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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。
低温分离法经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:
l 需注入抑制剂( 常见甲醇或乙二醇) 防止天然气水合物, 要建设抑制剂注入和再生系统;
l 存在醇烃难于分离、 抑制剂有损耗等问题;
l 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。溶剂吸收脱水法是当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:
l 系统比较复杂、 三甘醇溶液再生过程的能耗比较大;
l 三甘醇溶液会损失和被污染, 需要补充和净化;
l 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。
( 3) 固体吸附脱水
固体吸附脱水是用某些固体物质对天然气中水汽具有较强的吸附作用和选择性, 使天然气中水汽吸附于固体表面上, 对其它组分的不吸附或吸附较少, 从而实现天然气脱水。工业上常见的吸附脱水剂有活性氧化铝、 硅胶、 分子筛, 其中分子筛脱水应用最为广泛。天然气脱水后含水量可降至1 ppm, 水露点降可达120 ℃, 主要用于CNG加气站、 天然气凝液回收装置、 天然气液化装置等深度脱水场所。吸附法脱水存在的技术问题是:
l 对于大型装置, 设备投资大, 操作费用高;
l 吸附剂使用寿命短, 一般使用三年就得更换, 增加了成本;
l 能耗高, 再生气量大, 低处理量时更明显。
( 4) 膜分离脱水
膜分离脱水是利用膜材料对天然气中水汽的优先选择渗透性, 当天然气流经膜表面时, 水汽优先透过膜而被脱除掉而将天然气水汽脱出。与传统的脱水方法相比, 膜法脱水具有工艺简单, 操作容易, 不需额外加入溶剂, 无二次污染, 压力损失较小等优点, 但当前, 天然气膜分离脱水在美国、 日本、 加拿大等国已有工业应用。1998年, 中国科学院大连化物所和中国石油天然气总公司长庆石油勘探局合作开发了天然气膜法脱水工业性实验装置, 并进行了1700多小时的运行。该装置日处理量( 3～15) ×104 Nm3, 产品气的露点温度控制在-28～-8 ℃( 其输送压力小于4.6 MPa) , 甲烷回收率≥98%, 膜性能稳定。膜分离脱水的主要技术问题是:
l 气体分离膜国内处于研究开发阶段, 进口装置价格较高;
l 膜材料可靠性较差、 承压能力有限;
l 装置投资比三甘醇脱水高。
1.2天然气脱烃技术
天然气脱烃技术( 天然气凝液回收) 的主要方法是低温分离法。低温分离法( 冷凝分离法) 则是利用原料气中各烃类组分冷凝温度的不同, 经过将原料气冷至一定温度, 从而将沸点较高的烃类冷凝分离, 并经凝液精馏分离成合格产品的方法。其最根本的特点是需要提供较低温位的冷量使原料气降温。按制冷温度的不同, 低温分离法又分为浅冷分离和深冷分离工艺。该法当前由于有较高的回收率而在天然气凝液回收工艺中居于主导地位。
根据天然气的气质条件和产品种类及收率的不同, 天然气凝液回收装置所采取的制冷方式和制冷深度也有所不同, 但组成天然气凝液回收装置工艺流程的工艺单元基本是一致的, 如图1所示。

