王武昌 李玉星 樊栓獅 梁德青

(1中國石油大學(華東)儲建學院儲運工程系 青島 266555)

(2華南理工大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室 廣州 510640)

(3中國科學院廣州能源研究所 廣州 510640)

HCFC-141b水合物漿流動特性實驗

王武昌1李玉星1樊栓獅2梁德青3

(1中國石油大學(華東)儲建學院儲運工程系 青島 266555)

(2華南理工大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室 廣州 510640)

(3中國科學院廣州能源研究所 廣州 510640)

利用實驗環(huán)道進行了水合物顆粒體積分數(shù)為0到70%的HCFC-141b水合物漿的流動實驗，實驗結(jié)果表明:在固相體積分數(shù)小于28.5%時，管道中水合物呈稀漿狀，漿體為牛頓流體;當固相體積分數(shù)大于37.5%時，管道中水合物呈泥狀，漿體為Bingham流體?；貧w了泥狀水合物的屈服應力及表觀粘度，并根據(jù)水合物漿的流動特性分段回歸了水合物漿在管道中流動的壓降計算公式，實驗驗證表明回歸的計算公式可以比較準確的計算管道中水合物漿流動的壓降，可以為制冷系統(tǒng)HCFC-141b水合物的流動及其它水合物漿的流動提供指導。

HCFC-141b 水合物漿 流動特性 流變性 壓降

1 引言

一氟二氯乙烷(CH3CCl2F，HCFC-141b)作為一種制冷劑，與水不互溶，密度比水大，可以與水形成II型水合物，是理想的油替代物，因此常被用來作為實驗介質(zhì)研究管道中水合物漿的流動特性［1-3］。另一方面利用HCFC-141b水合物漿作為相變材料的制冷系統(tǒng)目前也越來越得到重視［4］，對于兩種應用領(lǐng)域，目前都缺乏針對這種系統(tǒng)的水合物漿流動特性的研究［5-8］。因此本文選擇HCFC-141b作為介質(zhì)來研究水合物漿的流動特性及流變性，為采用水合物漿的制冷系統(tǒng)的安全運行以及進一步研究天然氣水合物漿在管道中的流動特性研究提供一些參考。

2 實驗研究

2.1 實驗裝置和材料

實驗裝置主要包括一套低壓環(huán)道系統(tǒng)，如圖1所示。環(huán)道系統(tǒng)主要由磁力泵、原料罐、緩沖罐、螺旋流量計、管道、溫度傳感器、壓力傳感器、差壓傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中管道包括水平部分、局部低凹段(C)以及立管(E)3種管道形態(tài)，而且包含一段透明管(D)，用于觀察。管道為不銹鋼管，內(nèi)徑42 mm、長30 m。系統(tǒng)可以模擬水平管道、地形低凹管段以及立管內(nèi)的正常流動、停輸以及停輸后再啟動等不同工況下的水合物流動情況。

圖1 環(huán)道系統(tǒng)流程示意圖1.原料儲罐;2.磁力泵;3.流量計;4.緩沖罐;5.差壓傳感器;6.排水閥;7.壓力傳感器;8.溫度傳感器;A.支路;B.流量計支路;C.局部低凹段;D.透明段;E.垂直段。Fig.1 Schematic diagram of flow loop

整個環(huán)道系統(tǒng)放置于低溫室中，低溫室可以維持在設(shè)定的低溫條件，模擬室外的低溫環(huán)境。低溫室降溫范圍-40℃—(40±0.5)℃。實驗中選用的試劑為工業(yè)級的HCFC-141b，質(zhì)量分數(shù)為99.5%，實驗用水為自來水。

2.2 實驗過程

實驗開始時根據(jù)設(shè)定的比例在原料罐中加入自來水和HCFC-141b，然后啟動低溫室開始對系統(tǒng)進行降溫。待低溫室溫度降到設(shè)定的溫度時，啟動泵，以較小的流量運行，對介質(zhì)進行降溫。

