三甘醇再生塔盘管式冷凝器换热特性的数值模拟研究

2019-08-31巍1超1文海龙1翟占虎

节能技术 2019年3期

李巍1，董超1,文海龙1,翟占虎，吴尧

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452; 2.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

湿天然气在生产和输送过程中会形成水合物，堵塞管道，影响生产。天然气脱水方法中目前应用最广、技术发展较为成熟的是采用三甘醇(TEG)脱水，该方法具有压力损失小，流程控制简单，工艺成熟、可靠，操作、检修方便等优点[1]。三甘醇再生塔顶的盘管换热器作为重要的换热设备，具有同时进行多种介质传热、结构紧凑、单位容积具有较大的传热面积、无热膨胀问题且在小温差大负荷工况下具有良好的传热性能等特点[2]。尽管盘管式换热器的结构思想早在上个世纪就已提出，但由于盘管换热器内流体流动、传热、相变相当复杂，要对其进行精确设计计算却很困难，长期以来盘管换热器设计还只能是以经验或半经验的方式进行[3]。

在盘管换热器传热性能方面，国内外学者开展了大量的研究，研究方面涉及盘管尺寸(如管径、圈数、螺旋方向、螺距)盘管形式(如螺纹管、椭圆管等)，研究表明，在流动阻力变化不大的情况下，运用一定的强化传热手段能获得较大的传热性能增强[4]。国内, 陈嘉璐[5]通过数值模拟方法研究了内凸式螺纹管管程流动与传热过程的传热性能、阻力性能和综合传热性能的关系。国外，Jamshidi等人[6]通过实验研究了层流流动特性与几何参数对盘管式换热器的传热性能影响，Maowed等人[7]通过实验研究了流动和几何参数与强制对流传热盘管换热器性能的关系。

然而大部分研究主要以水工作介质，且较少涉及相变，以三甘醇作为工作介质的研究更少。本文旨在对再生塔冷凝器内盘管结构和换热性能之间的关系进行研究，通过数值模拟研究不同结构参数对水蒸气-三甘醇流动和换热性能的影响，为盘管换热器的优化设计提供基本依据和优化方法，进而通过对相应结构合理调整并数值模拟验证，获得一种提高冷凝效率的结构设计，同时找到一种用于计算三甘醇水蒸气混合物冷凝换热的计算模型。

1 物理模型

再生塔顶冷凝器原始结构如图1所示：模型高为1 050 m，壳体直径为390 mm，分流柱直径为200 mm, 盘管长度为11 000 mm，盘管直径为24.3 mm。再生塔顶冷凝器有两个流程，分别为管程和壳程，由于本研究的重点为壳程的流场、温度场及相关过程，因此在模拟中只考虑壳程内的流动与传热。三甘醇和水蒸气的混合物从下部入口进入到冷凝器，冷凝器内部的盘管吸热，当流场温度低于物质的沸点时，物质冷凝，由于三甘醇(TEG)的沸点高于水的沸点，三甘醇蒸汽相对于水蒸气而言，更容易被冷凝，冷凝后液态三甘醇，沿着壳体落入到下部，进而实现对三甘醇的回收。

为简化计算，对壳程内进行如下简化：

(1)气相与液相均视为不可压缩流体；

(2)对流换热过程中的浮力效应采用Boussinesq假设来进行处理；

(3)气液界面处于热力学平衡状态或接近于热力平衡状态；

(4)发生相变的界面近似视为平面。

对于该物理模型考虑到模型的合理性与计算量，选用Mixture模型对盘管换热器的流场、温度场和压力场进行数值计算。Mixture模型涉及的方程如下：

连续性方程

(1)

动量守恒方程

(2)

能量守恒方程

(3)

式中vm——质量平均速度；

ρm——混合物密度；

ak——相的体积分数；

ρk——相的密度；

F——体积力；

μm——混合物粘性；

kff——有效的热传导率;

Vdr,k——漂移速度，vdr,k=vk-vm；

SE——体积热源，本模拟不考虑热源，令SE=0。

湍流模型：

研究发现RNGk-ε湍流模型通过大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，从而使小尺度运动系统从控制方程中去除。此外，RNGk-ε湍流模型通过修正湍流粘度，对近壁区进行适当处理，能更好处理低雷诺数效应，且在计算中具有较好的稳定性、经济性和计算结构的稳定性，被广泛应用于分离器内两相湍流的计算[8]。采用RNGk-ε模型，此模型表示如下

(4)

(5)

式中ρ——密度;

k——湍动能;

t——时间;

ui——时均速度;

αk，αε，C1ε，C2ε——模型常数;

μeff——有效粘度;

Gk——由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;

ε——湍动能耗散率。

界面传热模型：

本文基于Nu数来进行流体中对流换热系数的定义，传热系数hfg的值可以与Nu数相关联

(6)

式中κf——流体的热导率;

dg——分散相(蒸汽泡在水中，小液滴在蒸汽中)的直径。为了确定Nu数的大小，引入Ranz-Marshall关系式

(7)

式中Ref——基于分散相直径与两相间的滑移速度而定义的;

