粒子特性对超声速分离器分离性能的影响

超声速分离技术是一项新兴的天然气处理技术.在超声速喷管内,天然气经过近似等熵膨胀和降温使其内部可凝组分发生相变凝结,经旋流器后由于气液密度差使液相被分离出来.为了研究液滴特性对分离器的分离效率的影响,建立了超声速分离器内部气体流动的数学模型,采用离散粒子模型研究了液滴密度、液滴粒径和液滴初始速率对分离器分离性能的影响....     

用于超声速旋流分离器中的超声速喷管研究

超声速旋流分离器是一种免加热或免加注防冻剂的新型天然气脱水和重烃分离装置，喷管是其关键部件。针对超声速旋流分离器中拉伐尔喷管的特点，对3种不同的喷管设计方法进行了对比分析。结果表明：亚声速收缩段为维托辛思基曲线、喉部为一段光滑圆弧、超声速扩张段按富尔士法设计的喷管出口气流均匀，达到设计的马赫数要求。数值模拟表明，天然气在喷管内绝热膨胀形成超声速气流，在喷管扩张段水和重烃组分凝析。喷管内极短的滞留时间不会形成水合物，亦不需添加防冻剂。     

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管柱式旋流分离器是一种带有倾斜切向入口及气体、液体出口的垂直管。它依靠旋流离心力实现气、液分离，与传统容器式分离器相比，具有结构紧凑、重量轻、投资节省等优点，是替代传统容器式分离器的新型分离装置。在气液两相旋流分析的基础上，建立了预测分离性能的机理模型，该模型包括了入口分离模型、漩涡模型、气泡及液滴轨迹模型；依据机理模型，提出了管柱式旋流分离器工艺设计技术指标和工艺设计步骤；计算示例显示分离机理模型是合理的，适于工程设计。     

基于CFD的离心式气-液分离器结构设计及仿真优化

运用CFD技术优化设计了一种新型离心式气一液分离器，以去除气侵钻井液中的小气泡。通过CFD模拟，研究分析了该分离器内湍流状态下的2相流动，以及分层、分离、旋流等复杂现象。模拟结果显示，由于分离器内的运动部件——转鼓旋转，钻井液形成强迫旋流，不同密度的气、液相在离心力作用下发生分离。试验测试结果表明，该分离器试验模型的分离性能显著、稳定，保证了钻井液性能尤其是密度的稳定，从而验证了CFD的有效性。在内流场分析的基础上，对分离器试验模型进行仿真优化，改进了入口方式和转鼓结构。结果表明，切向入口有利于改善来液的流动；分离器增加1个旁通管形成循环支路后，有利于降低背压，使排气管壁上的液滴流回到分离器。     

一种先旋流后膨胀型超声速分离器脱水性能实验

根据角动量守恒原理,设计加工了一套包含中心体的先旋流后膨胀型超声速旋流分离装置,并搭建室内实验系统对该分离装置的脱水性能进行研究,主要分析了压力恢复系数对露点降的影响和旋流对分离器过流能力的影响。结果表明：经先旋流后膨胀型超声速旋流分离器分离后,分离器干气出口的水露点可达到−2.8℃,露点降可达34.9℃,且露点降随着压力恢复系数的增加而减小;保持分离器的压力恢复系数小于70%时,干气出口的水露点降最少达18℃,分离器可正常工作;在不同入口压力条件下,分离器的水露点降基本相同,分离器的流量适应能力较强,脱水性能稳定;旋流强度增加将减小通过分离器的流体质量流量,只有来流的质量流量达到设计的临界流量时,分离器才可正常工作。     

轴流式气液旋流分离器分离效率计算及验证

分离效率是轴流式气液旋流分离器的主要性能指标之一。在分析轴流式气液旋流分离器内液滴运动受力情况的基础上,对其分离效率计算公式进行了推导,并借助于试验结果对理论公式进行了修正,修正后的半经验公式计算值与试验值吻合较好。     

用旋流分离器处理含油污水的前景

介绍了含油污水的形态及分离特性 ,分析比较了旋流分离器脱油与其它脱油技术的性能和费用 ,综述了国内外旋流分离器用于含油污水处理的研究与发展情况。从系统工程的角度指出 ,旋流分离器在含油污水处理中具有良好的应用前景。     