在通過取樣判斷出水合物漿達到配制的體積分數(shù)時，進行水合物漿的不同流速下的流動實驗，得到相應體積分數(shù)下水合物漿的流動特性;之后增加HCFC-141b量，完全生成水合物后進行下一體積分數(shù)實驗，此次實驗體積分數(shù)從5%開始，逐漸增大管道中水合物體積分數(shù)，直至管道堵塞，各體積分數(shù)下流速從0.5 m/s逐漸增大到3.6 m/s。在整個實驗過程中維持環(huán)境溫度不變，管道內(nèi)水合物漿體在實驗過程中基本穩(wěn)定，始終低于HCFC-141b水合物的平衡溫度。

3 實驗結(jié)果與分析

水合物固體含量(φh)對水合物漿的流動特性有著決定性的作用，因此水合物漿中固相含量的確定非常重要。本文采用一種傳統(tǒng)的取樣分析方法來測量水合物固相含量。首先從管道中取樣，然后將樣品分解，并采用蒸餾的方法分離水和HCFC-141b。根據(jù)兩者的質(zhì)量mw和mx，采用式(1)計算固相含量［8］:

式中:mh為樣品中水合物的質(zhì)量，mwh為生成水合物消耗的水的質(zhì)量，兩者都可以根據(jù)兩種水合物的水合物數(shù)由mx計算得到。有一點必須指出，在采用式(1)計算水合物漿的固相含量時，是假設(shè)管道中全部的HCFC-141b都轉(zhuǎn)化成水合物，這一點可以通過延長實驗時間來實現(xiàn)，當管道中的溫度，壓力等參數(shù)以及取樣觀察等多種手段都判斷水合物轉(zhuǎn)化完全時才進行取樣分析。

3.1 管道中水合物漿的流動壓降

水合物漿在管道中流動，流動的壓降主要取決于漿體的流速、介質(zhì)特性、管道的特性等因素，由于管道的特性，包括管道內(nèi)壁的粗糙度、管徑、地形起伏等，相對來說比較固定，此次研究針對建設(shè)的環(huán)道，沒有作詳細的分析，主要分析了流速和水合物漿中固相體積分數(shù)對壓降的影響。實驗中進行了不同水合物體積含量下漿體的流動特性研究。

對于水合物體積含量固定的漿來說，壓降的最大影響因素就是漿的流速。管道中壓降梯度與流速的關(guān)系如圖2所示。圖2中給出了各個水合物體積含量的流速對壓降的影響曲線。其中0%對應的是沒有水合物生成時，HCFC-141b和水組成的液液兩相流動的壓降與流速的關(guān)系。而68%對應的是此次實驗能夠進行的最大的水合物體積含量的漿的流動。實驗中發(fā)現(xiàn)在管道中水合物體積含量接近70%時，漿體的流動不再連續(xù)，會失去流動，堵塞管道。

圖2 不同流速下HCFC-141b水合物漿流動壓降與固相體積分數(shù)的關(guān)系Fig.2 Pressure drops as a function of volume concentration of HCFC-141b hydrate slurry in pipeline at different mean velocity

與其它流體類似，HCFC-141b水合物漿流動的壓降梯度隨著流速的增大而增大，然而壓降梯度與水合物體積分數(shù)的關(guān)系則呈現(xiàn)分段的性質(zhì):對于每一個固定的平均流速，水合物體積分數(shù)對壓降梯度的影響可以分為3段:當體積分數(shù)小于28.5%時，水合物漿的壓降梯度隨著體積分數(shù)的增加而增大;而在28.5%—37.5%之間，是一個轉(zhuǎn)折區(qū)，水合物漿的壓降隨著體積分數(shù)的增加而減小;當漿體積分數(shù)大于37.5%后，水合物漿的壓降隨著體積分數(shù)的增加再次增加，而且增加的速度加快。轉(zhuǎn)折區(qū)受漿體的流速影響，流速越大，轉(zhuǎn)折區(qū)輕微右移。根據(jù)實驗過程中的觀察以及數(shù)據(jù)分析，各個流速下管道中漿體體積分數(shù)介于對應的轉(zhuǎn)折區(qū)間時，管道中水合物的形態(tài)正從漿狀水合物向泥狀水合物轉(zhuǎn)變［7］，在形成泥狀水合物之前，由于顆粒在管道中聚集成比較大的顆粒，造成壓降相對于沒有水合物生成時有明顯的增加，隨著水合物顆粒的增多，管道中形成泥狀水合物，在這一過程中，顆粒紊亂程度減小，造成管道中的壓降減小，從而造成轉(zhuǎn)折區(qū)的出現(xiàn)，而隨著水合物含量進一步增大，漿體的粘度急劇增加，流動性能變差，壓降隨著水合物量的增加急劇增大，管道很快被堵塞。

