空氣鼓泡法戊烷氣化的研究

第23卷第4期煤氣與熱力Vol.23 No.42003年4月.Gas & HeatApr.2003文章編號:1000- 4416 2003 )04- 0204- 03空氣鼓泡法戊烷氣化的研究李善斌陳明(哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江哈爾濱150086)摘要對空氣鼓泡法戊烷氣化過(guò)程進(jìn)行了傳熱和傳質(zhì)分析,討論了空氣流量、氣泡總面積和溫度對戊烷氣化量的影響提出了增加戊烷氣化量的方法。關(guān)鍵詞:LPG氣化;戊烷空氣鼓泡法;傳熱傳質(zhì)中圖分類(lèi)號:TU996.6文獻標識碼: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前言泡法產(chǎn)生戊烷-空氣混合氣(見(jiàn)圖1 )的原理是:空氣由小型空氣鼓風(fēng)機經(jīng)銅管(內徑8 mm )送入戊烷以戊烷為主的輕烴由于熱值高價(jià)格便宜常溫容器底部,由管口逸出形成氣泡升到液面。由于戊常壓下是液體,便于儲存和運輸,因此可用作燃料。烷在氣泡表面和液面上向氣相的蒸發(fā)形成戊烷-作為民用燃料輕烴氣化的方法通常采用空氣鼓泡空氣混合氣導出供給燃具燃燒。為了確保安全使法”。由于環(huán)境溫度、空氣鼓風(fēng)機配置不當等原因,用產(chǎn)生的混合氣應控制戊烷達到其爆炸上限的2常造成輕烴氣化量不足,使燃具熱負荷達不到設計倍以上23。采用空氣鼓泡法使戊烷液體氣化的過(guò)要求。本文根據傳熱傳質(zhì)理論，對影響輕烴氣化量程是一個(gè)傳熱和傳質(zhì)過(guò)程受傳熱和傳質(zhì)的影響。的因素進(jìn)行了探討并提出相應的解決辦法。3戊烷氣化的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程2空氣鼓泡法戊烷氣化原理3.1傳熱過(guò)程分析戊烷在常溫常壓下是液體沸點(diǎn)為36.1 C ,低如圖1所示戊烷開(kāi)始氣化時(shí),由于液體溫度與熱值為45. 381 MJ/kg其氣體的爆炸極限為1.4% ~環(huán)境溫度相同,因此氣化所需熱量由液體自身提供,8.3%611在民用中戊烷需由液體變?yōu)闅怏w?？諝夤倪@樣液體溫度會(huì )降低。當液體溫度低于環(huán)境溫度第4期李善斌等:空氣鼓泡法戊烷氣化的研究205.而形成溫差時(shí)-方面進(jìn)入鋼瓶的空氣向液體傳熱，3.2傳質(zhì)過(guò)程分析另--方面環(huán)境空氣通過(guò)鋼瓶壁面向液體傳熱。隨著(zhù)根據系統內的質(zhì)量平衡在忽略液位變化引起氣化過(guò)程的進(jìn)行液體溫度逐漸降低，而與空氣的溫氣相容 積改變的情況下存在關(guān)系:差逐漸加大這樣由空氣向液體的傳熱量逐漸增加,9ma + 9mρ = 9mmx(6)而液體提供的顯熱量逐漸減小。直到進(jìn)行到某一-時(shí)式中:qma-進(jìn)入鋼瓶的空氣質(zhì)量流量,kg/s ;刻液體溫度降到某一溫度保持不變時(shí) ，氣化所需要qm。-依據傳質(zhì)計算的戊烷氣化量kg/s;的熱量完全由空氣來(lái)供給。9m aix-流出鋼瓶的戊烷-空氣混合氣的質(zhì)量流量kg/so戊烷的氣化包括氣泡內的氣化和液面上的氣氣成院-空氣化。由于氣泡內戊烷的傳質(zhì)量比液面上的傳質(zhì)量大3得多所以主要分析氣泡內戊烷的氣化過(guò)程。假設氣泡為球形,內部空氣靜止不動(dòng)。某一時(shí)刻在氣泡界面處氣相一側δ厚度內,溫度θ、戊烷氣體的分壓變化如圖2所示。