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(hào):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(duì)空氣鼓泡法戊烷氣化過程進(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(duì)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)中圖分類號(hào):TU996.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(見圖1 )的原理是:空氣由小型空氣鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)銅管(內(nèi)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(chǔ)存和運(yùn)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(dǎo)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(jī)配置不當(dāng)?shù)仍?用產(chǎn)生的混合氣應(yīng)控制戊烷達(dá)到其爆炸上限的2常造成輕烴氣化量不足,使燃具熱負(fù)荷達(dá)不到設(shè)計(jì)倍以上23。采用空氣鼓泡法使戊烷液體氣化的過要求。本文根據(jù)傳熱傳質(zhì)理論，對(duì)影響輕烴氣化量程是一個(gè)傳熱和傳質(zhì)過程受傳熱和傳質(zhì)的影響。的因素進(jìn)行了探討并提出相應(yīng)的解決辦法。3戊烷氣化的傳熱和傳質(zhì)過程2空氣鼓泡法戊烷氣化原理3.1傳熱過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所示戊烷開始?xì)饣瘯r(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。空氣鼓這樣液體溫度會(huì)降低。當(dāng)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)過程分析另--方面環(huán)境空氣通過鋼瓶壁面向液體傳熱。隨著根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量平衡在忽略液位變化引起氣化過程的進(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(jù)傳質(zhì)計(jì)算的戊烷氣化量kg/s;的熱量完全由空氣來供給。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(nèi)的氣化和液面上的氣氣成院-空氣化。由于氣泡內(nèi)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(nèi)戊烷的氣化過程。假設(shè)氣泡為球形,內(nèi)部空氣靜止不動(dòng)。某一時(shí)刻在氣泡界面處氣相一側(cè)δ厚度內(nèi),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(nèi)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(nèi)戊烷液體的溫度降,C/s ;δ-氣膜厚度;日。-氣泡內(nèi)空氣溫度;K,一空氣與戊烷的傳熱系數(shù)kW(m K);0,-界面上戊烷液體溫度ipi一氣泡內(nèi)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(nèi)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(nèi)的傳質(zhì)按-組分通過另-靜止組分的單K;-一空氣通過鋼瓶壁面與戊烷液體的傳熱相擴(kuò)散4。系數(shù)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(jù)能量平衡,有qmp.r=φ+φ2+中(4)根據(jù)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(nèi)氣泡個(gè)數(shù)。。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(nèi)戊烷 氣體擴(kuò)散速率,kmol( m2式中:E'=1.858 3 x 10-990μs);Ro22,戊烷氣體分子擴(kuò)散系數(shù)m2/s;R--摩爾氣體常數(shù)8.314 kJ( kmot K);M+iMr( 16)δ--氣膜厚度m;-氣泡內(nèi)氣體的熱力學(xué)溫度K;4提高戊烷氣化量的方法氣泡內(nèi)氣體總壓力,kPa;Pa-空氣在相界面與氣相主體間對(duì)數(shù)平均根據(jù)傳熱和傳質(zhì)過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(shù)。因此要想提高戊烷的氣化量使燃具熱負(fù)荷滿-氣泡內(nèi)戊烷氣體分壓kPa;足要求應(yīng)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(jù)傳質(zhì)公式,戊烷氣化量gm。隨空氣流量分子擴(kuò)散的平均積分;M,。,M,a一戊烷和空 氣的相對(duì)分子質(zhì)量;qv.的增加而增大。