石油与天然气化工  2016, Vol. 45 Issue (6): 10-14
络合铁法脱硫反应器锥段硫磺沉降的数值模拟
张楠 1, 陈建华 1, 宋彬 2, 李映年 2, 吴宇 2, 刘蔷 2     
1. 中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室;
2. 中国石油西南油气田公司天然气研究院
收稿日期：2016-03-04
作者简介：张楠(1982-)，男，辽宁抚顺人，中国科学院过程工程研究所副研究员，主要从事多相流系统的多尺度建模与其应用研究。E-mail：nzhang@ipe.ac.cn.
摘要：络合铁法脱硫工艺在天然气行业应用广泛，将反应生成的硫磺富集回收是反应器稳定运行的关键之一。在反应器底部引入锥段对硫磺的富集、沉降和回收很有帮助，为了避免硫磺在锥段侧壁长期沉积和结块，应分层通入扰动气体。通入气量不能太小，以免达不到避免锥段侧壁硫磺沉积的作用；但也不能太大，否则会使得硫磺难于沉降。本研究采用欧拉多流体模型，对锥段硫磺沉降进行了模拟，研究了硫磺浓度和通气速度对硫磺沉降的影响。结果表明：硫磺浓度对沉降速度影响较小，而通气速度对沉降影响明显。随着气速的增大，硫浆沉降越来越慢，对所研究的体系而言，最大通气速度应小于0.75 m/s。
关键词：气液固三相流    计算流体力学    欧拉多流体模型    络合铁    脱硫    硫磺沉降    
Numerical simulation of sulfur deposition in the cone section of chelated iron desulphurization reactor
Zhang Nan1 , Chen Jianhua1 , Song Bin2 , Li Yingnian2 , Wu Yu2 , Liu Qiang2     
1. State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
2. Research Institute of Natural Gas Technology of PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610213, China
Abstract: Chelated iron desulfurization process is widely used in natural gas industry, the enrichment and removal of sulfur particles is a key factor for stable operation of the reactor. The design of a cone section at the bottom of the reactor is helpful for the enrichment, settlement and recovery of sulfur particles. In order to avoid long-term deposition and agglomeration of sulfur particles at the side wall of the cone section, the disturbed gas should be injected at different heights. The flow rate of the disturbed air should not be too small, so as to avoid sulfur deposition at the side wall of the cone section. It should also not be too large, so as to prevent the settlement difficulty of the sulfur particles. Eulerian multiphase model was used to simulate sulfur deposition in the cone section. The effects of sulfur concentration and air flow velocity on sulfur deposition were studied. The results showed that sulfur concentration had little influence on the settling velocity, while the effect of air flow velocity on the settlement was obvious. The deposition rate of sulfur particle decreased with the increasing of gas velocity, the maximum air flow velocity of the system should be less than 0.75 m/s to ensure the settlement of the sulfur particles.
Key Words: gas-liquid-solid three phase flow    computational fluid dynamics    Eulerian multiphase model    chelated iron    desulphurization    sulfur deposition    

络合铁液相氧化还原法脱硫技术具有吸收速度快、硫回收率高、对原料气波动适应性较强等优点，被认为是处理中低潜硫量炼厂气和天然气的理想选择[1-4]。该工艺采用自循环环流式反应器时，反应器底部采取锥段设计[5]，有利于反应生成硫磺颗粒的沉积和富集，而底部设置自动脉冲吹扫系统则可使富集的硫磺不易结块和沉积在壁面上。硫磺颗粒的富集、沉降和回收对自循环环流反应器的正常运行有重要作用，通气速度对硫磺颗粒的沉降有重要影响，但目前关于此方面的公开文献发表较少。这主要是由于对于复杂的气液固三相体系，测试技术存在很大的局限性，尤其是对于高固含量工业体系，目前还没有很好的测量方法[6-8]。

采用计算流体力学方法已经成为除实验和理论以外科学研究中越来越重要的手段。对于液固之间存在滑移的气液固三相体系，根据对离散相颗粒的不同处理，有欧拉-拉格朗日方法[9-10]和欧拉多流体方法[11-13]。其中，正确地表达相间作用力是模拟成功的关键[11, 14-15]。考虑到目前的模型发展和计算速度，欧拉多流体模型更适用于工业规模反应器的研究。

本研究采用欧拉多流体模型和k-ε混合物湍流模型对锥段硫磺颗粒在扰动气体作用下的沉降进行了模拟，研究了固相浓度和气相速度对锥段硫磺沉降的影响，为锥段通气速度的选取提供了一定理论依据。

