前置式超声速旋流分离器设计与凝结特性分析

张卫兵

摘 要：针对天然气在长距离管道输送过程中，所含水蒸汽杂质会凝结成液态水的问题，通过运用动力学原理与液滴成核生长理论，开发设计了一种全新的前置式超声速旋流脱水装置。利用CFD中的用户自定义接口建立了含湿天然气的凝结流动模型，数值分析了装置内部的马赫数、过冷度、液滴成核率、液滴半径和湿度等关键凝结参数的变化规律。结果表明：所建立的三维含湿天然气的凝结流动模型可以真实描述超声速旋流分离器中的流动变化规律，为以后装置的工业应用和下一步提高分离效率提供了理论参考。

关 键 词：前置式超声速分离器；自发凝结流动；数值模拟；分离效率

中图分类号：TK124 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1892-05

Abstract： Aiming at the problem that the water vapor can condense into liquid water in the long distance pipeline， a type of supersonic separation structure was designed according to principle of dynamics and droplet nucleation and growth theory. Based on CFD custom user interface， a spontaneous condensation model was established to simulate the degree of supercoiling， nucleation rate， droplet radius and humidity distribution. The results show that， under the design condition， the reasonable condensation model can reveal the change rule of condensation flow field in the supersonic separation tube， which provides the theoretical reference for industrial application of the device and improvement of the separation sufficiency in the future.

Key words： front-placed supersonic separator； spontaneous condensation flow； number simulation； separation efficiency

从地下矿井第一时间开采出来的天然气，是一种以烃类物质为主，同时含有水蒸气、二氧化碳、固体颗粒等杂质的混合物，其中水蒸气在长距离管道输送过程中遇冷会凝结成液态水，液态水的存在不单会与重烃结合形成水合物，堵塞运输管道，而且还会与二氧化碳结合形成酸，造成设备的慢性腐蚀，后果十分严重 [1]。近些年以来，不断转变思路，克服原有脱水装置的局限，提出了一种非常先进、经济、环保可靠的脱水技术—超声速旋流脱水技术[2-4]，这种技术把气体动力学、流体力学和液滴的成核生长理论相结合，实现了含湿天然气在膨胀降温的同时进行切向旋流，从而高效率的分离出凝结成的水分。超声速旋流脱水技术它的结构简单，在处理过程中不需要添加任何化学药剂，具有效率高、可靠耐用、经济效益好等优点 [5-8]。

为了了解含湿天然气在超声速分离装置内的流动变化规律，搞清楚水蒸气在此过程中的凝结相变至关重要。在这种前提下，古往今来不少海内外学者对含湿天然气中的凝结相变进行了不懈探索。在国外，Anahid Karimi对超音速喷管中的凝结相变进行了二维模拟，分析了操作参数对于凝结的影响；荷兰的Eindhoven大学[9]主要通过实验对两种组分时自发凝结流动过程中的液滴成核与生长进行了深入系统研究。在国内，此项工作开展的相对较迟，经过学者们的努力，也取得了不错的研究成果，北京工业大学的蒋文明等[10]建立了Laval喷管中的超音速自发凝结流动一维数学模型，得出了喷管轴向的液相参数分布；大连理工大学的马庆芬[11]，结合经典成核与液滴生长理论，建立了两相双组份冷凝湍流模型，分析了超音速脱水离装置的结构参数对凝结参数的影响；中国石油油气工艺技术研究院的张书平[12]在忽略气相与液相滑移的条件下，建立了天然气超音速凝结数学模型，分析了喷管扩张半角对凝结的影响；但是大部分针对超音速凝结特性研究只是单纯的两相流动研究，并没有考虑气液两相的组分传输，而且受到条件限制不能进行实验，缺乏相关实验数据进行分析。

本文通过借鉴国外先进的分离器结构，改进国内原有前置式和后置式分离器的不足，对每一个部件重新进行优化设计，完成了一套高压条件下的超声速旋流分离器的设计，并由此建立了三维几何模型；在现有计算模型的基础上，通过Fluent中提供的用户自定义接口，编写相关方程的代码，建立了可以真实描述含湿天然气在超声速分离器中凝结相变的计算模型，数值计算得到了关键参数的分布规律，为以后装置的工业应用和下一步提高分离效率提供了理论参考。