Pr——主相的普朗特数。

界面传质模型[9]：

依据Hertz-Knudsen[10]公式，可以得到基于分子动力学的界面上的相变流量

(8)

式中p——温度为T时可凝结气相的的分压;

psat——温度为T时的饱和压力;

R——通用气体常数。考虑到Clapeyron-Clausius方程，在饱和状态附近压力可以与温度关联起来

(9)

式中L——工质的潜热;

vv和vl——气相和液相的比容;

γ1——定义单位体积内界面蒸发调节系数，表征界面蒸发的强度大小

(10)

利用相似的思路，同样也能得到对于冷凝的表达形式，因此界面上的传质情况可以写成如下的形式

(11)

2 边界条件及设置

数值模拟采用Ansys-Fluent软件，操作压力设为9 000 Pa，下部入口为三甘醇(TEG)和水蒸气的混合物，冷凝器底部入口设置质量入口(mass-flow-inlet)，入口压力8 747 Pa，温度367.345 K，水蒸气的质量流量为0.015 25 kg/s，TEG蒸汽的质量流量为0.003 72 kg/s，液态水和液态TEG的质量流量均设置为0。换热盘管为无滑移对流换热壁面，考虑冷却过程为两相流体的对流换热，因此按照计算模型设置对流换热系数，考虑到冷却剂液态TEG温度在盘管内变化不大，壁面温度按照固定壁温设置[11]。

冷凝下来的TEG液体从壳体下部流出，边界条件为压力出口(pressure-outlet)；压力略小于入口压力保证径向压力变化以及被冷却液的回流。水蒸气气相出口边界条件为压力出口(pressure-outlet)，出口压力 8 600 Pa，出口温度367.15 K。

求解方法为SIMPLE，一阶迎风差分格式。计算精度为0.001；能量方程精度设置为1×10-6，时间步长取0.01 s，每个时间步长内做迭代20次。

3 结构调整与模拟结果分析

为寻找到影响冷凝效率的结构因素，拟进行如下三种工况对比模拟，分别是(1)改变盘管间距、(2)改变盘管外壁与内部筒体的间距、(3)有无分流柱[12]。冷凝效果以侧面出口三甘醇(TEG)质量分数来衡量，一般来说三甘醇(TEG)主要从底部被回收并流回系统，侧面出口主要流体为水蒸气，故侧面出口三甘醇(TEG)质量分数越小则凝结效率越高。

以初始尺寸对冷凝器内部的温度场和三甘醇液体分布进行分析，计算时间均取到200 s以保证结果稳定。

图2所示为计算稳定后筒体内部温度分布情况，温度场分布较为均匀，在盘管附近由于盘管内冷液的冷却作用导致这一区域温度较低。图3所示为中心截面三甘醇液体体积分数的分布情况，可以看出在盘管附近，由于温度低于三甘醇的沸点而发生冷凝作用，三甘醇液体体积分数较其他区域明显高一个数量级，冷凝后的三甘醇液体沿着管壁面向下流出，部分低浓度三甘醇液体则经由侧面出口流出。图4所示为筒体内速度场分布，筒体内流体速度大约在0.5 m/s，侧面出口速度可达到1.5 m/s，侧面蒸汽出口由于流动通道变窄导致速度增大，与实际生产数据相近。

(1)改变盘管间距的影响分析

创建盘管间距H分别为40 mm、50 mm、57 mm和60 mm的几何模型，分别划分网格并设定相同的进出口边界条件，并对其进行数值模拟计算。

图5和图6分别是冷凝器气相出口处的三甘醇质量流量和体积浓度曲线。可以看出随冷凝盘管间距变化，冷凝器内流场低温区域范围发生变化，冷凝效果不同。故实际生产中，适当的盘管间距能够提高三甘醇的回收率，降低三甘醇的单位消耗量，提升经济效益。在本文中，从三甘醇的绝对量和相对量来看，盘管间距取为57 mm较为合适。

(2)盘管外壁与筒体内壁间距离对冷凝结果的影响

图7和图8分别是四种不同盘管外壁与筒体内壁间距下冷凝器气相出口处的三甘醇质量流量和体积浓度曲线。可以看出随着冷凝盘管间距增大，冷凝器出口处的三甘醇质量流量和浓度都有上升趋势，绝对量然后下降；故实际生产中，应严格控制盘管外壁与筒体内壁的间距在合适的范围内，以降低三甘醇的单位消耗量。

(3)有无分流柱对冷凝计算结果的影响分析

图9分别是分流柱存在和不存在时冷凝器内三甘醇的浓度分布，可以看出保留分流柱时三甘醇浓度远低于去除后的浓度，这是由于去除分流柱后，大量的蒸汽从远离盘管的冷凝器中部直接流向出口，大大降低了冷凝效果并夹带走大量的三甘醇。

图10和图11分别是冷凝器气相出口处的三甘醇质量流量和体积浓度曲线。可以看出去除分流柱后，出口处三甘醇的质量流量和体积分数都增加25%～35%之多，大大降低了三甘醇回收率。所以尽管去除分流柱可以简化设备结构，降低流动压降，但从降低三甘醇损耗量的角度，建议保留分流柱设计。