超音速脱水资料

一种新型超音速分离装置

壳牌公司(Shell)最新研制出一种名为Twister的新型超音速分离装置(见图1)。它是一根结构紧凑,无活动部件,全密闭和具有加工精密的收敛—扩张形喉道的管子,第一级装有名叫Laval管嘴,能够将气体流速提高到超高音速,并且使温度急剧下降,气体进行几乎是绝热的等熵膨胀,效率达到90%。从热力学的观点看,整个效果是属一个可逆过程,气体的压力、流速和温度可以恢复到正常水平。

图1 Twister的新型超音速分离装置

在Laval管嘴的入口处,气体上升到1马赫以上,大约是350~400 m/s,也可能上升到3马赫。同时气体的温度直线下降。气体到达下一级时的温度,与入口处的温度相比,下降了50~80℃。水和重烃便凝析出来形成微米级的细雾状液滴,但不会生成水化物。可能因为气体停留的时间太短了,只有百分之一秒,水化物晶体来不及产生,另一种可能是它们在高速时被分解了。带有凝析液的气体进入管子的翼部,它可以产生上升力,形成一旋涡运动,使液滴被抛至管子的内壁,形成大约几毫米厚的一层薄膜,被管壁中的环行槽清除出来流入一液/液分离装置中。干气则继续通过管子进入扩散器,流速便恢复到亚音速,压力也恢复到原始压力的70%~80%。

Twister装置安装在一直径为304.8 mm的输送管内,总长度为3.75 m。通常单个Twister装置可处理1×106~5×106m3/d气体。几个装置并列,使系统变得更灵活。装置主要用于高压气体的脱水,特别是在脱水压力约为7 000~15 000 kPa和烃露点压力超过5 000 kPa的条件。

在目前的开发阶段,Twister装置能够达到适合热带环境的露点降,特别适合露点为10~15℃的输气管线。现在公司正在作进一步的研究,使Twister能够达到0℃或0℃以下的露点降,以便在象北海或更深海域的环境中应用。图2为一典型陆上应用于露点降的流程图。为了进一步实施陆上试验,该装置又转移到了尼日利亚,这个试验装置包括一个位于Twister分离装置上游的天然气进口分离器,装置下游还配备了一个消音器和隔音的管道系统。

图2 典型陆上露点降流程图

Twister装置在海上应用方面有较大的优点,可以代替撬装式甘醇脱水装置,在重量、空间和成本上都有较大的节省。由于这项技术比较简单,无人操作,无活动部件,不需要添加化学药剂,有可能扩大它在无人操作的设施中的应用范围如水下、井下等领域,它也可能从天然气液态产物中如乙烷、液化气和凝析油中抽提硫化氢和二氧化碳。

博士论文：（刘恒伟）

超音速分离管的研发及其流动与传热传质特性的研究

天然气脱水是天然气进入输送管路前进行集中处理的一个非常重要的环节。通过脱除天然气中的水分，可以有效防止生成气体水合物，避免堵塞管道阀门，减小管路压降，从而保证安全生产。常规的天然气脱水技术有一系列的优点，如分离效果好、除湿深度大、可以达到较低的露点温度等。所以常规方法在一定程度上都得到了广泛的应用。但这些常规方法也存在许多缺点，如设备庞大、投资高、能耗大，还会造成一定的环境污染等。本文介绍了一种全新的天然气脱水技术——超音速分离管技术，并首次对其进行了较为系统深入的理论与实验研究。概括起来，本文主要做了下面几项工作：

对超音速分离管的工作机理及设计进行了系统的理论分析，独立提出了超音速分离管的结构和设计方法。对超音速分离管的设计思路进行了分析，得出了超音速分离管设计的一些基本原则。分别给出了理想气体和实际气体喷管的设计方法。重点介绍了流体为高压、多组分的天然气时，采用BWRS 实际气体状态方程作为计算的基本方程对喷管喉部尺寸设计的详细过程。在此基础上，建立了以 BWRS 状态方程为基础的超音速分离管设计计算方法，申请了国家发明专利、实用新型专利以及国家软件著作权各 1 项并获得授权。在所开发成功的超音速分离管设计软件中，只要输入天然气各组分的摩尔分数、超音速分离管的入口参数，以及天然气的日处理量，就可以计算出超音速分离管所有部件的控制尺寸，完成超音速分离管的结构设计。