1- -鋼瓶2- -戊烷3- -銅管圖1戊烷氣化示意圖單位時(shí)間內的傳熱量:( 1 )戊烷液體提供的顯熱量φ( kW )0中=m:c.△0。(1)(2)進(jìn)入鋼瓶的空氣向戊烷的傳熱量φ2( kW )φ2= K，A，(θ.-0,)(2)(3 )空氣通過(guò)瓶壁向戊烷的傳熱量φ,(kW)0。中3 = K: A: (0。-θ,)(3)PuPai式中:m戊烷液體的質(zhì)量kg;戊烷液體的比熱容J(kg K);△0。-一- 單位時(shí)間內戊烷液體的溫度降,C/s ;δ-氣膜厚度;日。-氣泡內空氣溫度;K,一空氣與戊烷的傳熱系數kW(m K);0,-界面上戊烷液體溫度ipi一氣泡內戊烷分壓;Ppu -界面上戊烷氣體飽和分壓A,- 氣泡總面積與液面面積之和m2 ;圖2氣泡內溫 度、戊烷分壓變化示意圖θ。-空氣的溫度,C ;θ,一戊烷液體的溫度 ,C ;氣泡內的傳質(zhì)按-組分通過(guò)另-靜止組分的單K;-一空氣通過(guò)鋼瓶壁面與戊烷液體的傳熱相擴散4。系數kW/(m K);N,= TRO°D.(Pμ- Pp)(7)A2一戊烷液體與瓶壁的接觸面積,m'。初始條件:t=0=0. (8)根據能量平衡,有qmp.r=φ+φ2+中(4)根據赫虛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)將式( q代入式(7得206.煤氣與熱力2003年1.8583x 10^9(_ 112- 單位時(shí)間內氣泡個(gè)數。。R2μM。+ M.)( 11)將式( 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。一氣泡內戊烷 氣體擴散速率,kmol( m2式中:E'=1.858 3 x 10-990μs);Ro22,戊烷氣體分子擴散系數m2/s;R--摩爾氣體常數8.314 kJ( kmot K);M+iMr( 16)δ--氣膜厚度m;-氣泡內氣體的熱力學(xué)溫度K;4提高戊烷氣化量的方法氣泡內氣體總壓力,kPa;Pa-空氣在相界面與氣相主體間對數平均根據傳熱和傳質(zhì)過(guò)程的分析影響戊烷氣化量分壓kPa;的主要因素有空氣流量、氣泡總表面積、溫度等參相界面處戊烷氣體的飽和分壓,kPa ;數。因此要想提高戊烷的氣化量使燃具熱負荷滿(mǎn)-氣泡內戊烷氣體分壓kPa;足要求應該從這些主要影響因素入手。σ平均碰撞直徑,am;( 1)增加空氣流量根據傳質(zhì)公式,戊烷氣化量gm。隨空氣流量分子擴散的平均積分;M,。,M,a一戊烷和空 氣的相對分子質(zhì)量;qv.的增加而增大。增加空氣鼓風(fēng)機的流量,-方h-玻爾茲曼常數,k =1.38x 10-23 J/K ;面使氣泡個(gè)數增多，也就增加了氣泡總表面積A”;EABA ,B分子之間作用能J。另一方面,氣泡上升速度加快,氣泡內氣體循環(huán)增實(shí)際上在氣泡上升過(guò)程中,由于戊烷的氣化,強使傳質(zhì)速率N,增大，這些都有利于戊烷的氣pi是逐漸增加的使傳質(zhì)推動(dòng)力( pp- po逐漸減化。實(shí)驗表明在燃具使用范圍內,當空氣量增加1小因此擴散速率N。 也逐漸減小。氣泡上升速度倍時(shí)輕烴氣化量可增加40%以上。采用這種方法較快時(shí)特別是處于湍流狀態(tài)時(shí)氣泡內的氣體不會(huì )增加戊烷氣化量時(shí),應注意戊烷-空氣混合氣中戊靜止不動(dòng),由于氣泡內氣體的循環(huán),而使擴散速率大烷體積分數的降低。(2)采取措施增大氣泡總表面積A"大增加s]因此pp接近p:的程度要更好些。在空氣流量不變的情況下采取措施增大氣泡氣泡內戊烷的氣化量為:qmφ = M.。N。A( 12)總面積A”。如在空氣管出口安裝一個(gè)氣泡分布單個(gè)氣泡表面積由戴維森-舒勒公式°]求出:器其上面分布一定數量的小孔。