鑒于超聲速旋流分離技術(shù)在天然氣脫水等方面的良好特性,提出了一種基于超聲速旋流分離技術(shù)的可用于調(diào)壓站等處的新型小型天然氣液化工藝流程。高速流動條件下天然氣液化過程在國際上是一種全新的技術(shù)創(chuàng)新,結(jié)合相平衡、氣體動力學(xué)、熱力學(xué)、成核動力學(xué)等理論,采用理論分析、數(shù)值模擬及實驗研究等方法,對氣體凝結(jié)預(yù)測模型、超聲速流動條件下及超聲速旋流流動條件下天然氣凝結(jié)特性等關(guān)鍵問題進行了系統(tǒng)研究,分析了所提工藝流程的可行性。針對單、雙組分模型中未考慮真實氣體效應(yīng)的缺點,引入逸度進行化學(xué)勢差的計算并采用逸度代替分壓進行雙組分成核模型中碰撞率的計算;采用BS模型,引入液滴半徑對表面張力的影響。研究表明,同時考慮真實氣體效應(yīng)及液滴半徑對表面張力影響的修正模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)偏差較僅考慮真實氣體效應(yīng)的修正模型更大,認為液滴表面張力模型的引入造成了這一結(jié)果;采用SRK方程引入真實氣體效應(yīng)時模型計算結(jié)果較其他狀態(tài)方程更好,推薦采用該修正模型。對天然氣超聲速流動凝結(jié)特性進行了數(shù)值模擬研究,研究發(fā)現(xiàn),噴管內(nèi)溫度與壓力隨著能量轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿倪^程一直降低,促使天然氣發(fā)生了凝結(jié);凝結(jié)過程為非平衡相變過程,出口處未達到完全相平衡,且氣體凝結(jié)釋放潛熱致使周圍氣體不再進行凝結(jié)液化過程,使得計算液化率低于基于相平衡理論計算結(jié)果;入口溫度、壓力、組成影響比熱比值的大小,但在所研究范圍內(nèi)比熱比值的變化對于噴管內(nèi)壓力、溫度的分布影響較小,因此,對于固定出口馬赫數(shù)噴管,更低入口溫度、更高入口壓力或乙烷含量將使凝結(jié)發(fā)生在更靠近喉部處,成核率最大值及噴管出口濕度均更大;雙組分體系液滴生長速率較單組分更大,凝結(jié)沖波現(xiàn)象更為明顯;過冷度對單組分天然氣液滴生長速率的變化起到了主導(dǎo)作用,凝結(jié)潛熱對雙組分天然氣液滴生長速率的變化起到了主導(dǎo)作用;隨著壓比的增大,噴管內(nèi)產(chǎn)生了激波且逐漸向喉部方向移動,激波產(chǎn)生后凝結(jié)環(huán)境即被破壞,濕度立即變?yōu)?;出口馬赫數(shù)的增大可促進氣體成核及液滴生長過程,但需以更高的壓能損失為代價;旋流分離段內(nèi)氣體凝結(jié)特性為凝結(jié)過程、壓縮波、摩擦效應(yīng)共同作用的結(jié)果,壓縮波和摩擦效應(yīng)導(dǎo)致的氣化情況并不嚴重,為保證旋流分離效果,可適當(dāng)延長旋流分離段長度,建議L/d2;外界核心的存在能夠有效地降低氣體成核所需自由能障,外界核心濃度的增大有利于凝結(jié)過程的發(fā)生,但半徑不能過大,研究范圍內(nèi)非均質(zhì)凝結(jié)出口濕度較自發(fā)凝結(jié)過程最大增加了82.17%,確認了采用非均質(zhì)成核促進天然氣凝結(jié)的可行性。對天然氣超聲速旋流流動凝結(jié)特性進行了數(shù)值模擬研究,研究發(fā)現(xiàn),旋流存在時,氣體流動及凝結(jié)規(guī)律與無旋流時相同;中心體的存在增大了流動過程中能量損失,導(dǎo)致最大成核率及出口濕度均小于無中心體情況;不同旋流強度情況下單、雙組分旋流分離器內(nèi)流動及凝結(jié)參數(shù)分布均相近,幾乎不受影響,但增大旋流強度可有效提高氣液分離效率,建議氣體在旋流分離器入口處以切向速度進入;入口溫度增加,將減弱噴管內(nèi)氣體凝結(jié)過程,但能夠增加氣體切向速度,促進液滴與氣體的分離,不過促進效果并不明顯;入口壓力的增大,對于氣體切向速度幾乎沒有影響,不影響氣液的分離過程。超聲速流動條件下氣體凝結(jié)實驗研究結(jié)果表明,壓力分布實驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果吻合較好,預(yù)測Wilson點與實測Wilson點偏差在2.79~5.21 mm之間,說明所建立模型對于流場及凝結(jié)初始點預(yù)測的準確性;凝結(jié)參數(shù)實驗數(shù)據(jù)基本呈現(xiàn)出與數(shù)值模擬結(jié)果相同規(guī)律,但與數(shù)值模擬結(jié)果存在較大誤差,根據(jù)噴管入口擴張段內(nèi)測量結(jié)果,排除了非均質(zhì)凝結(jié)過程造成這一結(jié)果的可能性,認為測試誤差受限于測試裝置,難以對超聲速流動條件下液滴凝結(jié)數(shù)據(jù)進行非常準確的測量;以單組分氣體凝結(jié)數(shù)值模擬結(jié)果來衡量建立實驗系統(tǒng)液滴粒徑測量誤差,為+118.08%~+316.12%,雙組分體系液滴粒徑實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果誤差范圍為+132.15%~+262.06%,證明了建立的超聲速流動條件下雙組分氣體凝結(jié)模型及所采用數(shù)值方法的準確性。
【學(xué)位單位】：中國石油大學(xué)(華東)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TE646
【部分圖文】：