设计并加工了一套超音速分离管，并搭建了室内实验台，进行了系统全面的室内实验研究。实验结果表明，独立提出的超音速分离管的结构是成功的，超音速分离管具有良好的气液分离性能，整个气液分离过程不需要消耗任何外部机械功和化学物质；压损比越大，露点降越大。如果要获得较低的干气出口露点或较大的露点降，那么必须以牺牲一部分初始压力作为代价；保持超音速分离管入口流量为临界流量是保证超音速分离管具有良好气液分离性能的必要条件；压损比、激波产生的位置是影响超音速分离管工作性能的关键。改进旋流器的设计，使其摩阻尽量小，从而使激波向远离Laval喷管喉部方向移动，可以有效改善分离管的工作性能。在目前所设计的三个旋流器中，旋流器 A 的分离效果最好。采用旋流器 A 时分离管可达到的最大露点降为 22°C，缺点是其阻力特性较差；旋流器 B、C 的分离效果稍差，采用旋流器 B、C 时分离管可达到的最大露点降仅为 18°C 和 16°C，但它们的阻力特性较好。此外，对超音速分离管内部流动过程进行了气体动力学分析，理论分析结果与实验结果在定性上是吻合的，说明理论模型是可行的，可以用来推断实际超音速分离管的工作性能，这为进一步改善超音速分离管的设计提供了理论基础。同时，理论分析认为，尚需要通过进一步的研究来改善超音速分离管的结构设计，从而改善超音速分离管的工作性能。

建立了超音速分离管内二维稳态绝热流动的数学模型，对不同几何尺寸的超音速分离管进行了分析计算。对现有湍流模型进行了较为系统地分析，在此基础上，忽略超音速分离管内部的相变过程，并选用雷诺应力输运方程（RSM模型）对超音速分离管内部流动进行了数值计算，计算结果与实验结果基本吻合，计算所得到的超音速分离管内部流动参数的变化规律与气体动力学分析的结论一致。并且，对不同几何尺寸的超音速分离管进行了分析计算，结果表明，Laval 喷管渐缩段长度、渐扩段长度、扩压段长度，以及扩压段出口直径对超音速分离管内部流动特性影响不大；Laval 喷管渐扩段出口直径以及分离段的长度对超音速分离管内部流动特性有重要影响，这为进行超音速分离管的几何结构优化提供了理论依据。

对超音速两相凝结流动的特点及水蒸汽状态方程、液滴表面张力、液滴密度和汽—液相间的平衡条件等因素进行了深入的分析，推导出了汽相服从维里方程、液滴表面张力是温度和液滴半径函数的经典成核率修正公式。经过修正的成核率公式采用维里方程计算气相的物性、采用 Benson-Shuttleworth模型计算液滴的表面张力、采用与温度相关的液滴密度计算公式计算液滴的密度，从而使得该公式较经典成核率公式更加符合实际条件。对液滴生长的基本概念与数学模型进行了分析，并介绍了Gyarmathy液滴生长模型。

建立了超音速分离管内超音速多组分凝结流的物理数学模型并进行了数值计算，首次比较系统地探讨了超音速分离管内成核之后的多组分凝结气流如何向

湿饱和状态转化、凝结过程中Wilson点之后气流参数的变化规律，以及激波对流动特性的影响，并首次给出了定量计算结果。详细介绍了数值求解多组分超音速两相凝结流动基本方程组的方法、计算程序框架以及计算程序的特点。

将上述模型的计算结果与实验结果进行了对比，结果表明数学模型能够正确反映超音速两相凝结流场中流动参数的分布特征。采用多组分超音速两相凝结流动数值求解程序对实际的超音速分离管进行了计算，并且对计算结果的可靠性进行了分析，认为所采用的数学模型和数值计算方法是可靠的，计算结果正确反映了超音速分离管内部流动参数的变化规律。根据数值分析结论，对超音速分离管的设计提出了一些有用的建议。

