超声速分离器内含CO2的天然气凝结分离研究
随着碳达峰和碳中和目标的提出，我国能源转型迫在眉睫，天然气在其中发挥着至关重要的桥梁作用，未来具有广阔的发展前景。但井口开采出的天然气一般都包含着CO2组分，其会造成热值损失和管道腐蚀现象，为了实现资源高效利用和绿色可持续发展，急需大力发展天然气脱碳技术。在现有的脱碳技术中，超声速旋流分离技术因其装置简单、适用性强等优点得到了广泛应用，有大量学者基于此技术开展理论模拟和实验研究。 本文总结了超声速旋流分离技术相关的国内外研究现状，整理了超声速条件下气体流动过程所涉及流动参数的计算式、CO2的热物性参数计算式并加以验证，选择合适的液滴成核模型、液滴生长模型、湍流模型，考虑真实气体效应和CO2的表面张力影响，在欧拉模型的基础上建立超声速凝结流动数学模型，确定数值方法,编写UDF进行Fluent二次开发。首先以含水天然气为介质开展数值模拟，进行喷管结构优化，建立最佳喷管模型，其次以CO2-CH4混合气体为介质开展数值模拟，研究CO2气体凝结流动过程机理并总结流动规律，最后探究压力、温度、CO2摩尔分数以及出口背压改变对凝结流动参数的影响。得出的主要结论如下: （1）通过Fluent软件进行数值模拟，对比双三次曲线、五次曲线、维托辛斯基曲线的模拟结果，最终选择二次成核现象明显，液化效果较好的五次曲线进行喷管收缩段设计;（2）选择直线法进行喷管扩张段设计，对比扩张段长度分别取60～120mm以及扩张半角分别取2～6°的模拟结果，结果表明当扩张段长度为100mm、扩张半角为4°时，液化效果最好;（3）在CO2气体凝结流动过程中，温度和压力不断降低，首次凝结现象发生时，喷管内部成核速率、液滴数目、液滴半径和湿度均在短时间内迅速增加，随着气体蒸发潜热的释放数值开始下降，直至二次凝结现象发生，各数值再次增加;（4）入口压力增大，凝结发生位置前移、出口压力升高、成核率增加、液滴数目减少、液滴半径增加、湿度增大;入口温度增大，凝结发生位置后移、出口温度升高、成核率下降、液滴数目减少、液滴半径小幅增加、湿度减小;CO2摩尔分数增加，凝结发生位置前移,但喷管内部液滴数目、液滴半径以及湿度均变化较小;出口背压增大，喷管内部出现激波现象，喷管局部的温度和压力升高，导致已凝结的液滴再次蒸发，严重影响喷管性能。
超声速喷管;天然气;二氧化碳;结构优化;凝结特性
西安石油大学
硕士
油气储运工程
肖荣鸽
2023
中文
TE644
2023-08-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）