新型超音速气体净化分离装置设计研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 超音速分离管技术国内外研究现状
• 1.3 超音速分离管的工作原理
• 1.4 超音速分离管技术与常规海上天然气脱水技术的比较
• 1.5 应用实例——B11 海上平台应用介绍
• 1.5.1 简介
• 1.5.2 工艺选择
• 1.5.3 工艺流程设计
• 1.5.4 主要设备
• 1.5.5 B11 项目的实施
• 1.5.6 B11 平台 Twister设施性能
• 1.6 超音速天然气脱水技术在海底的应用
• 1.7 本章小结
• 第2章 新型超音速气体净化分离装置设计
• 2.1 普通分离管的设计
• 2.1.1 喉部尺寸的设计
• 2.1.2 渐缩段尺寸的设计
• 2.1.3 渐扩段尺寸的设计
• 2.2 新型超低阻力分离管的设计
• 2.3 LAVAL喷管内的几种流动状态
• 2.4 直管段的设计
• 2.5 设计计算
• 2.5.1 Laval喷管的设计计算
• 2.5.2 直管段的设计计算
• 2.5.3 其它尺寸的确定
• 2.6 本章小结
• 第3章 新型超音速分离管室内实验研究
• 3.1 实验流程
• 3.2 实验方案
• 3.3 实验步骤
• 3.4 实验结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 新型超音速分离管数值模拟研究
• 4.1 模型的建立
• 4.1.1 数学模型
• 4.1.2 物理模型
• 4.2 应力模型的选取
• 4.3 几何模型的建立与网格划分
• 4.4 GAMBIT和FLUENT中边界条件的定义
• 4.5 边界层厚度的确定
• 4.6 收敛判据的确定
• 4.7 模拟结果及分析
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录一 室内实验结果
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