提高喷管内天然气液化效率的方法.pdf

2 0 1 6年 4月 石油学报 石油加工 A C T A P E T R O L E I S I N I C A P E T R 0 L E U M P R 0 C E S S I N G S E C T 1 0 N 第 3 2卷第 2期 文章 编 号 i 0 0 1 8 7 1 9 2 0 1 6 0 2 0 2 7 7 1 2 提高喷管 内天然气液化效率的方法 杨 文 ，曹学文 ，王 迪 ，王 强 ， 1 ．中国石油大学 储运与建筑工程 学院，山东 青 岛 2 6 6 5 8 0 ；2 ．中国石油工程建设公司 3 ．中国石油工程建 设公司 苏丹分公司 ，北京 1 0 0 1 2 0 陈洪雨。 北京设计分公司 ，北京 i 0 0 1 0 1 摘要 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 i 0 r n时 ，不发生非均质凝结 。外界核心浓度为 1 1 0 ” ／ k g 、外界核心半径为1 1 0 m 时 ，出 口湿度较 自发 凝 结过 程 湿度 增加 8 2 ． 1 7 ，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 ． 1 0 7 ，较第 1级单独使用 时提高 1 5 5 ． 1 3 ，较第 2级单独使用时提高 3 1 ． 9 8 。两 级液化装 置较单级液化装置有更好的天然气液化效果 。 关键词 超声速 ； 喷管 ；非均质凝结 ； 两级 ； 数值模拟 中图分类号 TE 8 6 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 8 7 1 9 ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 0 8 M e t ho d s o f I m p r o v i n g t h e Na t u r a l Ga s Li q u e f a c t i o n Ef f i c i e n c y i n No z z l e YANG W e n，CAO Xu e we n，W ANG Di ，W ANG Qi a n g ，CHEN Ho n g y u 1 ．C o l l e g e o f Pi p e l i n e a n d C i v i l En g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m，Qi n g d a o 2 6 6 5 8 0 ，C h i n a ； 2 ．Be i j i n g En gi n e e r i n g Br a n c h，Ch i n a Pe t r o l e u m En gi n e e r i n g Co n s t r u c t i o n C o r p o r a t i o n，Be i j i ng 1 0 0 1 0 1，Ch i n a； 3 ．Su d a n Br a n c h，Chi n a Pe t r o l e u m Eng i n e e r i n g C o n s t r u c t i o n Co r po r a t i o n，Be i j i n g 1 0 01 2 0，Ch i n a Ab s t r a c t Co mbi ne d g a s a n d l i qu i d f l o w c o nt r o l e qu a t i on s， t he f e a s i b i l i t y of t h e h e t e r og e n e o us c on de ns a t i o n a nd t wo s t a ge s u pe r s o ni c s wi r l i ng s e pa r a t i o n a pp a r a t us t o i mpr ov e t he e f f i c i e n c y o f l i q u e f a c t i o n wa s s t u di e d by us i n g nume r i c a l s i mul a t i on ． Th e r e s ul t s s h owe d t ha t t h e p r e s e nc e o f o u t s i d e c o r e c o ul d e f f e c t i v e l y r e du c e t he g