氯化钠在乙二醇溶液中结晶过程模拟

（1. 西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500； 2. 中国石油西藏销售分公司仓储分公司，西藏 拉萨 851400）

贺 三1，刘 阳1，梁 权2，乔 如2，杨克诚1

氯化钠在乙二醇溶液中结晶过程模拟

（1. 西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500； 2. 中国石油西藏销售分公司仓储分公司，西藏 拉萨 851400）

贺 三1，刘 阳1，梁 权2，乔 如2，杨克诚1

采用多相流与粒数衡算方程的耦合求解，利用ANSYS15.0来模拟乙二醇脱一价盐闪蒸罐中的结晶过程，得到晶体的粒度分布和结晶过程的过饱和度分布等参数。研究结果表明，流体在闪蒸罐内能够很好的流动，模拟能够得到晶体在闪蒸罐中生长、沉降的状况，模拟得到的晶体粒度分布与实验结果具有较好的一致性。通过选择适当的参数模拟，可以更好的对结晶过程进行分析，为优化乙二醇脱一价盐闪蒸罐结构和操作参数提供指导，节约实验成本。

结晶；粒数衡算；模拟

深水气田开发中采出液含盐量高，从管道中回流的水合物抑制剂乙二醇溶液在吸收了部分采出液后，通常都含有一定量的盐类。当含盐较多时，再生回收乙二醇时盐易在再生流程中沉积在容器内表面，出现结垢现象[1,2]，使重沸器、换热器的换热效果受影响，严重时导致整个乙二醇再生回收装置无法正常工作需进行停产维护。因此，研究乙二醇再生脱盐技术对深水气田天然气开发具有十分重要的意义。

乙二醇再生脱一价盐理论主要基于负压闪蒸与沉降分离，为使乙二醇和盐更好的分离，有必要对氯化钠在乙二醇溶液中的结晶进行研究。本文采用多相流与粒数衡算方程的耦合求解模型，利用ANSYS15.0来模拟结晶过程，得到晶体的粒度分布和结晶过程的过饱和度分布等参数，对氯化钠在乙二醇溶液中的结晶过程进行分析，为氯化钠结晶的过程控制和乙二醇脱一价盐装置中闪蒸罐结构优化提供参考依据，并能够节约实验成本。

1 求解模型

根据多相流方程与粒数衡算方程的耦合求解模型[3,4]，设定液体为连续相，用下标a表示。晶体颗粒分散相，用下标b表示。单一尺寸的晶体，其连续性方程可表示为：

式中，bri为晶体密度，kg·m-3；jbi为分散相体积分数；Sbi为源相，表示由于分散相破碎、聚并、生长等因素引起的晶体质量变化，kg·m-3·s-1。

其源相可表示为：

式中，G为生长速率，m·s-1；in为粒数密度，m-4；DL为粒度区间宽度，m；vk为体积形状因子；Lbi为粒度区间平均粒度，m。

液相的连续性方程可表示为：

源相Sa表示结晶过程中固相和液相间的传质速率，可用晶体的生长速率来表达，因此液相的连续性方程源相可以写成：

溶液中溶质的质量浓度方程可表示为：

因此，连续性方程可用粒数衡算方程中晶体生长引起的变化表示而获得。将结晶过程的粒数衡算方程和多相流方程嵌入ANSYS15.0耦合求解，对结晶过程进行模拟。

2 模拟与验证

本文用于模拟的闪蒸罐的网格，使用计算流体力学前处理软件Gambit 进行划分，网格数量为11万。使用ANSYS15.0中的 UDF（User Defined Function）功能，将氯化钠在乙二醇溶液中的结晶热力学方程和结晶动力学方程嵌入求解[5,6]。

2.1 模拟条件

罐体结构如图1所示，圆柱体部分高1 050 mm、直径350 mm，锥体高245 mm、直径70 mm，上部进料口直径20 mm，锥体下端连降液管。进料口流量0.045 m3/h、溶液为含盐5%(wt)的乙二醇溶液，操作温度138oC。

