面向两相涡流管(two-phase vortex tube)内更清洁能源分离(cleaner energy separations)的创新模型——应用于海上天然气脱水与热回收

《Journal of Cleaner Production》：An innovative model for cleaner energy separations in a two-phase vortex tube

　　

为满足海上天然气脱水和热回收的需求，本研究提出一种考虑能量与质量传递耦合的涡流管(vortex tube)基天然气脱水及热回收工艺。研究人员建立了一个基于Euler-Lagrange方法、计入冷凝(condensation)与滑移(slip)效应的数学模型，并通过喷嘴冷凝实验对该模型进行验证，能够准确捕捉液滴成核(nucleation)、生长(growth)、碰撞(collision)、分离(separation)及再蒸发(re-evaporation)过程。研究人员系统考察了入口非均相液滴质量流量(mass flow rate of inlet heterogeneous droplets)、液滴直径(droplet diameter)及冷质分数(cold mass fraction, CMF)对质量分离(mass separation)与能量分离(energy separation)的影响。结果表明：质量分离与热端加热(hot tube heating)性能在入口液滴质量流量100 mg/s、液滴直径0.2 μm时达到最优；较高的冷质分数通常会降低整体性能；冷端冷却(cold tube cooling)在液滴质量流量10 mg/s、液滴直径0.4 μm、冷质分数0.122时取得最佳效果。分析表明质量与能量分离受冷凝强度及潜热传递(latent heat transfer)显著影响，不同参数分别有利于热端加热或冷端冷却。处理相当于单口常规天然气井日产约50,000标准立方米(standard cubic meters per day, Sm3/d)的气量时，涡流管系统日能量损失为5.35 GJ，估算年生产成本约为131万美元。研究表明质量分离与热端加热可协同优化，而冷端冷却需根据应用需求进行工况权衡与调节，研究成果为海上天然气脱水实际应用中优化质量与能量分离提供了定量指导。

论文解读：

【研究背景与意义】

传统海上天然气脱水工艺（重力分离、膜分离、三甘醇吸收、分子筛吸附）存在设备庞大、维护成本高、能耗大或无法深度脱水等局限，且现有脱水单元产生的大量废热多未被回收。普通Ranque-Hilsch涡流管虽可实现无化学药剂、紧凑式的气液分离与冷热分流，但已有研究多将其视为单相流过程，未充分考虑湿气传输、冷凝效应及潜热反馈，缺乏同时耦合能量分离(energy separation)与质量分离(mass separation，即可凝组分如水蒸气的去除)的数值模型，也未将二者集成于同一工艺流程中。为此，Ding Hongbing等人开展本研究，提出将涡流管内冷热分流（能量分离）与水蒸气冷凝离心分离（质量分离）特性创新整合的天然气脱水—热回收工艺，并建立考虑液滴滑移(slip velocity)、均相(homogeneous nucleation)与非均相(heterogeneous nucleation)冷凝的Euler-Lagrange两相流CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）模型，以揭示内部传递耦合机制，为该集成工艺提供理论基础与定量优化依据。该论文发表于《Journal of Cleaner Production》。

【主要关键技术方法】

研究人员采用六叶片涡流管几何模型，开展网格独立性(Grid Independence, GI)与网格收敛指数(Grid Convergence Index, GCI)验证后选用中等密度网格(552,618单元)。气相控制方程采用Reynolds-Averaged Navier–Stokes(RANS)方程与标准k-ε湍流模型，液相采用Lagrangian离散相模型追踪微纳尺度液滴轨迹并引入Cunningham修正因子(Cunningham correction factor, C_c)；通过经典成核理论(Classical Nucleation Theory, CNT)计算均相成核率(nucleation rate, J)与临界成核半径(R_cr)，基于Maxwell热传导关系求解液滴生长速率(dR_p/dt)；采用O'Rourke算法处理液滴碰撞—聚并(collision-coalescence)；气液两相间质量(S^M)、动量(S^U)、能量(S^Q)源项双向耦合。模型经Rafiee和Sadeghiazad(2016)单相机涡流管温度分离实验及Ding等(2020)喷嘴湿蒸汽冷凝实验对比验证。入口为饱和湿天然气（以饱和湿空气动力相似替代），含预置非均相液滴(heterogeneous droplets)，入口总温303 K、总压0.5 MPa，冷出口压力0.1 MPa，热出口压力调变以改变冷质分数(cold mass fraction, μ_c或CMF = q_c/q_in)。时间步长1×10^?5s，通过UDF(User-Defined Function)植入冷凝与滑移算法。

