超音速分离器讲解
超音速低温旋流分离器拉瓦尔喷管流场数值分析
超音速低温旋流分离器拉瓦尔喷管流场数值分析康勇【摘要】Aim By analyzing the flow field of the Laval-nozzle, a core component of the supersonic low-temperature swirling gas-water separator, for improving the efficiency of gas-water separation, its theoretic research foundation is established. Methods Based on the principle of flow field numerical analysis and with aid of softer ware CFD, a number of physical factors influencing the fluid movement have been found. Results It is significant to influence the flow field by changing relative sizes of its each segment, including the determination of the critical section , simplification of the model of the gas flow and energy loss. Conclusion The conclusion is that the key to realize the low-temperature flow field of gas-water separation is the flow speed through the throat of the Laval-nozzle of gas-water separator must be twice as a Mach number or more.%目的通过对超音速低温旋流分离器的核心部件-拉瓦尔喷管内部流场的数值分析,达到奠定提高气液分离器工作效率的理论研究基础的目的.方法通过对流场的理论数值分析,并借助于CFD软件,找到了喷管流场内各物理参数的变化规律.结果发现拉瓦尔喷管各段尺寸的相对数值大小对流场的变化影响很大,包括临界截面的确定、简化气体的流动模型及能量损耗.结论由此得到,当拉瓦尔喷管的喉部气体流速度达到或超过音速时,即气液分离段的速度达到两个或两个以上马赫数是形成低温气液分离流场的关键.【期刊名称】《西北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(041)004【总页数】5页(P593-597)【关键词】拉瓦尔喷管;超音速;低温;旋流分离器【作者】康勇【作者单位】西安石油大学机械工程学院,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TE868由此得到，当拉瓦尔喷管的喉部气体流速度达到或超过音速时，即气液分离段的速度达到两个或两个以上马赫数是形成低温气液分离流场的关键。
超音速分离技术
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一、研究进展
• 从1997年起，荷兰壳牌石油公司开展了天
然气超音速脱水技术的研究，包括基础理 论研究、数值模拟、实验室研究和现场试 验研究。 • 基础理论研究和数值模拟研究主要在荷兰 的埃因霍恩科技大学等几所大学、Stork Product Engineering公司和Shell的研究机 构中进行，发展了一些描述分离器内部复 杂流动的分析和数值模拟工具。
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一、研究进展
加拿大卡尔加里超音速分离装置
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二、工艺原理及系统构成
天然气超音速分离器原理图
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二、工艺原理及系统构成
天然气超音速分离系统构成图