3.2 HCFC-141b水合物漿的流變性分析

隨著管道中水合物含量的增加，水合物漿體的形態(tài)和性質(zhì)在發(fā)生變化，其流變性也隨之變化。根據(jù)實驗分析，在水合物體積分數(shù)大于37.5%后，管道中出現(xiàn)泥狀水合物，泥狀水合物在管道中流動，在小流速下處于層流狀態(tài)，因此可以根據(jù)層流狀態(tài)的流動壓降與流速的數(shù)據(jù)來分析泥狀水合物的流變性。水合物的剪切力與剪切速率分別由式(2)和式(3)計算得到，通過實驗數(shù)據(jù)回歸得到各種體積分數(shù)下水合物漿體的表觀粘度和屈服應力的值如表1所示。

表1 HCFC-141b水合物漿體的表觀粘度和屈服應力Table 1 Relative viscosity and yield stress of HCFC-141b hydrate slurry

從表1中可以看出，隨著水合物體積分數(shù)增大，水合物變稠，流變性變差，表觀粘度和屈服應力都增大。在實際運行過程中，水合物漿的表觀粘度是一個非常重要的參數(shù)，可以用來分析流動特性和壓降的估算，因此本文借鑒Bingham流體的一個著名的表觀粘度計算模型，Thomas 模型［2，5］，回歸出 HCFC-141b 水合物漿的表觀粘度計算公式:

式(4)使用范圍:37.5% ＜φh＜68%。式中:ηB為HCFC-141b泥狀水合物的表觀粘度，×10-3Pa·s，ηL是載體介質(zhì)的表觀粘度，即水的粘度，在2℃—4℃，取1.60×10-3Pa·s?；貧w的曲線與實驗點的比較如圖3所示，回歸的方差為R2=0.989，可以用于估算不同體積分數(shù)HCFC-141b水合物漿的表觀粘度。

然而對于Bingham流體的屈服應力，目前還沒有比較好的模型可以借鑒，與其它研究人員類似［2］，采用簡單的多項式對屈服應力進行回歸如式(5)所示:

式(5)的使用范圍:37.5＜φh＜68%，式中 τB表示HCFC-141b泥狀水合物的屈服應力，Pa。

圖3 HCFC-141b水合物漿的表觀粘度與體積分數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relative viscosity as a function of volume concentration of HCFC-141b hydrate slurry

3.3 水合物漿流動壓降的計算

如前文所述，HCFC-141b水合物漿在管道中流動時，壓降主要受到管道內(nèi)平均流速和水合物體積分數(shù)的影響，在管道水合物形態(tài)為漿狀水合物時，水合物體積含量小于37.5%，漿體為牛頓流體;而當管道中水合物形態(tài)為泥狀水合物時，水合物體積含量大于37.5%，則為Bingham流體。下面根據(jù)兩種流體的特性對水合物漿在管道中流動壓降進行分析。

3.3.1 漿狀水合物

由于此次實驗中管徑較大，管道中水合物流動都處于紊流狀態(tài)，通過分析壓降與流速的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)漿體水合物流動時，各個體積分數(shù)下水合物漿流動的壓降梯度的對數(shù)與流速的對數(shù)呈線性關(guān)系，即:ΔP=Kwn，因此為了便于計算管道中水合物漿體流動時的壓降，根據(jù)上述分析，提出一個計算HCFC-141b水合物漿(φh＜37.5%)流動壓降ΔP(Pa/m)的計算關(guān)系式如式(6)所示:

