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超音速分离管的研发及其流动与传热传质特性的研究

刘恒伟  
【摘要】: 天然气脱水是天然气进入输送管路前进行集中处理的一个非常重要的环节。通过脱除天然气中的水分,可以有效防止生成气体水合物,避免堵塞管道阀门,减小管路压降,从而保证安全生产。常规的天然气脱水技术有一系列的优点,如分离效果好、除湿深度大、可以达到较低的露点温度等。所以常规方法在一定程度上都得到了广泛的应用。但这些常规方法也存在许多缺点,如设备庞大、投资高、能耗大,还会造成一定的环境污染等。本文介绍了一种全新的天然气脱水技术——超音速分离管技术,并首次对其进行了较为系统深入的理论与实验研究。概括起来,本文主要做了下面几项工作: 对超音速分离管的工作机理及设计进行了系统的理论分析,独立提出了超音速分离管的结构和设计方法。对超音速分离管的设计思路进行了分析,得出了超音速分离管设计的一些基本原则。分别给出了理想气体和实际气体喷管的设计方法。重点介绍了流体为高压、多组分的天然气时,采用BWRS实际气体状态方程作为计算的基本方程对喷管喉部尺寸设计的详细过程。在此基础上,建立了以BWRS状态方程为基础的超音速分离管设计计算方法,申请了国家发明专利、实用新型专利以及国家软件著作权各1项并获得授权。在所开发成功的超音速分离管设计软件中,只要输入天然气各组分的摩尔分数、超音速分离管的入口参数,以及天然气的日处理量,就可以计算出超音速分离管所有部件的控制尺寸,完成超音速分离管的结构设计。 设计并加工了一套超音速分离管,并搭建了室内实验台,进行了系统全面的室内实验研究。实验结果表明,独立提出的超音速分离管的结构是成功的,超音速分离管具有良好的气液分离性能,整个气液分离过程不需要消耗任何外部机械功和化学物质;压损比越大,露点降越大。如果要获得较低的干气出口露点或较大的露点降,那么必须以牺牲一部分初始压力作为代价;保持超音速分离管入口流量为临界流量是保证超音速分离管具有良好气液分离性能的必要条件;压损比、激波产生的位置是影响超音速分离管工作性能的关键。改进旋流器的设计,使其摩阻尽量小,从而使激波向远离Laval喷管喉部方向移动,可以有效改善分离管的工作性能。在目前所设计的三个旋流器中,旋流器A的


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