這樣形成的空氣泡直徑變小數量增多,氣泡的總面積增大,戊烷氣_90/qvaAp = 4πR=lg(ρ,←p,)I( 13)化量就可以增加。氣泡總表面積為:(3)提高戊烷氣化時(shí)的溫度根據戊烷氣化的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程分析戊烷氣A"= n:A( 14)式中iq"依據傳質(zhì)計算的戊烷氣化量kg/s ;化過(guò)程需要吸收一定量的熱量。因此，可以采取一A"依據傳質(zhì)計算的氣泡總表面積,m2 ;些方法提高環(huán)境或戊烷的溫度來(lái)提供戊烷氣化所需的熱量。另外戊烷的傳質(zhì)速率N。a T。同單個(gè)氣泡表面積,m2 ;時(shí)在傳質(zhì)推動(dòng)力(pp-P。)中,pu隨溫度的提高一氣泡直徑 m;而增大。因此提高戊烷氣化時(shí)的溫度可以增加戊-戊烷液體的動(dòng)力粘度,Pa s;烷的氣化量。9v。一空氣體積流量m'/s;210 .煤氣與熱力2003年在某些研究和應用中需采用以函數形式給出的管理之中;與之同時(shí)，有必要進(jìn)行對燃氣負荷實(shí)際狀典型化的用氣量變化。例如日的用氣量變化可以用況的調查研究掌握我國各種類(lèi)型城市，各種類(lèi)型用分段冪函數:戶(hù)用氣的普遍的、典型的形態(tài)和規律性這是研究燃氣負荷問(wèn)題非常有意義的最基礎性的工作。(τ)= q.。{1土s[1-(1-三)]}t式中:(τ)一用氣量函數 ;參考文獻:9a,-日平均小時(shí)用氣量;S,-- 第i高峰(或低谷小時(shí)用氣量峰值(或[1]嚴銘卿,廉樂(lè )明,焦文玲,等.燃氣負荷及若干應用問(wèn)谷值)與日平均小時(shí)用氣量的比值;題J]煤氣與熱力,2002 ,(5):400- -404.一對高峰用氣時(shí)段取+號對用氣低谷時(shí)[2]嚴銘卿,廉樂(lè )明,焦文玲,等.燃氣負荷及研究進(jìn)展[J].煤氣與熱力,2002 .(6)490- -493.段取-號;第i高峰(或低谷)用氣時(shí)段的- -半;[3] 博布羅夫斯基,謝爾巴柯夫雅可夫列夫等.天然氣管路輸送M]北京:石油工業(yè)出版社, 1985.n; -第i高峰(或低谷)用氣量函數的冪指. 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LPG瓶組供氣能力的計算J]煤氣主要的適用情況?？梢钥吹?我們已經(jīng)有了解決燃與熱力,1998 ,(2):22- -24.氣負荷問(wèn)題的必需工具。下一步需要做的工作是如何實(shí)用化廣泛地用于項目規劃、設計、分析和運行(上接第206頁(yè))[1]哈爾濱建筑工程學(xué)院北京建筑工程學(xué)院同濟大學(xué),[4]王志魁.化工原理M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1987.等.燃氣輸配第二版IM]北京:中國建筑工業(yè)出版216- -217.社,1988.[5]王紹亭陳濤.動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞[ M].天津:天[2]趙震.輕烴燃氣發(fā)生裝置的研究(碩士學(xué)位論文)津科學(xué)技術(shù)出版社,1986. 302- -303 373.[D]哈爾濱哈爾濱建筑大學(xué)1998.[6]張遠君王慧玉張振鵬.兩相流體動(dòng)力學(xué)[ M]北京:[3] 宓亢琪.輕烴混空氣用做城鎮燃氣的理論計算J]煤北京航空學(xué)院出版社1987. 301- -302.氣與熱力2001 (3)265- -267.