喷管超音速分离技术在天然气脱水中的应用研究.pdf

第 1 8卷第 1 期 2 0 1 0年 3月 北京 石 油化 工学 院学 报 J o u r n a l o f Be i j i n g I n s t i t u t e o f Pe t r o c he mi c a l Te c hn ol o gy Vo1 ． 1 8 NO ．1 M a r ． 2 01 O 喷管超 音速分 离技术在 天然气 脱水 中的应用研 究 * 宋 婧 王 丽 陈家庆 陈志 明。 1 ． 北京化工大学 ，北京 1 0 0 0 2 9 ；2 ． 北京石油化工学 院 ， 北京 1 0 2 6 l 7 摘 要喷管超音 速旋流分离技术是 天然气处 理工艺 技术 的一 大创新技 术 ， 是一 种集气 体 动力学 、 热力学 和流体力学理论为一体 的新 型气体干燥处理技术 ， 是超音 速冷 凝与离心分 离技术 的有机 结 合。喷管超音速分离器 由喷管、 超音速翼段 、 分 离段 和扩压段 四部分组成 ， 它依靠喷管 膨胀形 成低温 、 低压超音速流动 ， 并 通过超音速翼形成 旋流 ， 从而 实现 冷凝水 及重烃 的分 离。现有研 究表 明 ， 喷管超 音 速分离器具有分离效率 高 ， 体积小 ， 可实现无人操 作 ， 并且不需要 使用任何化学药剂等优 点 ， 因此该项 技 术在天然气净化脱水 领域 具有广阔 的应用前 景。 关 键 词 喷管 ；超 音速 ；脱 水技术 ；超音 速翼 中 图 法 分 类 号TE8 6 8 天然气 开 发 和利用 是 未来 我 国能源 工程 中 新 的课 题 。据 专家 预测 ， 在 不久 的将 来 ， 我 国对 石 油 的需求 以 年 4 的速 度 增 长 ， 对 天然 气 的 需 求则 以年 l 5 的 速度 增 长 ， 这 意 味着 更 大 的 天然 气工 程需 求 。通 常天 然气 中含 有饱 和水 蒸 汽 、 H。 S 、 固体 颗 粒 物 等杂 质 ， 在 天 然 气 输 送 和 处 理 过 程 中水 蒸 汽 易 凝 结形 成 液 态 水 ， 而 液 态 水 容 易溶解 酸 性气 体形 成 具有 强腐 蚀性 的酸 液 腐蚀 设备 。液 态水 也 容易 与烃 结合 形成 天然 气 水合 物 ， 水 合 物 的形 成 、 腐 蚀 、 高 压 降 ，其 结 果 会引起管线、 节流阀、 各种阀门以及仪表堵塞继 而降 低传 输效 率 ， 很难 达 到管道 输 送 的要求 ， 因 此需 要建 立有 关 的净 化装 置 。其 中天 然气脱 水 是天 然 气 输送 过 程 中 的一 个 重要 环 节 ， 它 的 目 的就 是 脱 除 天然 气 中 的水蒸 汽 ， 避 免水 合 物 的 形成 。 1 天然气脱水技术概 况 天然 气脱 水 技 术 有膜 分 离技 术 、 冷 凝 分 离 法 、 溶 剂 吸收法 、 固体 吸附 法等 等 。 1 膜 分 离技 术 。该方 法 是 采 用特 定 的膜 ， 收稿 日期 2 0 0 9 1 l O 3 *北 京 市 属 高 等 学 校 人 才 强 教 计 划 资 助 项 目，项 目 号 PHR2 0 09 0 6 2 1 4 ． 使 流体 通 过 该 膜 的渗 透 作 用 ， 并 借 助 外 部能 量 的 推压 ， 使多 组 分 流 体 发 生 分 离 [ 。但 膜 分 离 法具 有 一 定 的 局 限性 ， 用 于脱 除天 然气 中 的酸 性气 体 时 ， 隔膜很 容 易被气 体腐 蚀 ， 在使 用 过程 中需 要较 高 的压 力 ， 并 且 这种 技术 造价 很 高 j 。 2 冷凝 分 离 法 。此 方 法是 借 助 多 组 分 混 合气 体凝 结 为液 体 的温度 差 ， 在一 定压 力下 ， 将 混 合气 体 的温 度 降 至露 点 温 度 以下 ， 使 混 合气 体 轻重组 分 凝结 为液 体 。