a s c on de ns a t i o n f r e e e n e r gy ba r r i e r a nd pr o mot e c o nd e ns a t i on a nd d r o p l e t g r owt h du r i ng he t e r 0g e n e o us c o nd e ns a t i o n pr o c e s s ． W i t h t he i n c r e a s e o f c o r e c on c e nt r a t i on or t he d e c r e a s e o f t he c o r e r a d i us ，t he s p ont a ne ou s c o nd e ns a t i on i ns i d e t he no z z l e wa s gr a dua l l y s up pr e s s e d a nd t he h e t e r o g e ne ou s c o nde ns a t i o n g r a du a l l y oc c u r r e d． Th e i n c r e a s e of c o r e c o nc e nt r a t i o n wa s c o nd uc i v e t o t h e oc c ur r e nc e o f c o nd e ns a t i on。wh e n t h e c o r e r a d i us c o ul d n o t b e l ar g e r t ha n 1 1 0 一m ，t o k e e p t he he t e r o g e ne ou s c on de ns a t i o n o c c ur ． Th e ou t l e t h umi d i t y of h e t e r o ge ne ou s c o nd e ns a t i o n wa s i nc r e a s e d b y 8 2 ．1 7 ， c o mpa r e d t o s p o nt a n e o us c o nd e n s a t i o n， wh e n t h e c o r e c o n c e n t r a t i o n wa s 1 1 0 ／ k g a n d t h e c o r e r a d i u s wa s 11 0 。 m．C o mb i n e d wi t h f l o w f u n c t i o n me t h o d，t h e d i f f u s e r o f f i r s t s t a g e s u p e r s o n i c c y c l o n e s e p a r a t i o n d e v i c e a n d t WO s t a g e 收稿 日期 2 0 1 5 ～ 1 2 1 O 基金项目国家 自然 科 学基 金 项 目 5 1 2 7 4 2 3 2 、国家 自然 科 学基 金 青 年 基 金 项 目 5 1 4 0 6 2 4 0 和 山东 省 自然科 学基 金 青 年 基 金 项 目 Z R 2 0 1 4 E EQ 0 0 3 资助 第一作者 杨文 ，男 ，博 士研究生 ，从事 多相流及油气 田集输技术方面的研究 通讯联 系人 曹学文 ，男 ，教授 ，博士 ，从事多相流及油气 田集输技术方面的研究 ；E ma i l c a o x w2 0 0 4 1 6 3 ． c o rn 2 7 8 石油学报 石 油加工 第 3 2卷 l i q ue f a c t i o n pr o c e s s we r e d e s i g ne d ． Th e l i qu e f a c t i on r a t e o f t wo s t a g e l i q ue f a c t i o n p r o c e s s wa s 0 ．1 0 7，t he g r o wt h r a t e wa s 1 5 5 ．1 3 a nd 3 1 ． 