天然氣超音速分離脫水技術(shù)研究進(jìn)展

戴國華，桑 軍，萬宇飛

（中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300459）

天然氣作為一種清潔高效能源，在我國能源結(jié)構(gòu)的改善和環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮著越來越重要的作用。據(jù)預(yù)測，2050年前后，天然氣占比將超過石油等化石燃料，成為人類一次能源結(jié)構(gòu)中的首要能源，宣告人類正式進(jìn)入天然氣時代。同時，隨著人們對于碳排放的重視，以及我國對節(jié)能減排、治理污染的政策引導(dǎo)，對天然氣加工處理和集輸提出了更高的要求。

采出的天然氣中一般含有砂粒、水、重?zé)N，以及硫化氫、二氧化碳等酸性氣體，特別是油田伴生氣[1]，這給天然氣的安全高效集輸、儲存和應(yīng)用帶來一系列難題，主要體現(xiàn)在水的存在將加速H2S和CO2對管線和設(shè)備的腐蝕，以及生成水合物堵塞流動空間造成事故[2]。因此，國內(nèi)外油氣田一般多采用深度脫水后外輸，以減少水合物抑制劑的注入和防止因腐蝕沖蝕造成設(shè)施的破壞。

常用的天然氣脫水方法包括低溫冷凝分離法、三甘醇等溶劑吸收法、分子篩等固體吸附法和膜分離法等[3]，這些傳統(tǒng)技術(shù)具有分離效果好、脫水深度高、可達(dá)到較低露點等優(yōu)點，因此得到了廣泛應(yīng)用。但也存在著設(shè)備龐大、投資高、能耗大和一定的環(huán)境污染等問題，不適合于空間有限的海洋油氣田的開發(fā)[4]，特別是環(huán)保要求日益嚴(yán)格的當(dāng)下。近年來，由于結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、脫水效率高、能耗低和環(huán)境友好等特點，超音速分離脫水技術(shù)（Super Sonic Separator，3S）逐漸被人們重視[5]，并圍繞其結(jié)構(gòu)設(shè)計、流動形態(tài)、凝結(jié)機理、關(guān)鍵因素和適應(yīng)性等方面開展了大量的研究工作，為其今后發(fā)展和工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 天然氣超音速分離技術(shù)原理與技術(shù)對比

1.1 技術(shù)原理

超音速分離裝置主要由拉瓦爾噴管、旋流分離段和擴壓管三部分組成，如圖1所示。整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，占地面積小，降溫幅度大（最大溫降可達(dá)到?100℃[6]），同時具備節(jié)流閥、膨脹機、旋流器和壓縮機的功能[7]。天然氣以均勻的流速進(jìn)入拉瓦爾噴管，在噴管的漸縮段，流速由亞音速顯著增大并在喉部達(dá)到音速，溫度和壓力持續(xù)降低。然后氣體進(jìn)入漸擴段，流速進(jìn)一步增大，根據(jù)系統(tǒng)需要，決定氣體的馬赫數(shù)，在這個過程中溫度和壓力進(jìn)一步降低，達(dá)到設(shè)計溫度。氣體從拉瓦爾噴管流出后，在旋流分離段降低流速和紊流度，并在旋流器的作用下產(chǎn)生旋向加速度，一般要求達(dá)到106m/s2[8]，甚至2.2×107m/s2[9]。氣體中重?zé)N或凝結(jié)的水滴在離心力的作用下沿著壁面流出，氣相則進(jìn)入擴壓管，流速降低的同時壓力和溫度逐漸回升。整個過程沒有外部能量的輸入，全部的能量轉(zhuǎn)換均發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部，可以看作是絕熱等熵過程。高速氣流通過該裝置用時極短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水合物晶核形成的時間，因此無需添加水合物抑制劑等藥劑，減少對環(huán)境的污染。另外，由于沒有轉(zhuǎn)動組件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場安裝、調(diào)試和維護(hù)等方面簡單方便，工程投資較少，運維成本低。

