大型绕管式换热器气液均布器流体分配特性试验研究

针对LNG/FLNG大型绕管式换热器壳侧空间气液两相流体不均匀性造成的换热性能衰减问题,提出了一种适用于大型绕管式换热器的环管式均布器,并设计搭建了均布特性研究试验平台,研究不同流动条件下,沿径向、周向每个通道流量的比例系数和离散系数,并对有无均布器条件下的流体分配情况进行了对比。结果表明,流体分布随着流量增大而更加均匀,气相分布均匀性优于液相,气液两相周向分布均匀,径向分布由内至外两相质量流量逐渐减少,最内圈流量约为外圈流量的1.2倍,两相体积流量由内至外有所增大,最外圈流量约为内圈流量的1.5倍;放置均布器后,两相体积流量离散系数最大可以减小64%,两相质量流量离散系数最大可以减小57%。研究成果可为LNG/FLNG大型绕管式换热器均布器结构设计提供参考,有利于进一步提高均布效果。

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。

哌嗪活化N-甲基二乙醇胺半贫液脱碳工艺配方优选及参数优化

哌嗪(PZ)活化N-甲基二乙醇胺(MDEA)半贫液脱碳工艺是高含碳天然气预处理能耗高问题的解决途径之一。针对某天然气处理陆上终端采用的PZ活化MDEA半贫液脱碳工艺(设计天然气处理能力为8×10^9 m^3/a,原料气中CO2体积分数为35%),采用吸收再生实验方法对系统中存在的贫液、半贫液吸收CO2性能以及富液解吸CO2性能进行考察,优选适用于半贫液脱碳工艺的胺液配方,并采用HYSYS软件建立半贫液工艺模型,对筛选出较优工艺配方下的工艺参数进行优化。结果表明:随着总胺浓度增加,贫液、半贫液吸收CO2性能及富液解吸CO2性能先增加后减小,较优总胺质量分数为40%;总胺质量分数一定时,随PZ添加量增加,贫液及半贫液吸收CO2性能先增加后减小,解吸CO2相对再生能耗先增加后降低,PZ较优添加质量分数为3%,之后随着PZ添加量的增加,解吸CO2相对再生能耗又缓慢升高,较优胺液配比(质量分数)为37%MDEA+3%PZ;模拟得到较优工艺参数为再沸器温度386.15 K,贫液吸收温度323.15 K,贫液循环量253 m^3/h、半贫液循环量1147 m^3/h。

三乙醇胺+哌嗪混合胺液的脱碳性能及配比优选

胺法脱碳以其脱除效果好、能耗低等优点在天然气预处理中得到广泛应用,目前国内外普遍采用以MDEA为主体的复配胺液为吸收剂。本文选取同为叔胺的TEA为主体进行实验研究,在TEA反应机理的研究基础上,选取哌嗪作为添加剂,对三乙醇胺+哌嗪混合胺液进行脱碳性能研究,通过吸收、解吸及酸解实验,对不同配比的三乙醇胺+哌嗪混合胺液的吸收、解吸及循环性能进行了深入地对比分析。实验结果表明,哌嗪的添加量越大,三乙醇胺+哌嗪混合胺液的吸收效果越好,但这一现象会随着哌嗪添加量的增大而不明显。而添加哌嗪对三乙醇胺的解吸性能并无明显改善。

基于响应面与遗传算法的液力透平叶轮优化设计

建立了基于试验设计、响应面近似和遗传算法优化的液力透平叶轮优化设计方法。通过ANSYS CFX数值模拟得到其外特性,原始模型数值计算结果与试验结果外特性吻合较好。以设计工况下的水力效率和扬程为目标函数,利用响应面方法(RSM)分别得到设计参数与目标函数之间的显式表达式,采用NSGA-Ⅱ遗传算法得到最优叶轮参数组合。优化后水力模型效率提高3.2%。结果表明,响应面方法与NSGA-Ⅱ遗传算法相结合的优化方法适用于液力透平叶轮的优化设计。

