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。     

多管束旋流分离器的研制及应用

强吸旋流分离器无法根据气量大小控制分离效率,导致气量变化较大时外输露点,出现不合格现象。鉴于此,研制了多管束旋流分离器。该分离器能根据气量大小调节分离管束数量,合理控制气流流速,提高分离效率,且不属于国家强制年检压力容器,减少后续维护工作量。试验结果表明,多管束旋流分离器出口测试水露点均低于系统温度;分离前、后压降小于0.05MPa;在相同工况下,多管束旋流分离器的检测露点均低于原生产分离器,说明该分离器的分离效果优于强吸旋流分离器。     

多管束管柱式气液旋流分离器

在长庆榆林气田采气二厂集气站开展了多管束管柱式气液旋流分离器现场试验,将该分离器与集气站现有的强吸旋流分离器并联安装,将相同气量分别倒入到两个分离器中,待稳定后测试分离器出口露点.试验结果表明:多管束管柱式气液旋流分离器分离后的露点在各种气量配比下均低于强吸旋流分离器露点2～3℃,分离效果明显优于强吸旋流分离器. 多管束管柱式气液旋流分离器可根据气量大小控制分流阀开关数量,使其流速控制在设计流速(4.5～6 m/s)范围之内.     

湿气再循环超音速分离管脱水性能的试验研究

湿气再循环超音速分离管可以将天然气中的液体和烃类有效地分离出来,并可以将气体进行循环分离,从而提高分离效率。为了对该装置的脱水性能进行系统全面的研究,搭建了室内试验台。试验结果表明:相比已研发的超音速分离技术,在相同压损比下再循环超音速分离管可以获得更高的露点降,说明其具有更好的脱水分离性能;当压损比为0.81时,该装置最大露点降可以达到28.12℃;压损比是决定再循环超音速分离管脱水性能的关键因素,在允许范围内适当增加压损比是提高再循环超音速分离管脱水性能的有效途径;保持气流在分离管内部的Laval喷管喉部处于临界状态,并达到临界流量是保证再循环超音速分离管良好工作性能的低限要求,否则会降低装置的脱水性能;湿气出口压力对再循环分离管的脱水性能影响很小。所得结论可为湿气再循环超音速分离管的结构优化和现场应用提供参考。     

管式静电旋流分离器的设计及内部流场研究

静电聚结与旋流分离相结合可以提高油水乳化液的分离效率,有效减少油水分离设备的占地面积。但现有静电聚结旋流分离器方面的研究文献均未关注水出口的含油量,同时缺少对分离器的具体结构参数设计。为此,提出了一种新型结构的管式静电旋流分离器。该分离器采用切向入口+等螺距螺旋叶片+向前型母线椭圆形叶片的多次起旋结构;依据油水乳化液中分散相粒径值和原紧凑型静电聚结器达到一定聚结效果的电场停留时间,初步确定了分离器的主体结构尺寸;在此基础上对简化后主体流道的内部流场进行了CFD数值模拟,分析了起旋叶片级数、分流比、入口流量及分散相水滴粒径对分离性能的影响。研究结果表明:对于含水体积分数为30%的油水乳化液,当分散相粒径为150μm、流量为4. 5 m3/h、分流比为0. 1时,分离器水出口含油体积分数小于0. 1%,分离效率达99. 3%。管式静电旋流分离器可多次发挥静电聚结和旋流分离的作用,大幅提高分离性能,实现水出口含油量和油出口含水量的双向指标控制。     

基于HYSYS的超声速天然气脱水脱烃工艺设计

为解决超声速天然气脱水脱烃工艺设计受限于其核心设备超声速分离器的动力学设计以及以往数值模拟的设计方法繁琐且对物性参数变化敏感度较低的问题,分析其工作原理,基于HYSYS软件提出一套超声速天然气脱水脱烃工艺设计方法,并将其结果与数值模拟结果进行对比。结果表明,该工艺设计方法简便且满足工程设计要求。指出设计马赫数、气液分流比和压损比为超声速分离器的3个关键设计参数,分析其对天然气脱水脱烃效果的影响得出：设计马赫数越大,天然气露点降越大;气液分流比越大,天然气露点降越大;压损比越大,天然气露点降越大。     

多管旋流分离器多相流计量装置设计

分离器设计是多相流分离计量的关键技术,基于GLCC旋流分离原理的多管旋流分离器多相流计量装置是以多管旋流分离器为核心,并与气液质量流量计、比例调节阀和计算机测控系统相结合的一种新型多相流计量装置。该装置采用多管旋流分离器,可以有效减小分离器直径和高度,节约装置占用空间,大幅降低成本,提高分离效率;同时采用模糊PID控制方案的比例调节阀控制分离器液位,保证计量装置有效运行,具有较强的抗干扰能力。现场试验证明:此装置可以适应较大范围的多相流变化,相对测量误差小于±2.5%。     

