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基于低损耗热压缩的新型液氢加氢站工艺系统构建

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低温工程 2024年第2期 15-21页

作者：王莹李汉勇姜雨欣陈尚飞韩东旭北京石油化工学院深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室北京102600

为解决国内现有液氢加氢站中核心设备短期内无法实现国产化以及液氢站加注过程中氢浪费量过大等问题,基于机械压缩增压和热压缩增压机理,构建了基于低损耗热压缩的新型液氢加氢站工艺系统,并利用Aspen HYSYS软件对该新型液氢加氢站工艺... 详细信息

为解决国内现有液氢加氢站中核心设备短期内无法实现国产化以及液氢站加注过程中氢浪费量过大等问题,基于机械压缩增压和热压缩增压机理,构建了基于低损耗热压缩的新型液氢加氢站工艺系统,并利用Aspen HYSYS软件对该新型液氢加氢站工艺系统进行了稳态模拟,得出了系统运行工况参数,确定了优化工艺方案。在此基础上对现有液氢加氢站和新型液氢加氢站系统及其热压缩模块分别进行了能耗分析,结果表明,现有的“增压与汽化并行”式液氢加氢站系统比能耗为0.912 kWh/kg,而低损耗热压缩的新型液氢加氢站系统比能耗为0.322 kWh/kg,其比能耗比现有液氢加氢站降低了64.8%。这表明基于低损耗热压缩的新型液氢加氢站系统更节能,系统中关键部件的[火用]效率也更高。

关键词：液氢站加氢站热压缩机械功增压 HYSYS模拟能耗分析

脱液型管式气液分离器旋流分离段内液膜流动和分离特性

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化工进展 2024年第8期43卷 4297-4306页

作者：宋家恺孔令真陈家庆孙欢李奇李长河王思诚孔标北京石油化工学院环境工程系北京102617 深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室北京102617 中国石化石油勘探开发研究院北京102617

脱液型管式气液分离器旋流分离段内液膜流动特性是影响分离性能的关键因素,掌握液膜流动与分离效率之间的关系对结构改进和性能提升至关重要。本文改变液气比、入口气速、分流比和旋流叶片出口角等因素开展室内实验测试,获得不同工况下... 详细信息

脱液型管式气液分离器旋流分离段内液膜流动特性是影响分离性能的关键因素,掌握液膜流动与分离效率之间的关系对结构改进和性能提升至关重要。本文改变液气比、入口气速、分流比和旋流叶片出口角等因素开展室内实验测试,获得不同工况下液膜流动的高速摄影图像和分离效率,基于Matlab编程建立液膜表面波速度和角度的图像分析方法,确定液膜流动特性与分离效率之间的关系。结果表明,液气比在0.12~0.3L/m3范围内,液气比和分流比对分离效率和液膜表面波速度的影响不明显;入口气速对分离效率和液膜表面波速度的影响最为显著,随着入口气速逐渐增加,分离效率先增大后减小,在入口气速18.82m/s时出现拐点;旋流叶片出口角分别为30°、45°、60°时,分离效率由大到小依次为30°>45°>60°,液膜表面波速度由大到小依次为60°>45°>30°。总的来说,旋流分离管段内液膜表面波速度0.98m/s为临界值,液膜表面波速度大于该值时,环缝排液口处液膜更易发生破碎,部分破碎的大液滴在重力和气流作用下进入气相出口,导致气液分离效率显著下降;液膜表面波速度小于0.98m/s时,分离效率基本保持在98%以上。

关键词：气液分离液膜流动特性液膜表面波速度分离效率

微气泡型管式气液接触器的气液两相流动特性研究

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石油化工高等学校学报 2024年第3期37卷 25-33页

作者：杨寒月孔令真陈家庆孙欢宋家恺孔标丁国栋北京石油化工学院环境工程系北京102617 深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室北京102617

与常用气液鼓泡塔相比,管式气液接触器通过在管道空间内产生的均匀气泡状高分散体系强化气液传质过程,具有含气率高、能耗低和维护简单等优点。自主设计研制了带文丘里射流气泡发生器的微气泡型管式气液接触器;利用计算流体动力学(CFD)... 详细信息

