超音速脱水在天然气处理中的应用.pdf

57 8 石 油 与 天 然 气化 工 CHEM I CAI ENGI NEE RI NG OF OI L GAS 2 0 1 3 超音速脱水在 天然气 处理 中的应用 靳亮 诸林王磊 西南石油大学化学化工学院 摘 要 为 了满足 管道输 送和 化 工利 用的要 求 ， 天 然 气 必须 经过 脱 水 处理 。超音 速 技 术 用 于 天然气脱水， 与传统工艺相 比有明显优势。介绍 了超音速分 离器的工作原理和 L a v a l 喷 管结构设 计； 对我国超音速脱水应用现状进行 了分析 ， 通过 比较 ， 认为 3 S型分 离器与 J T阀并联然后与分子 筛 串联使 用可用 于天 然气 的脱水 处理 。 关键词 脱水 超音速分离器L a v a l 喷管 原理 应用前景 中图分 类号 T E 6 4 4 文献 标 志码 B D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 3 ． 0 6 ． 0 0 6 Appl i c a t i o n o f s u p e r s o n i c s e p a r a t i o n t e c hno l o g y i n na t u r a l g a s d e hy dr a t i o n Ji n Li a ng，Zh u Li n，W a ng Le i C o l l e g e o f C h e mi s t r y a n d Ch e mi c a l En gi n e e r i n g o f S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y，C h e n g d u 6 1 0 5 0 0，S i c h u a n，C h i n a Ab s t r a c t I n or d e r t o m e e t t he r e q ui r e m e n t s o f pi p e l i ne t r a ns po r t a t i on a nd c he mi c a l i nd us t r i a l u t i l i z a t i o n，na t ur a l g a s m u s t b e d e hy d r a t e d ．Sup e r s o ni c s e pa r a t i o n i s a n e w t e c hno l o gy f o r na t ur a l g a s d e hy d r a t i o n，whi c h ha s o bv i o us a dv a n t a ge s c ompa r e d wi t h t h e t r a d i t i o na l t e c hn i q ue s ． Thi s p a pe r i n t r od uc e s t he wo r k i ng p r i nc i pl e o f s u pe r s o ni c s e pa r a t i o n a nd t he s t r u c t u r e de s i g n of La va l n o z z 1 e ，a n a 1 v s e s t h e i n t e r n a l a p p l i c a t i o n s t a t u e o f 3 S i n n a t u r a l g a s d e h y d r a t i o n ． Th r o u g h t h e c o mp a r i s o n， i t i s c o n s i d e r e d t h a t 3 S i n p a r a l l e l wi t h J T v a l v e a n d t h e n i n t a n d e m wi t h mo l e c u l a r s i e v e s i s a b e s t wa y f o r n a t u r a l g a s d e h y d r a t i o n，wh i c h c o u l d me e t t h e r e q u i r e me n t s o f d e h y d r a t i on p r oc e s s o f i nt e r n a l na t u r a l g a s ． Ke y wo r d s d e h y d r a t i o n ，s u p e r s o n i c s e p a r a t o r 3 S ，La v a l n o z z l e ，p r i n c i p l e ，a p p l i c a t i o n p r o s Pe ct 天然气中水蒸气的存在对管道输送和化工利用 存在很大危害， 对天然气 进行脱水处理 十分必要 。 