超音速分离管的研发及其流动与传热传质特性的研究

论文摘要

天然气脱水是天然气进入输送管路前进行集中处理的一个非常重要的环节。通过脱除天然气中的水分,可以有效防止生成气体水合物,避免堵塞管道阀门,减小管路压降,从而保证安全生产。常规的天然气脱水技术有一系列的优点,如分离效果好、除湿深度大、可以达到较低的露点温度等。所以常规方法在一定程度上都得到了广泛的应用。但这些常规方法也存在许多缺点,如设备庞大、投资高、能耗大,还会造成一定的环境污染等。本文介绍了一种全新的天然气脱水技术——超音速分离管技术,并首次对其进行了较为系统深入的理论与实验研究。概括起来,本文主要做了下面几项工作:对超音速分离管的工作机理及设计进行了系统的理论分析,独立提出了超音速分离管的结构和设计方法。对超音速分离管的设计思路进行了分析,得出了超音速分离管设计的一些基本原则。分别给出了理想气体和实际气体喷管的设计方法。重点介绍了流体为高压、多组分的天然气时,采用BWRS实际气体状态方程作为计算的基本方程对喷管喉部尺寸设计的详细过程。在此基础上,建立了以BWRS状态方程为基础的超音速分离管设计计算方法,申请了国家发明专利、实用新型专利以及国家软件著作权各1项并获得授权。在所开发成功的超音速分离管设计软件中,只要输入天然气各组分的摩尔分数、超音速分离管的入口参数,以及天然气的日处理量,就可以计算出超音速分离管所有部件的控制尺寸,完成超音速分离管的结构设计。设计并加工了一套超音速分离管,并搭建了室内实验台,进行了系统全面的室内实验研究。实验结果表明,独立提出的超音速分离管的结构是成功的,超音速分离管具有良好的气液分离性能,整个气液分离过程不需要消耗任何外部机械功和化学物质;压损比越大,露点降越大。如果要获得较低的干气出口露点或较大的露点降,那么必须以牺牲一部分初始压力作为代价;保持超音速分离管入口流量为临界流量是保证超音速分离管具有良好气液分离性能的必要条件;压损比、激波产生的位置是影响超音速分离管工作性能的关键。改进旋流器的设计,使其摩阻尽量小,从而使激波向远离Laval喷管喉部方向移动,可以有效改善分离管的工作性能。在目前所设计的三个旋流器中,旋流器A的

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 常规天然气脱水技术
• 1.2.1 吸收法
• 1.2.2 吸附法
• 1.2.3 冷却法
• 1.3 超音速分离管技术
• 1.3.1 发展现状
• 1.3.2 基本结构及工作原理
• 1.4 存在的问题及本文的主要工作
• 第2章 超音速分离管设计
• 2.1 引言
• 2.2 设计思路
• 2.2.1 Laval 喷管
• 2.2.2 旋流器和分离段
• 2.2.3 扩压管
• 2.3 设计方法
• 2.3.1 低压下喷管喉部尺寸的设计
• 2.3.2 高压下喷管喉部尺寸的设计
• 2.4 超音速分离管设计软件
• 2.5 本章小结
• 第3章 超音速分离管室内实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验系统
• 3.3 实验方案及过程
• 3.4 实验结果及分析
• 3.4.1 流动参数对分离性能的影响
• 3.4.2 几何结构对分离性能的影响
• 3.4.3 初步结论
• 3.5 实验数据的误差分析
• 3.6 超音速分离管内流动过程的气体动力学分析
• 3.6.1 基本假设
• 3.6.2 基本方程
• 3.6.3 方程组的求解
• 3.6.4 计算结果分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 超音速分离管内部二维流动的分析计算
• 4.1 引言
• 4.2 基本假设
• 4.3 数值模拟
• 4.3.1 几何模型
• 4.3.2 基本方程
• 4.3.3 湍流模型
• 4.3.4 网格划分
• 4.3.5 边界条件
• 4.3.6 近壁区处理
• 4.3.7 求解方法
• 4.3.8 计算结果及分析
• 4.4 几何参数对超音速分离管流动特性的影响
• 4.4.1 数值计算方案
• 4.4.2 计算结果讨论
• 4.5 本章小结
• 第5章 超音速两相凝结流动的理论分析
• 5.1 引言
• 5.2 超音速两相凝结流动的特点
• 5.3 研究历史与现状
• 5.4 超音速两相凝结流动中有关问题的分析
• 5.4.1 水蒸汽状态方程
• 5.4.2 液滴表面张力
• 5.4.3 液滴密度
• 5.4.4 汽—液相间的平衡条件
• 5.4.5 凝结成核理论模型
• 5.4.6 液滴生长模型
• 5.5 本章小结
• 第6章 超音速两相凝结流动的数值分析
• 6.1 引言
• 6.2 基本方程
• 6.3 计算过程
• 6.3.1 双组分混合物热力学参数的计算
• 6.3.2 计算方法
• 6.3.3 程序设计
• 6.4 模型验证
• 6.5 超音速分离管内实际流动过程计算
• 6.5.1 计算结果
• 6.5.2 计算结果的可靠性分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录1 高压下喷管喉部尺寸设计详细过程
• 附录2 实验数据
• 附录3 气体动力学分析方程求解过程
• 附录4 物性参数
• 附录5 超音速两相凝结流动方程组的求解
• 附录6 超音速两相凝结流动方程组计算程序框图
• 攻读博士学位期间取得的成果
• 致谢