均匀设计在减阻剂合成研究中的应用

尹国栋, 关中原, 刘兵, 李春漫, 李国平, 赵安赤

尹国栋, 关中原, 刘兵, 李春漫, 李国平, 赵安赤. 均匀设计在减阻剂合成研究中的应用[J]. 油气储运, 2001, 20(6): 36-37. DOI: 10.6047/j.issn.1000-8241.2001.06.012
引用本文: 尹国栋, 关中原, 刘兵, 李春漫, 李国平, 赵安赤. 均匀设计在减阻剂合成研究中的应用[J]. 油气储运, 2001, 20(6): 36-37. DOI: 10.6047/j.issn.1000-8241.2001.06.012
Yin Guodong, Guan Zhongyuan, . The Application of Uniform Design in Drag Reducer Synthesis[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2001, 20(6): 36-37. DOI: 10.6047/j.issn.1000-8241.2001.06.012
Citation: Yin Guodong, Guan Zhongyuan, . The Application of Uniform Design in Drag Reducer Synthesis[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2001, 20(6): 36-37. DOI: 10.6047/j.issn.1000-8241.2001.06.012

均匀设计在减阻剂合成研究中的应用

详细信息
    作者简介:

    尹国栋  工程师, 1972年生, 1994年牛业于北京化工大学高分子系,现在中国石油管道公司管道科技中心从事化学添加剂的研究工作, 并在清华大学化学工程系攻读硕士学位

    *065000,河北省廊坊市金光道51号;电话:(0316)2075758。

The Application of Uniform Design in Drag Reducer Synthesis

  • 摘要: 在采用α-烯烃配位阴离子聚合方法合成减阻剂过程中, 影响聚合物减阻效果的因素很多, 规律性不强, 一般的实验设计所需的工作量很大。用均匀设计安排实验, 结合数据回归处理方法, 可以大大减少实验次数, 提高实验效率。根据预试验结果, 确定可能影响减阻剂性能的因素和相应水平, 并选择合适的均匀设计表进行试验。利用SPSS软件对试验结果进行多元回归分析, 根据所得回归方程, 选择试验条件进行聚合。试验结果很好地符合了回归方程, 表明均匀设计在多因素多水平实验中具有优越性。
    Abstract: Drag reducer is produced from alpha olefin by anionic polycoordination. Drag reduction percent of polymer is influnced by many factors during polymerization. To find the inner method, a lot of experiments have been made with common experiment design. As compared with that, uniform design and regression analysis (with SPSS software) with experiment data can simplify the experiment procedure.
  • 在LNG的存储过程中,由于充装LNG和储罐内原有LNG的组分、温度不同,或者含氮(N2)较多的LNG内部N2的优先蒸发,可能出现分层现象,进而导致翻滚现象的发生[1]。翻滚发生时,两分层剧烈混合,瞬间产生大量汽化气(BOG),使储罐内压力急剧上升,对储罐和其他附属设备的安全造成威胁,甚至威胁人身安全。通常翻滚发生时,需要被迫打开安全阀泄压,大量的天然气被释放到空气中,不仅存在很大的危险性,同时还造成重大的经济损失[2]。在翻滚的理论研究上,Chatterjee & Geist提出了首个翻滚模型(C-G模型,1972),之后经过Heestand等[3](HSM模型,1983),Bates等[4](Bates-Morrison模型,1997),覃朝辉等[5](覃朝辉模型,1999)的发展,LNG分层和翻滚模型逐渐完善。在实验方面,国外Shi J Q、Muro、Graffis等,国内游立新、程栋等分别针对不同形状、不同大小的储罐,利用盐-水、水-糖、F11-F113、液氧-液氮等介质进行了大量的翻滚实验研究。基于这些对翻滚的原因、机理的理论和实验研究结果,提出了一些预防翻滚的措施,对储罐的安全储存具有重要意义。

