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。     

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。     

Laval喷管内甲烷-乙烷混合气体低温液化特性

为明确Laval喷管内甲烷-乙烷低温液化特性,获得天然气超声速液化过程中的流动与凝结参数,建立了甲烷-乙烷混合气体超声速凝结流动数学模型,开展了双可凝组分气体凝结相变实验验证,对比分析了凝结流动与等熵流动条件下的流场特性,并重点研究了甲烷-乙烷混合气体低温液化特性,结果表明:凝结相变发生之后,甲烷-乙烷混合气体流动过程中产生了微弱的凝结激波,相比于等熵膨胀过程,Laval喷管出口压力、温度升高,马赫数降低;凝结核数量在很短距离内从0急剧上升至最大值0.879×10~(21)m~(-3)·s~(-1)(约x=0.139m处);Laval喷管可获得的最大液滴半径4.476×10~(-7)kg~(-1),最大液滴数目4.462×10~(14)m~(-3),最大液相质量分数6.089%。     

Laval喷管内二氧化碳凝结过程研究

设计Laval喷管结构,结合内部一致经典成核理论和Gyarmathy液滴生长理论,建立超声速凝结相变欧拉双流体数学模型,对超声速流动条件下天然气中二氧化碳气体的凝结过程进行数值模拟研究,并分析入口二氧化碳摩尔分数对凝结过程的影响。结果表明,气体进入喷管后高速膨胀,温度降低,二氧化碳气体在喷管扩张段发生自发凝结现象,凝结核在短距离内急剧产生,液相质量分数持续增加,直至喷管出口;入口气体中二氧化碳摩尔分数从0.05增至0.14,凝结起始位置前移6.82mm,极限成核率和液滴数量减少,液滴生长速率加快,液滴粒径增加,喷管出口液相质量分数由0.1238增至0.1991;不同入口二氧化碳摩尔分数下喷管出口二氧化碳液化率均高于60%,出口气相中二氧化碳摩尔分数较入口大幅降低,入口二氧化碳摩尔分数小于0.10时,出口均可降低到0.03以下。     

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。     

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。     

收缩-扩张喷管内高含硫天然气超声速流动特性研究

为明确采用收缩-扩张喷管来实现天然气中H2S气体凝结与液化的可行性,对CH4-H2S双组分在收缩-扩张喷管中超声速流动液化过程进行了理论研究与数值模拟。运用流体力学计算软件,结合流动控制方程,分析了入口压力和出口背压对混合气体流动特性的影响。研究结果表明:适当提高入口压力,将使CH4-H2S双组分临界液化温度和压力降低,且停留在气液两相区和液相区的范围增大,促进H2S气体的凝结;随着出口背压(压比)的不断增大,产生激波的位置逐渐向收缩-扩张喷管喉部方向移动,收缩-扩张喷管轴线处的压力和温度波动更加剧烈,破坏了凝结所需要的制冷环境,不利于H2S气体的凝结;当出口背压在60%以上时,制冷环境被完全破坏,H2S气体不能实现凝结。     

旋流对二氧化碳超声速凝结特性的影响

为了研究旋流对超声速喷管中CO₂凝结特性的影响,基于气-液两相流动控制方程、凝结模型和CO₂表面张力模型,建立了CO₂-CH₄二元混合气体旋流凝结流动的数学模型,模拟了CO₂在超声速喷管中的旋流凝结过程。数值结果表明：在旋流流动过程中,CO₂凝结成核过程中释放大量潜热传递给周围介质,使过冷度迅速下降,气体重新达到平衡状态,此时气体过冷度依然大于0,为液滴的生长创造了良好的环境。强旋流和壁面边界层的存在导致凝结参数沿喷管径向分布不均匀,并且增加旋流强度会增大液滴碰撞几率和喷管液化效率,但旋流强度增大同样会限制气体膨胀特性和喷管过流能力。     

天然气饱和水高速流动凝结模型

在收敛一扩张喷管内,将含饱和水的天然气加速到很高的流速会引起温度下降,可使天然气中的饱和水发生凝结.结合液滴成核、生长理论,导出了天然气饱和水高速流动凝结模型,并进行离散求解,提出了一套完整的数理控制方程和解法;同时将计算结果与实验数据进行对比,验证了研究方法的可行性与所提模型的正确性.在此基础上通过实例分析,获得了天然气在喷管扩张段内凝结流动规律,以及凝结对流动的压力、速度、温度等参数的影响,并得到了饱和水凝结时的液滴直径为1 mm左右.     

