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由于液化天然气(LNG)的体积只有气态时的约625分之一左右,所以液态形式天然气有利于大规模贮存与边远离输送。处于-165℃～-160℃超低温饱和状态的LNG在贮运中由于外部的热侵扰使轻组分氮优先蒸发或由于液体密度不同的新物料的充注而出现分层现象,并在液层与液层之间出现分界面。当不同密度的液层存在时,分层的液体由于外部环境热量的渗入,上层较轻的液层通过对流循环,并通过气相空间的蒸发释放热量和轻组分,密度逐渐增加。下层液体由浮力驱动的对流太弱,不能使较重的下层液体穿透分界面达到上层,下层液体就只能处于一种内部对流循环模式,外部侵入的热量在下层液体不断积累,液体由于热膨胀,密度不断增加,随着漏热不断侵扰,故上下液层密度逐渐趋于相等。当上下层LNG密度差达到一临界值时,并最终导致分层液体强烈混合和液体表面蒸发率的骤增,这种现象被称为翻滚。发生翻滚时,下层处于过热的LNG会大量蒸发,蒸发率的骤增造成贮槽内压力过高而危害贮槽的安全运行,大量气体放空造成经济损失和环境污染。为此,本文在广东省自然科学基金资助下,进行关于LNG贮运过程中非稳定性模拟研究。
本文描述了国际上重大的LNG的翻滚事件,分析了分层和翻滚现象形成的机理,介绍了国内外关于LNG分层与翻滚的几个典型的数学模型和一些实验研究结果。根据双向扩散模型,从理论的角度分析分层液体的稳定性。
为了探讨LNG储运过程中分层与翻滚行为,研制了一套模拟LNG翻滚的实验装置。在这套实验装置的储罐中,使低沸点的一氯乙烷和二氯甲烷初始分层,然后利用储罐底部和侧壁的可调加热系统模拟环境漏热,引起一氯乙烷和二氯甲烷分层逐渐失稳。实时检测了分层液体温度场和密度场随时间的变化、液层浓度随时间的变化、气相空间压强和液体蒸发速率随时间的变化、不同漏热方式对翻滚孕育时间的影响和漏热通量与翻滚孕育时间的关系。此外,合理地提出了翻滚准数这一判断翻滚的依据,运用Matlab软件对翻滚孕育时间和漏热通量数据进行拟合,得到预测翻滚孕育时间的方程。
实验结果表明：
(1)分层液体的密度与温度分别接近一致时,即翻滚开始时,伴随着液体蒸发速率和气相空间压力的骤增,这与记录真实的LNG翻滚现象较为相类似。
(2)通过改变加热条件来模拟LNG在不同的室温下的翻滚情况,实验表明,漏热通量越大,翻滚孕育时间越短,这与记录真实的LNG在加大壁面漏热量则翻滚发生时间缩短相一致。此外,漏热通量越大,翻滚准数也越大,翻滚强度越厉害。
(3)考察了不同漏热方式对翻滚的影响,模拟室温35℃时漏热,得出储罐底部和周壁同时漏热时更容易得到翻滚,而单独底部漏热时翻滚孕育时间最长。
(4)提出翻滚孕育时间预测方程,利用实验数据检测了在实验室条件下,计算结果和实测结果的最大误差为7.51％,这在工程应用中是允许的,可以用于翻滚孕育时间的预测。