圖1 天然氣超音速分離器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 3S

1.2 天然氣超音速分離脫水技術(shù)比較

目前常用的天然氣脫水方法主要包括以三甘醇為代表的溶劑吸收法、正（負(fù)）壓變壓吸附法、膜分離法和低溫冷凝分離法等。各方法相比于超音速分離技術(shù)來說，均存在一定不足。溶劑吸收法由于工藝復(fù)雜，需要安裝吸收塔、重生塔、高溫加熱器等大型設(shè)施，存在投資大、操作困難和醇類溶劑易被攜帶而失效等缺點，特別不適用于空間有限的海上天然氣的脫水處理。變壓吸附法設(shè)備投資和操作費用較高，易發(fā)生吸附劑中毒和破碎粉化等問題，且天然氣中的重?zé)N、H2S和CO2等會污染固體吸附劑，影響脫水效果和深度。膜分離法會因為膜的塑化和溶脹性引起穩(wěn)定性降低、烴損和濃差極化等問題，且存在著氣體通透量低、耐熱、耐腐蝕性差和一次性投資較大等缺點。低溫冷凝分離法分為冷劑制冷和直接制冷兩種，冷劑制冷溫度有限（一般?25～?35℃[10]），凝點低成分的液化率較低。直接制冷方法主要包含節(jié)流（閥）制冷、膨脹（機）制冷和超音速分離（器）冷凝等，其中節(jié)流閥（J?T閥）結(jié)構(gòu)簡單，能量損失較大，過程不可逆。膨脹機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣質(zhì)要求高，在攜液條件下，容易造成流道破碎、轉(zhuǎn)子失穩(wěn)等問題。超音速分離制冷技術(shù)不僅綜合了節(jié)流閥和膨脹機的優(yōu)勢，還具有旋流分離器和壓縮機的功能。相比于J?T閥和膨脹機制冷，若在相同壓差條件，超音速分離器產(chǎn)生更大的溫降。圖2列舉了某一項目中，為達(dá)到相同溫壓條件的產(chǎn)品，對比分析了超音速分離器方案、J?T閥方案和膨脹機方案的溫降幅度和分離效果。從結(jié)果可以看出，在不同進(jìn)出口壓比條件下，超音速分離器溫降幅度均高于膨脹機和J?T閥，且隨著壓比的升高，溫降幅度的差異將顯著增大，相應(yīng)的超音速分離器方案的重?zé)N（包括水）收率高于膨脹機和J?T閥，且隨氣體溫度升高，超音速分離器脫水效果相對更明顯。L.D.O.Arinelli等[11]綜合比較了超音速分離器與三甘醇法、節(jié)流閥和膜滲透法，以及之間的組合工況在脫水和脫CO2方面的性能，認(rèn)為超音速分離器+三甘醇脫水或節(jié)流閥+膜滲透法在高含碳（摩爾分?jǐn)?shù)為44%）的海上濕天然氣中具有較好效果。J.Bian等[12]借助HYSYS軟件中膨脹機模塊，研究了超音速分離器作為三甘醇脫水預(yù)處理工藝的可行性，并與節(jié)流閥作為預(yù)處理工藝方案進(jìn)行了對比，認(rèn)為超音速分離器具有較強的適應(yīng)性。

圖2 天然氣超音速脫水技術(shù)與J-T閥方案、膨脹機方案性能對比Fig.2 The performance comparison of 3S dehydration technology with J-T valve scheme and expander scheme

2 超音速分離技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1989年，Stork Product Engineering公 司 首 次將超音速分離技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中以分離脫除空氣中的水，并申請名為Condition?Cyclone的專利[13]。1996年，俄羅斯Translang公司開始利用航天空氣動力學(xué)研究成果應(yīng)用于石油天然氣領(lǐng)域的氣液分離，并設(shè)計制造出一套占地面積小、處理高效的新型天然氣脫水裝置，即天然氣超音速分離器。此后，在莫斯科開展了30×104m3/d處理量的工業(yè)化和在加拿大南部卡城完成了110×104m3/d處理量的工業(yè)性示范工程。通過測試運行，獲得大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和各項性能指標(biāo)[14]。1997年，Shell公司在基礎(chǔ)理論與數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計制造出第一代用于天然氣脫水分離的超音速分離裝置，并命名為Twister[15]。2004年，世界上第一臺天然氣超音速分離裝置在馬來西亞沙撈越氣田投產(chǎn)應(yīng)用，證明了工業(yè)化超音速分離裝置用于天然氣脫水的可行性，該裝置的應(yīng)用較常規(guī)三甘醇脫水技術(shù)減少投資約（0.3～0.8）億美元。同期，Translang公司在西伯利亞安裝了一套160×104m3/d處理量的工業(yè)化超音速分離器[16]。2011年，塔里木油田牙哈凝析氣處理廠引進(jìn)了國內(nèi)第一套超音速分離裝置，在節(jié)流閥減壓溫降析液的基礎(chǔ)上，并聯(lián)了兩臺處理量為（180～185）×104m3/d的超音速分離裝置，現(xiàn)場運行顯示加入超音速分離器后，凝析液總量大幅增加，水露點由?20℃降低至?45℃[17]，效果明顯。2018年，借鑒國外技術(shù)，渤海某油田建造了一臺處理量為30×104m3/d的超音速分離器，但目前未投產(chǎn)運行。

