天然气水合物制备过程中的多相流传递研究
发布时间：2020-10-27 18:17
天然气是一种洁净能源,有利于环境保护和国民经济的司可持续发展,天然气水合物在储运天然气方面,相对于液化天然气和管道运输方面,也具有较大的优势和较好的研究前景。而天然气水合物储运天然气的核心问题为天然气水合物的制备,为此开展天然气水合物制备过程中多相流传递研究,主要工作如下： 1、多次实验表明：水合物形成为一结晶过程,操作线均在过冷区域进行,方能平稳、持续结晶；但过冷不能太大,否则,系统单位时间内生成晶体量过多,会堵塞系统或固结在管壁上而改变传热情况,反而会欲速则不达,故载冷剂温度不能太低。根据一般结晶规律,制冷剂温度以低于相平衡温度5℃左右比较适宜。 2、针对水合物制备过程中可能出现的气、水—固接触表面,分析了不同接触表面下的传热情况,表明天然气水合物生成过程中在不同的换热面传热效果有着显著不同的效果。当换热面为水—金属换热表面,在试验条件下,管内换热是主要的换热阻力部分；在反应管内表面结一层薄冰的情况下,传热系数变化不大,但当冰层较厚时,传热情况就会迅速恶化；管壁上附着一层天然气水合物膜时换热情况与冰层相似：当管壁上的冰层或者天然气水合物层中存在天然气膜或者气泡时,传热情况迅速恶化,难以有效生成水合物。 3、对不同换热表面的分析表明：维持有效的换热是天然气水合物制备的核心问题。应保持反应管内表面上反应物不断更新,及时地移除反应热量,才能使反应连续、高效地进行,换热表面的流动状况直接影响着天然气水合物制备过程的程度。 4、对反应单元采用Ansys中的单元Flotran CFD进行了模拟,表明气液两相在内壁光滑的管内分布与实验相似,即：气体在管内壁附着,这种情况不利于反应的高速、连续进行。应改善管子内壁面结构,使气体尽量少出现或者不出现在管壁附近。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2010
【中图分类】：P744.4
【部分图文】：
2.2.2天然气水合物制备过程传热分析如前所述，系统设计参数能够提供足够的冷量以便在反应过程中快速地移除反应热，确保反应器内维持在合适的生成天然气水合物的压力、温度状态。但从图2一3的实验结果来看，在控制稳定压力下，反应器内的温度在反应开始后迅速上升并偏离了设定温度，导致天然气水合物难以生成。显然，制冷机组的换热能力并未得到充分利用。由此，反应过程中的传热问题就成为有效制备天然气水合物的关键问题。根据传热分析，要解决反应器内的传热问题，最主要的就应在反应管的管程和壳程的传热问题上。为此，木章将讨论反应过程中管程和壳程的传热分析。计算管程和壳程的换热系数如下。根据换热过程特点，先计算得到流动R。数，再根据式N。一0.023R。。SPr
(w·m一2·k一， )10352951126.8991212.776一 293.9411371.137由以卜公式计算得出管程内换热系数h.。管程、壳程换热系数与体积流量的关系如图2一5所示。一.一ho一.一hi_一尹尸./././\. 000600400800200000800600400200︵︵。“·三︶\沐︶彰睽城簇体积流量时句图2一5换热系数随体积流量的关系Fig.2一 5Relationshipbetweenheattransfereoefficientsandvolumeflowrates2.2.2.1换热面结构根据实验过程的传热情况分析，在天然气水合物制备过程中，反应管内可能存在如下类型的接触面:l)水一金属表面，2)冰一金属表面，3)天然气水合物一金属表面，4)天然气膜一金属表面。由于这四种传递界面的结构和特性差异显著，为此，下文将对它们的传热和传质过程子以分析。