与常用气液鼓泡塔相比,管式气液接触器通过在管道空间内产生的均匀气泡状高分散体系强化气液传质过程,具有含气率高、能耗低和维护简单等优点。自主设计研制了带文丘里射流气泡发生器的微气泡型管式气液接触器;利用计算流体动力学(CFD)数值模拟和室内实验相结合的方法,对其所涉及的成泡机理、气泡粒径分布特性等进行了系统研究。结果表明,采用体积分数法(VOF)模型耦合RNG k-ε湍流模型可模拟分析微气泡型管式气液接触器内成泡机理和气泡形态;在文丘里射流气泡发生器的扩张段内可将大气泡剪切破碎成微气泡,且微气泡均匀稳定;气泡粒径随液体流量的增大而减小,在液体流量为14.0 L/min、气体流量为最大自然吸气量、柱体长度为800 mm时气泡粒径最小(76.5μm);气泡粒径随气体流量的增大而增大,在气体流量为1.5 L/min、液体流量为8.0 L/min、柱体长度为800 mm时气泡粒径最小(86.7μm);气泡粒径随柱体长度的增大呈现先降低后基本不变的趋势,当柱体长度大于800 mm时,其对气泡粒径的影响较小。

关键词：气液接触器射流气泡发生器微气泡 CFD数值模拟气泡粒径

动态水力旋流器内短路流流量的计算方法及影响分析

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化工进展 2024年

作者：于海栾智勇姬宜朋安申法陈家庆司政任强孙丰旭宋泽润北京石油化工学院机械工程学院深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院

短路流是影响水力旋流器分离效率的重要因素，然而针对动态水力旋流器中短路流的形式和计算方法鲜有研究。本文通过数值模拟的方式对动态水力旋流器溢流管口处径向速度变化和流线分布规律，提出了一种基于数值模拟的动态水力旋流器短路... 详细信息

短路流是影响水力旋流器分离效率的重要因素，然而针对动态水力旋流器中短路流的形式和计算方法鲜有研究。本文通过数值模拟的方式对动态水力旋流器溢流管口处径向速度变化和流线分布规律，提出了一种基于数值模拟的动态水力旋流器短路流流量计算方法。将量纲为1的动态水力旋流器高灵敏度结构参数作为输入指标，以数值模拟所得的短路流率作为响应目标，通过响应曲面法建立了量纲为1的结构参数与短路流率间的计算模型。基于所建立的模型，使单管处理量为120m3/h的动态水力旋流器进行结构改进，改进后短路流流量减少了59.6%，分离效率提高了10.4%，基于该方法改进的单管120m3/h处理量动态水力旋流器中试样机通过了海上石油平台上的试验验证，且试验分离性能与模拟预测分离效率间的平均误差仅有4.9%。

关键词：动态水力旋流器短路流计算模型数值模拟现场试验

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管式旋流气液分离器流场特性与分离性能研究

过程工程学报 2024年第7期24卷 772-782页

作者：张明孙欢王强强陈家庆尚超李想王春升孔令真中海油研究总院有限责任公司工程研究设计院北京100027 北京石油化工学院机械工程学院北京102617 深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室北京102617 西南石油大学石油与天然气工程学院四川成都610500

管式旋流气液分离器因具有分离效率高、结构紧凑等优点而受到广泛关注,但能否适应入口气含率大范围变化是制约其实用性的关键。本工作考察了能够适应气含率大范围变化的管式旋流气液分离器,采用计算流体力学(CFD),结合空气-水介质体系... 详细信息