98 ，r e s pe c t i v e l y，c o m p a r e d t o t he hu mi di t e s o f t he f i r s t s t a ge a nd t he s e c o nd s t a ge ． Two s t a g e l i q ue f a c t i o n pr o c e s s wa s mor e e f f e c t i v e f or n a t u r a l g a s l i qu e f a c t i o n． Ke y wo r ds s up e r s on i c；no z z l e；he t e r og e n e ou s c on de ns a t i o n；t wo s t a g e；nu me r i c a l s i mul a t i on 超 声速 旋流 分 离 技 术 最 早用 于空 调 行 业 ，后 推 广应用于天然气处理过程 天然气脱水 、脱重烃 。 国内较多学者开展了相应的研究工作。L i u等 提 出了一种新型超声速旋 流脱水分离装置，采用数值 模拟及室内实验研究分析 了超声速分离管 内气体凝 结 流动 过 程及 该 装 置 脱 水 性 能 ；邱 中华 等 。 提 出 了一种锥芯超声速旋流分离装 置，数值计算分析 了 旋流分离器 内气体凝结流动过 程，并结合 室内实验 研 究 了其分 离性 能 ；We n等口 。 提 出 了一 种 包含 中 心体的先旋流后膨胀超声速旋流分离装置 ，采用数 值模拟研究分析了该装置 内气体旋流特性 、凝结特 性、颗粒分 离特性及扩 张特性等 ，结合 室 内实验 ， 评 价 了 其 脱 水 性 能 。 在 此 研 究 基 础 上 ，孙 恒 等[ 2 。 、We n等 胡提出将超声速旋流分离装置应用 于天然气液化过程 ，将气体在高速流动条件下急剧 膨胀所产生的低温效应应用于天然气液化领域 ，但 均 仅从 宏 观上 分 析 了该 方 法 的可 行性 。其 后 ，杨 文 等 结合液滴凝结、生长模型研究了旋流分离器 内 气体流动过程 、液滴凝结、生长等热力学过程 ，但 研究结 果 表 明，喷管 出 口处 的液 化率 较低 ，低 于 1 0 。因此 ，有必要研究提高液化率的方法。 马庆 芬口 曾提 出采 用外 加凝 结 核 心 的方 法 增 大 凝结液滴尺寸，从而提高超声速旋 流分离装置的液 化分离性能 ，并对空气一 乙醇体 系开展 了实验研究 ； 蒋文明等_ 2 。 也 曾研究了非均质成核对于水蒸气凝结 流 动 的影 响 ，认 为在 匹配 的外 界 核 心半 径 和 浓 度 下 可促进凝结 。同时 ，超声速旋流分离装 置具有节流 阀 、膨 胀机 、兰克 管 等 所 不 具 有 的 优 点 可 通 过 扩压段进行升压 ，回收压能继续用 于液化过程。基 于以上两点分析 ，结合数值模拟计 算，笔者研究分 析了两种促进天然气液化方式外加凝结核心 非 均质凝结 、两级超声速旋流分离液化 的可行性 。 1 凝 结数 学模 型及超 声速旋流分 离 内流动凝 结数值计 算方法 1 ． 1数 学模 型 基于欧拉双流体模 型，建立 了非均质凝结过程 气 、 微 胤 明 弪 制 刀 程 组 ， 非 均 厦 璇 致 职 力 0时 ，该 方 程组可 表 述 自发凝结 过程 。 气相 流动 控制 方程 组 如 式 1 ～ 3 所 示 ，液相 流动控制方程组如式 4 ～ 8 所示。源项表达式为 式 9 ～ 1 3 。式 4 ～ 1 3 中 的 和 m 可 由 式 1 4 ～ 1 5 计 算 ，出 口处 湿度 为 yh 【 】m 与 y h e t 之 和 ， 见式 1 6 。 一 s 1 t a 。 a z ． 』 ⋯‘ ～ ” 、一 3 “ 一 一 号 手 去[ O zu j 0 u i 一 U j ] 一10 S 2 瓦 一10 “ 十u z 2 - 0 E E 一 去 r 瓦a T s 3 ai p Y 一 s n 。 4 oi p y s ⋯ 7 “ d h o rn 丽 一 - S 一 一 mh 。 h S 一一 mh 。 m “ S h一 mh o mh Ig一 S Y _ h 。 m ， h 。 m Sy h e t t h 。 一 J h o m P 丁4 r r r N 。 l0 fD l 4 7 c r j d r d h o rn 1 4 Ni n i 4 Ya u Yh 0 Y 1 6 采 用 G i r s h i c k E 提 出的 内部 一 致 经 典 成 核 理 论 ； 5 6 7 8 9 O 1 2 3 ， 1 l 1 1 ，● ＼ 第 2期 提 高喷管内天然气液化效率的方法 2 7 9 计算液滴成核率 h 0 m ，采用 Gy a r ma t h y 模型l 2 阳计算 液滴生长速率 下d r d - h o m及 了d Y d h e t 。利用 c语言编写用 U U 户 自定 义 函数 UDF 添 加各 方 程 源项 ，并 通过 用 户 自定义标量 UD S 输运方程在 F l u e n t 中增加液相流 动控制方程组。 