海水酸化池內部流場的數值模擬與實驗研究

劉 鵬，尹燕華，吳文宏

(中國船舶重工集團公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056004)

0 引 言

隨著煤炭、石油、天然氣等化石能源的大量開發利用，大氣中的CO2含量日益增加，這使全球面臨著氣候變暖的危機，因此CO2減排已成為世界各國能源戰略發展的重點。人類活動釋放的CO2約被溶解到海洋中，目前海洋中總CO2濃度約100 mg/L，是大氣中CO2的含量140倍。海洋作為地球上的巨大“碳庫”，將其儲存的高濃度CO2高效地提取出來并收集起來加以利用，不僅符合CO2減排的戰略要求，對于今后理想的碳資源利用也具有深遠意義[1]。

海水中的CO2主要以4種形式存在，分別是CO2，H2CO3，HC，C，其中 HC約為 95%，C約3%，CO2和H2CO3均為1%左右[2]，將海水電解酸化使HC轉化為CO2（aq），然后利用壓差驅動及膜分離的方法使CO2（aq）轉化為CO2（g）并進行收集，從而實現CO2的提取。通過電化學方法從海水提取CO2的技術原理主要基于如下反應過程：

圖1 三艙室酸化池結構示意圖Fig.1 Structural sketch of three compartment acidizing tank

通過電化學技術實現海水酸化并制取出CO2的操作集中在1個三艙室的酸化池單元上[2]，如圖1所示。該酸化池分為3個艙室，即電解陽極室、電解陰極室和中間的海水酸化室。純水在陽極電解產生氫離子（H+），H+在電場作用下通過離子交換膜進入中間酸化室，和酸化室內海水中鈉離子（Na+）交換，海水pH值降低，即海水發生酸化[3-6]。利用電化學的方法對海水進行酸化時，其核心部件酸化池內部海水流動的均勻性和暢通性，直接影響到海水電解酸化系統的酸化效率和運行穩定性。酸化池的抗堵塞性能差，會造成海水中的不溶物在離子交換膜和催化電極上沉積，這會降低膜的交換容量和電極活性，從而造成酸化電解電壓較高、連續工作時間短的問題。因此，本文應用Fluent軟件，在不同流量條件和不同結構參數下對酸化池的內部流場進行數值模擬，對酸化池內不溶物沉積的產生原因進行探索性研究，為今后進行大尺寸和大流場的酸化池研究提供建議和理論依據。

1 計算模型

1.1 物理模型

1）三維模型

以海水酸化電解試驗中的酸化池為原型，圖2所示為該酸化池內膜框的三維模型，膜框的內部空間即為酸化池的艙室，也就是流體流動的空間。整個膜框外形為長方形，左下角為流體進液端，右上角為流體的出液口，艙室的主要尺寸為長178 mm，寬100 mm，厚1 mm。

圖2 酸化池內膜框的三維模型Fig.2 Three-dimensional model of inner membrane frame of acidizing tank

2）幾何模型與網格劃分

為保證幾何模型構建與數值求解順利進行，在建立幾何模型時，對膜框的結構進行了合理簡化，簡化后幾何模型如圖3所示。在Fluent軟件提供的幾何建模軟件GAMBIT中，建立酸化池膜框的全比例幾何模型，采用四邊形的結構性網格對膜框內部的流體域進行網格劃分。

圖3 酸化池內膜框的幾何模型Fig.3 Geometric model of inner membrane frame of acidizing tank

1.2 數學模型

1）控制方程

連續方程

Navier-Stokes方程

式中：

2）邊界條件和物性參數

本文中海水酸化室的流場視為不可壓縮流動問題，模型的邊界設置有入口、出口，內部流體域和邊壁。

入口邊界：該模型海水為垂向孔口進流。進口以一定工作水頭注入，入口流量值可換算為速度值，故入口邊界設定為速度入口。

出口邊界：該模型海水為自由流出，故出口邊界設定為直接接觸大氣的自由出流。

壁面邊界：除了進口、出口，其他所有的表面都是水和固體接觸的面，都是邊壁類邊界。

物性參數：該模型中流體域的流體為海水，其物性參數如表1所示。

表1 海水材料物性參數表Tab.1 Physical properties of seawater materials

3）求解計算

對流場計算模型的控制方程進行離散化處理，應用半隱式SIMPLE算法對控制方程求解，各變量收斂殘差控制在10-6數量級。采用壁面函數法對壁面附近粘性邊界層內的流速進行修正，設置為壁面無滑移條件。

