Испарение жидкости и растворение газов через свободную поверхность

Аннотация

В статье смоделированы процессы испарения жидкости и растворение газов через свободную поверхность, происходящие в бомбе Рейда. В статье приведены рекомендации по настройке раздела Solution Controls и Methods. Проведено сравнение результатов CFD расчета с аналитическим расчетом на основе уравнения Антуана. Предложен механизм образования азеотропной смеси.

Введение

Схема ректификационной колонны

Ректификационная колонна – один из ключевых элементов любой технологической цепочки химического производства. В ректификационных колоннах происходит разделение газожидкостной смеси на отдельные компоненты. Например, кислород и азот получают путем охлаждения и затем последовательного разделения в колонне. Ректификация также встречается при разделении углеводородов на легкие, средние и тяжелые фракции. Аналогичным образом происходит разделение на компоненты каменноугольных смол. Учитывая многокомпонентность смесей (например, каменноугольная смола может состоять из нескольких тысяч компонентов) расчет таких установок строился исключительно на экспериментальных данных и эмпирических методиках. Что касается компьютерной гидродинамики, то численные методы применялись в большей степени для моделирования гидродинамики многофазных восходящих и нисходящих потоков при расчетах геометрических характеристик тарелок и конструкций колпачков. В части химии и термодинамики вопрос остается открытым. Несмотря на то, что в модулях ANSYS есть все инструменты для моделирования подобных процессов, практических рекомендаций по их использованию нет. В настоящей статье мы попробуем приблизиться к пониманию фундаментальных основ процесса ректификации, рассмотрим частный пример (задачу испарения жидкости и растворения газа через свободную поверхность).

Рисунок 1 – Схема процессов в ректификационной колонне

Рассмотрим более детально принцип работы ректификационной колонны. Колонна состоит из трех элементов: испаритель, отборное устройство и конденсатор. Испаритель и конденсатор по своей сути два теплообменника, две емкости со змеевиками. В испаритель через змеевик пропускают горячий теплоноситель, а через змеевик конденсатора – холодный. Отборное устройство представляет собой длинную трубку, внутри которой расположены перфорированные тарелки. Отверстия в тарелках выполнены в виде колпачков. Отверстия позволяют жидкости стекать в виде капель, за счет чего значительно увеличивается поверхность раздела фаз и ускоряется межфазный массообмен. Некоторое тарелки имеют в своем составе штуцеры для отвода целевых фракций.

В испаритель заливается смесь, которую требуется разделить на компоненты. В испарителе начинается принудительный нагрев смеси, который приводит к кипению. Начинается образование мелких пузырей, изменяется коэффициент теплоотдачи. Здесь важно отслеживать режим кипения, чтобы коэффициент теплоотдачи не падал ниже предельного и исключался пережог трубок (моделирование кипения рассмотрим в другой статье). Далее восходящий поток многокомпонентного газа поднимается по отборному устройству, проходит все уровни и попадает в конденсатор. В конденсаторе большая часть компонентов переходит в жидкое состояние и под действием силы тяжести падает вниз. Восходящий и нисходящий потоки пересекаются, происходит межфазный теплообмен: жидкость нагревается, газ – охлаждается. Таким образом, в колоне возникают локальные зоны конденсации некоторых компонентов, т.е. они конденсируются еще до того, как достигнут конденсатора. В этих зонах располагаются тарелки, оборудованные штуцерами для отвода целевых фракций.

По мере своего падения в колонне, капля одного состава взаимодействует с газом другого состава (газ и жидкость могут не находиться в термодинамическом равновесии), в результате происходит третий процесс – испарение капли, то на чем будет сфокусировано внимание в статье. Молекулы жидкости за счет движения покидают поверхность капли и начинают входить в состав газа.

Также происходит и обратный процесс, растворение компонентов газа в жидкости. Когда молекулы газа проникают в объем жидкости и остаются в нем.

Механизм образования азеотропной смеси

Азеотропная смесь – это смесь, состав которой не изменяется вне зависимости от агрегатного состояния. При моделировании процессов ректификации очень важно понимать источники причины образования подобных смесей.

