天然气中硫化氢超声速凝结特性

基于欧拉-欧拉双流体模型,结合凝结相变理论建立气体自发凝结数值模型,对所设计Laval喷管内硫化氢气体的自发凝结特性进行模拟研究,分析入口压力、温度及背压对凝结过程的影响。结果表明：气体高速膨胀产生的低温效应使天然气中硫化氢气体发生自发成核及液滴生长现象,气相中硫化氢含量随之降低;增大入口压力或降低入口温度将使凝结发生位置前移,促使更多的硫化氢从气相中凝结出来,过低的入口压力或过高的入口温度将使硫化氢气体无法在喷管内完成自发成核过程。随着背压的升高,激波在喷管内产生并逐渐前移,激波的产生会破坏凝结所需冷凝环境,造成凝结液滴的再蒸发,应合理选择背压以避免激波对硫化氢气体凝结过程的影响。     

用于超声速旋流分离器中的超声速喷管研究

超声速旋流分离器是一种免加热或免加注防冻剂的新型天然气脱水和重烃分离装置，喷管是其关键部件。针对超声速旋流分离器中拉伐尔喷管的特点，对3种不同的喷管设计方法进行了对比分析。结果表明：亚声速收缩段为维托辛思基曲线、喉部为一段光滑圆弧、超声速扩张段按富尔士法设计的喷管出口气流均匀，达到设计的马赫数要求。数值模拟表明，天然气在喷管内绝热膨胀形成超声速气流，在喷管扩张段水和重烃组分凝析。喷管内极短的滞留时间不会形成水合物，亦不需添加防冻剂。     

超声速旋流分离器内天然气液化过程研究

目前关于超声速旋流分离器内天然气凝结液化过程的研究较少,为此,通过数值模拟计算对Laval喷管内气体凝结液化过程进行研究,并分析喷管结构对凝结液化的影响。研究结果表明,甲烷气体在喷管内发生了自发凝结现象,但凝结冲波现象并不明显,这与甲烷气体凝结过程液滴生长较慢且凝结潜热较小有关;随着喷管膨胀率的增大,气体过冷度增加越快,其能更早达到凝结液化条件(Wilson点);喷管内最大成核率、液滴数目及湿度(液化率)均随膨胀率的增大而增大,膨胀率从6 000 s-1增大到12 000 s-1,成核率最大值增加154.8%,液滴数目增加79.5%,喷管出口湿度增加51.7%,较大程度提高了液化率;对于扩张段长度固定的喷管,过大膨胀率将导致气体温度或压力低于三相点而无法液化;不同膨胀率及不同入口条件下液化率均较低,需进一步开展多级液化研究。     

天然气超音速旋流脱水装置设计及凝结特性分析

天然气中含有的水蒸气往往会导致单位体积气体发热量降低,减少输送管道的流通面积,其中的CO_2和H_2S溶于液态水后还会腐蚀管路。针对实际开采过程中的高压天然气含水问题,结合流体力学和工程热力学原理,设计了1套前置式超音速天然气旋流脱水装置。基于国内外研究现状,建立了超音速旋流天然气凝结流动的数值模型,包括多组分两相膨胀流动模型和水蒸气凝结模型。对超音速旋流天然气脱水装置各个工作段的流动特性进行了数值研究,得出装置内部压力、温度、马赫数、水蒸气内部成核率、湿度的分布规律,并根据数值模拟结果对超音速旋流天然气脱水装置进行了优化设计。     

基于旋流的天然气超声速喷管分离特性

 采用数值模拟方法研究来流为旋流的拉伐尔喷管内的流场,考察了喷管的收缩比、收缩半角、喉部圆柱段长度和扩张半角对天然气超声速喷管旋流分离性能的影响。数值计算结果表明,增加喷管收缩比和收缩半角可以提高喷管旋流分离性能。喷管喉部圆柱段长度对喷管旋流分离性能影响较小。当喷管扩张半角小于2°时,喷管旋流分离性能较差;扩张半角在2~6°时,喷管旋流分离性能较好;继续增加扩张半角,喷管旋流分离性能下降。     

超声速旋流天然气分离器研究

超声速旋流分离是天然气处理工艺技术的一大突破。超声速旋流分离器依靠喷管膨胀形成低温超声速流动，依靠超声速翼形成旋流实现水及重烃分离。利用计算流体力学（CFD）技术研究了超声速旋流分离器内的流体物性及流场特性，分析了超声速旋流分离器内温度、压力、速度等特性参数的变化规律，研究了凝析液滴在超声速旋流分离器内的运动轨迹及不同粒径尺寸的液滴在分离器内的停留时间。研究表明，超声速旋流分离器水分及重烃分离效率高，能够替代传统的低温分离工艺。     

