超音速分离器讲解

超音速低温旋流分离器拉瓦尔喷管流场数值分析康勇【摘要】Aim By analyzing the flow field of the Laval-nozzle, a core component of the supersonic low-temperature swirling gas-water separator, for improving the efficiency of gas-water separation, its theoretic research foundation is established. Methods Based on the principle of flow field numerical analysis and with aid of softer ware CFD, a number of physical factors influencing the fluid movement have been found. Results It is significant to influence the flow field by changing relative sizes of its each segment, including the determination of the critical section , simplification of the model of the gas flow and energy loss. Conclusion The conclusion is that the key to realize the low-temperature flow field of gas-water separation is the flow speed through the throat of the Laval-nozzle of gas-water separator must be twice as a Mach number or more.%目的通过对超音速低温旋流分离器的核心部件-拉瓦尔喷管内部流场的数值分析,达到奠定提高气液分离器工作效率的理论研究基础的目的.方法通过对流场的理论数值分析,并借助于CFD软件,找到了喷管流场内各物理参数的变化规律.结果发现拉瓦尔喷管各段尺寸的相对数值大小对流场的变化影响很大,包括临界截面的确定、简化气体的流动模型及能量损耗.结论由此得到,当拉瓦尔喷管的喉部气体流速度达到或超过音速时,即气液分离段的速度达到两个或两个以上马赫数是形成低温气液分离流场的关键.【期刊名称】《西北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(041)004【总页数】5页(P593-597)【关键词】拉瓦尔喷管;超音速;低温;旋流分离器【作者】康勇【作者单位】西安石油大学机械工程学院,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TE868由此得到，当拉瓦尔喷管的喉部气体流速度达到或超过音速时，即气液分离段的速度达到两个或两个以上马赫数是形成低温气液分离流场的关键。

超音速分离技术在天然气脱水、脱烃的应用超音速分离技术是天然气脱水、脱烃技术的重大突破。

它是航天技术的空气动力学成果应用于油气田天然气处理、加工领域而研发的新型、高效分离技术。

该技术及装备已在国外石油天然气行业被成功应用。

它简化了工艺流程，提高系统可靠性，并降低其投资、运行费用和减少环境污染。

1. 天然气脱水、脱烃的技术现状及评价1.1 天然气脱水技术天然气的脱水方法的主要方法有低温分离法脱水、溶剂吸收法脱水、固体吸附法脱水、应用膜分离技术脱水。

（1）低温分离法脱水低温分离法脱水是借助于天然气与水汽凝结为液体的温度差异，在一定的压力下降低含水天然气的温度，使其中的水汽与重烃冷凝为液体，再借助于液烃与水的相对密度差和互不溶解的特点进行重力分离，使水被脱出。

低温分离法通过节流膨胀降温或外部制冷，从而使天然气中水析出。

脱水后天然气水露点主要取决于节流后的气体温度，若需增压或增设外部制冷时，装置的投资和操作费用较高。

该方法一般用于有压力能（压力降）可利用的高压天然气脱水，可同时控制天然气水露点和烃露点。

存在的主要技术问题如下：●需注入抑制剂（常用甲醇或乙二醇）防止天然气水合物，要建设抑制剂注入和再生系统；●存在醇烃难于分离、抑制剂有损耗等问题；●系统设备较多、工艺流程复杂。

（2）溶剂吸收脱水溶剂吸收脱水是利用某些液体物质对天然气中水汽具有良好的吸收和溶解性能，将天然气中水汽脱出。

脱水后的溶液蒸气压很低，且可再生和循环使用。

溶剂吸收脱水法是目前天然气脱水中使用较为普遍的一种方法，其中以三甘醇脱水在天然气脱水中应用广泛，天然气水露点降可达40 ℃，可满足天然气管输、天然气凝液回收中浅冷工艺对水露点的要求。

