空气鼓泡法戊烷气化的研究(1)
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:A
Research on Pentane Vaporization with Air blow Method
LI Shan bin,CHEN Ming
(Haerbin Institute o f Technology,Haerbin150086,China)
Abstract:According to the ory of the heat and mass transport,this article analyzes the process of the pentane vaporization with air blow method,discusses the influence of air flo w,total surface area of air bubbles and temperature 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 transport
1 前 言
以戊烷为主的轻烃由于热值高,价格便宜,常温常压下是液体,便于储存和运输,因此可用作燃料。作为民用燃料,轻烃气化的方法通常采用 空气鼓泡法。由于环境温度、空气鼓风机配置不当等原因,常造成轻烃气化量不足,使燃具热负荷达不到设计要求。本文根据传热传质理论,对影响轻烃气化量的因素进行了探讨,并提出相应的解决办法。
2 空气鼓泡法戊烷气化原理
戊烷在常温常压下是液体,沸点为36.1!,低热值为45.381MJ kg,其气体的爆炸极限为1.4%~ 8.3%[1],在民用中戊烷需由液体变为气体。空气鼓泡法产生戊烷-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8mm)送入戊烷容器底部,由管口逸出,形成气泡升到液面。由于戊烷在气泡表面和液面上向气相的蒸发,形成戊烷-空气混合气,导出供给燃具燃烧。为了确保安全使用,产生的混合气应控制戊烷达到其爆炸上限的2倍以上[2,3]。采用空气鼓泡法使戊烷液体气化的过程是一个传热和传质过程,受传热和传质的影响。
3 戊烷气化的传热和传质过程
3.1传热过程分析
如图1所示,戊烷开始气化时,由于液体温度与环境温度相同,因此气化所需热量由液体自身提供,这样,液体温度会降低。当液体温度低于环境温度
第23卷 第4期2003年4月
煤气与热力
Gas&Heat
Vol.23 No.4
Apr.2003
收稿日期:2002-02-07
作者简介:李善斌(1947?),男,黑龙江哈尔滨人,副教授,学士,从事燃气教学和研究工作。
而形成温差时,一方面进入钢瓶的空气向液体传热,另一方面环境空气通过钢瓶壁面向液体传热。随着气化过程的进行,液体温度逐渐降低,而与空气的温差逐渐加大,这样由空气向液体的传热量逐渐增加,而液体提供的显热量逐渐减小。直到进行到某一时刻,液体温度降到某一温度保持不变时,气化所需要
的热量完全由空气来供给。
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 1(kW)
1=m #c # p
(1)(2)进入钢瓶的空气向戊烷的传热量 2(kW)
2=K 1#A 1#( a - p )
(2)(3)空气通过瓶壁向戊烷的传热量 3(kW)
3=K 2#A 2#( a - p )
(3)
式中:m
戊烷液体的质量,kg;
c
戊烷液体的比热容,kJ (kg #K); p 单位时间内戊烷液体的温度降,! s;K 1空气与戊烷的传热系数,kW (m 2
#K);A 1气泡总面积与液面面积之和,m 2; a 空气的温度,!; p 戊烷液体的温度,!;
K 2空气通过钢瓶壁面与戊烷液体的传热
系数,kW (m 2
#K);
A 2
戊烷液体与瓶壁的接触面积,m 2
。根据能量平衡,有
q m ,p #r = 1+ 2+ 3(4)q m ,p =1
r ( 1+ 2+ 3)
(5)
式中:q m ,p
依据传热计算的戊烷气化量,kg s;
戊烷的气化潜热,kJ kg 。
3.2传质过程分析
根据系统内的质量平衡,在忽略液位变化引起气相容积改变的情况下,存在关系:
q m ,a +q m
m ,p =q m ,mix (6)
式中:q m ,a
进入钢瓶的空气质量流量,kg s;q m
m ,p 依据传质计算的戊烷气化量,kg s;q m ,mix
流出钢瓶的戊烷-空气混合气的质
量流量,kg s 。
戊烷的气化包括气泡内的气化和液面上的气
化。由于气泡内戊烷的传质量比液面上的传质量大得多,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!厚度内,温度 、戊烷气体的分压变化如图2所示。
!?气膜厚度; a ?气泡内空气温度; p ?界面上戊烷液体温度;p pi ?气泡内戊烷分压;
p pl ?界面上戊烷气体饱和分压图2 气泡内温度、戊烷分压变化示意图
气泡内的传质按一组分通过另一静止组分的单
相扩散[4]
。
N p =
D pa TR !#p
p am
#(p pl -p pi )(7)初始条件:t =0,p pi =0(8)
根据赫虚范特等人提出的公式[5]
,D pa = 1.8583?10-9
T
3 2
p ?2
pa #D #1M r,p +1
M
r,a
1 2
(9)
将式(9)代入式(7)得
N p =E #
205#第4期 李善斌等:空气鼓泡法戊烷气化的研究
E=1.8583?10-9
R!?2pa#D
1
M r,p
+
1
M r,a
1 2
(11)
#D=f k T?