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二、工艺原理及系统构成
超音速喷管进出口压温度与液烃收率关系图
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三、关键部件
超音速分离器剖面图
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四、技术特点
• 效率高，能耗低，不会形成水合物；
• 无活动部件、系属静设备，因此运转更加
• • • • •
安全可靠； 工艺过程和设备简单，投资省； 本身无消耗，因此运行成本低； 检修工作量小，因此维修费用低； 无废水、废液排出，因此对环境无影响； 体积小，所以占地和占有的空间小。
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五、应用前景
• 以超音速分离技术为基础，结合现有的设备，如
热交换机、气液分离器、冷却机、蒸馏和精馏塔 等，创造出了高效的LTS（低温分离）系统。目 前，超音速分离技术具有解决天然气工业下列问 题的能力：
天然气脱水，解决天然气输送的水露点控制问题 分离油田气中天然气液烃（NGL）组分，解决天然气 输送的烃露点控制问题。
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一、研究进展
• 俄罗斯在1996年开始对超音速分离技术进行了研
究。对超音速气流中液滴的形成过程进行了全面 的分析，测定了液滴沿喷管径向和轴向的分布， 并开发了一种用光学方法测定液滴的技术，建立 了超音速喷管的天然气旋流的计算程序，反映了 天然气的固有属性和过度阶段的状态。 • 在俄罗斯建立了天然气日处理量为30×104m3 （2.5kg/s）的工业性实验装置，还在国外建立了 天然气日处理量为110×104m3（9kg/s）的更大的 工业性实验装置，对超音速分离装置的各项技术 性能进行验证 。
超音速分离器
AC f qm 常数 v
其中：A为截面面积，Cf为流速，v为比体积。 微分形式： d A
dCf dv 0 A Cf v
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第三章：拉伐尔喷管原理介绍
联立上述若干个方程得到公式： 方程的意义： C f2 dCf 喷管截面与气流速度之间的变化规律取决于马赫数 Ma。 dA 1 当Ma>1时，若dCf>0 dA>0,即超声速气流若要加速，其截面 ，则 C A kpv f 沿流动方向应逐渐扩大。 当 Ma=1时，气流速度等于声速。 对于理想气体声速方程为： 当Ma<1时，若 dCf>0 ，则dA<0,即亚声速气流若要加速，其截面 P 2 P 沿流动方向应逐渐收缩。 C v kpv
s v s
最终得到方程：
dCf C f2 dCf dA 2 2 1 Ma 1 A Cf C Cf
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基于实钻数据反演的牙轮钻头钻进仿真模型
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超音速脱水
系统简单、体积小、无 运动部件,运行可靠、 无化学处理, 允许在苛 刻的环境中使用、操作 方便、运行费用低
分子筛脱水
适合于深度脱水 对于大装置, 设 备投资和操作费 用都比较高 再生过程能耗大
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三甘醇脱水
系统比较复杂 三甘醇溶液再生 过程的能耗大 三甘醇溶液需要 补充和净化
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第一章：概述
天 然 气 脱 水 的 方 法
低温冷凝脱水
J-T 阀和透平膨胀机脱水
超音速分离器在单井天然气脱水脱烃中的应用
离后 ，液烃引入混烃储罐 ，水排放至污水罐。根据此
单 井撬 装 装 置 工 艺设 计 ，表 １ 为处理量 １ ５ ｘ １ ０ ４ ｍ ／ｄ 的 物 料 平 衡 表 ， 对 比 现 场 天 然 气 处 理 量 接 近
超音速分离器在 单井 天然气脱水脱烃 中的应 用
杨 波 张淑琴 郑 锐
乌鲁木齐 ８ ３ ０ ０ １ １ ）
