Очистка природного газа от кислых примесей является важным технологическим процессом в газоперерабатывающей промышленности и осуществляется в абсорбционных реакторах. Традиционные методы, используемые для проектировки абсорбционных реакторов, не учитывают локальные особенности гидродинамики и нуждаются в улучшении. Целью данной работы являлось исследование гидродинамических характеристик в абсорбционном реакторе с жидкой фазой в виде 30% водного раствора диэтаноламина и газовой фазы – 98.5% метана и 1.5% СО2. В качестве метода было использовано численное моделирование гидродинамики двухфазного течения в абсорбционном реакторе. На основе геометрии лабораторного реактора создана CFD‑модель с насадочным слоем из сферических частиц. В результатах представлены контуры распределения скорости, давления и объемных долей фаз, позволяющие выявить неравномерность распределения как газовой, так и жидкой фаз по сечению аппарата и области локального ухудшения массопереноса в насадочном слое. Показано, что основная часть газового потока огибает активную зону контакта, что снижает эффективность абсорбции CO₂. Сделан вывод о высокой информативности численного моделирования для диагностики гидродинамических проблем и оптимизации конструкции абсорбционных реакторов. Разработанная модель может быть использована для выбора рациональных режимных параметров и модернизации промышленного оборудования газоочистки на основе алканоламиновых растворов.
Purification of natural gas from acidic impurities is an important technological process in the gas processing industry and is carried out in absorption reactors. The traditional methods used for the design of absorption reactors do not take into account the local features of hydrodynamics and need to be improved. The purpose of this work was to study the hydrodynamic characteristics in an absorption reactor with a liquid phase in the form of a 30% aqueous solution of diethanolamine and a gas phase of 98.5% methane and 1.5% CO2. Numerical simulation of the hydrodynamics of a two-phase flow in an absorption reactor was used as a method. Based on the geometry of the laboratory reactor, a CFD model with a packing layer of spherical particles has been created. The results show the contours of the distribution of velocity, pressure, and volume fractions of phases, which make it possible to identify the uneven distribution of both gas and liquid phases across the section of the apparatus and the area of local deterioration of mass transfer in the nozzle layer. It is shown that the main part of the gas flow envelopes the active contact zone, which reduces the efficiency of co₂ absorption. It is concluded that numerical modeling is highly informative for diagnosing hydrodynamic problems and optimizing the design of absorption reactors. The developed model can be used to select rational operating parameters and modernize industrial gas purification equipment based on alkanolamine solutions.
1. Castellanos-Sánchez J.E., Aguilar-Aguilar F.A., Hernández‐Altamirano R., Venegas Venegas J.A., Raj Aryal D. Biogas purification processes: review and prospects // Biofuels. 2024. Т. 15. № 2. С. 215-227. DOI: 10.1080/17597269.2023.2223801.
2. Атласкин А.А., Крючков С.С., Воротынцев А.В., Петухов А.Н., Трубянов М.М., Атласкина М.Е., Воротынцев И.В. Способ удаления диоксида углерода и сероводорода из метансодержащих газовых смесей. EDN: HECSUK.
3. Yin X., Shen S. Water-lean monophasic absorbents containing secondary alkanolamines and dimethyl sulfoxide for energy-efficient CO2 capture // Energy. 2023. Т. 281. С. 128352. DOI: 10.1016/j.energy.2023.128352.
4. Hu H., Fang M., Liu F., Wang T., Xia Z., Zhang W., Yuan J. Novel alkanolamine-based biphasic solvent for CO2 capture with low energy consumption and phase change mechanism analysis // Applied Energy. 2022. Т. 324. С. 119570. DOI: 10.1016/j.apenergy.2022.119570.
5. Choubtashani S., Rashidi H. CO2 capture process intensification of water-lean methyl diethanolamine-piperazine solvent: Experiments and response surface modeling // Energy. 2023. Т. 267. С. 126447. DOI: 10.1016/j.energy.2022.126447.
6. Zhou Z., Davoudi E., Vaferi B. Monitoring the effect of surface functionalization on the CO2 capture by graphene oxide/methyl diethanolamine nanofluids // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. Т. 9. №. 5. С. 106202. DOI: 10.1016/j.jece.2021.106202.
7. Yuan Z.G., Wang Y.X., Liu Y.Z., Wang D., Jiao W.Z., Liang P. F. Research and development of advanced structured packing in a rotating packed bed // Chinese Journal of Chemical Engineering. 2022. Т. 49. С. 178-186. DOI: 10.1016/j.cjche.2021.12.023.
8. von Seckendorff J., Hinrichsen O. Review on the structure of random packed‐beds //The Canadian Journal of Chemical Engineering. 2021. Т. 99. С. S703-S733. DOI: 10.1002/cjce.23959.
9. Dhaneesh K.P., Ranganathan P. A comprehensive review on the hydrodynamics, mass transfer and chemical absorption of CO2 and modelling aspects of rotating packed bed //Separation and Purification Technology. 2022. Т. 295. С. 121248. DOI: 10.1016/j.seppur.2022.121248.
10. Chen W.C., Meng W.H., Liu Z.H., Chu G.W., Zhang L.L., Chen J.F. Hydrodynamics of gas flow in a rotating packed bed under floating motions: Experimental and simulation study // Chemical Engineering Journal. 2022. Т. 442. С. 136149. DOI: 10.1016/j.cej.2022.136149.
11. Nikitin M., Pashchenko D. Computational fluid dynamics simulations of fluid flow through the packed beds: A study of contact point treatments // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2025. Т. 169. С. 109613. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2025.109613.
12. Liu R., Wang M., Li X., Liu Y., Pei C., Gong J. Effects of scaling criteria on modelling of multi-phase flow in the packed bed using coarse grain CFD-DEM // Chemical Engineering Science. 2024. Т. 296. С. 120244. DOI: 10.1016/j.ces.2024.120244.
13. Makarem M.A., Farsi M., Rahimpour M.R. CFD simulation of CO2 removal from hydrogen rich stream in a microchannel // International Journal of Hydrogen Energy. 2021. Т. 46. № 37. С. 19749-19757. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.07.221.
14. Wodołażski A., Smoliński A. Bio-hydrogen production in packed bed continuous plug flow reactor-CFD-multiphase modelling // Processes. 2022. Т. 10. № 10. С. 1907. DOI: 10.3390/pr10101907.
15. Дубек Б., Валовский Г., Романюк В. Десульфурация сырого биогаза с использованием адсорбционно-абсорбционной технологии для производства биогаза из свиного навоза // Техника и технологии в животноводстве. 2021. № 1 (41). С. 94-107. DOI: 10.51794/27132064-2021-1-94.