我國在天然氣超音速分離技術(shù)方面的研究起步較晚，目前尚處于探索研究階段。2001年，中石化勝利油田規(guī)劃設(shè)計院聯(lián)合北京工業(yè)大學(xué)在超音速分離器基礎(chǔ)理論和數(shù)值模擬方面做了大量研究工作，并搭建了國內(nèi)第一臺室內(nèi)實驗裝置[18]。2003年，江漢機械研究所聯(lián)合高校對超音速分離技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)基礎(chǔ)性研究，并于2006年研制出一套實驗樣機[19]。白博峰等[20]借鑒旋流分離器原理，設(shè)計了一種以切向進(jìn)氣方式產(chǎn)生旋流的超音速分離器。楊志毅[21]在基礎(chǔ)理論研究的基礎(chǔ)上，討論了主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和設(shè)計思想，并建立了流場分析模型。曹學(xué)文等[22?23]利用計算流體動力學(xué)方法，在拉瓦爾噴管的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面做了大量的對比分析研究，確定了合適的漸縮段、喉部和擴張段設(shè)計方法，研發(fā)出眾多天然氣超音速分離單元或裝置，并獲得相應(yīng)專利授權(quán)，如結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)超聲速分離器更加簡單的漸縮旋流型超聲速噴管[24]，無需旋流器、處理量大且靈活的天然氣超音速旋流分離系統(tǒng)等[25]。胡大鵬等[26]綜合數(shù)值模擬和試驗研究，研發(fā)一種錐心式超音速冷凝分離裝置，并分析了各關(guān)鍵因素對分離效率的影響情況?？涤耓27]利用數(shù)值模擬方法對超音速分離器內(nèi)部流場特性做了大量研究工作，研發(fā)了一種可調(diào)節(jié)式的超音速分離裝置，搭建了實驗室裝置并開展試驗性研究。邊江等[28?29]利用數(shù)值計算方法對天然氣混合物超聲速凝結(jié)流動過程進(jìn)行了模擬分析，分別得到入口壓力和入口溫度對液化效率的影響，并給出實際生產(chǎn)過程中的調(diào)節(jié)措施。

總體來說，國外在超音速分離器方面的研究與應(yīng)用較為成熟，已有較多工業(yè)化應(yīng)用的案例。而我國在此領(lǐng)域起步較晚，目前主要集中在理論計算和數(shù)值模擬階段，室內(nèi)實驗和現(xiàn)場測試試驗較少，特別是高壓天然氣的凝結(jié)機理及分離機理的實驗性研究[30]，且實驗測試成果較少公開，導(dǎo)致國內(nèi)超音速分離技術(shù)研究仍然處于探索階段。因理論研究和數(shù)值模擬與實際之間存在較大的偏差，且未曾開展現(xiàn)場測試和工業(yè)實驗，不能獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場和分離效果的性能數(shù)據(jù)，無法實質(zhì)性的對超音速分離器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，導(dǎo)致超音速分離裝置沒有在石油與天然氣領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)化和推廣應(yīng)用。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計研究進(jìn)展

拉瓦爾噴管作為超音速分離器最為關(guān)鍵的組件，其設(shè)計合理與否直接決定著超音速分離器的可行性與分離效果[31]，見諸報道的結(jié)構(gòu)設(shè)計中也主要是圍繞拉瓦爾噴管展開，特別是拉瓦爾噴管的漸縮段的設(shè)計。漸縮段主要由進(jìn)出口截面積比和形狀曲線確定。目前，研究較多的有：錐形管法、維托辛斯基曲線法、Batchelor?Shaw一維流曲線法、雙三次曲線法和五次曲線法等，如表1所示。

