集冷凝和離心分離功能于一體的天然氣超音速旋流分離技術(shù)

段振亞 梁龍輝 李 帥 劉 展 李鎮(zhèn)江 劉新哲

1. 青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2. 天津力冠能源科技有限公司

超音速旋流分離器由荷蘭Groningen氣田總工程師Willink將其應(yīng)用到天然氣脫水、脫重?zé)N領(lǐng)域以來[1-2]，由于具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、無轉(zhuǎn)動(dòng)部件、可靠性高、無化學(xué)添加劑、投資和維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1 天然氣超音速旋流分離器結(jié)構(gòu)及工作原理

超音速旋流分離器的主要結(jié)構(gòu)有超音速噴管、旋流器、分離器和擴(kuò)壓器等（圖1）。根據(jù)旋流器相對(duì)于超音速噴管的位置，超音速旋流分離器可分為前置式和后置式兩種結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)的分離器工作原理基本相同，現(xiàn)以后置式天然氣超音速旋流分離器為例，對(duì)其工作原理作簡要介紹。在超音速旋流分離器中，待處理的天然氣進(jìn)入超音速噴管后發(fā)生絕熱膨脹，使得氣體由亞音速狀態(tài)加速到超音速狀態(tài)，此階段內(nèi)，天然氣的壓力和溫度迅速下降，在低壓和低溫的環(huán)境中，天然氣中的水蒸氣和重?zé)N產(chǎn)生液滴成核現(xiàn)象，液滴以液核為中心開始生長，形成氣體和凝析液的混合流體。氣液兩相流在通過旋流器后，流體獲得切向加速度，流體速度的方向發(fā)生改變。由于氣液之間的質(zhì)量差，產(chǎn)生的巨大離心力將冷凝出來的小液滴甩到管內(nèi)壁上并形成一層水膜，再通過管壁內(nèi)與同軸的擴(kuò)壓器形成的圓環(huán)槽排出。凝析液和部分氣體由圓環(huán)槽進(jìn)入分離器，完成了氣液分離的過程。干氣進(jìn)入擴(kuò)壓器后速度逐漸降低，壓力逐漸升至進(jìn)口壓力的70%～80%。

圖1 后置式天然氣超音速旋流分離器示意圖

2 天然氣超音速旋流分離器的數(shù)值模擬研究

在超音速旋流分離器內(nèi)，天然氣的流動(dòng)過程十分復(fù)雜，包含可壓縮氣體非穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)過程、氣液相變過程、氣液旋流流動(dòng)過程和氣液分離等主要過程。針對(duì)天然氣超音速旋流分離器數(shù)值模擬的研究工作也就主要集中在旋流流動(dòng)過程、內(nèi)部凝結(jié)過程和內(nèi)部流動(dòng)過程等方面。

2.1 旋流流動(dòng)過程

天然氣在超音速旋流分離器內(nèi)的旋流流動(dòng)是實(shí)現(xiàn)天然氣有效脫水過程不可或缺的條件。天然氣在旋流器的作用下獲得切向速度，產(chǎn)生巨大的離心力，將在超音速噴管中由于低溫凝結(jié)而產(chǎn)生的重組分液滴和重?zé)N“甩”向壁面，從而實(shí)現(xiàn)天然氣的脫水過程。

