旋转湍流强化液体中气泡及溶解性气体分离的机理

发布时间：2020-05-30 11:12

【摘要】：在自然界和工业生产中气泡与溶解性气体共存于液体,液体脱气技术在环境保护、冶金与石油化工等领域扮演重要角色。如溶解性气体的无组织挥发排放导致了更严重的大气环境污染,冶金工业中熔融金属脱气避免气孔缺陷,石化生产过程中馏分油与氢气的高效分离等,对液体脱气性能提出了更高的要求。旋转湍流强化脱气技术分离精度高、设备紧凑、无热能损耗,对液体中微细气泡和溶解性气体的分离展现出了低碳、绿色的特点,得到了广泛的研究和应用。但是目前由于气泡的软流体特性和湍流速度波动,溶解性气体在旋转湍流场中的去除规律尚不清晰,旋转湍流中气泡动力学与溶解性气体传质的映射关系也不明确,需开展深入的研究。本研究工作综合采用微通道多相流、高速摄影、多尺度组分模拟等研究手段,构建了旋转湍流强化气泡和溶解性气体分离过程研究的新方法,发现了旋转湍流促进气泡相互聚并和引起溶解性气体解吸的现象,揭示了不同尺度的气体分子簇团在旋转湍流中的运动机制,建立了旋流场中湍流气泡快速气提分离溶解性气体的方法,开发了液体脱除微细气泡和溶解性气体的分离技术及装备,在海上石油平台高粘度稠油的快速脱气过程取得了突破应用。主要创新点包括:(1)采用欧拉-欧拉气液两相湍流模型结合多尺度组分模型(Multi Size Group Model)的数值模拟,研究了旋转湍流中微细气泡的聚并过程,得到了气泡聚并对气泡分离性能的影响关系。研究发现旋流脱气的效率(η)随着气泡聚并尺寸(Ad)的增加从30%升高到99.53%,在所记录的3秒时间内,逐渐形成液体在周围旋转、气体在中心富集的两相流动,较大的气泡聚并尺寸导致了更快的气泡迁移的速度,并且更早地达到稳定状态。(2)采用溶解性二氧化碳旋流解吸方法,研究了旋转湍流场中压力梯度场及离心场耦合作用下对溶解气的脱除效率,并采用雷诺应力湍流模型和两方程湍流模型的数值模拟方法揭示了旋转湍流解吸的作用机理。研究发现旋转湍流打破了静态气液平衡,提高了溶解性气体从水中逃逸的速率。在实验条件下,水出口的二氧化碳浓度比该压力下的饱和溶解度要低,水中溶解性二氧化碳的脱除率达40.2%。(3)降低三维立体的柱式气液旋流结构的高径比,设计了一种简易的平面旋转湍流流场,测试了旋转湍流压力特征分布和微气泡轨迹的运动轨迹,并结合欧拉-欧拉方法和欧拉-拉格朗日数值模拟方法与测试结果进行相互验证和比较。实验观察得到的气泡轨迹与欧拉-欧拉计算结果具有一致性,呈现出近似渐近线的形状;欧拉-拉格朗日模拟方法对于停留时间和运动路程的预测表现出了一定的可靠性,随着进料流量的增加,气泡停留时间从0.323秒降低到0.075秒,而且液体的湍流强度不断降低,导致气泡的停留时间呈现更加集中的分布。(4)基于旋转湍流下气泡运动和传质机理,提出了多级旋流结构中微细气泡对溶解性气体吹脱气提的技术路线。研究发现多级旋流结构表现出良好的传质和气提效果:对单个平面旋流区域内的气泡进行尺寸分析,所获得的气泡Saueter平均直径用于修正多级旋流实验中的气泡Sauter平均直径,以得到更加准确的气液接触面积。随着注气体积比从0.015增大到0.090,气泡Sauter平均直径范围从0.11mm至0.21mm,气泡体积分数从0.02至0.11,体传质系数从0.16增大至0.55,溶解氧解吸效率从0.08至0.25。(5)开发了紧凑式旋流强化微细气泡分离装备,将该技术应用到海上石油平台高粘度稠油的脱气过程。针对渤海某石油平台非常规外输稠油进行了在线脱气工业实验,在外输原油经3分钟的沉降脱气后,采用该技术进一步脱气,经PVT分析得到该技术脱气效率达80%以上,有效地缓解了输送设备的振动,满足了高粘度稠油的高效快速脱气的要求。在接下来的研究中,旋转湍流场中分子簇团穿透气液界面形成气泡的过程、不同尺度的气体分子簇团在气泡表面的黏附和脱附过程及气泡内流场作用下的分子扩散速率需要进一步讨论,湍流中的气泡运动尾迹对周围气泡运动方向的影响作用需要明确的阐述。
【图文】：

Ｆｉｇ．１．３邋Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ邋ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋ＧＬＣＣ逡逑紧凑式液体脱气主要使用管柱式液气旋流分离器（Ｇａｓ－Ｌｉｑｕｉｄ邋Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ邋Ｃｙｃｌｏｎｅ，逡逑ＧＬＣＣ），如图１．３所示。１９７９年，Ｄａｖｉｅｓ和Ｗａｔｓｏｎ研制了管柱式液气旋流分离器［３５］，逡逑是由垂直的筒形容器，，安装了一个向下倾斜２７°的切向进口管，上部出气管，下部排液逡逑

０以等［４８］在２０１４年使用了水平管道增设叶片的旋流脱气方法，用于将裂变气体从逡逑熔盐堆运行中不间断的去除，从国外ＯＲＮＬ导叶式气液分离器开始改进，使用直径５０＿逡逑的旋转流道，总长度约为１０７５ｍｍ，如图１．５所示，并给出了几种叶片设计尺寸。在忽逡逑略微气泡的情况下，对流场进行了单相流体模拟计算，轴向零速度包络面反映出气柱集逡逑中在中心，与实验中的气柱形状进行了比较，具有相似性。逡逑．，ｒｅ逦ａ－－邋ＩＡ邋Ｌ邋．邋Ｌ邋Ｌ邋Ｕ邋＾邋Ｌ邋Ｌ邋Ｕ邋Ｌ逡逑ＭＥｍＨＨＫ逦…逡逑ＨＥＨｌ邋r>邋＊＃逡逑图ｉ．§典型叶片式旋流脱气分离方式逡逑Ｆｉｇ．１．５邋Ｖａｎｅ－ｔｙｐｅ邋ｓｅｐａｒａｔｏｒ邋ｆｏｒ邋ｄｅｇａｓｓｉｎｇ逡逑类似的气液流动和气液分离过程还体现在Ｔ型管的流动研究。ＭａｒｇａｒｉＳ等［４９］在２００７逡逑年提出了竖直管道和水平管道的三通处的气液流动规律，对于气液分离具有重要意义，逡逑使用动量、质量、能量守恒方程对Ｔ型管进行了模型描述，实验数据和数值模拟具有很逡逑
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE624.1

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本文编号：2688047