超声速喷管在天然气脱碳中的应用初探

提出将超声速旋流分离技术应用到天然气脱二氧化碳领域,并通过对Laval喷管内气体流动规律的研究,初步验证其可行性。采用BWRS真实气体状态方程确定喷管喉部尺寸,采用双三次曲线法和圆弧加直线法设计喷管型面,利用FLUENT软件数值模拟所设计喷管内气体的流动过程,并分析入口温度、入口压力以及入口气体组成对二氧化碳液化特性的影响。研究表明:随着气体在Laval喷管中高速膨胀,气流温度、压力降低,在喷管出口可达到二氧化碳气体的液化条件;降低入口温度、提高入口压力或增加气体中二氧化碳的含量均有利于气体的液化。     

超声速喷管内CO2气体凝结特性研究

基于欧拉———欧拉双流体模型,建立气相及液相流动控制方程组,结合凝结成核与液滴生长理论,对喷管内CO_2气体的凝结特性进行了数值模拟研究。结果表明,采用的数学模型和数值计算方法可较准确地反映喷管内气体的凝结流动过程。CO_2气体凝结潜热较小,凝结冲波现象不明显;气体进入喷管特别是在经过喉部之后,在马赫数增大的同时,压力和温度降低,过冷度增加,最大可至30K左右,并于凝结发生后快速下降至约5K;CO_2气体成核过程在时间和空间上表现出急剧性。凝结起始位置距喉部约2.21mm,成核率由0激增至2.04×10~(21)m~(-3)·s~(-1),液滴数目达到10~(15)的数量级;凝结核心形成后,气体分子在一定的过冷度下在液滴表面团聚、液化,液滴半径和湿度迅速增加。成核过程结束后,已有凝结核心仍能不断生长,至喷管出口处液滴半径增至1.46×10~(-7 )m,湿度可达0.093 5。     

高速膨胀天然气凝结流动特性

结合气、液相流动控制方程组、内部一致经典成核理论、Gyarmathy液滴生长模型、液滴表面张力模型、k ω湍流模型及NIST真实气体模型,对自行设计的Laval喷管内天然气自发凝结流动过程进行数值模拟研究。结果表明,在Laval喷管扩张段内,随着过冷度的增大,将发生甲烷气体凝结成核及生长现象。对于固定出口马赫数的喷管,更低入口温度或更高入口压力将使凝结发生在更靠近喉部处,且液滴成核率最大值及气体湿度均更大;比热比值将随入口温度的降低或入口压力的升高而增大,导致压降及温降增大,较低的入口温度或较高入口压力将使出口温度或出口压力低于三相点,可能导致气体无法液化。随着压比的增大,喷管内产生了激波,且逐渐向入口方向移动;激波产生后液化环境随即被破坏,湿度立即变为0。喷管出口马赫数增大对液滴成核率影响较小,能促进液滴生长过程,但过大马赫数可能导致气体无法液化。喷管出口处气体未达到热力学平衡状态时,可在直管段内继续凝结,同时压缩波和摩擦效应将使得液滴气化。各入口条件下,甲烷气体在喷管出口处湿度均低于0.1,液化效率较低。     

粒子特性对超声速分离器分离性能的影响

超声速分离技术是一项新兴的天然气处理技术.在超声速喷管内,天然气经过近似等熵膨胀和降温使其内部可凝组分发生相变凝结,经旋流器后由于气液密度差使液相被分离出来.为了研究液滴特性对分离器的分离效率的影响,建立了超声速分离器内部气体流动的数学模型,采用离散粒子模型研究了液滴密度、液滴粒径和液滴初始速率对分离器分离性能的影响....     

三组分气体超声速凝结过程数值模拟与实验研究

结合液滴成核与生长模型,以及气、液流动控制方程建立了超声速凝结流动数学模型,对空气+水+乙醇三组分（双可凝）气体超声速流动条件下凝结特性进行了数值计算,研究了三组分气体超声速凝结特性影响因素,通过与空气+水双组分（单可凝）气体对比,分析了第二种可凝组分对凝结成核的影响,并开展了实验验证与对比分析。结果表明：随着三组分气体中乙醇含量的升高,Laval喷管内成核率、液滴数均增大,但成核区收窄,液滴生长区向前移动;在入口可凝气体为饱和状态下,升高入口温度与压力均能促进凝结的发生,使Wilson点向喉部移动,进而提高出口气体湿度;与双组分气体相比,三组分气体发生凝结的Wilson点更靠近喉部,出口湿度更大,说明三组分气体发生凝结时,两种可凝气体的凝结过程是相互促进的;Laval喷管沿程压力及Wilson点测试结果与数值计算结果吻合较好,说明所建立的数学模型具有较高的准确性。     

