超音速分离器讲解
超音速低温旋流分离器拉瓦尔喷管流场数值分析
超音速低温旋流分离器拉瓦尔喷管流场数值分析康勇【摘要】Aim By analyzing the flow field of the Laval-nozzle, a core component of the supersonic low-temperature swirling gas-water separator, for improving the efficiency of gas-water separation, its theoretic research foundation is established. Methods Based on the principle of flow field numerical analysis and with aid of softer ware CFD, a number of physical factors influencing the fluid movement have been found. Results It is significant to influence the flow field by changing relative sizes of its each segment, including the determination of the critical section , simplification of the model of the gas flow and energy loss. Conclusion The conclusion is that the key to realize the low-temperature flow field of gas-water separation is the flow speed through the throat of the Laval-nozzle of gas-water separator must be twice as a Mach number or more.%目的通过对超音速低温旋流分离器的核心部件-拉瓦尔喷管内部流场的数值分析,达到奠定提高气液分离器工作效率的理论研究基础的目的.方法通过对流场的理论数值分析,并借助于CFD软件,找到了喷管流场内各物理参数的变化规律.结果发现拉瓦尔喷管各段尺寸的相对数值大小对流场的变化影响很大,包括临界截面的确定、简化气体的流动模型及能量损耗.结论由此得到,当拉瓦尔喷管的喉部气体流速度达到或超过音速时,即气液分离段的速度达到两个或两个以上马赫数是形成低温气液分离流场的关键.【期刊名称】《西北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(041)004【总页数】5页(P593-597)【关键词】拉瓦尔喷管;超音速;低温;旋流分离器【作者】康勇【作者单位】西安石油大学机械工程学院,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TE868由此得到，当拉瓦尔喷管的喉部气体流速度达到或超过音速时，即气液分离段的速度达到两个或两个以上马赫数是形成低温气液分离流场的关键。
超音速分离技术
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一、研究进展
• 从1997年起，荷兰壳牌石油公司开展了天
然气超音速脱水技术的研究，包括基础理 论研究、数值模拟、实验室研究和现场试 验研究。 • 基础理论研究和数值模拟研究主要在荷兰 的埃因霍恩科技大学等几所大学、Stork Product Engineering公司和Shell的研究机 构中进行，发展了一些描述分离器内部复 杂流动的分析和数值模拟工具。
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一、研究进展
加拿大卡尔加里超音速分离装置
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二、工艺原理及系统构成
天然气超音速分离器原理图
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二、工艺原理及系统构成
天然气超音速分离系统构成图
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二、工艺原理及系统构成
超音速喷管进出口压温度与液烃收率关系图
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三、关键部件