管式旋流气液分离器因具有分离效率高、结构紧凑等优点而受到广泛关注,但能否适应入口气含率大范围变化是制约其实用性的关键。本工作考察了能够适应气含率大范围变化的管式旋流气液分离器,采用计算流体力学(CFD),结合空气-水介质体系下的实验测试,对其流场特性和分离性能进行研究。CFD数值模拟结果显示,入口气含率在10%~90%范围内变化时,气相分离效率均大于80%且变化幅值小于9.9%,液相分离效率均大于97%且变化幅值小于2.2%。实验测试结果显示,入口气含率在9.4%~89.2%范围内变化时,随入口气含率增加,气相出口的含液率逐渐减小而液相出口的气含率逐渐增加,气相出口的含液率均小于4%,除液体流量为12 m^(3)/h的工况外,其他工况下液相出口气含率始终小于10%。对比不同液体流量下的气相分离效率和液相分离效率,液体流量为8 m^(3)/h时分离性能最佳。CFD数值模拟结果与实验测试结果略有差异,但整体变化趋势一致,可作为结构放大设计的有效手段。研究结果表明,管式旋流气液分离器整体采用“强旋流+弱旋流+重力”的作用形式,具有较高的分离效率和良好的抗工况波动性能。

关键词：气液分离管式旋流数值模拟实验测试流场特性分离效率

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薄板式静态混合器混合性能数值模拟

化学工程 2024年第2期52卷 78-82,88页

作者：谷雨安申法陈家庆姬宜朋栾智勇丁国栋肖建洪北京石油化工学院机械工程学院北京102617 深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室北京102617 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油工程技术研究院山东东营257067

薄板式静态混合器内构件简单、通量高、压降低,可以有效降低稀释水掺混能耗。文中以不均匀系数ψ和管路压降Δp作为评价指标,利用CFD(计算流体动力学),对比分析单直管、单顺流羽状管、单逆流羽状管和双顺流羽状管等4种注水方式的混合效... 详细信息

薄板式静态混合器内构件简单、通量高、压降低,可以有效降低稀释水掺混能耗。文中以不均匀系数ψ和管路压降Δp作为评价指标,利用CFD(计算流体动力学),对比分析单直管、单顺流羽状管、单逆流羽状管和双顺流羽状管等4种注水方式的混合效果和压降。研究发现,在注水管安装在L/D=5.3处,单管注入时,注水两侧形成的径向二次流强度Se变化缓慢,稳定的涡旋流在混合器内产生混合“死区”,降低了静态混合器的油水混合速度;当ψ降至0.05时,混合距离超过18D。此混合死区解释了单管注入时分散相注入点附近易出现局部高浓度区。双顺流羽状管注入时,对撞水相产生较高径向二次流强度Se,且迅速降低。快速变化的流场显著减少混合距离,与单管注入相比,ψ降至0.05时混合距离减少76.9%,Δp增加1.5%。

关键词：油水混合数值模拟薄板式静态混合器注水方式

非均匀电场中水颗粒介电泳运动规律的数值模拟

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石油学报(石油加工) 2024年

作者：郭星张宝生陈家庆安申法栾智勇董建宇石熠高一鸣北京石油化工学院机械工程学院深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油工程技术研究院

针对管式电场破乳设备中常用的环形电极结构，在采用理论分析、微观观测实验验证计算流体动力学（CFD）数值模型准确性的基础上，开展了非均匀电场下水颗粒介电泳运动特性的数值模拟研究，考察了电场参数、水颗粒尺寸参数、物性参数等... 详细信息

针对管式电场破乳设备中常用的环形电极结构，在采用理论分析、微观观测实验验证计算流体动力学（CFD）数值模型准确性的基础上，开展了非均匀电场下水颗粒介电泳运动特性的数值模拟研究，考察了电场参数、水颗粒尺寸参数、物性参数等对其运动的影响规律。结果表明，随着施加电压占空比的增大，水颗粒瞬时速度波动幅度先增大后减小，在占空比50%时波动幅度最大，总体呈现波动式增大；随着电场频率增加，水颗粒平均速度呈现先上升后下降的趋势，在电场频率为1000 Hz时水颗粒平均速度达到峰值，但总体来看电场频率对水颗粒平均速度的影响不大。水颗粒与环形电极中心距离减小时，水颗粒所处位置的电场强度和电场梯度增加，造成水颗粒平均速度迅速增大；水颗粒直径为0.3～1.0 mm时，随着水颗粒直径增大，介电泳力与阻力同时增大，但介电泳力作用更强，导致水颗粒平均速度增大。随着油相黏度增大，水颗粒速度快速减小，当油相黏度增大到大于50 mPa·s后趋于平缓。在介电泳力作用下，水颗粒向环形电极中心运动，促进了偶极聚结。该研究结果可为管式电场破乳设备的设计研制和优化提供理论依据。

