空气鼓泡法戊烷气化的研究

第23卷第4期煤气与热力Vol.23 No.42003年4月.Gas & HeatApr.2003文章编号:1000- 4416 2003 )04- 0204- 03空气鼓泡法戊烷气化的研究李善斌陈明(哈尔滨工业大学黑龙江哈尔滨150086)摘要对空气鼓泡法戊烷气化过程进行了传热和传质分析,讨论了空气流量、气泡总面积和温度对戊烷气化量的影响提出了增加戊烷气化量的方法。关键词:LPG气化;戊烷空气鼓泡法;传热传质中图分类号:TU996.6文献标识码:AResearch on Pentane Vaporization with Air-blow MethodLI Shan-bin , CHEN Ming( Haerbin Instiule of Technology , Haerbin 150086 , China )Abstract : According to theory of the heat and mass transport , this article analyzes the process of the pentanevaporization with air-blow method , discusses the influence of air flow , total surface area of air bubbles andtemperature on the pentane vaporization ,and puts forward the methods to improve the ability of the pentane va-porization.Key words : LPG vaporization ; pentane ; air-blow method ; heat transport ; mass transport1前言泡法产生戊烷-空气混合气(见图1 )的原理是:空气由小型空气鼓风机经铜管(内径8 mm )送入戊烷以戊烷为主的轻烃由于热值高价格便宜常温容器底部,由管口逸出形成气泡升到液面。由于戊常压下是液体,便于储存和运输,因此可用作燃料。烷在气泡表面和液面上向气相的蒸发形成戊烷-作为民用燃料轻烃气化的方法通常采用空气鼓泡空气混合气导出供给燃具燃烧。为了确保安全使法”。由于环境温度、空气鼓风机配置不当等原因,用产生的混合气应控制戊烷达到其爆炸上限的2常造成轻烃气化量不足,使燃具热负荷达不到设计倍以上23。采用空气鼓泡法使戊烷液体气化的过要求。本文根据传热传质理论，对影响轻烃气化量程是一个传热和传质过程受传热和传质的影响。的因素进行了探讨并提出相应的解决办法。3戊烷气化的传热和传质过程2空气鼓泡法戊烷气化原理3.1传热过程分析戊烷在常温常压下是液体沸点为36.1 C ,低如图1所示戊烷开始气化时,由于液体温度与热值为45. 381 MJ/kg其气体的爆炸极限为1.4% ~环境温度相同,因此气化所需热量由液体自身提供,8.3%611在民用中戊烷需由液体变为气体。空气鼓这样液体温度会降低。当液体温度低于环境温度第4期李善斌等:空气鼓泡法戊烷气化的研究205.而形成温差时-方面进入钢瓶的空气向液体传热，3.2传质过程分析另--方面环境空气通过钢瓶壁面向液体传热。随着根据系统内的质量平衡在忽略液位变化引起气化过程的进行液体温度逐渐降低，而与空气的温气相容 积改变的情况下存在关系:差逐渐加大这样由空气向液体的传热量逐渐增加,9ma + 9mρ = 9mmx(6)而液体提供的显热量逐渐减小。直到进行到某一-时式中:qma-进入钢瓶的空气质量流量,kg/s ;刻液体温度降到某一温度保持不变时 ，气化所需要qm。-依据传质计算的戊烷气化量kg/s;的热量完全由空气来供给。9m aix-流出钢瓶的戊烷-空气混合气的质量流量kg/so戊烷的气化包括气泡内的气化和液面上的气气成院-空气化。