天然气超音速旋流脱水装置设计及凝结特性分析

天然气中含有的水蒸气往往会导致单位体积气体发热量降低,减少输送管道的流通面积,其中的CO_2和H_2S溶于液态水后还会腐蚀管路。针对实际开采过程中的高压天然气含水问题,结合流体力学和工程热力学原理,设计了1套前置式超音速天然气旋流脱水装置。基于国内外研究现状,建立了超音速旋流天然气凝结流动的数值模型,包括多组分两相膨胀流动模型和水蒸气凝结模型。对超音速旋流天然气脱水装置各个工作段的流动特性进行了数值研究,得出装置内部压力、温度、马赫数、水蒸气内部成核率、湿度的分布规律,并根据数值模拟结果对超音速旋流天然气脱水装置进行了优化设计。     

2种结构油水旋流分离器流场数值模拟研究

采用雷诺应力模型(DSM)和SIMPLEC算法,对筒锥型和圆筒型油水旋流分离器的内部流场进行了数值模拟计算,得到这2种结构旋流分离器的内部切向速度和轴向速度分布。分析研究得出如下结论:(1)数值模拟计算值与实验值存在少许差异,但两者非常接近,数值模拟可为旋流分离器结构研究提供可靠依据;(2)筒锥型和圆筒型旋流分离器零轴向速度皆位于r=(0.3~0.35)D处,而筒锥型旋流分离器z=218mm处,流动分成上、下2部分;(3)圆筒型旋流分离器没有筒锥型旋流分离器的分离空间,靠近底流口的切向速度仍较高,使流体中的颗粒绕轴心旋转不易流入轴心处分离。     

双组分混合物一维超音速分离管内数值模拟

 建立了存在自发凝结的双组分混合物的一维跨音速流动数学模型，对双组分可凝结混合物在分离管中的流动进行了数值模拟，给出了沿喷管轴向的液相参数分布,模拟结果与相关文献实验结果基本一致。将上述模型应用到结构更为复杂的超音速分离管中，得到了超音速分离管内双组分可凝结混合物的流动参数及其分布，揭示了超音速分离管内部主要流动与凝结参数的变化规律。     

旋流分离器用于天然气脱水的数值模拟研究

随着天然气工业的发展,天然气的净化处理备受关注。旋流分离器作为一种新型的净化处理装置,其结构简单、分离效率高、处理量大、经济效益好,成为气一液两相分离研究的新课题和新热点。文中用流体动力学软件Fluent对旋流分离器内部流场和液滴的运动状况进行了数值模拟研究,在模拟过程中,采用k-epsilon（2cqn）方程来模拟气相旋流流动。模拟结果表明,旋流分离器内部流场呈旋转分布,分为内、外两个流场,在不同流动区域,气体压力场、速度场分布成规则变化;液滴的运动较为复杂,带有随机性;总体运动轨迹的形状与气相流场的分布趋于一致。     

气井井筒跨音速气水分离与旋流排液技术

气井井筒跨音速气水分离技术主要基于超音速喷管与跨音速翼流动机理,通过喷管将流体加速,温度快速下降,致使饱和水凝结成液滴并从旋流天然气中分离出来.由于液滴在喷管冷凝时滞留时间仅有1ms左右,不易形成水合物,不需要加入水合物抑制剂等化学药品,可避免有害化学物的再生.将该技术用于气井井筒的结构设计,对天然气流经跨音速翼进行了数值模拟,获得了流体在流场中的流动规律.     

高压天然气井口降压分离装置设计与流场分析

高压天然气井只有将天然气压力与水蒸气压力控制在合理范围内，才能实现天然气集输管路的平稳供气，从而提高天然气开采效率，节约生产成本。为克服传统降压阀成本高、不耐冲蚀、使用寿命低及易发生冰堵等问题，文章首先介绍基于超音速分离器的采气工艺布局，其次根据天然气井场的管线布置情况，设计出一种超音速分离降压装置代替天然气井场的二级节流阀与水套炉，该装置不仅能有效的实现高压天然气井口降压，还能过滤掉高压天然气所携带的固体颗粒、水、重烃等杂质；最后基于CFD理论分析了超音速分离器的内部流场特性，验证了高压天然气井口降压分离装置的降压能力、旋流分离效率及抗冲蚀能力等，进而指导了工具设计及其现场应用。     

