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:000-4416(20034-0204-03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)鍵詞訌BG氣化戊烷洷氣鼓泡法漕傳熱摶質(zhì)中圖分類(lèi)號IU996.6文獻標識碼:Aesearch on Pentane Vaporization with Air-blow MethodRLI Shan-bin, Chen MingHaerbin Institute 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 vaKey words: LPG vaporization pentane air-blow method i heat transport i mass transport1前言泡法產(chǎn)生戊烷-空氣混合氣見(jiàn)圖1)舶原理是洷氣由小型空氣鼓風(fēng)機經(jīng)銅氜內徑8m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中國煤化工戊烷在常溫常壓下是液體沸點(diǎn)為36.1℃,低CNMHG化時(shí)由于液體溫度與熱值為45.381Mkg其氣體的爆炸極限為1.4%~環(huán)境血作同公此氣幾m需熱量由液體自身提供8.3%τ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*收稿日期200207作者簡(jiǎn)介李善斌197—)男黑龍江哈爾濱人副教授學(xué)士從事燃氣教學(xué)和研究工作。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)程分析另一方面環(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(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m?！M(jìn)入鋼瓶的空氣質(zhì)量流量kgs刻液體溫度降到某一溫度保持不變時(shí)氣化所需要依據傳質(zhì)計算的戊烷氣化量的熱量完全由空氣來(lái)供給流出鋼瓶的戊烷-空氣混合氣的質(zhì)量流量kg/s戊烷的氣化包括氣泡內的氣化和液面上的氣戊烷-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l—鋼瓶2一戊烷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)△(1)2)進(jìn)入鋼瓶的空氣向戊烷的傳熱量Φ2(kW)K,A1·(6.-0n))(3)空氣通過(guò)瓶壁向戊烷的傳熱量φ(kW)(3)式中淝m—戊烷液體的質(zhì)量kgc——戊烷液體的比熱容kJK(kgK)單位時(shí)間內戊烷液體的溫度降,℃/sδ一氣膜厚度;0一氣泡內空氣溫度K1—空氣與戊烷的傳熱系數kWmK)0,一界面上戊烷液體溫度;pm一氣泡內戊烷分壓A1—氣泡總面積與液面面積之和m2P-界面上戊烷氣體飽和分壓圖2氣泡內溫度、戊烷分壓變化示意圖0—空氣的溫度0,—戊烷液體的溫度,℃氣泡內的傳質(zhì)按一組分通過(guò)另一靜止組分的單K2——空氣通過(guò)鋼瓶壁面與戊烷液體的傳熱相擴散系數kW(m2K);A3——戊烷液體與瓶壁的接觸面積m2。P TRO PamPpl- Ppi(7)根據能量平衡有中國煤化工(8)r=+2+φ(4)HCNMH公式8583×10T(9)gm(Φ1+Φ2+Φ3)式中丬nn—依據傳熱計算的戊烷氣化量kg/將式9玳代入式7得導r——戊烷的氣化潛熱kJ/kg(10)206煤氣與熱力2003年8583×101En-單位時(shí)間內氣泡個(gè)數。ROo.Q將式(10)(13)(14代入式12)得導ET(gva y(15)P式中N——氣泡內戊烷氣體擴散速率 kmol m3式中:E8583×1090D—戊烷氣體分子擴散系數mn2/s(16)R——摩爾氣體常數8.314 kJ( kmot K);δ—氣膜厚度mT—氣泡內氣體的熱力學(xué)溫度K4提高戊烷氣化量的方法p—氣泡內氣體總壓力kPpm—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平均碰撞直徑m(1)增加空氣流量Ω2n—分子擴散的平均積分根據傳質(zhì)公式戎戊烷氣化量qm。隨空氣流量M,。,Ma—戊烷和空氣的相對分子質(zhì)量的增加而增大。增加空氣鼓風(fēng)機的流量,方k—玻爾茲曼常數,k=1.38×10-23J/K面使氣泡個(gè)數增多也就增加了氣泡總表面積AAB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pn是逐漸增加的使傳質(zhì)推動(dòng)水P-P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。大增加3]因此p。接近p的程度要更好些。(2)采取措施增大氣泡總表面積A氣泡內戊烷的氣化量為在空氣流量不變的情況下采取措施增大氣泡MA'N'Al(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6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A.=4πR13)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A(14)根據戊烷氣化的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程分析戊烷氣式中依據傳質(zhì)計算的戊烷氣化量化過(guò)程需要吸收一定量的熱量。因此,可以采取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A—單個(gè)氣泡表面積m2需的門(mén)中國煤化工速率T2。同Rn—氣泡直徑mCNMHG沖中,n隨溫度的提高戊烷液體的動(dòng)力粘度Pas而增大。囚尚戊炕氣化時(shí)的溫度可以增加戊空氣體積流量m3/s烷的氣化量。pn,—戊烷液體與空氣密度kgm參考文獻(下轉第210頁(yè))g—重力加速度m/s2;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盧之同時(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x)=9±S[1-(1-y}氣負荷問(wèn)題非常有意義的最基礎性的工作。式中:x)—用氣量函數參考文獻日平均小時(shí)用氣量S—第i高或低谷y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)谷值盧日平均小時(shí)用氣量的比值題J]煤氣與熱力,200,(5):400-404±—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)展段取-號[J].煤氣與熱力,2002,(6)90-493t1—第i高峰或低谷)氣時(shí)段的一半[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,1985n4一第高峰或低谷)氣量函數的冪指【4]歐俊豪,王家生,徐漪萍,等.應用概率統計第二版)數應為偶數;[M].天津:天津大學(xué)出版社,199時(shí)間。[5]張蔚東,方育渝,李恩山.居民燃氣消耗量的隨機分若對一日內的用氣量變化分為6個(gè)時(shí)段則其機J]煤氣與熱力,1989,(1):34-39中S,t,n1各有6個(gè)參數可按典型化的用氣量[6]邢文訓,謝金星現代優(yōu)化計算方流M北京:清華變化定出6個(gè)t1,n;及5個(gè)S,由大學(xué)出版社,1999[7]譚羽非.城市燃氣管網(wǎng)用氣負荷預測研究與天然氣地t(1±S下儲氣庫優(yōu)化設計和運行分杌D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)確定第6個(gè)S:。[8]黎光華,詹淑慧.民用灶具同時(shí)工作系數的測定與研過(guò)A].中國城市煤氣學(xué)會(huì )液化氣專(zhuān)業(yè)委員會(huì )第十五討論屆年會(huì )論文集C]上海中國城市煤氣學(xué)會(huì ),1998[9]焦李成.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統理訟M]西安:西安電子科技以上我們分析了燃氣負荷的特性提出了對燃大學(xué)出版社,1990氣負荷模型類(lèi)型及負荷預測模型的分類(lèi)。列舉了較[10]焦文玲.城市燃氣負荷時(shí)序模型及其預測研究D]哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)主要的用于解決燃氣負荷的建模類(lèi)型。指出了它們[1]嚴銘卿,袁樹(shù)明.IPG瓶組供氣能力的計算J煤氣主要的適用情況?？梢钥吹轿覀円呀?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].北京北學(xué)工業(yè)岀版社,987等.燃氣輸第二版ⅠM].北京中國建筑工業(yè)出版社1988[5]法動(dòng)懸執曇與質(zhì)量傳M].天津沃[2]趙震.輕烴燃氣發(fā)生裝置的研究(碩土學(xué)位論文)中國煤化工303373[D]哈爾濱珨爾濱建筑大學(xué),J998[6]CNMHG相流體動(dòng)力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