HCFC-141b水合物浆流动特性实验

王武昌 李玉星 樊栓狮 梁德青

(1中国石油大学(华东)储建学院储运工程系 青岛 266555)

(2华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室 广州 510640)

(3中国科学院广州能源研究所 广州 510640)

HCFC-141b水合物浆流动特性实验

王武昌1李玉星1樊栓狮2梁德青3

(1中国石油大学(华东)储建学院储运工程系 青岛 266555)

(2华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室 广州 510640)

(3中国科学院广州能源研究所 广州 510640)

利用实验环道进行了水合物颗粒体积分数为0到70%的HCFC-141b水合物浆的流动实验，实验结果表明:在固相体积分数小于28.5%时，管道中水合物呈稀浆状，浆体为牛顿流体;当固相体积分数大于37.5%时，管道中水合物呈泥状，浆体为Bingham流体。回归了泥状水合物的屈服应力及表观粘度，并根据水合物浆的流动特性分段回归了水合物浆在管道中流动的压降计算公式，实验验证表明回归的计算公式可以比较准确的计算管道中水合物浆流动的压降，可以为制冷系统HCFC-141b水合物的流动及其它水合物浆的流动提供指导。

HCFC-141b 水合物浆 流动特性 流变性 压降

1 引言

一氟二氯乙烷(CH3CCl2F，HCFC-141b)作为一种制冷剂，与水不互溶，密度比水大，可以与水形成II型水合物，是理想的油替代物，因此常被用来作为实验介质研究管道中水合物浆的流动特性［1-3］。另一方面利用HCFC-141b水合物浆作为相变材料的制冷系统目前也越来越得到重视［4］，对于两种应用领域，目前都缺乏针对这种系统的水合物浆流动特性的研究［5-8］。因此本文选择HCFC-141b作为介质来研究水合物浆的流动特性及流变性，为采用水合物浆的制冷系统的安全运行以及进一步研究天然气水合物浆在管道中的流动特性研究提供一些参考。

2 实验研究

2.1 实验装置和材料

实验装置主要包括一套低压环道系统，如图1所示。环道系统主要由磁力泵、原料罐、缓冲罐、螺旋流量计、管道、温度传感器、压力传感器、差压传感器及数据采集系统组成。其中管道包括水平部分、局部低凹段(C)以及立管(E)3种管道形态，而且包含一段透明管(D)，用于观察。管道为不锈钢管，内径42 mm、长30 m。系统可以模拟水平管道、地形低凹管段以及立管内的正常流动、停输以及停输后再启动等不同工况下的水合物流动情况。

图1 环道系统流程示意图1.原料储罐;2.磁力泵;3.流量计;4.缓冲罐;5.差压传感器;6.排水阀;7.压力传感器;8.温度传感器;A.支路;B.流量计支路;C.局部低凹段;D.透明段;E.垂直段。Fig.1 Schematic diagram of flow loop

整个环道系统放置于低温室中，低温室可以维持在设定的低温条件，模拟室外的低温环境。低温室降温范围-40℃—(40±0.5)℃。实验中选用的试剂为工业级的HCFC-141b，质量分数为99.5%，实验用水为自来水。

2.2 实验过程

实验开始时根据设定的比例在原料罐中加入自来水和HCFC-141b，然后启动低温室开始对系统进行降温。待低温室温度降到设定的温度时，启动泵，以较小的流量运行，对介质进行降温。

在通过取样判断出水合物浆达到配制的体积分数时，进行水合物浆的不同流速下的流动实验，得到相应体积分数下水合物浆的流动特性;之后增加HCFC-141b量，完全生成水合物后进行下一体积分数实验，此次实验体积分数从5%开始，逐渐增大管道中水合物体积分数，直至管道堵塞，各体积分数下流速从0.5 m/s逐渐增大到3.6 m/s。在整个实验过程中维持环境温度不变，管道内水合物浆体在实验过程中基本稳定，始终低于HCFC-141b水合物的平衡温度。

3 实验结果与分析

水合物固体含量(φh)对水合物浆的流动特性有着决定性的作用，因此水合物浆中固相含量的确定非常重要。本文采用一种传统的取样分析方法来测量水合物固相含量。首先从管道中取样，然后将样品分解，并采用蒸馏的方法分离水和HCFC-141b。根据两者的质量mw和mx，采用式(1)计算固相含量［8］:

式中:mh为样品中水合物的质量，mwh为生成水合物消耗的水的质量，两者都可以根据两种水合物的水合物数由mx计算得到。有一点必须指出，在采用式(1)计算水合物浆的固相含量时，是假设管道中全部的HCFC-141b都转化成水合物，这一点可以通过延长实验时间来实现，当管道中的温度，压力等参数以及取样观察等多种手段都判断水合物转化完全时才进行取样分析。