高压填料塔内脱碳传质模型的建立及适用性分析

为探究高压工况下,填料塔内醇胺溶液吸收高浓度(体积分数35%)CO_(2)的传热传质规律,基于双膜理论,以小型θ环填料塔实验装置为基础,建立了塔内N-甲基二乙醇胺+哌嗪(MDEA+PZ)脱碳传质模型。利用不同吸收压力下的实验数据对模型进行了修正,使模型适用于高压工况。结果表明,传质通量修正因子的引入,能够较好地解决高压工况下模型计算误差较大的问题;不同进气和溶液流量下,CO_(2)浓度场和温度场的模拟结果与实验数据基本一致;填料塔内存在快速反应区域,并且会随着气液流量变化移动。本模型可为相应特征天然气的净化提供借鉴。

FLNG多级液力透平转子临界转速的计算与分析

为了研究9级FLNG液力透平转子在运行过程中的可靠性,基于ANSYS有限元仿真平台,采用模态分析方法对液力透平转子进行"干态"和"湿态"条件下数值模拟,并分析了轴承刚度、密封环间隙刚度和电机间隙刚度对转子系统的一阶临界转速的影响。结果表明,在"干态"刚性支撑条件下,转子各阶临界转速均大于相应的弹性支撑下的临界转速。"干态"和"湿态"条件下,转子的一阶临界转速分别为9 170r/min和21 179r/min,均超过工作转速2 965r/min,并留有不低于20%的安全裕度,表明所设计的9级FLNG液力透平转子在"干态"和"湿态"条件下均满足实际工程中结构动力学设计要求。此外,即使转子在实际运行过程中发生磨损,密封间隙增大至8倍设计值0.16mm,转子一阶临界转速仍远高于工作转速,不会影响安全运行。

混合制冷天然气液化工艺模拟及优化研究

采用化工模拟软件HYSYS对珠海天然气液化工艺进行了模拟计算,分析了工艺参数的变化对流程性能指标(压缩机及泵的耗功、冷却器的制冷负荷及换热器中低压制冷剂的制冷量)的影响,并从降低流程耗功及制冷量的角度,给出了参数优化的建议。

MDEA+MEA/DEA混合胺液脱碳性能实验研究

混合胺液脱碳法具有吸收能力强、反应速度快、适用范围广、再生能耗低等许多优点,得到了越来越多的关注。为此,采用带有磁耦合搅拌的高压反应釜,进行了不同浓度配比MDEA+MEA、MDEA+DEA混合胺液对CO2的吸收与解吸实验研究。结果表明:①向2.0mol/L的MDEA中加入1.0mol/L的MEA,混合胺液对CO2的吸收解吸综合性能才有显著改善;②MDEA/DEA配比为2.0/1.0时CO2吸收反应很快达到平衡,但该配比在酸气负荷较高的情况下CO2吸收速率较低;③MDEA/DEA配比为2.6/0.4的混合胺液较MDEA单一胺液对CO2的吸收性能并无明显改善;④2.3/0.7配比的MDEA+DEA混合胺液对CO2的吸收负荷与CO2吸收速率均保持较高水平;⑤向MDEA中添加DEA对其CO2解吸性能的改善作用并不明显,只有2.0mol/L的MDEA+1.0mol/L的DEA混合胺液CO2解吸性能稍好,但不如相同配比的MDEA+MEA混合胺液。该成果为天然气脱碳胺液的配方优选和脱碳工业装置的设计提供了基础数据。

中国首套LNG液力透平系统开发与工业化测试

天然气液化装置中采用低温液力透平替代传统LNG或MR混合冷剂J-T节流阀实现节流降压是提高天然气液化装置效率的先进技术,也是全球天然气液化技术发展的一种趋势。我国目前已拥有超过136座的天然气液化工厂,但尚未实现低温液力透平的国产化和工业化应用。为此,通过对LNG液力透平工艺及控制系统开发、本体水力模型优化设计、样机结构设计与制造等关键技术进行攻关,开发了国内首套LNG液力透平系统(设计流量为40 m3/h),用于回收LNG冷箱出口LNG压力能。LNG液力透平系统在中海石油广东液化天然气有限公司天然气液化装置完成了系统启停、变流量、变转速多工况工业化测试。测试结果表明:1样机本体运转平稳,低温机械性能良好,运行性能参数基本达到设计预期;2工艺及控制系统、变频发电系统设计可行,可与已有天然气液化装置上的LNG产品J-T节流阀自动平稳切换使用,平均可提高LNG产量2%,发电8.3 k W。

