不同压力下Laval喷管天然气超声速脱硫化氢性能

为了研究采用Laval喷管实现天然气中硫化氢气体凝结与液化的可行性,建立了天然气中硫化氢气体超声速凝结的数学模型,研究了Laval喷管内甲烷-硫化氢混合气体超声速流动基本规律,对比了不同压力下Laval喷管天然气超声速脱硫化氢性能。结果表明:当甲烷-硫化氢双组分混合气体流入喷管后,经过喷管的渐缩段,马赫数不断增大,压力温度不断降低,在喉部处达到声速,流经喉部后气体高速膨胀,马赫数最大可达2.06;随着入口压力的升高,成核率起始位置前移、成核区域变窄,液滴数目减小,液滴半径和液相所占比重增大,Laval喷管出口处气相中硫化氢摩尔分数降低,硫化氢的脱除效率增大。     

Laval喷管内天然气低温脱除硫化氢机理

为了揭示低温条件下天然气中硫化氢气体超声速凝结特性,为实现天然气超声速旋流分离技术在天然气脱硫化氢领域的应用提供理论依据,建立了甲烷-硫化氢双组分气体超声速凝结流动数学模型,对Laval喷管内不同组分比例条件下甲烷-硫化氢双组分气体凝结流动进行了数值模拟,得出了Laval喷管内温度、压力、速度、成核率、液滴数目、液滴半径、液相质量分数的分布情况。结果表明,随着入口硫化氢含量的增加,入口过冷度增加,更容易达到凝结所需要的极限过冷度,成核发生位置越靠近喉部,且成核区间变窄,极限成核率增大;硫化氢气体凝结释放的潜热对流场产生影响,使得马赫数和过冷度略有降低,之后几乎保持稳定至出口;入口硫化氢含量较高时,硫化氢液滴半径较大,Laval喷管出口液相所占比重较大;而当入口硫化氢含量较低时,液滴半径明显减小,Laval喷管出口液相硫化氢所占比重几乎为0,硫化氢的脱除效率较低。     

入口压力对天然气超声速液化特性的影响

为研究入口压力对天然气混合物超声速液化特性的影响规律,建立了三维双组分天然气混合物超声速凝结流动数学模型,对Laval喷管内双组分混合物凝结流动进行了数值模拟,得出了沿Laval喷管轴向的参数分布,通过开展双可凝组分气体凝结相变实验,对比发现数值模拟与实验结果基本一致,说明了所建立的数学模型及计算方法的正确性。还研究了入口压力对甲烷-乙烷混合物超声速液化特性的影响,结果表明,保持Laval喷管入口温度及组成不变,增大入口压力,混合气体成核位置前移,成核率、平均液滴半径、液相质量分数均随之增大,即入口压力越大,混合气体在Laval喷管内越易发生凝结,在实际生产中可以通过调节入口压力来促进天然气的凝结,提高Laval喷管的液化效率。     

天然气超音速低温液化技术研究

液化是天然气利用的一种重要形式,在天然气消费中占有重要地位,天然气超音速液化技术是一种新型的天然气液化手段。为研究低温条件下天然气超音速凝结过程,特设计用于天然气超音速液化的Laval喷管,采用内部一致经典成核理论及Gyarmathy模型计算成核率及液滴生长率,在入口压力6 MPa、温度273.15 K的工况下,通过Fluent软件数值模拟了天然气超音速液化过程中主要参数在Laval喷管内的分布情况。结果表明:天然气进入Laval喷管后压力、温度不断降低(最低压力0.796 MPa,最低温度191 K),与等熵(无凝结)流动相比,天然气在Laval喷管喉部之后的一段距离饱和度增大到一定值时,由于释放潜热对气流的加热作用,压力开始升高,天然气产生凝结冲波现象,极限成核率为2.60×10~(21)/(kg·s);随着凝结潜热的释放,成核率急剧变为0;凝结核生成后伴随着液滴的继续生长,在Laval喷管出口处天然气凝结的液滴半径为3.90×10~(-7) m,液滴数目为7.42×10~(14)/m~3,液相质量分数达0.232,取得了良好效果。     