溶解度方程[7]：

成核速率方程[7]：

生长速率方程[7]：

式中，x表示摩尔分率溶解度；T为绝对温度，K； B0为成核速率，n·m-3·s-1；DC为过饱和度，kg/100 kg；MT为悬浮密度kg·m-3。

2.2 模拟结果与讨论

流场的分布是结晶进行的外部条件，不同尺寸的分散相的流场与液相的流场仅速度值不同，相对分布相似，本文仅分析液相流场分布。由图2可见，闪蒸罐顶部入口处及降液管出口处流速较快，且整个闪蒸罐内流速分布较为均匀，说明流体在闪蒸罐内能够很好的流动，生成的晶体能够很好的沉降至接收罐。

图1 闪蒸罐结构Fig.1 Flasn tank

图2 液相流场流速分布（m·s-1）Fig.2 Flow field

图3是闪蒸罐内过饱和度的分布情况，由图可知，闪蒸罐上部较闪蒸罐底部具有较高的过饱和度。这是因为进料口位于闪蒸罐顶部，晶体出现后由于重力作用沉降至闪蒸罐底部，在闪蒸罐底部继续生长，消耗过饱和度。过饱和度对结晶起到推动作用，通过分析闪蒸罐中过饱和度的分布情况来调整优化乙二醇脱一件盐氯化钠结晶过程的进料流速、进料浓度、温度等操作参数，实现过程控制。

图3 过饱和度（kg/100kg）Fig.3 Flasn tank

图4 9 μm晶体体积分率Fig.4 9 μm volume fraction

模拟所获得的不同尺寸晶体的体积分数分布如图4-6所示。由图4可以看出，较小尺寸的晶体在罐中分布比较均匀，可以较好的悬浮，由图5和图6对比可知，较大尺寸晶体的体积分数在结晶器底部比上部高，这是晶体的生长、沉降所致。模拟得到的晶体粒度分布如图7所示。

图5 80 μm晶体体积分率Fig.5 80 μm volume fraction

图6 134 μm晶体体积分率Fig.6 134 μm volume fraction

图7 晶体粒度分布Fig.7 Crystal size distribution

模拟结果与实验结果较为一致，但模拟的所得的氯化钠晶体粒度偏大，这是模拟过程中忽略了结晶过程的破碎、聚结和固体相间相互作用等简化造成的。所得的粒度分布数据是对乙二醇脱盐过程中氯化钠晶体的粒度分布的预测，通过与实际数据的比较，进一步改进操作条件，能够提高装置脱盐能力。

适当的参数，采用该方法模型进行模拟，能够得到合理的结果，具有一定的工程实用性。

3 结 论

本文建立了粒数衡算方程和多相流方程的耦合求解方法，模拟乙二醇脱一价盐时氯化钠结晶的粒度分布，模拟得到的晶体粒度分布与实验得到的具有较好的一致性，验证了模拟的可行性。通过选择

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Simulation of Sodium Chloride Crystallization in Ethylene Glycol Solution

HE San1, LIU Yang1, LIANG Quan2, QIAO Ru2, YANG Ke-cheng1
(1. School of Petroleum and Natural gas Engineering , Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610500, China; 2. PetroChina Tibet Marketing Company,Tibet Lhasa 851400, China）

In order to simulate sodium chloride crystallization in monoethylene-glycol regeneration unit, the model of multiphase flow coupling with the population balance equations was studied by computational fluid dynamics. The flow fields, supersaturation and the volume fraction distributions of different dispersed phases were analyzed, and the simulation results were compared with experimental result. The results show that the model in this work can reasonably predict the flow fields, supersaturation and the volume fraction distributions of different dispersed phases in the sodium chloride crystallization process. This paper provides a new method for studying sodium chloride crystallization in monoethylene-glycol regeneration unit, saving experiment cost at the same time.

Crystallization; Population balance; Simulation

TQ 028

A

1671-0460（2016）03-0646-03

2016-01-15

贺三（1975-），男，四川省成都市人，副教授，博士，主要从事油气储运方面研究。