氨水改性活性炭吸附-水合耦合储存甲烷实验研究

活性炭可以通过碱改性的方法有效提高其对客体分子的储存能力。针对适于吸附-水合耦合储存甲烷的椰壳活性炭进行改性,以氨水为改性剂制备了改性活性炭,对比研究了活性炭改性前后的孔隙结构、表面化学变化及其对甲烷储存性能的影响。表征结果表明:氨改性增加了活性炭的比表面积和微孔容积,并减小了平均孔径;改性还影响了活性炭表面官能团组成,降低了活性炭表面O(氧)元素含量并略微增加了N(氮)元素含量,降低了活性炭表面的极性和亲水性。以原炭和NaOH(氢氧化钠)改性炭为对照组,进行甲烷储量实验和动力学实验,发现用体积分数为0.4%浓氨水改性效果最好,在1℃、8 MPa温压条件下储量能达到16.99 mmol/g,是未改性时的1.2倍,且动力学优秀,诱导时间最短为19 min。

MDEA/正丁醇/水溶液的CO_(2)平衡溶解度和吸收热实验研究

在胺/物理溶剂/水相变吸收体系中,由于物理溶剂取代了相变吸收剂中的部分水,导致溶液的物化性质发生改变,从而影响了溶液的热力学性能。采用静态平衡法和绝热量热法对物理溶剂型液液相变吸收剂N-甲基二乙醇胺(MDEA)/正丁醇/水溶液在不同吸收温度和溶液配比下的CO_(2)平衡溶解度和吸收热变化规律进行了分析。结果表明,与CO_(2)的化学溶解度相比,吸收温度的升高对CO_(2)物理溶解度的负面影响更大;溶液富相黏度随着MDEA含量(质量分数,下同)或正丁醇含量的增加而不断增加,导致气液相间的传质阻力不断上升,当溶液中CO_(2)溶解度超过1.0 mol/mol时,溶液中正丁醇含量越高,其平衡溶液度曲线越平缓。溶液的反应热随着吸收温度的升高而增加,当吸收温度超过333.15 K时,在水的作用下MDEA与CO_(2)的反应将向逆反应方向移动;当CO_(2)溶解度低于0.3 mol/mol时,溶液的化学吸收占据主导地位,导致不同正丁醇含量的溶液反应热基本一致;当CO_(2)溶解度超过0.3mol/mol时,物理溶剂溶解CO_(2)的优势得以体现,使得吸收热下降的幅度增大。

MDEA/正丁醇/水相变吸收剂的CO_(2)吸收性能及动力学特性

N-甲基二乙醇胺(MDEA)/正丁醇/水相变吸收剂具有良好的相分离性能,具有大幅降低再生能耗的潜力。由于正丁醇取代了相变吸收剂中的部分水,且相变吸收剂在吸收过程中会发生分相,会对溶液的CO_(2)吸收性能和反应机理造成一定影响,且贫、富相间物质的转移也会对其动力学性能产生一定的影响。为此,研究了MDEA/正丁醇/水相变吸收剂的吸收性能,并通过13CNMR表征测试了不同CO_(2)负荷下溶液的物质组成,分析了MDEA/正丁醇/水相变吸收剂的传质-反应机理,在此基础上探究了其动力学特性。结果表明,溶液中正丁醇的加入,提高了溶液前9min的初始CO_(2)吸收速率,随着正丁醇含量的升高,溶液的CO_(2)吸收速率出现先增高后降低的趋势,CO_(2)吸收负荷逐渐降低。物理溶剂正丁醇不参与反应,相变吸收剂中MDEA与CO_(2)的反应遵循碱催化水和反应机理;分相后贫相溶液主要为MDEA、正丁醇和水,富相溶液主要为MDEA与CO_(2)的反应产物。在CO_(2)吸收负荷较低(小于1.12mol/L)时,由于正丁醇提高了CO_(2)在溶液中的物理溶解度,促进了贫相中MDEA与CO_(2)的快速反应,继而又促进气相CO_(2)的溶解。这种溶解促进反应、反应促进溶解的过程,使得MDEA/正丁醇/水相变吸收剂的初始CO_(2)吸收速率高于MDEA水溶液;在CO_(2)吸收负荷较高(大于1.45mol/L)时,溶液的分相程度已经接近理想分相状态,贫相中的水含量较少,富相中的MDEA浓度较低、反应产物浓度较高,导致CO_(2)与溶液的反应速率降低。

