氣力揚昇幫浦應用於海域甲烷水合物輸送之初步研究

• Main Authors: 朱弘傑, Chu, Hung-Chieh
• Other Authors: 梁乃匡, 臺灣大學：海洋研究所
• Format: Thesis
• Language: Chinese; English
• Published: 2007
• Subjects: 甲烷水合物; 氣力揚昇幫浦; 多流體模式; 自行氣力揚昇; methane hydrates; airlift pump; multi-fluid model; self-air-lift; Methane hydrate
• Online Access: http://ntur.lib.ntu.edu.tw/handle/246246/56479; http://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/56479/1/ntu-96-R93241103-1.pdf

甲烷水合物具備了多項的能源特性，是最近相當受到注目的一項替代能源，而在台灣西南外海就有發現大量甲烷水合物，若能對此處的甲烷水合物進行開採，對於台灣將有很大的幫助。 本研究將以氣力揚昇幫浦(airlift pump)作為輸送機制，多流體模式(multi-fluid model)作為理論基礎，來對海域甲烷水合物顆粒之輸送做研究。由於甲烷水合物會因輸送過程中壓力降低而分解出甲烷氣，此情形將會對整個輸送行為造成影響，因此本研究中將把此現象納入考慮，並以數值計算的方式來對流態為穩態時之海域甲烷水合物輸送做計算，並對其數值結果做討論。 由計算結果得知管中的混合流體之流體性質(包括相佔有率、相速度…等)會隨著流體之輸送而產生變化，越靠近管出口時，變化越劇烈。而在水合物顆粒的分解上，由於其分解速率極慢，因此對於整個系統而言影響極小，若想達到Hamaguchi, et al.(2003)所提的自行氣力揚升(self-air-lift)之程度，恐怕需要對整個輸送系統做一些改變。然而未分解的甲烷水合物反而適合其輸送。 The methane hydrate is a chemical substance of multiple energy characteristics, which has been regarded as a future energy resource. It is found that there are a lot of methane hydrate reserve in the South –Western sea area of Taiwan. It is beneficial for us, if we can exploit the methane hydrate commercially. The concept of this study is to use the airlift pump to transport marine methane hydrates from the sea bed up to a plant ship, in which a multi-fluid model is employed. In the transport process, the methane hydrate will decompose into methane gas and water as the pipe pressure decreasing. In this study a three phase flow behavior will be analyzed numerically in order to develop a commercialized methane hydrate recovery system. According to the analysis of the transport process, the fluid characteristics in the pipe are always changing, especially when the fluid is close to the upper pipe outlet. Because the decomposition time rate is too small, its influence is quiet limited. It is necessary to have some changes, if the “self-air-lift” concept proposed by Hamaguchi et al. (2003) can is to realized. However, the methane hydrate itself is easier for transportation. 誌謝 i 中文摘要 ii Abstract iii 本文目錄 iv 圖目錄 vi 表目錄 viii 符號說明 ix 第一章 序論 1-1 研究背景 1 1-2 甲烷水合物的簡介 2 1-3 氣力揚升幫浦(airlift pump)的簡介 3 1-4 文獻回顧 4 1-5 研究方法及目的 6 第二章 理論基礎 2-1 基本假設 8 2-2 各相佔有率(void fraction) 9 2-3 流動型態(flow patterns) 10 2-4 控制方程式 10 2-4.1 質量守恆方程式 11 2-4.2 動量守恆方程式 11 2-4.3 狀態方程式 15 2-4.4 佔有率關係式 16 2-5 質量變化 16 2-5.1 甲烷水合物化學分解式 16 2-5.2 逸壓(fugacity) 17 2-5.3 水合物顆粒之直徑變化 18 2-5.4 因水合物分解所造成之質量變化 19 第三章 數值計算方法 3-1 座標及數值格點之設定 22 3-2 控制方程式之離散 22 3-3 初始條件的計算 24 3-3.1 二相部分(下段管) 25 3-3.2 入口壓力之計算 25 3-3.3 三相部分(上段管) 26 3-4 數值計算結果之合理條件 26 3-5 數值計算程序 27 第四章 數值計算結果與討論 4-1 純三相輸送(不含分解現象) 28 4-2 含分解現象之輸送 34 4-2.1 包含分解現象之數值計算結果 34 4-2.2 水合物分解現象的探討 35 第五章 結論與建議.- 36 - 參考文獻 38 附錄一.66 附錄二 67