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