图1 低温分离法工艺流程组成框图

低温分离法根据制冷工艺的不同, 其工艺方法主要有有冷剂制冷、 膨胀制冷和冷剂与膨胀联合的复合制冷工艺。应根据具体条件, 对各种可能采用的方法进行技术和经济指标的对比, 选定最佳的制冷工艺。
( 1) 冷剂制冷工艺
国内凝液回收中采用的冷剂制冷工艺主要是冷剂压缩循环制冷, 是利用液体冷剂变为气体时的吸热效应进行制冷。主要采用丙烷冷剂和混合冷剂( 如乙烷、 丙烷的混合物) 压缩循环制冷, 丙烷制冷工艺适用于冷凝温度高于-37 ℃的工况, 混合冷剂( 如乙烷、 丙烷的混合物) 适用于冷凝温度低于-37 ℃的工况。采用丙烷-乙烷制冷系统的好处是能够自产冷剂, 且制冷系数大。混合冷剂制冷与其它制冷循环相比, 由于其效率高, 功率低, 在相同的制冷量下, 使用的换热器面积较小。
采用冷剂制冷工艺时, 天然气冷凝分离所需要的冷量由独立的外部制冷系统提供, 不受原料气贫富程度的限制, 对原料气的压力无严格要求。冷剂制冷工艺常见于原料气较富, 气源与外输气之间没有足够的压差可供利用的场所。冷剂制冷装置工艺流程简单, 产品收率主要受制冷温度的控制, 但能耗较高。
( 2) 膨胀制冷工艺
膨胀制冷工艺的主要形式有节流制冷、 膨胀机制冷。由于相同差压的情况, 天然气经过膨胀机获得的温降比节流阀和热分离机获得的温降大, 因此, 在相同条件下, 应首选膨胀机制冷工艺。膨胀机制冷工艺具有制冷温度低, 流程简单, 操作方便, 对原料气组成变化的适应性大, 等熵效率高等优点, 已成为当前天然气凝液回收工艺的主要制冷方法, 得到广泛应用, 并取得了良好的经济效益。
对气源压力较高, 气量较大或较小, 不适合用膨胀机时, 可采用节流制冷( J-T法) , 但节流制冷效率较低, 产品回收率不高, 需建设水合物抑制剂注入系统和再生系统, 常作为控制天然气烃露点和水露点的主要方法。节流制冷在塔里木油田各气田应用较多。
( 3) 复合制冷工艺
复合制冷工艺是指采用两种或两种以上制冷方式联合应用的制冷工艺。其目的是最大限度地从天然气中回收凝液, 要求更低的制冷温度, 故单一的制冷工艺一般难以达到, 既便有时用膨胀机制冷能达到温度要求, 由于膨胀机的带液问题, 对于富气是不适合的, 需要采用复合制冷工艺即冷剂制冷循环的多级化和混合冷剂制冷以及膨胀机加外部冷剂制冷的方式来实现。当前, 天然气工业上应用最多的是用冷剂循环制冷作为辅助冷源, 膨胀制冷作为主冷源, 并采取逐级冷冻和逐级分出凝液的工艺措施来降低冷量消耗和提高冷冻深度, 以达到较高的冷凝率。复合制冷工艺系统复杂、 设备较多, 投资较大, 回收率高。
低温分离法脱烃的主要技术问题是:
l 需建立脱水系统或注入抑制剂控制水合物的形成;
l 工艺系统较复杂、 能耗较高, 投资较大。
2．超音速分离技术的研究进展
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。Shell公司于 与Beacom风险投资公司合资成立了专门研究和推广这项技术的Twister BV公司。1998年, 壳牌石油公司在荷兰的Zuiderveen 进行了500 ×104 m3 /d规模的现场试验。该试验的进口条件是11 MPa和40 ℃ , 分离器内部的参数是3 MPa和-45 ℃, 出口条件是8 MPa和30 ℃。1999年初, 在荷兰的Barendrecht安装了一套试验设备, 用于研究富天然气的处理。 11月在尼日利亚的试验装置开始运转, 成功地将85 ×104 m3/d的天然气脱水到管线要求的标准。共测试了6个不同的管, 探索了超音速脱水技术在富天然气中的应用。在尼日利亚的实验水露点降低22～28 ℃ ( 进气温度为20 ℃时, 出口气体的露点为-2～-8 ℃) 。 在挪威的Statoil K-实验室对超音速脱水进行了初步试验。这些现场和实验室内的试验验证了天然气超音速脱水系统长期稳定工作的能力, 并在实际应用中不断地改进,
图2 超音速分离装置现场图
所有的研究都取得了满意的结果。
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。该公司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。实验装置能够测量天然气在超音速分离设备中不同点的流速、 压力和温度。用了近4年的时间, 在不同温度、 压力和不同天然气气体组分的条件下, 对超音速分离设备进行了400多次测试, 包括对次音速、 近音速和超音速分离状况的测试, 取得了大量数据和经验, 并验证了超音速分离设备的设计计算模型。现在, 已完成了从实验研制到工业化应用的整个过程, 超音速分离技术及其装置的工业化设计已经成熟。
当前, 荷兰和俄罗斯在对天然气超音速分离技术的研究方面处于领先地位。
3．超音速分离技术分析
天然气超音速分离技术属于低温冷凝法, 它利用拉瓦尔喷管的等熵降温作用、 叶片加速饱和湿天然气达到分离的目的。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, 使进口天然气流经该管段时, 就可完成降温、 分离和压缩等步骤。
3.1 超音速分离技术原理及系统构成

