天然氣超音速汽水分離熱力學及流動冷凝特性研究

劉慶越 朱映 鐘小俠 鄭路

摘 要：天然氣超音速分離器具是天然氣脫水脫烴技術的重大突破。本文從天然氣混合物物性的精確描述，到超音速流動過程和凝結過程進行理論綜合，發展綜合考慮物料守恒和動量能量守恒及含汽液相變的天然氣超音速分離器設計方法。采用Martin-Hou狀態方程及余函數法計算天然氣亞音速、超音速狀態參數，基于熱力學定律構建拉法爾噴管熱力學、流動數學模型，發展凝結理論，基于溫度、壓力等參數預測水蒸氣凝結特性及分布規律。

關鍵詞：天然氣脫水;超音速分離器;拉法爾噴管;脫烴

0 前言

天然氣作為一種清潔高效的能源，在我國能源結構的改善和環境保護方面發揮重要的作用。天然氣中含有水分將降低輸氣量，增加動力消耗，同時會引起管線和設備的酸性腐蝕，最嚴重的會還導致生成水合物，使管線和設備堵塞。因此需要對天然氣進行脫水處理。近些年來發展的超音速分離器具有工藝設備簡單、高效、節能、環保、運轉安全性和可靠性高、經濟效益顯著等諸多優點，被譽為是天然氣脫水脫烴技術的重大突破[1-2]。

在天然氣超音速分離器中，天然氣混合氣體在自身壓力的作用下膨脹加速至超音速，此時氣體的溫度及壓力急劇下降，從而使天然氣中的水蒸氣冷凝成無數細小的液滴，然后在超音速產生的強氣流旋轉作用下，將小液滴甩至壁面并分離，對于氣體則進行再壓縮回收壓力。該技術最早由Stork Product Engineering公司在1989年提出，主要用于空調制冷。2000年，荷蘭Twister公司推出的一種全新的天然氣處理技術。2004年，Twister公司完成第一個正式投入商業運營的海上超音速分離管天然氣處理工程項目[3-6]。天然氣超音速分離器之所以能夠簡單高效運行，是因為在設計過程中，必須嚴格按照實際工況參數和天然氣的物性進行量身設計，這其中涉及熱力學、流體力學、相變傳熱、核化等多學科多問題交叉，這對天然器超音速分離器的設計提出了極大的挑戰。

本文采用Martin-Hou狀態方程[7]及余函數法計算天然氣亞音速、超音速狀態參數，基于熱力學定律構建拉法爾噴管熱力學、流動數學模型，發展凝結理論，基于溫度、壓力等參數預測水蒸氣凝結特性及分布規律。通過本文研究，從理論層面揭示超音速分離基本物理過程及流動、冷凝特性，為天然氣超音速分離器的設計提供理論支撐。

1 天然氣混合物物性計算

天然氣的PVT飽和性質及焓熵等物性參數是進行噴管設計計算的基礎，因此需要精確的狀態方程和混合模型來計算。本文采用Martin-Hou狀態方程[7]描述天然氣的飽和物性參數，同時采用余函數混合規則計算混合物的焓熵。Martin-Hou狀態方程在含水和烴類氣體混合物的物性預測的準確性已經得到驗證。