目前比较成熟的脱水方法有低温法 、 溶剂吸收法、 固 体吸附法 、 化学反应法和膜分离法等， 国内外普遍应 用的是溶剂吸收法 、 固体吸附法 和低温 分离法l l J 。 近年来 ， 超 音速技术开始应用 于天然气脱水 处理。 超音速脱水是在特定结构 的分离器中， 利用天然气 绝热膨胀 ， 使水蒸气在超音速流动状态下冷凝 ， 在离 心力的作用下实现气液分离以达到脱水 目的。与传 统脱水方法相 比， 具有效率高、 能耗低 、 环境污染少 、 容易实现撬装等优点。 1 超 音速分离器工作原理及研究现状 超音速技 术最早 应用 L a v a l 喷管进 行空 调制 冷E ， 1 9 9 7 年荷兰壳牌公司将其成 功用于天然气脱 水 ， 并实现商业化应用 。超音速脱水属于低温冷凝 作者简介 靳亮 1 9 8 8 -- ， 男 ， 河北保定人 ， 硕 士研 究生 ， 研 究方 向为天然气加工 。地 址 6 1 0 5 0 0 四川省成都 市西南 石油 大学明德楼 A5 1 6 。E ma i l j i n l i a n g 1 2 3 4 5 1 2 6 ． c o rn， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 2卷 第 6期 靳亮 等超音速脱水在天然气处理 中的应用 法 ， 其工作原理是_ 6 。 ] 气体在 L a v a l 喷管人 口旋流 器作用下产生旋涡 ， 随着喷管半径减小 ， 旋涡强度增 强 ， 气体在 L a v a l 喷管喉部达到音速， 温度降低 ， 水 蒸气和重烃气体凝结成液滴 ， 液滴在离心力作用下 到达管壁形成液相薄膜 ， 从而实现气液分离。干气 在扩压管中压力得到部分恢复 ， 同时温度升高。 超音速分离器主要 由 L a v a l 喷管、 旋 流器和扩 压管等部件组成 ， 其 中 L a v a l 喷管是超音速分离器 的核心部分 ， 其性能 的好 坏决定分离 效率 的高低 。 根据 L a v a l喷管位 置布 置 不 同， 可 以将 其 分为 两 类 ” 一 先膨胀后旋 流型分离器和先旋 流后 膨胀型 分 离 器 。 目前 广 泛 应 用 的 有 荷 兰 壳 牌 公 司 的 Twi s t e r I I 型和俄 罗斯 T r a n s l a n g公 司的 3 S型分 离 器 ， 两者都是先旋流后膨胀型， 结构分别如图 1和图 2所示 原料 气 图1 T w i s t e r I I 型分离器结构示意图 Fig． 1 St r u c t u r e s c he ma t ic o f Twi s t e r I I s e pa r a t o r L a v a l 两相 水和 旋流器 喷管 工作区 分离器 扩散器 滑脱气导向叶片 图2 3 S 型分离器结构示意 图 Fi g ．2 St r u c t ur e s c h ema t i c o f 3S s ep ar at or 近年来 ， 国内外学者对 轴流式 L a v a [ 喷管结构 设 计 进行 了大 量研 究 。莫斯 科物 理技 术学 院[ 8 研 究 了分离器 中流体动力学参数与喉部半径的关系。结 果表明 ， 随着 喉部半径 的增 大， 分 离器分离效 率降 低 ， 流体质量流量先增大后减小 。因此 ， 在设计喉部 半径时 ， 要考虑脱水效果和气体流量的影响。文闯 等口 。 以空气 为工作介 质进行 实验 ， 研究 表 明增 大 L a v a l 喷管 收缩 比和 喷管 收缩 半 角可 以提 高 L a v a l 喷管分离性能 ， 喉部圆柱长度对分离性能影响较小 ， 扩张 半 角在 2 。 ～ 6 。 时有 较 好 的分 离 效 果。杨 志 毅 ] 、 胡艳 梅 “ 推 导得 出计 算 喉部 半径 的公 式 。 康勇 ” 提出计算喷管人 口直径、 收缩段及扩张段 喷 管长度 的经验方法。