文档介绍：第三届中国 LNG 论坛论文编号:1240107
超临界含氢甲烷竖直圆管内冷却换热数值模拟
陈双双,林文胜,杜忠选
(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海,200240)
摘要:超临界流体是指流体的温度和压力都高于其临界温度和临界压力的流体。在临界点附近,流体的密度、比热、
粘性以及其它一些性质会发生剧烈的变化,这就使得流体在超临界条件下的流动和传热变得非常复杂[1]。再者,超临
界含氢甲烷的冷却换热是合成天然气液化流程中核心的换热过程,对此冷却换热过程的研究意义重大,而目前关于
超临界含氢甲烷的研究则几乎没有,因此本文通过 fluent 软件对超临界压力下纯甲烷和含氢甲烷在竖直圆管内的冷却
换热过程进行了数值模拟,主要分析了压力、热流密度、质量流量、流动方向、含氢量对其换热产生的影响。结果
表明随着压力、热流密度、质量流量、流动方向的变化,含氢甲烷和纯甲烷分别随之产生的变化趋势相似,只是随
着含氢量的增加,各影响因素所起的作用更加明显,含氢量对换热有很大的影响。
关键词:超临界含氢甲烷;冷却换热;数值模拟

近年来,随着世界经济的持续增长,石油、天然气供需矛盾越来越突出,而我国的石油和天然
气储量相对不足,煤储量相对丰富,煤在能源结构中占 65%~70%,因此利用煤化工产品替代石油
化工产品的优势日渐突出。再者,随着世界各国对环境问题的日益关注和重视,随着我国节能减排
力度的逐渐加大,天然气作为一种清洁能源,优势也日益显现。另一方面,煤制合成天然气(SNG)
可在煤气化压力下等压合成,与生产甲醇、二甲醚、合成油相比,省去了很多工序和装置,因此投
资少、成本低[2,3]。综上所述,我国积极发展煤制合成天然气在能源安全、节能减排等方面都具有战
略性意义。
煤矿往往都在偏远地区,因此煤制合成天然气的储运问题是一个重要瓶颈,丞待解决。而合成
天然气液化后体积可缩小约 600 倍,可以方便灵活地进行储存运输,因此液化输送方式就具有一定
的市场竞争力。合成天然气不同于传统意义上的天然气,由于其制备过程比较特殊,因此进行甲烷
化之后,会含有一定量的氢气,又由于氢的物性与甲烷差别较大,SNG 在冷却液化过程中的传热特
性与常规天然气可能存在较大差异,因此更需要深入研究。
总结了国内外学者对于超临界流体传热的研究,发现主要集中在二氧化碳和水[4-8]。最早的超临
界压力下的换热研究始于20世纪30年代,在这几十年中,国内外对超临界流体的换热特性的研究逐
渐增多,但关于低温甲烷在超临界压力下的流动与传热的研究仍十分有限,而关于超临界含氢甲烷
的研究则几乎没有。因此,本文将建立含氢甲烷在竖直圆管内的冷却换热数值计算模型,并对由fluent
软件计算产生的结果进行整理和分析,考察压力、热流密度、质量流量、流动方向、含氢量对换热
产生的影响。

本文使用 FLUENT 模拟超临界压力下含氢甲烷在竖直圆管中的湍流传热过程。图1 给出了
用gambit创建的物理模型,为二维轴对称模型,其中圆管直径为4mm。湍流模型采用标准k-ε模型。
网格划分采用结构化网格,壁面进行加密处理。
图1 物理模型
Physical model
超临界含氢甲烷冷却换热