1 ． 2 模型 选用 、计 算方 法及 收敛 判据 选用 意 一 ∞模 型作为湍流模型 ，选用 NI S T真实 气体状态方程作为气体状态方程。 采用密度基方法对方程进行求解 ，各方程 流动 控制方程组 、湍流动能方程 、湍流耗散率方程 均采 用 二 阶迎 风格式 进行 离散 。 将 各 残 差 小 于1 1 O 、 能 量 残 差 小 于 1 1 0 一 、进 出 口质 量 流量 入 口气相 质 量 流 量 与 出 Th ei n l e to f La v a l n o z z l e 口气相与液相质量流量之和 相对误差小于 0 ． 5 作 为收敛判据。 1 ． 3 喷 管结构 、网格划 分及 边界 条件 l _ 3 ． 1 喷管结 构 所设计喷管 为轴对称型喷管，由喷管入 口稳定 段 、亚 声 速收缩 段 、喉部 及 超 声 速扩 张 段 4部 分组 成，如图 1所示 。依据气体动力学理论 ，结合双三 次曲线法 、B WRS气 体状态方 程、F o e l s c h法及 边 界层进行黏性修正r 2 。 设计 喷管，根据不 同入 口参 数所设计喷管结构参数列于表 1 。喷管 1用于非均 质凝结过程分析，喷管 2及喷管 3用于两级液化过 程分 析 。设计 过 程 中需 用 的参 数 有 入 口压 力 P i 、 人 口温度 T 、人 口体积流量 Qi 及出 口马赫数 M a 。 I n l e t s t r a i g h t p i p e s e c t i o n Co n v e r g e n t s e c t i o n Di v e r g e n t s e c t i o n 图 1 喷管结构 示意图 Fi g ． 1 Sc h e m a t i c o f La v a i no z z l e 表 1 喷管结构参数 Ta b l e 1 Ge o me t r y s i z e o f de s i g ne d La v a l no z z l e o u t l e t o f a l n oz z l e D e s i g n e d p a r a me t e r s F o r No z z l e 1 ，T i 一1 8 0 K，p i 一 2 MP a ，Q i 一5 0 0 0 Nm ／ h， Ma 。 t 一2 ． 5 ； F o r No z z l e 2 ，T i 一2 4 0 K，P i 7 MP a Q 5 0 0 0 Nm。 ／ h ， Ma 。 t 一2 ． 5 ；F o r No z z l e 3 ，T i 一1 7 0 K，p i 一2 ． 1 MP a ，Q， 一4 4 0 0 Nm。 ／ h ， M a 。 t 2 ． 5 1 ． 3 ． 2 喷管网格划分 采用非结构化 网格对喷管进行 网格划分 。考虑 到边界 层 的影 响 ，对 边 界 层 进行 局部 加 密 ，并 进 行 网格无 关性 验证 ，网格无 关性 验证 计算 结果 示于 图 2 。 从 图 2 可 见 ， 喷 管 1 P 一 2 MP a 、 T 。 一 1 8 0 K 网格数 N⋯ 大于 1 5 3 1 0时，湿度分布基本 重合；喷管 2 P i 一7 MP a 、T i 一2 4 0 K 网格数大于 5 8 9 4时，湿度分布基本重合；喷管 2增加扩压段 时 i 一7 MP a 、 一2 4 0 K，出 口背压 户 b 2 ． 1 MP a ， 当网格数大于 6 6 6 1时压力分布基本重合 ，且所捕捉 到的激波位置也重合；喷管 3 一2 ． 1 MP a 、T 一 1 6 6 K 中网格数大于 1 1 4 5 2时，湿度分布基本重合 。 因此 ，最终确定喷管 1的计算网格数为 1 5 3 1 0 ，喷 管 2的计算网格数 为 5 8 9 4 增加扩压段 时为 6 6 6 1 ， 喷管 3的计算网格数为 1 1 4 5 2 。 1 ． 3 ． 3 边界条件设置 进 口设 置 为 压 力 进 口， 出 口设 置 为 压 力 出 口， 固壁设置为无滑移 、无渗流 、绝热边界 。 2 8 0 石油学报 石油加工 第 3 2卷 2结果与讨论 图 2 网格无关性验证结果 Fi g ． 2 Gr i d i n de pe n de nt v a l i da t i o n r e s ul t s Ni i 一1 1 O 1 5 ／ k g ； -d i i 一 1 1 0 。