紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟

密 级 公开 学 号050437 毕 业 设 计（论 文） 院（系、部）： 机械工程学院 姓 名： 彭 晶 莹 年 级： 2005 级 专 业： 过程装备与控制工程 指导教师： 陈 家 庆 教师职称： 教 授 2009 年 05 月 31 日北京紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟 紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟 系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、 文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称：机械工程学院 作者签名： 彭 晶 莹 学 号： 050437 2009 年 05 月 31 日 紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟 北 京 石 油 化 工 学 院 毕 业 设 计 （论 文）任 务 书 学院（系） 机械工程学院 专业 过程装备与控制工程 班级 过 05-2 学生姓名 彭晶莹 指导教师/职称 陈家庆 / 教授 1.毕业设计（论文）题目 紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟 2.任务起止日期： 2009 年 2 月 16 日 至 2009 年 5 月 31 日 3.毕业设计（论文）的主要内容与要求 （含原始数据及应提交的成果） (1) 题目简介与主要内容 与西方发达国家相比，天然气在我国能源消费结构中所占的比例相对较低，随着国内大型天然气气田的不断开发， 天然气在工业领域和城市生活中将会扮演越来越重要的角色。刚从气井中开采出来的天然气必须经过脱水、脱硫、除尘等一系列净化处理工序之后方能进入输气干线， 常规工业脱水方法有低温冷凝脱水法、固体干燥剂吸附法、溶剂吸收法、膜分离法等，超音速分离、离心分离则是两种相对新颖的方法。本题目将在查阅调研大 量文献的基础上，借鉴荷兰Eindhoven 大学的相关研究基础，细致深入地分析研究紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计细节和关键技术要点，综合应用工程热物理、机械设计等方面的知识进行详的细结构设计，绘制整套二维设计图纸，并对整套设备进行三维实体模拟。 (2) 原始数据 处理量： sm /65.03； 分离直径%100pd ： m2 ； 净化后天然气中的含水量： 0.1%1%。 (3) 应该提交的成果 中文文献不少于 10 篇，英文文献不少于 3 篇；开题报告或文献综述；不少于 2 万字符的英文文献原件及其翻译后的 A4 打印件；有关紧凑型天然气离心脱水装置的设计图纸：手绘 1 张 A0 装配图，机绘 1 张 A0 装配图及全套零件图；有关紧凑型天然气离心脱水装置的三维实体模拟；按照校方规定格式的毕业设计论文装订本。 4.主要参考文献 1 王淑娟， 汪忖理 . 天然气处理工艺技术 M. 北京： 石油工业出版社， 2008：96128. 紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟 2 何策，张晓东 . 国内外天然气脱水设备技术现状及发展趋势 J. 石油机械， 2008， 36(1)： 6973. 3 王遇冬 . 天然气处理原理与工艺 M. 北京：中国石化出版社， 2007. 4 刘丽 . 天然气膜法脱水净化技术及应用 J. 当代化工， 2001， 30（ 4）：214218. 5 Ralph van Wissen， J.J.H.Brouwers， Michael Golombok. In-line centrifugal separation of dispersed phases. Published online January 4,2007 in Wiley InterScience. 6 Eva Mondt. Compact centrifugal separator of dispersed phases D. The Netherlands： Eindhoven Technical University， 2005. 7 王大康，卢颂峰 . 机械设计课程设计 M. 北京：北京工业大学出版社，2000. 8 黄镇昌 . 互换性与测量技术 M. 广州：华南理工大学出版社， 2005. 9 蒲良贵，纪名刚 . 机械设计 M. 第七版 . 北京：高等教育出版社， 2001. 10 顾永泉 . 机械密封实用技术 M. 北京：机械工业出版社， 2004. 5.进度计划及指导安排 第 01 周 接受题目，校内文献及相关书籍的查阅； 第 02 周 校外及专利文献查阅，翻译与本题目有关的英文资料，撰写文献综述； 第 03 周 撰写修改文献综述，按照规定格式上交 Word 打印版，准备开题报告； 第 04 周 学习离心装置的工作机理，体会利用离心力分离出天然气中混有的水蒸气的过程，研究紧凑型离心分离装置的结构； 第 05 周 初步设计离心分离装置的外形结构； 第 06 周 初步设计离心分离装置的内部结构； 第 07 周 对整个离心装置结构进行设计、计算； 第 08 周 讨论修改总体结构设计，手工绘制装配图； 第 09 周 检查修改手工装配图； 第 10 周 计算机绘制装配图和主要零件图； 第 11 周 利用 Pro/E 进行三维实体模拟； 第 12 周 检查全部图纸； 第 13 周 撰写毕业论文，并输入计算机； 第 14 周 整理资料，修改图纸与论文，准备按照规定时间上交毕业论文； 第 15 周 根据评阅教师及指导教师的意见，进一步修改图纸与论文，准备答辩； 第 16 周 整理资料，进行毕业答辩。 