1 数值模拟方法
1.1 模型描述

天然气络合铁液相氧化还原法脱硫体系是典型的气-液-固三相流复杂系统，反应生成的硫磺颗粒尺寸小，流体跟随性好，但液固之间存在滑移。为了更好地描述硫磺在反应溶液通气扰动下的运动，本研究将气、液、固三相均视为连续介质，选取欧拉多流体模型进行模拟。其中，反应溶液作为连续相，空气和硫磺颗粒为离散相。固相应力采用颗粒动理论描述。考虑到通气量较小，而反应溶液和生成的硫磺颗粒密度接近，因此，选择计算量较小的k-ε混合物湍流模型描述体系内的湍动。根据前期研究结果，仅考虑气液之间和液固之间的相间作用，详细的模型描述见文献[11]。

1.2 反应器与构体

反应器直径为2.8 m，底部锥角为75°。为防止硫浆在壁面沉积，分3层间歇通入脉冲空气。为简化计算，本研究采用二维非稳态模拟，计算几何区域设定如图 1所示。通过尝试，在锥部上端加2.5 m的延伸段，可以保证在所研究范围内，液体及固体颗粒始终在计算域内。扰动空气入口按实际装置高度分3层设置，均为速度入口，中上两层入口速度方向沿壁面向下，底部入口速度向上，延伸段顶部为压力出口，壁面处液相为无滑移边界条件，气相和固相为自由滑移边界条件。

图 1     反应器底部锥段几何结构示意图 Figure 1     Geometric structure sketch of the cone section at the bottom of reactor

通过前期模拟尝试，当锥段网格为10 mm、延伸段网格为50 mm时，既可以保证计算速度，又可达到网格无关性。

1.3 模型设置和求解

初始时，锥段上部空间为空气，底部为液固混合物。为研究硫浆浓度及通气速度变化对硫浆沉降的影响，将锥段平均分为左右两部分，固体物料按体积分数分别大于和小于平均分数0.05堆积，其余为水，初始时空气和固体物料的堆积分布见图 2。

图 2     硫浆沉降模拟初始时物料分布情况 Figure 2     Initial material distribution in sulfur slurry deposition simulation

压力-速度的耦合求解采用相间耦合的压力耦合方程组的半隐式(Phase Coupled SIMPLE)算法，质量守恒与动量守恒方程均采用一阶离散方式。时间步长设置为0.005 s，通过监视反应器内物料分布均匀性和残差曲线综合判断流动是否达到稳定。

2 结果与讨论
2.1 固体分布均匀度指数

为了研究通入空气对硫浆沉降的影响，采用均匀性指数表征锥体部分固相分布均匀度。均匀性指数是用来描述指定表面上指定的物理量变化情况，最大值为1，表明指定表面上物理量均匀分布，数值越小，分布均匀性越差。均匀性指数能够采用面积或质量加权进行衡量:面积加权均匀性指数捕捉量的变化(如组分浓度)，质量加权均匀性指数捕捉通量的变化(如组分通量)。根据研究需要，采用面积加权考虑硫磺浓度分布的均匀性。其定义见式(1)。

$ {\gamma _{\rm{a}}} = \frac{{1- \sum\limits_{i = 1}^n {\left[{\left( {\left| {{\mathit{\Phi }_i}\mathit{-}{{\mathit{\bar \Phi }}_{\rm{a}}}} \right|} \right){A_i}} \right]} }}{{2\left| {{{\mathit{\bar \Phi }}_{\rm{a}}}} \right|\sum\limits_{i = 1}^n {{A_i}} }} $ (1)

式中:γa为面积加权均匀性指数，无量纲；i为一个拥有n个网格面的面索引，无量纲；Ai为索引为i的网格面积，m2；Φa为变量φ在整个表面的加权平均值，无量纲，其定义见式(2)。

$ \overline {{\mathit{\Phi }_{\rm{a}}}} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{\mathit{\Phi }_i}{A_i}} }}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{A_i}} }} $ (2)

入口气速为0.375 m/s、硫浆体积分数为15%的均匀性指数随时间变化的情况见图 3。模拟刚开始时，由于扰动气体的通入，使得锥段固相浓度分布有更均匀的趋势。随着模拟的进行，均匀性指数分布随时间呈线性下降趋势。基于此，后续所有的模拟时间均按200 s考虑，以保证锥段均匀性指数变化趋势达到稳定。

图 3     均匀性指数随时间的变化关系 Figure 3     Relationship of uniform index and time

2.2 硫浆体积分数对均匀性指数的影响

在不同的硫浆体积分数下均匀性指数随时间变化的情况见图 4。从图 4可以看出，不同硫浆体积分数下均匀性指数随时间的变化斜率基本一致，造成这种情况的主要原因是气速在0.375 m/s时，仅起到扰动作用，硫浆主体在重力作用下沉降，故受体积分数的影响不大。

图 4     硫浆体积分数对均匀性指数的影响 Figure 4     Effect of sulfur concentration on uniform index