171 3． a H u m i d i t y Y l1 d i s t r i bu t i o n o f No z z l e 1；P 一 2 M Pa ；T 一 1 8 O K ； b Hu mi d i t y Y。 l 1 d i s t r i b u t i o n o f No z z l e 2；P 一 7 M Pa；Ti 一 2 4 0 K ； c Pr e s s u r e p d i s t r i b u t i o n o f n o z z l e 2 wi t h d i f f u s e ；P i n 一 7 M Pa ；Ti 一 2 4 0 K ；Pb 一 2 ． 1 M Pa d Hu mi d i t y Y I I d i s t r i b u t i o n o f No z z l e 3；P 2 ． 1 M Pa；T。 一 1 6 6 K 2 ． 1 喷 管 内非均质 凝 结过 程分析 2 ． 1 ． 1 外 界核 心浓 度对 凝结 过程 的影 响 存在于气体 中的外界核 心可充 当气体凝结过程 的凝结核心 ，从 而降低气体凝结 自由能障，促进气 体凝 结 过程 。在 喷管 入 口压 力 为 2 MP a 、入 口温度 为 1 8 0 K条件下 ，外界核心半径 r d u 。 为 1 1 0 m 时 ，不同外界核心浓度 N 。 下 中心轴线处流动参 数及凝结参数分布示 于图 3 。从 图 3 a 、 b 、 c 可以看出，随着外界核心浓度 的增大 ，自发凝结逐 渐被抑制 ，非均质成核效果越来越 明显。当外界核 心浓度为 1 1 0 ／ k g时，成核率与 自发凝结过程相 近 ， 由 白发凝 结 过 程 形 成 的液 相 湿 度 y 与未 添 加凝结核心体系液相湿度基本 重合 ，非均质成核凝 结过程形成的液相湿度 y 基本为 0 ；随着凝结核 心浓 度 的增 大 ，非 均 质成 核 逐 渐 发 生 ， 自发 凝结 与 非均质成核现象同时存在 ，当外界核心浓度增大至 1 1 0 ／ k g时 ，可 明显 看 到 自发 凝 结 过 程 被 抑 制 ， y h 。 与 yh 相近；当外界核心浓度足够大时 ，气体均 在凝结核心上凝结以达到热力学平衡过程，自发凝结 过程完全被 抑制 ；当外界 浓度 核 心增 大至 1 1 0 ／ k g 以上 时 ，凝 结过程为非 均质凝结 ，y 为 0 。 从 图 3 d 可 以看 出 ，随 着 外 界 核 心 浓 度 的增 大 ，总体 湿度增大。这是 因为 当外界 核心存在 时， 能减 小气 体凝 结 所需 自由能 障 ，使 其 在 较 小 过 冷度 的情况下就能发生凝结并直至热力学平衡状态 。外 界 核心 浓 度 为 1 1 0 和 1 1 0 ”／ k g时 ，总体 湿 度 分布相差较小 ，认为基本达 到了平衡 ，再增大外界 核心 浓 度 对 凝 结 促 进 效 果 影 响 不 大。可 以 利 用 图 3 e 过冷度 对这一现象进行解释。外界核心浓 度为1 1 0 和 1 1 0 ” ／ k g时，均在较小过冷度下就 已发生凝结现象 ，且在较小过冷度下保 持凝结过程 直至热力学平衡过程 ，1 1 0 ” ／ k g时非均质凝结过 冷度 基本 接近 于 0 K 0 ． 0 5 ～0 ． 5 K ，接 近热 力 学平 衡状 态 。 第 2期 提高喷管 内天然气液化效 率的方法 2 8 1 从图 3 e 发现 ，当外界 核 心浓度 增大 至 1 1 0 ／ k g时，最大过冷度并未减小 ，而是 较 0 、1 1 O 、1 1 0 “ ／ k g情况有所增大 。这一现象与 陈红 梅等l_ 3 ] 研究水蒸气凝结过程所发现的现象相同，她 认为是在这一外界浓度情况下同时发生 了 自发凝结 与非均质凝结现象，但由于凝结核心的不足，虽减 缓了 自发凝结但不足 以完全抑制 ，仅使得凝结位置 向下游移动 ，由于喷管型线 的原 因，下游膨胀率更 一 Ni n i ／ kg - l 一 -- 0 I a 1 x 1 0 1 4 l l 0 ] 5 ． 1 1 0 1 1 0 1 7 大 ，导致过冷度的峰值没有减小反而增大 。 从图 3 f 可 以看 出，未添加外界核心的 自发凝 结过程 中产生了较为微 弱的凝结冲波 ，当添加外界 核心时 ，凝结 冲波现象逐渐消失 ，当外界核心浓度 增大至 1 1 0 ／ k g以上时，凝结冲波基本消失 ，抑 制了 自发凝结对体系流动参数的影响；当增大至1 l O ／ k g以上时 ，由于具有充足的凝结核心，气体在 较低过冷度下、较早位置就已开始凝结。 图 3 不 同外界核心浓度 N 下喷管 内中心轴线处流动及凝结参数分布 Fi g ． 