2.2.3管内传热过程分析根据以上分析表明，在实验装置生成天然气水合物时，反应管内壁的传热面一可能有四种换热接触面，如图2一4所示，下面将这四种换热接触面一一分析。2.2:31接触面为水一金属面此时根据前节计算得到的管程与壳程的换热系数图2一5可以得出:a、管程为4m伽时1_三兰上兰三ht， 936.5143二 0.257782 T=(15.79x0.255782一15)/(l+0.7897x0.257782)=一9.08oCh_一一二一一_上十豆十上 =186.99h兄 h241.42 +1.379xlo“十卫止936.51b、管程为sms/h时鱼_338.02— =0.360937936.5143 T=(15.79X0.360937一 15)/(l+0.7897x0.360937)=一7.24℃h二一一卫一一生十三十生=240.15h又h卫‘十 1.379、一。一4十卫一 338.02936.51显然，管内传热是反应器整体换热阻力最大的部分。如何促进管内传热是最主要要解决的换热问题。2.2:3接触面为冰一金属面在通气后体系内开始反应后可能出现这种情形，如图2一4(b)。若管壁上结一层冰，换热情形将出现很大变化。以一根与反应管相同的钢管泡在冷剂箱里，结果如下。在一7℃内满管水浸泡实验表明:管内水初始温度为20℃时，浸泡!分钟
【参考文献】
本文编号：2858873
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2010
【中图分类】：P744.4
【部分图文】：
2.2.2天然气水合物制备过程传热分析如前所述，系统设计参数能够提供足够的冷量以便在反应过程中快速地移除反应热，确保反应器内维持在合适的生成天然气水合物的压力、温度状态。但从图2一3的实验结果来看，在控制稳定压力下，反应器内的温度在反应开始后迅速上升并偏离了设定温度，导致天然气水合物难以生成。显然，制冷机组的换热能力并未得到充分利用。由此，反应过程中的传热问题就成为有效制备天然气水合物的关键问题。根据传热分析，要解决反应器内的传热问题，最主要的就应在反应管的管程和壳程的传热问题上。为此，木章将讨论反应过程中管程和壳程的传热分析。计算管程和壳程的换热系数如下。根据换热过程特点，先计算得到流动R。数，再根据式N。一0.023R。。SPr
(w·m一2·k一， )10352951126.8991212.776一 293.9411371.137由以卜公式计算得出管程内换热系数h.。管程、壳程换热系数与体积流量的关系如图2一5所示。一.一ho一.一hi_一尹尸./././\. 000600400800200000800600400200︵︵。“·三︶\沐︶彰睽城簇体积流量时句图2一5换热系数随体积流量的关系Fig.2一 5Relationshipbetweenheattransfereoefficientsandvolumeflowrates2.2.2.1换热面结构根据实验过程的传热情况分析，在天然气水合物制备过程中，反应管内可能存在如下类型的接触面:l)水一金属表面，2)冰一金属表面，3)天然气水合物一金属表面，4)天然气膜一金属表面。由于这四种传递界面的结构和特性差异显著，为此，下文将对它们的传热和传质过程子以分析。
2.2.3管内传热过程分析根据以上分析表明，在实验装置生成天然气水合物时，反应管内壁的传热面一可能有四种换热接触面，如图2一4所示，下面将这四种换热接触面一一分析。2.2:31接触面为水一金属面此时根据前节计算得到的管程与壳程的换热系数图2一5可以得出:a、管程为4m伽时1_三兰上兰三ht， 936.5143二 0.257782 T=(15.79x0.255782一15)/(l+0.7897x0.257782)=一9.08oCh_一一二一一_上十豆十上 =186.99h兄 h241.42 +1.379xlo“十卫止936.51b、管程为sms/h时鱼_338.02— =0.360937936.5143 T=(15.79X0.360937一 15)/(l+0.7897x0.360937)=一7.24℃h二一一卫一一生十三十生=240.15h又h卫‘十 1.379、一。一4十卫一 338.02936.51显然，管内传热是反应器整体换热阻力最大的部分。如何促进管内传热是最主要要解决的换热问题。2.2:3接触面为冰一金属面在通气后体系内开始反应后可能出现这种情形，如图2一4(b)。若管壁上结一层冰，换热情形将出现很大变化。以一根与反应管相同的钢管泡在冷剂箱里，结果如下。在一7℃内满管水浸泡实验表明:管内水初始温度为20℃时，浸泡!分钟
【参考文献】
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本文编号：2858873
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