1 工作原理与结构设计

前置式超声速旋流脱水装置包括：位于前段的悬流发生器、中段的超音速喷管和位于后段扩压器组成[13]，如图1所示，每个部件分别承担不同的作用，且彼此作用又紧密相连，首先开采出来的含湿天然气通过管道进入分离器，在位于前段旋流器的作用下产生一定的旋流，这样含湿天然气以轴向速度为主，且伴有周向切向速度的形式进入超音速喷管；在喷管加速膨胀的作用下，不仅含湿天然气的温度和压力降低，导致水蒸汽凝结成液态水，而且随着通流半径的不断减少，切向速度也是在不断大幅增大，这样就产生了可达105次方的离心加速度，由于液态水和气态天然气的密度不同，液态水受到更大的离心力，在离心力的作用下，液滴被甩向壁面，在進入扩压器之前，通过排液口流出，而脱去水分的干气，则经过位于后段的扩压器的扩压作用，压力温度得到回升，被输向用户。与后置式旋流分离器相比较，前置式超声速分离器避免了在超声速条件下产生旋流，从而避免了正激波和斜激波的产生，保护了所需要的低温低压环境，相比于原先的前置式旋流分离器，本装置增加了旋流器的内芯，加大了旋流强度，并且使冷凝分离过程都集中在喷管后半段，减少了直管段分离，从而优化了分离器结构。

按照开采输送的实际工况进行设计，分离器入口含湿天然气的流量为200万m3/d，压力为为10 MPa，温度为300 K。首先按照实际气体状态方程（BWRS）对超声速喉部尺寸进行计算，在此基础上结合维托辛斯基曲线法设计喷管渐缩段，特征线法来设计喷管的渐扩段；为了使得液滴方便沉降与收集，采用环形截面的分离腔，扩压器设计成锥形，这样方便加工制造，也不影响整体性能，旋流器在前研究的基础上，决定选用12个可以长生足够旋流的E186叶片，叶片扭转角为30°，安装角为40°。图1具体长度尺寸为：旋流段95 cm，Laval喷管段57 cm，扩压段103 cm，稳流直管段50 cm。

2 数值计算方法

为了使研究问题得到简化，必须对分离装置中的含湿凝结流动采取一些合理假设：

天然气在流动过程中与往壁面和外界不进行热交换，处于绝热状态；（2）含湿天然气在整个过程作为连续相处理，由水蒸气凝结成的小液滴对连续相的影响忽略不计；（3）液滴成核时间极短，成核后液滴的数量将不发生变化，液滴之间不会碰撞聚合；（4）整个过程不存在外界电磁场干扰。

2.1 控制方程组

涉及到含湿天然气的凝结相变，CFD软件自带的模型不能够满足要求，需要通过用户自定义接口添加一些精准描述相变和组分输运的方程，这些方程包括：液滴成核方程、液滴生长方程、液滴状态描述方程以及液滴与气相之间的传质传热方程，下面给出描述模型的全部控制方程组。

2.2 计算方法与边界条件

在前置式超声速旋流分离器中含有一个细长的内芯，内心前段的旋流发生器上有多个扭曲的旋流叶片，面对如此复杂结构，网格的精准划分显得至关重要，在此我们采用非结构化网格对喉部之前的复杂区域进行划分，喉部之后相对简单的后半段则采用结构化网格。采用应用广泛应用于高速湍动的RNG k-ε模型和上述控制方程来描述整个复杂的含湿天然气的超声速凝结流动。对液相和气相的差分分别采用一阶迎风和二阶迎风格式进行离散，同时选用Simple算法求解来确保有足够的计算精确度。

边界条件设置见图2，分别是含湿天然气的压力进口，干气的压力出口和液滴的压力出口。凝结流动的初始化形式以等熵流动来进行，这样可以有效避免迭代过程中的参数发散。

3 结果与分析

在确定了装置结构尺寸和计算方法的基础上，开始对含湿天然气在分离器内的流动进行数值模拟，含湿天然气按照成分简化为甲烷和水蒸气的混合物，其中水蒸气占总质量的百分比为0.06%，设置入分离器的口压力为10 MPa，入口温度为300 K，两个出口压力和温度统一为为7 MPa和300 K。