氣液化.3 超超聲速旋需添加到天然Sh（華化裝置。目超聲速旋流聲速旋流分旋流分離器加化學(xué)藥劑然氣處理加hell 公司開發(fā)東）文闖[3目前這些技流分離技術(shù)分離技術(shù)最器具有較好劑、節(jié)能環(huán)加工領(lǐng)域，發(fā)了名為“9]歸類為先第術(shù)應(yīng)用并不術(shù)研究現(xiàn)狀早應(yīng)用在的制冷效果保等特點[3主要用于天“Twister Ⅰ先膨脹后旋流第一章 緒 論不廣泛，缺狀1989 年，用果，同時兼具35-38]，荷蘭天然氣的脫”型超聲速流型分離器缺乏核心技術(shù)用于空調(diào)空具結(jié)構(gòu)緊湊Shell 公司水、脫重?zé)N速旋流分離器，其結(jié)構(gòu)示術(shù)相應(yīng)報道空氣中水分的湊、穩(wěn)定性好及俄羅斯 E烴。離器，該分離示意圖見圖道。的分離過程好（無轉(zhuǎn)動部ENGO 公司離器被中國圖 1-2 所示。程。由部件）司將其國石油

氣體氣里等體進入旋流、液分離。等地開展了Fi流分離器后ENGO 石了現(xiàn)場試驗（b）“Tw圖 1-3 先g1-3 Swirl即產(chǎn)生旋流油公司 199研究，并于wister Ⅱ”先旋流后膨脹ling priority流流動，在分96 年、200于 2004 年在separator脹型分離器style separa分離器內(nèi)邊00 年等分別在俄羅斯西tor邊旋流邊凝結(jié)別在俄羅斯莫西伯利亞天然結(jié)并在旋流莫斯科、加然氣處理廠流分加拿廠成

La用數(shù)值液化特出了新.1 La超結(jié)構(gòu)示圖中體低壓環(huán)的分離參數(shù)法。aval 噴管是值模擬方法特性進行分新型小型天aval 噴管結(jié)聲速旋流分示意簡圖如體現(xiàn)）。在超環(huán)境，部分離。氣體膨，對目前主是氣體凝結(jié)液法對 Laval 噴分析，研究天然氣液化結(jié)構(gòu)設(shè)計及分離器主要如圖 2-1 所示超聲速旋流分氣體發(fā)生凝膨脹制冷及主要的 4 種液化的主要噴管結(jié)構(gòu)設(shè)了超聲速旋流程。及優(yōu)選由旋流裝置示（因本章流分離器中，凝結(jié)液化形液化過程均Laval 噴管要場所，因此設(shè)計進行優(yōu)選旋流分離器用置、Laval 噴章研究暫未涉，氣體在 L形成氣液兩相均主要發(fā)生管設(shè)計方法此本章以 L選，并對噴用于天然氣噴管、旋流分涉及到旋流Laval 噴管內(nèi)相流動；并在在 Laval 噴進行了分析Laval 噴管為噴管制冷特性氣液化的可行分離段及擴壓流過程，因此內(nèi)急劇膨脹在強烈旋流噴管內(nèi)，因此析，優(yōu)選了為主要研究性及氣體在行性；在此壓器等部分此旋流裝置至超聲速，流場作用下實此，結(jié)合天Laval 噴管究對象在噴管此基礎(chǔ)分構(gòu)成置未在形成實現(xiàn)氣天然氣管的設(shè)

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本文編號：2830113