    近年来,随着世界LNG产业的飞速前进,中国的LNG接收终端亦蓬勃发展,LNG的应用领域逐渐增多[6-8],LNG储罐发生翻滚的概率也随之增大。而在储罐发生翻滚的过程中,不同密度差、储罐罐容等都有可能对翻滚造成影响。因此在前人的研究基础上,对储罐中LNG翻滚的影响因素进行研究,以便更全面地对储罐翻滚做出预防,保证储罐的安全储存。

    LNG在储罐中储存时,由于储罐的储存温度约为-160 ℃,与外部环境温度相差较大,因此罐壁的漏热会导致储罐中LNG的密度变化,使不同高度之间的LNG出现密度差,即分层。分层产生后,各层形成相对独立的自然对流循环(图 1),在环境漏热及轻组分蒸发的双重作用下,两分层的密度逐渐趋于一致,最终发生翻滚(图 2[9-10]

    图  1  分层后储罐内的自然对流循环示意图
    图  2  分层后各液层的密度变化示意图

    分层产生后,储罐中LNG分为多个分层(图 3a),而翻滚发生在相邻的两个分层之间。取储罐中高度相同(均为1 m)的两层作为研究对象,忽略LNG储罐的分层过程,不考虑气相空间,只对翻滚过程进行研究[11],建立LNG储罐翻滚的物理模型(图 3b),并设置模型的初始条件和边界条件如下:①侧壁和底部壁面的边界条件是速度ux均为无滑移条件;对于LNG组分的质量分数S而言,;对于湍流动能κ而言,。②LNG储罐翻滚模型的初始条件是LNG作为一个整体赋予密度值,其初始密度值设为定值;上下分层密度一定(上分层密度大于下分层密度)且存在密度差;流体的初始速度为ux=0、uy=0。

    图  3  分层发生后的LNG储罐及其翻滚物理模型示意图

    采用FluentTM软件进行模拟,模型选取接收站常见的16×104 m3储罐,设定其上、下分层密度分别为424 kg/m3、423.5 kg/m3。计算区域采用结构化网格进行网格划分,网格总数约为16 000个。选用mixture模型,边界条件设为绝热壁面。正常状态下,由于储存在较大型储罐内的LNG液体产生大空间紊流态自然对流,因此紊流方程采用κ-ε方程[12]

    为了对模拟中不同工况下的翻滚程度进行对比分析,采用翻滚系数f来表征翻滚的剧烈程度[13]

    (1)

    式中:f为翻滚系数;Δρmax为翻滚过程中的最大密度差,kg/m3;Δρ0为初始密度差,kg/m3;Δt为翻滚时间,s。

    针对直径为79 m的16×104 m3的LNG储罐,取初始密度差0.5 kg/m3,1.0~9.0 kg/m3(间隔1.0 kg/m3)分别进行模拟,得到LNG储罐翻滚的最大速度随时间变化的曲线(图 4)和翻滚系数随初始密度差变化的曲线(图 5)。

    图  4  不同初始密度差时LNG翻滚速度随时间的变化曲线
    图  5  不同初始密度差时翻滚系数随初始密度差的变化曲线

    随着时间的增加,储罐中LNG的翻滚速度逐渐减小趋于平稳。而初始密度差越大,储罐发生翻滚时,LNG的速度也越大,翻滚越剧烈(图 4)。翻滚系数随初始密度差的增加先缓慢增加,然后剧烈增加,表明储罐中LNG的翻滚随着初始密度差的增大由平稳向剧烈转变,这个转折点所对应的初始密度差即为储罐翻滚的临界密度差,当初始密度差小于临界密度差时,认为储罐储存安全,大于临界密度差时,即认为储罐内发生了翻滚(图 5[14]。在翻滚的过程中,上下分层的密度差相当于翻滚的动力,密度差越大,推动翻滚发生的动力越大,翻滚发生得越早,翻滚也就越剧烈。

    对直径为80 m的16×104 m3储罐,分别取其分层高度为1 m、1.5 m、2.0 m,取初始密度差0.5 kg/m3,1.0~9.0 kg/m3(间隔1.0 kg/m3)进行数值模拟,得到初始密度差为1 kg/m3时,储罐翻滚的最大速度随时间的变化而变化的曲线(图 6)和翻滚系数随初始密度差变化的关系曲线(图 7)。