然后 根 据混 合气 体轻 重 组分 的相 对 密 度差 和互 不 溶 解 的特 点 ， 实现 轻 重组 分分 离 。因此 要 实现气 体 轻重 组分 的分 离 ， 就必 须保 持 低 温 ， 配置 制 冷 设 施 ， 而 要 配 置 制 冷设 施 ， 一 方 面增 加投 资 ， 另一 方 面也增 加 了 操作 费用 ] 。 3 溶剂 吸收 法 。此 方法 是 根 据 混 合 气 体 各 组 分在 液 体 中溶解 度 的不 同 ， 用 适 当 的溶 剂 来处理混合气体 ， 从而达到混合气体各组分的 分离 。 目前 普遍 采 用 的溶 剂 是 三 甘 醇 ， 但 采 用 三甘醇脱去天然气中的水 ， 其工艺技术复杂， 设 备装 置 繁 多 ， 系 统 庞 大 ， 并 且 投 资 费 用 也 很 高 。 4 固体 吸 附法 。固 体 吸 附法 是 借 助 混 合 气 体 中各 组 分 在 固体 表 面上 吸附 能力 的差 异 ， 实 现混 合气 体 各 组 分 之 间 的 分 离 。 因此 ， 可 利 2 2 北京 石油化 工学 院学 报 2 0 1 0年第 1 8卷 用 固体表面孔隙吸附大量水分子的特点 ， 对天 然 气进行 脱水 。 目前 ， 虽然 固体 吸 附法 应 用 于 很 多气体 分 离 领 域 ， 但 该 方 法 流 程 复 杂 、 能 耗 高 ， 对 于大 型装置 ， 其投 资和 操作 费用 高[ 5 ] 。 由于 以上这 些 技术 存 在 着 许 多 缺点 ， 如 设 备庞大 、 投资高、 能耗大 ， 需要注入化学药剂等 ， 因此 ， 需 寻求 一 种技 术 先 进 、 设 备 简单 、 操 作 方 便 、 经济 节省 的脱 水方法 。近年 来 ， 喷管超 音速 分离 技术 在 很 多方 面 克服 了传 统 方 法 的不 足 ， 它是 把膨 胀 、 汽 液旋 转 离心 分 离 和扩 压 等工 序 结 合在一 起 的结 构 紧凑型 管道分 离装 置 。 2 喷管超音速分离装置发展进程 1 9 8 9年 由 S t o r k P r o d u c t E n g i n e e r i n g提 出的一 项 叫作 “ c o n d i c y c l o n e ” 的 空 调 专 利 技 术 它让 空气 以超 音 速 流 入 一段 管 子 ， 利 用 旋风 分 离 的原 理 除去 空气 中的水 分 ， 这 就 是所 谓 的喷管 。从 应 用 方 面看 ， 目前 的喷管 主要 分 为风 洞 喷管 、 发 动机 喷 管 以及 用 于产 生超 声 速 射 流 的喷 管 ， 而用 于 气体 脱 水 的是 超 声速 射 流 的喷管l 6 ] 。当时荷 兰 Gr o n i n g e n气 田的总 工程 师 K． T． Wi l l i n k注 意 到 了 1 9 8 9年 “ c o n d i c y c l o n e ” 这项 空调 专 利 技 术 ， 并 意 识 到该 项技 术 在 天然 气脱 水 中有 重 大 的应 用 前景 ， 于 是组 织 力量对 其进行 了研 究 。当年 ， 他 进行 了空 气一 水 分离实 验 ， 图 1 是建 立 的实验 台[ 】 。 图 1 空气一 水分离实验台 喷 管超音 速分 离 器 由拉 伐 尔 喷 管 、 超 音 速 整 流管 、 超 音速 翼 即分离 叶片 、 扩压管 等构件 组成 ， 这些 构件形 成 了一个连 通 的管道 ， 保 证流 体能 够顺利 通 过 。在 超音 速 旋 流分 离器 中 ， 天 然气 通 过 喷管 绝热 膨 胀至 超 音速 ， 其 温 度 和压 力将 降低 ， 形 成低 温低压 ， 天然 气 中的重烃 和水 蒸 汽 达到过饱 和状 态开 始凝结 ， 发生成 核 现象 ， 并 且液 滴开始 生长 ， 形成气 液混 合物 。然后 ， 气 液混合物通过置于喷管后直管道 中产生旋流的 尾 翼 ， 形成 强烈 的旋 流场 ， 流动 中液滴 在离心 力 的作用下 旋流 到管 壁处 。