提高喷管内天然气液化效率的方法

结合气、液相流动控制方程组,利用数值模拟计算,研究了利用非均质凝结及两级超声速旋流分离装置以提高天然气液化效率的可行性。结果表明,非均质凝结过程中,外界核心的存在能够有效降低气体凝结过程中的自由能障,促进液滴的凝结及生长;随着外界核心浓度的增大或外界核心半径的减小,喷管内自发凝结过程逐步被抑制,非均质凝结逐步占据主要地位;外界核心浓度的增大有利于凝结过程的发生,同时外界核心半径不能过大,外界核心半径大于1×10-7m时,不发生非均质凝结。外界核心浓度为1×1017/kg、外界核心半径为1×10-9m时,出口湿度较自发凝结过程湿度增加8217%,提高了喷管内天然气液化效率。结合流量函数方法,设计了第1级超声速旋流分离装置的扩压段,在此基础上设计了两级液化过程,其综合湿度为0107,较第1级单独使用时提高15513%,较第2级单独使用时提高3198%。两级液化装置较单级液化装置有更好的天然气液化效果。     

固定床反应器内构件-喷射型分配器的结构优化

采用欧拉两相流模型和标准的k-ε湍流模型,对一种喷射型分配器进行了数值模拟,在此基础上探讨了气相入口结构、液相入口数量、出口喷嘴直径等对分配器不均匀度和压力降等性能的影响,进而优化了分配器结构.研究结果表明,改进型分配器气相入口形式为朝向同侧的2孔,液相入口个数为4个,出口喷嘴直径为12 mm,分配器下方200 mm的...     

运行参数对某湿气集输管网积液的影响研究

在湿气集输管网运行过程中,积液会降低管输效率,加剧管道腐蚀,引起管网节点压力升高。针对某气田集输系统建立管网积液模型,通过单因素控制变量法,研究管网输气量、气体质量含液率、集气站出站温度、集气末站进站压力对管网积液量及积液分布的影响效应,通过正交试验设计研究各运行参数对积液的影响程度。研究结果表明,输气量的降低、气体质量含液率的增加、集气站出站温度的降低和集气末站进站压力的上升,均会引起管网积液量和积液管段数量增加。运行参数对积液量的影响从大到小依次为管网输气量、集气末站进站压力、气体质量含液率、集气站出站温度。输气量对积液量的影响最为显著,这将为积液控制提供指导。     

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。     

气井井筒跨音速气水分离与旋流排液技术

气井井筒跨音速气水分离技术主要基于超音速喷管与跨音速翼流动机理,通过喷管将流体加速,温度快速下降,致使饱和水凝结成液滴并从旋流天然气中分离出来.由于液滴在喷管冷凝时滞留时间仅有1ms左右,不易形成水合物,不需要加入水合物抑制剂等化学药品,可避免有害化学物的再生.将该技术用于气井井筒的结构设计,对天然气流经跨音速翼进行了数值模拟,获得了流体在流场中的流动规律.     

海底长距离湿气管线清管流动规律及方案优化

针对长距离湿气管线清管时出现的清管器速度过快、管线出口液体峰值过高、提高输量造成能耗增加等问题,基于OLGA软件建立长距离湿气管线清管模型,研究不同输量对水力清管管线入口压力、积液量的影响,研究不同输量下清管器作业时管线入口压力、清管器速度、管线出口累积液量变化规律。研究结果表明：在水力清管时,输量提升越多管线内积液量越低,但超过一定范围输量提升对积液量影响不明显;在清管器清管时,输量越大,管线入口压力振荡越小,清管器平均速度越高,管线出口瞬时液量峰值也越小。针对某气田进行清管瞬态模拟,结果表明,水力清管作业时将20万m3输量上调至28万m3、清管器清管作业时将输量下调至42万m3清管效果最佳。     

高压天然气井拉伐尔结构参数优化研究

高压天然气在进入城市管网前需降压,拉伐尔节流阀是典型的节流装置。针对辽河天然气井80×105m3/d、40 MPa的高压情况,依据温降和压降数值计算对拉伐尔节流阀进行了结构参数优化。依据空气动力学原理,首先对其锥管式结构和曲线式结构进行对比分析,选取喉道直径φ5～φ12 mm,进行低压和高压2种情况的数值计算,给出不同喉道直径时的喉道直径与进、出口直径最优比,以及进、出口长度最优值。在优化结构参数的基础上,分别就低压和高压2种情况,对压力场、速度场和温度场进行了数值计算。