3 The di s t r i b u t i o n s o f f l o w a nd c o n de n s at i o n p a r a me t e r s a t n oz z l e a xi s i n no z z l e u nd e r di f f e r e nt Ni n j r 一 1 1 00 m a Jh 。 ； bYh 。 ； c Yh t ； d Y 1 1 ； e △T； f T 2 ． 1 ． 2 外界核心半径对凝结过程 的影响 在喷管人 口压力为 2 MP a 、入 口温度为 1 8 0 K 条件下 ，外界核心浓度为 1 1 0 ／ k g时，不 同外界 核心半径下 中心轴 线处 流动及凝 结参数分 布示 于 2 8 2 石油学报 石油加工 第 3 2卷 图 4 。 从 图 4 a 、 b 、 c 可 以看 出 ，随着 外 界 核心 半 径 的减 小 ， 自发 凝 结 逐 渐 被 抑 制 ，非 均 质凝 结 效 果越来越 明显 。当外界核 心半径为 1 1 0 m 时， 非均 质成 核过 程形 成 的液 相 湿度 y 为 0 ，说 明此 时仅发生 了 自发凝结 ；随着凝结核 心半径 的减小 ， 非均 质成 核逐 渐 发 生 ， 自发 凝 结 与非 均 质 成 核 现 象 同时存 在 ；因为 此处 外界 核心 浓度 取为 1 1 0 ／ k g ， 并 未 出现 自发凝 结 完 全 被抑 制 的 现象 ，但 在 一 定 的 外 界核 心 浓度 情 况 下 ，随 着 核 心半 径 的减 小 ，会 发 生 自发凝结完全抑制的现象 外界核心浓度大于 1 1 O ／ k g ，半径小于 1 1 0 I T I ，见 2 ． 1 ． 1节 中数值 模 拟结果 。 从 图 4 d 可 以看 出 ，随 着 外 界 核 心 半 径 的减 小 ，总体 湿度 增 大 。当外界 核心半 径 小于 1 1 0 。 1T I 时 ，各半 径 情 况 下 湿 度 变 化较 小 。从 图 4 e 看 出 ， 过冷度并未随着半径的减小而减小。这是 因为在这 一 外 界 浓度 条件 下 ，同时 发 生 了 自发 凝 结 与 非 均 质 凝结现象 ，但 由于凝结核心的不足 ，虽减缓 了 自发 凝结但不足 以完全抑制 ，仅使得凝结位置 向下游移 动 ，核 心 半 径 越 小 ， 自发 凝 结 的 位 置 越 靠 近 下 游 ， 由于 喷管 型线 的原 因 ，下 游 膨 胀 率更 大 ，导致 过冷 度没 有减 小 反而 增 大 。从 图 4 f 可 以看 出 ， 当外 界 核 心半 径 小 于 1 1 0 1T I 时 ，凝 结 冲波 基 本 消 失 ， 抑制了 自发凝结对体系流动参数的影 响。 x ／ m x ／ m 图 4 不 同外界核心半径 ， 下喷管内中心轴线处流动及凝结参数分布 Fi g ．4 Th e d i s t r i bu t i on s of f l o w a nd c on d e ns a t i o n pa r a m e t e r s a t n o z z l e a x i s i n no z z l e un de r d i f f e r e nt i i N 一1 1 0 ／ k g a J h 。 ； b Yh o ； c yh ； d Y 1 1 ； e △， r； f T 第 2期 提高喷管 内天然气液化效率 的方法 2 8 3 从 以上分析 可知 ，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。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，应小于 1 1 O m。 2 ． 1 ． 3 外界核心浓度和核心半径对出口湿度的影响 不 同外界核心浓度及核心半径下 ，喷管中心轴 线出口处湿度和湿度增 长率计算结果列于表 2 。湿 度增长率 k h u m j y 1。 一y h e t 1 ／ y 1 0 0 。从表 2 可 以看 出 ，外 界核 心 的添 加 促 进 了气 体 的凝结 ，增 大了出 口湿度 。外界核心浓度为 1 1 0 “ ／ k g 、外界 核心半径为 1 l O I T I 时 ，湿度增长率为 8 2 ． 1 7 ， 取得了较为明显的效果 。 表 2 不 同外界核心浓度 N 及 不同核心半径 ， 条件下喷管出 口湿度 1 ， 和湿 度增 长率 k n Tab l e 2 Y a n d k h u nd e r di f f e r e nt NI n i a nd d ． i i a t La v a l no z z l e o u t l e t 2 ． 