超音速分离器剖面图
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四、技术特点
• 效率高，能耗低，不会形成水合物；
• 无活动部件、系属静设备，因此运转更加
• • • • •
安全可靠； 工艺过程和设备简单，投资省； 本身无消耗，因此运行成本低； 检修工作量小，因此维修费用低； 无废水、废液排出，因此对环境无影响； 体积小，所以占地和占有的空间小。
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五、应用前景
• 以超音速分离技术为基础，结合现有的设备，如
热交换机、气液分离器、冷却机、蒸馏和精馏塔 等，创造出了高效的LTS（低温分离）系统。目 前，超音速分离技术具有解决天然气工业下列问 题的能力：
天然气脱水，解决天然气输送的水露点控制问题 分离油田气中天然气液烃（NGL）组分，解决天然气 输送的烃露点控制问题。
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一、研究进展
• 俄罗斯在1996年开始对超音速分离技术进行了研
究。对超音速气流中液滴的形成过程进行了全面 的分析，测定了液滴沿喷管径向和轴向的分布， 并开发了一种用光学方法测定液滴的技术，建立 了超音速喷管的天然气旋流的计算程序，反映了 天然气的固有属性和过度阶段的状态。 • 在俄罗斯建立了天然气日处理量为30×104m3 （2.5kg/s）的工业性实验装置，还在国外建立了 天然气日处理量为110×104m3（9kg/s）的更大的 工业性实验装置，对超音速分离装置的各项技术 性能进行验证 。
超音速分离器
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
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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 1 当Ma>1时，若dCf>0 dA>0,即超声速气流若要加速，其截面 ，则 C A kpv f 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，其截面 P 2 P 沿流动方向应逐渐收缩。 C v kpv
s v s
最终得到方程：
dCf C f2 dCf dA 2 2 1 Ma 1 A Cf C Cf
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基于实钻数据反演的牙轮钻头钻进仿真模型
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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
西南石油大学机电工程学院
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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
西南石油大学机电工程学院
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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
超音速分离器在单井天然气脱水脱烃中的应用
离后 ，液烃引入混烃储罐 ，水排放至污水罐。根据此
单 井撬 装 装 置 工 艺设 计 ，表 １ 为处理量 １ ５ ｘ １ ０ ４ ｍ ／ｄ 的 物 料 平 衡 表 ， 对 比 现 场 天 然 气 处 理 量 接 近
超音速分离器在 单井 天然气脱水脱烃 中的应 用
杨 波 张淑琴 郑 锐
乌鲁木齐 ８ ３ ０ ０ １ １ ）
（ 中国石化集团西北 石油局 ，新疆
摘
要
针对塔河油 田边远单井远 离集输管 网，其天然气脱水脱烃难度 大的问题 ，在 某单井应 用了超音速分 离器
技术进行天然 气的脱水脱烃。介绍 了超音速分 离器技 术的基本原理和超音速分离器中涡流管的组成结构 ，以及超音速
总第 ４ ７ 期
天然气技术与经济 ・ 地 面工程
Ｌ／ｈ 。分 离 出 的 污水 排 放 至 污水 罐 ， 由罐 车 拉 运 至
１ ）气 相 流程 ：原 料气 首 先进 入 装 置预 冷 器将 其
