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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

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....     

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。     

双组分混合物一维超音速分离管内数值模拟

 建立了存在自发凝结的双组分混合物的一维跨音速流动数学模型，对双组分可凝结混合物在分离管中的流动进行了数值模拟，给出了沿喷管轴向的液相参数分布,模拟结果与相关文献实验结果基本一致。将上述模型应用到结构更为复杂的超音速分离管中，得到了超音速分离管内双组分可凝结混合物的流动参数及其分布，揭示了超音速分离管内部主要流动与凝结参数的变化规律。     

超音速冷凝分离过程的自发成核影响因素分析

建立了两相双组分超音速冷凝流动三维湍流模型,对含湿气体在超音速冷凝流动中的自发成核进行预测。采用两相欧拉-欧拉控制方程组描述气液两相流动,引入经典成核理论模拟水蒸气的自发成核。模型计算结果与实验值吻合较好。以水蒸气和甲烷的混合气体为介质,模拟研究了天然气在超音速冷凝流动中的自发成核,得出了天然气超音速冷凝分离装置的结构参数和操作参数对自发成核的开始位置、强度、成核区轴向长度和最小临界成核半径的影响规律。研究结果表明,对超音速冷凝分离装置的分离性能有显著影响的操作参数足初始水蒸气分压和初始温度,所有的结构参数都影响分离性能;所有的操作参数都对能耗有显著影响,而结构参数中只有旋流发生器高度对能耗有影响。     

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。     

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。     

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.     

再循环腔进口位置对超音速分离器流场影响数值分析

超音速分离器作为一种新型、高效的分离设备,具有传统分离方式和设备不可比拟的高效性和经济性。在相同的结构尺寸下,对传统超音速分离器与再循环超音速分离器进行了对比数值模拟。结果表明,在相同的出口压力下,再循环分离器的流场分布较传统分离器好,且能使激波远离喉部,扩大超音速流动的区域范围,有利于气液分离。同时,针对再循环腔不同进口位置对流场稳定性的影响进行了分析。结果表明,进口位置在Laval喷管出口时,流场稳定性较好,有利于提高分离性能。     

一种先旋流后膨胀型超声速分离器脱水性能实验

根据角动量守恒原理,设计加工了一套包含中心体的先旋流后膨胀型超声速旋流分离装置,并搭建室内实验系统对该分离装置的脱水性能进行研究,主要分析了压力恢复系数对露点降的影响和旋流对分离器过流能力的影响。结果表明：经先旋流后膨胀型超声速旋流分离器分离后,分离器干气出口的水露点可达到−2.8℃,露点降可达34.9℃,且露点降随着压力恢复系数的增加而减小;保持分离器的压力恢复系数小于70%时,干气出口的水露点降最少达18℃,分离器可正常工作;在不同入口压力条件下,分离器的水露点降基本相同,分离器的流量适应能力较强,脱水性能稳定;旋流强度增加将减小通过分离器的流体质量流量,只有来流的质量流量达到设计的临界流量时,分离器才可正常工作。