天然气超音速汽水分离热力学及流动冷凝特性研究

刘庆越 朱映 钟小侠 郑路

摘 要：天然气超音速分离器具是天然气脱水脱烃技术的重大突破。本文从天然气混合物物性的精确描述，到超音速流动过程和凝结过程进行理论综合，发展综合考虑物料守恒和动量能量守恒及含汽液相变的天然气超音速分离器设计方法。采用Martin-Hou状态方程及余函数法计算天然气亚音速、超音速状态参数，基于热力学定律构建拉法尔喷管热力学、流动数学模型，发展凝结理论，基于温度、压力等参数预测水蒸气凝结特性及分布规律。

关键词：天然气脱水;超音速分离器;拉法尔喷管;脱烃

0 前言

天然气作为一种清洁高效的能源，在我国能源结构的改善和环境保护方面发挥重要的作用。天然气中含有水分将降低输气量，增加动力消耗，同时会引起管线和设备的酸性腐蚀，最严重的会还导致生成水合物，使管线和设备堵塞。因此需要对天然气进行脱水处理。近些年来发展的超音速分离器具有工艺设备简单、高效、节能、环保、运转安全性和可靠性高、经济效益显著等诸多优点，被誉为是天然气脱水脱烃技术的重大突破[1-2]。

在天然气超音速分离器中，天然气混合气体在自身压力的作用下膨胀加速至超音速，此时气体的温度及压力急剧下降，从而使天然气中的水蒸气冷凝成无数细小的液滴，然后在超音速产生的强气流旋转作用下，将小液滴甩至壁面并分离，对于气体则进行再压缩回收压力。该技术最早由Stork Product Engineering公司在1989年提出，主要用于空调制冷。2000年，荷兰Twister公司推出的一种全新的天然气处理技术。2004年，Twister公司完成第一个正式投入商业运营的海上超音速分离管天然气处理工程项目[3-6]。天然气超音速分离器之所以能够简单高效运行，是因为在设计过程中，必须严格按照实际工况参数和天然气的物性进行量身设计，这其中涉及热力学、流体力学、相变传热、核化等多学科多问题交叉，这对天然器超音速分离器的设计提出了极大的挑战。

本文采用Martin-Hou状态方程[7]及余函数法计算天然气亚音速、超音速状态参数，基于热力学定律构建拉法尔喷管热力学、流动数学模型，发展凝结理论，基于温度、压力等参数预测水蒸气凝结特性及分布规律。通过本文研究，从理论层面揭示超音速分离基本物理过程及流动、冷凝特性，为天然气超音速分离器的设计提供理论支撑。

1 天然气混合物物性计算

天然气的PVT饱和性质及焓熵等物性参数是进行喷管设计计算的基础，因此需要精确的状态方程和混合模型来计算。本文采用Martin-Hou状态方程[7]描述天然气的饱和物性参数，同时采用余函数混合规则计算混合物的焓熵。Martin-Hou状态方程在含水和烃类气体混合物的物性预测的准确性已经得到验证。

M-H方程形式为：

（1）

式中：

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

具体取值为：

（2）

余焓方程为：

（3）

hr为余焓，， 分别为相同压力、温度下理想气体与实际气体的焓值。有了余焓方程，实际气体的焓值可以通过理想气体的焓值加余焓值得到。

根据上述方法，假设入口天然气含量如表1所示，计算得到该天然气的PVT饱和性质，见图1，和压焓图，见图2。

2 天然气超音速流动和水核化凝结模型

天然气在超音速喷管中的流动过程指数随压力、温度变化，采用多变过程描述其流动过程。

（4）

式中n，m为过程指数。

天然气中饱和水凝结过程可以分为成核和液滴生长两個阶段。根据经典核化理论，液滴核化阶段由临界半径和成核率两个重要参数来表征：

（5）

液滴生长模型为：

（6）

根据质量及动量守恒，进行喷管流动过程的计算，计算流程如图3所示。

3 结果与讨论

3.1 流动特性

假设入口压力为6.7MPa，天然气处理量为40×104Nm3 d-1，入口油管内径60mm。根据上述方法，可计算得到理想状态下的超音速喷管的形状如图4所示。3S本体入口直径48mm，喉部直径12.5mm，出口直径为15.9mm。

图5和图6分别给出超音速喷管的温度压力和速度分布。天然气进入喷管后，随着流速的增大，温度和压力急剧降低，在喉部时速度达到当地音速，Ma=1，此时温度降为-58K，压力为3.44MPa，约为入口压力的一半。在扩张段，由于速度进一步增大，所以温度和压力进一步降低，在出口处温度为-45℃，出口压力为2.5MPa，进出口压力降为4.2MPa，出口Ma为1.18。

与传统超音速喷管设计计算方法相比，本文基于更真实的物性参数的迭代计算，确定沿流动方向的喷管形状变化，使设计计算更为精确。

3.2 冷凝特性

图7显示液滴成核率和液滴直径分布规律，液滴只存在于喉部偏后位置，气流中大量凝结核在该点急剧凝结出来，随着凝结过程的进行，由于潜热的释放，流动趋于热力平衡，不再凝结。而液滴直径在渐缩段很小，约为0.1μm，经过喉部区域后，迅速增大，在出口处达到1μm。

4 结论

本文采用Martin-Hou状态方程及余函数法计算天然气亚音速、超音速状态参数，基于热力学定律构建拉法尔喷管热力学、流动数学模型，发展凝结理论，基于温度、压力等参数预测水蒸气凝结特性及分布规律。主要结论如下：①发展了精确预测天然气混合物物性的计算方法，通过物料守恒和状态参数的变化确定天然气超音速喷管的设计方法;②天然气进入喷管后，随着流速的增大，温度和压力急剧降低，在喉部时速度达到当地音速，可达到-58 ℃的温度降， 压力约为入口压力的一半。喉部之后处于超音速，温度和压力进一步降低;③液滴只存在于喉部偏后位置，气流中大量凝结核在该点急剧凝结出来，随着凝结过程的进行，由于潜热的释放，流动趋于热力平衡，不再凝结。

参考文献：

[1]王遇冬.天然气处理与加工工艺[M].北京：石油工业出版社，1999.

[2]刘恒伟.超音速分离管的研发及其流动与传热传质特性的研究[D].北京：北京工业大学，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]鲍玲玲.超音速气体净化分离装置及其内部流动与分离特性研究[D].北京：北京工业大学，2010.

[7]张秉坚，侯虞钧.马丁-侯状态方程的理论式[J].中国科学（B辑），1999，29（2）：129-134.

作者简介：

刘庆越（1987- ）男，天津塘沽人，本科，中级工程师，研究方向：海洋工程工艺。

基金项目：“十三五”国家科技重大专项“渤海油田高效开发示范工程”（编号：2016ZX05058004-007）