（ 中国石化集团西北 石油局 ，新疆
摘
要
针对塔河油 田边远单井远 离集输管 网，其天然气脱水脱烃难度 大的问题 ，在 某单井应 用了超音速分 离器
技术进行天然 气的脱水脱烃。介绍 了超音速分 离器技 术的基本原理和超音速分离器中涡流管的组成结构 ，以及超音速
总第 ４ ７ 期
天然气技术与经济 ・ 地 面工程
Ｌ／ｈ 。分 离 出 的 污水 排 放 至 污水 罐 ， 由罐 车 拉 运 至
１ ）气 相 流程 ：原 料气 首 先进 入 装 置预 冷 器将 其
污水 处理厂统一进行处理 。现场撬装处理工艺流程 预冷 至温度 １ ５ ℃以下 ，接着进人预冷分离器进行气 液 两相 分 离 ；分 离 出 的气 相 再 进 人后 冷 器 作 进 一 步 见 图２ 。 降温至一 １ ０ ￣ Ｃ 以下 ，并经后冷分离器进行气液两相分 离 ；两次降温分离后 的原料气直接进入高速涡旋分 离 喷管 （ Ｇ ｗＦ ） ；被 脱 除水 、烃 的干 气 分别 进 入 后 冷 器和预冷器进行冷量利用 。被预冷器复热后产品气 直 接进人 管网或 下一个增压站 ，复热后 的湿气返 回
超音速分离技术在天然气脱水脱烃的应用
超音速分离技术在天然气脱水、脱烃的应用超音速分离技术是天然气脱水、脱烃技术的重大突破。
它是航天技术的空气动力学成果应用于油气田天然气处理、加工领域而研发的新型、高效分离技术。
该技术及装备已在国外石油天然气行业被成功应用。
它简化了工艺流程，提高系统可靠性，并降低其投资、运行费用和减少环境污染。
1. 天然气脱水、脱烃的技术现状及评价1.1 天然气脱水技术天然气的脱水方法的主要方法有低温分离法脱水、溶剂吸收法脱水、固体吸附法脱水、应用膜分离技术脱水。
（1）低温分离法脱水低温分离法脱水是借助于天然气与水汽凝结为液体的温度差异，在一定的压力下降低含水天然气的温度，使其中的水汽与重烃冷凝为液体，再借助于液烃与水的相对密度差和互不溶解的特点进行重力分离，使水被脱出。
低温分离法通过节流膨胀降温或外部制冷，从而使天然气中水析出。
脱水后天然气水露点主要取决于节流后的气体温度，若需增压或增设外部制冷时，装置的投资和操作费用较高。
该方法一般用于有压力能（压力降）可利用的高压天然气脱水，可同时控制天然气水露点和烃露点。
存在的主要技术问题如下：●需注入抑制剂（常用甲醇或乙二醇）防止天然气水合物，要建设抑制剂注入和再生系统；●存在醇烃难于分离、抑制剂有损耗等问题；●系统设备较多、工艺流程复杂。
（2）溶剂吸收脱水溶剂吸收脱水是利用某些液体物质对天然气中水汽具有良好的吸收和溶解性能，将天然气中水汽脱出。
脱水后的溶液蒸气压很低，且可再生和循环使用。
溶剂吸收脱水法是目前天然气脱水中使用较为普遍的一种方法，其中以三甘醇脱水在天然气脱水中应用广泛，天然气水露点降可达40 ℃，可满足天然气管输、天然气凝液回收中浅冷工艺对水露点的要求。
三甘醇脱水系统包括分离器、吸收塔和三甘醇再生系统。
三甘醇脱水存在的主要技术问题如下：●系统比较复杂、三甘醇溶液再生过程的能耗比较大；●三甘醇溶液会损失和被污染，需要补充和净化；●三甘醇与空气接触会发生氧化反应，生成有腐蚀性的有机酸。
超声速旋流分离器内气液两相流流动特性_文闯
第等： 超声速旋流分离器内气液两相流流动特性
· 131·
为了适应超声速旋流分离器结构复杂的特点 ， 数值计算的网格采用四面体非结构网格， 同时借助 FLUENT 的自适应网格在计算初始流场的前提下自 动加密导向叶片和喷管附近的网格， 可提高网格对 复杂旋流场的捕捉能力和计算精度 。 针对超声速可压缩气体流动特征， 设定进出口 边界为压力边界条件， 数值计算中采用绝对压力， 入 口和出口压力分别为 4 和 2. 68 MPa； 固体壁面采用 无滑移、 无渗流、 绝热边界。 数值计算过程采用有限体积法和二阶迎风格式 对控制方程进行离散， 用壁面函数法处理近壁面流 速度场和压力的耦合采用 SIMPLE 算法。 动， 2. 3 离散相数值方法 随机轨道模型 在 DPM 模 型 中， 液滴的体积浓度必须小于 10% ， 在这种条件下假设液滴在流场中是稀释的 ， 同 2. 3. 1 时液滴的形状被假定为球形。 液滴在气相场中飞 行， 其阻力来源于气流， 同时液滴也施加一个反作用 力给气流。这个反作用力出现在气流流场的 NS 方 表征液滴对流场的反作用力。 液滴的轨迹不 程中， 仅受平均流场产生的阻力影响， 还受到湍流脉动的 ［12 ］ 影响 。湍流流动是用湍流模型进行模拟的 ， 只能 DPM 模型 在统计平均意义上表征湍流的宏观特征 ， 根据计算出的大量颗粒轨迹可以在统计意义上反映 ［13 ］ 颗粒在气相流场中的运动规律 。 另外， 湍流与颗 粒之间的相互作用可以用随机轨道模型进行计算 ， 也可以用粒子云模型进行计算。本研究中流动为湍 流并且希望考虑湍流对颗粒的影响， 故采用随机轨 ［14 ］ 道模型模拟湍流与颗粒之间的相互作用 。 2. 3. 2 液滴粒径分布 液滴的粒径分布对超声速分离器内的气液两相 ［15 ］ ， 在
