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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

双组分气体自发凝结成核模型修正

针对双组分气体自发凝结经典成核模型及Looijmans修正的经典成核模型存在未考虑真实气体效应或考虑真实气体效应时化学势差计算复杂、成核动力项生长速率向量中碰撞率的计算采用了理想气体的表达形式、未考虑液滴曲率半径对表面张力的影响的缺点,对双组分气体自发凝结成核模型进行了修正。将以上缺点均修正的修正模型1的计算结果与实验数据的偏差较大,最小偏差仍大于2个数量级,认为是不准确的液滴表面张力模型的引入造成的结果。仅考虑真实气体效应修正和碰撞率计算修正的修正模型2较修正模型1的计算结果更为接近实验值,误差可在2个数量级以内。修正模型2对不同介质双组分气体自发凝结成核预测值较Looijmans模型预测值更接近实验值,且大部分情况下较Kalikmanov提出的半现象学理论模型更为准确,推荐使用修正模型2进行双组分气体自发凝结成核率预测。     

气井超声速激波雾化喷管的PSV试验研究

天然气在开采过程中存在"气井积液"现象,为了排除积水并保障生产的连续性,采用了超声速激波雾化技术,为了验证该技术中心喷管的雾化效果,利用粒子阴影图像测速技术(PSV),对比分析了拉瓦尔喷管和直孔喷管在不同进口压力条件下的雾化性能;利用数字图像处理算法,同步测量液滴粒径和液体速度,验证了拉瓦尔喷管雾化技术的有效性和可行性。研究结果表明:气相被喷管加速之后,可以促进液滴破碎为小液滴,从而起到雾化作用;利用PSV技术证实了拉瓦尔喷管的雾化性能要优于直孔喷管,液滴随着来流气相压力的增大获得了更大的动能,在与速度更高的气体碰撞之后,液滴平均粒径进一步减小;气相中应该添加另一种示踪粒子,使该粒子的跟随性好,且其粒子图像能与液滴的图像区分开,由此进一步获得气相和液相的流场分布。研究结果可以为低产气井的积液排除提供技术支撑。     

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.     

基于气液分离的天然气双入口优化设计

天然气井采出的天然气通常含一定量的液体，这些液体不仅会堵塞管线、阀门，影响流量计计量的精确度，而且还会腐蚀设备、管道、仪表，易引起振动，破坏管道结构，严重影响集输生产管道寿命与安全，因此需尽快对采出液进行气液分离。为此，根据油气田现场采出液工况，设计了双入口气液分离器，并采用欧拉多相流模型，耦合标准k-ε湍流模型，对分离器内部的流场分布和分离特性开展了数值模拟研究。研究结果表明：(1)由于双入口的存在，分离器入口处湍流强度较小，流动较为平稳，能够增加入口气液混合液的分层程度，减少分离器下部发生折返的气体流量，进而减少气体出口带液量；(2)当入口液滴粒径大于0.1 mm时，仅有极少量的气体从液体出口流走，能够取得较好的分离效果；(3)随着分流比的减小，液体出口液体体积分数迅速增加，气体出口液体体积分数缓慢增加；(4)入口液体体积分数的变化主要影响分离后气体的纯度，对分离后液体的纯度影响较小。结论认为，在实际应用过程中，对于液滴粒径较小的来液工况，无论入口液体体积分数如何变化，均应调节分流比小于入口液体体积分数，使其液位略高于液体出口，以提高气液分离的效果。     

杂质气体对二氧化碳驱影响模拟研究

二氧化碳驱是一种行之有效的提高采收率的技术,为设计经济可行的二氧化碳驱方案,需要对二氧化碳中的杂质气体对原油相态和驱替效果的影响进行研究。在实验基础上建立了纯二氧化碳——原油体系模型,计算不同杂质气体对该体系的相态影响;采用细管实验和状态方程方法确定最小混相压力,分析杂质气体对最小混相压力的影响;通过拟合长岩心纯二氧化碳驱替实验数据,计算了不同杂质气体对驱替过程的影响。研究结果表明,氮气和甲烷的混入不利于原油降粘和膨胀;最小混相压力随氮气和甲烷摩尔分数的增加而增加,随中间烃组分摩尔分数的增加而降低;中间烃组分能使二氧化碳的驱油效率增加,而氮气和甲烷的存在使驱油效率降低。     

杂质气体对二氧化碳驱最小混相压力和原油物性的影响

注入二氧化碳中混有的杂质气体会不同程度地影响二氧化碳驱最小混相压力和原油物性。研究杂质气体含量对二氧化碳驱的影响对制定合理有效的开发方案具有重要意义。利用数值模拟方法,在原油PVT数据拟合的基础上,研究了甲烷与氮气这2种杂质气体的含量对二氧化碳驱最小混相压力的影响,分析了杂质气体对二氧化碳驱原油物性的影响。结果表明,甲烷与氮气会不同程度地增大二氧化碳驱最小混相压力,且氮气对最小混相压力的影响更显著。当注入气的摩尔分数为60%时,纯二氧化碳气体可使原油粘度降低71.9%,体积膨胀系数达1.42;含30%摩尔分数的甲烷注入气使原油粘度降低69.72%,体积膨胀系数为1.41;而含30%摩尔分数氮气的注入气使原油粘度降低65.92%,体积膨胀系数为1.36。对于目标区块,注入二氧化碳中甲烷的临界摩尔分数为5.6%,氮气的临界摩尔分数为2%。     

单组分气体自发凝结成核率模型修正

单组分气体自发凝结成核率预测模型中,内部一致经典成核理论（ICCT）因其较好的准确度得到了较为广泛的关注,但该模型仍存在未考虑真实气体效应及液滴曲率半径对表面张力影响的缺点。鉴于此,从两方面对ICCT模型进行了改进与修正,并与水、重水、醇类（正丙醇、正丁醇）、烃类（正庚烷、正辛烷）等成核率实验数据进行对比,以验证模型的准确性。研究结果表明：同时考虑真实气体效应及液滴曲率半径对表面张力影响时,水及重水修正模型计算结果比ICCT模型更好,但醇类、烃类等气体计算结果反而不如ICCT模型,预测效果较差,认为产生此现象的原因是Benson & Shuttleworth（BS）表面张力模型的不准确性;仅考虑真实气体效应的修正模型对各类介质的计算结果均取得了比ICCT模型更好的预测结果,推荐在成核率计算时使用此模型。     

乙烯工艺减粘塔气液分离性能研究

利用滤膜法和在线检测方法研究急冷油减粘塔的气液分离性能,分析入口气速、液滴质量浓度及液体粘度对分离效率的影响规律。结果表明,当入口气速为10～20m/s时,减粘塔的分离效率随入口气速的增大而升高;随着排气心管内径的增大,减粘塔的气液分离效率逐渐降低,但下降幅度不大;当入口液滴质量浓度为0.5～1.5g/m3时,随着液滴质量浓度的增加,减粘塔的分离效率逐渐升高;在不同入口液滴质量浓度和不同入口气速下,减粘塔出口的液滴粒径分布相似,粒径4μm以上液滴全部被除净。