图3　天然气超音速分离系统简图
1—气-气换热器; 2—进口分离器;
3—超音速分离器; 4—气-液分离器
超音速分离技术属于天然气处理方法中的低温冷凝法。核心部件为超音速分离器, 其基本原理是利用拉瓦尔喷管, 使天然气在自身压力作用下加速到超音速, 这时天然气的温度和压力会急剧下降, 使天然气中的水蒸气和重烃组分冷凝成小液滴, 然后在超音速下产生强烈的气流旋转将小液滴分离出来, 并对干气进行再压缩。
天然气超音速分离系统中气-气换热器的作用是使进口天然气与输出的低温干气进行换热, 能够进一步降低进口天然气的温度, 而且提高输出干气的温度。进口分离器的作用是分离出天然气中包含的细小固体颗粒和小液滴, 减小超音速分离器的载荷和磨损。气液分离器的作用是从分离后的液体中进一步分离出气体, 并将气体输入干气系统, 图3为天然气超音速分离系统的简图。图4为超音速分离器简图。

图4　天然气超音速分离器原理简图
1—拉瓦尔喷管; 2—分离叶片; 3—气-液分离器; 4—扩压器

超音速分离器是基于天然气旋流在超音速喷管内绝热膨胀降温, 分离天然气中的水分和天然气液烃( NGL) 组分的一种新型、 高效分离设备。超音速分离器由旋流器、 超音速喷管、 工作段、 两相分离器、 扩散器和导向叶片等组成。超音速分离器的结构示意图如图5所示。

图5 超音速分离器的结构示意图

超音速分离技术的工作原理是: 天然气首先进入旋流器旋转, 产生加速度为106m/s2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( 这种有选择性的喷射能够对超音速分离技术进行优化设计) , 并在拉瓦尔喷管内降压、 降温和增速。由于天然气温度降低, 其中的水蒸汽和NGL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, 液体经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。在超音速喷管中不会生成水合物。
天然气流在扩散器内压力回升, 使超音速分离技术进出口压差小于超音速喷嘴的进出口压差, 因此超音速分离技术与传统的、 经过天然气自身压力膨胀降温的制冷设备( J-T阀和膨胀机) 相比, 在相同压差情况下, 超音速分离技术可使天然气产生更大的温降, 如图6所示。