三甘醇脱水系统包括分离器、吸收塔和三甘醇再生系统。

三甘醇脱水存在的主要技术问题如下：●系统比较复杂、三甘醇溶液再生过程的能耗比较大；●三甘醇溶液会损失和被污染，需要补充和净化；●三甘醇与空气接触会发生氧化反应，生成有腐蚀性的有机酸。

超音速分离技术在脱烃中应用气田从地下采出的天然气中都会有C4以上较重烃组分的存在，使得天然气的烃露点会较高，导致该气田天然气在未处理前达不到输气烃露点要求。

超音速分离技术可以有效地脱除天然气中的重烃，同时可以避免天然气节流膨胀后的增压过程。

超音速分离技术的核心设备是超音速分离器。

超音速分离器由旋流器、拉瓦尔喷管、扩压器组成。

超音速分离器(Super Sonic Separator简称3S)，是俄罗斯专家团将航天技术的空气动力学成果应用于油气田天然气处理、加工领域而研发的新型、高效分离设备。

天然气超音速脱水、脱烃技术属于低温冷凝法,利用拉瓦尔喷管、导向叶片加速饱和湿天然气达到分离目的。

天然气超音速分离器将膨胀机、分离器和压缩机的功能集中到一个管道中,大大简化了工艺流程,提高系统可靠性,并降低其投资、运行费用和减少环境污染。

天然气超音速脱水技术易于形成体积小、质量轻、成本低、可靠性高的橇装设备,非常适合单井集气工艺的井口、多井集气工艺的集气站的天然气脱水、脱烃。

天然气首先进入旋流器旋转，产生加速度为106m/s的旋流，该旋转气流在超音速喷管入口表面的切线方向产生一个或多个气体射流，而后天然气在喷管内降压、降温和增速。

由于天然气温度降低，其中的水蒸汽和重烃组分凝结成液滴。

在旋转产生的切向速度和离心力的作用下，液滴被“甩”到管壁上从而实现气液分离。

然后，液体通过专门设计的工作段出口流出，气体则进入扩散器，减速、增压、升温后流出。

超音速分离器结构示意图超音速分离器剖面图超音速分离器中的膨胀降压、降温、增速过程，以及发生在扩压器中的减速、升压、升温过程，可看成近似等熵绝热过程，等熵效率约为90%。

J-T阀制冷温降过程是等熵节流膨胀制冷过程，膨胀机制冷温降过程是等熵膨胀过程，效率接近85%。

因此在相同条件下超音速分离技术可获得比等熵节流膨胀制冷的J-T阀和等熵膨胀制冷的膨胀机的温降都高。

更大的温降就能使天然气冷凝析出更多的重烃，使天然气获有更低的烃露点超音速分离技术与J-T阀节流技术的脱烃性能与进料气中的水分含量、压降、进料气温度、进料气组分、进料气压力等因素有关。

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1Twister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。

专利名称：一种预旋流超音速旋流分离器
专利类型：实用新型专利
发明人：计维安,额日其太,宋彬,蒋登宇,高晓根,刘火星,熊钢申请号：CN201120069282.2
申请日：20110316
公开号：CN202105736U
公开日：
20120111
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种预旋流超音速旋流分离器，由中心锥和管壳形成一个环腔；预旋流器中心锥表面周向布置有圆弧叶片，安装角与来流方向匹配；由预旋收缩喷管连接旋流器，预旋分离腔位于旋流器外，由旋流器管壳上设置的槽连通；旋流器中心锥表面周向布置有圆弧叶片，安装角与来流方向匹配；拉瓦尔喷管通过分离器与分离腔连接；扩压器一端为尖劈锥形，尖劈锥形插入分离器，外壁与分离器内壁形成环形通道；位于扩压器内的锥形中心锥外壁与扩压器内壁形成环形通道；支撑整流环位于扩压器内，锥形中心锥的末端，由设置在支撑整流环的中心孔与干气出口连通；经预处理的天然气只含气相，减轻了超音速旋流分离段的负载，提高了稳定性和分离性能。

