超音速分离管的研发及其流动与传热传质特性的研究

超音速分离管的研发及其流动与传热传质特性的研究作者：刘恒伟学位授予单位：北京工业大学相似文献(10条)1.期刊论文何策.张晓东国内外天然气脱水设备技术现状及发展趋势-石油机械2008,36(1)目前,国外天然气脱水应用最多的方法是溶剂吸收法中的甘醇法.国内中石油股份公司内天然气集输系统采用的脱水设备主要有长庆油田的三甘醇脱水净化系统;西南油气田分公司的J-T阀低温分离系统;大庆油田的透平膨胀机脱水系统;塔里木气田的分子筛脱水及低温分离脱水系统.针对这些设备目前存在的装置相对复杂、系统运行成本高、三甘醇的处理和再生难以解决及环境污染等问题,介绍了超音速天然气脱水系统的结构及工艺流程,认为该技术将成为天然气脱水技术的发展趋势.2.会议论文王俊奇.徐永高.白博峰.郑小宝超音速天然气绕三角翼旋流的数值仿真2006从井口采出的天然气中常常含有天然气液烃和水,在一定的压力和温度下,天然气液烃和水以汽态形式存在于天然气中.天然气中水分的存在,对于含有H2S、CO2等酸性物质的天然气,会形成腐蚀性液体,造成管道和设备的腐蚀.因此,必须将天然气中的水分脱除.目前将天然气中的气态水和烃类物质分离脱出的方法有固体吸附法、溶剂吸附法、低温分离法等.这些技术方法都是传统使用的方法,其共同点是工艺技术较复杂,运行维护费用较高.本文将超音速分离技术引入天然气脱水工艺,首先在超音速喷管中使流速加快、温度快速下降致使饱和水凝结成液滴从气流中分离出来.再通过超音速翼在流道中产生旋涡流动,将原先较高的轴向流速中一部分转变成切向速度,从而将附着在管内壁上的凝结水滴甩出,达到脱水的目的.本文结合气体动力学、热力学、流体力学等基础理论,在建立数学模型的基础上,采用数值仿真的方法,分析了不同攻角、不同截面的流场分布,仿真结果表明用三角翼在10°攻角、0.29°扩张管道时,流体产生了足够的切向旋流和离心力,这为装置的设计和制造提供了理论依据。3.会议论文庞会中.刘中良.蒋文明.鲍玲玲.张建.张新军.李清方一种新型超音速气体净化分离装置研究2009超音速分离管技术是一种全新的天然气脱水技术，同常用天然气脱水技术相比，具有投资少、效率高、能耗低、无污染、体积小等关键优点，这也是其便于应用于海上平台天然气处理的关键因素，但是该技术存在压力损失过大的缺点。为了降低处理过程中的压力损失，对超音速分离管系统内拉伐尔喷管作结构优化，依据等效面积法将普通拉伐尔喷管简化成异型拉伐尔喷管，并对其作了系统的室内实验研究。实验结果表明该新型超音速分离管具有较好的除湿性能，压力损失81.43％时进出口露点降可达27.9℃。4.会议论文蒋文明.刘中良.刘恒伟.张建.张新军.冯永训超音速分离管内部流动的二维数值模拟与分析2007为了克服现有天然气脱水技术的不足,基于气体动力学和传热传质学理论提出了一种新型的天然气超音速分离管装置。介绍了其基本结构和分离机理,对装置内部流动进行了合理假设,建立了几何模型,并利用张量形式的时均方程组对其内部的稳态可压缩湍流流动进行了求解,得到了超音速分离管内部流动参数的分布。计算结果与之前的实验结果及气体动力学分析基本一致,为分离管几何结构优化提供了理论基础。5.学位论文李震东超音速旋流分离器喷管设计与相变特性研究2006天然气脱水和重烃分离是油气田地面生产的重要工艺环节，传统的低温分离工艺分离效率低、投资和运行费用高、加热防冻困难、防冻剂用量大。针对此类问题提出的免加热或免加注防冻剂的超音速旋流分离器新技术是天然气处理工艺技术的一大革新。超音速旋流分离器由喷管、整流段、超音速翼段和扩压管四部分组成。