системы в условиях абсорбционного реактора с применением современных CFD-технологий [13; 14]. Разработка CFD-модели, способной количественно предсказывать распределение скоростей и фаз как в пустом реакторе, так и в реакторе с насадочным слоем, позволит оптимизировать конструкцию аппарата и режимные параметры процесса для повышения эффективности очистки метана от CO₂.
Цель исследования – исследование гидродинамических характеристик в абсорбционном реакторе с жидкой фазой в виде 30% водного раствора диэтаноламина и газовой фазы – 98.5% метана и 1.5% СО2. Для достижения указанной цели необходимо создание CFD-модели течения потоков внутри реактора.
Материалы и методы исследования
Основным методом исследования являлось численное моделирование. Численная модель реактора была создана на базе лабораторной установки [15]. Геометрия реактора представлена на рисунке 1. Высота реактора 350 мм, а диаметр основного реакционного пространства составляет 115 мм. Газовая смесь поступает из нижнего патрубка реактора, протекает через контактный слой, и очищенный газ выходит через верхний патрубок. Жидкость поступает в абсорбционный реактор из верхней части реактора и за счет гравитационных сил поступает на насадочный слой, где взаимодействует с потоком газа. Насадочный слой состоит из сферических частиц диаметром 18 мм и был использован для увеличения площади контакта. Расчетная сетка была выполнена из треугольных элементов со средним размером элемента 1 мм. Общее количество элементов сетки составляло 485 202 элемента.
Основные уравнения для создания численной модели включают уравнение неразрывности для каждой фазы, которое описывает закон сохранения массы в движущейся жидкости и выражается в виде:
(1)
где ρk – плотность k-й фазы (кг/м³), uk – вектор скорости k-й фазы (м/с), t – время (с).
Уравнение количества движения для k-й фазы, также известное как уравнение Навье–Стокса, описывает динамику жидкого или газового потока под воздействием внешних и внутренних сил.
Для модели Эйлера уравнение количества движения для смеси записывается в виде:
(2)
где 
– плотность смеси (кг/м³), 
– скорость смеси (м/с), p – давление (Па), τk – тензор вязких напряжений для k-й фазы (Па).
Уравнение энергии, основанное на первом законе термодинамики, описывает изменение полной энергии системы (внутренней, кинетической и потенциальной) под воздействием теплопередачи и работы внешних сил:
(3)
где cp – удельная теплоемкость при постоянном давлении (Дж/(кг·К)), T – температура (К), keff – эффективный коэффициент теплопроводности (Вт/(м·К)), Ф – тепловыделение вследствие вязкого трения (Вт/м³), Qk – источник тепла для k-й фазы (Вт/м³). В данной модели не рассматривались эндотермические реакции абсорбции углекислого газа, поэтому нагрев за счет внешних сил не учитывался.
Рис. 1. Геометрия численной модели абсорбционного реактора и расчетная сетка из треугольных элементов Источник: составлено авторами по результатам данного исследования
Модель VOF представляет собой метод отслеживания свободной поверхности в многофазных потоках, основанный на решении уравнения переноса для объемной доли фазы:
(4)
где αg – объемная доля газовой фазы в контрольном объеме, urel – относительная скорость между фазами.
Для корректного описания явлений на межфазной границе в VOF-модель включается коэффициент поверхностного натяжения, который действует в область интерфейса:
(5)
где σ – коэффициент поверхностного натяжения (Н/м), κ – кривизна межфазной поверхности (м⁻¹).
Граничные условия модели включают значения скорости водного раствора диэтаноламина, равной 0.04 м/с, скорости газовой смеси из нижнего патрубка, которая равна 0.5 м/с, а также разрежение давления на выходе жидкости, равного -50 Па, и разрежение на выходе газа при значении -150 Па. Значение разрежения на выходных патрубках установлено исходя из баланса между гравитационной силой, которая является основной для движения воды, и разностью давления для движения газа. При излишнем разрежении давления на выходе газов наблюдается унос жидкой фазы через выход газа. Выходной патрубок жидкости выполнен в виде U-образной трубы для создания гидростатического давления, которое предотвращает истечение газа через выход жидкости. Задача решалась в нестационарном виде с размером временного шага, адаптированного по числу Куранта C<1. С текущим размером сетки временной шаг менялся в пределах от 1.5∙10-6 до 3.4∙10-5 секунд. Для аппроксимации уравнений модели использовался второй порядок дискретизации.
