CN102166464A - 一种预成核超音速涡流管天然气脱水方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预成核超音速涡流管天然气脱水方法；原料气进入原料气分离器和原料气过滤分离器脱除大颗粒，降温经精细过滤器除去细小固体颗粒进入预成核超音速涡流管，从成核剂入口加入成核剂或从成核剂出口排除成核剂，通过聚结成核器形成适合的粒径，在涡流发生器产生涡流旋转后再经拉伐尔喷管加速降温；在离心力的作用下进入分液腔，经冷凝液出口进入气液分离器；管中心气流通过整流器消除涡流后由干气出口与气液分离器分出的气体混合进入气气换热器与原料气换热升温后外输，原料气分离器、原料气过滤分离器和气液分离器分离的水进入水储罐外排；含水天然气通过预成核超音速涡流管天然气脱水工艺处理后，水露点达到-5℃，满足外输的要求。

Description

一种预成核超音速涡流管天然气脱水方法

技术领域：

本发明涉及一种利用压差产生温降，用于脱除气体中的高沸点组分的气液分离预成核超音速涡流管天然气脱水方法。

背景技术：

科技人员发现利用超音速涡流管技术和井口压力能形成低温，可分离天然气中的水和重烃等高沸点组分。

针对超音速涡流管脱水技术，Translang和Twister公司形成的专利：

1.《Supersonic separator apparatus and method》(US6776825B2)

2.《Method of and apparatus for the separation of components of gasmixtures and liquefaction of a gas》(US6372019B1)

3.《Nozzle for supersonic gas flow and an inertia separator》(US6513345B1)

国内形成(申请)的超音速涡流管的专利：

1.《锥芯式超音速冷凝旋流分离器》(CN200810011258.6)

2.《一种超音速旋流凝结组合喷管》(CN200610105199.X)

3.《多进气道超音速旋流分离与回压装置》(CN200610043158.2)

4.《一种低流动阻力超音速气体净化分离装置》

(CN200810224499.9)

5.《超音速高效气液分离器》(CN200520078930.5)

6.《新型天然气超音速旋流分离器》(CN200520111901.4)

7.《涡流气体净化分离装置》(CN200410074338.8)

8.《超声速旋流天然气分离器的超声速扩压器》(CN200710013703.8)

9.《超声速旋流天然气分离器的超声速喷管》(CN200810157472.2)

上述国内外专利中所陈述技术的工作原理均是利用压力经拉伐尔喷管加速至超音速降压降温产生冷凝，而在加速前或后设有涡流发生器产生高速涡流。高速旋转的低温流体在离心力的作用下使凝结产生的液体附在管壁，而气体则在管道中心位置，通过不同管径的气、液相收集管实现气液分离。气相部分经扩压管部分恢复压力后外输。

超音速涡流管脱水工艺属于冷冻法脱水，工艺核心为低温条件下的气液分离过程，即液体在低温时凝结成核、长大并在高速旋转过程中与气体实现分离的过程。其中的液滴成核技术是超音速涡流管气液分离的关键之一。冷冻法传统的成核方式为自然成核。然而超音速状态下，在如此短的时间和空间内要较佳地成核较为困难，成核粒径和成核数目也均难以掌握。这种不受控的自然成核过程将导致超音速涡流管的气液分离效率低下，露点降较低，要求的压降较大。除此以外，不受控的自然成核过程应用于低温时易产生固体(天然气水合物、固体二氧化碳或冰等固体)的场合时，由于粒径分布较广，会因为大粒径晶核率先长大，并在过冷度较大时形成固体进而堵塞管路。

发明内容：

本发明的目的是提供一种设有预成核部件的预成核超音速涡流管，用于气液分离，特别是天然气脱水、脱烃过程，提高气液分离效率，增大露点降，降低压降要求和防止管路堵塞。

由于晶核粒径小会使得成长到一定尺寸所需的周期长，在生产过程中，晶核过小未长大到一定程度的小液滴将难以分离，这就会降低分离效率。而晶核粒径大则会因成长过大影响流动，甚至会凝结成为固体堵塞管道。本专利在超音速涡流管入口前端采用晶核聚结技术或晶核注入与聚结相结合的技术可有效控制成核的粒径和成核数目，提高凝结效率，避免堵塞，优化超音速涡流管气液分离性能。