天然气通过喷管绝热膨胀形成低温超音速流动，利用超音速翼形成旋流场分离经过低温冷凝的水份和重烃组分。将绝热膨胀、低温凝析、旋流分离、减速扩压等处理过程都在一个密闭紧凑的装置内完成，该装置无移动部件，无再生系统，可使投资和运行费用减少10～25％。超音速旋流分离器中的天然气压力高达几个Mpa甚至十几个Mpa，温度降至零下几十摄氏度，属高压、低温气体，应按实际气体状态方程计算状态参数。本文利用BWRS方程，按一维等熵流动假设，编程求解了天然气在不同入口条件下的临界参数，计算了相应的喷管喉部面积，并与按理想气体计算的结果进行了对比。依据气体动力学、热力学和流体力学理论，提出了超音速旋流分离器喷管设计方法：亚声速收缩段按照维托辛思基曲线设计，喉部设计成一段光滑圆弧，超音速扩张段按照富尔士法设计，喷管出口气流均匀，达到设计的马赫数。本文根据相变理论、气体动力学理论并考虑了实际气体的影响，建立了描述有相变的喷管中天然气高速流动的数学模型。讨论了喷管内有相变的天然气的流动特性：气体要达到一定的过饱和度才会凝结；喷管内的气体发生凝结时，会释放潜热，加热气体，使气体产生凝结突跃现象。计算了不同入口条件下的相变起始点位置和水蒸汽的凝析率；分析了当喷管入口温度一定时，相变起始点、水蒸汽凝析率与入口压力的关系。计算结果表明，随着入口压力的升高，相变起始点位置逐渐前移，水蒸汽凝析率逐渐增大。分析了影响超音速旋流分离器正常工作的因素，给出了一种估计超音速旋流分离器正常工作的压力范围的方法。6.期刊论文蒋文明.刘中良.刘恒伟.张建.张新军.冯永训.JIANGWen-Ming.LIUZhong-Liang.LIUHeng-Wei.ZHANGJian.ZHANGXin-Jun.FENGYong-Xun超音速分离管内部流动的二维数值模拟与分析-工程热物理学报2008,29(12)为了克服现有天然气脱水技术的不足,基于气体动力学和传热传质学理论提出了一种新型的天然气超音速分离管装置.介绍了其基本结构和分离机理,对装置内部流动进行了合理假设,建立了几何模型,并利用张量形式的时均方程组对其内部的稳态可压缩湍流流动进行了求解,结果发现在轴向-400mm至-200mm之间发生了激波现象,导致气流速度急剧下降,压力急剧上升,温度急剧上升.计算结果与之前的实验结果基本一致,为分离管几何结构优化提供了理论基础.7.学位论文鲁树东天然气超音速脱水试验研究2008天然气超音速脱水装置集低温功能和分离功能于一体，使整个分离过程在一个密闭紧凑的装置内进行。装置设备简单，可靠，密闭无泄漏，没有任何旋转部件，无需化学药剂。论文介绍了超音速旋流分离器的结构组成及其工作原理。对分离介质在各部件内的流动状态进行描述，通过对气体在喷管中的流动规律进行研究，建立喷管截面积变化与气体流速变化的关系，分析截面积变化对其内部流场分布的影响，建立喷管壁面曲线方程，提出超音速旋流分离器的设计方法。论文进行了超音速脱水装置的室内试验及现场试验，试验表明此装置用于天然气脱水性能可靠，能脱出大量水和轻烃，在38bar压力下能使天然气露点降低20℃以上，抑制了集输过程中水合物的生成。试验验证了设计思路方法的正确性，为超音速旋流分离器的结构设计提供了依据。论文研究成果为超音速旋流分离器的设计、制造、工业推广奠定了基础。8.期刊论文陈赓良.雷鸣.ChenGengliang.LeiMing超音速涡流管脱水工艺评述-石油与天然气化工2009,38(4)本文扼要介绍了超音速涡流管(Twister分离器)技术及其在原料天然气水露点控制工艺方面的应用.