2 計算結果及分析

2.1 固定流量條件

圖4 酸化池內部水流流場模擬結果Fig.4 Simulation results of flow field in acidizing tank

圖4為在10 L/h流量下，酸化池中水流流場的速度矢量圖和速度大小分布圖。圖中速度流線的疏密程度表明速度的大小，流線較密的區域水流速度較大，反之則表明水流速度較小。可以看出，酸化池內的流體流動可以劃分為主流區A、漩渦區B和滯留區C三個區域。主流區為入口和出口之間狹長的帶狀區域，流速最大；主流在流經流道下壁面背水區時，拐彎處有離壁現象，主流流線在迎水面的慣性帶動下偏離下游B區，從而在此形成環流，即漩渦區；C區的流線也是在主流慣性的引導下偏離主流流向，形成封閉環流，此處的流體速度非常小，為低速滯留區[8]。

主流區內流線均勻，流速較大，過流能力好，不會有沉淀產生；滯留區流速從近壁面處至中心處遞減，且中心處為酸化池內流場的最低速度區，速度幾乎為零，其原因在于最低速度區遠離主流區，高速水流不足以沖刷到最低速度區；漩渦區離主流區較近，高速水流對該區有一定的沖刷作用，能夠帶動該區流體不斷循環運動，該區域不會對酸化池的暢通性產生較大影響，故不易形成沉淀。因此，滯留區為最低速度區，該區域妨礙了酸化池內的暢通性，容易形成不溶物的沉積，這與實驗中拆解酸化池觀察到的現象是一致的。

2.2 不同流量條件

不同的邊界條件對流場分布有重要影響，邊界條件是否合理直接關系到模擬計算結果的準確性，入口的流量不同即入口速度不同，會導致流場的分布不同。本小節的入口和出口采用A4和B1的形式，出入口寬度均為13 mm，分別設置入口流量為0.5 L/h、10 L/h、50 L/h，進行水流的流場模擬計算。

圖5 不同入口流量時的速度矢量流線圖Fig.5 Velocity vector streamline at different inlet flows

通過對圖5所示速度矢量流線圖進行分析，可以發現隨著入口流量的變化，主流區、滯留區、漩渦區均有改變，其中對滯留區的影響最為顯著。具體而言，當模型入口流量增大時，主流區的區域在趨于變小，由于主流區與酸化池下邊壁接壤，故主流區上部區域的面積為增大趨勢，這就為滯留區的形成提供了越來越大的空間，從而造成滯留區所占區域面積逐漸增大，漩渦區的區域面積幾乎沒有變化。

實際中總是希望酸化池能夠對海水有較大處理量，故在入口流量≥10 L/h的條件下，雖然水流流量的增大，有助于提升主流區的過流能力及其對漩渦區的沖刷作用，但并未減小酸化池中的流場主流區上部的區域面積，因此，應根據實際情況選擇合適的入口流量。

2.3 不同出入口位置

當酸化池的出入口位置變化時，會涉及到突擴（縮）通道水流特性以及后臺階湍流流動。突變通道的水流特性為：當流體進入突然擴大的結構處時會發生邊界層分離現象，此時的突擴結構處產生流體空白區，一部分流體會倒流回來填充空白區，這與突擴通道內產生流向相反的兩向流體，即而形成漩渦[9]。

臺階式湍流流動的流體沿臺階上游向前流動，流動到達臺階后，由于流場在高度上面的變化，下部流體緊貼臺階邊壁向下運動，上部流體由于慣性作用繼續向前運動，這樣就在臺階后發生了分離。這種流動的本質是自由剪切流。上部流動與下部流動的速度不同，接觸后發生剪切運動，此過程不斷向下，直至與下壁面接觸，從而形成封閉的湍流流動回流區域[10]。

從圖6可以看出，酸化池入口為突變結構，出口為臺階式結構時，酸化池內流場中主流區上下兩側均有較大空間，故而在主流區的上下兩側均形成了自行封閉的滯留區；酸化池入口和出口均為突變結構時，酸化池內流場中主流區與上邊壁接壤，而與下邊壁之間有較大空間，故在主流區下側形成滯留區，其位置和形狀雖發生改變，但面積并無明顯減小，漩渦區位于右上部拐角處。

從圖7可以發現，入口均采用臺階式結構，出口采用突變結構和臺階式結構2種不同的形式時，酸化池內流場中主流區會與上邊壁或者下邊壁接壤，從而在主流區的下部或者上部有足夠的空間形成封閉的滯留區，此時的滯留區的最低速度區幾乎位于酸化池的中心位置且面積大小幾乎不變。

故無論是采用突變結構還是臺階式結構，即不同的出入口位置，都不會消除酸化池中的最低速滯留區。

2.4 不同長寬比

圖6 突變通道流動速度分布云圖Fig.6 Clouds of flow velocity distribution in abrupt channel

保持酸化池長度為178 mm不變，分別取寬度為120 mm，60 mm，保持酸化池寬度為100 mm不變，分別取長度為218 mm，50 mm，入口和出口均采用臺階式結構，且寬度均為13 mm，分別建立相應的模型進行流場計算分析。

