基于超音速流相变凝结机理的天然气液化技术研究

发布时间：2020-04-23 11:53

【摘要】：自1996年ENGO公司和Shell公司将超音速旋流分离技术引入天然气处理领域以来,因其具有密闭无泄漏、结构紧凑、无转动部件,且在相同压降情况下较节流阀、膨胀机能获得更低的温度等特点,引起了各国研究人员的广泛关注。特别是在深度脱水和深度制冷领域具有广阔的应用前景,如能将其应用于天然气液化领域,那么就能大大降低现有的天然气液化工艺系统的能耗水平。在较早的研究中,研究人员针对超音速脱水装置开展了研究,并投入了工业应用,显示出了较传统脱水装置更具优异的脱水效率,但针对超音速脱水的喷管设计核心技术未见公开报道。基于该原理的超音速旋流分离器应用于天然气液化领域的技术目前极不成熟,虽然国内虽有部分研究人员一直在开展相应研究,但大多都停留在理论阶段,尤其是在考虑旋流情况下的超音速全三维模拟方面还需进一步开展,目前还没有投入工业应用的先例。因此,对适用于工业应用的天然气液化超音速旋流分离器的系统设计和研究成为了本论文研究的重点。本论文首先对天然气超音速旋流分离技术、超音速旋流分离器结构设计方法和超音速旋流分离基础理论及数值模拟技术的研究现状进行了调研,分析了利用超音速旋流技术生产LNG的应用前景,确定了主要研究内容。然后在气体高速膨胀自发凝结机理研究的基础上,建立了描述气体旋转超音速凝结流动的双流体数学模型,将结构设计分析与内部流动机理研究相结合,进行了三维全流场模拟,以中石油长庆油田某LNG调峰站生产参数为例,对超音速旋流分离器各部分进行了详细设计与方案对比分析,并设计建设了一套实验系统,对影响超音速喷管性能的核心指标进行了室内实验测试,采用实验与数值模拟相结合的方法,分析了所设计装置关键工艺参数的最佳运行范围,得到了一套完整的LNG超音速旋流分离器设计方案、最佳结构尺寸以及最佳入口参数的判断原则和分析方法。为推动该技术的工业应用,本课题重点研究了所设计结构的超音速旋流分离器的液化效率,表明虽然该装置液化效率较节流阀高,但并不占绝对优势,进而提出了外加LNG凝结核心+多级喷管串联组合提高超音速旋流分离器液化效率的方法,研究表明该方法能明显提升液化效率。在此基础上,针对国内某LNG调峰站,在对原流程能耗分析的基础上,设计了一套含超音速旋流分离器的级联型天然气液化流程,所设计的天然气液化工艺系统能耗较原工艺系统能耗降低了37%,显示出了该技术具有较好的应用前景。最后,总结了研究内容、研究结论和主要创新,提出了今后研究展望和设想。
【图文】：

进出口压差,温差

究与数值模拟、喷管结构设计、室内实验及现场试验等工作[12]。20开发的 Super Sonic Separato（r3S）获得国际发明专利 PCT/CA2005/0在美国、德国、法国、英国、意大利、荷兰、挪威、澳大利亚、中等国和欧亚专利联盟获得专利。俄罗斯“ENGO Research Center”对超以深度脱水、脱烃为对象阐述了其技术特点和优势，并与常用制冷细的比较。经比较，3S 与传统的 J-T 阀和膨胀机制冷分离设备相比 60 bar，，入口温度 20℃，气体组分为 СН490%、С2Н62%、С3Н84%、i-C4H力 45 bar 情况下，3S 可使天然气产生更大的温降（图 1.1），3S 不膨胀制冷的 J-T 阀效率高，而且也比等熵节流膨胀的膨胀机效率高（器温度为-10℃时，3S 比 J-T 阀的 C3+收率约高 30%，比膨胀机的 C3；在后冷器温度为-30℃时，3S 的 C3+收率比 J-T 阀和膨胀机分别高约 1.3）。在凝液收率相同的情况下，使用 3S 可减少功耗 50～70%胀机可减少压缩功 15～20%（图 1.4），但国外关于利用超音速旋流的技术研究尚没有相关文献报道。

博士学位论文,效率比较,后冷器,收率

重庆大学博士学位论文图 1.2 3S 与 J-T 阀效率比较Fig. 1.2 Comparison between 3S and J-T valve efficiencyComparison of 3S andJT effectiveness00.10.20.30.40.50.60.70 0.2 0.4 0.6 0.8JT effectiveness3SeffectivenessEqual JT and3Sefficiency
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE645

【参考文献】