    图  6  不同分层高度时储罐翻滚的速度随时间的变化曲线
    图  7  不同分层高度时翻滚系数随初始密度差的变化曲线

    分层高度越大,速度出现峰值越晚,峰值越大,而随着分层高度的增加,速度剧烈变化的范围也增大,表明随着分层高度的增加,储罐翻滚持续的时间增长,储罐发生翻滚的时间延迟(图 7)。

    16×104 m3储罐的临界密度差在分层高度为1 m、1.5 m、2 m时分别为3 kg/m3、4 kg/m3、5 kg/m3,随着分层高度的增加,储罐翻滚的剧烈程度增大,临界密度差增大。这是由于分层高度的增加使单一分层的体积增大,各分层LNG液体与罐壁的接触面积增加,因此,液体与罐壁之间的黏滞力增大使分层变得更加稳定,延缓了翻滚的发生。

    对16×104 m3(直径79 m)、3×104 m3(直径40 m)、5 000 m3(直径20 m)的LNG储罐,取初始密度差分别为0.5 kg/m3、1.0~9.0 kg/m3(间隔1.0 kg/m3)进行数值模拟,得到初始密度差为1 kg/m3时,储罐翻滚的最大速度随时间的变化曲线(图 8)和翻滚系数随初始密度差的变化关系(图 9)。

    图  8  不同罐容下储罐翻滚的速度随时间的变化曲线
    图  9  不同罐容下翻滚系数随初始密度差的变化曲线

    可见,随着罐容的增加,翻滚的最大速度逐渐增加,而翻滚速度越大,LNG移动的速度越大,翻滚越剧烈(图 8)。罐容为16×104 m3、3×104 m3、5 000 m3的储罐的临界密度差分别为3 kg/m3、3~5 kg/m3、5 kg/m3,随着罐容的增加,储罐翻滚的临界密度差减小(图 9)。这是由于罐容的增大使储罐翻滚时产生的漩涡增多,漩涡之间的相互作用增加,因此相同初始密度差下,储罐罐容越大,LNG的稳定性就越差,对应储罐发生翻滚的临界密度差也越小。

    (1)不同初始密度差下储罐翻滚的剧烈程度不同。相邻分层的初始密度差越大,翻滚发生的越早,翻滚时的速度越大,翻滚越剧烈,且存在一个储罐翻滚的临界密度差:当初始密度差小于临界密度差时,认为储罐储存安全;大于临界密度差时认为储罐内发生了翻滚。

    (2)对于同一储罐,分层高度越小,翻滚发生的时间越早;分层高度越大,翻滚持续的时间越长,翻滚时的速度越大,翻滚越剧烈。而分层高度的增大使分层变得稳定,翻滚延迟,储罐翻滚的临界密度差也增大。

    (3)储罐罐容越大,翻滚时的漩涡越多,速度越大,储罐中LNG翻滚越剧烈,相邻分层之间的LNG越不稳定,储罐翻滚的临界密度差越小。

  • 表  1   水平因素表

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    表  2   实验方案及聚合产品减阻率均匀设计表

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    表  3   用回归方程所选实验条件及减阻率

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  • [1] 曾汉民: 高新技术材料要览, 科学技术出版社(北京), 1994。
    [2] 方开泰 全辉 陈庆云: 实用回归分析, 科学出版社(北京), 1988。
    [3] 方开泰: 均匀设计与均匀设计表, 科学出版社(北京), 1994。
    [4] 税碧垣等: 减阻剂室内环道评价与影响因素研究, 油气储运, 2001, 20(3)。
    [5] 汪仁官 陈荣昭(译): 实验设计与分析, 中国统计出版社(北京), 1998。
表(3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2001-01-06
  • 网络出版日期:  2023-08-21
  • 刊出日期:  2001-06-24

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