污水 处理厂统一进行处理 。现场撬装处理工艺流程 预冷 至温度 １ ５ ℃以下 ，接着进人预冷分离器进行气 液 两相 分 离 ；分 离 出 的气 相 再 进 人后 冷 器 作 进 一 步 见 图２ 。 降温至一 １ ０ ￣ Ｃ 以下 ，并经后冷分离器进行气液两相分 离 ；两次降温分离后 的原料气直接进入高速涡旋分 离 喷管 （ Ｇ ｗＦ ） ；被 脱 除水 、烃 的干 气 分别 进 入 后 冷 器和预冷器进行冷量利用 。被预冷器复热后产品气 直 接进人 管网或 下一个增压站 ，复热后 的湿气返 回
超音速分离技术在天然气脱水脱烃的应用
超音速分离技术在天然气脱水、脱烃的应用超音速分离技术是天然气脱水、脱烃技术的重大突破。
它是航天技术的空气动力学成果应用于油气田天然气处理、加工领域而研发的新型、高效分离技术。
该技术及装备已在国外石油天然气行业被成功应用。
它简化了工艺流程，提高系统可靠性，并降低其投资、运行费用和减少环境污染。
1. 天然气脱水、脱烃的技术现状及评价1.1 天然气脱水技术天然气的脱水方法的主要方法有低温分离法脱水、溶剂吸收法脱水、固体吸附法脱水、应用膜分离技术脱水。
（1）低温分离法脱水低温分离法脱水是借助于天然气与水汽凝结为液体的温度差异，在一定的压力下降低含水天然气的温度，使其中的水汽与重烃冷凝为液体，再借助于液烃与水的相对密度差和互不溶解的特点进行重力分离，使水被脱出。
低温分离法通过节流膨胀降温或外部制冷，从而使天然气中水析出。
脱水后天然气水露点主要取决于节流后的气体温度，若需增压或增设外部制冷时，装置的投资和操作费用较高。
该方法一般用于有压力能（压力降）可利用的高压天然气脱水，可同时控制天然气水露点和烃露点。
存在的主要技术问题如下：●需注入抑制剂（常用甲醇或乙二醇）防止天然气水合物，要建设抑制剂注入和再生系统；●存在醇烃难于分离、抑制剂有损耗等问题；●系统设备较多、工艺流程复杂。
（2）溶剂吸收脱水溶剂吸收脱水是利用某些液体物质对天然气中水汽具有良好的吸收和溶解性能，将天然气中水汽脱出。
脱水后的溶液蒸气压很低，且可再生和循环使用。
溶剂吸收脱水法是目前天然气脱水中使用较为普遍的一种方法，其中以三甘醇脱水在天然气脱水中应用广泛，天然气水露点降可达40 ℃，可满足天然气管输、天然气凝液回收中浅冷工艺对水露点的要求。
三甘醇脱水系统包括分离器、吸收塔和三甘醇再生系统。
三甘醇脱水存在的主要技术问题如下：●系统比较复杂、三甘醇溶液再生过程的能耗比较大；●三甘醇溶液会损失和被污染，需要补充和净化；●三甘醇与空气接触会发生氧化反应，生成有腐蚀性的有机酸。
超声速旋流分离器内气液两相流流动特性_文闯
第等： 超声速旋流分离器内气液两相流流动特性
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为了适应超声速旋流分离器结构复杂的特点 ， 数值计算的网格采用四面体非结构网格， 同时借助 FLUENT 的自适应网格在计算初始流场的前提下自 动加密导向叶片和喷管附近的网格， 可提高网格对 复杂旋流场的捕捉能力和计算精度 。 针对超声速可压缩气体流动特征， 设定进出口 边界为压力边界条件， 数值计算中采用绝对压力， 入 口和出口压力分别为 4 和 2. 68 MPa； 固体壁面采用 无滑移、 无渗流、 绝热边界。 数值计算过程采用有限体积法和二阶迎风格式 对控制方程进行离散， 用壁面函数法处理近壁面流 速度场和压力的耦合采用 SIMPLE 算法。 动， 2. 3 离散相数值方法 随机轨道模型 在 DPM 模 型 中， 液滴的体积浓度必须小于 10% ， 在这种条件下假设液滴在流场中是稀释的 ， 同 2. 3. 1 时液滴的形状被假定为球形。 液滴在气相场中飞 行， 其阻力来源于气流， 同时液滴也施加一个反作用 力给气流。这个反作用力出现在气流流场的 NS 方 表征液滴对流场的反作用力。 液滴的轨迹不 程中， 仅受平均流场产生的阻力影响， 还受到湍流脉动的 ［12 ］ 影响 。湍流流动是用湍流模型进行模拟的 ， 只能 DPM 模型 在统计平均意义上表征湍流的宏观特征 ， 根据计算出的大量颗粒轨迹可以在统计意义上反映 ［13 ］ 颗粒在气相流场中的运动规律 。 另外， 湍流与颗 粒之间的相互作用可以用随机轨道模型进行计算 ， 也可以用粒子云模型进行计算。本研究中流动为湍 流并且希望考虑湍流对颗粒的影响， 故采用随机轨 ［14 ］ 道模型模拟湍流与颗粒之间的相互作用 。 2. 3. 2 液滴粒径分布 液滴的粒径分布对超声速分离器内的气液两相 ［15 ］ ， 在
超音速低温旋流分离器拉瓦尔喷管流场数值分析
超 音 速 低 温 旋 流 分 离 器 拉 瓦 尔 喷 管 流 场 数 值 分 析
康 勇
（ 西安石油大学 机械工程学 院， 陕西 西 安 ７ ０６ ） １０ ５
摘要： 目的
通过 对超音 速低 温旋 流 分 离器的核 心部件 一 瓦 尔喷 管 内部 流 场的数 值分析 ， 拉 达到奠
通 过 对 流 场 的理 论 数值 分 析 ， 并借 助