三组分混合物超音速凝结机理

为了解天然气混合物中水蒸气、重烃在喷管内的凝结机理,明确其液滴成核与液滴生长的基本规律,研究了甲烷 水蒸气 壬烷三组分混合物在喷管内的超音速凝结过程。首先在已有双组分混合物超音速凝结数学模型的基础上,结合国外最新研究成果,建立了三组分混合物在喷管内的超音速凝结过程物理模型;然后根据双组分混合物的超音速凝结模拟结果,建立了三组分混合物在喷管内的超音速凝结过程数学模型并进行了模拟计算。结果表明,在甲烷-水蒸气-壬烷混合物中,水蒸气较早出现自发凝结现象（x = 4.0 mm）,并且形成的水滴充当了壬烷蒸气发生凝结的外界核心,降低了壬烷蒸气发生凝结的自由能障,促使壬烷蒸气在过冷度38.3K和过饱和度37.4下就发生凝结现象,即水蒸气的存在在一定意义上促进了壬烷蒸气的凝结。     

Supersonic swirling characteristics of natural gas in convergent-divergent nozzles

The supersonic nozzle is a new apparatus which can be used to condense and separate water and heavy hydrocarbons from natural gas.The swirling separation of natural gas in the convergent-divergent nozzle was numerically simulated based on a new design which incorporates a central body. Axial distribution of the main parameters of gas flow was investigated,while the basic parameters of gas flow were obtained as functions of radius at the nozzle exit.The effect of the nozzle geometry on the swirling separation was analyzed.The numerical results show that water and heavy hydrocarbons can be condensed and separated from natural gas under the combined effect of the low temperature(-80℃) and the centrifugal field(482,400g,g is the acceleration of gravity).The gas dynamic parameters are uniformly distributed correspondingly in the radial central region of the channel,for example the distribution range of the static temperature and the centrifugal acceleration are from -80 to -55℃and 220,000g to 500,000g,respectively,which would create good conditions for the cyclone separation of the liquids.However,high gradients of gas dynamic parameters near the channel walls may impair the process of separation.The geometry of the nozzle has a great influence on the separation performance. Increasing the nozzle convergent angle can improve the separation efficiency.The swirling natural gas can be well separated when the divergent angle takes values from 4°to 12°in the convergent-divergent nozzle.     

天然气超音速分离器中漩涡发生器及喷管的数值模拟研究

天然气超音速分离技术是近年来发展起来的新型天然气脱水技术。漩涡发生器及喷管是天然气超音速分离器的关键部件之一。通过对直叶片、折叶片和弯叶片三种不同叶片形式的漩涡发生器的流场进行了数值模拟研究,结果表明,弯叶片的漩涡发生器具有良好的性能。此外,对天然气超音速分离器的喷管流动进行了研究。结果证明,本文采用的漩涡发生器和喷管可以获得很低的温度和强大的离心力,可以使天然气中的水蒸气冷凝成小液滴并分离出来,从而达到天然气脱水的目的。     

超声速天然气脱水技术在海上平台的应用

针对海上平台传统天然气脱水技术存在占地面积大、装置相对复杂、系统运行成本高、维护费用高及环境污染等问题,研究一种新型天然气脱水技术在海上平台的适用性。以海上平台某项目为例,分析超声速天然气脱水技术在应用中存在的问题,得出一套系统设计解决方案,同时指出该技术在海上平台推广应用的关键技术指标,以期为将来的技术完善和应用提供理论支撑。     

超音速喷嘴涡流管气体分离性能的数值模拟与实验

 建立了超音速喷嘴涡流管的简化几何模型,利用描述两相双组分超音速冷凝流动的 Eulerian 双流体三维湍流模型,以含湿空气为介质对装置内部的自发凝结过程进行数值模拟。设计制造相应的装置,建立实验平台,对装置的含湿气体分离性能进行实验研究。通过模拟和实验2种手段研究了影响超音速喷嘴涡流管气体分离性能的参数及其影响规律。结果表明,气流在喷嘴内部达到超音速流动,使得水蒸气自发凝结成液滴,为混合气体分离提供了先决条件;热端管内气体自旋产生的离心加速度可以达到重力加速度的6×10⁵倍,为气、液分离提供了必要条件;降低进出口压力之比和冷流率,增大入口相对湿度和长径比可以提高装置的气体分离性能,安装阻涡器对性能有不利影响。因此,采用超音速喷嘴涡流管实现混合气体中重组分的脱除是可行的。     

基于HYSYS的超声速天然气脱水脱烃工艺设计

为解决超声速天然气脱水脱烃工艺设计受限于其核心设备超声速分离器的动力学设计以及以往数值模拟的设计方法繁琐且对物性参数变化敏感度较低的问题,分析其工作原理,基于HYSYS软件提出一套超声速天然气脱水脱烃工艺设计方法,并将其结果与数值模拟结果进行对比。结果表明,该工艺设计方法简便且满足工程设计要求。指出设计马赫数、气液分流比和压损比为超声速分离器的3个关键设计参数,分析其对天然气脱水脱烃效果的影响得出：设计马赫数越大,天然气露点降越大;气液分流比越大,天然气露点降越大;压损比越大,天然气露点降越大。