【摘要】：自1996年ENGO公司和Shell公司將超音速旋流分離技術引入天然氣處理領域以來,因其具有密閉無泄漏、結構緊湊、無轉動部件,且在相同壓降情況下較節(jié)流閥、膨脹機能獲得更低的溫度等特點,引起了各國研究人員的廣泛關注。特別是在深度脫水和深度制冷領域具有廣闊的應用前景,如能將其應用于天然氣液化領域,那么就能大大降低現有的天然氣液化工藝系統(tǒng)的能耗水平。在較早的研究中,研究人員針對超音速脫水裝置開展了研究,并投入了工業(yè)應用,顯示出了較傳統(tǒng)脫水裝置更具優(yōu)異的脫水效率,但針對超音速脫水的噴管設計核心技術未見公開報道。基于該原理的超音速旋流分離器應用于天然氣液化領域的技術目前極不成熟,雖然國內雖有部分研究人員一直在開展相應研究,但大多都停留在理論階段,尤其是在考慮旋流情況下的超音速全三維模擬方面還需進一步開展,目前還沒有投入工業(yè)應用的先例。因此,對適用于工業(yè)應用的天然氣液化超音速旋流分離器的系統(tǒng)設計和研究成為了本論文研究的重點。本論文首先對天然氣超音速旋流分離技術、超音速旋流分離器結構設計方法和超音速旋流分離基礎理論及數值模擬技術的研究現狀進行了調研,分析了利用超音速旋流技術生產LNG的應用前景,確定了主要研究內容。然后在氣體高速膨脹自發(fā)凝結機理研究的基礎上,建立了描述氣體旋轉超音速凝結流動的雙流體數學模型,將結構設計分析與內部流動機理研究相結合,進行了三維全流場模擬,以中石油長慶油田某LNG調峰站生產參數為例,對超音速旋流分離器各部分進行了詳細設計與方案對比分析,并設計建設了一套實驗系統(tǒng),對影響超音速噴管性能的核心指標進行了室內實驗測試,采用實驗與數值模擬相結合的方法,分析了所設計裝置關鍵工藝參數的最佳運行范圍,得到了一套完整的LNG超音速旋流分離器設計方案、最佳結構尺寸以及最佳入口參數的判斷原則和分析方法。為推動該技術的工業(yè)應用,本課題重點研究了所設計結構的超音速旋流分離器的液化效率,表明雖然該裝置液化效率較節(jié)流閥高,但并不占絕對優(yōu)勢,進而提出了外加LNG凝結核心+多級噴管串聯(lián)組合提高超音速旋流分離器液化效率的方法,研究表明該方法能明顯提升液化效率。在此基礎上,針對國內某LNG調峰站,在對原流程能耗分析的基礎上,設計了一套含超音速旋流分離器的級聯(lián)型天然氣液化流程,所設計的天然氣液化工藝系統(tǒng)能耗較原工藝系統(tǒng)能耗降低了37%,顯示出了該技術具有較好的應用前景。最后,總結了研究內容、研究結論和主要創(chuàng)新,提出了今后研究展望和設想。
【圖文】：

究與數值模擬、噴管結構設計、室內實驗及現場試驗等工作[12]。20開發(fā)的 Super Sonic Separato（r3S）獲得國際發(fā)明專利 PCT/CA2005/0在美國、德國、法國、英國、意大利、荷蘭、挪威、澳大利亞、中等國和歐亞專利聯(lián)盟獲得專利。俄羅斯“ENGO Research Center”對超以深度脫水、脫烴為對象闡述了其技術特點和優(yōu)勢，并與常用制冷細的比較。經比較，3S 與傳統(tǒng)的 J-T 閥和膨脹機制冷分離設備相比 60 bar，，入口溫度 20℃，氣體組分為 СН490%、С2Н62%、С3Н84%、i-C4H力 45 bar 情況下，3S 可使天然氣產生更大的溫降（圖 1.1），3S 不膨脹制冷的 J-T 閥效率高，而且也比等熵節(jié)流膨脹的膨脹機效率高（器溫度為-10℃時，3S 比 J-T 閥的 C3+收率約高 30%，比膨脹機的 C3；在后冷器溫度為-30℃時，3S 的 C3+收率比 J-T 閥和膨脹機分別高約 1.3）。在凝液收率相同的情況下，使用 3S 可減少功耗 50～70%脹機可減少壓縮功 15～20%（圖 1.4），但國外關于利用超音速旋流的技術研究尚沒有相關文獻報道。

重慶大學博士學位論文圖 1.2 3S 與 J-T 閥效率比較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
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE645

【參考文獻】

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本文編號：2637701