管道氮气置换混合气体长度分析研究.pdf

第41卷第1期
石油化工设备
Yol. 41 No. 1
2012年1月
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
Jan.2012
文章编号:1000-7466(2012)01-0011-04
管道氮气置换混合气体长度分析研究
刘凡,江楠
(华南理工大学化工机械与安全工程研究所,广东广州510640)
摘要:采用一维氩气置换模型对管线内氩气置換过程进行分析,用 Taylor、 Taylor-cw、GRI这
种方法分别求解湍流扩散系数及相应的混合气体长度,并定量分析了弯头及管壁绝对当量粗糙度
对混合气体长度的影响。
关键词:管道;气体置换;混合气体长度;弯头;粗糙度
中图分类号:TQ050.2;TE969
文献标志码:A
Investigation on Length of Mixed Gas for Nitrogen Replacement in Pipeline
LIU Fan, IANG Nan
(Institute of Chemical Machinery and Safety Engineering, South China
University of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract By using one-dimensional nitrogen replacement model, the process of nitrogen gas replace-
ment in pipeline was analyzed, it can solve the turbulent diffusion coefficient and the corresponding
length of the mixed gas with three methods as Taylor, Taylor-cw, GRI Meanwhile, the absolute e
quivalent of elbow and wall roughness on the length of mixed gas was given quantitatively
Key words: pipeline; gas replacement; length of mixed gas; elbow; roughness
在长距离管道输送天然气的过程中,为了避
免天然气注入管线与空气直接混合而发生爆炸拿1输气管道混合过程模型的建立
故(当空气中天然气的体积分数为5%~15%时,
采用氮气作为中间介质置换空气时,气体间存
混合气体将处于爆炸范围),通常采用氮气作为在一定程度的速度梯度和浓度梯度,不同种气体在
天然气与空气的隔离介质(称为气推气的间接置分子扩散与对流扩散的作用下于接触面处发生传质
换法),以确保天然气管线置換投产安全运行。由现象。氮气与空气混合时,由于二者的密度接近且
于在其投产过程中气体间的扩散规律较为复杂,均为较轻气体,在其混合段上径向浓度相比轴向浓
目前国内外从理论上对混气规律的研究相对甚度来说较小,则可只考虑轴向传质。因此,圆管内混
少,在实际投产中多凭经验进行操作,存在很大的合气体的湍流过程可采用一维对流扩散模型来分析
盲目性,这必然会造成置换过程中人力、物力的浪其基本物理过程。
费,增加投资成本
1.1模型建立的基本假设
文中从扩散机理分析上人手,建立混合规律的
(1)不考虑流速沿径向的分布,即沿径向分布
数学模型,定量分析了混合气体长度的理论值,并系均匀
统分析了管线弯头及管壁绝对当量粗糙度对混合气
(2)与流体流动方向垂直的截面上流体分布充
体长度的影响程度和影响规律,为氮气置换实际投分均匀,即只存在轴向浓度梯度,不存在径向浓度梯
产过程提供一定的理论参考
度,流体流动为定常态,且沿流动方向参数是管长的
收稿日期:2011-08-08
作者简介:刘凡(1986-),女,湖北成宁人,在读硕士,从事过程装备节能及可靠性分析工作
v. ututu.ccm
12
石油化工设备
2012年第41卷
连续函数,不存在死区或短路。
式中,d为管道直径,m;m为圆管截面的主体平均
(3)在此模型上叠加一个反向混合,混合系数保、流速,m/s;Re为雷诺数(3×10≤Re≤10°)。
持不变。
2.1.2方法2-一 Taylor-CW湍流扩散系
(4)轴向混合服从Fick定律。
数
(5)将空气视为单一物质。
用下式计算
1.2一维氮气对流扩款模型及边界条件和初始条
件
k=10.1
从对流扩散机出发,研究气体在管道内任意横
截面上的平均浓度分布,偏微分方程及初始条伴其中
=-2lg
Ref 3.7d
边界条件如下:
式中,f为摩擦因数,采用 colebrook- White公式计
xー=k
算;δ为管道绝对当量粗糙度,m。
at d
2.1.3方法
GRⅠ湍流扩散系数
c(x,0)=0(0≤x≤L)
此系数与施密特数、雷诺数的关系见文献1[L2
c(0,t)=1(t>0)
(L,な)=0(な>0)
甲烷、空气、氮气的施密特数均约为1.0,对应
式中,c为组分的质量浓度或摩尔浓度,kg/m或于Se=1的曲线,其计算式为:
mol/m3;t为时间,s;z为流体速度,m/s;x为扩散
D2/ud-0.03
1000
方向上的距离,m;k为扩散系数,m2/s。
0.1
1000
上述偏微分方程结合初始条件及边界条件可解
expl-(1g Re)h.
得精确解为234:
式中,D2为GRI湍流扩散系数,m2/s;为置换流
x"tu
速,m/s
c(x, t)
2.2对流扩教系数及混合气体长度的计算
exp
1995年美国天然气工艺研究院对8条天然气
√kt
管线进行现场观测20?,其投产过程采用氮气作为
由上式可知,在已知流速和扩散系数k的条中间介质的气推气置换过程。
件下,可以求出管内任意时刻任意一点的浓度。
取管壁绝对当量粗糙度为40-1,分别用以上3
2模型求解
种计算方法计算对流扩散系数,及根据前面所求微
分方程的精确解用 Matlab编程求出相应的混合气
2.1对流扩散系数的计算方法
体长度(取氮气体积分数为2%~98%的区域为混
在列对流扩散方程时,对流扩散系数是作为已气段),并与实测值进行对比,其结果见表1。
知量。为此,在求解该模型之前必须针对具体实际
由表中可知:
问题确定出对流扩散系数。根据国内外的研究状况
(1)3种方法计算得出的混合气体长度,从大到
来看,还没有一个计算对流扩散系数的通用计算公小依次排列为方法2、方法1、方法3。
式。笔者结合国外大量的实验研究,归结了3种对
(2)最长管线7#理论计算值均大于实测值,最
流扩散系数的计算方法。
短管线3“理论计算值均小于实测值。
2.1.1方法1 Taylor扩散系数[2,5~8
(3)3种方法计算出的混合气体长度理论值与
Taylor层流扩散系数用下式计算:
实测值间均存在不同程度的偏