表1 拉瓦爾噴管漸縮段設(shè)計方法Table 1 Design method of laval nozzle tapered section

比較幾種方法可以看出，維托辛斯基曲線與Batchelor?Shaw曲線相似，收縮趨勢先快后緩，且平緩段較長，有助于氣體的穩(wěn)定，但會因為邊界層厚度增大引起流道減??；雙三次曲線和五次曲線的收縮趨勢相似，入口處有較長的平緩段，有助于氣體紊流度的削弱，出口處較為平緩，起到穩(wěn)流作用。國內(nèi)許多學(xué)者利用數(shù)值模擬手段對各設(shè)計方法進(jìn)行了計算，并基于計算結(jié)果做出優(yōu)化改進(jìn)。曹學(xué)文等[32]利用實驗研究了三次曲線設(shè)計的噴管的膨脹角對超音速凝結(jié)流動過程，認(rèn)為膨脹角對氣體凝結(jié)過程影響顯著，且隨著膨脹角越大，溫降越大，噴管制冷效果越好。史志龍[33]設(shè)計了一種旋流器前置的錐芯超音速旋流分離裝置，減少了液滴沉降距離和壓損。韓晉晉[34]采用五次曲線法用于漸縮段設(shè)計，并根據(jù)模擬計算結(jié)果設(shè)計了一種喉部變徑的可調(diào)結(jié)構(gòu)。張明益[35]建立了錐形超音速分離器模擬模型，分析了面積比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動的影響。曹禹等[36]選用五次曲線法用于漸縮段的設(shè)計，模擬計算與試驗結(jié)果基本相近。寧虎等[37]提出一種維托辛斯基加R修正曲線結(jié)合特征線法用于噴管的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并取得較傳統(tǒng)方式更均勻的流場效果。從研究情況來看，目前的研究仍主要是對現(xiàn)有設(shè)計方法的對比驗證，各設(shè)計方法均在不同場合取得較好的應(yīng)用效果。W.J.Sun等[38]利用雙三次曲線法設(shè)計的超音速分離器對脫CO2過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，結(jié)果證明了結(jié)構(gòu)設(shè)計和模型選擇的合理性。劉楊等[39?40]利用Fluent軟件系統(tǒng)研究了拉瓦爾噴管漸縮段、漸擴段張角及旋流器安裝位置對制冷性能的影響，認(rèn)為維托辛斯基曲線法設(shè)計的噴管優(yōu)于錐形管法、雙三次曲線法和五次曲線法設(shè)計的噴管。因此，在實際應(yīng)用時，應(yīng)首先根據(jù)各方法設(shè)計出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，再利用數(shù)值模擬方法模擬計算，對比確定出合適的結(jié)構(gòu)形式用于超音速分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用。

4 凝結(jié)機理模型研究進(jìn)展

由于天然氣在拉瓦爾噴管中高速膨脹，溫度顯著降低，流出噴管的天然氣基本處于過飽和狀態(tài)，并在后續(xù)的旋流分離段凝結(jié)成核，不斷生長為液滴，最后當(dāng)液滴直徑達(dá)到不小于2μm時[41]，在旋流離心力的作用下，被“甩”至管壁流出。其凝結(jié)成長機理對分離性能起到重要作用，根據(jù)自發(fā)凝結(jié)理論，當(dāng)凝結(jié)核心超過臨界尺寸時液滴不斷成長，因此這個過程可由成核模型和液滴生長模型表征。

4.1 成核模型

經(jīng)典成核理論（CNT）是眾多成核理論中研究和應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)象學(xué)理論之一。早在19世紀(jì)，Kelvin和Gibbs等先后研究了液滴能穩(wěn)定存在的必要 條 件[42]。20世 紀(jì) 初，Volumer和Weber等 利 用 玻爾茲曼分布規(guī)律和熱力學(xué)規(guī)律首次建立成核率公式。此后，眾多學(xué)者在此基礎(chǔ)上根據(jù)實際氣體不斷修正模型以克服理論推導(dǎo)過程中采用理想氣體狀態(tài)方程的不足，得到各修正模型，其中較為常見且應(yīng)用廣泛的成核模型見表2[43]。

根據(jù)報道表明，各修正模型較經(jīng)典CNT模型雖有較大改善，但很多情況下計算偏差依然較大。如Heist和Katz比較了理論計算值與實驗值，結(jié)果認(rèn)為過飽和度符合性較好，但成核率存在較大的差異。近年來，我國相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)對比性研究工作。劉恒偉利用自由能障修正的CNT模型預(yù)測了低壓氣體凝結(jié)過程中的Wilson位置，計算精度較高[44]。曹學(xué)文等[45?46]采用修正的ICCT模型計算了分離器入口壓力對分離效果的影響，進(jìn)而得到分離器工作壓力范圍。Y.Yang等[47]采用非等溫修正的CNT模型模擬計算了入口條件對超音速分離器中氣體凝結(jié)沖波的影響，結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相近。蔣文明[48]利用CNT模型模擬計算了低壓雙組分混合物在超音速分離器中的凝結(jié)過程，結(jié)果顯示該模型能較為準(zhǔn)確反應(yīng)該混合物系統(tǒng)的凝結(jié)特征。Q.F.Ma等[49]認(rèn)為高壓天然氣自發(fā)凝結(jié)過程宜采用非等溫修正的CNT模型或修正的ICCT模型。S.S.H.Rajaee等[50]利用不同濕度天然氣研究超音速分離器脫水凝結(jié)機理，并實現(xiàn)了超音速分離器的優(yōu)化。