超音速低温旋流分离器拉瓦尔喷管流场数值分析
超 音 速 低 温 旋 流 分 离 器 拉 瓦 尔 喷 管 流 场 数 值 分 析
康 勇
（ 西安石油大学 机械工程学 院， 陕西 西 安 ７ ０６ ） １０ ５
摘要： 目的
通过 对超音 速低 温旋 流 分 离器的核 心部件 一 瓦 尔喷 管 内部 流 场的数 值分析 ， 拉 达到奠
通 过 对 流 场 的理 论 数值 分 析 ， 并借 助
ｔ ｒ ｗｉｌｎ ａ — ｔｒｓ ｐａａ ｏ ｕ ｅ ｓ ｒｉ ｇ ｇ ｓ ｗａ ｅ ｅ ｒ ｔｒ，ｆ ｒｉ ｏ ｍｐｒ ｖｎ ｈ ｆ ｃ ｅ ｃ ｆｇ ｓ ｗａ ｅ ｅ ｒ ｔｏ ｏ ｉ ｇ ｔ ｅ ｅｆ ｉｎ ｙ ｏ ａ － ｔｒｓ ｐａ ａｉｎ，ｉｓｔ ｅ ｒ ｔｃｒ ｓ ａ ｃ ｕ ｄ — ｉ ｔ ｈ ｏ ｅ ｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ｆ ｎ ａ ｏ ｔｏ ｓｅ ｔｂ ｉｈ ｄ ｉｎ ｉ ｓａ ｌｓ ｅ ．Ｍ ｅ ｈｏ ｓ Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｒｎ ｉｌ ｆｆｏ ｆｅｄ ｎｕ ｒｃ ｌａ ａ ｙ ｉ ｎ ｔ ｉ ｆｓ ｆｅ ｒ ｔ ｄ ｓ ｄ ｏ ｈｅ ｐ ｉ ｃｐ ｅ ｏ ｗ ｌ ｍｅ ｉａ ｎ ｌｓｓ ａ ｄ ｗｉ ａ ｄ ｏ ｏ ｔｒ ｗａ ｅ ｌ ｉ ｈ ＣＦ ，ａｎｕ Ｄ ｍｂｅ ｆｐ ｙ ｉａ ａ ｔｒ ｎ ｌ ｎ ｉ ｇ ｔ ｅ ｆ ｄ ｍｏ ｅ ｎ ａ ｅ ｂｅ ｎ ｆｕｎ ．Ｒｅ ｕｌｓ Ｉ ｓｓｇ ｆｃ ｎ ｏ ｉ — ｒｏ ｈ ｓｃ ｆｃ ｏ ｓｉｆｕｅ ｃ ｎ ｈ ｕｉ ｖ ｍｅ ｔｈ ｖ ｅ ｏ ｄ ｌ ｌ ｓ ｔ ｔｉ ｉｎｉ ａ ｔｔ ｎ ｉ
ｌ ｚ ｈ ｏ － ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｗ ｌ ｆｇ ｓｗａｅ ｅ ｒ ｔｏ ｓｔ ｅｆ ｗ ｐ ｅ ｈｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｔ ｒａ ｆｔ Ｌ ｖ ｌｎ ｚｌ ｆ ａ ｉｅ ｔ ｅ ｌｗ・ｅ ｅ ａｕ ｅｆｏ ｆｅｄ ｏ ａ － ｔｒｓ ｐａ ａｉｎ ｉ ｈ ｏ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｇ ｈ ｈ ｏ ｔｏ ａ ａ － ｏ ｚｅｏ ｔ ｌ ｉ － ｌ ｈｅ ・
超音速分离器：天然气脱水脱烃的新型高效设备
直在工业生产条件下运行 ，从而完成了从试 验研
究到工业化应用 的过程。该工业装置由 ２台 ３ 设备 ｓ
组 成 ， 总 处 理 量 为 １～ ８ｋ ／ｓ （ １０×１４～ ６ １ ｇ 约 ４ ０ １０×１４１ ／ｄ 。西 伯 利亚 的３ 置 在 工业 条 件 下 ６ ０１３ ） １ Ｓ装 裸冷 试 运 的情 况 见 图 ２ 。现在 ３ Ｓ技术 及 其装 置 的工
天然 气 首 先 进 入 旋 流 器 旋 转 ，产 生 加 速 度 为 １６ ０ ｎ／Ｓ的旋 流 。该 旋流在 超 音速 喷管 入 口表 面 的切 线 ｌ ２
月在俄 罗斯西伯利亚建 成投运的第一套工业装置 ，
一
方向产生一个或多个气体射流 （ 利用这种有选择性 的喷射可 以对 ３ 进行优化设计） ｓ ，并在喷管内降压 、 降温和增速 。由于天然气温度 降低 ，其 中的水蒸气
Ｔ阀相 比，３ 可减少功耗 ５％ ～ ０ ｓ ０ ７ ％；用 ３ 替代膨 ｓ
胀机 可 减少 压 缩 功 １％～ ０ ，特别 是 由于技 术原 因 ５ ２％
