超音速分离器讲解
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5
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
西南石油大学机电工程学院
6
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%。
西南石油大学机电工程学院
3
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
西南石油大学机电工程学院
4
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
西南石油大学机电工程学院
11
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
西南石油大学机电工程学院
12
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
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
西南石油大学机电工程学院
16
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
喷管可逆绝热的过程方程：
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
15
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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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10
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。
西南石油大学机电工程学院
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wk.baidu.com
1
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
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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14
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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8
第二章：超音速分离器介绍
超音速分离器的性能
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9
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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2
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
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7
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。
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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13
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
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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Click to add Title
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
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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6
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%。
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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
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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
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
喷管可逆绝热的过程方程：
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
15
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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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10
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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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wk.baidu.com
1
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
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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14
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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8
第二章：超音速分离器介绍
超音速分离器的性能
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9
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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2
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
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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。
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
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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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