任务书审定日期 2009 年 2 月 10 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 2009 年 2 月 13 日 教学院（部、系）院长（签字） 任务书下达日期 2009 年 2 月 16 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 2009 年 5 月 31 日 学生（签字） 紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟 I摘 要 与西方发达国家相比，天然气在我国能源消费结构中所占的比例相对较低，随着国内大型天然气气田的不断开发， 天然气在工业领域和城市生活中将会扮演越来越重要的角色。刚从气井中开采出来的天然气必须经过脱水、脱硫、除尘等一系列净化处理工序之后方能进入输气干线， 常规工业脱水方法有低温冷凝脱水法、固体干燥剂吸附法、溶剂吸收法、膜分离法等，超音速分离、离心分离则是两种相对新颖的方法。高温、高压的两相流中蕴藏着巨大的、可利用的能量，而在目前的脱水设备中， 混流通过节流阀降温降压后所释放出的能量在节流阀处全部被释放，造成了能量的浪费。紧凑型天然气离心脱水设备克服了常规分离方法中存在的种种不足，是一种高效的天然气脱水设备，它主要是利用离心的原理来实现气液分离， 并且在工作过程中很好的利用了混流降温降压时所释放出来的能量，既节能又环保，具有 广阔的发展前景。 本题目将在查阅调研大量文献的基础上，借鉴荷兰 Eindhoven 大学的相关研究基础， 细致深入地分析研究紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计细节和关键技术要点，借助旋转式两相离心分离机的设计方法，提出了天然气离心脱水设备的两种可行方案，并对其进行深入分析，提出了一种紧凑的高效的设计方案。在具体工作过程中着重于转子和过滤单元的设计以及整个天然气离心脱水设备理论体系的建立，并对轴承、轴承端盖等重要零部件进行了设计分析，最后对整体结构进行了三维实体模拟。 关键词 ： 天然气脱水，离心分离，结构设计，强度校核，三维实体模拟 紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟 IIAbstract Compared with the Western developed countries， the proportion of natural gas in our countrys energy consumption structure is relatively low. With the continuous development of the large-scale gas field， gas will play an increasingly important role in the industrial areas and urban life. After a series of purification processes in order to enter the gas line， and the conventional methods of industrial dehydration condensation are at low temperature dehydration， solid desiccant adsorption， solvent absorption and Membrane separation and so on. Supersonic separation and Centrifugal separation are two relatively new methods. The energy available in high-pressure and high-temperature， two-phase production streams can be very large. In current gas and liquid separation systems， this energy is dissipated as the pressure and temperature are let down across the throttle， and cause the waste of energy. Compact centrifugal separator of dispersed phases from natural gas overcomes all the shortages of the conventional methods of separation， and it is a high-efficient separator of dispersed phase from natural gas. It mainly used the principle of centrifugal to achieve the separation of gas-liquid. In the work process， it has a very good use of the energy which reliefed from the cooling and bucking of the mixed-flow ， so it has the advantages of both energy-saving and environmentally-friendly and has broad prospects for development. Based on the large number of available research literature and the Eindhoven University of the structural