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                用双锥?内锥型水力旋流器提纯海洋天然气水合物浆体

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                • 文件类型:pdf
                • 资料大小:1.06M
                • 上传时间:2019-04-23
                • 标签:海洋天然气水合物;分离;双锥-内锥型水力旋流器;多相流;数值模拟
                :针对水合物混合浆体中存在少量天然气的问题,设计了一种适合水合物混合浆体除气除砂的新型水力旋流器?双锥?内锥 型水力旋流器,采用有限体积数值模拟方法研究了颗粒粒径、锥角组合、进口压力对固体颗粒和天然气分离效率的影响. 结果 表明,固体颗粒粒径为 50?90 ?m、天然气气泡直径为 400?800 ?m、进口压力为 4.3?7.3 MPa 时分离效率最佳,最优的锥角组合 为 10o–5o.  关键词:海洋天然气水合物;分离;双锥-内锥型水力旋流器;多相流;数值模拟 中图分类号:TQ028.4       文献标识码:A      文章编号:1009?606X(2018)03?0491?05 
                Separation and Purification of Natural Gas Hydrate Slurry Mixture by                     Double Cone?Inner Cone Hydrocyclone 
                Hao CHEN,  Wenke WU*,  Bin LV,  Jingwen CHEN,  Laiqiang FU,  Gang YIN (School of Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China) Abstract: A double cone?inner cone hydrocyclone suitable for removing gas and sand in mixed slurry of natural gas hydrate was designed for the presence of natural gas in the mixed slurry of submarine natural gas hydrate. The effects of particle size, cone angle combination, inlet pressure on separation efficiency of solid particles and natural gas were studied. The results showed that under the conditions of the solid particle diameter 50?90 ?m, the natural gas bubble diameter 400?800 ?m and the inlet pressure 4.3?7.3 MPa, the optimum separation efficiency can be archived, the optimum cone angle combination was 10o–5o. Key words: seabed nature gas hydrate; separation; double cone-inner cone hydrocyclone; multiphase flow; numerical simulation 
                1  前 言 
                海洋天然气水合物是天然气水合物的主要存在形 式,储藏量较大,勘探开发价值巨大[1–5]. 周守为等[6] 提出海底浅层弱胶结天然气水合物固态流化开采技术. 海底浅层弱胶结天然气水合物开采过程中采用海洋预 分离技术不仅能降低举升动力消耗,还可有效节省海上 生产平台空间,降低运行成本[7]. 目前固态流化开采的 海底预分离技术几乎处于空白. 陈浩等[8]基于固态流化 开采技术设计了海洋天然气水合物混合浆体的海底预 分离工艺,用常规单一锥角的水力旋流器作为分离设 备,基本能满足分离要求. 但该研究将海洋天然气水合 物混合浆体简化为泥砂、天然气水合物和海水三相,未
                考虑因分解而产生的少量天然气[9,10].  本工作设计了一种适合水合物混合浆体除气除砂 的新型结构的水力旋流器?双锥?内锥型水力旋流器, 采用有限体积法利用 CFD 数值模拟软件 Fluent 模拟其 分离过程,研究了不同参数对分离效率的影响,得到最 优的操作参数并确保其可靠性与可行性,为后续深入研 究提供参考.  2  分离设备 
                水合物在海底高压低温下相对稳定,固态流化要求 采用机械挖掘设备对海洋天然气水合物进行开采[6],一 定程度上破坏了海洋天然气水合物稳定赋存的条件,造 成少量水合物分解,产生少量天然气气体. 海洋天然气
                492                                            过 程 工 程 学 报                                       第 18 卷 
                 
                水合物混合浆体可简化为天然气水合物、天然气、泥砂 和海水的多相体系,故采用水力旋流器开采海洋天然气 水合物混合浆体是固?固?气?液多相分离过程,用常规 水力旋流器不能满足要求[11]. 本工作设计了一种适合 海洋天然气水合物混合浆体除气除砂的新型结构的水 力旋流器?双锥?内锥型水力旋流器.  2.1 双锥?内锥型水力旋流器 双锥水力旋流器有上下 2 个锥体,上锥体的锥角比 下锥体大. 上锥体使双锥水力旋流器内部流场的离心强 度比常规的单锥水力旋流器强,下锥体使水力旋流器内 部具有足够强度的分离域[12].  由于海洋天然气水合物混合浆体含少量天然气气 体,故在双锥角水力旋流器内部加入 1 个内锥(底部有 一支撑杆与底流口相连,支撑与固定内锥),具有集气 和上推作用,使天然气较快速地进入内旋流中部,从溢 流口排出.  2.2 混合浆体的提纯 双锥?内锥型水力旋流器对海洋天然气水合物混合 浆体的分离主要是除气除砂,因此结合海洋开采的实际 情况,对混合浆体进行两级串连分离:第一级利用双锥 ?内锥型水力旋流器除去混合浆体中大量的泥砂与少量 的天然气气体,剩下的混合浆体可近似看成无气体存在 的混合浆体;第二级利用常规水力旋流器对剩下的混合 浆体进行水合物与泥砂分离提纯[8].  2.3 双锥?内锥型水力旋流器结构参数的确定 双锥?内锥型水力旋流器直径为 250 mm,长方形进 料口长、宽分别是 50 和 40 mm,溢流口直径为 70 mm, 底流口直径为 30 mm,溢流管插入深度为 168 mm,筒 体高 400 mm[8,13].  水力旋流器的锥角 θ 对分离效率有较大影响. 本工 作研究 3 种常见的锥角组合对混合浆体分离效率的影 响,分别为 10o–5o, 15o–10o和 20o–15o[12],模型见图 1. 
                 
                图 1  双锥?内锥型水力旋流器结构示意图 Fig.1  Structural sketch of double cone?inner cone hydrocyclone 
                3  数值模拟 
                3.1 力学模型建立 采用 Solidworks 2015 软件对双锥?内锥型水力旋流 器进行三维建模,利用 ICEM CFD 对模型进行结构化网 格划分, 3 种锥角组合的旋流器的网格数分别为 442131 (10o–5o), 496838 (15o–10o)和 553223 (20o–15o),如图 2 所示. 为得到较准确的计算结果,对旋流器较小的尺寸 部位进行细化处理.  
                 
                图 2  锥角 15o–10o组合的双锥?内锥型水力旋流器网格划分 Fig.2  Grid of double cone-inner cone hydrocyclone with  15o–10o cone angle combination 
                3.2 天然气水合物混合浆体的介质参数 基于固态流化开采技术,结合海洋天然气水合物的 基本特性与多相流理论,将海洋天然气水合物的介质模 型简化为只有海水、天然气气体(甲烷,5%)、天然气水 合物(10%)和泥砂(20%),因此混合浆体的流动属于固? 固?气?液的多相流,其中海洋天然气水合物和海洋泥砂 为固体颗粒,粒径为 10?90 ?m;海水为液体;甲烷为 气体,气泡直径为 100?900 ?m. 表 1 为混合相介质参数.  
                表 1 海洋天然气水合物混合浆体的介质参数 Table 1  Parameters of natural gas hydrate slurry mixture Medium Density/(kg/m3) Viscosity/[kg/(m?s)] Seawater 1025 0.0017 Natural gas 0.6679 1.087×10–5 Marine mud sand 2600 1.72×10–5 Natural gas hydrate 650 1.30×10–5 
                3.3 边界条件及参数的设定 颗粒相的体积分数为 35%,大于 10%,故将离散相 作为连续相处理,选用欧拉?欧拉多相流模型中的混合 多相流模型(Mixture 模型)[14],且不考虑颗粒间的碰撞、

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