CC BY
16
УДК 664.03
ПЛЕНОЧНАЯ КОНДЕНСАЦИЯ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ В ТОНКОСТЕННОЙ ТРУБЕ НА РАЗЛИЧНЫХ СКОРОСТНЫХ РЕЖИМАХ
БЛЯБЛЯС АН., КОРЕПАНОВ М.А.
Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, Ижевск, ул.Т.Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Смоделирована пленочная конденсация попутного нефтяного газа, рассмотрена зависимость толщины слоя сконденсировавшейся углеводородной жидкости на внутренней стенке трубы с учетом конвективного теплообмена. Исследовано влияние скорости подвода газовой смеси на теплообмен и конденсацию.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: пленочная конденсация, попутный нефтяной газ, гидрогазодинамика, режим течения. АКТУАЛЬНОСТЬ
Волновая пленка встречается во многих технологических процессах и установках, называемых пленочными аппаратами. Возникновение волн на пленке меняет гидродинамику взаимодействия пленки с центральным ядром газа, поскольку к межфазному трению прибавляется сопротивление форм поверхности раздела. Одним из примеров является сепарация пара, когда в результате появляется пленка жидкости.
По сравнению со свободным течением пленки, задача о движении под действием внешнего потока воздуха является более сложной и несет более глубокую практическую значимость.
Химический состав конденсируемого газа, несомненно, оказывает существенное влияние на картину фазового перехода, соответственно и течение конденсата, под действием внешнего потока воздуха, будет зависеть от структуры первоначального газа.
Исследовательская работа направлена на увеличение коэффициента полезного действия уже существующих технологий конденсирования газовых смесей.
Существует настоятельная потребность оптимизации технологий конденсирования для нужд общества, практики, экономики.
Исследование массообмена в пленочных течениях конденсата позволит найти наиболее эффективные режимы течений, что повысит эффективность массообменных аппаратов.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование тепломассообмена в пленках жидкости является одной из важнейших проблем гидромеханики. Большая поверхность контакта при малых удельных расходах жидкости делает пленку жидкости весьма эффективным средством межфазного тепломассообмена. Дополнительная интенсификация процессов переноса газа в жидкость происходит за счет волнообразования. Как следует из экспериментов [1], волновые режимы могут увеличить массообмен от 100 до 400 %.
С другой стороны задача о течении пленки под действием внешнего потока воздуха является весьма актуальной. Современные летательные аппараты эксплуатируются в различных климатических условиях. Так старты ракет носителей в РФ осуществляются, как с северного космодрома Плесецк, так и с космодрома Байконур. Соответственно, окружающая среда оказывает воздействие на конструкцию ракеты. При использовании криогенного топлива, температура наружной стенки ракеты носителя, как правило, ниже температуры окружающей среды. И если температура стенки меньше или равна температуре насыщения, то происходит конденсация атмосферной влаги. В результате чего на корпусе ракеты или его элементах появляется пленка жидкости [2].
Наблюдения показывают, что уже при сравнительно небольших числах Рейнольдса ^е > 50) на поверхности пленки появляются волны [3].
С точки зрения гидродинамики волновую поверхность пленки можно рассматривать, как шероховатую стенку, которая существенно влияет на характеристики течения. Наличие волновой пленки увеличивает аэродинамическое сопротивление тела.
ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ
Исследование неустойчивости волнового течения жидкой углеводородной пленки под действием внешнего потока воздуха.
Теоретическое исследование влияния волновых режимов, интенсивности охлаждения стенки, скоростных и температурных характеристик на массообмен в тонкой пленке конденсата углеводородной жидкости, стекающей по вертикальной поверхности при волновых режимах.
Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:
1. Моделирование процесса охлаждения смеси углеводородных газов через тонкую стенку теплообменника.
2. Моделирование процесса пленочной конденсации на внутренней стенке трубы.
3. Изучение влияния скорости и направления потока газа на волновые особенности течения по внутренней стенке вертикально расположенного участка трубы.
4. Выяснение основных механизмов массообмена.
5. Анализ зависимости массообмена от режимов течений, и поиск оптимальных скоростных, температурных и волновых режимов.
ФОРМИРОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ. НАПРАВЛЕНИЯ И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ
На сегодняшний день во многих отраслях промышленности используется огромное множество установок, используемых для химических превращений в системах «газ-жидкость».
Обзор известных исследований говорит о том, что в большинстве случаев, конструктивная схема узла конденсирования газовой фазы выбирается произвольно. Длина, материал трубок, конструкция теплообменника, а так же тип и температура охлаждения подбираются очень грубо и обобщенно, в основном, используя табличные данные прошлого века. Интенсивность охлаждения, скорость газовой фазы на процесс конденсации оказывает так же огромное влияние. Все эти «стандартизованные» допущения, несомненно, увеличивают массогабаритные параметры узла конденсирования газовой фазы.
Зачастую, случается и так, что параметры конденсатора не соответствуют свойствам охлаждаемого газа, что, как правило, влечет за собой не полную массоотдачу конденсата, то есть, не рациональное использование ресурса, снижение КПД узла конденсирования и установки в целом.
Моделирование процессов позволит значительно сократить затраты на проведение экспериментальных исследований по тепломассообмену и в ряде случаев даже заменить их теоретическими предсказаниями.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Для моделирования процессов теплообмена, конденсации и массообмена рассматривается тепломассообменный аппарат, рабочий участок которого представляет собой вертикальную непроницаемую трубу. Смесь — однофазная многокомпонентная смесь углеводородов и воздуха, подается из распределяющего устройства в верхней части рабочего
участка с определенной скоростью, давлением и температурой. Снаружи стенка трубы охлаждается интенсивно циркулирующей жидкостью. За счет передачи тепла от углеводородной смеси в охлаждающую жидкость через тонкую стенку, часть углеводородной фазы, достигая давления насыщения, выпадает в осадок на внутреннюю стенку трубы, образуя тем самым тонкую пленку конденсата на поверхности (рис. 1).
шш^Охтдащая жидкость Широкие
гиспрЕоеляющ ЕЕ устройип&о углеЫароднай газоЫ фазы фракции легких цшЫороМ
Рис. 1. Конденсация смеси газов в широкие фракции легких углеводородов
Поскольку в процессе конденсации не весь пар меняет агрегатное состояние, а лишь его часть, поэтому и рассматриваемая среда является двухфазной, многокомпонентной.
Пленка конденсата является большим термическим сопротивлением передаче тепла фазового перехода от поверхности конденсации к стенке. Тепловой поток через пленку определялся по закону Ньютона-Рихмана [4].
Рис. 2. Постановка двухмерной задачи
НАЧАЛЬНЫЕ И ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ
• Расчетная область длины трубки 1000 мм.
• Внутренний диаметр трубки 8 мм.
• Толщина стенки трубки 1 мм.
• Материал трубки нержавеющая сталь (коэффициент теплопроводности 17,5 Вт/(м-К)).
• Время моделирования процесса конвективного теплообмена и конденсации 10 с.
• Шаг по времени 0,005 с.
• Учет сил гравитации - 9,81 м/с2 (совпадает с направлением движения газа в трубе).
• Учет поверхностного натяжения углеводородной пленки в зависимости от температуры стенки (о = 50 мН/м при Т = 293 К, о = 21 мН/м при Т = 373 К).
• Коэффициент теплопроводности углеводородной пленки - 0,12 Вт/(м-К).
• Скорость углеводородной смеси в диапазоне 1.. .10 м/с.
• Начальная температура газовой среды на входе в трубу 373 К.
• Состав смеси: Пропан 20 %, Пентан 20 %, Воздух 60 % (Азот 79 %, Кислород 21 %).
• Температура охлаждающей жидкости в диапазоне 274.290 К.
• Коэффициент теплоотдачи к охлаждающей жидкости а1 =
2500 Вт/(м-К)
• Начальная температура стенки равна температуре охлаждающей жидкости.
• Давление в системе 1 МПа.
• Используемая модель турбулентности: к-в (данная модель наиболее универсальна для широкого диапазона чисел Рейнольдса).
ДИНАМИКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН. ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ПЛЕНОК
В предыдущих исследованиях, авторами было исследовано поведение жидкостной пленки при конденсации паровоздушной смеси [5]. Углеводородная пленка в силу особенностей химического состава и физических свойств, отличных от воды, на различных режимах течения ведет себя иначе.
В динамике поверхностных волн можно выделить несколько характерных областей: на стенке образуется тонкая пленка жидкости, из случайного колебания возникают линейные волны с пространственным периодом, затем амплитуда волн растет.
Естественные волны возникают в результате развития случайного колебания вызванного воздушным потоком с постоянной скоростью, в силу неустойчивости плоского течения.
На рис. 3 представлены режимы течения водной и углеводородной пленки при одинаковых скоростях смеси на входе.
Несомненно, при конденсации углеводородных фракций длина волны, ее амплитуда и структура выглядят иначе, чем при конденсации паровоздушной смеси. Отсутствует «пилообразность» волн, длина волны выросла на (170 - 330 %). Прогрев стенки трубы увеличивается при прочих равных условиях, в силу меньшей теплоты фазового перехода углеводородов из-за чего количество конденсата увеличивается. При этом толщина углеводородной пленки заметно меньше, чем у водяной, при аналогичных условиях, что связано с более низкими значениями поверхностного натяжения и вязкости углеводородной пленки. Средняя скорость углеводородной пленки больше.
С увеличением числа Рейнольдса, поверхность пленки покрывается волнами большей частоты и амплитуды, но средняя толщина пленки, с увеличением Re снижается. Скорость на гребне единичных волн — солитонов, в среднем, в три раза превышает среднюю скорость пленки.
а) углеводороды, 5 м/с; б) углеводороды, 10 м/с; с) углеводороды, 20 м/с; г) вода, 5 м/с; д) вода, 10 м/с; е) вода, 20 м/с
Рис. 3. Сравнение режимов течения пленок углеводородов и воды при конденсации в зависимости от скорости паровоздушной смеси
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С увеличением числа Рейнольдса длина волны пленки уменьшается по отношению к ее толщине. Это означает, что существует критическое число Re, при котором будет достигаться наибольшая длина волны для каждого режима течения. Точное определение каждого режима может быть выделено в отдельную задачу.
Построена картина, описывающая движение углеводородной пленке по стенке массообменного аппарата, Расчет по модели проводился в САПР ANSYS. Результаты расчетов хорошо коррелируют с известными экспериментальными данными (для стекающей пленки воды по гладкой вертикальной стенке), что позволяет говорить об адекватности модели.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г., Шрейбер И.Р. Волновая динамика парожидкостных сред. М. : Энергоатомиздат, 1990. 248 с.
2. Алексеенко С.В., Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г. Влияние волн на процессы переноса. Волновое течение пленок жидкости. Новосибирск : Наука, 1992. С. 191-207.
3. Капица П.Л. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости : в 3 частях. Ч. 1. Свободное течение // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1948. Т. 18, вып. 1. С. 1-28.
4. Капица П.Л., Капица С.П. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости: в 3 частях. Ч. III. Опытное изучение волнового режима течения // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1949. Т. 19, вып. 2. С. 105-120.
5. Блябляс А.Н., Корепанов М.А. Моделирование гидрогазодинамических процессов при конденсации паровоздушной смеси в трубе // Вестник ИжГТУ, 2014. № 1 (61). С. 43-45.
FILM CONDENSATION OF ASSOCIATED PETROLEUM GAS IN THIN-WALLED PIPE AT DIFFERENT FLOW RATE
Blyablyas A.N., Korepanov M.A.
Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. Computer simulation of film condensation of associated petroleum gas is done. The dependence of the thickness of the condensed hydrocarbon liquid on the inner wall of the pipe, taking into account the convective heat transfer, is considered. The influence of the gas mixture flow rate on heat transfer and condensation is studied.
KEYWORDS: film condensation, associated petroleum gas, hydrogasdynamics, flow rate.
Блябляс Александр Николаевич, аспирант ИМ УрО РАН, [email protected]
Корепанов Михаил Александрович, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИМ УрО РАН