程霖等 研究 不同形状漩涡 发生器对天然气脱水效率的影响， 结果表 明弯 叶片 结 构具 有 较好 的分 离效果 。 2 超音速 技术 在我 国天然 气脱 水 中的应 用 分析[ “ ] 由于 我 国天然 气开采 具 有压 降快 和流量 变 化大 的特点 ， 超音速脱水应用还存在一定的问题 ， 有待于 进 ～步 改进 。 2 ． 1 我 国超 音 速脱 水应 用现 状 2 0 1 1年 6月 ， 我 国 引 进 的 2台 3 S型 分 离 器 首 次在塔里木油田牙哈作业 区凝析气处理厂投产。结 合原料气条件和现场实际， 制定 了首个关于 3 s型分 离器与 J T阀切换 的操作流程 ， 其工艺流程简 图如 图 3所示 ] 。 天然气 干 气 图3 3 S 型分离器与J T 阀并联使用流程简图 Fig． 3 Flo w c h ar t o f 3 S s e pa r a t or i n pa r a l l e l wi t h J - T v alv e 单台 3 S型分离器与单台 J T阀并联使用 ， 充分 考虑了各 自的优缺点 ， 利用单台 自动控制的 J T阀， 实 时 调节 3 S型分 离 器 人 口压 力 ， 保 证 3 S型分 离 器 入 口压力在允许波动范围以内。3 s型分离器与 J T 阀并联使用脱水效率与 3 S型分离器单 独使用时相 比有所下降， 但却比单独使用 J T阀有明显优势 ， 减 小 了压力对 3 S型分离器操作稳定 性 的影 响， 是对 3 S型分离器应用的大幅度改进。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 O 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L ＆ GAS 2 ． 2 超音 速脱 水适 用性分 析 超音速分离器在没有外部制冷 的前提下， 可以 将天然气温度降低到 一5 0～ 一6 O℃， 但是 由于压 力和流量变化的影响， 限制 了其操作弹性。A．Ka r i mi 和 M．A．Ab d i l 3 利 用 HYS Y S和 MATL AB 模 拟 了人 口压 力 、 温 度 和流量 对特 定结 构分 离器 喷 管参数见表 1 工作性能的影响， 其模拟天然气干气 组成见表 2 ， 要求净化气 中水 的质量浓 度小于 1 ． 5 mg ／ m。 。 表 1 L a v a l 喷管主要参数 Table 1 Mai n p ar a me t er s of La val n oz z l e 表 2 模拟 天然气 干气 组成 Ta bl e 2 Dr y ga s c o mpo sit i o n o f simu l a t ion n a t u r al g as 对于组分确定 的天然气， 其饱和含水量随着压 力的增加而降低， 随着温度的升高而增加， 当分离器 入 口压力不小于 1 0 MP a ， 且人 口温度不高于 2 O℃ 时 ， 压力损失为 2 0 ， 可以满 足净 化气 中水 的质量 浓度小于 1 ． 5 mg ／ m。的要求。随着入 口压力 的降 低和温度的升高 ， 需要更 大的压力损失才能满 足上 述脱水要求 。当气体人 口压力和温度确定后 ， 由于 喉 部 速度 为音 速 ， 因此 限 制 了 人 口气 体 流量 在 0 ． 0 3 的范围内变化 。当流量较大 时， 可以采用 多根 分离 管并 联使 用 。此 外 ， 由于超 音 速 分 离 器结 构 的精 度 高 ， 要 求 入 口流 体 中微 粒 粒 径 不 能 大 于 2 0 um 。 2 ． 3 超音速脱水与传统脱水方法的集成应用 由于我国气田中后期开采得到的天然气可用压 降小 ， 脱水深度往往不够 ， 此时可在原有流程 的基础 上 ， 串联增加分子筛脱水工艺 ， 改进后的工艺流程简 图如 图 4所示 。 3 s型分离器与 J T阀并联后 与分子筛 串联使 用 ， 充分考虑了各工艺 的优势。前期气 体由于其压 力高， 可利用压差大 ， 可 以利用 J T阀调节 3 S型分 离器入 口压力进行脱水处理 ， 干气直接进换热器复 热外输 。中后期气体 由于可利用压差小 ， 先利用 3 S 型分离器脱除大部分 的水 ， 再利用分子筛进行 深度 脱水处理 ， 延长分子筛 吸附周期。当后期气体 不能 满足管道输送要求时， 可以在进入换热器前 ， 先采用 压 缩机 增压 ， 然后 利 用 3 S型分 离器 与分 子筛 实现 深 度脱水 。 