從圖8可以看出，當酸化池的長寬比變化時，只要酸化池流道沿水流方向的截面尺寸比水流主流區的截面尺寸大的較多，主流區與邊壁之間就會有較大的空間，此時，主流遇到邊壁時都會有部分水流脫離，而在此空間形成自行封閉的滯留區，只有當兩者尺寸相近時，主流區與邊壁之間的空間很小，即使形成封閉環流，由于主流區的沖刷作用，不溶物沉積也就不會產生。故酸化池流道沿水流方向的截面尺寸與主流區截面尺寸比，能夠對滯留區的形成與否起決定性作用。

2.5 不同流道結構參數

在酸化池內部加設擋板可以改變酸化池的流道結構參數（見圖9），入口和出口均采用臺階式結構，出入口截面寬度均為13 mm，入口流量設定為10 L/h，分別建立加設2個、6個、8個擋板的模型，對應的酸化池內流道的截面寬度分別為59 mm，25 mm，19 mm，分別進行數值模擬計算，并對計算結果進行分析。

圖7 臺階式湍流流動速度分布云圖Fig.7 Clouds of flow velocity distribution in stepped turbulent flow

從圖10所示的模擬結果可以看出，當在酸化池中加設擋板改變流道的結構形式時，在水流的轉彎處，由于水流速度的方向變化較劇烈，如果主流區邊界與擋板及酸化池邊壁之間有較大的空間，就會形成滯留區[11]。然而隨著加設擋板數量的增加，當酸化池的流道與主水流截面大小接近時，主流區邊界與擋板及邊壁較近，雖然也會形成很小面積的滯留區，但是高速水流對滯留區的沖刷作用較好，能夠帶動該區流體不斷循環運動，該區域不會對酸化池的暢通性產生較大影響，故不易形成不溶物的沉積。因此，當酸化池流道的尺寸設計值與入口尺寸值接近相等時，可以消除酸化池內的不溶物沉積。

3 電解酸化裝置的實驗驗證

圖8 酸化池不同長寬比的模擬結果圖Fig.8 Simulation results of different aspect ratios in acidizing tank

圖9 加設擋板酸化池模型圖Fig.9 Adding baffle acidification tank model diagram

為進一步驗證酸化池流場數值模擬結果的正確性，搭建海水電解酸化系統實驗流程。該實驗系統由水箱、電解槽、氣體分離器、電控箱和流量計、電壓表、電流表及PH計等構成，其實驗流程圖和實驗流程如圖11所示。實驗條件設置為海水入口流量30 L/min，純水2 L/min，系統為恒壓5 V正向運行。

對2種酸化池結構的系統運行實驗結果進行對比，如圖12和圖13所示。由于原酸化池結構易在酸化池中上部位的低速滯留區產生不溶物沉淀，而沉淀的生成會造成酸化池電堆的電阻增加，從而使得電流呈衰減趨勢，拆槽后發現，SPE膜產生褶皺，且在海水室出現較多沉淀，這不僅嚴重影響系統的酸化效率和性能穩定性，還大大增加了實驗成本，說明了原酸化池結構的明顯不足。而采用流道與入口尺寸值接近相等的酸化池結構時，對系統進行了近40 h的累積運行實驗，從實驗結果觀察到，整個實驗過程中的電流變化無明顯衰減趨勢，且拆解池堆觀察，酸化池內未出現沉淀物。

4 結 語

1）建立了酸化池的模型進行數值模擬，水流流場結果顯示形成封閉環流的滯留區為妨礙酸化池暢通性的最低速度區，是不溶物沉積的位置所在；當出入口采用突變結構或臺階式結構時，酸化池內流場分布情況有所區別；當入口水流流量增大時，有助于提升主流區的過流能力。但均不能消除形成封閉環流的滯留區的最低速度區。

2）通過改變長寬比和加設擋板的手段，減小酸化池內水流流道的截面尺寸，提高了酸化池流道的“自清洗”效果，酸化池的暢通性較好，從而有效的避免了不溶物沉積的產生。故在對酸化池進行結構設計時，可考慮將海水流道截面寬度設計為與入口截面寬度接近相等。

3）針對改進前后酸化池的結構，進行了海水電解酸化系統的運行實驗，比較了酸化池新結構與原結構的系統運行效果。結果表明，改進的酸化池結構對于消除酸化池內的不溶物沉淀和避免SPE膜的褶皺起到了明顯的效果，從而證明了數值模擬結果的正確性和有效性。

圖12 原酸化池結構系統運行結果圖Fig.12 System operation result diagram of original acidizing tank structure

圖13 改進酸化池結構系統運行結果圖Fig.13 System operation result diagram of improved acidizing tank structure