劉興偉等[5]認(rèn)為旋流器在分離器內(nèi)的位置會(huì)對(duì)管內(nèi)流場產(chǎn)生重要影響，建立了4種安裝在不同位置的旋流器超音速旋流分離器數(shù)值模型，模擬了超音速旋流分離器內(nèi)的流場分布。模擬結(jié)果顯示：在相同的壓損比下，采用旋流后置I型超音速旋流分離器可以獲得更大的溫降。曹禹等[6]在前置式超音速旋流分離器的基礎(chǔ)上，分析了其導(dǎo)流葉片的螺距變化與超音速旋流分離器內(nèi)部流場分布的關(guān)系。數(shù)值模擬結(jié)果顯示：減小導(dǎo)流葉片的螺距，可以增大分離器內(nèi)流體的離心加速度和改善分離器出口氣液的分離性能，同時(shí)下游的擴(kuò)壓器內(nèi)流場變化較為穩(wěn)定。當(dāng)旋流器的螺距為30 mm 時(shí)，分離器的分離性能較好，流體的旋流渦心點(diǎn)靠近管中心，離心加速度為32 896.68 g（g表示重力加速度）。周馳等[7]為了獲取超音速天然氣脫水裝置中螺旋導(dǎo)流器的最優(yōu)葉片出口角，設(shè)計(jì)了螺旋導(dǎo)流器，分別對(duì)葉片出口角為20°、25°、30°、35°和40°螺旋導(dǎo)流器進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：當(dāng)出口角在20°～25°范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，切向速度迅速減??；當(dāng)出口角繼續(xù)增大，其值變化較??；不同出口角下，軸向速度基本不變，而徑向速度變化較大，出口角為30°時(shí)，徑向速度波動(dòng)最小，穩(wěn)定性最高。通過比較動(dòng)能與壓降比值的差異，當(dāng)出口角介于25°～35°時(shí)，動(dòng)能與壓降比值較好。最終確定葉片出口角為30°時(shí)，其速度分布與壓降損失最為合理。

2.2 內(nèi)部凝結(jié)過程

待處理天然氣在超音速噴管內(nèi)發(fā)生絕熱膨脹，使得部分氣體達(dá)到過飽和狀態(tài)，并發(fā)生凝結(jié)成核現(xiàn)象。當(dāng)凝結(jié)核心的尺寸增大到臨界尺寸時(shí)，液滴開始以液核為中心生長。根據(jù)傳統(tǒng)的自發(fā)凝結(jié)理論可知，能夠分別利用均質(zhì)成核理論與液滴生長模型描述。

2.2.1 水蒸氣凝結(jié)成核模型

在均質(zhì)成核理論中，隨著水蒸氣的過飽和度達(dá)到某一程度時(shí)，水蒸氣分子就會(huì)開始發(fā)生凝結(jié)，變成包含一定數(shù)目水分子的凝結(jié)核心。目前，CNT經(jīng)典一元體系成核理論是工程上應(yīng)用最廣泛的描述水蒸氣凝結(jié)成核公式。但是CNT經(jīng)典一元體系成核理論的計(jì)算精度過低，學(xué)者們提出了很多基于經(jīng)典成核理論的修正模型，如自由能障修正的CNT模型、非等溫修正的CNT模型和修正的ICCT模型等[8]。

2.2.2 液滴生長模型

當(dāng)氣體完成凝結(jié)成核后，不穩(wěn)定的過飽和氣體便進(jìn)入了以液核為中心的生長過程。在很多的自然現(xiàn)象和工業(yè)過程中，液滴的生長過程普遍存在，因此吸引了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。在液滴生長理論研究方面較有權(quán)威的有Gyamathy、Hill和Young等。

目前Gyamathy提出的液滴生長率模型是超音速凝結(jié)數(shù)值模擬中運(yùn)用較為普遍的模型，該模型一般應(yīng)用在自由分子流、連續(xù)流以及過渡區(qū)的液滴生長理論計(jì)算。針對(duì)在低壓環(huán)境下Gyamathy模型估算誤差較大的情況，Young在Gyamathy 模型的液滴生長率公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了Young 模型。該模型適用范圍更廣，但忽視了液滴區(qū)域的變化而將其作為整體進(jìn)行計(jì)算。

大量文獻(xiàn)表明[12-17]，在超音速凝結(jié)的數(shù)值模擬中，Gyamathy模型的液滴生長模型應(yīng)用較為廣泛。韓中合等[15]利用Gyamathy模型研究了濕天然氣在超音速旋流分離器內(nèi)的凝結(jié)現(xiàn)象。模擬結(jié)果較好地體現(xiàn)了超音速分離管內(nèi)部凝結(jié)參數(shù)的分布規(guī)律，并提出了適當(dāng)調(diào)整入口溫度和壓力的方法來改善超音速分離器的分離性能。