desigh details and the key technical points， with two-phase rotary machine centrifuge design method， it carries out two available design projects of centrifugal separation of gas-liquid. After making an in-depth analysis， it gets a compact and efficient design. It focuses on the design of rotor and the filter element of the completely theories method of the centrifugal separator of gas-liquid during the whole design process. It also analyses the important parts of the separator， such as bearing， bearing cover and sealing structure and so on. And finally， it process the simulation of three-dimensional entities. Key words： Natural gas dehydration， centrifugal separation， structural design，strength check， simulation of three-dimensional entities 紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟 III目 录 第一章 绪 论 .1 1.1 工程背景 .1 1.2 常规的天然气脱水方法 .2 1.3 本文的工作内容 .11 第二章 紧凑型天然气离心脱水设备的结构方案探讨 .12 2.1 移动液膜概述 .12 2.2 两种可行的安装方案 .16 2.3 结构方案的确定 .31 第三章 紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计 .33 3.1 设计参数 .33 3.2 主体结构设计 .33 3.3 辅助元件设计 .46 第四章 技术经济分析及计算辅助设计三维实体模拟 .58 4.1 技术经济成本核算 .58 4.2 计算机辅助设计 .60 4.3 安装过程说明 .63 第五章 结论与建议 .69 5.1 结论 .69 5.2 建议 .69 设计小结 .71 参考文献 .72 致 谢 .75 声 明 .76紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟 1第一章 绪 论 1.1 工程背景 中国沉积岩分布面积广，陆相盆地多 ，形成了优越的多种天然气储藏地质条件。根据 1993 年全国天然气远景资源量的预测，天然气总资源量达38 万亿3m ，陆上天然气主要分布在中部和西部地区 ，分别占陆上资源量的43.2%和 39.0%。中国天然气探明储量集中在 10 个大型盆地，依次为：渤海湾、四川、松辽、准噶尔、莺歌海 -琼东南、柴达木、吐 -哈、塔里木、渤海、鄂尔多斯。中国气田以中小型为主， 大多数气田的地质构造比较复杂，勘探开发难度大。 1991-1995 年间，中国天然气产量从 160.73 亿3m 增加到179.47 亿3m ，平均年增长速度为 2.33%。经过十几年的艰苦勘探，成果已清晰地展现在世人面前。随 着科技的发展，在未来的世界里人类也许会找到比天然气更为理想的能源。但不管将来谁取代天然气，天然气都将起到向新能源迈进所不可替代的重要桥梁作用。 天然气是一种多组分的混合气体，主要 成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷， 此外还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和 氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。 由于天然气属埋藏于地下的烃类资源， 新开采出的天然气，经脱水、脱砂与分离凝析油后，再根据气体组成情况进行进 一步的净化、分离、加工。天然气从地层采出至消费的各个处理 环节，水是最常见的杂质组分，通常处于饱和状态。处于液相状态的水， 在天然气的集输过程中，通过分离器就可以从天然气中分离出来。但天然 气中含有的饱和水气，不能通过分离器分离。水在天然气中的溶解度随压 力升高或温度降低而减少，因而对天然气进行压缩或冷却处理时，要特别 注意估计其中的水含量，因为液相水的存在对处理装置及输气管线十分有害 ，主要表现在以下几个方面： 紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟 2（ 1）冷凝水的局部积累将限制管线中 天然气的流动，降低输气量，而且水的存在（不论气相或液相）使输 气增加了不必要的动力消耗，也给有关处理装置（如轻烃回收装置）上的 机泵和换热设备带来了一系列棘手的问题。 （ 2）天然气中的二氧化碳或硫化氢与 液相水混合会引起常见的电化学腐蚀，硫化氢溶于水后生成的HS 既能促使阴极放氢加快，又能阻止原子氢结合为分子氢，这样既造成大量氢原 子聚集在钢材表面，又导致钢材氢鼓泡、氢脆及硫化物应力腐蚀破裂。此 时，管道必须采用价格昂贵的特殊合金钢，如果天然气中不含游离水则可 采用普通碳钢，这样就大大节约了成本。 （ 3）处理含水天然气经常遇到的另一 个棘手问题是，其中所含水和小分子气体及其混合物可能在较高压力 和较低温度的条件下，生成一种外观类似冰的固体水合物，可能导致输气 管线或其他处理设备堵塞，给天然气的净化、储运造成很大困难。 因此