【研究结果】

■ 4.1 Two-phase flow behaviors（两相流动行为）

通过流线、切向速度与轴向速度分布分析发现涡流发生器内最大切向速度达310 m/s，形成强涡核；热端旋流强度(swirl intensity, S = √(v_x²+v_y²)/|v_z|)高于冷端，利于液滴向外壁迁移分离。压力与温度沿热端先降后升、冷端先降后恢复；过冷度(supercooling / subcooling, DT = T_d(p_v) ? T_g)在冷管?1~?8 mm段显著为正(最高约60 K)，诱发均相成核，下游因压力恢复而过冷度转负引发再蒸发(re-evaporation)。非均相液滴在强离心力下全部进入热端并贴壁被捕集、生长至最大~0.6 μm，水蒸气质量分数由入口0.53%降至热出口0.23%；冷管内均相液滴大量形成使局部蒸汽分数降至0.05%，但因尺寸小难以被离心分离，部分随气体流出或再蒸发，冷出口蒸汽分数回升至~0.20%。液滴速度、温度分布与气相趋势一致但存在滑移滞后，证实需计入滑滴效应。

■ 4.2 Effects of operating parameters on performances（操作参数对性能的影响）

— 4.2.1 Heterogeneous droplet mass flow rate（非均相液滴质量流量）

在固定直径0.4 μm下考察1~100 mg/s。随入口液滴质量流量增加，热/冷端蒸汽脱除率(vapor removal rate, η_h、η_c)先降后升，在100 mg/s时热端脱除率(~57%)与冷端脱除率(~66%)最高；冷端温升ΔT_c（即入口减冷出口温度差）在低流量(约10 mg/s)时最大，高流量因冷凝潜热释放削弱冷端降温效果。现象归因：低流量时异相液滴少抑制异相生长但不过分抑制均相成核，冷管过冷区均相液滴多但热端异相生长弱致整体脱除率低；高流量提供更多异相生长核心并增强冷凝，抑制冷管均相成核，热端异相液滴生长显著改善整体质量分离与热端加热。

— 4.2.2 Heterogeneous droplet diameter（非均相液滴直径）

在固定质量流量10 mg/s下考察0.2~0.7 μm。质量分离与热端加热在0.2 μm时最优（热端脱除率~59%，冷端~51%），因小粒径数目多、总气液界面大促进冷凝与均相成核；0.3~0.4 μm时液滴数少、界面面积不足致冷凝驱动势最低，脱除率最差；≥0.5 μm单滴表面积部分补偿，脱除率略有回升。冷端冷却ΔT_c在0.4 μm时最大(20.9 °C)，呈非单调变化源于液滴数与单滴表面积共同影响界面面积、过冷度及潜热反馈。

— 4.2.3 Cold mass fraction（冷质分数CMF）

在固定液滴条件(q_in,het=10 mg/s, d_p,in=0.4 μm)下调热端压力得CMF 0.025~0.590。随CMF增大，热端旋流减弱、蒸汽脱除率先微升(CMF≈0.051附近)后持续下降，热端加热ΔT_h单调上升；冷端冷却ΔT_c先升后降，在CMF=0.122时达最大值(27.2 °C)。高CMF下冷管均相成核略增但多数液滴留于弱分离区或再蒸发，净质量分离下降。CMF对能量与质量分离特性的影响较另两参数更显著。

■ 4.3 Analysis of energy efficiency（能效分析）

以单台涡流管处理气量折算，匹配日产50,000 Sm³常规气井需38台并联。日处理混合气50,000 Sm³，日脱水量106.4 kg，比?损(specific exergy loss) 82.82 kJ/kg，日总能量损失5.35 GJ。年生产成本(TCOP = VCOP + FCOP + ACC)约131万美元(变动成本30万、固定成本88.94万、年资本成本12.16万)，表明工程可行性。

【讨论与结论总结】

研究人员指出：建立的Euler-Lagrange两相流CFD模型经实验验证可准确模拟涡流管内液滴成核、生长、碰撞、分离及再蒸发与气液耦合传热传质过程。质量分离性能与热端加热性能随入口非均相液滴质量流量(峰值100 mg/s)和直径(峰值0.2 μm)的变化趋势基本一致，可协同优化；冷端冷却分别在低流量(10 mg/s)、较大直径(0.4 μm)及特定CMF(0.122)时最优，需依应用目标折衷调节。升高冷质分数总体上降低质量分离效果但强化热端加热，冷端冷却存在最佳CMF。处理单井当量气量时系统日能量损失5.35 GJ、年成本约131万美元，证明该涡流管脱水—热回收一体化工艺具备实用可行性与清洁生产潜力。论文结论原文译为：本研究建立了有效集成涡流管内能量与质量分离的天然气脱水及热回收工艺，并开发验证含液滴滑移效应的Euler-Lagrange模拟模型。质量分离与热管加热性能随入口非均相液滴质量流量先降后升，约100 mg/s时最优；冷管冷却在10 mg/s、0.4 μm及CMF=0.122时最优。质量分离与热管加热可协同优化，冷管冷却需依工况调节。处理单口常规天然气井日产约50,000 Sm³/d气量时，涡流管系统日能量损失5.35 GJ，年生产成本约131万美元，表明系统具实际可行性与效率。