文档介绍：第三届中国 LNG 论坛论文编号:1240108
第二类边界条件下天然气中 CO2 凝华换热分析
刘瑶,林文胜,顾安忠
(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海 200240)
摘要:针对带压液化天然气(PLNG)流程中对高 CO2 含量天然气进行 CO2 凝华分离的设想,分析了天然气中 CO2 在
圆管内的凝华换热。将天然气简化为 CH4+CO2 的二元组分,采用四阶 Runge-Kutta 法求解微分方程,编制 Fortran 程
序,并调用国际权威物性计算软件 Refprop 组程序。在第二类边界条件下,针对天然气中 CO2 在圆管内的凝华换
热,分析了天然气流速和热流密度对凝华换热过程的影响。
关键词:带压液化天然气;二氧化碳;凝华;第二类边界条件
液化天然气(LNG)是海上天然气输送诸多方案中被认为最具良好前景的方案。带压液化天然气
[1]
(PLNG) 方案有可能取消占地较大的 CO2 脱除装置,使得在海上生产 LNG 的经济性显著提高。但
[2]
是,CO2 含量较高的天然气对 PLNG 概念构成重大挑战,采用凝华分离 CO2 方案的提出则为高
CO2 含量天然气采用 PLNG 流程提供了可能性。因此,有必要针对天然气中 CO2 凝华分离过程开
展深入研究。
有关 CO2 在混合气体中凝华已有一些研究成果。张娜等[3]提出了利用液化天然气冷能使燃气
轮机烟气中 CO2 液化或固化后回收的零排放电厂,但未讨论 CO2 固化的具体技术问题。Takeuchi
等[4]以热电厂为背景,对烟气中 CO2 凝固进行了实验研究。Hees 等[5]提出了一种用于电子工业中
未透露组分的含 CO2 气体中 CO2 凝华回收的装置。Chang 等[6]对填埋气中 CO2 凝华分离进行了研
究,并与 Chang 等[7] 的实验数据进行了比较分析。目前有关天然气中 CO2 在 PLNG 流程中可能出
现的凝华分离过程,未见文献报道。
本文针对 CH4+CO2 混和气体,考察第二类边界条件下的 CO2 在圆管中的凝华分离特性,并对
影响 CO2 凝华的因素进行分析。
1 基本模型
第二类边界条件下圆管中 CH4+CO2 凝华换热模型如图 1 所示。圆管热流密度为定值 qw,混合
气体(在以后的方程中用下标 mix 表示) 从进口即 x = 0 处进入管道,温度逐渐降低。当混合气体温
度降低到 CO2 的凝华温度时,混合气体中的 CO2 开始凝华结晶。圆管内稳态流动能量方程为:
dT
mc+ mcmix =− q (1)
()CH44 pCH CO 22 pCOdx w
式中: m 为质量流量(kg/s); cp 为定压比热容(J/kg·K)。
图 1 第二类边界条件下圆管中 CH4+CO2 凝华换热模型
Fig. 1. Model of anti-sublimation and heat transfer of CH4+CO2 in tube under the second class boundary condition
在凝华点之前,CO2 的质量流量不变,而在凝华点之后,CO2 质量流量逐渐减小。圆管内 CO2
质量方程为:
⎧0,
dm