本发明所述的预成核超音速涡流管由11个部件组成。其中成核剂入口、成核剂出口和聚结成核器为本发明的核心部件。

由原料气进口进入预成核超音速涡流管的原料气气质组成较为复杂，要实现对其液滴粒径的有效控制首先应有适合的液滴数量。若游离水较少需添加成核剂，而游离水较多时则需要排出成核剂。成核剂入口和成核剂出口就是起这样的作用。成核剂入口设有雾化喷嘴，可产生一定数量适合粒径的液滴。成核剂可以是专门开发的成核剂、缓蚀剂或水合物抑制剂。是否添加成核剂，添加剂量为多少是由原料气的现有液滴粒径和数量与需要的粒径和数量之间的关系所决定的。

聚结成核器由不同孔径的多层材料组成，是预成核超音速涡流管最核心的部件。不同孔径的多层材料沿气流方向按孔径递增的规律排列。大粒径颗粒不能通过聚结成核器，而小粒径液滴将在流动过程中发生聚结形成较大的液滴。通过改变最后一层的孔径，并在其它层配置适合的孔径分布梯度，能够促使通过聚结成核器液滴的粒径在一定范围内较为均匀地分布，可达到粒径控制的目的，进而有利于预成核超音速涡流管的优化运行。

预成核超音速涡流管气液分离依靠旋转产生的高离心力。经过预成核处理后的原料气通过涡流发生器产生气液分离所需的高速旋转。涡流发生器由涡流发生器叶片和涡流发生器本体组成。其中，几个具有一定倾角的涡流发生器叶片是产生垂直于气流方向旋转的主要部件。

旋转气流紧接着流经的部件是拉伐尔喷管。缩放结构的喷管可使气流加速到超音速状态。在加速的同时，气流温度也会降低发生冷凝过程，高沸点组分将凝结为液体。预先成核的主要目的就是要提高此处的冷凝效率，并避免高沸点组分过度凝结为固体堵塞管道的发生。

拉伐尔喷管处凝结的液体在涡流发生器产生旋转的高离心力作用下会紧贴管道壁面进入分液腔，分液腔内的流体将经冷凝液出口排出预成核超音速涡流管。

拉伐尔喷管喷管出口中心部分的气体则在扩压管内减速增压经由干气出口出预成核超音速涡流管。在流出预成核超音速涡流管前，为了防止高速涡流对下游的影响，设置了整流器以消除涡流。整流器由整流器叶片和整流器本体组成。整流器叶片无倾角，与气流方向平行。

与背景技术比较，本发明专利结合雾化喷射、聚结、涡流、拉伐尔喷管和超音速扩压等技术，通过对原料气中的颗粒粒径主动控制，去除大、小粒径的颗粒，进而对液滴成核和生长过程进行有效控制，可提高气液分离效率，增大露点降，减少压降，并防止堵塞的发生。

本专利可用于天然气、油田伴生气、煤层气和合成气等有可用压差气体的脱水、脱烃，在天然气田、油田、炼油厂、化工厂和净化厂等场合都可能得以应用，用途十分广泛，应用前景较好。

附图说明：

图1预成核超音速涡流管结构示意图。

图2聚结成核器结构示意图。

图3涡流发生器结构示意图。

图4整流器结构示意图。

图5预成核超音速涡流管天然气脱水工艺流程图

其中：1-原料气进口  2-成核剂入口  3-成核剂出口  4-聚结成核器  5-涡流发生器  6-拉伐尔喷管  7-分液腔  8-扩压管  9-整流器  10-干气出口  11-冷凝液出口  12-涡流发生器叶片  13-涡流发生器本体  14-整流器叶片  15-整流器本体  16-原料气储罐  17-原料气分离器  18-原料气过滤分离器  19-气气换热器  20-精细过滤器21-预成核超音速涡流管  22-气水分离器  23-脱水干气罐  24-水储罐  25-水罐