模拟进行200 s时，固相浓度的分布见图 5。此时，锥段固相整体呈现底部浓度高而上部浓度低的分层分布，在径向上，由于底部入口的气相扰动作用，同一高度上中心浓度略高于靠近锥段壁面的浓度。

图 5     不同浓度下模拟所得硫浆浓度分布 Figure 5     Sulfur slurry concentration distribution of different concentration

2.3 扰动气速对均匀性指数的影响

在不同的扰动气速下均匀性指数随时间变化的情况见图 6。从图 6可以看出，不同扰动气速下均匀性指数随时间的变化斜率呈现两种不同的趋势:当入口扰动气速小于0.75 m/s时，均匀性指数随时间增加而降低；当入口扰动气速大于0.75 m/s时，均匀性指数随时间增加而增大。这主要是由于硫浆受重力作用沉降，随着扰动气速的增大，硫浆所受流体的曳力逐渐增大，甚至成为主导因素，导致硫浆不再沉降。

图 6     气体速度对均匀性指数的影响 Figure 6     Effect of air velocity on uniform index

模拟进行200 s时，固相浓度的分布见图 7。从图 7可以看出，随着扰动气速的增大，硫浆分布越来越均匀，也就意味着沉降越来越慢，甚至不再沉降。

图 7     不同速度下模拟所得硫浆浓度分布 Figure 7     Sulfur slurry concentration distribution of different air velocity

3 结论

采用欧拉多流体模型和k-ε混合物湍流模型对锥段硫磺颗粒在扰动气体作用下的沉降进行了模拟，并得出以下结论:

(1) 在扰动空气入口速度为0.375 m/s时，硫浆体积分数为10%~30%，均匀性指数随时间的变化斜率基本一致。

(2) 硫浆体积分数为15%，当入口扰动气速小于0.75 m/s时，均匀性指数随时间增加而降低；当入口扰动气速大于0.75 m/s时，均匀性指数随着时间的增加而增大。

参考文献
[1]
李劲, 雷萌, 唐浠. 对中低含硫天然气脱硫技术的认识[J]. 石油与天然气化工, 2013, 42(3): 227-233.
[2]
王海秀. 水合物法天然气脱硫工艺研究[J]. 石油与天然气化工, 2014, 43(4): 370-373.
[3]
陈赓良, 李劲. 天然气脱硫脱碳工艺的选择[J]. 天然气与石油, 2014, 32(6): 29-34.
[4]
刘宏伟, 徐西娥. LO-CAT®硫磺回收技术在炼厂硫磺回收装置中的应用[J]. 石油与天然气化工, 2009, 38(4): 322-326.
[5]
李军, 王剑锋. LO-CATⅡ硫磺回收反应器锥体堵塞原因分析及对策[J]. 石油与天然气化工, 2016, 45(1): 36-41.
[6]
于佩潜, 门卓武, 卜亿峰, 等. 多相流反应器流体力学参数测试技术进展[J]. 化工学报, 2013, 64(增刊1): 8-20.
[7]
刘建华, 刘明言, 胡宗定. 低固含率气-液-固循环流化床流动特性[J]. 化工学报, 2013, 64(2): 504-516.
[8]
PIETSCH T, MEHRWALD R, GRAJETZKI R, et al. Macro-and microscopic in-situ observation of gas bubbles and sludge particles in a biogas tower reactor[J]. Water Research, 2002, 36(11): 2836-2842. DOI:10.1016/S0043-1354(01)00511-5
[9]
李彦鹏, 王焕然. 基于Level Set方法的气-液-固三相流动模型与模拟[J]. 应用力学学报, 2008, 25(4): 578-582.
[10]
闻建平, 黄琳, 周怀, 等. 气液固三相湍流流动的E/E/L模型与模拟[J]. 化工学报, 2001, 52(4): 343-348.
[11]
陈建华. 鼓泡塔反应器内气液(固)流动多尺度模型分析和计算[D]. 北京: 中国科学院研究生院, 2011. http://www.irgrid.ac.cn/handle/1471x/713621
[12]
张敏华, 甘瑶琼, 耿中峰, 等. 内循环厌氧反应器的气-液-固三相流数值模拟研究[J]. 计算机与应用化学, 2015, 32(10): 1153-1157.
[13]
袁春昱, 刘永民. 气升式环流反应器数值模拟研究进展[J]. 化学工业与工程技术, 2012, 33(6): 31-35.
[14]
李向阳, 杨士芳, 冯鑫, 等. 气-液-固三相搅拌槽反应器模型及模拟研究进展[J]. 化学反应工程与工艺, 2014, 30(3): 238-246.
[15]
柴芳芳, 闻建平. 三相流化床反应器流体流动的数值模拟[J]. 化工设计通讯, 2001, 27(2): 56-60.
X