3.1 管道中水合物浆的流动压降

水合物浆在管道中流动，流动的压降主要取决于浆体的流速、介质特性、管道的特性等因素，由于管道的特性，包括管道内壁的粗糙度、管径、地形起伏等，相对来说比较固定，此次研究针对建设的环道，没有作详细的分析，主要分析了流速和水合物浆中固相体积分数对压降的影响。实验中进行了不同水合物体积含量下浆体的流动特性研究。

对于水合物体积含量固定的浆来说，压降的最大影响因素就是浆的流速。管道中压降梯度与流速的关系如图2所示。图2中给出了各个水合物体积含量的流速对压降的影响曲线。其中0%对应的是没有水合物生成时，HCFC-141b和水组成的液液两相流动的压降与流速的关系。而68%对应的是此次实验能够进行的最大的水合物体积含量的浆的流动。实验中发现在管道中水合物体积含量接近70%时，浆体的流动不再连续，会失去流动，堵塞管道。

图2 不同流速下HCFC-141b水合物浆流动压降与固相体积分数的关系Fig.2 Pressure drops as a function of volume concentration of HCFC-141b hydrate slurry in pipeline at different mean velocity

与其它流体类似，HCFC-141b水合物浆流动的压降梯度随着流速的增大而增大，然而压降梯度与水合物体积分数的关系则呈现分段的性质:对于每一个固定的平均流速，水合物体积分数对压降梯度的影响可以分为3段:当体积分数小于28.5%时，水合物浆的压降梯度随着体积分数的增加而增大;而在28.5%—37.5%之间，是一个转折区，水合物浆的压降随着体积分数的增加而减小;当浆体积分数大于37.5%后，水合物浆的压降随着体积分数的增加再次增加，而且增加的速度加快。转折区受浆体的流速影响，流速越大，转折区轻微右移。根据实验过程中的观察以及数据分析，各个流速下管道中浆体体积分数介于对应的转折区间时，管道中水合物的形态正从浆状水合物向泥状水合物转变［7］，在形成泥状水合物之前，由于颗粒在管道中聚集成比较大的颗粒，造成压降相对于没有水合物生成时有明显的增加，随着水合物颗粒的增多，管道中形成泥状水合物，在这一过程中，颗粒紊乱程度减小，造成管道中的压降减小，从而造成转折区的出现，而随着水合物含量进一步增大，浆体的粘度急剧增加，流动性能变差，压降随着水合物量的增加急剧增大，管道很快被堵塞。

3.2 HCFC-141b水合物浆的流变性分析

随着管道中水合物含量的增加，水合物浆体的形态和性质在发生变化，其流变性也随之变化。根据实验分析，在水合物体积分数大于37.5%后，管道中出现泥状水合物，泥状水合物在管道中流动，在小流速下处于层流状态，因此可以根据层流状态的流动压降与流速的数据来分析泥状水合物的流变性。水合物的剪切力与剪切速率分别由式(2)和式(3)计算得到，通过实验数据回归得到各种体积分数下水合物浆体的表观粘度和屈服应力的值如表1所示。

表1 HCFC-141b水合物浆体的表观粘度和屈服应力Table 1 Relative viscosity and yield stress of HCFC-141b hydrate slurry

从表1中可以看出，随着水合物体积分数增大，水合物变稠，流变性变差，表观粘度和屈服应力都增大。在实际运行过程中，水合物浆的表观粘度是一个非常重要的参数，可以用来分析流动特性和压降的估算，因此本文借鉴Bingham流体的一个著名的表观粘度计算模型，Thomas 模型［2，5］，回归出 HCFC-141b 水合物浆的表观粘度计算公式:

式(4)使用范围:37.5% ＜φh＜68%。式中:ηB为HCFC-141b泥状水合物的表观粘度，×10-3Pa·s，ηL是载体介质的表观粘度，即水的粘度，在2℃—4℃，取1.60×10-3Pa·s。回归的曲线与实验点的比较如图3所示，回归的方差为R2=0.989，可以用于估算不同体积分数HCFC-141b水合物浆的表观粘度。

然而对于Bingham流体的屈服应力，目前还没有比较好的模型可以借鉴，与其它研究人员类似［2］，采用简单的多项式对屈服应力进行回归如式(5)所示:

式(5)的使用范围:37.5＜φh＜68%，式中 τB表示HCFC-141b泥状水合物的屈服应力，Pa。

图3 HCFC-141b水合物浆的表观粘度与体积分数的关系Fig.3 Relative viscosity as a function of volume concentration of HCFC-141b hydrate slurry