第1章绪论 1.1 概述

天然气作为一种商品气，自然有一定的质量指标以满足安全平稳输气和主要用户的要求。天然气一般采用输气管道输送，此外还有液化天然气（LNG）及压缩天然气（CNG）。天然气质量指标通常指的是对管输天然气的要求，至于对 LNG 和 CNG 的要求则另有规定。井口出来的天然气通常均难以达到直接进入管道输送的指标要求，含有 H2S、水、固体颗粒物等杂质，因此需要建设相应的天然气净化处理装置。天然气脱水就是脱除天然气中的水蒸汽，使其露点达到一定的要求。天然气脱水是天然气进入输送管路以前进行集中处理的一个非常重要的环节，天然气中水汽的存在，不仅降低了单位气体体积的热值，还减少了管道的有效流通面积，降低了管线的有效输送能力。天然气中含水量过高，在合适的条件下，有可能引起水汽从天然气气流中析出，形成液态水或固态冰，或与天然气中分子量较小的烃类物质生成水合物，从而降低管线流通面积、堵塞管道阀门，进而增加管路压降。因此，天然气脱水是天然气进入管路输送系统前或进行轻烃回收前不可缺少的环节。只有将天然气中的水汽含量控制在合适的范围内，才能保证气体输送或冷凝分离法轻烃回收工艺的实施[1-4]。

关于天然气的质量指标，国际标准化组织于 1998 年通过了一项导则性标准：ISO 13686—1998《天然气品质指标》。该标准给出了应予以考虑的指标及相应的检测方法，但对各项指标并未作具体的定量规定。各国均从天然气的主导用途出发，兼顾安全卫生、环境保护和经济效益等三方面因素，分别制定出适合本国国情的天然气质量标准或条例。我国曾于 1988 年发布了一项商品天然气质量指标，即石油行业标准 SY7514—88。在该标准中对天然气脱水的要求为“无游离水”。新的天然气国家标准（GB17820—1999）于 1999 年颁布，它对天然气脱水的要求稍有提高，规定为“在天然气交接点的压力和温度条件下，水露点比最低环境温度低 5℃”，并且标明“在此标准实施之前建立的天然气输送管道，在天然气交接点的压力和温度条件下，天然气中应无游离水”[5，6]。

近年来，随着人们环保意识的日益增强，世界各国制订出越来越严厉的环保法规，以进一步控制有害污染物的排放；另外一个方面，天然气作为一种重要资源的地位越来越突出，国内外都十分重视天然气的处理与加工，所有这些都要求天然气脱水技术在减少 BTEX（芳烃）排放、降低烃损失、提高脱水深度等方面有更快的发展。

1.2 常规天然气脱水技术

天然气脱水的方法有冷却法、吸收法和吸附法等。 1.2.1 吸收法

吸收法脱水是采用一种亲水液体与天然气逆流接触，通过液体对水分的吸收作用来脱除天然气中水分的方法。常用的亲水液体（吸收剂）是甘醇类化合物和氯化钙水溶液，目前，国内外广泛采用三甘醇作为吸收剂进行脱水[1，5，6]。

三甘醇（TEG）脱水的原理是根据天然气和水在三甘醇中的溶解度不同，利用三甘醇吸收天然气中的水分，使湿天然气脱出水汽，达到干燥天然气的目的。三甘醇脱水技术作为一种应用广泛的天然气预处理技术，其优点非常明显：

装置处理量灵活，受酸性气体影响小。在正常操作温度下，有少量酸性气体（H2S、CO2）存在时，溶液的性质比较稳定；蒸汽压低，三甘醇的蒸汽压在 27℃时仅为二甘醇的 20%，因此汽相携带损失比乙醇胺—甘醇法和二甘醇法要小，在吸收塔采用捕雾器后，携带损失更小；露点降可达到 55℃，甚至更高；三甘醇溶液可以在较高温度下获得浓度较大的贫液，再生效果好。