图4 3 S 型分离器与J ． T 阀并联、 分子筛串联使用流程简图 F i g．4 Flow c h ar t o f 3 S s e par a t o r i n p ar a l l el wi t h J - T v a l v e t h en i n t an d em wit h mo l e cu l a r s i e v e 3 结 语 超音速脱水作为一种新型脱水工艺， 当天然气 在温度和压力适宜 的条件下， 可以满 足管道输送和 化工利用的要求， 在天然气处理 中将会得 到广泛应 用。在实际天然气脱水时 ， 应根据原料气组成 、 脱水 目的和处理规模 ， 将超音 速脱水技术与传统脱水技 术相结合 ， 形成天然气集成处理技术 ， 最终实现最佳 的工艺组合 。针对我国天然气开采压降快和流量变 化大的特点 ， 采用 3 S型分离器与 J T阀并联然后与 分子筛串联使用 ， 可以满足天然气脱水处理的要求 。 参 考 文 献 [ 1 ]诸林 ．天然气加工工程 第二版 [ M] ．北京 石油工 业出版社 ， 2 0 08 ． [ 2 ]张远德 ， 汪鸿鹏 ，郭天林．天 然气集输脱 水脱硫 工艺研究及 发 展方向[ J ] ．油气 田地面工程 ， 2 0 1 1 ， 3 o 1 1 5 9 6 0 ． [ 3 ]An a h i d Ka r i mi ，Ma j i d Ab e d in z a d e g a n Ab d i ．S e l e c t i v e d e h y d r a t i o n o f h ig h p r e s s u r e n a t u r a l g a s u s i n g s u p e r s o n i c n o z z l e s [ J ] ． Ch e mi c a l En g i ne e r i n g a n d Pr o c e s s i n g Pr o c e s s I n t e n s i f i c a t i o n， 2 0 0 9， 4 8 1 5 6 0 5 6 8 ． [ 4 ]Ka r i mi A，Ab d i M A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 2卷 第 6期 靳亮 等 超音速脱水在 天然 气处理 中的应用 5 8 l c r i t i c a l n a t u r a l Ga s [ R ] ．S P E 1 0 0 4 4 2 ，2 0 0 9 ． [ 5 ]杨启明 ，陈颖 ，胡博．天然气超 音速净化 系统E J ] ．油气 田地 面 工 程 ， 2 Ol 0， 29 9 9 3 ～ 9 4 ． [ 6 ]We n Ch u a n g ，C a o Xu e we n ，Z h a n g J i n g ，e t a 1 ．Th r e e d i me n s i o n a l nu m e r i c a l s i m u l a t i o n o f t h e s u p e r s o n i c s wi r l i n g s e p a r a t o r [ R] ．T h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f Of f s h o r e a n d P o l a r E n g i n e e r s Co n f e r e n c e ， 2 01 0 ． [ 7 ]Dr ．F r e d T Ok i mo t o ，S i b a n i S a l i r n ，L a n d e r Mi c h a e 1 ．Twi s t e r S u p e r s o n i c Ga s c o n d t i o I 1 i n g [ R] ．S P E 8 7 2 6 2 ，2 0 0 0 ． [ 8 ]Ma l y s h k i n a M M．Th e s t r u c t u r e o f g a s d y n a mi c f l o w i n a s u p e r s o n i c s e p a r a t o r o f n a t u r a l g a s [ J ] ．