摘要
浮式液化天然气生产储卸装置（FLNG）是实现深水气田开采和储运的关键，天然气液化工艺是FLNG的核心技术，传统的天然气液化流程存在着流程复杂、设备较多、占地较大、FLNG晃荡导致的换热性能恶化、需要定期维检修等诸多局限，已成为提升深水天然气液化能力的“卡脖子”问题。因此，研发紧凑高效、可连续稳定运行的天然气液化新技术势在必行。 超声速旋流分离技术结合气体动力学、工程热力学和流体力学的理论，将膨胀制冷、旋流式气/液分离、再压缩等处理过程集中在密闭紧凑装置中完成。本文提出将该技术引入FLNG天然气液化领域，以期简化液化流程、缩小占地面积、获得可连续稳定运行的天然气液化工艺。本文采用理论研究、计算流体动力学（CFD）和分子动力学（MD）数值模拟、实验研究相结合的方法，从分子水平上研究烷烃组分的低温成核过程，明确轻烃组分和重烃组分的超声速凝结/结晶特性，揭示多元烷烃混合物共同凝结和非均质凝结机理，在此基础上，系统地研究提高天然气超声速液化效率的方法。本文的主要研究工作和成果如下： （1）建立了烷烃气体超声速（无凝结）流动的数学模型，搭建了气体超声速流动实验系统，通过实验数据对比了不同数学模型的计算精度，分析了不同烷烃组分的超声速流动特性，结果表明：采用二维喷管和湍流模型对喷管内部流场和边界层厚度的预测精度最高；随着甲烷-乙烷混合气体在喷管入口温度的降低和压力的升高，p-T曲线更容易进入气液共存区和液相区，因此更易实现液化；随着喷管出口背压的增加，形成的气动激波更为明显，且激波的位置逐渐向喷管的入口方向移动，破坏了喷管内的低温环境；当改变入口气体的组分时，喷管内气体的p-T曲线基本相同，但相包络变化很大，液化特性也有很大差异；在相同的入口压力和温度条件下，三元混合物比二元混合物液化所需的临界温度更高，说明天然气混合物中的重烃组分含量较高时更容易实现液化。 （2）建立了轻烃组分低温成核的MD数学模型，从分子水平上获得了甲烷气体低温成核过程的微观机理，建立了单组分烷烃超声速凝结的 CFD 数学模型并通过实验验证了模型的准确性，系统分析了轻烃组分低温成核与超声速凝结特性，结果表明：甲烷气体的低温成核过程主要表现为许多小的团簇的反复形成与破碎，少数大的团簇存活下来，液滴生长过程可以根据体系中单体数量的变化分为两个阶段；无论团簇所包含分子数的多少，团簇数目均表现为随时间的推移先增大后减小、最后趋于稳定的趋势；在高压低温条件下针对烷烃气体成核速率的计算中，ICCT模型的计算精度比CNT模型更高；在不同的温度和压力条件下，轻烃组分的最大成核速率对应的 pJmax的对数与 1/TJmax成反比；随着入口烷烃组分温度的升高和压力的降低，成核所需要的过冷度和过饱和度越高，凝结所需的温度和压力越偏离饱和蒸汽压曲线；相同的入口压力下，乙烷在入口温度远高于甲烷时起始成核位置仍远提前于甲烷，进一步说明了乙烷气体比甲烷气体更易凝结。 （3）搭建了重烃组分超声速结晶实验系统，通过MD模拟与实验手段研究了重烃组分超声速结晶固化现象，对比了入口己烷分压、喷管形状对己烷结晶特性的影响，研究了己烷的熔融和表面结晶过程，结果表明：随着己烷液滴的形成和生长而释放到气体中的汽化潜热导致温度升高，与轻烃组分凝结相比，在己烷凝结导致的温度波动之后，还会出现一次甚至多次很小的温度波动，这是凝结液滴发生结晶二次放热的结果；在己烷分压较高时，结晶现象尤为明显，凝结更容易发生，气相减少得更快，对应的液相增加得更快，但是固相增加得较慢；在扩张比较大的喷管中，由于温降较大的缘故，液相质量分数在时间和空间上的分布均表现得更短；己烷的熔融温度Tm和表面结晶温度Tsf分别在160±1 K和158±1 K的范围内，其过冷度（dT=Tm-Tsf）在2 K左右，可以合理地解释在实验中过冷己烷液滴结晶是相对容易的。 （4）开展了多种烷烃混合物的超声速凝结实验，通过实验数据对多组分烷烃气体凝结现象进行定量表征，分别建立了多元烷烃混合物共同凝结和非均质凝结 CFD 数学模型，并对这两种典型的多组分凝结过程开展系统研究，结果表明：在共同凝结中，只有一个凝结冲波产生，而在非均质凝结中，会有两个以上的凝结冲波产生；判断多组分烷烃气体的凝结类型，关键在于其中各个组分的比例，以及相对难凝组分的饱和蒸汽压曲线；在甲烷-乙烷混合气体中，随着乙烷含量的增加，最大成核速率、液滴数和液相质量分数均增大；在实际的成核和液滴生长过程中，乙烷蒸汽首先达到临界半径并突破自由能障，形成具有一定尺寸的微小液滴，这些微小液滴会充当甲烷和乙烷气体的共同凝结核心，甲烷-乙烷混合气体的成核和液滴生长过程可分为四个主要阶段；重烃组分作为凝结/结晶核心可以促进轻烃组分发生非均质凝结；核心的数量和半径是影响非均质凝结和流动过程的重要因素，核心的半径需在合理的范围内，才会发生非均质凝结，核心的浓度越大，越有利于轻烃组分凝结过程的发生，总的液相质量分数也越大。 （5）对比了不同喷管结构和旋流器参数条件下甲烷气体超声速流动和液化特性，设计了多级喷管制冷、入口换热预冷液化流程，计算了不同条件下两种流程的液化效率，结果表明：在相同的入口条件下，T3 喷管和维氏曲线喷管获得的液相质量分数基本相同；随着喷管扩张比的增大，气体的最大成核速率、出口液滴数与液相质量分数均增大；喷管扩张段越长，气体膨胀程度更高，出口温度会更低，为液滴生长提供了更长的时间和空间，因此液化效率更高；旋流的存在会导致喷管横截面产生压力梯度，并影响喷管内气体的超声速凝结过程，旋流强度的增加会导致起始成核和最大成核位置向喷管出口方向移动，同时成核速率、液滴数、液相质量分数均会随之明显减小，说明了旋流的存在对凝结液化的抑制作用；预冷换热环节可以在不需要外部冷源和热力动力消耗的前提下提升天然气液化效率；采用两级喷管液化流程获得的天然气液化率比单级喷管液化流程液化率提升6.5%左右，具有更佳的液化效果。
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