由于气泡内戊烷的传质量比液面上的传质量大3得多所以主要分析气泡内戊烷的气化过程。假设气泡为球形,内部空气静止不动。某一时刻在气泡界面处气相一侧δ厚度内,温度θ、戊烷气体的分压变化如图2所示。1- -钢瓶2- -戊烷3- -铜管图1戊烷气化示意图单位时间内的传热量:( 1 )戊烷液体提供的显热量φ( kW )0中=m:c.△0。(1)(2)进入钢瓶的空气向戊烷的传热量φ2( kW )φ2= K，A，(θ.-0,)(2)(3 )空气通过瓶壁向戊烷的传热量φ,(kW)0。中3 = K: A: (0。-θ,)(3)PuPai式中:m戊烷液体的质量kg;戊烷液体的比热容J(kg K);△0。-一- 单位时间内戊烷液体的温度降,C/s ;δ-气膜厚度;日。-气泡内空气温度;K,一空气与戊烷的传热系数kW(m K);0,-界面上戊烷液体温度ipi一气泡内戊烷分压;Ppu -界面上戊烷气体饱和分压A,- 气泡总面积与液面面积之和m2 ;图2气泡内温 度、戊烷分压变化示意图θ。-空气的温度,C ;θ,一戊烷液体的温度 ,C ;气泡内的传质按-组分通过另-静止组分的单K;-一空气通过钢瓶壁面与戊烷液体的传热相扩散4。系数kW/(m K);N,= TRO°D.(Pμ- Pp)(7)A2一戊烷液体与瓶壁的接触面积,m'。初始条件:t=0=0. (8)根据能量平衡,有qmp.r=φ+φ2+中(4)根据赫虚范特等人提出的公式5] ,1.8583x 10-9T92.9mρ=→(φ+中2+ φ;)(5)Dm =po2pM.+M.n(9)将式( q代入式(7得206.煤气与热力2003年1.8583x 10^9(_ 112- 单位时间内气泡个数。。R2μM。+ M.)( 11)将式( 10)(13)6 14)代入式12 )得Qn=(5)g"。= E'rin. n (qr.yR(Pu二P四? (15)式中:N。一气泡内戊烷 气体扩散速率,kmol( m2式中:E'=1.858 3 x 10-990μs);Ro22,戊烷气体分子扩散系数m2/s;R--摩尔气体常数8.314 kJ( kmot K);M+iMr( 16)δ--气膜厚度m;-气泡内气体的热力学温度K;4提高戊烷气化量的方法气泡内气体总压力,kPa;Pa-空气在相界面与气相主体间对数平均根据传热和传质过程的分析影响戊烷气化量分压kPa;的主要因素有空气流量、气泡总表面积、温度等参相界面处戊烷气体的饱和分压,kPa ;数。因此要想提高戊烷的气化量使燃具热负荷满-气泡内戊烷气体分压kPa;足要求应该从这些主要影响因素入手。σ平均碰撞直径,am;( 1)增加空气流量根据传质公式,戊烷气化量gm。随空气流量分子扩散的平均积分;M,。,M,a一戊烷和空 气的相对分子质量;qv.的增加而增大。增加空气鼓风机的流量,-方h-玻尔兹曼常数,k =1.38x 10-23 J/K ;面使气泡个数增多，也就增加了气泡总表面积A”;EABA ,B分子之间作用能J。另一方面,气泡上升速度加快,气泡内气体循环增实际上在气泡上升过程中,由于戊烷的气化,强使传质速率N,增大，这些都有利于戊烷的气pi是逐渐增加的使传质推动力( pp- po逐渐减化。实验表明在燃具使用范围内,当空气量增加1小因此扩散速率N。 也逐渐减小。气泡上升速度倍时轻烃气化量可增加40%以上。采用这种方法较快时特别是处于湍流状态时气泡内的气体不会增加戊烷气化量时,应注意戊烷-空气混合气中戊静止不动,由于气泡内气体的循环,而使扩散速率大烷体积分数的降低。(2)采取措施增大气泡总表面积A"大增加s]因此pp接近p:的程度要更好些。在空气流量不变的情况下采取措施增大气泡气泡内戊烷的气化量为:qmφ = M.。N。A( 12)总面积A”。如在空气管出口安装一个气泡分布单个气泡表面积由戴维森-舒勒公式°]求出:器其上面分布一定数量的小孔。这样形成的空气泡直径变小数量增多,气泡的总面积增大,戊烷气_90/qvaAp = 4πR=lg(ρ,←p,)I( 13)化量就可以增加。