M-H方程形式為：

（1）

式中：

K=5.475，有A2，A3，A4，A5，B2，B3，B5，b，C2，C 3，C 5共11個待定常數。

具體取值為：

（2）

余焓方程為：

（3）

hr為余焓，， 分別為相同壓力、溫度下理想氣體與實際氣體的焓值。有了余焓方程，實際氣體的焓值可以通過理想氣體的焓值加余焓值得到。

根據上述方法，假設入口天然氣含量如表1所示，計算得到該天然氣的PVT飽和性質，見圖1，和壓焓圖，見圖2。

2 天然氣超音速流動和水核化凝結模型

天然氣在超音速噴管中的流動過程指數隨壓力、溫度變化，采用多變過程描述其流動過程。

（4）

式中n，m為過程指數。

天然氣中飽和水凝結過程可以分為成核和液滴生長兩個階段。根據經典核化理論，液滴核化階段由臨界半徑和成核率兩個重要參數來表征：

（5）

液滴生長模型為：

（6）

根據質量及動量守恒，進行噴管流動過程的計算，計算流程如圖3所示。

3 結果與討論

3.1 流動特性

假設入口壓力為6.7MPa，天然氣處理量為40×104Nm3 d-1，入口油管內徑60mm。根據上述方法，可計算得到理想狀態下的超音速噴管的形狀如圖4所示。3S本體入口直徑48mm，喉部直徑12.5mm，出口直徑為15.9mm。

圖5和圖6分別給出超音速噴管的溫度壓力和速度分布。天然氣進入噴管后，隨著流速的增大，溫度和壓力急劇降低，在喉部時速度達到當地音速，Ma=1，此時溫度降為-58K，壓力為3.44MPa，約為入口壓力的一半。在擴張段，由于速度進一步增大，所以溫度和壓力進一步降低，在出口處溫度為-45℃，出口壓力為2.5MPa，進出口壓力降為4.2MPa，出口Ma為1.18。

與傳統超音速噴管設計計算方法相比，本文基于更真實的物性參數的迭代計算，確定沿流動方向的噴管形狀變化，使設計計算更為精確。

3.2 冷凝特性

圖7顯示液滴成核率和液滴直徑分布規律，液滴只存在于喉部偏后位置，氣流中大量凝結核在該點急劇凝結出來，隨著凝結過程的進行，由于潛熱的釋放，流動趨于熱力平衡，不再凝結。而液滴直徑在漸縮段很小，約為0.1μm，經過喉部區域后，迅速增大，在出口處達到1μm。

4 結論

本文采用Martin-Hou狀態方程及余函數法計算天然氣亞音速、超音速狀態參數，基于熱力學定律構建拉法爾噴管熱力學、流動數學模型，發展凝結理論，基于溫度、壓力等參數預測水蒸氣凝結特性及分布規律。主要結論如下：①發展了精確預測天然氣混合物物性的計算方法，通過物料守恒和狀態參數的變化確定天然氣超音速噴管的設計方法;②天然氣進入噴管后，隨著流速的增大，溫度和壓力急劇降低，在喉部時速度達到當地音速，可達到-58 ℃的溫度降， 壓力約為入口壓力的一半。喉部之后處于超音速，溫度和壓力進一步降低;③液滴只存在于喉部偏后位置，氣流中大量凝結核在該點急劇凝結出來，隨著凝結過程的進行，由于潛熱的釋放，流動趨于熱力平衡，不再凝結。

參考文獻：

[1]王遇冬.天然氣處理與加工工藝[M].北京：石油工業出版社，1999.

[2]劉恒偉.超音速分離管的研發及其流動與傳熱傳質特性的研究[D].北京：北京工業大學，2006.

[3]Liu H W，Liu Z L，Feng Y X.Characteristic of a supersonic swirling dehydration system of natural gas[J].Chinese Journal of Chemical Eng，2005，13（1）：9-12.

[4]Fred T，Okimoto M B.Twister supersonic separator[C].Laurance Reid Gas Conditioning Conference Norman，Oklahoma，February，2001.

[5] Okimoto F，Brouwer JM.Supersonic gas conditioning[J].World Oil，2002，223（8）：88-91.

[6]鮑玲玲.超音速氣體凈化分離裝置及其內部流動與分離特性研究[D].北京：北京工業大學，2010.

[7]張秉堅，侯虞鈞.馬丁-侯狀態方程的理論式[J].中國科學（B輯），1999，29（2）：129-134.

作者簡介：

劉慶越（1987- ）男，天津塘沽人，本科，中級工程師，研究方向：海洋工程工藝。

基金項目：“十三五”國家科技重大專項“渤海油田高效開發示范工程”（編號：2016ZX05058004-007）