但三甘醇脱水系统也具有一些缺点，如对来料气的压力、温度及流量变化比较敏感，三甘醇遇液烃后容易发泡；三甘醇脱水在有些情况下会受到限制，

下列情形不能应用三甘醇脱水技术：

1) 在海面平台上的天然气脱水。由于波浪起伏会影响吸收塔内甘醇溶液的正常流动。

2) 天然气酸性过高。

3) 高压（超临界状态）二氧化碳脱水。高压时二氧化碳在三甘醇溶液中的溶解度很大。

4) 冷冻温度低于-34℃的天然气加工时的脱水。 5) 同时脱水和烃类以符合水露点和烃露点的要求。

6) 从贫气中回收天然气液，此时往往需要采用制冷的方法。

而且，三甘醇受污染或分解后具有腐蚀性。目前国内大多三甘醇脱水装置是从国外进口，费用高，要花费大量时间和费用培训运行管理人员。三甘醇脱水装置的易损件和各种消耗材料国产化程度不高，需要从国外进口；三甘醇消耗量大，脱1kg水甘醇循环量在25—60L之间。目前三甘醇从国外引进，价格昂贵，再加上人工操作等费用，其运行成本会更高[7-10]；此外，三甘醇脱水还会产生有毒

例的缩小设计，喉部设计成一段光滑圆弧，扩张段按照富尔士法设计，喷管出口流速均匀性较好，具有较小的能量损失；经过对轴流叶轮叶片设计方法设计的叶片进行优化，提高了离心加速度、增加了旋流比。对混合气流场进行数值模拟，根据液滴颗粒在叶片的旋流分离效率，模拟计算低压降旋流分离器分离段水的分离效率为75.2%，重烃的分离效率73.2%。水和重烃在喷管后的最大滞留时间约为9.6毫秒，水化物来不及形成，因此低压降旋流分离器实现了免添加水化物抑制剂防冻。利用 HYSYS 计算，出口压力 4MPa下烃露点温度降至-27.83℃，水化物的形成温度降至 1.17℃。

对低压降旋流分离器内气流特性进行数值模拟分析，得出气流速度、压力和温度特性的变化情况，控制激波趋于扩压器入口，降低气流动能，增加了旋流比，提高了旋流分离的效率，保持升压比达 40%～47%，分离器可正常工作。

关键词：凝析气，低压降，旋流分离，升压比，露点

近几年随着我国经济的高速发展，能源消费快速增长，与资源约束形成明显对比。我国单位GDP能源消耗比世界平均水平高2.2倍左右，是发达国家的4～8倍。尤其是最近几年，高耗能产业发展较快，经济增长方式粗放，能源消耗量不断增加，能源产出效率大大低于国际先进水平。为保持国家的可持续发展，节能减排已成为今后促进经济高效快速发展的重点。“十一五”规划纲要提出的万元GDP能耗降低20%和主要污染物排放减少10%的目标，为确保实现该目标必须大力研发节能环保技术。2006我国没有实现预定的万元GDP能耗降低4%、主要污染物排放减少2%的目标，全年万元GDP能耗下降1.23%，主要污染物排放不降反升，加大了实现“十一五”节能减排总体目标的难度。

根据《能源发展“十一五”规划》，加快油气开发、节能、环保是我国能源发展的重要措施，天然气作为洁净、高效、优质的燃料将是实现我国经济可持续发展的重要支柱。2005年中国天然气产量为493亿立方米，占一次能源消费总量的2.7％。“十一五”规划要求，2010年全国天然气产量要达到920亿立方米，占一次能源消费总量的5.3％。我国天然气勘探开发潜力大，处于勘探早期阶段，储量产量将快速增长，随着我国油气勘探技术的发展，预计今后五年还将有更多的天然气田得到开发。

我国天然气工业的迅速发展和国家节能减排促进经济高效快速增长的要求迫切需要研发低能耗、节能环保的天然气加工处理设备，以完善和发展天然气集输和加工处理工艺，促进高能耗、高污染的石油化工行业节能减排。

1.1我国天然气矿场加工处理现状

目前，我国的天然气资源多为凝析气田和酸性气田，开发也较晚。天然气气田从井口出来的气流几乎都为水汽所饱和，并含有少量重烃。含饱和水的天然气进入管线常常造成一系列的问题：（1）增加管线输送的动力消耗，降低输气量；