气泡总表面积为:(3)提高戊烷气化时的温度根据戊烷气化的传热和传质过程分析戊烷气A"= n:A( 14)式中iq"依据传质计算的戊烷气化量kg/s ;化过程需要吸收一定量的热量。因此，可以采取一A"依据传质计算的气泡总表面积,m2 ;些方法提高环境或戊烷的温度来提供戊烷气化所需的热量。另外戊烷的传质速率N。a T。同单个气泡表面积,m2 ;时在传质推动力(pp-P。)中,pu随温度的提高一气泡直径 m;而增大。因此提高戊烷气化时的温度可以增加戊-戊烷液体的动力粘度,Pa s;烷的气化量。9v。一空气体积流量m'/s;210 .煤气与热力2003年在某些研究和应用中需采用以函数形式给出的管理之中;与之同时，有必要进行对燃气负荷实际状典型化的用气量变化。例如日的用气量变化可以用况的调查研究掌握我国各种类型城市，各种类型用分段幂函数:户用气的普遍的、典型的形态和规律性这是研究燃气负荷问题非常有意义的最基础性的工作。(τ)= q.。{1土s[1-(1-三)]}t式中:(τ)一用气量函数 ;参考文献:9a,-日平均小时用气量;S,-- 第i高峰(或低谷小时用气量峰值(或[1]严铭卿,廉乐明,焦文玲,等.燃气负荷及若干应用问谷值)与日平均小时用气量的比值;题J]煤气与热力,2002 ,(5):400- -404.一对高峰用气时段取+号对用气低谷时[2]严铭卿,廉乐明,焦文玲,等.燃气负荷及研究进展[J].煤气与热力,2002 .(6)490- -493.段取-号;第i高峰(或低谷)用气时段的- -半;[3] 博布罗夫斯基,谢尔巴柯夫雅可夫列夫等.天然气管路输送M]北京:石油工业出版社, 1985.n; -第i高峰(或低谷)用气量函数的幂指. [4] 欧俊豪,王家生,徐漪萍,等.应用概率统计第二版)数应为偶数;[M].天津:天津大学出版社，199.时间。[5]张蔚东,方育渝,李恩山。居民燃气消耗量的随机分若对一日内的用气量变化分为6个时段则其枫J]煤气与热力,1989,(1):34-39.中S;,h,n,各有6个参数，可按典型化的用气量[6]邢文训, 谢金星.现代优化计算方法M]北京:清华大学出版社, 1999.变化定出6个1; ,n;及5个S;由:[7]谭羽非.城市燃气管网用气负荷预测研究与天然气地艺:(1士S"4)=12下储气库优化设计和运行分析[ D]哈尔滨:哈尔滨台工业大学,2001.确定第6个S;。[8]黎光华,詹淑慧.民用灶具同时工作系数的测定与研讨A].中国城市煤气学会液化气专业委员会第十五3讨论届年会论文集C]上海:中国城市煤气学会, 1998.[9]焦李成. 神经网络系统理论[ M]西安:西安电子科技大学出版社, 1990.以上我们分析了燃气负荷的特性提出了对燃[10]焦文玲.城市燃气负荷时序模型及其预测研究D]气负荷模型类型及负荷预测模型的分类。列举了较哈尔滨:哈尔滨工业大学,2001 .主要的用于解决燃气负荷的建模类型。指出了它们[11] 严铭卿,袁树明. LPG瓶组供气能力的计算J]煤气主要的适用情况。可以看到,我们已经有了解决燃与热力,1998 ,(2):22- -24.气负荷问题的必需工具。下一步需要做的工作是如何实用化广泛地用于项目规划、设计、分析和运行(上接第206页)[1]哈尔滨建筑工程学院北京建筑工程学院同济大学,[4]王志魁.化工原理M]北京:化学工业出版社,1987.等.燃气输配第二版IM]北京:中国建筑工业出版216- -217.社,1988.[5]王绍亭陈涛.动量、热量与质量传递[ M].天津:天[2]赵震.轻烃燃气发生装置的研究(硕士学位论文)津科学技术出版社,1986. 302- -303 373.[D]哈尔滨哈尔滨建筑大学1998.[6]张远君王慧玉张振鹏.两相流体动力学[ M]北京:[3] 宓亢琪.轻烃混空气用做城镇燃气的理论计算J]煤北京航空学院出版社1987. 301- -302.气与热力2001 (3)265- -267.