ｔ ｒ ｗｉｌｎ ａ — ｔｒｓ ｐａａ ｏ ｕ ｅ ｓ ｒｉ ｇ ｇ ｓ ｗａ ｅ ｅ ｒ ｔｒ，ｆ ｒｉ ｏ ｍｐｒ ｖｎ ｈ ｆ ｃ ｅ ｃ ｆｇ ｓ ｗａ ｅ ｅ ｒ ｔｏ ｏ ｉ ｇ ｔ ｅ ｅｆ ｉｎ ｙ ｏ ａ － ｔｒｓ ｐａ ａｉｎ，ｉｓｔ ｅ ｒ ｔｃｒ ｓ ａ ｃ ｕ ｄ — ｉ ｔ ｈ ｏ ｅ ｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ｆ ｎ ａ ｏ ｔｏ ｓｅ ｔｂ ｉｈ ｄ ｉｎ ｉ ｓａ ｌｓ ｅ ．Ｍ ｅ ｈｏ ｓ Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｒｎ ｉｌ ｆｆｏ ｆｅｄ ｎｕ ｒｃ ｌａ ａ ｙ ｉ ｎ ｔ ｉ ｆｓ ｆｅ ｒ ｔ ｄ ｓ ｄ ｏ ｈｅ ｐ ｉ ｃｐ ｅ ｏ ｗ ｌ ｍｅ ｉａ ｎ ｌｓｓ ａ ｄ ｗｉ ａ ｄ ｏ ｏ ｔｒ ｗａ ｅ ｌ ｉ ｈ ＣＦ ，ａｎｕ Ｄ ｍｂｅ ｆｐ ｙ ｉａ ａ ｔｒ ｎ ｌ ｎ ｉ ｇ ｔ ｅ ｆ ｄ ｍｏ ｅ ｎ ａ ｅ ｂｅ ｎ ｆｕｎ ．Ｒｅ ｕｌｓ Ｉ ｓｓｇ ｆｃ ｎ ｏ ｉ — ｒｏ ｈ ｓｃ ｆｃ ｏ ｓｉｆｕｅ ｃ ｎ ｈ ｕｉ ｖ ｍｅ ｔｈ ｖ ｅ ｏ ｄ ｌ ｌ ｓ ｔ ｔｉ ｉｎｉ ａ ｔｔ ｎ ｉ
ｌ ｚ ｈ ｏ － ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｗ ｌ ｆｇ ｓｗａｅ ｅ ｒ ｔｏ ｓｔ ｅｆ ｗ ｐ ｅ ｈｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｔ ｒａ ｆｔ Ｌ ｖ ｌｎ ｚｌ ｆ ａ ｉｅ ｔ ｅ ｌｗ・ｅ ｅ ａｕ ｅｆｏ ｆｅｄ ｏ ａ － ｔｒｓ ｐａ ａｉｎ ｉ ｈ ｏ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｇ ｈ ｈ ｏ ｔｏ ａ ａ － ｏ ｚｅｏ ｔ ｌ ｉ － ｌ ｈｅ ・
超音速分离器：天然气脱水脱烃的新型高效设备
直在工业生产条件下运行 ，从而完成了从试 验研
究到工业化应用 的过程。该工业装置由 ２台 ３ 设备 ｓ
组 成 ， 总 处 理 量 为 １～ ８ｋ ／ｓ （ １０×１４～ ６ １ ｇ 约 ４ ０ １０×１４１ ／ｄ 。西 伯 利亚 的３ 置 在 工业 条 件 下 ６ ０１３ ） １ Ｓ装 裸冷 试 运 的情 况 见 图 ２ 。现在 ３ Ｓ技术 及 其装 置 的工
天然 气 首 先 进 入 旋 流 器 旋 转 ，产 生 加 速 度 为 １６ ０ ｎ／Ｓ的旋 流 。该 旋流在 超 音速 喷管 入 口表 面 的切 线 ｌ ２
月在俄 罗斯西伯利亚建 成投运的第一套工业装置 ，
一
方向产生一个或多个气体射流 （ 利用这种有选择性 的喷射可 以对 ３ 进行优化设计） ｓ ，并在喷管内降压 、 降温和增速 。由于天然气温度 降低 ，其 中的水蒸气
Ｔ阀相 比，３ 可减少功耗 ５％ ～ ０ ｓ ０ ７ ％；用 ３ 替代膨 ｓ
胀机 可 减少 压 缩 功 １％～ ０ ，特别 是 由于技 术原 因 ５ ２％
发 生在 ３ Ｓ超音 速 喷管 中的降 压 、降 温 、增 速过 程 以及 喷 管后 部 至 扩 散器 中 的减 速 、升 压 、升 温 过 程 ，都 是 气体 内部 能 量 的转 换 ，不 存 在 能量 消耗 和 损 失 。因此 ，３ Ｓ不仅 比等焓 节 流膨胀 制 冷 的 Ｊ Ｔ阀 ～ 效 率 高 ，而且 也 比 等熵 节 流 膨 胀 的膨 胀 机 效 率 高 。
是不可能从天然气 中分离出 Ｎ Ｌ组分 的；采用膨胀 Ｇ
机 节 流膨 胀 制冷 流程 （ Ｄ Ｆ Ｅ Ｅ ，虽 然 由 Ａ － ） 于 同轴 压缩 机 能 给 输 出气增 压 约 ２％而使 其 出 口压 ０
超音速分离技术在脱烃中应用
超音速分离技术在脱烃中应用气田从地下采出的天然气中都会有C4以上较重烃组分的存在，使得天然气的烃露点会较高，导致该气田天然气在未处理前达不到输气烃露点要求。
超音速分离技术可以有效地脱除天然气中的重烃，同时可以避免天然气节流膨胀后的增压过程。
超音速分离技术的核心设备是超音速分离器。
超音速分离器由旋流器、拉瓦尔喷管、扩压器组成。
超音速分离器(Super Sonic Separator简称3S)，是俄罗斯专家团将航天技术的空气动力学成果应用于油气田天然气处理、加工领域而研发的新型、高效分离设备。
天然气超音速脱水、脱烃技术属于低温冷凝法,利用拉瓦尔喷管、导向叶片加速饱和湿天然气达到分离目的。
天然气超音速分离器将膨胀机、分离器和压缩机的功能集中到一个管道中,大大简化了工艺流程,提高系统可靠性,并降低其投资、运行费用和减少环境污染。