关键词：非均匀电场水颗粒介电泳力数值模拟运动规律静电聚结

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基于介电泳的液滴动力学行为研究

化学工程 2024年第7期52卷 64-69页

作者：郭星张宝生陈家庆曲柏宇安申法栾智勇董建宇石熠高一鸣北京石油化工学院机械工程学院北京102617 北京石油化工学院深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室北京102617 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油工程技术研究院山东东营257067

为探究非均匀电场下液滴受介电泳作用的运动及变形,采用COMSOL Multipysics TM软件,研究波纹板-平板电极结构下液滴的运动与变形规律,讨论平板-平板电极与波纹板-平板电极的液滴动力学差异,分析电场参数、工质参数对单个液滴运动速度及... 详细信息

为探究非均匀电场下液滴受介电泳作用的运动及变形,采用COMSOL Multipysics TM软件,研究波纹板-平板电极结构下液滴的运动与变形规律,讨论平板-平板电极与波纹板-平板电极的液滴动力学差异,分析电场参数、工质参数对单个液滴运动速度及变形的影响。结果表明:随着时间增加,较平板-平板电极结构,波纹板-平板电极结构中液滴速度与变形差异逐渐增大;随着电压幅值增加,电场梯度的增大导致液滴速度增加,最高增至3.03 mm/s,同时电场力的增加导致液滴变形加剧;交流矩形波对液滴运动速度及变形的影响强于交流正弦波、交流三角波、交流锯齿波;随着油相黏度减小,液滴所受阻力减小,其运动速度及变形增大,0.2 Pa·s时液滴的最大变形量可以达到3.73;当液滴位置逐渐靠近波谷位置,其所受电场强度及电场力逐渐增加,导致液滴运动速度及形变量增加。相关结论可为原油脱水与油静电净化领域提供理论基础。

关键词：液滴电场相场运动速度变形度

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环形异向流浅层流场油滴流动及分离特性研究

石油机械 2024年第5期52卷 98-106页

作者：艾星宇邢宇涵蔡小垒陈家庆丁国栋安申法王秀军北京石油化工学院机械工程学院深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室中石化胜利油田分公司石油工程技术研究院中海油研究总院有限责任公司

目前关于环形多层异向流浅层流道内液滴流动和油水分离特性的研究尚不够深入。为此,借助流体动力学方法,对环形异向流浅层流道内分散油滴运移分离特性和多层浅层流道速度分布特性进行分析。研究结果表明:环形异向流浅层流道内油滴浮升... 详细信息

目前关于环形多层异向流浅层流道内液滴流动和油水分离特性的研究尚不够深入。为此,借助流体动力学方法,对环形异向流浅层流道内分散油滴运移分离特性和多层浅层流道速度分布特性进行分析。研究结果表明:环形异向流浅层流道内油滴浮升至斜板表面所需板长为96 mm,小于理论计算所需板长122 mm;浅层通道内层间速度分布对分离效率影响较大,下层流道入口速度峰值为0.00805 m/s,环形多层浅层通道内油相浮升过程中会遇到交叉流,显著影响浅层通道分离效率;滑移距离是影响浅层通道间分离效率的重要因素,当板长为350 mm、油滴粒径为50μm时,滑移距离占板长38.35%。所得结论可为基于浅层沉降强化分离理论的紧凑型采出水处理设备结构创新优化设计提供理论支撑。

关键词：采出水处理环形异向流浅层沉降分离数值模拟流道速度分离效率滑移距离

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