Причины возникновения азеотропных смесей до конца еще не изучены [1]. Моделирование процесса образования азеотропной смеси осуществляется как с использованием методов молекулярной динамики [1], так и при помощи аналитических уравнений [2]. В настоящей статье предлагается механизм, по которому возможно протекание процесса образования азеотропной смеси, он схож с описанным механизмом в работе [2].

Для примера рассмотрим одну из самых известных азеотропных смесей – водный раствор этанола. Предположим, в испарителе и конденсаторе поддерживается температура 100 С при атмосферном давлении. При таких условиях весь этанол должен находиться в газообразном состоянии, поскольку его температура кипения/конденсации – всего лишь 78 С. Вода же может быть, как в жидкой, так и в паровой фазе.

Суть механизма состоит в том, что когда образуются капли воды, то молекулы газообразного этанола будут проникать внутрь этих капель, и какая-то часть молекул этанола будет оставаться в составе жидкости. По какому закону будет происходить растворение этанола в воде пока сказать трудно, в работе [2] предполагается использование уравнения Антуана (зависимости давления насыщения паров от температуры насыщения).

Рисунок 2 – Появление азеотропной смеси

Проверку гипотезы в настоящей статье проводить не будем.

Практическая задача

Давление насыщенных паров (ДНП) - важный показатель качества топлива (его пусковых свойств), физический показатель летучести жидкости, показатель упругости паров.

Рисунок 3 – Схема бомбы Рейда

Определение этого параметра нормировано ГОСТом 1756-2000. Аппарат, в котором определяется давление насыщенных паров называется бомба Рейда. Это закрытый сосуд, состоящий из двух блоков: топливной емкости и воздушной камеры.

Принцип действия следующий: в нижнюю камеру заливают топливо, сверху прикручивается воздушная камера, к воздушной камере крепится манометр. Система помещается в сосуд с водой с температурой 38 С. Отслеживается значение манометра.

В бомбе Рейда происходит испарение жидкости с поверхности раздела фаз.

Рисунок 4 – Ожидаемые результаты моделирования

По мере испарения жидкости, влажность воздуха растет, а уровень жидкости должен падать.

Модель

Для простоты была взята система из воды и воздуха. Была выстроена объемная расчетная сетка из 35000 расчетных элементов. Изначальное давление и температура были 1 атм и 25 С. Стенки были адиабатными, нагрев не производился. Реактор был закрытого типа, входы и выходы отсутствовали. Использовалась многофазная модель Эйлера. В межфазном массообмене была добавлена пользовательская функция – уравнение Антуана для воды.

Рисунок 5 – ГУ и сетка

Рекомендации по настройке Solution Methods и Controls

Результаты аналитического расчета

Результаты CFD расчета

Рисунок 8 – Результаты CFD. Контуры

Использование модели Эйлера было вынужденной мерой, поскольку код не работал с моделью VOF. В результате расчет показал, что падает не уровень жидкости в топливной камере, а объемная доля жидкой фазы. Расчет смоделировал постепенное заполнение воздушной камеры паром. Поля межфазных расходов показывают, как положительные, так и отрицательные значения. Таким образом, уравнение Антуана работает не только в прямую сторону – испарение жидкости, но и в обратную – растворение пара в воде.

Рисунок 9 - Графики

Нестационарный расчет показал кривую заполнения бомбы Рейда паром и поле температур.

Заключение

В настоящей статье процесс ректификации был рассмотрен с точки зрения функционала ANSYS. В статье смоделированы процессы испарения жидкости и растворение газов через свободную поверхность, происходящие в бомбе Рейда. В статье приведены рекомендации по настройке раздела Solution Controls и Methods. Проведено сравнение результатов CFD расчета с аналитическим расчетом на основе уравнения Антуана. Предложен механизм образования азеотропной смеси.

Список литературы

1) https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcb.9b12013

2) 10.1016/j.fluid.2016.05.010