天然气超音速脱水技术易于形成体积小、质量轻、成本低、可靠性高的橇装设备,非常适合单井集气工艺的井口、多井集气工艺的集气站的天然气脱水、脱烃。
天然气首先进入旋流器旋转，产生加速度为106m/s的旋流，该旋转气流在超音速喷管入口表面的切线方向产生一个或多个气体射流，而后天然气在喷管内降压、降温和增速。
由于天然气温度降低，其中的水蒸汽和重烃组分凝结成液滴。
在旋转产生的切向速度和离心力的作用下，液滴被“甩”到管壁上从而实现气液分离。
然后，液体通过专门设计的工作段出口流出，气体则进入扩散器，减速、增压、升温后流出。
超音速分离器结构示意图超音速分离器剖面图超音速分离器中的膨胀降压、降温、增速过程，以及发生在扩压器中的减速、升压、升温过程，可看成近似等熵绝热过程，等熵效率约为90%。
J-T阀制冷温降过程是等熵节流膨胀制冷过程，膨胀机制冷温降过程是等熵膨胀过程，效率接近85%。
因此在相同条件下超音速分离技术可获得比等熵节流膨胀制冷的J-T阀和等熵膨胀制冷的膨胀机的温降都高。
更大的温降就能使天然气冷凝析出更多的重烃，使天然气获有更低的烃露点超音速分离技术与J-T阀节流技术的脱烃性能与进料气中的水分含量、压降、进料气温度、进料气组分、进料气压力等因素有关。
新型超声速旋流分离器设计及数值模拟
中国石 油大学学报 （自然科 学版 ）
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Ｖｏ ． ４ Ｎｏ． １３ ４ Ａｕｇ ２０１ ． ０
文 章 编 号 ：６ ３ ０ ５ ２ １ ）４０ １－４ １７ － ０ （０ ０ ０ －１９０ ５
Ｗ ＥＮ ｕ ｎｇ，ＣＡＯ Ｃｈ ａ Ｘｕｅ ｗｅ — ｎ，Ｗ Ｕ ｉ ｎ － ｏ ｇ Ｌａ ｇｈ ｎ
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ｗ ｉｈ ｉ ｔｅ ｒ ｔ ｆｔ ｅ ｓ ｔ ｒｓ ｕ ｅ ｏ ｈ ｅ ａ ａｏ ｕ ｌｔｔ ｈ ｎ ｅ ．Ｗ ｈ ｎ ｔｅ ｒ ｌｔ ｅ ｐ ｅ ｓ ｅ ｒ ｔ ｓ ｆ ｍ ０％ ｔ ｈ ｃ ｓ ｈ ａ ｉ ｏ ｈ ｔ ｉ ｐ ｅ ｓ ｒ ｔ ｅ ｓ ｐ ｔ ｒｏ ｔ ｏ ｔ ｅ ｉｌｔ ｏ ａｃ ｆ ｒ ｅ ｅ ｈ ｅａｉ ｒ ｓ ｕ ａ ｉ ｉ ｒ ４ ｖ ｒ ｏ ｏ ｏ
超音速脱水资料
一种新型超音速分离装置壳牌公司(Shell)最新研制出一种名为Twister的新型超音速分离装置(见图1)。
它是一根结构紧凑,无活动部件,全密闭和具有加工精密的收敛—扩张形喉道的管子,第一级装有名叫Laval管嘴,能够将气体流速提高到超高音速,并且使温度急剧下降,气体进行几乎是绝热的等熵膨胀,效率达到90%。
从热力学的观点看,整个效果是属一个可逆过程,气体的压力、流速和温度可以恢复到正常水平。
图1Twister的新型超音速分离装置在Laval管嘴的入口处,气体上升到1马赫以上,大约是350~400 m/s,也可能上升到3马赫。
同时气体的温度直线下降。
气体到达下一级时的温度,与入口处的温度相比,下降了50~80℃。
水和重烃便凝析出来形成微米级的细雾状液滴,但不会生成水化物。
可能因为气体停留的时间太短了,只有百分之一秒,水化物晶体来不及产生,另一种可能是它们在高速时被分解了。
带有凝析液的气体进入管子的翼部,它可以产生上升力,形成一旋涡运动,使液滴被抛至管子的内壁,形成大约几毫米厚的一层薄膜,被管壁中的环行槽清除出来流入一液/液分离装置中。
干气则继续通过管子进入扩散器,流速便恢复到亚音速,压力也恢复到原始压力的70%~80%。
Twister装置安装在一直径为304.8 mm的输送管内,总长度为3.75 m。
通常单个Twister装置可处理1×106~5×106m3/d气体。
几个装置并列,使系统变得更灵活。
装置主要用于高压气体的脱水,特别是在脱水压力约为7 000~15 000 kPa和烃露点压力超过5 000 kPa的条件。
在目前的开发阶段,Twister装置能够达到适合热带环境的露点降,特别适合露点为10~15℃的输气管线。
现在公司正在作进一步的研究,使Twister能够达到0℃或0℃以下的露点降,以便在象北海或更深海域的环境中应用。
图2为一典型陆上应用于露点降的流程图。
为了进一步实施陆上试验,该装置又转移到了尼日利亚,这个试验装置包括一个位于Twister分离装置上游的天然气进口分离器,装置下游还配备了一个消音器和隔音的管道系统。
一种预旋流超音速旋流分离器[实用新型专利]
![一种预旋流超音速旋流分离器[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/3708b8cdccbff121dc368392.png)