室内立式水环实验系统构建与研究

设计并搭建了室内立式水环输送实验系统。通过齿轮泵控制水相和染色后的油相分别从水相、油相入口进入水环发生器,保持油相入口流量不变,改变水相入口流量,稳定之后使用高速摄像仪拍摄管道内流型,进行了立式水环流型实验,分析了不同油水流量下管道中的流动特性和油水表观速度对成环效果的影响。实验结果表明:立式水环中油水界面产生“蛇形波”形式的界面波,使得油相核心保持连续状态而不断裂;油水速度比在0.75~1.5范围内成环效果较好,当油水速度比过小时,输水量过大,界面张力不足以维持油相核心的稳定,油相核心发生破裂,分散为小油滴成为散状流;超过临界值时,油相核心在扰动作用下可能污染管壁。

物理溶剂及有机胺的性质对相变吸收性能的影响

相变吸收剂的再生能耗较低,具有良好的应用前景,但目前物理溶剂型相变吸收剂的开发都伴随着大量的筛选工作。为解决此问题,本文选取了不同水溶性的物理溶剂和氨基种类的有机胺,利用实验室搭建的小型实验装置,依次进行吸收、分相和再生实验,探究水溶性及氨基种类对相变吸收剂性能的影响,为后续的筛选工作提供一定的理论依据。研究发现:物理溶剂的水溶性与溶液的吸收和再生性能无明显规律性的关系,但疏水型物理溶剂组成的相变吸收剂具有更低的富相比例和更高的富相CO_(2)比例;只含叔氨基的溶液再生性能好,但相比于有机胺水溶液吸收速率提升幅度小、吸收负荷出现降低;氨基种类对分相性能影响不大,但氨基数目影响着富相比例的变化幅度。

晃动工况下络合铁法脱硫反应器流体力学行为分析

探究晃动对鼓泡塔液位及气液分布的影响,为海上络合铁法脱硫工艺应用提供理论指导。利用自主搭建的鼓泡塔晃动实验装置,进行了鼓泡塔晃动实验;并利用CFD数值模拟软件,对晃动工况下鼓泡塔内流场分布进行了三维数值模拟。结果表明,双主管交叉式气体分布器用于鼓泡塔具有更好的均布性能,相比单管式气体分布器,气体分布不均匀度降低15.76%;晃动工况下鼓泡塔液位呈周期性变化,气体分布器浸没深度降低,液位波动幅度最高可达21.1%;整体气含率随晃动角度增加而降低,增大表观气速或降低初始液位高度可减小晃动的影响;塔内气液分布随晃动呈周期性变化,气体分布不均匀度增大,且在高径比小于1.5的塔段内,气液分布受晃动影响较为显著。

晃动对FLNG排管式液体分布器性能的影响

随着海洋油气开发的推进,填料塔被广泛应用于海上浮式液化天然气设备(FLNG),对天然气进行预处理。填料塔的重要元器件为液体分布器,其设计的好坏直接影响到填料性能和全塔效率的发挥。排管式液体分布器因其驱动力为液体压力,能更好地适应海上晃动。为了研究海上晃动对其液体分布性能的影响,使用可以实现横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡6种单一自由度晃动的六自由度晃动平台,对排管式液体分布器进行静止、不同晃动形式和不同晃动幅度工况下的实验研究,测量各种工况下各孔口的出口流量,分析各种晃动形式和晃动幅度对其液体分布性能的影响效果。结果表明:①6种单一晃动形式中,横摇、纵摇对排管武液体分布器的孔口流量分布影响较大,横摇5°和纵摇5°使其整体不均匀度(M_o)值分别增大了35%和15%,其余晃动形式对其性能影响较小;②随着晃动幅度的增大,排管式液体分布器的液体分布性能变差,横摇8°比横摇5°的M_o值增大30%,纵摇8°比纵摇5°的M_o值增大20%左右,艏摇运动下的M_o值变化不明显。该研究成果,为排管式液体分布器在海上的应用及优化提供了技术支持。

川气东送管道模拟仿真软件研发

随着川气东送管道工程等国家重大天然气管道工程的启动,研发具有自主知识产权的管道模拟仿真软件势在必行。以"川气东送"工程为背景,采用连续性方程、动量方程、能量方程、SHBWR真实气体状态方程建立了较真实反映管内气体流动的静、动态数学模型,并分别采用四阶龙格—库塔法及隐式中心有限差分法进行数值求解;分析给出了管道多种工况及静(动)态调峰能力计算、动态预测模型。在以C++builder6.0为开发工具,有机地吸取工控软件与计算软件各自的优势,及数据库、图形化编程理念的基础上,编制了川气东送管道模拟仿真软件。利用TGNET软件及设计资料,完成了软件部分核心程序的验证,并分析了计算结果。实践证明,软件可信程度高,具有较高的工程应用价值。

