含湿气体在两相涡流管中自发冷凝与分离性能研究

【摘要】： 超音速冷凝分离技术是一种新兴的混合气体分离技术,是超音速冷凝与离心分离技术的有机结合。整个过程集制冷、冷凝和分离过程于一体,大大简化了分离系统,因此该项技术在天然气净化脱水领域具有广阔的应用前景。目前的超音速冷凝分离技术在应用中尚存在轴向速度过大,离心分离不充分的缺点。 气体流经涡流管喷嘴时高速膨胀,产生的低温效应可使气体中的重组分冷凝,且在涡流管中流动的轴向速度远小于切向速度,因此可以在一定程度上克服现有超音速冷凝分离技术的缺点。基于此本文提出了一种用于混合气体超音速冷凝分离的两相涡流管结构,并进行了初步的数值模拟计算与实验研究分析。 首先,本文对实现混合气体降温冷凝的关键部件——喷嘴进行了实验研究。分析了不同流道,不同形状的渐缩喷嘴对涡流管能量分离的影响,得到了适合于两相涡流管的喷嘴形式。 其次,建立了两相双组分超音速冷凝流动三维模型,对含湿气体在超音速冷凝流动中的自发凝结过程进行预测。采用两相欧拉—欧拉控制方程组描述气液两相流动,引入经典成核理论模拟水蒸汽的自发成核。模型计算结果与实验数据吻合较好。应用该模型对含湿气体在涡流管内的自发凝结过程进行了模拟。通过分析凝结参数的变化,预测了基本结构参数长径比、阻涡器与操作参数压比、冷流率对装置分离性能的影响。 最后,根据喷嘴形式的分析结果改进实验设备,设计两相涡流管实验流程并进行了相关实验,得到了两相涡流管混合物分离的基本特性。分析了基本结构参数长径比、阻涡器与操作参数压比、冷流率对分离性能的影响,实验数据与数值模拟分析结果吻合较好,为两相涡流管的工业应用提供了理论与实验依据。