2.3 內(nèi)部流動(dòng)過程

天然氣在超音速旋流分離器中發(fā)生相變，其流動(dòng)涉及氣液兩相流動(dòng)過程。針對(duì)天然氣超音速旋流分離器內(nèi)部流動(dòng)過程的數(shù)值計(jì)算，氣相采用歐拉法計(jì)算。由于液滴的計(jì)算方法分為歐拉法和拉格朗日法，氣液兩相流動(dòng)的描述方法也分為歐拉－歐拉法和歐拉－拉格朗日法。氣相的數(shù)值計(jì)算通常采用湍流模型，而液相則常通過離散相模型（DPM）計(jì)算。涉及天然氣在超音速旋流分離器內(nèi)的流動(dòng)問題時(shí)，通常采用混合氣體自發(fā)凝結(jié)流動(dòng)的一維模型、兩相雙/多組分凝結(jié)流動(dòng)的三維湍流模型和Eulerian雙流體凝結(jié)流動(dòng)的多維模型等凝結(jié)流動(dòng)模型[8]求解。

劉恒偉[17]利用混合氣體自發(fā)凝結(jié)流動(dòng)的一維模型，分析了不凝氣體與水蒸氣混合物在超音速旋流分離器內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象。韓中合等[15]通過兩相雙/多組分凝結(jié)流動(dòng)三維模型對(duì)含有自發(fā)凝結(jié)的兩相超音速流動(dòng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。模擬結(jié)果能夠較好地展現(xiàn)沿噴管軸向截面的過冷度、成核率、液滴半徑和濕度等主要凝結(jié)參數(shù)的分布規(guī)律。馬慶芬等[18]利用Eulerian雙流體凝結(jié)流動(dòng)的多維模型，分析了含濕氮?dú)庠诔羲賴姽苤邪l(fā)生高速膨脹時(shí)水蒸氣的自發(fā)成核現(xiàn)象。模擬計(jì)算結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。劉興偉等[19]利用離散相模型（DPM）較好地再現(xiàn)超音速旋流分離器內(nèi)氣液的旋流分離現(xiàn)象，研究了氣流流量、液滴直徑大小、旋流強(qiáng)度和壓損比與超音速旋流分離器氣液分離性能的關(guān)系。

3 天然氣超音速旋流分離器的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 國外相關(guān)研究現(xiàn)狀

Willink于1997年在室內(nèi)進(jìn)行了天然氣超音速分離的實(shí)驗(yàn)[1]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：天然氣超音速旋流分離裝置不僅可以分離天然氣中的水，還能夠除去天然氣中的重?zé)N等。隨后他在Groningen氣田進(jìn)行了中試試驗(yàn)，中試試驗(yàn)不僅提供了超音速分離裝置具有脫除水和重?zé)N的能力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，而且整個(gè)裝置的壓損也在可接受范圍之內(nèi)?；始液商m殼牌集團(tuán)公司（以下簡稱殼牌公司）與Beacom風(fēng)險(xiǎn)投資有限公司于2000年共同成立了用于研究和推廣超音速旋流分離技術(shù)的Twister BV科技有限公司（以下簡稱Twister BV公司）。目前，Twister超音速旋流分離器經(jīng)過兩代發(fā)展，在關(guān)鍵技術(shù)上獲得了重大的突破。兩代Twister超音速旋流分離器的基本結(jié)構(gòu)相同，兩代產(chǎn)品的不同之處在于旋流器的安裝位置。第一代Twister超音速旋流分離器通過安裝在超音速噴管的擴(kuò)張段下游的三角翼，產(chǎn)生切向速度，使來流天然氣發(fā)生旋流。為克服第一代Twister產(chǎn)品技術(shù)上的缺點(diǎn)[20-21]，第二代Twister超音速旋流分離器則在超音速噴管的上游安裝旋流器，且第二代產(chǎn)品采用了垂直安裝方式[22]。