（2）天然气中的CO2和H2S溶于游离水中会形成酸，腐蚀管路和设备；（3）水与天然气形成的水合物结晶造成天然气水合物的局部积累减少输气管道截面积，降低输气量，影响平稳供气，严重时可堵塞输气管线和其它处理设备，给天然气储运和加工造成很大困难。而重烃的存在也会降低天然气热值，降低输气效率，严重时堵塞管线。因此天然气防冻、脱水和重烃分离是油气集输系统的重要工艺环节。将天然气中的水汽含量控制在工艺流程要求的范围内，才能保证气体输送和轻烃回收工艺的实施。

井口加热节流和加入水合物抑制剂集气工艺是当前天然气开发常规集气工艺，通过节流降低井流压力，损失了高压能量，而加热、注醇又增加了能源消耗，显然常规的加热、注醇工艺被动地解决水合物的冻堵问题，增加了运行设备，提高了天然取得开发成本。

常温分离工艺和低温分离工艺是常用的天然气分离技术，传统的油气分离技术有诸多弊端。如：在天然气集输系统中存在油气分离不彻底、能源浪费、凝析油采收率不高等问题。从天然气中分离水和凝析油通常采取蒸汽压缩制冷、节流膨胀制冷和膨胀机制冷等方法获取冷量，实现低温分离，必要时还需加热或加水合物抑制剂以防水与天然气形成的水合物结晶在管输及后续深冷加工过程中冻堵管线、设备，整个过程极为复杂，耗资巨大，需要庞大的设备，成本和运行费用很高。

针对传统的低温分离工艺分离效率低、投资和运行费用高、加热防冻困难、防冻剂用量大的特点，提出了免加热或免加注防冻剂的超声速旋流分离重烃和水的新技术——超声速旋流天然气分离技术。从国内外天然气气工业的发展来看，超声速旋流天然气分离技术顺应了天然气工业安全、环保、节能降耗、降低开发成本的要求，支持无人值守，顺应边际油气田、沙漠油气田特别是海洋油气田发展的趋势，有着广阔的发展前景。

1.2超声速旋流分离器研究进展

超声速漩流分离技术是将航天技术的空气动力学成果应用于油气田天然气处理、加工领域而研发的一项新技术。其理论最初应用于1989年，以空气旋流器的名义获得专利，主要用于空调上，空气加压以超声速流经管道，将水从空气中分离出来[1]。直到 1997年，壳牌石油公司提出并开始研究超声速旋流天然气分离技术[2]，研制出一种名为Twister的超声速分离装置，该技术才在油气加工处理领域受到重视。国内对超声速旋流天然气分离技术的研究刚起步，主要是对国外技术的报道和综述。下面从超声速旋流天然气分离技术的基础理论与数值模拟研究、实验室与现场试验研究等方面介绍国内外研究现状和发展趋势。

1.2.1超声速旋流天然气分离器的工作原理

1997壳牌公司研发的Twister超声速旋流分离器结构如图1所示[3]，由拉伐

尔喷管、超声速整流管、超声速翼、扩压器等构件组成。其工作原理包括①天然气通过拉伐尔喷管绝热膨胀至超声速，形成低温低压；②低温使天然气中的重烃和水份凝结成液滴，形成气液混合物；③气液混合物通过超声速翼，形成强烈的旋流场，液滴在离心力的作用下旋流到管壁处，而居于管道中心处的气流变成干气，实现气液分离。④生成的干气流入扩压管，速度转化为压力。分离出的凝析液经过一个液体除气装置除去带出的部分气体，并将这部分气体与干气流会合。

该处理设备集膨胀降温、旋流式气/液分离、再压缩等工艺于一个密闭紧凑的装置里，与传统工艺相比，具有密闭无泄漏、无需化学药剂（乙二醇或甲醇）、结构紧凑轻巧、简单可靠（无移动部件）、支持无人值守等优点，该技术与常规处理工艺相比可使投资和运行费用减少10～25%[2]，更适于海上深水天然气的开发。