增加空氣鼓風(fēng)機(jī)的流量,-方h-玻爾茲曼常數(shù),k =1.38x 10-23 J/K ;面使氣泡個(gè)數(shù)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(nèi)氣體循環(huán)增實(shí)際上在氣泡上升過程中,由于戊烷的氣化,強(qiáng)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(yàn)表明在燃具使用范圍內(nèi),當(dāng)空氣量增加1小因此擴(kuò)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(nèi)的氣體不會(huì)增加戊烷氣化量時(shí),應(yīng)注意戊烷-空氣混合氣中戊靜止不動(dòng),由于氣泡內(nèi)氣體的循環(huán),而使擴(kuò)散速率大烷體積分?jǐn)?shù)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(nèi)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(shù)量的小孔。這樣形成的空氣泡直徑變小數(shù)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(jù)戊烷氣化的傳熱和傳質(zhì)過程分析戊烷氣A"= n:A( 14)式中iq"依據(jù)傳質(zhì)計(jì)算的戊烷氣化量kg/s ;化過程需要吸收一定量的熱量。因此，可以采取一A"依據(jù)傳質(zhì)計(jì)算的氣泡總表面積,m2 ;些方法提高環(huán)境或戊烷的溫度來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(yīng)用中需采用以函數(shù)形式給出的管理之中;與之同時(shí)，有必要進(jìn)行對(duì)燃?xì)庳?fù)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(diào)查研究掌握我國各種類型城市，各種類型用分段冪函數(shù):戶用氣的普遍的、典型的形態(tài)和規(guī)律性這是研究燃?xì)庳?fù)荷問題非常有意義的最基礎(chǔ)性的工作。(τ)= q.。{1土s[1-(1-三)]}t式中:(τ)一用氣量函數(shù) ;參考文獻(xiàn):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(yán)銘卿,廉樂明,焦文玲,等.燃?xì)庳?fù)荷及若干應(yīng)用問谷值)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(duì)高峰用氣時(shí)段取+號(hào)對(duì)用氣低谷時(shí)[2]嚴(yán)銘卿,廉樂明,焦文玲,等.燃?xì)庳?fù)荷及研究進(jìn)展[J].煤氣與熱力,2002 .(6)490- -493.段取-號(hào);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(shù)的冪指. [4] 歐俊豪,王家生,徐漪萍,等.應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)第二版)數(shù)應(yīng)為偶數(shù);[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?xì)庀牧康碾S機(jī)分若對(duì)一日內(nèi)的用氣量變化分為6個(gè)時(shí)段則其楓J]煤氣與熱力,1989,(1):34-39.中S;,h,n,各有6個(gè)參數(shù)，可按典型化的用氣量[6]邢文訓(xùn), 謝金星.現(xiàn)代優(yōu)化計(jì)算方法M]北京:清華大學(xué)出版社, 1999.變化定出6個(gè)1; ,n;及5個(gè)S;由:[7]譚羽非.城市燃?xì)夤芫W(wǎng)用氣負(fù)荷預(yù)測研究與天然氣地藝:(1士S"4)=12下儲(chǔ)氣庫優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行分析[ D]哈爾濱:哈爾濱臺(tái)工業(yè)大學(xué),2001.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(shù)的測定與研討A].中國城市煤氣學(xué)會(huì)液化氣專業(yè)委員會(huì)第十五3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(tǒng)理論[ M]西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 1990.以上我們分析了燃?xì)庳?fù)荷的特性提出了對(duì)燃[10]焦文玲.城市燃?xì)庳?fù)荷時(shí)序模型及其預(yù)測研究D]氣負(fù)荷模型類型及負(fù)荷預(yù)測模型的分類。列舉了較哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2001 .主要的用于解決燃?xì)庳?fù)荷的建模類型。指出了它們[11] 嚴(yán)銘卿,袁樹明. LPG瓶組供氣能力的計(jì)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(fù)荷問題的必需工具。下一步需要做的工作是如何實(shí)用化廣泛地用于項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析和運(yùn)行(上接第206頁)[1]哈爾濱建筑工程學(xué)院北京建筑工程學(xué)院同濟(jì)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?xì)廨斉涞诙鍵M]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?xì)獍l(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(yuǎn)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(zhèn)燃?xì)獾睦碚撚?jì)算J]煤北京航空學(xué)院出版社1987. 301- -302.氣與熱力2001 (3)265- -267.