在本研究報(bào)道中，觀察組患者近期療效歲高于對(duì)照組，但兩組之間比較結(jié)果，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。連續(xù)干預(yù)6個(gè)月后，觀察組患者治療總有效率有明顯提高且遠(yuǎn)高于對(duì)照組，說明系統(tǒng)性康復(fù)訓(xùn)練雖在近期療效并不明顯，但對(duì)于患者遠(yuǎn)期療效有明顯提高，更有利于患者預(yù)后，加速患者康復(fù)。患者術(shù)后盡早進(jìn)行系統(tǒng)性康復(fù)訓(xùn)練后，不僅能促進(jìn)膝關(guān)節(jié)部分的血液供應(yīng)、加快周圍靜脈及淋巴的回流，更能加速膝關(guān)節(jié)腫脹的消退，促進(jìn)膝關(guān)節(jié)對(duì)滲出液的吸收，改善膝關(guān)節(jié)及整個(gè)下肢的血液循環(huán)，從而提高膝關(guān)節(jié)部分的營養(yǎng)供應(yīng)，恢復(fù)關(guān)節(jié)的平衡及功能。

Twister BV公司在尼日利亞的試驗(yàn)裝置成功地將天然氣中的水分脫除到管線要求的標(biāo)準(zhǔn)，水露點(diǎn)降低22～28 ℃（進(jìn)氣溫度20 ℃時(shí)，出口氣體的露點(diǎn)為－2～ －8 ℃）。2003年，第一個(gè)商業(yè)化的Twister超音速脫水系統(tǒng)在馬來西亞的B11海上平臺(tái)上開始工作[23]。該脫水平臺(tái)由6個(gè)超音速旋流分離器構(gòu)成，總處理能力接近850×104m3/d，壓力降達(dá)25%～30%，出口露點(diǎn)達(dá)10 ℃。在SSB B11平臺(tái)4年多連續(xù)試驗(yàn)中，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，能極大地節(jié)約投資和操作費(fèi)用。Twister BV公司于2005年成功開發(fā)了低壓降天然氣超音速旋流分離器，并在荷蘭Groningen油氣田的Gasunie試驗(yàn)廠完成了試驗(yàn)研究工作[24]。

在殼牌公司進(jìn)行超音速旋流分離技術(shù)研究的同時(shí)，作為能源大國的俄羅斯在該技術(shù)上也做了大量的研究工作，并將其自主研發(fā)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品稱為3S(-Supersonic Swirling Separator)。3S是俄羅斯 ENGO公司集團(tuán)旗下Translang科技有限公司（以下簡稱Translang公司）將關(guān)于空氣動(dòng)力學(xué)的航天技術(shù)成果成功應(yīng)用于油氣田中天然氣加工、凈化等領(lǐng)域中的一項(xiàng)新型技術(shù)成果[25]。

自從3S技術(shù)出現(xiàn)以來，Translang公司加大了該技術(shù)的研發(fā)和推廣力度。Translang公司分別在俄羅斯莫斯科州和加拿大卡爾加里附近建立了天然氣處理量為30×104m3/d（2.5 kg/s）和 110×104m3/d（9 kg/s）的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[26]。研究人員針對(duì)不同溫度、壓力、成分以及亞音速、音速和超音速狀態(tài)下的天然氣對(duì)3S系統(tǒng)共進(jìn)行了400余次實(shí)驗(yàn)，獲得了大量的工業(yè)運(yùn)行條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2004年9月，Translang公司在俄羅斯西伯利亞建成了第一套工業(yè)裝置，并一直在工業(yè)生產(chǎn)條件下運(yùn)行，從而完成了從試驗(yàn)研究到工業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程[25]。

中石油新疆塔里木油氣田牙哈集中處理站于2010年引進(jìn)了俄羅斯的3S裝置，并成功應(yīng)用于油氣田的天然氣凈化處理[27]。運(yùn)行結(jié)果顯示：3S系統(tǒng)的天然氣日處理量為180×104m3，在3S裝置的入口壓力為11 MPa、入口溫度為5 ℃、出口壓力為7 MPa的條件下，出口溫度降為－8 ℃，并且能夠有效除去天然氣中最大粒徑為100 μm的液滴。

3.2 國內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的學(xué)者和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)超音速旋流分離技術(shù)也做了大量的研究工作，其中中國石油大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)和大連理工大學(xué)等都在該技術(shù)領(lǐng)域取得了一定的研究成果。