特征线法在燃气管道动态模拟中的应用

对燃气管道不稳定流进行了研究,推导出了计算管内燃气流动的特征线法和公式。特征线法从基于流体力学基本原理推导出来的连续性方程、动量方程和能量方程出发,将难以求解的偏微分方程组转换为便于工程数值计算的等价差分方程组,从而解决了燃气管道中快瞬交流的计算问题。特征线法物理概念明确,数学分析严谨,计算精度高。

天然气水合物稳定性试验

作为中国未来重要的替代能源,天然气水合物受到科学界的密切关注,研究不同温度、压力等条件下天然气水合物的稳定性,从而确定其合适的储存、运输条件具有重要意义。为此,用300mg/L的十二烷基硫酸钠溶液生成天然气水合物,试验研究天然气水合物在不同温度(-5^-25℃)下的常压分解;设计制造了带压实功能的水合物反应釜,试验研究用10MPa压力对水合物进行压实后在不同温度(-10℃、-15℃和-20℃)下的常压分解。研究发现:压实提高了水合物的自保性,使水合物的分解速率降低;天然气水合物在大气压力下,无论压实和不压实,在-20℃时分解速率最低,不压实时日分解率为2.69%,完全分解需要约23d;压实后日分解率为2.23%,完全分解需要约26d;一定的压力下水合物的分解速度减小。

LNG垂直喷射源连续泄漏扩散的模拟

对液化天然气(LNG)扩散的物理过程进行了理论分析。针对垂直喷射源连续泄漏扩散特点,将液化天然气扩散过程分为重气扩散与被动扩散两个阶段。结合烟羽抬升计算,在两个阶段分别采用SLAB稳态烟羽模型与高斯烟羽模型,建立了液化天然气扩散过程数学模型。研究了垂直喷射源泄漏形式和不同环境条件下的扩散情形。对液化天然气泄漏后混合云团扩散形成的浓度场、温度场和其他特征参数进行了模拟。得到重气扩散阶段随下风向距离增大,扩散云团高度、宽度、温度、密度、云团中液化天然气蒸气含量、水含量的变化规律,被动扩散阶段云团中液化天然气质量分数的变化情况。可以为事故危害范围的测定、事故后人员的疏通和补救工作的指导提供帮助。

输气管道静态模拟及管道末段储气量计算

在对稳定流动理论分析的基础上,建立了较真买反映管内气体稳定流动的基本数学模型,该模型包括连续性方程、动量方程、能量方程和状态方程。采用四阶龙格-库塔法编制了该模型的通用数值计算程序,以陕甘宁至北京长输管道为例进行验证,并在此基础上,对稳定流动工况输气管道末段储气量进行了详细研究和计算。

水合物法分离CO_2与N_2混合气的实验

与传统的分离方法相比,水合物法分离气体混合物技术具有可降低制冷能耗、简化工艺流程、节省投资成本等优势,但目前该技术还不成熟,尚未形成统一的成套技术。为研究各种因素对分离效果的影响并给出一定配比混合气的最佳分离条件,以摩尔分数59%CO2＋41%N2混合气为例,利用自行设计的实验装置,系统地进行了温度、初始压力及含水量对分离效果的单值影响实验。分析处理实验数据,得到混合气在温度1.4~5.6℃、初始压力4.2~6.8 MPa及含水量160~300 mL范围内的分离效果。实验结果显示：降低温度,升高初始压力都可以提高分离率,但同时也会增大损失率;增加含水量会提高分离率,降低损失率,但含水量超过一定值,对分离率的影响便不再明显。综合考虑,对于一定配比的CO2＋N2混合气,在允许的损失率及最小气液比下,可以先增大含水量,然后降低温度,最后提高初始压力,以此来达到最佳的分离效果。

液化天然气水平连续泄漏重气的扩散过程

结合SLAB稳态烟羽模型,针对液化天然气(LNG)连续泄漏、水平喷射源的重气扩散过程进行了模拟研究,分析了液化天然气泄漏后混合云团扩散形成的浓度场、温度场和其它特征参数。利用MATLAB语言编制液化天然气连续泄漏扩散模拟程序,对两种试验环境条件(不同风速、大气温度、大气稳定度、相对湿度和地表粗糙度等环境参数)下扩散云团的特性参数进行模拟计算,得到各云团参数随下风向距离的变化规律。