发 生在 ３ Ｓ超音 速 喷管 中的降 压 、降 温 、增 速过 程 以及 喷 管后 部 至 扩 散器 中 的减 速 、升 压 、升 温 过 程 ，都 是 气体 内部 能 量 的转 换 ，不 存 在 能量 消耗 和 损 失 。因此 ，３ Ｓ不仅 比等焓 节 流膨胀 制 冷 的 Ｊ Ｔ阀 ～ 效 率 高 ，而且 也 比 等熵 节 流 膨 胀 的膨 胀 机 效 率 高 。
是不可能从天然气 中分离出 Ｎ Ｌ组分 的；采用膨胀 Ｇ
机 节 流膨 胀 制冷 流程 （ Ｄ Ｆ Ｅ Ｅ ，虽 然 由 Ａ － ） 于 同轴 压缩 机 能 给 输 出气增 压 约 ２％而使 其 出 口压 ０
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Q W
对于开口系统稳定流动的表达式： 对于单位质量工质：
1 Q H mC f2 mgZ W s 2
1 q h C f2 gZ w s 2
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第三章：拉伐尔喷管原理介绍
喷管的性质
工质流 过时间 短q=0
出入口 高度差 ΔZ=0
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第一章：概述
在矿场对天然气进行脱水分离的意义： 减少管线输送的动力消耗，增加输气量 防止天然气中的CO2和H2S溶于游离水中形成酸，加速 管路和设备的腐蚀 防止水与天然气形成的水合物结晶。结晶会造成天然气 水合物的局部积累，减少输气管道截面积，降低输气量， 影响平稳供气，严重时可堵塞输气管线和其它处理设备， 给天然气储运和加工造成很大困难
喷管
得到公式：
微分形式：
流动过程 不对外做 功ws=0
1 2 0 h C f d h C f dC 0 f 2
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第三章：拉伐尔喷管原理介绍
工质在喷管中流动的过程分析 工质在喷管中流动的过程为绝热可逆过程。（可逆是由 于喷管内表面光滑，摩擦阻力小，形状设计合理，可避 免漩涡发生）
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第二章：超音速分离器介绍
Level 1
Level 2
Level 3
Level 4
Level 5
天然气气流经过 拉伐尔喷管绝热 低温使得水份和重 膨胀，流速增至 烃凝析，出现水和 超音速，同时形 气体和凝析液的混 重烃液滴。 成低温低压 合物流以超音速经 依靠同轴旋流分离 过超音速翼，形成 经过一道微弱冲击波，生成的干气接着流入扩压 器实现气体和凝析 高速旋流场，离心 管，速度转化为压力，气流压力恢复到进口压力 液分离，而干气依 力，将液滴甩向管 的70-80%。分离出的凝析液经过一个液体除气装 然居于主流中心。 外壁形成液膜。 置除去带出的少量气体，并将这部分气体与干气 流会合。
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超音速分离器
报告人：唐恒、曹天兵、韩一维
专
业 ：机械工程及自动化
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基于实钻数据反演的牙轮钻头钻进仿真模型
第一章：概述
天然气的组成 天然气主要成分烷烃，但刚采出的天然气中一般含有砂粒、 岩屑与固体杂质，水、凝析油等液体，以及水气、硫化氢、 二氧化碳等气体。 水对天然气储运的危害 减少了管线的输送能力和气体热值，可能会形成液态水、 冰或天然气的固体水化物，增加管路压降，堵塞管道等
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第二章：超音速分离器介绍
超音速分离器的性能
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第三章：拉伐尔喷管原理介绍
几个概念的介绍
音速
音速是一种由微弱扰动在连续介质中所产生的压力 波(纵波)传播的速度,在不同的介质中其速度不同。 气体介质中音速的一般公式为
C
P
s
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第一章：概述
天 然 气 脱 水 的 方 法
低温冷凝脱水
J-T 阀和透平膨胀机脱水
三甘醇脱水 分子筛脱水 超音速脱水