2003年，北京工業(yè)大學(xué)與中石化在勝利油田共同進(jìn)行了日處理量為11×104m3的超音速旋流分離技術(shù)試驗(yàn)，印證了超音速脫水技術(shù)工業(yè)化的可行性[28]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：天然氣超音速旋流分離器的進(jìn)出口露點(diǎn)降最大為35 ℃，最小為10 ℃；其中分離器脫水量為17 mL/m3，整個(gè)系統(tǒng)的脫水量在28～40 mL/m3范圍內(nèi)。鮑玲玲等[29]為了獲得分離效率高的旋流器，設(shè)計(jì)了一套分別對(duì)采用內(nèi)置A、B型旋流器的再循環(huán)超音速旋流分離器，研究超音速旋流分離器的脫水性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：內(nèi)置A型旋流器能使氣體產(chǎn)生較強(qiáng)的旋流，B型旋流器對(duì)氣體產(chǎn)生較大的阻力。采用內(nèi)置A型旋流器的分離器分離效率較高，脫水性能較好，即分離器脫水性能受旋流特性的影響更大，內(nèi)置旋流器的旋流特性越好，超音速旋流分離器的脫水效果越好。

大連理工大學(xué)的馬慶芬[9]通過搭建超音速旋流分離器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了錐芯式超音速旋流分離器的分離性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：錐芯式超音速旋流分離器的分離性能相對(duì)超音速噴管為圓形截面的裝置較好。相對(duì)于分離部分分別為等徑管和漸擴(kuò)等徑交替管圓形截面的超音速噴管的分離器，錐芯式超音速旋流分離器的分離效率和露點(diǎn)降最大值分別提高了21.8%、4.3 K和13.7%、2.7 K。通過增大凝結(jié)液滴尺寸的方法，能夠顯著改善錐芯式超音速旋流分離器的氣液分離性能，分離效率和露點(diǎn)降最大值可達(dá)到52.1%和29.0 K，分別提高了約30.3%和8.1 K。

中國石油大學(xué)的魯樹東[23]完成了超音速脫水裝置的試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：此裝置用于天然氣脫水性能可靠，能除去大量水和烴類物質(zhì)。在3.8 MPa壓力下，天然氣的露點(diǎn)降達(dá)到了20 ℃以上，能夠有效地抑制冷凝分離過程中水合物的產(chǎn)生。文闖等[30]通過搭建的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要研究了前置式超聲速旋流分離器的脫水性能，重點(diǎn)探究了壓力損失與露點(diǎn)降的關(guān)系和旋流對(duì)超音速旋流分離器過流能力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：前置式超音速旋流分離器干氣出口的水露點(diǎn)能夠達(dá)到－2.8 ℃，露點(diǎn)降為34.9 ℃。當(dāng)壓力損失減小時(shí)，露點(diǎn)降隨之減?。划?dāng)超音速旋流分離器的壓損高于30 %時(shí)，露點(diǎn)降最少達(dá)到18 ℃，分離器能夠正常工作；入口壓力對(duì)超音速旋流分離器的露點(diǎn)降基本沒有影響；隨著流體旋流強(qiáng)度的增加，只有來流的質(zhì)量流量達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，分離器才能夠正常工作。曹學(xué)文等[31]設(shè)計(jì)了一套新型橢球體超聲速旋流分離器，并利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和數(shù)值模擬方法，對(duì)分離器的脫水性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：該分離器具有良好的脫水性能，壓力恢復(fù)系數(shù)在20.6%～69.8%之間，最大露點(diǎn)下降為34.9 ℃。隨著壓力恢復(fù)系數(shù)的增大，露點(diǎn)降減小，露點(diǎn)降在較大的恢復(fù)系數(shù)（69.8%）下為18.3 ℃。當(dāng)質(zhì)量流量滿足分離器工作要求時(shí)，入口壓力和入口溫度對(duì)脫水性能影響不大。此外，脫水性能不受液體出口壓力的影響。即設(shè)計(jì)的分離器可以在一個(gè)大范圍的進(jìn)出口工作條件下正常工作。