表2 典型成核模型Table 2 Typical nucleation model

4.2 生長模型

成核后，大于液滴臨界尺寸的核心將逐漸生長為液滴，其生長過程取決于隨機運動的蒸汽分子與液滴的碰撞幾率，一般可用Knudsen數(shù)表征，即：

式中，l、μv、pv、R分別為飽和蒸汽分子平均自由程、黏度、蒸汽壓力和氣體常數(shù)。Fuchs通過考慮質(zhì)量通量因素，推導(dǎo)得到液滴生長率公式；Fukuta等在Fuchs基礎(chǔ)上加入了能量通量，完善了計算模型[51]；Gyarmathy對液滴與其過渡區(qū)相交界面進(jìn)行了通量匹配計算，確定了三個區(qū)域的計算模型[52]；Young在Gyarmathy模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正，使之適合于低壓工況等。在這些模型中，目前應(yīng)用最為廣泛的是Gyamathy模型和Young模型（見表3）。曹學(xué)文等[53]利用中壓天然氣相變特性對Gyamathy模型在中壓條件下的適用性進(jìn)行了驗證性研究。邊江等[54?55]利用雙組分氣體自發(fā)凝結(jié)成核模型修正方法和Gyarmathy液滴生長模型建立了甲烷?乙烷雙組分氣體超聲速凝結(jié)流動數(shù)學(xué)模型，重點研究了甲烷?乙烷混合氣體低溫液化特性，計算結(jié)果通過氣體凝結(jié)相變實驗驗證。

表3 典型生長模型Table 3 Typical growth model

綜上，凝結(jié)過程目前主要由CNT模型和Gyamathy模型來表征成核過程液滴生長過程，各模型均有相應(yīng)的修正形式，各修正模型又有相應(yīng)的適用場合，比如經(jīng)典CNT模型較適合于低壓情況等，在實際應(yīng)用中需根據(jù)實際問題特點選擇合適的模型。雖然眾多學(xué)者對此問題做過研究，但目前一般集中在濕蒸汽本身、天然氣中水或重?zé)N的凝結(jié)過程。

5 總結(jié)與展望

超音速分離技術(shù)的研究在國外起步較早，主要集中在荷蘭埃因霍恩科技大學(xué)、Stock Product Engineering公司、俄羅斯Translang公司等。目前國外在超音速分離技術(shù)方面的研究與應(yīng)用已經(jīng)成熟，但國內(nèi)的技術(shù)研究目前仍然處于探索階段?，F(xiàn)已開展了較多的基礎(chǔ)性研究和數(shù)值模擬研究，但實驗性研究仍然較少。在液滴凝結(jié)方面的基礎(chǔ)性研究更為少見，目前該過程主要由CNT模型和Gyamathy模型來表征成核過程液滴生長過程，實際中需根據(jù)各修正模型特點選擇合適模型用于計算分析。對今后的研究，應(yīng)加大入口溫壓、過飽和度、結(jié)構(gòu)參數(shù)等主要因素對凝結(jié)過程的影響性研究及貼近實際的高壓天然氣超音速分離脫液實驗性研究，以進(jìn)一步探究天然氣旋流分離的凝結(jié)和分離機理，進(jìn)一步優(yōu)化超音速噴管的收縮段曲線和擴張段曲線的設(shè)計，以及旋流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝位置優(yōu)化等，實現(xiàn)氣體凝結(jié)、氣液分離效率的提升。超音速分離器因其結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、溫降幅度高、分離效果好、投資少等技術(shù)優(yōu)勢具有較為廣泛的應(yīng)用前景。例如用于海上油氣田天然氣外輸脫水以減少水合物抑制劑的注入量；用于高含H2S和CO2等酸性氣體的預(yù)處理以減小常規(guī)脫酸分離裝置的規(guī)模；用于在原有分離系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴展規(guī)模以實現(xiàn)老油田的升級改造；用于海上邊際油氣田、陸上非常規(guī)天然氣的處理以降低開發(fā)成本等。但國產(chǎn)化超音速分離裝置的技術(shù)研究和工業(yè)化應(yīng)用還需時日，需要進(jìn)一步加大基礎(chǔ)理論研究和試驗性研究，特別是結(jié)合數(shù)值模擬方法和試驗數(shù)據(jù)，建立合適的計算模型，為結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、溫降幅度計算和裝置性能分析提供指導(dǎo)。