2两级超声速旋流分离装置液化过程分析 考 虑 到 超 声 速 旋 流 分 离 装 置 可 通 过 扩 压 段 进 行升压 ，可回收压能继续用于液化过程 这一特点 ， 分析 了两级超声 速旋 流分离装 置 串联进行 液化 这 一 方法 的可 行性 。第 1级超声 速旋 流分离装 置 中 包含一 扩 压段 进 行扩 压 ，气 体从 第 l级 流 出后 ， 经过预冷进 人第 2级液化装 置 ，简单液 化流 程示 于 图 5 。 2 8 4 石油学报 石油加工 第 3 2 卷 T h e i n l e t o ffir s t s t a g e s e p a r a t o r T h e i n l e t o f s e c o n d s t a g e s e p a r a t or He a t e r He a t e r e x c ha n g e r Th e fir s t s t a g e s u p e r s o n i c s w i r l i n g s e pa r a t or e xc h a n g e r Th e s e c o nd s t a g e s u p e r s o ni c s wi r l i n g s e p a r a t o r 图 5 两级超声速旋流分离装置液化流程示意 图 Fi g ． 5 S c h e ma t i c o f l i qu e f a c t i o n pr oc e s s by t wo s t a g e s u pe r s o ni c s wi r l i n g s e pa r a t o r 2 ． 2 ． 1 扩压 段设 计 扩压管设计成具有小锥角 的锥管以避 免边界层 分 离 ，张 角 的大小 一般 在 3 。 ～ 6 。 之 间【 3 ，本 设计 取 3 。 。扩 压 段 结 构 参 数 由 流 量 函 数口 见 式 1 7 求 解 ，所设 计 扩 压 段 入 口直 径 为 1 5 ． 6 5 4 6 mm，出 口 直径 为 1 8 ． 7 5 9 8 mm，长为 5 9 ． 2 9 1 4 mm。 q M a一 卫 一 一 p c r c r A 一一 一 1 7 南 M a ] 一 2 ． 2 ． 2 两 级液 化过 程 以人 口温 度 2 4 0 K、人 口压 力 7 MP a 、 流 量 5 0 0 0 m。 ／ h为入 口参 数 ，设 计 出 口马赫 数 为 2 ． 5的 首级 天然 气 超 声 速 液 化 装 置 。该 装 置 主 要 由 L a v a l 喷管、旋 流分离 段 、扩压段 等 3部分 组成 ，结 合 表 1 及 扩 压段 数 据 ，第 1 级 超 声 速液 化 装 置 结 构 示 于 图 6 。因未 考虑 旋流 分 离过 程 ，未添 加 旋流 分 离 段 。 1 压力 回收能力 需保证压力回收过程不影 响气体凝结液化过程 ， 即在 回收压能时所产生的激波不进入喷管 内。图 7 为 不 同背 压 扩压 段 出 口压 力 P 下 喷 管及 扩 压 段 内 Th e i n l e to f L a v a l no z z l e 压力分布 。从图 7 可知 ，随着 P 的升高，激波逐渐 向喷管方向移动，当 P 2 ． 1 MP a时 ，激波即将 由 扩压段进入喷管扩张段内，影响天然气的液化过程 。 因此 ，将 第 2级 人 口压 力 取 为 2 ． 1 MP a 。P 为 2 ． 1 MP a 时 ，第 1级液 化 装 置 内温 度分 布示 于 图 8 。 从 图 8可 见 ，在 靠 近 壁 面 处 温 度 较 高 ， 中 心 轴 线 处温度较低 ，在进 入第 2级液 化装置 前需要 进 行 预冷 。第 2级 液化 装 置 喷 管设 计 见 表 1的喷 管 3所 示 ，在 压 力 为 2 ． 1 MP a的 条 件 下 ，入 口温 度 可 低 至 1 6 6 K。 2 液化 结果 分析 第 1级和第 2级液化装置 喷管 内湿度分布示 于 图 9 。第 1级液 化装 置喷管入 口温度 2 4 0 K、压 力 7 MP a ， 出 口湿度 y 为 0 ． 0 4 1 ，气 体 入 口质 量 流 量 Q 为 1 ． 8 2 k g ／ s ；第 2级 液 化 装 置 喷管 入 口温 度 1 6 6 K、压力 2 ． 1 MP a ，出 口湿度 y 为 0 ． 0 8 1 ，气 体 入 口质 量 流 量 Q 为 1 ． 4 6 k g ／ s 。两 级 超 声 速 旋 流分离装置湿度 y 。