宋輝等[32]進(jìn)行了超音速旋流分離器的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，研究了壓力損失對(duì)干氣露點(diǎn)溫度的影響。當(dāng)室內(nèi)試驗(yàn)的分離器壓損達(dá)到40%時(shí)，干氣露點(diǎn)溫度可達(dá)－16.6 ℃；現(xiàn)場試驗(yàn)的裝置壓損為70%時(shí)，干氣露點(diǎn)溫度可達(dá)－9 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用超音速旋流脫水方法，能夠有效地脫除天然氣的水分。

目前，荷蘭的殼牌公司和俄羅斯的Translang公司成功地將超音速旋流分離技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)天然氣的凈化處理領(lǐng)域。我國學(xué)者也對(duì)天然氣超音速旋流分離器開展了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，但主要是開展低壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)介質(zhì)的壓力一般均不超過1 MPa，與壓力一般為幾兆帕到幾十兆帕的實(shí)際天然氣情況差別較大。低壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于驗(yàn)證數(shù)值模擬等工作，但是采用低壓試驗(yàn)結(jié)果研究高壓的天然氣脫水機(jī)理可能會(huì)存在一定的誤差。因此課題組聯(lián)合天津力冠能源科技有限公司開展了超音速旋流分離器的高壓實(shí)驗(yàn)[33]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)入口壓力為13.2 MPa、出口壓力為9.25 MPa（壓損比30%）、入口溫度為28℃時(shí)，露點(diǎn)降為7 ℃；在高壓環(huán)境下，隨著裝置的進(jìn)出口壓損比升高，露點(diǎn)降也逐漸升高。當(dāng)裝置的壓損比為54%時(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得的最大露點(diǎn)降為15 ℃。

4 結(jié)論與展望

天然氣超音速旋流分離技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用前景十分廣闊，但由于其過程的復(fù)雜性，理論研究還不成熟，限制了該技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。上述的文獻(xiàn)分析表明：目前關(guān)于超音速旋流分離器的數(shù)值模擬研究主要集中在旋流流動(dòng)過程、內(nèi)部凝結(jié)過程和內(nèi)部流動(dòng)過程等方面，并取得了一定的成果。另一方面，國內(nèi)對(duì)超音速旋流分離器的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在低壓實(shí)驗(yàn)，可能在研究高壓天然氣的凝結(jié)機(jī)理及分離機(jī)理等方面存在一定的誤差。目前考量超音速旋流分離器的分離性能需要大量的數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)測試，很難便捷地確定超音速旋流分離器的最佳設(shè)計(jì)方案。為了加快推動(dòng)其工業(yè)化的應(yīng)用進(jìn)程，亟待完善和深入研究的相關(guān)工作主要包括：

1）天然氣超音速旋流分離器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，但是各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣對(duì)其冷凝和分離性能影響較大。解決超音速噴管的收縮段曲線和擴(kuò)張段曲線的匹配、旋流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與安裝位置等問題，有助于氣體凝結(jié)和提高氣液分離效率。

2）天然氣超音速脫水處理時(shí)，天然氣的壓力一般為幾兆帕到幾十兆帕。目前國內(nèi)研究主要集中在低壓實(shí)驗(yàn)，盡管能對(duì)高壓天然氣的脫水機(jī)理研究起到驗(yàn)證作用，但是用于解釋高壓天然氣的超音速凝結(jié)分離的機(jī)理會(huì)有一定的誤差。開展符合天然氣實(shí)際操作工況的高壓實(shí)驗(yàn)，有助于探究天然氣旋流分離的凝結(jié)和分離機(jī)理。

3）天然氣在超音速旋流分離器中的流動(dòng)過程異常復(fù)雜，主要包括旋流流動(dòng)過程、內(nèi)部凝結(jié)過程和內(nèi)部流動(dòng)過程等方面。國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作，并取得了一定的研究成果。但是目前的理論研究，尚無法準(zhǔn)確揭示高壓天然氣跨音速流動(dòng)時(shí)其中水分及重?zé)N的凝結(jié)機(jī)理和分離過程，亟待在該方面進(jìn)行深入的研究，確定影響分離性能的因素，以期為天然氣旋流分離器的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。