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超声速天然气膨胀液化技术研究

李开源  
【摘要】:当前对拉法尔喷管的研究主要集中在利用其超声速膨胀制冷降低天然气露点这一领域,而在喷管对天然气进一步深冷并液化方面研究较少,本文通过进一步改变喷管的出入口压力温度条件,实现天然气在喷管内的液化。以喷管内超声速天然气膨胀流动分析及液化特性研究为基础,通过Fluent、自主编程和HYSYS模拟软件分别建模,并结合气体动力学、流体力学、数值传热学等学科理论,对喷管内流体的流动、液化特性进行研究,进而将喷管应用于液化流程的设计及改造,对于喷管超声速膨胀液化技术应用于天然气的液化领域进行了初探。本文通过建立甲烷单组份和多组分混合流体在喷管内的膨胀流动模型,对其在喷管内的超声速膨胀流动及液化的可能性进行分析研究,并在此基础上,通过建立单组份、多组分气体一维稳态的喷管等熵计算模型和节流阀等焓计算模型对其液化特性进行研究。以上述研究为基础,最终将喷管应用于调压站液化工艺流程的设计及N2-CH4膨胀液化流程的改造。通过研究发现,流体进入喷管以后,流体速度、马赫数逐渐增大,压力、温度、密度逐渐减小,流体经喷管膨胀降压、降温后,均能够达到液化所需基本压力、温度条件,具有在喷管内液化的可能,且增大入口压力、减小入口温度、减小背压和减小甲烷摩尔分数可增大气体在喷管内的液化率,经过对比发现,气体在节流阀内液化条件比喷管苛刻,喷管的等熵液化率要高于节流阀的等焓液化率;所设计的调压站液化工艺流程实现了调压的目的,并将压降加以利用,实现对天然气的液化,液化率为18%,且该液化工艺对外部条件变化不敏感,适用性较好;将喷管应用于N2-CH4液化流程改造,改造后流程比功耗及水冷却负荷得到降低,且增大气源气压力和减小气源气温度,均可降低液化流程的比功耗。


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