改进的低压降Twister设计图如下：

2007年4月到8月之间，SSB B11气体处理厂对改进的Twister系统进行了测试，由测试结果可知：在同样的压力降下，改进的Twister在145Bar的入口压力下去除的液体是原设计的大约3倍，噪声比原设计的更低，在主要出口气体中水的含量比原设计降低了30%。水的含量比SSB的目标低了10%。

1.2.2低压降Twister的工作原理及与原设计的比较

Twister TM是一种新型气体露点指向装置，在装置里天然气以超音速速度流经分离段。Twister用来从气流中去除可压缩的蒸气，例如水或液态天然气（NGL），这是为了降低气体的露点或提取重烃中的气体。

Twister TM里面三个主要的物理过程如下：

1．近等熵膨胀，由于高的速度（超音速）导致低压、低温；

2．蒸气的非平衡凝结，使得产生了由亚微米级的小液滴形成的细水雾； 3．很强的旋流使得比周围气体重的液滴由于惯性而产生了分离； 虽然这些物理过程结合后的应用是新的，但是每个过程的物理学知识已早为人知。

在高速流动中，粘性和热传导对薄边界层的影响，通常是有限的，因些主要流程可以看作是一个等熵过程。在这种情况下，压力，密度和温度的关系如下：

在喷管中，含可压缩蒸汽的气体快速绝热膨胀到超音速，而混合物的温度却以一个非常高的冷却速度（104-106K/s）降低。形成了一个过冷的非平衡状态，但是在这个状态下凝结不会发生。这个亚稳定状态不会持续很久。在喷管超音速部分的一些点处蒸气分子的凝结核将会自发形成。核化速率变得非常高，而大批非常小的液滴，其尺寸通常为几毫微米，几乎是瞬间形成的。由于小液滴的浓度极高（>1015 m-3），外部粒子作为凝结核的环境不能形成，在这个冷凝过程中起不到作用。因些可以把这个过程看作是均匀成核过程。当蒸气混合物仍然处在过冷（或过饱合）状态时，这些凝结核将会长成小液滴，然后蒸气消失，重新回到平衡或饱合状态。

常规相分离器的原料流（进料）通常是两相混合物。分散相可以是小液滴，气泡或着固体颗粒能在惯性的作用下分离开，但是在这些装置里通常不会发生相变。在Twister装置里原料流通常是一个单相的包含很多组分的液体，超音速膨胀和后来蒸气的凝结过程产生了第二个相-亚微米级的小液滴。

图1-4是Twister管子的艺术效果，详细的描述了低压降旋流分离器的横截面和主要的组成部分。

图1-4 Twister TM装置的艺术效果，流动的方向是从左到右，干燥的气体继续从右边出来，而分离出来的液体和带出的气体被转移到底部。天然气从左边进入，通过内体中的旋流叶片，旋流叶片安装在内体的最大环面处。然后随着内径的减小，根据角动量守恒原理，切向流速急剧增加。随着切向速度的增加，内径的减小，轴向速度也会相应增加，外部轮廓的形状类似于超音速喷管的轮廓。由此产生了低温，气体开始凝结。由于相当高的转动力（加速度大于500000g）,小液滴被甩向管子的外壁。简单的涡流定向器把干燥的气体核心流和液体分开，滑移气体则沿着管壁流动。在最低温度点发生分离后，为了恢复动能，在两个同中心的扩压器里，两个支流将会再次降速[4]。图1-5中，这个过程被描绘在P-T图里。在相包络线的边界点A点处开始，气体膨胀到点B，在点B处气体开始分离。分离后，气体在扩压器里再次被压缩到点C点，也就到了Twister装置的出口处。

图1-5 在P-T圈里的膨胀和再压缩轨迹线，并结合相包络线和等熵膨胀线

与最初设计不同的是，这种高性能的Twister使用静止转向的叶片在管子入口产生旋涡。主要的改进包括由于更高的径向速度、轴向速度和再蒸发影响程度的变小而增加了的分离效率，当然还有压力降的降低。除了入口的转向叶片，新的设计利用角动量守恒算出一个比原来设计小的内径。经过CFD模拟可知在这个设计里离心力被大大的提高，内部结构也确保了涡流是同中心的，从而也使得旋

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