Page 23 - 《真空与低温》2025年第4期
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438 真空与低温 第 31 卷 第 4 期
0 引言 好。CFD 方法以流动现象为基础,能够揭示填料
结构和流体物性等因素对润湿性的影响。然而,关
CO 2 是天然气中的主要杂质,LNG 工业中通常
于润湿性在填料内部流动与传热过程中的强化机
需要将原料天然气中的 CO 2 含量脱除到体积分数
理及其作用关系,现有基于 CFD 方法的研究仍缺
1×10 以下,以保证 CO 2 不会在低温液体中以固态
−5
乏针对性。
形式析出。CO 2 通常采用化学吸收的方式进行脱
填料表面流体的润湿性能本质上是填料与流
除,此方法技术成熟,但溶液再生耗热量较高。研
体相互作用的结果。分子动力学以分子间相互作
究者虽已开展低温精馏脱碳的探索,但在实际应用
用力为基础,能够有效模拟和计算填料内部流体的
中,当需要在保证足够高的 CH 4 回收率的同时将
流动与传热过程,在研究润湿性对流动与传热过程
CO 2 脱除至规定指标时,几乎不存在可确保 CO 2 不
的影响方面具有显著优势。Wang 等 采用了分子
[7]
结晶析出的充足操作裕度,这导致低温精馏脱碳技
动力学模拟方法研究了分形 Cantor 结构对纳米通
术在 LNG 工业中基本未获应用。但对于有较高 C 2 H 6
道中对流传热性能的影响,发现随着分形数的增加
含量的天然气,C 2 H 6 的存在可显著提高 CO 2 在 LNG
和表面润湿性的增强,纳米通道的对流传热性能得
中的溶解度,使得低温精馏脱碳在实际操作层面成
到显著提升,尤其在分形 Cantor 结构数 n=3 时,表
为可能。此时面临的另一个问题是,CH 4 -C 2 H 6 -CO 2 [8]
现出最佳的综合传热性能。Yao 等 采用分子动
三元系的低温精馏过程尚未得到充分研究。
力学模拟方法构建不同粗糙形态的纳米通道模型
在精馏填料塔中,传热传质过程主要发生在填
并系统调控壁面-流体相互作用强度,研究发现粗
料区域。在填料表面,气液两相逆流进行物质、能
糙表面显著增加流动阻力,但也提升了传热效率;
量交换,从而实现精馏分离。精馏填料能够有效改
同时,弱壁面-流体相互作用可减少阻力,但削弱传
善沟流、壁流和润湿性能,降低流动阻力,提高传
热,而强相互作用则反之。分子动力学模拟能从微
热传质效果。润湿性是流体润湿面积与填料表面
观分子层面深入揭示润湿性强化流动传热的机理,
积的比值,对填料内流动传热特性有显著影响。填
由此得到的润湿性强化传热规律可指导宏观的工
料的润湿性与填料结构以及表面处理方式有关。
程应用。本文采用分子动力学模拟方法,研究了
朱明等 研究了两种不同材质平板表面的液膜流动
[1]
CH 4 -C 2 H 6 -CO 2 三元流体在填料微小通道内的流动
以及吸收传质效率,发现丝网平板相较于光滑平板,
与传热行为,并通过分析通道内的温度和速度分布,
表面润湿性更好,对 CO 2 的吸收速率更高。詹高铭
揭示了润湿性对填料内流动传热过程的作用机理,
等 研究了 45°和 60°倾角填料对润湿性的影响,发
[2]
从而为 LNG 工业低温精馏脱碳在强化传热与降低
现 45°倾角工况下流体的润湿率明显高于 60°倾角
能耗方面提供理论依据。
工况,但 45°工况下的润湿率受气相动能因子的影
响更显著,高气体负荷下润湿性能将恶化。Gao 等 [3] 1 分子模型建立与参数设置
在铜填料表面制备了一种超亲水涂层,以增加气液 本文所采用的纳米通道流动模型如图 1 所示,
界面的强度,从而强化非均质传质过程。通过紫外 由 304 不锈钢壁面与 CH 4 -C 2 H 6 -CO 2 混合流体构成。
荧光成像技术测量,铜丝网波纹填料的湿面积增加 模型的尺寸为 2 nm×15 nm×8 nm,其中纳米通道高
了 58.0% ~ 91.2%。上述研究从改善填料结构和进 度为 5 nm,304 不锈钢壁面厚度为 1.5 nm。混合流
行表面处理这两个角度给出了提高精馏填料润湿 体中 CH 4 、C 2 H 6 、CO 2 的摩尔分数分别为 48%、16%、
性能的方法,证明了可行性。 36%,304 不锈钢壁面中 Fe、Cr、Ni 的摩尔分数分
针对低温精馏过程中填料润湿性与流动特性 别为 72%、18%、10%。304 不锈钢中的金属原子以
[4]
的关系研究,CFD 方法被广泛使用。吕玥等 模拟研 面心立方结构(FCC)组成,晶格常数为 0.356 nm。
究了填料表面倾斜角、接触角和表面形态对 LiCl-H 2 O 对位于 0<Y≤1 nm 区域内的流体施加恒定的驱动
降膜润湿性及临界喷淋量的影响。扈诗语等 采用 力 F,形成沿 Y 轴正方向的流动,对位于 1 nm<Y≤
[5]
VOF 方法模拟填料内气液逆流过程,研究水和液氮 2 nm 区域内的流体进行温度修正,消除因流动速
在规整填料上的局部润湿率差异。Subramanian 等 [6] 度产生的分子动温度,控制流体温度为 300 K。考
模拟了三种具有不同物理性质的液体的流动,发现 虑到周期性边界条件导致流动出口区域的轴向导
流速的增加也增加了润湿面积,与实验结果吻合较 热效应,本文在 2 nm<Y≤12 nm 区域内进行数据采