Te p l o f i z i k a Vy s o k i k h Te m p e r a t u r e ， 2 0 0 8， 4 6 1 7 6 8 4 ． [ 9 ]温艳军 ， 梅灿 ， 黄铁军 ，等．超音速分离技术在塔里木油气 田的 成功应用[ J ] ．天然气工业 ， 2 0 1 2 ， 3 2 7 7 7 7 9 ． [ 1 o ]文闯 ，曹学 文，杨燕 ，等．一种 先旋流后膨胀 型超声速分 离器 脱 水性能实验[ J ] ．石 油学报 ， 2 O l 2， 3 3 2 3 1 0 - 3 1 4 ． [ 1 1 ]Al f y o r o v V，B a g i r o v I ，Dmi t r i e v I ，e t a 1 ．S u p e r s o n i c n o z z l e e f f i c i e n t l y s e p a r a t e s n a t u r a l g a s c o mp o n e n t s [ J ] ．O i l＆ Ga s I o u r n a l 。 2 0 5， 5 5 3 5 8 ． [ 1 2 ]文 闯，曹学文 ，张静，等．基于旋流 的天 然气超声速喷管 分离 特性 [ J ] ．石油学报 ， 2 0 1 l ， 2 7 1 1 5 0 1 5 4 ． [ 1 3 ]杨志毅．油气超音速旋 流分离技术 研究 [ D] ．成都 西南石 油 学 院，2 0 0 4 ． [ 1 4 ]胡艳梅．超音速旋流分 离器技术 研究 [ D ] ．山东 中国石油 大 学 ，2 0 0 8 ． [ 1 5 ]康勇．超音速低温旋流 分离器 拉瓦 尔喷管 流场数 值分析 [ J ] ． 西北大学学报 ， 2 0 1 1 ， 4 1 4 5 9 3 5 9 7 ． [ 1 6 ]程霖 ， 额 日其太 ，计维安 ，等．天 然气超音速分 离器中漩涡发 生器及喷管的数值模拟研究[ J ] ．石 油与天然气 化工 ， 2 0 1 1 ， 4 0 3 2 3 2 2 37 ， 24 2 ． [ 1 7 ]高晓根 ， 计维安 ， 刘蔷 ， 等．超音速分离技术及 在气田地 面工程 中的应用[ J ] ． 石油与天然气化工 ， 2 0 1 l ， 4 0 1 4 2 4 6 ． [ 1 8 ]张明 ， 王春升． 超音速分 离管技术 在海上平 台的应用 分析E J ] ． 石油与天然气化工， 2 0 1 2 ， 4 1 1 3 9 4 2 ， 4 7 ． [ 1 9 ]陈赓 良， 雷鸣． 超音 速涡 流管脱水工 艺评述 [ J ] ． 石 油与天 然气 化工， 2 0 0 9 ， 3 8 4 2 7 5 2 7 9 ． 收稿 日 期 2 0 1 3 0 6 0 4 ； 修回日 期 2 0 1 3 0 8 1 9 ； 编辑 温冬云 超 音速涡流 管分 离新工艺先导性技术研究取得 阶段性成果 近 日， 中 国石 油 与 北 京航 空航 天 大 学合 作研 究 的“ 超 音速 涡流 管分 离新 工 艺先 导性技 术研 究” 项 目 完成 了实验 室涡流 管 空 气脱 水 实验 ， 项 目研 究 达 到 预 期效 果 。 该项 目是 2 0 1 1年 中国石油天然气股份有 限公 司科研 计 划项 目， 为“ 中石 油低 碳 关键 技 术研 究 ” 项 目部 分 内容 。其研 究 目的在 于研发 1套 可利 用原料 气压 力能 实现 气液 分 离的超 音速 涡流 管天 然 气脱 水 新技 术 ， 为 降低 天然 气开 发 过 程 中的 能耗 提 供 技 术 支持 。经过两年 多的深入研 究， 已掌握 了超音速 涡 流管内部流体分布及各种影响因素对脱水效果的影 响 ， 并 且 可以独 立设 计 出脱 水 效 果 良好 的超 音 速 涡 流 管 ， 经过 一 系列的 脱水 实验 和不 断的优 化 改进 ， 设 计 出的超音 速 涡流 管 在入 口压 力较 低 、 压 损 较 小 的 情 况下 ， 露 点 降较 之 前提 高 了 1 2。C。 实验 室研 究 的成 功 ， 为 下 一步 在 离含 硫 气藏 开 采 先导 试验 基地 开展 现场 中试 试验 打下 了基础 。现 场试 验将 进 一步验 证超 音速 涡 流 管 中试放 大天然 气 脱 水性 能 ， 以便在 油 气 田脱 水领 域 将 该 技 术进 行 工 业化 推 广应 用 。 天然气研究院朱雯钊 报道 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m