圖3为甲烷与水蒸气混合物在中心轴向截面上的马赫数分布图。由图可见，混合物的速度从进入喷管中开始增加，在喉部位置马赫数达到1，在喷管出口位置马赫数达到1.6，明显为超音速，符合设计要求。而且混合气体经过前段旋流器后，还会产生且切向速度，随着气体不断进入喷管，由中心体和外部管壳形成的环形通道不断变窄，根据角动量守恒定律，混合气体的切向速度不断增大，随之与装置壁面的摩擦效应也会不断增大，最终导致壁面处的马赫数比其他地方的马赫数小，从整体来看，马赫数分布呈现对称分布，且分布比较均匀。

图4为甲烷和水蒸气混合物在中心轴向截面上的过冷度分布图。模拟介质为甲烷和水蒸气的混合物，所以不考虑外来的凝结核心，在这种情况下，水蒸气只有在一定过冷度的情况下才能够发生凝结现象，这个过冷度发生的点称之为Wilson点。由图可见，在进入超音速喷管之前，不产生过冷度，在进入喷管之后，混合气体开始加速膨胀降温，过冷度也在随之增大，最大过冷度并没有发生在喉部，而是在轴向位置x=40 cm处，说明在喉部还不能发生凝结，还没有达到过饱和凝结的那个点，在喉部到x=40 cm的这段距离，水蒸气继续降温，直到到了临界点处，大量的凝结核心在极短时间内产生，此后就不断有水蒸气分子附着在凝结核心上，使得凝结核心逐渐长大。

图5为甲烷和水蒸气混合物在中心轴向截面上的成核率分布图。由图可见，整个成核过程区域非常的短，在超音速流速下，可见成核过程的发生时间也很短，在这个短时间内最大的成核率可达3.16×1018 kg-1·s-1。

图6为图5中成核率区域的局部放大图。在这个放大图中，我们可以清楚看到成核率在到达最大值3.16×1018 kg-1·s-1之后，也就是x=40 mm之后，成核现象迅速消失，说明液滴的成核阶段已经完成，之后将进入液滴的生长阶段。仔细观察还可以发现，通道中心处的成核率一直比壁面附近的成核率要高，这是因为在旋流效应下，凝结核心与装置壁面存在摩擦，摩擦的存在使得壁面处的温度升高，如此高的温度使得凝结核心再次蒸发，这种现象也称作闪蒸。

图7为甲烷和水蒸气混合物在中心轴向截面上的液滴半径分布图。在液滴成核之后，不断有水蒸气分子撞击到核心上，由此液滴半径要不断增大，这个过程发生在喷管的后半段，在凝结发生的同时，也会释放大量的凝结潜热，潜热释放出来后，水蒸气的温度和压力上升，过冷度下降，这是一个动态过程，当最终达到平衡后，液滴不再生长，液滴半径也就不会再发生增大，此时有最大的液滴半径2.88×10-7m。

图8为甲烷和水蒸气混合物在中心轴向截面上的湿度分布图。进口混合物中的水蒸气质量百分数为0.06%，当水蒸汽变为液态水时，就会产生湿度，湿度的大小直接反映了此装置的性能好坏——能够使多少水凝结出来。

在喉部之后产生湿度，且湿度随着轴向距离不断增大，湿度的变化情况取决于液滴的成核与生长，这两个过程的先后进行使得不断有水蒸气凝结。由图可以看出，湿度最终维持在0.057%，相比于进口水蒸气的水量分数，绝大部分已经凝结出来。

4 结 论

（1）根据天然气管道输送的实际工况，结合动力学和自发凝结理论，设计开发了一种新型前置式超声速旋流脱水装置，通过CFX的用户自定义接口建立了可以真实描述含湿天然气流动的数值模型。

（2）对超声速旋流分离器中喷管内的甲烷-水蒸气混合物进行数值模拟，得出了沿喷管轴向截面上的关键参数的分布。分析了马赫数、过冷度、成核率及湿度变化规律，为今后装置的工业应用和进一步提高分离效率提供了理论参考。

参考文献：

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