Laval喷管内激波位置的计算及制冷性能分析

明确激波在Laval喷管内的发生位置,能够为设计及优化Laval喷管线型提供理论依据,从而提高Laval喷管的制冷性能和整个天然气超音速分离器的分离效率。文中对Laval喷管进行了结构设计,对不同背压条件下Laval喷管内激波位置进行了理论分析与计算,并利用FLUENT软件进行了数值模拟,通过研究不同背压条件下Laval喷管内气体马赫数、压力和温度分布,对喷管制冷性能进行了对比分析。结果表明:保持Laval喷管入口压力不变,随出口背压增大,激波位置逐渐从喷管出口向喷管入口方向移动,气体受到激波的影响,在喷管所能达到的最大马赫数不断降低,所能产生的最低温度不断上升,喷管的制冷性能越差;理论计算与数值模拟结果基本一致,数值模拟验证了理论计算的正确性。     

含湿天然气超音速凝结研究

在气液无滑移假设下建立了天然气超音速凝结数理模型,研究了天然气中水蒸气的超音速凝结过程,并分析了Laval喷管扩张段半扩张角对凝结的影响.结果表明凝结模型是合理的,液滴成核只发生在喷管喉部后非常狭窄的区域,此后水滴的生长变得非常缓慢,直至喷管出口不再发生显著的增加;喷管半扩张角的大小对液滴的成核、生长有显著影响,成核位置随半扩张角的增加略向上游移动;喷管扩张段0.16°半扩张角在总压损失、出口马赫数、出口液滴尺寸等方面具有最佳的综合效果.     

Laval喷管结构对流动特性和制冷性能的影响

Laval喷管作为天然气超音速旋流分离器的核心部件,其几何结构对喷管制冷性能和分离器的分离效率有着决定性影响。文中利用FLUENT软件进行数值模拟,系统研究了Laval喷管渐缩段线型、渐扩段张角及旋流器位置对Laval喷管内压力分布和制冷性能的影响。结果表明:渐缩段线型对喷管制冷性能有较大影响,采用维托辛斯基曲线进行Laval喷管渐缩段的设计可以获得较好的制冷效果;渐扩段张角越大,温降趋势越明显,喷管出口所能获得的温度越低,制冷效果也越好,但随着渐扩段张角的增大,在喷管存在背压的情况下易造成激波前移,破坏喷管内的低温环境;Laval喷管(加旋流器)的旋流分离能力和制冷性能存在着明显的制约关系,需要在二者之间寻找一个平衡点,使得Laval喷管(加旋流器)可以取得较好的旋流效应和膨胀制冷效果。     

湿天然气凝结流动的双组分模型

基于气液相间滑移的影响,建立了适用于湿天然气凝结系统的水蒸气-甲烷双组分自发凝结流动数理模型,研究了水蒸气在以甲烷为载气的超声速流动中的凝结规律,对比了不考虑相间滑移的单流体模型与加入了相间滑移因素的双组分模型在自发凝结过程中的凝结规律的区别,分析了压力、温度对湿天然气在Laval喷管中自发凝结的影响.结果表明,湿天然气中相间滑移作用对凝结参数影响较大,本文建立的包含相间滑移因素的双组分模型能更准确的预测湿天然气的凝结特性;在凝结初始阶段相间滑移速度较大达到7.2 m/s,对湿天然气的自发凝结规律影响较大,随凝结过程的不断进行气液两相逐渐达到平衡,相间滑移速度逐渐降低至1.8 m/s;随入口温度的降低、入口压力的升高最大凝结成核率位置向入口方向移动。     

收扩喷管非平衡凝结流动的数值模拟

跨音速流动中的非平衡凝结导致潜热的释放和液滴的自发凝结过程。通过将N-S方程与凝结控制方程耦合求解的方法,在不同落压比不同初始相对饱和度条件下,对收扩喷管中的凝结流动进行了数值模拟。结果表明:在收扩喷管的高速膨胀流动中,冷却速率越大,成核率越高。凝结潜热的释放使流场的总温升高,流量减少,音速线后移。     

COIL超声速流动的水汽凝结效应数值模拟

 在开发的化学氧碘激光器3维化学反应流程序中增设水汽凝结功能，模拟了以氦气和氮气作稀释气体条件下，基于RADICL装置喷管中含水汽凝结的流动。模拟结果给出了水汽凝结形成的5种尺寸液滴的数密度分布及流场各物理量分布，比较了有无水汽凝结时气流的压力、温度、增益分布的变化。模拟结果发现，凝结使气流温度在靠近喉部的下游升高，增益峰值增高。