Результаты исследования и их обсуждение
Контур объемной доли 30% водного раствора диэтаноламина в реакторе демонстрирует четко выраженное вертикальное распределение жидкой фазы с преобладающей концентрацией в верхней половине аппарата и показан на рисунке 2.
Рис. 2. Контуры объемной доли диэтаноламина (слева) и смеси метана и диоксида углерода (справа) Источник: составлено авторами по результатам данного исследования
При движении вниз через насадочный слой происходит постепенное уменьшение объемной доли жидкости, что обусловлено интенсивным контактом с восходящим потоком газовой смеси и образованием интенсивно диспергированной системы. В центральной области насадочного слоя наблюдается зона переходного режима с объемной долей жидкости в диапазоне 0.50-0.85, где происходит наиболее интенсивный обмен между фазами. Такое распределение качественно согласуется с физической моделью противоточного газожидкостного контакта.
Распределение объемной доли смеси метана и диоксида углерода в реакторе демонстрирует дополняющий к жидкой фазе контур с преобладанием газовой фазы в нижней и центральной частях аппарата (рис. 2). Максимальная концентрация газа наблюдается в нижней части реактора в непосредственной близости от входного патрубка газовой смеси, где газовый поток еще не подвергся значительному рассеянию и контакту с жидкой фазой. При движении вверх через насадочный слой газовая фаза постепенно диспергируется на множество мелких пузырьков, что приводит к уменьшению локальной объемной доли газа и увеличению межфазной поверхности контакта. В верхней части реактора, где газовый поток выходит из насадочного слоя, объемная доля газовой смеси возрастает до 0.70-0.90, что обусловлено уменьшением интенсивности контакта после прохождения основного слоя насадки. Локальные области с пониженной объемной долей газа соответствуют скоплениям жидкости и формированию пленочных потоков.
Распределение относительного давления в абсорбционном реакторе представлено на рисунке 3. Анализ полей давления показывает наличие ярко выраженного градиента давления в области входа газовой фазы (нижний патрубок), где давление достигает максимального значения 46.53 Па и быстро снижается при движении вверх через насадочный слой. Область максимального давления сконцентрирована в нижней части реактора и в непосредственной близости от входного патрубка газа, что соответствует ожидаемому физическому поведению двухфазного потока с доминирующим влиянием гидравлического сопротивления насадки.
При прохождении газовой смеси через насадочный слой, состоящий из сферических частиц диаметром 18 мм, происходит постепенное снижение давления вследствие вязкого трения и гравитационного воздействия жидкой фазы.
Рис. 3. Контур распределения скорости в реакторе (слева) и контур распределения относительного давления (справа) Источник: составлено авторами по результатам данного исследования
На выходе из реактора (верхний газовый патрубок) давление достигает значений в диапазоне от -198.3 до -187.1 Па, что соответствует установленному граничному условию разрежения в -150 Па и указывает на корректность выбранных режимных параметров. Перепад давления между входом и выходом газа составляет примерно 245 Па. Неравномерность поля давления в радиальном направлении, видимая в центральной части реактора, указывает на наличие вихревых образований и неоднородное распределение скоростей фаз, что является типичным для потоков в насадочных аппаратах с противоточной схемой контакта.
Распределение скорости потока в абсорбционном реакторе представляет собой сложную картину (рис. 3), отражающую взаимодействие противоточных потоков газовой и жидкой фаз. Распределение скорости показывает, что основная часть газа движется вдоль правой стенки и не участвует в контакте с жидкостью. Отсутствие равномерного контакта по всей площади насадочного слоя препятствует эффективной абсорбции СО2. Именно благодаря CFD-моделированию была выявлена причина неэффективности работы реактора. Следовательно, компьютерное моделирование является эффективным методом для выявления проблемных участков, а также определения оптимальных гидродинамических характеристик.
Заключение
В результате данного исследования была разработана CFD-модель абсорбционного реактора с насадочным слоем. Полученные результаты подтверждают высокую эффективность CFD-моделирования как инструмента для диагностики гидродинамических проблем в абсорбционных аппаратах и определения причин неэффективности процесса. Разработанную модель можно использовать для анализа работы химических реакторов и оптимизации промышленного дизайна. Таким образом, выполненное численное исследование демонстрирует прикладную ценность CFD-методов для решения практических проблем проектирования и оптимизации химических реакторов и газоочистного оборудования, используемого в газоперерабатывающей промышленности.