专利名称：一种预旋流超音速旋流分离器
专利类型：实用新型专利
发明人：计维安,额日其太,宋彬,蒋登宇,高晓根,刘火星,熊钢申请号：CN201120069282.2
申请日：20110316
公开号：CN202105736U
公开日：
20120111
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种预旋流超音速旋流分离器，由中心锥和管壳形成一个环腔；预旋流器中心锥表面周向布置有圆弧叶片，安装角与来流方向匹配；由预旋收缩喷管连接旋流器，预旋分离腔位于旋流器外，由旋流器管壳上设置的槽连通；旋流器中心锥表面周向布置有圆弧叶片，安装角与来流方向匹配；拉瓦尔喷管通过分离器与分离腔连接；扩压器一端为尖劈锥形，尖劈锥形插入分离器，外壁与分离器内壁形成环形通道；位于扩压器内的锥形中心锥外壁与扩压器内壁形成环形通道；支撑整流环位于扩压器内，锥形中心锥的末端，由设置在支撑整流环的中心孔与干气出口连通；经预处理的天然气只含气相，减轻了超音速旋流分离段的负载，提高了稳定性和分离性能。
申请人：中国石油天然气股份有限公司
地址：100007 北京市东城区东直门北大街9号中国石油大厦
国籍：CN
代理机构：北京市中实友知识产权代理有限责任公司
代理人：谢小延
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整流式超音速旋流分离器[发明专利]
![整流式超音速旋流分离器[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/df086fa2b307e87100f69614.png)
专利名称：整流式超音速旋流分离器
专利类型：发明专利
发明人：张卫兵,刘欣,王新华,杜廷召,王晓勇,逯国英,田鑫,者莉,李丹丹,叶昆,张亚庆,程荣鹏,杨桂云,周姿潼
申请号：CN201610183340.1
申请日：20160328
公开号：CN105689161A
公开日：
20160622
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种整流式超音速旋流分离器，属于含湿天然气脱水领域。
该整流式超音速旋流分离器包括依次连接的旋流器、分离器和扩压器，扩压器中设置有整流器，在使用时，含湿天然气通过旋流器旋流之后进入分离器中进行气液分离以形成旋流干燥天然气，旋流干燥天然气通过整流器整流之后流出整流式超音速旋流分离器。
本发明提供的整流式超音速旋流分离器具有体积小、效率高、无需其他化学药剂即可对含湿天然气进行气液分离等优点；并且只需通过分离器本身的结构，即可实现在低温低压环境下将天然气中的水蒸气凝结析出，之后剩余的干燥天然气在装有整流器的扩压流道内，将压力和温度得到恢复，从而使得干燥天然气中的旋流效应得到消除。
申请人：中国石油集团工程设计有限责任公司
地址：100085 北京市海淀区上地信息路8号CPE大厦
国籍：CN
代理机构：北京三高永信知识产权代理有限责任公司
代理人：周静
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变径式超音速气液分离器结构设计及实验和模拟研究
变径式超音速气液分离器结构设计及实验和模拟研究天然气的脱水处理是生产商品气的必备环节,其主要目的是防止后续处理和储运过程中出现水合物和液态水,以及防止酸性气体溶于游离水来腐蚀管路及设备。
而超音速气液分离器是一种新型的气液分离设备,它具有具有低耗、安全高效和无污染等优点,对天然气矿场加工及集输具有重要意义。
但目前国内理论研究尚不成熟,暂不具备商业使用价值。
本文研究了超音速分离器的基本原理及其设计方法,利用Solidworks分别对拉瓦尔喷管、旋流管及旋流翼和扩压管等关键部件进行了三维设计。
拉瓦尔喷管的收缩段采用五次曲线作为型线,喉部采用平角型直管的形式,渐扩段和扩压段设计为锥形,旋流翼采用基于飞机机翼的三角后掠翼。
另外,由于在实验过程中研究喉部尺寸对超音速分离器分离效率的影响时,分离器喉部的安装过程繁琐且费时。
所以本文设计了喉部变径可调结构。
之后,根据变径式超音速分离器的型线结构及流场特点,对分离器的基本模型进行了模拟及分析。
模拟结果表明:该装置具有低温制冷能力,可达到旋流分离的效果。
同时在基本型结构的基础上,分别改变旋流翼位置、拉瓦尔喷管渐扩管锥角以及改变超音速分离器出口背压进行模拟计算并对比分析。
得出如下结论:(1)旋流翼安装位置越靠近拉瓦尔喷管出口,旋流翼后超音速流动区域及低温、低压区域越长,气液分离效率越高。
(2)拉瓦尔喷管渐扩管锥角影响分离器流场特性,过大或过小的锥角会使下游区域的流场特性变差,从而影响旋流管内气液的分离效率。
特别是当锥角过大时,Laval喷管出口处容易产生较强的激波。
(3)出口背压影响分离器内部流道内激波产生的位置,随着出口背压的增大,激波向超音速分离器的上游移动;且出口背压越小其整体流场特性较好,旋流管内气液分离效率越高。
本文还对变径式超音速分离器的室内实验系统进行了研究,规划了安装调试的主要内容和方法;对测量仪表进行了选型。
最后制定了较为详细的实验方案及流程。
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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
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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
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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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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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。
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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
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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
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第二章：超音速分离器介绍
超音速分离器的性能
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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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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
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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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
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
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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
喷管可逆绝热的过程方程：Байду номын сангаас
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
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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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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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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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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%。