气—液两相流高速旋流分离器研究

论文摘要

近几年随着油价的飙升（达到110美元/桶）,人们不得不考虑开发其他能源产品。而我国有着丰富的天然气资源,天然气的开发与利用就显的格外重要。在天然气处理工艺中天然气脱水是尤其关键的一步,脱水的目的主要有两个：一是防止水合物的形成,这样可以防止堵塞运输管道和相关设备,从而提高输送效率；二是在水与天然气中的CO：和H2S会形成酸,这样会腐蚀管道和设备,从而增加了后期维护成本。由于传统的脱水方法有诸多弊端,如系统复杂、成本高、能耗大、有时还需注入化学药剂、污染环境等。因此,近十年来超音速低温旋流气-液分离技术得到了国内外专家的一致认可,因为它简单可靠、无需化学药剂、结构紧凑轻巧、密闭无泄漏、支持无人值守等优点,并且实现了保护环境和节约成本的双重效益。超音速低温旋流气-液分离技术综合了气体动力学、热力学和流体力学等理论,将绝热膨胀、低温凝析、旋流分离、减速扩压等处理过程集中在一个密闭紧凑的装置内完成的。本文首先利用相关国内外研究结果,结合本套装置的特点,提出了直管段的设计方法、分离段的设计方法、超音速导流叶片的设计、分离器材料的选择、并着重对扩压管段设计方法进行分析,并且提出了设计扩压段时应注意激波的影响和为了避免边界层分离的方法。由于拉法尔喷管是超音速旋流分离器的关键部件,所以对其单独拿出一章进行研究,根据相关基础知识,提出了稳定段的设计方法、喉部设计方法、收缩段的设计方法、扩张段的设计方法并对这些方法进行了验证,喷管出口气流均匀,且达到设计的马赫数,并对喷管内部物性变化进行了分析。本文最后利用计算流体力学（CFD）软件FLUENT对超音速分离器的内部流场进行了数值模拟,并且得到了温度、压力、速度的变化规律。通过改变几何模型,来分析超音速分离器不同几何尺寸对其分离性能的影响。结果表明,喷管收缩段长度、喷管扩张段长度、分离器扩压段长度,以及扩压段出口直径对超音速分离管内部流动特性影响不大；喷管扩张段出口直径、喉部直径以及分离段的长度对超音速分离管内部流动特性有重要影响,另一方面喉部尺寸不能随便的变动。因此,根据数值分析的结果,可以对气-液两相流高速旋流分离器的设计提供可靠的帮助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 传统天然气处理技术
• 1.2.1 传统天然气脱水技术
• 1.2.2 传统天然气脱烃技术
• 1.3 高速旋流分离器国内外发展现状
• 1.4 高速旋流分离器结构特点及工作原理
• 1.4.1 结构特点
• 1.4.2 工作原理
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 气-液两相流高速旋流分离器结构设计
• 2.1 扩压管段设计分析
• 2.1.1 扩压管段概述
• 2.1.2 扩压管段设计方法
• 2.1.3 设计扩压管段是的注意事项
• 2.2 分离段设计
• 2.3 直管段设计
• 2.4 旋流发生装置设计
• 2.4.1 影响导流叶片气动力特性的几何参数
• 2.4.2 超音速导流叶片的选择
• 2.4.3 超音速导流叶片结构
• 2.5 高速旋流分离器材料选择
• 2.6 本章小结
• 第三章 高速旋流分离器拉伐尔喷管设计及流场数值分析
• 3.1 相关特征参量
• 3.2 喷管制冷原理
• 3.3 拉法尔喷管中气体的流动规律
• 3.3.1 基本方程
• 3.3.2 截面积变化对气流参数的影响
• 3.3.3 喷管截面的变化与气体流速的变化关系
• 3.4 拉法尔喷管的设计
• 3.4.1 稳定段设计
• 3.4.2 喉部设计
• 3.4.3 收缩段设计
• 3.4.4 扩张段设计
• 3.4.5 压强计算
• 3.4.6 温度计算
• 3.4.7 计算结果分析
• 3.5 拉伐尔喷管内部物性变化分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 气-液两相流高速旋流分离器流场数值模拟
• 4.1 关于CFD
• 4.1.1 CFD简述
• 4.1.2 CFD发展状况
• 4.1.3 CFD的求解过程
• 4.1.4 CFD软件结构
• 4.2 关于FLUENT
• 4.2.1 FLUENT概述
• 4.2.2 FLUENT基本构成
• 4.2.3 FLUENT模拟程序
• 4.3 高速旋流分离器CFD模拟
• 4.3.1 几何模型
• 4.3.2 数学模型建立
• 4.3.3 网格划分
• 4.3.4 边界条件
• 4.3.5 数值计算结果分析
• 4.4 相关几何尺寸对旋流分离器的流动特性的影响
• 4.4.1 喉部尺寸对分离器的影响
• 4.4.2 扩压段出口直径的影响
• 4.4.3 增加分离旋流段与扩压段长度对分离器的影响
• 4.4.4 分离旋流段长度对分离器的影响
• 4.4.5 超音速旋流分离器尺寸最终的确定
• 4.4.6 喷管扩张段出口直径对分离器的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 高速旋流分离器经济效益对比
• 5.1 经济对比
• 5.2 高速旋流分离器利用方法
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 详细摘要