3.3 水合物浆流动压降的计算

如前文所述，HCFC-141b水合物浆在管道中流动时，压降主要受到管道内平均流速和水合物体积分数的影响，在管道水合物形态为浆状水合物时，水合物体积含量小于37.5%，浆体为牛顿流体;而当管道中水合物形态为泥状水合物时，水合物体积含量大于37.5%，则为Bingham流体。下面根据两种流体的特性对水合物浆在管道中流动压降进行分析。

3.3.1 浆状水合物

由于此次实验中管径较大，管道中水合物流动都处于紊流状态，通过分析压降与流速的关系，发现浆体水合物流动时，各个体积分数下水合物浆流动的压降梯度的对数与流速的对数呈线性关系，即:ΔP=Kwn，因此为了便于计算管道中水合物浆体流动时的压降，根据上述分析，提出一个计算HCFC-141b水合物浆(φh＜37.5%)流动压降ΔP(Pa/m)的计算关系式如式(6)所示:

式(6)使用范围:0.5 m/s＜w＜3.5 m/s;0＜φh＜37.5%，该式主要表达了两个重要参数即平均流速和水合物体积分数对管道中压降梯度的影响，其它参数的影响，比如管道的特性等，都包含4个系数里面。3.3.2 泥状水合物

对于泥状水合物(φh＞37.5%)，根据上文进行的流变性分析和Bingham流体压降计算的公式计算如下［5］:

根据达西公式:

其中f的计算与管道中介质的流态有关，分层流和紊流两种，水合物浆由层流向紊流转变的临界雷诺数根据Hanks提出的式(8)计算。

其中:参数a由式(9)计算:

综上分析:对于水合物体积分数小于37.5%时，采用式(6)计算水合物流动压降;而对于水合物体积分数大于37.5%的情况，采用式(7)—式(11)计算水合物流动的压降。为了验证上述提出的计算模型的准确性，采用实验数据进行验证，计算结果与实验结果比较如图4所示。从图中可以看出，除了体积分数为68%的水合物浆在大流速下的压降估算偏大外，其它体积分数的水合物浆的压降估算值与实验值基本吻合，说明提出的计算方法可以用于实际工程中HCFC-141b水合物浆流动压降的估算。

图4 水合物浆压降回归关系式的计算结果与实验结果的比较Fig.4 Comparison of experimental and calculated pressure drops of hydrate slurry

4 结论

在实验环道中进行了HCFC-141b水合物浆在管道中流动试验，得到了以下结论:

(1)管道生成水合物后，水合物浆的压降梯度随着流速的增加而增加;随水合物体积分数的变化存在一个临界体积分数37.5%，当管道中的水合物体积分数小于临界值时，压降随体积分数的增加而出现很小的增加;当管道中体积分数大于临界值时，压降梯度随体积分数的增加急剧增加。

(2)管道中水合物浆体积分数低于临界体积分数37.5%时，管道中水合物浆为牛顿流体，而当体积分数大于临界体积分数时，管道中水合物浆成Bingham流体。

(3)借助试验数据和Bingham流体特性理论回归了水合物浆的表观粘度和屈服应力，并藉此提出了HCFC-141b浆在管道中流动的压降计算模型，实验数据验证结果表明计算模型可以比较准确的计算水合物浆流动的压降变化。

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Study on flow behaviors of HCFC-141b hydrate slurry

Wang Wuchang1Li Yuxing1Fan Shuanshi2Liang Deqing3

(1College of Storage＆Transportation and Architectural Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)
(2Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation，Ministry of Education，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)
(3Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China)

The flow behaviors of HCFC-141b hydrate slurry with volume concentration of 0%-70%were studied on the flow loop with a diameter of 42.0 mm and length of 30.0 m.Pressure drops in pipeline were also studied and an exceptional pressure transition zone with hydrate volume concentration between 28.5%and 37.5%was found for the first time.According to experiments，the hydrate slurry with a volume concentration less than 28.5%shows Newton behaviors while the hydrate slurry with a volume concentration larger than 37.5%shows Bingham behaviors.Moreover the yield stress as well as the relative viscosity of the hydrate slurry show Bingham behaviors.At last，relations to estimate the pressure drop of hydrate slurry in pipeline with a volume concentration 0%-68%was presented and verified，which showed a good agreement.

HCFC-141b;hydrate slurry;flow behavior;rheological character;pressure drop

TQ022.4

A

1000-6516(2010)04-0013-05

2010-05-18;

2010-07-29

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”项目(2008ZX05017-004)、山东省自然科学基金项目(ZR2009FM036)。

王武昌，男，31岁，博士、讲师。