[01216507]超声速旋流天然气分离研究

天然气开发井口加热节流和加入水合物抑制剂集气工艺，通过节流降低井流压力，损失了高压能量，而加热、注醇被动地解决水合物的冻堵问题，增加了能源消耗，增加了海上平台的面积和空间。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，本人提出了开发研究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器由拉伐尔喷管、超声速整流管、超声速翼、扩压管等构件组成，这些构件形成了一个连通的管道，保证流体能够顺利通过。其主要工作原理包括：①在超声速旋流天然气分离器中，天然气通过拉伐尔喷管绝热膨胀至超声速，其温度和压力将降低，形成低温低压；②低温使天然气中的重烃和水分达到过饱和状态开始凝结，发生均匀凝结成核现象，并且液滴开始生长，形成气液混合物；③气液混合物通过置于喷管后直管道中产生旋流的尾翼，形成强烈的旋流场，在流动中液滴在离心力的作用下旋流到管壁处。因而居于管道中心处的气流变成干气，液体沿管壁流动，而管壁处的气体将包含部分重烃和水分成份；④分离器将气流外层与中心处气流分离，实现气体和凝析液的分离。经过一道微弱冲击波，生成的干气接着流入扩压管，速度转化为压力，气流压力恢复到进口压力的60～75%。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。依据热力学、流体力学、气体动力学理论建立了可压缩流体在喷管、整流管、翼段和扩压管流动的数学模型，借助大型CFD软件FLUENT，求解气流在喷管、翼段和整个分离器内的速度、温度和压力分布。设计的超声速旋流天然气分离器模拟结果表明，入口气流在喷管出口处达到超声速，喷管出口处温度达到-67.76℃，翼段出口旋流比达0.22，离心加速度达到119,000～572,000g，分离后的干气进入扩压管，压力可恢复到入口压力的50%～60%。控制激波于超声速翼段和扩压管之间，并且趋近于扩压管入口，降低气流动能，增加了旋流比，提高了超声速旋流分离的效率，这也是分离器设计控制的关键因素。性能指标：经过超声速旋流分离器处理的天然气露点低于0℃，基本到达外输露点要求。特点：结垢紧凑、占地面积小、节约能源、分离效率高。适用范围：陆地、海上天然气处理。项目进展情况：为863计划资助项目，目前正在开展实验研究。