图6 超音速喷管进出口压差与温差关系图

图7 超音速喷管的制冷温度与液烃收率关系图
更大的温降就能使天然气有更低的水露点和烃露点。例如: 进口压力为10MPa, 温度为20℃的天然气, 在超音速分离技术中只需降低17～20%的压力, 就可使出口天然气的水露点和烃露点达到－10℃; 如果降低22～25%的压力, 就可达到－15℃
的水露点和烃露点。另外, 在制冷温度相同的情况下, 超音速分离技术具有更高的NGL收率, 如图7所示。
根据不同用途, 超音速分离技术还能够采用次音速或超音速连接口, 可采用不同的旋流器和扩散器, 而且还能够回收液体。
3.2 超音速分离技术关键部件及系统分析
( 1) 拉瓦尔喷管　
拉瓦尔喷管是一种具有精确几何形状的收缩-扩张管道, 能够将气流的速度提高到超音速水平, 并导致温度急剧下降。经过喷管过程中, 气体绝热膨胀, 没有热量损失或加入, 近似于90%的等熵过程。在喷管的喉道处, 速度为350～400 m/s。
在喉道的后面是膨胀管, 气体继续膨胀, 压力和温度继续降低。到达喷管出口时, 气体的温度与进口相比能够降低50～80 ℃。温度急剧下降的过程会产生尺寸非常小的液滴, 在普通的设备中, 液滴的出现会导致天然气水合物的形成, 可是在天然气超音速分离器中不会出现。由于停留时间非常短, 水合物不容易形成和发展。可能是高速气流破坏了水合物的形成, 或者两者都起一定的作用。空气和水的试验表明, 气流的温度达到- 100 ℃, 没有结冰。
水蒸气冷凝过程中, 将形成大量的尺寸非常小的液滴, 而且释放出一定的热量, 此热量可能导致流场中出现激波, 使流动变得非常复杂。
( 2) 旋流器
旋流器使进口天然气发生旋转, 产生加速度为106m/s2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。
( 3) 分离叶片　
分离叶片是一个三角形突出物, 类似于战斗机的机翼, 其作用是对气流造旋。液滴被旋转的气流抛向管道的壁面, 形成很薄的液膜, 仅几毫米厚, 经过气液分离器( 一个同轴的管子和管壁上的环形缝) 将液体排出。液体被输送到一个常规的液-液分离器。由于存在超音速两相流动, 分离系统内部的流动非常复杂。由于出现激波, 流动的损失也很大。
( 4) 扩压器( 扩散器) 　
分离后的干气体进入扩压器( 扩散器) 。气体的速度又恢复到亚音速水平, 自然出现弱激波, 因此气体流速降低, 压力恢复到初始气体压力的70%～80%。
( 5) 系统设计和调节　
Twister BV公司的天然气超音速分离装置Twister安装在直径304.8 mm的管子内部, 分离器总长3.75 m。内部的尺寸能够根据实际的应用改变, 可是典型的Twister的气体处理能力为100×104～500×104 m3/d。单管处理能力是一固定值, 调节范围约10%, 能够用多个分离器达到需要的流量调节范围。Twister是一个压比装置, 在应用范围内能够保持30%的压降, 进口压力可降低。为了使装置的优势最大化, 原则上应在高压下应用, 进口压力为7～15MPa。
4. 超音速分离技术的技术特点
与传统的、 经过天然气自身压力膨胀制冷的处理方法相比, 超音速分离技术具有以下优点:
( 1) 效率高
　　发生在超音速喷管中的膨胀降压、 降温、 增速过程, 以及发生在扩压器中的减速、 升压、 升温过程, 都是气体的内部能量转换, 不存在能量损失。因此, 超音速分离装置不但比等焓节流膨胀制冷的J-T阀效率高, 而且还比等熵膨胀的膨胀机制冷的效率高。
( 2) 能耗低　　
与J-T阀制冷相比, 在NGL收率相同的情况下, 超音速分离装置减少压缩机电力消耗50～70%; 用超音速分离装置代替膨胀机, 在NGL收率相同的情况下, 可减少15～20%的压缩功率。特别是, 当膨胀机由于技术原因( 诸如进口压力太高) 或因在中小油气田用膨胀机制冷不经济的场合下, 超音速分离的优势将更加突出。
( 3) 无活动部件、 系属静设备, 因此运转更加安全可靠。
( 4) 工艺过程和设备简单, 投资省。
( 5) 本身无消耗, 因此运行成本低。
( 6) 检修工作量小, 因此维修费用低。
( 7) 无废水、 废液排出, 因此对环境无影响。
( 8) 体积小, 因此占地和占有的空间小。
5. 应用前景展望
天然气集输过程中为防止输送和节流过程中生成水合物, 常采取加热、 注醇和低温分离等措施。天然气超音速分离技术容易形成体积小、 质量轻、 成本低、 可靠性高的脱水橇, 并能够充分利用天然气的压力能, 因此, 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, 取代加热、 注醇、 低温分离和三甘醇脱水等系统。
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。当前, 超音速分离技术具有解决天然气工业下列问题的能力:
l 天然气脱水, 解决天然气输送的水露点控制问题;
l 分离油田气中天然气液烃( NGL) 组分, 回收其中的C2+或C3+, 并解决天然气输送的烃露点控制问题。
现在正在加紧进行提高超音速分离装置效率的实验研究, 将来使超音速分离技术可用于天然气液化、 分离丙烷-丁烷( LPG) 、 分离乙烷等工艺。
超音速分离技术用于石油天然气处理、 加工领域, 具有很高的运转安全性和可靠性, 并能获得很好的经济收益, 是非常适合陆上和海上油气田, 在各种不同场合使用的天然气脱水、 脱烃设备。