排气管插入长度对旋流分离器分离性能的影响

旋流分离器的结构参数对内部流场分布和分离效率等有重要影响。采用数值模拟和室内试验相结合的方法研究了排气管插入长度对柱状旋流分离器分离性能的影响。模拟研究发现,排气管插入长度的加长会引起分离器内部切向速度和轴向速度的衰减,降低旋流强度,同时造成压力损失的增加;但排气管插入分离器内部能够改善分离器分离空间的旋流不稳定性。室内试验研究发现,随着排气管插入长度的增大,分离器高效运行区范围略有缩小。综合各种因素,排气管插入柱状旋流分离器内部可以提升其分离性能,但插入长度不宜过长,研究中的排气管插入长度宜为分离器筒体直径的0.5倍。     

旋流板塔在涂装废气除尘除雾方面的数值模拟研究

在对旋流板分离技术的研究和应用基础上,提出将旋流板塔应用在涂装废气除尘、除雾处理当中,旋流板塔的分离性能受到其内部气相流动和颗粒运动规律的制约。仅仅通过试验或解析等传统方法分析其内部复杂的流动状况难度很大,而且周期长、费用高;通过流体力学计算软件Fluent对旋流板塔进行数值模拟研究,可以计算分析旋流板塔内部的气相流动和颗粒运动的规律;因数值模拟对于认识旋流板塔的分离机理、改进和优化旋流板塔的结构,提高其分离性能,同时缩短设计开发周期和节省费用,具有重要的意义。     

超音速冷凝分离过程的自发成核影响因素分析

建立了两相双组分超音速冷凝流动三维湍流模型,对含湿气体在超音速冷凝流动中的自发成核进行预测。采用两相欧拉-欧拉控制方程组描述气液两相流动,引入经典成核理论模拟水蒸气的自发成核。模型计算结果与实验值吻合较好。以水蒸气和甲烷的混合气体为介质,模拟研究了天然气在超音速冷凝流动中的自发成核,得出了天然气超音速冷凝分离装置的结构参数和操作参数对自发成核的开始位置、强度、成核区轴向长度和最小临界成核半径的影响规律。研究结果表明,对超音速冷凝分离装置的分离性能有显著影响的操作参数足初始水蒸气分压和初始温度,所有的结构参数都影响分离性能;所有的操作参数都对能耗有显著影响,而结构参数中只有旋流发生器高度对能耗有影响。     

天然气超音速分离器中漩涡发生器及喷管的数值模拟研究

天然气超音速分离技术是近年来发展起来的新型天然气脱水技术。漩涡发生器及喷管是天然气超音速分离器的关键部件之一。通过对直叶片、折叶片和弯叶片三种不同叶片形式的漩涡发生器的流场进行了数值模拟研究,结果表明,弯叶片的漩涡发生器具有良好的性能。此外,对天然气超音速分离器的喷管流动进行了研究。结果证明,本文采用的漩涡发生器和喷管可以获得很低的温度和强大的离心力,可以使天然气中的水蒸气冷凝成小液滴并分离出来,从而达到天然气脱水的目的。     

提高喷管内天然气液化效率的方法

结合气、液相流动控制方程组,利用数值模拟计算,研究了利用非均质凝结及两级超声速旋流分离装置以提高天然气液化效率的可行性。结果表明,非均质凝结过程中,外界核心的存在能够有效降低气体凝结过程中的自由能障,促进液滴的凝结及生长;随着外界核心浓度的增大或外界核心半径的减小,喷管内自发凝结过程逐步被抑制,非均质凝结逐步占据主要地位;外界核心浓度的增大有利于凝结过程的发生,同时外界核心半径不能过大,外界核心半径大于1×10-7m时,不发生非均质凝结。外界核心浓度为1×1017/kg、外界核心半径为1×10-9m时,出口湿度较自发凝结过程湿度增加8217%,提高了喷管内天然气液化效率。结合流量函数方法,设计了第1级超声速旋流分离装置的扩压段,在此基础上设计了两级液化过程,其综合湿度为0107,较第1级单独使用时提高15513%,较第2级单独使用时提高3198%。两级液化装置较单级液化装置有更好的天然气液化效果。     