排气管内置深度对气-液旋流分离器流动特性的影响

排气管在具有二级旋流分离机制的分离器中至关重要。模拟分析了排气管内置深度对气-液旋流分离器流动不稳定性、旋流场、短路流以及径向流量分布的影响。研究表明,增加排气管内置深度可更好地引导旋流,提高流场稳定性;随内置深度增加,分离空间准自由涡出现衰减,准强制涡强度增大,下行与上行轴向速度均减小,在排气管中形成一定强度的旋流,有助于实现二级分离功能;同时,分离器环形空间预分离能力增强,短路流量增加,单位长度零轴速包络面上的径向流量增加,排气管的二级分离功能有助于削弱短路流带来的负面影响。     

填料塔离子液体气相内脱水实验研究

以1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐([BMim][Ac])离子液体为吸收剂,用空气和水蒸气的混合气模拟含水湿气,在θ金属网环填料塔中进行脱水实验。探究了离子液体流量、液体含水量、液体温度、空气流量以及进气含水量对脱水效果的影响,获得了最佳实验参数条件。实验结果表明,气体露点降随液体流量和进气含水量的增加而增大,随液体含水量、液体温度和空气流量的增加而减小。在液体流量9L/h、气体流量1m~3/h、液体中水质量分数1%、湿气中水质量浓度18.26g/m~3、温度20℃的条件下,气体露点降在40℃以上,干气露点低于-20℃,取得了良好的脱水效果,在工业气体脱水、室内空气干燥等领域展现出良好的应用前景。     

天然气小压差换热器应用试验技术

大牛地气田集气站中井口压力低于10MPa的气井占总生产井数的79.17%,且全站停用水套炉后生产分离器与旋流分离器的温度差别不大,无法满足低温脱水分离与外输气质的要求.针对这一问题,采取在集气站安装板翅式换热器以及进行小压差外输脱水试验等措施,使换热器设计端面温差达到2～3℃,节流压差达到0.3～0.6MPa,换热效率高于90%,并且旋流分离器温度大大降低,满足了低温分离脱水的要求.     

再循环腔进口位置对超音速分离器流场影响数值分析

超音速分离器作为一种新型、高效的分离设备,具有传统分离方式和设备不可比拟的高效性和经济性。在相同的结构尺寸下,对传统超音速分离器与再循环超音速分离器进行了对比数值模拟。结果表明,在相同的出口压力下,再循环分离器的流场分布较传统分离器好,且能使激波远离喉部,扩大超音速流动的区域范围,有利于气液分离。同时,针对再循环腔不同进口位置对流场稳定性的影响进行了分析。结果表明,进口位置在Laval喷管出口时,流场稳定性较好,有利于提高分离性能。     

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。     

螺旋分离器水流动特性的CFD模拟与PIV试验

设计了一种新的螺旋分离器,采用CFD数值模拟技术对螺旋分离器的入口管段、螺旋分离段及出口管段内流体流动速度场及压力损失分布特性进行了分析,结合PIV流场测试试验对分离器的入口管段和出口管段内流体流动速度场进行了测量和对比分析。介绍了螺旋分离器油水分离的工作原理、结构参数及PIV实验流程。结果表明：该螺旋分离器螺旋导流效果明显,在螺旋分离段及出口管段内具有持续时间长、离心分离强的螺旋流分离流场;流体流过螺旋分离段后,在出口管段内可形成稳定的螺旋流场;通过对比分离器内入口管段及出口管段PIV试验速度测量值与数值模拟值,结果吻合良好,验证了模拟结果的可靠性;通过分离器的压力损耗分析,指出了螺旋分离器的主要压力损耗位置,设计工况下的分离器最大压力损耗不超过90 kPa。     

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。     

轴流式气-液旋流分离器分离特性

针对内部设有中心体的轴流式气-液旋流分离器,根据液滴在分离器内部旋流场的受力情况,建立分离器分离效率模型。实验发现,当液滴直径大于10 μm时,通过理论模型求得的液滴粒级分离效率与实验值吻合较好;在一定气速范围内,减小导流叶片出口角、增加中心体直径以及减小排气管直径均能够提高分离效率,即对于一定结构的分离器,存在相应的临界气速能够使分离器的分离效率达到最大值,随气速继续增大,分离效率呈下降趋势。根据实验结果提出分离器在不同工况下的设计准则,当气速高于临界气速时,为保证分离器分离效率,维持较低压降,设计导叶出口角为45°,中心体直径与筒体直径比为0.5,排气管直径与筒体直径比为0.85,分离器长度与筒体直径比为3。当入口气速低于临界气速时,可根据理论模型对分离器结构参数进行调整。     

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。     

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。     

重力式油水分离器的分离特性研究

利用重力式分离模拟试验系统,以白油和水作为工作介质,分析了6个取样口和油出口、水出口的油水分离效果,进而研究了卧式油水分离器的分离特性和流动规律。研究表明:①分离器内存在一个最佳的油水界面位置,在该位置油层中的水滴分离效果最好,油相粘度是决定该位置的重要参数;②油层厚度相同时,入口含油浓度越小,油相需要的停留时间越少,分离效率就越高,水相的分离效率与入口含油浓度无直接关系;③无内部构件的分离器底部流场存在剧烈的涡流,严重影响油水分离特性,须添加整流和聚结构件,改善分离器内部流场,促进小液滴的聚结合并,以提高油水分离效率。     

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。