叶片式气液分离器的数值模拟研究

利用计算流体力学方法对叶片式气液分离器内的流场进行数值模拟研究,主要研究气相速度以及旋流叶片的倾角对气液分离器压降以及液滴脱除效果的影响。结果表明:气液分离器压降与气相进口速度的平方呈正比;大直径液滴在气液分离器内呈现“V”型分布,且气相速度以及旋流叶片角度对其影响显著,除雾效果高;小直径液滴在气液分离器内呈现较为均匀的分布,相较于气相速度,旋流叶片角度(15°)更能显著影响其脱除效率。     

液液旋流分离器内流动偏心现象的试验研究

旋流分离器中空气柱(旋流中心)溢流端偏心反映了旋流分离器内流动的不对称性。通过试验研究表明，旋流分离器的操作参数对溢流端旋流中心的偏移的影响并不显著，而主要决定于旋流分离器的输入结构形式，随输入结构形式不对称性的增加，流动偏心的程度也在增加。揭示了液液(除油型)旋流分离器内流动不对称性对分离效率的影响，这对进一步提高旋流分离器分离效率具有重要的指导意义。     

SFS-GLCC分离器结构设计及优化

针对传统旋流分离设备应用条件限制性大、工况环境敏感性高和出口流体排放不佳等缺点,利用雷诺应力模型设计了一种带有圆形稳流器、螺旋式入口和锥式筒体的稳流螺旋驱锥式气液旋流分离器(SFS-GLCC分离器)。SFS-GLCC分离器的螺旋式入口能促进气液两相分层,使入口流型呈现团状流;稳流器可避免底流口夹带气和溢流口排气不彻底;锥式筒体能提高流体旋转速度,延长分离液腔内停留时间。基于Python液滴破碎的TAB判定模型和剪切气流驱动下旋流器内液滴破碎模拟,得到如下结论:SFS-GLCC分离器气柱边缘和器壁附近切向速度变化起伏大,具有很高的速度梯度,位于该区域的液滴稳定性较低,更易变形和破碎;入口速度为40 m/s时液滴稳定性更强。研究结果可为气液旋流分离器的优化设计提供一定的借鉴和参考。     

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。     

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.     

克拉美丽气田天然气烃水露点控制工艺改造

克拉美丽气田天然气处理站烃水露点控制工艺采用J-T阀节流制冷,注乙二醇防冻的低温分离工艺,但其外输天然气烃水露点出现不稳定、不合格现象。应用HYSYS软件根据天然气处理流程的物料及能量平衡评价烃水露点控制工艺,结果为:高压节流注醇工艺选择合理;通过对其核心设备包括低温分离器和气-气换热器结构及工作性能分析,找出烃水露点不合格的主要原因是低温分离器和气-气换热器选型不合理。根据克拉美丽天然气处理站烃水露点不合格原因提出了改造方案:沿用高压节流注醇工艺,其关键设备选型采用两台管壳式换热器(固定管板式)串联+SMMSM高效分离器的组合方案,将外输天然气烃水露点计算值控制在-13℃左右,考虑低温分离器与烃水露点的实际温差,可控制外输气烃水露点能达到小于-5℃的要求。     

集冷凝和离心分离功能于一体的天然气超音速旋流分离技术

天然气超音速旋流分离技术具有结构简单紧凑、无转动部件、可靠性高、无化学添加剂、投资和维护费用低等优点,工业应用前景广阔,但由于其过程的复杂性,理论研究还不成熟。为了推进该技术的大规模工业化应用,在介绍天然气超音速旋流分离器的结构及其工作原理的基础上,阐述了其旋流流动过程、内部凝结过程和内部流动过程等数值模拟的研究新进展,分析了近年来国内外有关的实验研究现状,总结了相关数值模拟和实验研究的进展,并对未来天然气超音速旋流分离技术亟待解决的关键问题进行了展望。研究结果表明:(1)目前关于超音速旋流分离器的数值模拟研究主要集中在旋流流动过程、内部凝结过程和内部流动过程等方面,并取得了一定成果;(2)国内对超音速旋流分离器的实验研究主要集中在低压实验,而在高压天然气的凝结机理及分离机理研究等方面则可能尚存在着一定的差距。结论认为:(1)解决超音速喷管的收缩段曲线和扩张段曲线的匹配、旋流器的结构优化设计与安装位置等问题,有助于气体凝结和提高气液分离效率;(2)开展符合天然气实际操作工况的高压实验,有助于探究天然气旋流分离的凝结和分离机理;(3)亟待在准确揭示高压天然气跨音速流动时其中水分及重烃的凝结机理和分离过程方面进行深入研究,确定影响分离性能的因素,以期为天然气旋流分离器的工程设计与应用奠定坚实的理论基础。     