具体实施方式

预成核超音速涡流管实施以高压天然气脱水为例进行说明，其工艺流程如图5所示。由原料气储罐16、原料气分离器17、原料气过滤分离器18、气气换热器19、精细过滤器20、预成核超音速涡流管21、气水分离器22、脱水干气罐23、水储罐24和排水罐25构成；

原料气储罐16通过原料气分离器17和原料气过滤分离器18连接；原料气过滤分离器与气气换热器19连接；气气换热器19与精细过滤器20连接；精细过滤器20与预成核超音速涡流管21的原料气进口1连接；预成核超音速涡流管21冷凝液出口11与气水分离器22连接；预成核超音速涡流管21的干气出口10通过气气换热器19与脱水干气罐23连接；原料气分离器17、原料气过滤分离器18和气水分离器22与水储罐24连接，水储罐24与排水罐25连接。

预成核超音速涡流管由原料气进口1、成核剂入口2、成核剂出口3、聚结成核器4、涡流发生器5、拉伐尔喷管5、分液腔7、扩压管8、整流器9、干气出口10、冷凝液出口11构成；原料气进口1和干气出口10分别位于预成核超音速涡流管的两端，成核剂入口2和成核剂出口3分别位于原料气进口1端预成核超音速涡流管的顶部和底部，聚结成核器4位于涡流发生器5和成核剂入口2、成核剂出口3之间，固定在预成核超音速涡流管内壁上，涡流发生器5位于拉伐尔喷管5的入口处，拉伐尔喷管5位于整流器9和涡流发生器5之间，固定在预成核超音速涡流管内壁上，扩压管8呈喇叭形位于拉伐尔喷管5喇叭形的出口内将出口分割成分液腔7和干气腔，整流器9位于扩压管8喇叭出口端，干气出口10处。

所述的成核剂入口2设有雾化喷嘴，可产生一定数量适合粒径的液滴。

所述的聚结成核器4由不同孔径的多层材料组成，不同孔径的多层材料沿气流方向按孔径递增的规律排列。

所述的涡流发生器5由涡流发生器叶片12和涡流发生器本体13组成；涡流发生器本体13由半圆和圆锥体构成，涡流发生器叶片12均匀分布在半圆的圆周上，涡流发生器叶片12的倾角为垂直于气流方向旋转，圆锥体与拉伐尔喷管5的减缩喇叭口型对应。

所述的整流器9由整流器叶片14和整流器本体15组成；整流器叶片14位于整流器本体15圆周上，倾角与气流方向平行。

含有饱和水和量游离水，压力为8.0MPa，温度为30℃的原料气首先进入原料气分离器17和原料气过滤分离器18分别脱除大颗粒以减小高速条件下的磨蚀，过滤分离后的原料气与干气在气气换热器19换热降温，经精细过滤器20除去细小固体颗粒后由原料气进口1进入预成核超音速涡流管21，由于原料天然气中含有游离水可作为成核剂使用，本实例不另行加注成核剂，成核剂入口2和成核剂出口3加装盲板进行密封不予使用。进入预成核超音速涡流管21的原料气先通过聚结成核器4形成适合的粒径，在涡流发生器5产生涡流旋转后再经拉伐尔喷管6加速降温。此时低温凝结产生的微小液滴在预成的晶核上迅速长大，并在离心力的作用下附着于管壁进而进入分液腔7，再经冷凝液出口11进入气液分离器22实现分离。分离出的气相汇入干气。管中心气流则在扩压管8中减速恢复压力至6.0MPa再通过整流器9消除涡流后由干气出口10与气液分离器22分出的气体混合进入气气换热器19与原料气换热升温，升温后干气23外输。在原料气分离器17、原料气过滤分离器18和气液分离器22产生的水汇入水储罐24暂存，定期外排。

