锥芯超音速分离器流场特性及工程应用研究

论文摘要

井口采出的天然气中常常含有天然气液烃和水,脱除水和液烃是天然气生产中的必要环节之一。超音速旋流分离技术是一种利用超音速流动条件下气体的低温凝结效应结合旋流分离技术实现多组分气体中凝点较高组分的冷凝分离的混合气体分离技术,整个过程集制冷、冷凝和分离过程于一体,与传统处理工艺相比具有结构简单,占地面积小,无转动件,等熵效率高等优点,在天然气脱水净化等混合气体分离领域具有广阔的应用前景。本文以提高超音速旋流分离器实际应用价值和减少能量损耗为目标,在气体旋转超音速凝结流动行为研究的基础上,设计了一种旋流器前置的锥芯超音速旋流分离装置。研究发现,与传统的圆形截面超音速喷管相比,圆环截面超音速喷管具有加工容易、液滴沉降距离短与压力损失小的优点；通过调整超音速喷管和扩压器的结构尺寸,可使装置在小压比下工作,大大提高了其工业应用价值。此外,本文借助混合气体自发凝结流动的Eulerian双流体多维模型分别对两种具有不同出口结构的装置进行了整机模拟,由模拟结果可知,在应用中需根据实际情况,配置不同的出口结构。为提高超音速旋流分离器混合气体分离性能,采用了外加凝结核心辅助蒸汽凝结以增大凝结液滴尺寸的方法。建立了超音速旋流分离装置的实验平台,研究了锥芯超音速旋流分离装置的分离性能,并对通过非均质凝结来提高装置分离性能的方法进行了验证。实验介质为乙醇蒸气与空气的混合气体,确定凝结核心为与乙醇相比挥发度较小,与乙醇互溶且不发生化学方应的液态水的微小液滴或NaHC03溶液液滴。在压比为1.75,采用微小水滴为外加凝结核心时,装置脱除率和露点降分别为47.10%和18.55K,相比于无外加凝结核心,二者分别增大了28.08%和9.8K；当采用NaHC03溶液液滴为凝结核心时,装置脱除率和露点降分别为52.05%和20.4K,分离效果最好。以塔里木油田牙哈处理站天然气脱水、脱烃工程实际工况为设计要求,对具有实际应用价值的天然气超音速旋流分离装置进行了结构研究和设计,并采用CFD商业软件FLUENT,以真实物性的甲烷为模拟介质,对其进行了数值模拟验证。模拟结果表明,所设计装置结构具有工业应用能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 课题背景
• 1.2 天然气脱水技术研究概况
• 1.2.1 吸收法
• 1.2.2 吸附法
• 1.2.3 温降法
• 1.2.4 膜分离法
• 1.3 超音速旋流分离技术研究概况
• 1.3.1 基础理论及数值模拟研究
• 1.3.2 装置结构研究
• 1.3.3 实验和试验研究
• 1.4 高速气体凝结流动研究进展
• 1.4.1 气体自发凝结流动理论研究进展
• 1.4.2 气体自发凝结流动数值模拟研究进展
• 1.4.3 气体自发凝结流动实验研究进展
• 1.4.4 气体非均质成核研究进展
• 1.5 本文主要工作内容
• 2 锥芯超音速旋流分离器结构研究及设计
• 2.1 旋流发生器
• 2.1.1 设计要求
• 2.1.2 旋流发生器型式及设计方法
• 2.1.3 旋流发生器设计参数确定
• 2.2 锥芯超音速喷管
• 2.2.1 设计要求
• 2.2.2 锥芯结构优点
• 2.2.3 锥芯超音速喷管结构及设计参数
• 2.3 排液器及气体扩压器
• 2.4 本章小结
• 3 锥芯超音速旋流分离器气体凝结流动模拟研究
• 3.1 计算模型
• 3.1.1 模型基本简化假设
• 3.1.2 蒸汽相变模型
• 3.1.3 控制方程组
• 3.1.4 湍流模型
• 3.1.5 数值求解
• 3.1.6 模型验证
• 3.2 几何模型
• 3.3 模拟结果及分析
• 3.3.1 （a）型出口
• 3.3.2 （b）型出口
• 3.4 提高装置分离性能方法研究
• 3.4.1 理论依据
• 3.4.2 选取凝结核心
• 3.4.3 液滴喷入方式
• 3.5 本章小结
• 4 锥芯超音速旋流分离器实验研究
• 4.1 实验平台建立
• 4.1.1 实验装置
• 4.1.2 实验流程
• 4.1.3 实验物理量测量及计算
• 4.2 锥芯超音速旋流分离器性能评价指标
• steam'>4.2.1 重组分脱除率δ_steam
• d'>4.2.2 露点降ΔT_d
• add'>4.2.3 辅助物质污染率δ_add
• 4.3 装置分离性能实验结果分析
• 4.3.1 出口结构的影响
• 4.3.2 入口压力的影响
• 4.3.3 喷入液滴流量的影响
• 4.3.4 盐溶液质量浓度的影响
• 4.4 本章小结
• 5 锥芯超音速旋流分离器工程应用研究
• 5.1 天然气脱水脱烃工艺流程简介
• 5.2 3S装置结构设计及数值模拟研究
• 5.2.1 超音速喷管及扩压器
• 5.2.2 出口结构影响研究
• 5.2.3 整机模拟研究
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录A 附录内容名称
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