超音速分离技术在塔里木油气田的成功应用

超音速分离技术是一种集低温制冷及气液分离于一体的新技术,2011年6月,国内引进的首套超音速分离器（super sonic separator,3S）在中国石油塔里木油田公司牙哈作业区凝析气处理厂投产成功。为此,介绍了超音速分离器的工作原理及脱油脱水工艺流程。运行效果表明,相对于传统制冷（如J-T阀、冷剂和膨胀机制冷）设备,超音速分离器具有以下优势：①效率高。发生在超音速喷管中的膨胀降压、降温、增速过程以及发生在扩散器中的减速、升压、升温过程,均为气体的内部能量转换过程,经过全面优化设计,能使能量损失降低到最低限度。②能耗低。与低温法丙烷制冷相比,在凝液收率相同的情况下,3S可减少制冷压缩机电耗50%～70%;而3S代替膨胀机,在凝液收率相同的情况下,可多回收15%～20%的压缩功率。③无转动部件、属静设备,因此运行更加安全可靠。④工艺过程和设备简单,投资省。⑤本身无消耗,无须水、电、仪表风的支持,除了温度和压力的监控,不依赖控制系统,运行成本低。⑥无废水、废液排出,对环境无影响。⑦体积小,占地和占有的空间小。超音速分离器可以更深度地脱水脱油,从而提高商品天然气品质,并可增加凝液产量,同时明显降低能耗,获得更好的经济效益。     

Supersonic swirling characteristics of natural gas in convergent-divergent nozzles

The supersonic nozzle is a new apparatus which can be used to condense and separate water and heavy hydrocarbons from natural gas.The swirling separation of natural gas in the convergent-divergent nozzle was numerically simulated based on a new design which incorporates a central body. Axial distribution of the main parameters of gas flow was investigated,while the basic parameters of gas flow were obtained as functions of radius at the nozzle exit.The effect of the nozzle geometry on the swirling separation was analyzed.The numerical results show that water and heavy hydrocarbons can be condensed and separated from natural gas under the combined effect of the low temperature(-80℃) and the centrifugal field(482,400g,g is the acceleration of gravity).The gas dynamic parameters are uniformly distributed correspondingly in the radial central region of the channel,for example the distribution range of the static temperature and the centrifugal acceleration are from -80 to -55℃and 220,000g to 500,000g,respectively,which would create good conditions for the cyclone separation of the liquids.However,high gradients of gas dynamic parameters near the channel walls may impair the process of separation.The geometry of the nozzle has a great influence on the separation performance. Increasing the nozzle convergent angle can improve the separation efficiency.The swirling natural gas can be well separated when the divergent angle takes values from 4°to 12°in the convergent-divergent nozzle.     

新型天然气超音速脱水净化装置现场试验

传统的天然气脱水技术存在处理量小、设备占用空间大、投资高、维护工作量大等缺点。2000年壳牌公司最先将超音速脱水技术用于天然气处理。它利用天然气在超音速状态下的蒸气冷凝现象进行天然气脱水，将膨胀机、分离器和压缩机的功能集中于一体。该装置具有无运动部件、结构简单可靠、无需人员职守、制造运行成本低等优点。2003年中国石化胜利油田和北京工业大学在国内率先开展了超音速分离管的研发工作，相继完成了基础理论研究、数值模拟研究、室内试验研究，近来又进行了现场试验研究，为超音速脱水工业化的可行性进行了验证。试验发现：超音速分离管进出口天然气露点降最大逾35 ℃，最小逾10 ℃；分离管的产液量为17 mL/m³，整个系统的产液量在28～40 mL/m³。该系统不仅有效地降低了天然气的水露点还可进行轻烃回收工作。     

深水水下分离器的试验研究

为了解深水水下分离器的工艺性能和分离效果,对其进行了室内试验研究。根据相似理论,制作了分离器试验样机。在给出试验流程和试验条件后,确定了3个试验目标,即气相逃逸量、液相流动和油水分离效率。试验结果表明,入口预分离构件内部形成较为稳定的气相流场,气相的分离效率在90%以上;布液管起到了布液和改变流向的作用;整流构件对液相流速进行了规整,分离器的油水分离效果和稳定性较佳,在重复性试验中,水中含油质量浓度和油中含水体积分数均稳定在较低的范围内。