A B
式中:N p气泡内戊烷气体扩散速率,kmol (m2# s);
D pa戊烷气体分子扩散系数,m2 s;
R摩尔气体常数,8.314kJ (kmol#K);
!气膜厚度,m;
T气泡内气体的热力学温度,K;
p气泡内气体总压力,kPa;
p am空气在相界面与气相主体间对数平均
分压,kPa;
p pl相界面处戊烷气体的饱和分压,kPa;
p pi气泡内戊烷气体分压,kPa;
?pa平均碰撞直径,nm;
#D分子扩散的平均积分;
M r,p,M r,a戊烷和空气的相对分子质量;
k玻尔兹曼常数,k=1.38?10-23J K;
?AB A,B分子之间作用能,J。
实际上,在气泡上升过程中,由于戊烷的气化, p pi是逐渐增加的,使传质推动力(p pl-p pi)逐渐减小,因此扩散速率N p也逐渐减小。气泡上升速度较快时,特别是处于湍流状态时,气泡内的气体不会静止不动,由于气泡内气体的循环,而使扩散速率大大增加[5],因此p pi接近p pl的程度要更好些。
气泡内戊烷的气化量为:
q m m,p=M r,p#N p#A m1(12)单个气泡表面积由戴维森-舒勒公式[6]求出:
A p=4%R2p=
90&q V,a
g(?p-?a)
1 2
(13)
气泡总表面积为:
A m1=n#A p(14)式中:q m m,p依据传质计算的戊烷气化量,kg s;
A m1依据传质计算的气泡总表面积,m2;
A p单个气泡表面积,m2;
R p气泡直径,m;
&戊烷液体的动力粘度,Pa#s;
q V,a空气体积流量,m3 s;
?p,?a戊烷液体与空气密度,kg m3;
重力加速度,m s2;
n单位时间内气泡个数,s-1。
将式(10),(13),(14)代入式(12)得
q m m,p=E%T1 2#n#(q V,a)1 2
(p pl-p pi)
p am(15)式中:E%=
1.8583?10-9
R!?2pa#D
90&
g(?p-?a)
1 2
#
1
M r,p
+
1
M r,a
1 2
#M r,p(16) 4 提高戊烷气化量的方法
根据传热和传质过程的分析,影响戊烷气化量的主要因素有空气流量、气泡总表面积、温度等参数。因此,要想提高戊烷的气化量,使燃具热负荷满足要求,应该从这些主要影响因素入手。
(1)增加空气流量
根据传质公式,戊烷气化量q m m,p随空气流量q V,a的增加而增大。增加空气鼓风机的流量,一方面使气泡个数增多,也就增加了气泡总表面积A m1;另一方面,气泡上升速度加快,气泡内气体循环增强,使传质速率N p增大,这些都有利于戊烷的气化。实验表明,在燃具使用范围内,当空气量增加1倍时,轻烃气化量可增加40%以上。采用这种方法增加戊烷气化量时,应注意戊烷-空气混合气中戊烷体积分数的降低。
(2)采取措施增大气泡总表面积A m1
在空气流量不变的情况下,采取措施增大气泡总面积A m1。如在空气管出口安装一个气泡分布器,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,戊烷气化量就可以增加。
(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,戊烷气化过程需要吸收一定量的热量。因此,可以采取一些方法,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 p&T1 2。同时,在传质推动力(p pl-p pi)中,p pl随温度的提高而增大。因此,提高戊烷气化时的温度可以增加戊烷的气化量。
参考文献:(下转第210页)
在某些研究和应用中需采用以函数形式给出的典型化的用气量变化。例如日的用气量变化可以用分段幂函数:
q(()=q),v{1?S i[1-(1-(
t i
)n i]}
式中:q(()用气量函数;
q),v日平均小时用气量;
S i第i高峰(或低谷)小时用气量峰值(或
谷值)与日平均小时用气量的比值;
?对高峰用气时段取+号,对用气低谷时
段取-号;
t i第i高峰(或低谷)用气时段的一半;
n i第i高峰(或低谷)用气量函数的幂指
数,应为偶数;
(时间。
若对一日内的用气量变化分为6个时段,则其中S i,t i,n i各有6个参数,可按典型化的用气量变化定出6个t i,n i,及5个S i,由:
(p i=1t i(1?S i
n i
n i+1
)=12
确定第6个S i。
3 讨 论
以上我们分析了燃气负荷的特性,提出了对燃气负荷模型类型及负荷预测模型的分类。列举了较主要的用于解决燃气负荷的建模类型。指出了它们主要的适用情况。可以看到,我们已经有了解决燃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、分析和运行管理之中;与之同时,有必要进行对燃气负荷实际状况的调查研究,掌握我国各种类型城市,各种类型用户用气的普遍的、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。
参考文献:
[1] 严铭卿,廉乐明,焦文玲,等.燃气负荷及若干应用问
题[J].煤气与热力,2002,(5):400?404.
[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.
[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.
[4] 欧俊豪,王家生,徐漪萍,等.应用概率统计(第二版)
[M].天津:天津大学出版社,1999.
[5] 张蔚东,方育渝,李恩山.居民燃气消耗量的随机分
析[J].煤气与热力,1989,(1):34?39.
[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.
[7] 谭羽非.城市燃气管网用气负荷预测研究与天然气地
下储气库优化设计和运行分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2001.
[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.
[10] 焦文玲.城市燃气负荷时序模型及其预测研究[D].
哈尔滨:哈尔滨工业大学,2001.
[11] 严铭卿,袁树明.LPG瓶组供气能力的计算[J].煤气
与热力,1998,(2):22?24.
(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,
等.燃气输配(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1988.
[2] 赵 震.轻烃燃气发生装置的研究(硕士学位论文)
[D].哈尔滨:哈尔滨建筑大学,1998.
[3] 宓亢琪.轻烃混空气用做城镇燃气的理论计算[J].煤
气与热力,2001,(3):265?267.[4] 王志魁.化工原理[M].北京:化学工业出版社,1987.
216?217.
[5] 王绍亭,陈 涛.动量、热量与质量传递[M].天津:天
津科学技术出版社,1986.302?303,373.
[6] 张远君,王慧玉,张振鹏.两相流体动力学[M].北京:
北京航空学院出版社,1987.301?302.