FCC沉降器内部空间压力分布的数值模拟

采用Fluent流体计算软件对1.40 Mt/a催化裂化装置沉降器内部空间的油气流动状况进行了数值模拟,湍流模型是Reynolds应力输运模型,重点考察内部压力场的分布规律。沉降器计算几何模型是沉降器原型尺寸,包括内部的两级旋风分离器、内置提升管等。计算结果表明沉降器空间的压力按数值大小划分为三个区,一级旋风分离器（粗旋）和提升管反应器内的高压区,沉降器空间的中压区和二级旋风分离器（顶旋）内的低压区。其中提升管出口的压力最高,而顶旋料腿内部压力是整个沉降器压力的最低部分。沉降器内部的压力分布决定了各部分油气和蒸汽的流动路线、速度,以及料腿的料封问题。     

超音速分离技术及在气田地面工程中的应用

与传统的低温分离技术相比,超音速涡流管分离技术是近年来在全球范围受到普遍关注的具有重要技术变革意义和节能环保意义的天然气处理工艺技术。本文在介绍超音速涡流管分离技术的发展现状和工作原理的基础上,对当前取得良好运用效果的两种超音速涡流管（3S管和Twister管）进行了评述,着重分析了第1代、第2代Twister超音速涡流管的各自特点及应用情况．简要介绍了超音速涡流管分离技术在脱水系统中的工作情况。对该技术在天然气开发领域的运用进行分析的基础上,总结了超音速涡流管技术运用于气田脱水所带来的优点,展望了超音速涡流管技术在天然气分离中的应用前景,对该技术在国内气田实际应用中的局限性及未来的研究方向提出了一些看法和建议。     

直切双入口旋风分离器流场及分离效率的数值模拟

 采用RSM模型对直切式单、双进口型旋风分离器三维流场和分离效率进行数值模拟。结果表明,双进口型旋风分离器改善了单进口型式流场的不对称性,减小了流场内部的涡流,径向速度和总压也明显降低;在相同处理量下,当双进口型式的进口气速比较低时,并不能提高分离效率,只有当进口气速高于15.6 m/s后,其效率才明显高于单进口型式的旋风分离器。     

三组分气体超声速凝结过程数值模拟与实验研究

结合液滴成核与生长模型,以及气、液流动控制方程建立了超声速凝结流动数学模型,对空气+水+乙醇三组分（双可凝）气体超声速流动条件下凝结特性进行了数值计算,研究了三组分气体超声速凝结特性影响因素,通过与空气+水双组分（单可凝）气体对比,分析了第二种可凝组分对凝结成核的影响,并开展了实验验证与对比分析。结果表明：随着三组分气体中乙醇含量的升高,Laval喷管内成核率、液滴数均增大,但成核区收窄,液滴生长区向前移动;在入口可凝气体为饱和状态下,升高入口温度与压力均能促进凝结的发生,使Wilson点向喉部移动,进而提高出口气体湿度;与双组分气体相比,三组分气体发生凝结的Wilson点更靠近喉部,出口湿度更大,说明三组分气体发生凝结时,两种可凝气体的凝结过程是相互促进的;Laval喷管沿程压力及Wilson点测试结果与数值计算结果吻合较好,说明所建立的数学模型具有较高的准确性。     

油水旋流分离器数值模拟优化研究

受实验条件限制，单纯通过实验研究旋流器的性能周期长，且费用较高。为此，采用雷诺应力模型CFD数值模拟方法，对油水旋流分离器内的油水两相流流场进行了试验研究。研究表明，采出液在进口处的相互流动干扰对油水分离效果有重要影响，据此提出一种新型结构——带有空间阿基米德螺旋线进口流道和导流螺旋的油水旋流分离器。进一步的优化设计和性能试验表明，空间阿基米德螺旋线进口流道和导流螺旋实现了平滑过渡，从而得到较稳定的流场和较高的分离效率。     

超声速旋流天然气分离器研究

超声速旋流分离是天然气处理工艺技术的一大突破。超声速旋流分离器依靠喷管膨胀形成低温超声速流动，依靠超声速翼形成旋流实现水及重烃分离。利用计算流体力学（CFD）技术研究了超声速旋流分离器内的流体物性及流场特性，分析了超声速旋流分离器内温度、压力、速度等特性参数的变化规律，研究了凝析液滴在超声速旋流分离器内的运动轨迹及不同粒径尺寸的液滴在分离器内的停留时间。研究表明，超声速旋流分离器水分及重烃分离效率高，能够替代传统的低温分离工艺。