结构参数对气体引射器性能的影响研究

为优化气体引射器的结构设计方法,针对引射器部分结构参数进行了室内模拟试验。在给定气源参数的基础上,利用气体动力函数法设计引射器基准型试验装置,分别研究喷嘴距、吸入口直径、混合段直径与喷嘴出口直径之比以及混合段长度对引射器性能的影响。试验结果给出了结构参数对气体引射器性能的影响规律,具有一定的工程应用价值。

燃气长输管道动态模拟及未段储气研究

输气管道的发展方向是大管径、高压力、长距离和调峰要求高,迫切需要对输气管道不稳定流动进行研究。基于流体力学基本原理推导的连续性方程、动量方程、能量方程以及SHB-WR真实气体状态方程,建立了燃气长输管道不稳定流动数学模型,采用隐式中心有限差分法编制了该模型的通用数值计算程序,结合哈—依燃气管道工程,将计算结果进行了整理、分析和验证,并在此基础上,对燃气长输管道末段储气量进行了研究。

海上浮式液化天然气脱酸气技术

借鉴国内外陆上及海上脱酸气技术经验,结合一海上示范气田气源及海况条件,综合比较了几种常用脱酸气方法,确定选用MDEA/DEA混合胺液脱酸气工艺。对工艺中的塔设备进行选型,初步确定设备关键工艺参数。采用化工模拟软件HYSYS完成脱酸气工艺模拟,选取合适的评价指标,分析关键参数对工艺运行的影响,提出各关键参数推荐范围。通过本文分析,形成浮式LNG脱酸气技术研究方法,可为海上天然气脱酸气技术的研究提供一定的借鉴。

TEA+DETA混合胺液脱除天然气中H_2S性能优选

运用小型反应釜及再生实验装置对三乙醇胺(TEA)+二乙烯三胺(DETA)混合胺液与N-甲基二乙醇胺(MDEA)+DETA混合胺液进行天然气中H2S吸收、再生实验,并对不同配比的TEA+DETA混合胺液进行实验。通过分析吸收负荷、吸收速率、再生率指标优选出较优的脱H2S胺液配比,并将其运用到工艺实验装置中。结果表明:TEA+DETA混合胺液与传统的MDEA+DETA混合胺液相比具有更优的H2S脱除性能与胺液再生性能;在3种不同摩尔配比中,配比为2.4∶0.6的TEA+DETA混合胺液为最优的胺液配比;配比为2.4∶0.6的TEA+DETA混合胺液在工艺实验装置中表现出了良好的脱H2S性能与胺液再生性能。

TEA+MEA混合胺液脱除天然气中CO_2吸收性能

为适应寻找经济、高效的新型天然气脱碳吸收剂的需求,研究了由三乙醇胺(TEA)和一乙醇胺(MEA)组成的混合胺溶液。实验考察了单一胺和不同比例的混合胺的吸收性能,确定了两种胺的最佳混合比例。结果表明,在TEA中添加MEA能够显著提升其CO2吸收效果,优化比例的混合胺具有更好的CO2吸收负荷、吸收速率和吸收稳定性。

西安市天然气工程储气方案优化研究

针对以高压天然气为主要气源的城市 ,为解决天然气日、时供需矛盾 ,其可行的储气方式通常是建设高压储罐或采用高压管道储气。储气方案优化研究就是对各方法进行技术经济分析 ,从而遴选出最优方案。此项工作的前提就是要较精确地计算出城市高压燃气管道的储气能力 ,而储气能力的计算精确度又与城市高压燃气管道动态模拟的准确性密切相关。为此 ,基于气体管流基本方程组、实际气体SHBWR状态方程、焓方程及城市高压燃气管道的初始和边界条件建立了静、动态数学模型 ,先后采用四阶龙格—库塔法及隐式有限差分法对静、动态数学模型进行了数值求解 ,并采用C ++builder编制城市高压燃气管道模拟软件。针对西安市天然气所属的输配系统 ,研究确认 ,利用高压管道储气在技术上是可行的 ,在经济上是合理的。随着“西气东输”等工程的进展 ,在城市内利用高压管道代替高压储罐储气 ,将会节约巨大的投资和运行费用 ,并具有广阔的应用前景。