申请人：中国石油天然气股份有限公司
地址：100007 北京市东城区东直门北大街9号中国石油大厦
国籍：CN
代理机构：北京市中实友知识产权代理有限责任公司
代理人：谢小延
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专利名称：整流式超音速旋流分离器
专利类型：发明专利
发明人：张卫兵,刘欣,王新华,杜廷召,王晓勇,逯国英,田鑫,者莉,李丹丹,叶昆,张亚庆,程荣鹏,杨桂云,周姿潼
申请号：CN201610183340.1
申请日：20160328
公开号：CN105689161A
公开日：
20160622
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种整流式超音速旋流分离器，属于含湿天然气脱水领域。

该整流式超音速旋流分离器包括依次连接的旋流器、分离器和扩压器，扩压器中设置有整流器，在使用时，含湿天然气通过旋流器旋流之后进入分离器中进行气液分离以形成旋流干燥天然气，旋流干燥天然气通过整流器整流之后流出整流式超音速旋流分离器。

本发明提供的整流式超音速旋流分离器具有体积小、效率高、无需其他化学药剂即可对含湿天然气进行气液分离等优点；并且只需通过分离器本身的结构，即可实现在低温低压环境下将天然气中的水蒸气凝结析出，之后剩余的干燥天然气在装有整流器的扩压流道内，将压力和温度得到恢复，从而使得干燥天然气中的旋流效应得到消除。

申请人：中国石油集团工程设计有限责任公司
地址：100085 北京市海淀区上地信息路8号CPE大厦
国籍：CN
代理机构：北京三高永信知识产权代理有限责任公司
代理人：周静
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变径式超音速气液分离器结构设计及实验和模拟研究天然气的脱水处理是生产商品气的必备环节,其主要目的是防止后续处理和储运过程中出现水合物和液态水,以及防止酸性气体溶于游离水来腐蚀管路及设备。

而超音速气液分离器是一种新型的气液分离设备,它具有具有低耗、安全高效和无污染等优点,对天然气矿场加工及集输具有重要意义。

但目前国内理论研究尚不成熟,暂不具备商业使用价值。

本文研究了超音速分离器的基本原理及其设计方法,利用Solidworks分别对拉瓦尔喷管、旋流管及旋流翼和扩压管等关键部件进行了三维设计。

拉瓦尔喷管的收缩段采用五次曲线作为型线,喉部采用平角型直管的形式,渐扩段和扩压段设计为锥形,旋流翼采用基于飞机机翼的三角后掠翼。

另外,由于在实验过程中研究喉部尺寸对超音速分离器分离效率的影响时,分离器喉部的安装过程繁琐且费时。

所以本文设计了喉部变径可调结构。

之后,根据变径式超音速分离器的型线结构及流场特点,对分离器的基本模型进行了模拟及分析。

模拟结果表明:该装置具有低温制冷能力,可达到旋流分离的效果。

同时在基本型结构的基础上,分别改变旋流翼位置、拉瓦尔喷管渐扩管锥角以及改变超音速分离器出口背压进行模拟计算并对比分析。

得出如下结论:(1)旋流翼安装位置越靠近拉瓦尔喷管出口,旋流翼后超音速流动区域及低温、低压区域越长,气液分离效率越高。

(2)拉瓦尔喷管渐扩管锥角影响分离器流场特性,过大或过小的锥角会使下游区域的流场特性变差,从而影响旋流管内气液的分离效率。

特别是当锥角过大时,Laval喷管出口处容易产生较强的激波。

(3)出口背压影响分离器内部流道内激波产生的位置,随着出口背压的增大,激波向超音速分离器的上游移动;且出口背压越小其整体流场特性较好,旋流管内气液分离效率越高。

本文还对变径式超音速分离器的室内实验系统进行了研究,规划了安装调试的主要内容和方法;对测量仪表进行了选型。

最后制定了较为详细的实验方案及流程。