式(6)使用范圍:0.5 m/s＜w＜3.5 m/s;0＜φh＜37.5%，該式主要表達了兩個重要參數(shù)即平均流速和水合物體積分數(shù)對管道中壓降梯度的影響，其它參數(shù)的影響，比如管道的特性等，都包含4個系數(shù)里面。3.3.2 泥狀水合物

對于泥狀水合物(φh＞37.5%)，根據(jù)上文進行的流變性分析和Bingham流體壓降計算的公式計算如下［5］:

根據(jù)達西公式:

其中f的計算與管道中介質(zhì)的流態(tài)有關(guān)，分層流和紊流兩種，水合物漿由層流向紊流轉(zhuǎn)變的臨界雷諾數(shù)根據(jù)Hanks提出的式(8)計算。

其中:參數(shù)a由式(9)計算:

綜上分析:對于水合物體積分數(shù)小于37.5%時，采用式(6)計算水合物流動壓降;而對于水合物體積分數(shù)大于37.5%的情況，采用式(7)—式(11)計算水合物流動的壓降。為了驗證上述提出的計算模型的準確性，采用實驗數(shù)據(jù)進行驗證，計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較如圖4所示。從圖中可以看出，除了體積分數(shù)為68%的水合物漿在大流速下的壓降估算偏大外，其它體積分數(shù)的水合物漿的壓降估算值與實驗值基本吻合，說明提出的計算方法可以用于實際工程中HCFC-141b水合物漿流動壓降的估算。

圖4 水合物漿壓降回歸關(guān)系式的計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較Fig.4 Comparison of experimental and calculated pressure drops of hydrate slurry

4 結(jié)論

在實驗環(huán)道中進行了HCFC-141b水合物漿在管道中流動試驗，得到了以下結(jié)論:

(1)管道生成水合物后，水合物漿的壓降梯度隨著流速的增加而增加;隨水合物體積分數(shù)的變化存在一個臨界體積分數(shù)37.5%，當管道中的水合物體積分數(shù)小于臨界值時，壓降隨體積分數(shù)的增加而出現(xiàn)很小的增加;當管道中體積分數(shù)大于臨界值時，壓降梯度隨體積分數(shù)的增加急劇增加。

(2)管道中水合物漿體積分數(shù)低于臨界體積分數(shù)37.5%時，管道中水合物漿為牛頓流體，而當體積分數(shù)大于臨界體積分數(shù)時，管道中水合物漿成Bingham流體。

(3)借助試驗數(shù)據(jù)和Bingham流體特性理論回歸了水合物漿的表觀粘度和屈服應力，并藉此提出了HCFC-141b漿在管道中流動的壓降計算模型，實驗數(shù)據(jù)驗證結(jié)果表明計算模型可以比較準確的計算水合物漿流動的壓降變化。

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Study on flow behaviors of HCFC-141b hydrate slurry

Wang Wuchang1Li Yuxing1Fan Shuanshi2Liang Deqing3

(1College of Storage＆Transportation and Architectural Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)
(2Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation，Ministry of Education，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)
(3Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China)

The flow behaviors of HCFC-141b hydrate slurry with volume concentration of 0%-70%were studied on the flow loop with a diameter of 42.0 mm and length of 30.0 m.Pressure drops in pipeline were also studied and an exceptional pressure transition zone with hydrate volume concentration between 28.5%and 37.5%was found for the first time.According to experiments，the hydrate slurry with a volume concentration less than 28.5%shows Newton behaviors while the hydrate slurry with a volume concentration larger than 37.5%shows Bingham behaviors.Moreover the yield stress as well as the relative viscosity of the hydrate slurry show Bingham behaviors.At last，relations to estimate the pressure drop of hydrate slurry in pipeline with a volume concentration 0%-68%was presented and verified，which showed a good agreement.

HCFC-141b;hydrate slurry;flow behavior;rheological character;pressure drop

TQ022.4

A

1000-6516(2010)04-0013-05

2010-05-18;

2010-07-29

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”項目(2008ZX05017-004)、山東省自然科學基金項目(ZR2009FM036)。

王武昌，男，31歲，博士、講師。