通过ChemCAD计算得出，含水天然气通过预成核超音速涡流管天然气脱水工艺处理后，水露点达到-5℃，能够满足外输的要求。

Claims (6)

1.一种预成核超音速涡流管天然气脱水方法，其特征在于：含有饱和水和少量游离水，压力为8.0MPa，温度为30℃的原料气(16)首先进入原料气分离器(17)和原料气过滤分离器(18)分别脱除大颗粒以减小高速条件下的磨蚀，过滤分离后的原料气与干气在气气换热器(19)换热降温并经精细过滤器(20)除去细小固体颗粒后由原料气进口(1)进入预成核超音速涡流管(21)，从成核剂入口(2)加入成核剂或从成核剂出口(3)排除成核剂，或原料天然气中含有游离水可作为成核剂使用时，成核剂入口(2)和成核剂出口(3)加装盲板进行密封，进入预成核超音速涡流管(21)的原料气先通过聚结成核器(4)形成适合的粒径，在涡流发生器(5)产生涡流旋转后再经拉伐尔喷管(6)加速降温；此时低温凝结产生的微小液滴在预成的晶核上迅速长大，并在离心力的作用下附着于管壁进而进入分液腔(7)，再经冷凝液出口(11)进入气液分离器(22)实现分离，分离出的气相汇入干气；管中心气流则在扩压管(8)中减速恢复压力至6.0MPa再通过整流器(9)消除涡流后由干气出口(10)与气液分离器(22)分出的气体混合进入气气换热器(19)与原料气换热升温，升温后干气(23)外输；在原料气分离器(17)、原料气过滤分离器(18)和气液分离器(22)产生的水汇入水储罐(24)暂存，定期外排。

2.根据权利要求1所述的一种预成核超音速涡流管天然气脱水方法，其特征在于：预成核超音速涡流管由原料气进口(1)、成核剂入口(2)、成核剂出口(3)、聚结成核器(4)、涡流发生器(5)、拉伐尔喷管(5)、分液腔(7)、扩压管(8)、整流器(9)、干气出口(10)、冷凝液出口(11)构成；原料气进口(1)和干气出口(10)分别位于预成核超音速涡流管的两端，成核剂入口(2)和成核剂出口(3)分别位于原料气进口(1)端预成核超音速涡流管的顶部和底部，聚结成核器(4)位于涡流发生器(5)和成核剂入口(2)、成核剂出口(3)之间，固定在预成核超音速涡流管内壁上，涡流发生器(5)位于拉伐尔喷管(5)的入口处，拉伐尔喷管(5)位于整流器(9)和涡流发生器(5)之间，固定在预成核超音速涡流管内壁上，扩压管(8)呈喇叭形位于拉伐尔喷管(5)喇叭形的出口内将出口分割成分液腔(7)和干气腔，整流器(9)位于扩压管(8)喇叭出口端，干气出口(10)处。

3.根据权利要求1所述的一种预成核超音速涡流管天然气脱水方法，其特征在于：聚结成核器(4)由不同孔径的多层材料组成，不同孔径的多层材料沿气流方向按孔径递增的规律排列。

4.根据权利要求1所述的一种预成核超音速涡流管天然气脱水方法，其特征在于：所述的成核剂入口2设有雾化喷嘴，可产生适合粒径的液滴。

5.根据权利要求1所述的一种预成核超音速涡流管天然气脱水方法，其特征在于：所述的涡流发生器(5)由涡流发生器叶片(12)和涡流发生器本体(13)组成；涡流发生器本体(13)由半圆和圆锥体构成，涡流发生器叶片(12)均匀分布在半圆的圆周上，涡流发生器叶片(12)的倾角为垂直于气流方向旋转，圆锥体与拉伐尔喷管(5)的减缩喇叭口型对应。

6.根据权利要求1所述的一种预成核超音速涡流管天然气脱水方法，其特征在于：所述的整流器(9)由整流器叶片(14)和整流器本体(15)组成；整流器叶片(14)位于整流器本体(15)圆周上，倾角与气流方向平行。

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