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第一章：概述
各种天然气脱水方法的特点 低温冷凝脱水
工艺简单 设备较少 耗能高 水露点高
J-T阀和透平膨胀机脱水
对于高压天然气冷却脱水是非常经济的 透平膨胀机有高速运动部件, 制造难度大、可 靠性差。 深度脱水时投资和使用成本高 需要采取防止水合物生成的措施
超音速脱水
系统简单、体积小、无 运动部件,运行可靠、 无化学处理, 允许在苛 刻的环境中使用、操作 方便、运行费用低
分子筛脱水
适合于深度脱水 对于大装置, 设 备投资和操作费 用都比较高 再生过程能耗大
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三甘醇脱水
系统比较复杂 三甘醇溶液再生 过程的能耗大 三甘醇溶液需要 补充和净化
AC f qm 常数 v
其中：A为截面面积，Cf为流速，v为比体积。 微分形式： d A
dCf dv 0 A Cf v
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第三章：拉伐尔喷管原理介绍
联立上述若干个方程得到公式： 方程的意义： C f2 dCf 喷管截面与气流速度之间的变化规律取决于马赫数 Ma。 dA >0，则 1 当Ma>1时，若 dC d >0,即超声速气流若要加速，其截 f A A kpv Cf 面沿流动方向应逐渐扩大。 当 Ma=1时，气流速度等于声速。 对于理想气体声速方程为： 当Ma<1时，若dCf>0，则dA<0,即亚声速气流若要加速，其截 P 2 P 面沿流动方向应逐渐收缩。 C v kpv
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第三章：拉伐尔喷管原理介绍
喷管的工作原理
热力学第一定律
连续性方程 喷管的性质
工质在喷管中流动的过程
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第三章：拉伐尔喷管原理介绍
热力学第一定律 自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它 能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另 一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。 大家比较熟悉的表达方式： U
喷管可逆绝热的过程方程：Байду номын сангаас
pv
k
dp d 对于微元过程： k v 0 p v
对于绝热可逆过程：
常数
d h vd p
结合上面的公式得到：
C f dC f vd p
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第三章：拉伐尔喷管原理介绍
连续性方程 工质在喷管中稳定流动满足质量守恒定律，单位时间流 过喷管各个截面的质量流量相等。
P v v
2
s
马赫数
流场中任一点处的流速V与该点处气体的音速a的 比值,称为该点处气流的马赫数,用符号Ma表示。
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第三章：拉伐尔喷管原理介绍
拉伐尔喷管原理介绍
拉伐尔喷管是一个先收缩后扩张的管道。它的主要作用是 使气体的压力降低到临界值以下,得到超音速气流。
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第二章：超音速分离器介绍
超音速分离器
组成
拉伐尔喷管
超声速整 流管
超声速翼
扩压器
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第二章：超音速分离器介绍
超音速分离技术原理 超音速旋流分离器外部为套管，套管内部依次为拉伐尔 喷管、超音速整流管、超音速翼、扩压管等构件。 在超音速旋流分离器中，进口气流经过拉伐尔喷管绝热 膨胀至超音速，形成低温低压，低温使得水份和重烃凝析， 形成雾状流。雾状流以超音速在极短的时间内经过超音速 翼，形成旋流场，巨大的离心力将液滴甩向壁面，液滴沿 着管壁流动，形成大约几毫米厚的一层薄膜，由管壁中的 环形槽对气液进行分离，产生的干气接着流入扩压管压缩， 流速降低，气流压力恢复至进口压力的70-80%。