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。

Aspen HYSYS对胺法脱碳再生工艺模拟的适用性

为分析Aspen HYSYS软件模拟的可靠度,进一步确定HYSYS软件在胺法脱碳再生工艺中的适用性,基于自主设计搭建的胺法脱碳中试试验装置,建立相应的HYSYS软件稳态仿真模型,对不同原料气气质、胺液流量、胺液配方、再生压力、再生温度下的胺液解吸率及再生能耗进行模拟、误差计算,分析HYSYS软件在胺法脱碳再生工艺中的适用性。研究结果表明,利用HYSYS软件模拟胺法脱碳过程中的再生工艺时,模拟结果随工艺参数的变化规律与试验结果总体保持一致,除个别不利于再生的工艺参数外,HYSYS软件的模拟适用性均较好;HYSYS软件中影响再生效果的5个工艺参数对模拟适用性影响较大的是再生压力,MDEA+MEA和TEA+MEA两种不同配方影响较小。另外,对再生能耗模拟误差影响较大的是再生温度,在一定塔底压力下,再生温度存在一个转折点,高于该温度时,再生能耗大幅度增加。本次验证过程中,再生温度115℃左右为一个转折点,但HYSYS软件的总体模拟能耗适应性均较差。

天然气半贫液脱碳工艺三元胺液配方优选

为实现天然气脱碳工厂降本增效目标,基于某工厂PZ活化MDEA半贫液工艺,在现有设备能力下进一步提升胺液性能,进行三元复配胺液配方筛选以替代原有吸收剂。本文针对单一胺液的贫液、半贫液及富液分别进行实验,确定合适的主体胺液及添加剂,将胺液进行三元复配后通过实验探究三元复配胺液的吸收及再生性能,旨在寻找吸收容量大、吸收速率快、解吸率高、循环溶解度高、再生能耗低综合性能优的胺液配方。通过研究发现,单一胺液中AMP、DETA及PZ吸收性能较优,TEA再生能耗最低,解吸率最高;对于三元复配胺液而言,当MDEA/DEEA为主体胺液时,两种胺液配方贫液状态下的吸收速率和吸收负荷均较高,MDEA/TEA双主体胺液的最终解吸率高于MDEA/DEEA双主体胺液,TEA的加入显著提高了胺液的解吸率;筛选得到的三元高效胺液配方18%MDEA+18%TEA+4%PZ的半贫液循环溶解度高于原PZ活化MDEA配方,再生能耗较低,可代替PZ活化MDEA胺液应用于天然气半贫液脱碳工艺。

绕管式换热器壳侧冷剂流体均配性能模拟研究

绕管式换热器是天然气液化的主低温换热器,绕管式换热器壳侧冷剂流体的均配性能严重影响换热器的换热效率。为此本文建立了绕管式换热器仿真模型,利用FLUENT软件进行数值模拟研究,分析了不同流量及干度工况下壳侧两相冷剂流体流动的均配特性。模拟结果表明:干度小于0.5时,流体分配随流量增大而更均匀,径向上内、外侧质量流量较中间多;干度大于等于0.5时,流体均配程度基本稳定,随流量增加变化较小,径向上由内至外两相质量流量减少;质量流量不变时,流体分配随干度减少而更均匀。

多因素对散堆填料吸收塔内有效传质面积的影响

为了明确高压下散堆填料吸收塔内有效传质面积随不同因素的变化规律及影响程度,利用实验室θ环散堆填料塔实验装置,采用添加丙三醇的低浓度NaOH溶液吸收CO_(2)进行有效传质面积测定实验,并对各因素进行敏感性分析。研究表明:1 MPa为有效传质面积从骤增到平缓增加的分界点压力;吸收温度对有效传质面积的影响幅度较小,呈现先增大后减小的趋势;随着气体流量、溶液流量以及溶液黏度的增大,有效传质面积呈现近似线性增加的趋势;有效传质面积对各因素的敏感性由大到小顺序为溶液黏度、溶液流量、吸收压力、气体流量、吸收温度。

