深入探析分层与涡旋的机理

1.自然对流与分层

由于分层是导致涡旋的直接原因,首先应该了解分层形成的条件。研究表明:如果液体储罐内的瑞利数Ra大于2000,则罐内液体的自然对流会使分层现象不可能发生。瑞利数的定义为

式中,ρ为密度;c_p为比定压热容;β为体积热膨胀系数;ν为运动黏度;λ为热导率;a为热扩散率;g为重力加速度;T为温度;h为液体深度。

通常,一个装满LNG的储槽内的Ra的数量级在10¹⁵,远远大于可能导致分层的Ra数。这样,LNG中较强的自然循环很容易发生,这种循环使液体的温度保持均匀。

从侧壁进入储槽的热量,导致壁面附近的边界层被加热。边界层沿壁面上行时,其速度和厚度都增大。在接近壁面上端时,边界层厚度有几厘米,速度在0.6～1.2m/s,正好处于紊流区域。

由于从壁面吸收了热量,运动边界层内的液体在达到顶部时,其温度略高于主流液体,平均高出的温度约0.6K。流体在到达表面前没有出现蒸气,即使到达表面也没有明显的沸腾,因为温度驱动力太小,不足以形成气泡。一部分热流体到达表面时发生蒸发,罐内温度继续与设定的压力保持平衡。

自然对流循环相当强烈,导致储槽内液体置换一次只需10～20h。这与液体的老化过程的时间相比是非常短暂的。一旦储槽内LNG混合均匀,它就不会自然发生分层。然而,如果由于充注而人为形成了分层的话,全面混合就被抑制了。

2.老化

由于LNG是一种多组分混合物,在存储过程中,各组分的蒸发量比例会与初始时LNG中的组分比例不相同,导致LNG的组分和密度发生变化,这一过程称为老化(weathering)。老化过程导致LNG成分和密度改变的过程,受液体中初始氮含量的影响很大。由于氮是LNG中挥发性最强的组分,它将比甲烷和其他重碳氢化合物更先蒸发。如果初始氮含量较大,老化LNG的密度将随时间减小。在大多数情况下,氮含量较小,老化LNG的密度会因甲烷的蒸发而增大。因此,在储槽充注前,了解储槽内和将要充注的两种LNG的组成是非常重要的。

因为层间液体密度差是分层和后继涡旋现象的关键,所以应该清楚地了解液体成分和温度对LNG密度的影响。与大气压力平衡的LNG混合物的液体温度是组分的函数。如果LNG混合物包含重碳氢化合物(乙烷、丙烷等),随着重组分的增加,LNG的高发热值、密度、饱和温度等都将增大。如果液体在高于大气压力下存储,则其温度随压力的变化,大约是压力每增加6.895kPa,温度上升1K。温度每升高1K对应液体体积膨胀0.36%。(https://www.xing528.com)

3.涡旋

涡旋这一术语用于描述这样一种现象,即在出现液体温度或密度分层的低温容器中,底部液体由于漏热而形成过热,在一定条件下迅速到达表面并产生大量蒸气的过程。涡旋现象通常出现在多组分液化气体中,似乎没有迹象表明在近乎纯净的液体中会发生密度分层现象。

在半充满的LNG储槽内,充入密度不同的LNG时会形成分层。造成原有LNG与新充入LNG密度不同的原因有:LNG产地不同使其组分不同;原有LNG与新充入LNG的温度不同;原有LNG由于老化使其组分发生变化。虽然老化过程本身导致分层的可能性不大(只有在氮的体积分数大于1%时才有必要考虑这种可能),但原有LNG发生的变化,使得储槽内液体在新充入LNG时形成了分层。

当不同密度的分层存在时,上部较轻的层可正常对流,并通过向气相空间的蒸发释放热量。但是,如果在下层由浮升力驱动的对流太弱,不能使较重的下层液体穿透分界面达到上层的话,下层就只能处于一种内部对流模式。上下两层对流独立进行,直到两层间密度足够接近时发生快速混合,下层被抑制的蒸发量释放出来。往往同时伴随有表面蒸发率的骤增,大约可达正常情况下蒸发率的250倍。蒸发率的突然上升,会引起储槽内压力超过其安全设计压力,给储槽的安全运行带来严重威胁,即使不引发严重事故,至少也会导致大量天然气排空,形成严重浪费。

分析表明:很小的密度差就可导致涡旋的发生。LNG成分改变对其密度的影响比液体温度改变的影响大。一般来说,储槽底部较薄的一层重液体不会导致严重问题,即储槽压力不会因涡旋而有大的变化。反之,储槽上部较薄的一层轻液体会导致涡旋的后果非常严重。

影响两层液体密度达到相等的时间的因素有:上层液体因蒸发发生的成分变化;层间热质传递;底层的漏热。蒸发气体的组成与上层LNG不一样,除非液体是纯甲烷。如果LNG由饱和甲烷和某些重碳氢化合物组成,蒸发气体基本上是纯甲烷。这样,上层液体的密度会随时间增大,导致两层液体密度相等。如果LNG中有较多的氮,则这一过程会被延迟,因氮将先于甲烷蒸发,而氮的蒸发导致液体密度减小。在计算时如忽略氮的影响,会使计算出的涡旋发生时间提前。

下部更重的层比上层更热且富含重烃。从这层向上层的传热,加快上层的蒸发并使其密度增大。层间的质量传递较热量传递更为缓慢,但由于甲烷向上层及重烃向下层的扩散,这一过程也有助于两层的密度均等。

最后,从与下层液体接触的罐壁传入的热量在该层聚集。如果这一热量大于其向上层的传热量,则该层的温度会逐渐升高,密度也因热膨胀而减小;如果这一热量小于其向上层的传热量,则该层将趋于变冷,这将使分层更为稳定,并推迟涡旋的发生。