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1、喷管超音速分离技术在天然气脱水中的应用研究第18卷第1期2010年3月北京石油化工学院JournalofBeijingInstituteofPetro—chemicalTechnologyVo1.18NO.1Mar.201O喷管超音速分离技术在天然气脱水中的应用研究*宋婧王丽陈家庆陈志明.(1.北京化工大学,北京100029;2.北京石油化工学院,北京1026l7)摘要喷管超音速旋流分离技术是天然气处理工艺技术的一大创新技术,是一种集气体动力学,热力学和流体力学理论为一体的新型气体干燥处理技术,是超音速冷凝与离心分离技术的有机结合.喷管超音速分离器由喷管,超音速翼段,分离段和扩压段四部分
2、组成,它依靠喷管膨胀形成低温,低压超音速流动,并通过超音速翼形成旋流,从而实现冷凝水及重烃的分离.现有研究表明,喷管超音速分离器具有分离效率高,体积小,可实现无人操作,并且不需要使用任何化学药剂等优点,因此该项技术在天然气净化脱水领域具有广阔的应用前景.关键词喷管;超音速;脱水技术;超音速翼中图法分类号TE868天然气开发和利用是未来我国能源工程中新的课题.据专家预测,在不久的将来,我国对石油的需求以年4的速度增长,对天然气的需求则以年l5的速度增长,这意味着更大的天然气工程需求.通常天然气中含有饱和水蒸汽,H.S,固体颗粒物等杂质,在天然气输送和处理过程中水蒸汽易凝结形成液态水,而液态
3、水容易溶解酸性气体形成具有强腐蚀性的酸液腐蚀设备.液态水也容易与烃结合形成天然气水合物,水合物的形成,腐蚀,高压降,其结果会引起管线,节流阀,各种阀门以及仪表堵塞继而降低传输效率,很难达到管道输送的要求,因此需要建立有关的净化装置.其中天然气脱水是天然气输送过程中的一个重要环节,它的目的就是脱除天然气中的水蒸汽,避免水合物的形成.1天然气脱水技术概况天然气脱水技术有膜分离技术,冷凝分离法,溶剂吸收法,固体吸附法等等.(1)膜分离技术.该方法是采用特定的膜,收稿日期:2009—1l—O3*北京市属高等学校人才强教计划资助项目,项目号:PHR200906214.使流体通过该膜的渗透作用,并借
4、助外部能量的推压,使多组分流体发生分离[.但膜分离法具有一定的局限性,用于脱除天然气中的酸性气体时,隔膜很容易被气体腐蚀,在使用过程中需要较高的压力,并且这种技术造价很高j.(2)冷凝分离法.此方法是借助多组分混合气体凝结为液体的温度差,在一定压力下,将混合气体的温度降至露点温度以下,使混合气体轻重组分凝结为液体.然后根据混合气体轻重组分的相对密度差和互不溶解的特点,实现轻重组分分离.因此要实现气体轻重组分的分离,就必须保持低温,配置制冷设施,而要配置制冷设施,一方面增加投资,另一方面也增加了操作费用].(3)溶剂吸收法.此方法是根据混合气体各组分在液体中溶解度的不同,用适当的溶剂来处理
5、混合气体,从而达到混合气体各组分的分离.目前普遍采用的溶剂是三甘醇,但采用三甘醇脱去天然气中的水,其工艺技术复杂,设备装置繁多,系统庞大,并且投资费用也很高.(4)固体吸附法.固体吸附法是借助混合气体中各组分在固体表面上吸附能力的差异,实现混合气体各组分之间的分离.因此,可利22北京石油化工学院2010年第18卷用固体表面孔隙吸附大量水分子的特点,对天然气进行脱水.目前,虽然固体吸附法应用于很多气体分离领域,但该方法流程复杂,能耗高,对于大型装置,其投资和操作费用高[5].由于以上这些技术存在着许多缺点,如设备庞大,投资高,能耗大,需要注入化学药剂等,因此,需寻求一种技术先进,设备简单,
6、操作方便,经济节省的脱水方法.近年来,喷管超音速分离技术在很多方面克服了传统方法的不足,它是把膨胀,汽液旋转离心分离和扩压等工序结合在一起的结构紧凑型管道分离装置.2喷管超音速分离装置发展进程1989年由StorkProductEngineering提出的一项叫作"condicyclone"的空调专利技术——它让空气以超音速流入一段管子,利用旋风分离的原理除去空气中的水分,这就是所谓的喷管.从应用方面看,目前的喷管主要分为风洞喷管,发动机喷管以及用于产生超声速射流的喷管,而用于气体脱水的是超声速射流的喷管l6].当时荷兰Groningen气田的总工程师K.T.Willink注意到了198
7、9年"condi—cy—clone"这项空调专利技术,并意识到该项技术在天然气脱水中有重大的应用前景,于是组织力量对其进行了研究.当年,他进行了空气一水分离实验,图1是建立的实验台[】.图1空气一水分离实验台喷管超音速分离器由拉伐尔喷管,超音速整流管,超音速翼(即分离叶片),扩压管等构件组成,这些构件形成了一个连通的管道,保证流体能够顺利通过.在超音速旋流分离器中,天然气通过喷管绝热膨胀至超音速,其温度和压力将降低,形成低温低压,天
