天然气在超音速分离管内深冷液化的机理及流动规律研究

超音速分离器具有制冷效率高、无运动部件、工况适应性好等优点，如能在天然气液化中成功应用将使LNG技术有显著的进步。本研究拟采用理论研究和实验验证相结合的方法，对天然气在超音速分离管内深冷液化过程存在的过饱和状态流动、液滴成核以及生长、在旋流器内汽液分离、液体部分再汽化及混合过程等一系列机理性问题进行研究。拟应用经典自发成核理论、双流体模型和SST k-ω-kp两相湍流模型等建立描述此过程的理论模型，借鉴群体平衡原理建立再汽化现象的数学模型。通过对不同网格划分方法、不同离散格式以及不同参数取值条件下数值计算效果的对比，确定出一套适用于求解天然气通过超音速分离管深冷液化的数值方法，并通过数值模拟对超音速分离管内的超音速流动规律进行研究。对天然气通过超音速分离器深冷液化过程中机理性问题和流动规律的研究和掌握，将为此项技术在天然气液化工艺中的应用打下坚实的理论基础。

在研究过程中设计了超音速分离过程实验台的工艺流程、对实验台的主要设备进行了选型、采购与加工，搭建了超音速分离管实验台并进行了调试，采用空气为工质，进行了超音速分离管低温液化的实验，实验证实了超音速分离管用于气体低温液化的可行性并获得了相关实验数据。在项目进行过程中，还对气体通过超音速分离管的超音速凝结过程进行了理论分析。由于低温下天然气等工作气体将接近两相区，因此此前将工作气体看作理想气体的数学模型将带来较大的误差，本研究首先假设气体在超音速流动凝结过程中处于气液相平衡的状态，建立了实际气体的相平衡凝结流动模型，采用数值方法模拟了热力参数沿流动方向的分布并进行了分析。采用FLUENT软件，对沿喷管的流动进行了CFD模拟，分析了流动过程中各截面流动及热力参数的分布情况。据数值模拟实验结果分析，渐缩段应采用维托辛斯基曲线，出口截面和拉伐尔管沿程气流可以保持较好的均匀性。基于空气动力学、热动力学和成核理论，建立了气体通过3S分离器非平衡态凝结与流动过程的数学模型，采用改进的CNT模型描述天然气液滴的成核过程，用Gyamathy模型描述气体液滴的生成过程，通过数值模拟得到了主要流动和热力参数沿流动方向的变化过程，并进行了分析。模拟结果显示了喷嘴形状是气体液化过程的关键因素，并认为扩张段具有合适的扩张角对于低温下超音速分离管的性能是十分重要的。超音速分离管由于机理限制，在出口处只能得到部分液化的产品，本项研究提出了一种新型的采用超音速分离管的天然气全液化工艺，具有流程简单、设备数较少的优点，在橇装LNG装备和海上FPSO方面具有良好的应用潜力。