天然气胺法脱碳吸收反应热实验研究

采用自主设计的绝热反应量热仪测定了N-甲基二乙醇胺(MDEA)、哌嗪(PZ)以及2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)在不同条件下吸收CO_(2)的反应热,考察了CO_(2)负载量、总胺质量分数、温度、压力及混合溶液的配比等对吸收反应热的影响。结果表明:MDEA溶液的反应热明显低于PZ和AMP,其反应热范围为50~55 kJ/(mol CO_(2)),而PZ和AMP的反应热范围为65~70 kJ/(mol CO_(2));各影响因素对反应热变化规律影响程度不同,其中醇胺种类影响最大,其次为CO_(2)负载量。在MDEA溶液中添加PZ或AMP构成的二元复配胺液,其反应热相比于MDEA溶液分别提高了5~10、10~12 kJ/(mol CO_(2))。在二元复配胺液38%MDEA+2%PZ基础上,分别加入AMP、乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)以及三乙胺(TEA)构成的三元复配胺液中,加入MEA和DEA后反应热升高较为明显,分别达到了78和73 kJ/(mol CO_(2)),加入TEA后反应热有所降低,而加入AMP后反应热基本保持不变。

实际天然气液化工厂脱酸系统胺液筛选及工艺优化

醇胺法脱碳技术广泛应用于天然气预处理脱酸系统中,以免酸性气体腐蚀设备及在低温状态下冻结而堵塞管道和阀门。高效的胺液配方可大幅度降低工厂能耗,是企业长期追求的目标。针对实际天然气液化工厂能耗高的现状,基于实际天然气液化工厂运行数据和流程,采用软件模拟和机理实验,对再生温度、吸收温度及胺液循环量进行优化,最终优选出胺液配方36%MDEA+4%PZ,可降低胺液采购成本36.76%,每年可节约电费7.1×10^(4)元,为工厂脱碳胺液筛选及工艺参数优化提供指导。

超重力条件下旋转填料层中流体流动特性研究

针对新型超重力天然气脱碳技术特点,以实际工程脱碳工艺数据为基础,构建了超重力机旋转填料层数值模型,研究了两相流体在超重力机旋转填料层中的流动特性,结果表明:在超重力条件下,改变流速、转速及进入方向对流体在旋转填料层中的运动几乎没有影响,旋转填料层中流体分布特性受海上晃荡工况影响可以忽略;流体分布的均匀性与旋转填料层内速度梯度及压降呈负相关的关系,速度梯度及压降越小,流体分布越均匀;随着时间的增加,流体在旋转填料层中逐渐均匀分布,此时的脱碳效果最好;提高旋转敏感度有利于流体在旋转填料层内的均匀分布。本文研究结果对超重力脱碳技术在海上工况条件下的应用具有指导意义。

含氧煤层气低温脱氧液化工艺及安全分析

国内煤层气井下抽采利用率低,造成大量的煤层气资源排空浪费。针对含甲烷浓度低(以甲烷摩尔分数40%为例)的含氧煤层气,提出含氧煤层气开发利用的低温脱氧液化工艺流程,并给出流程计算结果和液化系统单位能耗;通过HYSYS对含氧煤层气低温脱氧液化工艺流程进行模拟,结合爆炸三角形理论,对工艺流程的安全性进行分析,指出含氧煤层气采用低温脱氧液化技术可能存在的安全隐患,并通过分析提出消除安全隐患的方法和措施,指导含氧煤层气低温脱氧液化工艺设计。

液化天然气中CO_(2)的溶解度计算新方法

液化天然气技术是深远海天然气利用最为可行的技术方案,其中带压液化天然气(PLNG)技术可显著提升LNG中CO_(2)的溶解度,但利用相平衡实验获得CO_(2)溶解度的方法较为复杂,且理论方法难以在宽温区范围内保证CO_(2)溶解度计算的准确度。为了能快速计算具有高准确度的液化天然气中CO_(2)的溶解度,提出了分温区拟合二元交互作用系数的方法,应用HYSYS软件和理论自编程法分别对CH_(4)—CO_(2)二元系和CH_(4)—CO_(2)—N_(2)/C_(2)H_(6)三元系溶液中CO_(2)的溶解度进行计算。研究结果表明:(1)采用HYSYS软件和理论自编程法分别计算的CO_(2)在二元系溶液和三元系溶液中的溶解度,与实验数据的平均相对误差均小于8%;(2)使用拟合的二元交互系数后,HYSYS软件计算CO_(2)在液态CH_(4)中的溶解度数据与实验值的平均相对误差从6.63%降到1.69%,且HYSYS软件和理论自编程法计算三元系溶液中CO_(2)的溶解度准确性均得到了提高。结论认为,通过使用分温区拟合二元交互作用系数,HYSYS软件和理论自编程法可快速计算高准确度的CO_(2)溶解度数据,该新方法为天然气液化工艺流程的设计提供了理论指导和技术支撑。