文章指出:(1)利用超音速涡流管制冷新工艺进行原料天然气的水露点控制与烃露点控制具有明显的节能和环保优势,是当前在全球范围受到普遍重视的新工艺;(2)此项新工艺对西南油气田公司含硫天然气的水露点控制颇具实用价值;(3)国外经验表明在超音速涡流管制冷工艺的技术开发过程中进行一定规模的现场试验是必须的;(4)此类装置在处理含硫原料时必须特别注意材质与防腐问题,也需要相应地解决含硫污水的处理问题.9.期刊论文蒋文明.刘中良.刘恒伟.张新军.张建新型天然气超音速脱水净化装置现场试验-天然气工业2008,28(2)传统的天然气脱水技术存在处理量小、设备占用空间大、投资高、维护工作量大等缺点.2000年壳牌公司最先将超音速脱水技术用于天然气处理.它利用天然气在超音速状态下的蒸气冷凝现象进行天然气脱水,将膨胀机、分离器和压缩机的功能集中于一体.该装置具有无运动部件、结构简单可靠、无需人员职守、制造运行成本低等优点.2003年中国石化胜利油田和北京工业大学在国内率先开展了超音速分离管的研发工作,相继完成了基础理论研究、数值模拟研究、室内试验研究,近来又进行了现场试验研究,为超音速脱水工业化的可行性进行了验证.试验发现:超音速分离管进出口天然气露点降最大逾35℃,最小逾10℃;分离管的产液量为17mL/m3,整个系统的产液量在28～40mL/m3.该系统不仅有效地降低了天然气的水露点还可进行轻烃回收工作.10.学位论文庞会中新型超音速气体净化分离装置设计研究2009天然气超音速分离管技术是一种全新的天然气脱水技术，同常用天然气脱水技术相比，具有投资少、效率高、能耗低、无污染、体积小等关键优点，但是存在处理过程压力损失过大的缺点。本文利用结构优化的方法来解决这一问题，主要做了下面几项工作：介绍了超音速分离管技术的工作原理及优点，归纳总结了其国内外发展历程及主要成果，通过超音速分离管技术同常规海上天然气集输方式TEG、CRA、CS的比较，表明超音速天然气脱水系统结构的简单性使得系统的投资费用减小。同时增大了铺设管道的灵活性；降低了由于湿气输送带来的压力损失；避免了由于湿气输送产生的腐蚀等问题。通过工艺选择、工艺流程设计、主要设备、项目的实施及Twister设施性能等方面详细介绍了超音速分离管技术在B11海上平台上的应用。超音速分离管技术应用于海底可进一步缩短用于湿气输送的管路，从而可进一步减小投资费用及湿气输送带来的压力损失。设计并加工了一套新型超音速分离管，并进行了系统全面的室内实验研究。普通超音速分离管存在压力损失过大的缺点，应用等效横截面积法设计出了一种新型超音速分离管，此分离管中拉伐尔喷管由内部固体和外部壳体组成，旋流叶片位于内部固体上，即将拉伐尔喷管同旋流器结合在了一起。设计过程中应用了空气动力学的相关理论，避免了在分离口之前产生激波，同时计算出了给定工况下直管段的极限管长。试验结果表明此种新型超音速分离管具有一定的气液分离性能，露点降随压损比增大而增大，最大达27.19℃(压损比为81.43％)。建立了新型超音速分离管内二维稳态绝热流动的数学模型，应用FLUENT商业软件进行了数值模拟。由于雷诺应力模型中没有采用涡粘度的各向同性假设，因此从理论上说比湍流模式理论要精确得多，同时其它模型无法考虑流动方向表面曲率变化的影响，湍流模型最终选择了雷诺应力模型。计算所得到的超音速分离管内部流动参数的变化规律与设计计算的结论一致。本文链接：授权使用：上海海事大学(wflshyxy)，授权号：7847cbfe-4fc4-4581-bcfd-9e1f00f619c6下载时间：2010年10月30日