因而 居于管 道 中心 处 的气 流变成 干 气 ， 液 体沿 管壁流 动 ， 而 管壁处 的 气体 将包含 部 分 重 烃 和水 分 成 份 。最后 ， 分 离 器 将 气 流外 层 与 中心 处 气流 分 离 ， 实现 气 体和 凝 析液 的分 离 ， 然后 干 气流入 扩压 管压缩 ， 减速 升压 。目前关于国外研究开发的喷管超音速 旋 流分 离 装 置 的具 体 结 构 并 未 有 文 献 报 道 。 2 0 0 4年 Twi s t e r公 司 为 马来 西 亚 的 S a r a wa k 气 田设 计 一 套超 音 速分 离 天 然气 处 理装 置 ， 如 图 2所 示 。 图 2 天 然 气 超 音 速 分 离 装 置 在 这套装 置 中 包括 了两 套 超音 速 分 离 器 ， 分别 是 Twi s t e r Ma r k I型及 Twi s t e r Ma r k Ⅱ型 。最 初 的 Twi s t e r Ma r k 丁 M I型 天 然 气 超 音速分 离器 如 图 3所示 ， 旋流 器是后 置 的 ， 而 且 旋流 器 中分 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 ， 通 过 气 液 分 离 器 将 液 体 排 出 ， 液 体被输 送 到一个 常规 的液 一液分离 器 。 膨胀段 旋流分离段 压缩段 N f b L 超音速翼 分 ⋯ 簿 盏 O 0 m ／s N 3 o o o o o g 液 体 { M P a ． 0 ℃ 离 心 加 速 度 ⋯ ‘ ⋯ ⋯ ’ 图 3 T wi s l e r Ma r k I型超音速分离器 Tw i s t e r Ma r k I型超音 速分 离器存 在 的 问题是 ①高速气体与旋流 叶片碰撞会产生一 系列 激波 ， 会造 成很 大 的能量损 失 ， 甚 至影 响流 场 ， 破坏低温低压环境 ， 引起液滴在分离段的挥 发， 从而降低分离效率 ； ②其建立的涡流模型在 第 l 期 宋 婧等 ．喷管超音速分离技术在天然气脱水中的应用研究 2 3 增 加 叶 片迎 角 时 叶片 的拦 截 效 果 和 涡流 不 对 称 。为了 克服 这 些 缺 陷 ， Twi s t e r公 司 研 发 了 当前 的 Twi s t e r Ma r k Ⅱ型 天 然 气 超 音 速 分 离 器 ， 如 图 4所示 ， 其旋 流器 是位 于超 音速 旋 流 分 离器 的入 口处 。 罔 4 T wi s t e r Ma r k ”1I 型超音速分 离器 Twi s t e r 公 司 用 ANS YS的商业 C F D软 件 包 C F X一5来 模拟 流 动场 ， 如 图 5 所 示 。 图 5 超音速 分离管内部流场 的模拟 流线 图 三 维数 值模 拟 的流线 显 示 了 围绕 内部 结 构 的强 烈涡 流 开 始 于 环 状 叶 片 ， 在 气 流 流 速 上 升 到 超 声 速 前 ， 在 气 流 中 产 生 加 速 度 约 为 1 0 m／ s 。 的旋 流 ， 在 接下 来 的轴 向加 速 流 动 中 ， 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， 产生了气液分离所 需 的 离心 力 场 ， 使 得 天 然 气 重组 分 在 凝 结 的 同 时 并 伴 随 强 烈 的 离 心 力 甩 向 壁 面 。 因 此 ， Tw i s t e r Ma r k Ⅱ型超音 速 分离 器不 仅避 免 了 Tw i s t e r Ma r k ⋯ I型超音 速 分离 器 中必然 产 生 的激 波损 失 ， 获 得 更 大 的 温 降 ， 消 除 了 T wi s t e r Ma r k I型 中的再 蒸发 现 象 ， 并且 将 冷 凝 和分 离段都集 中在喷管渐扩段 中， 省去 了直管分离 段结 构 ， 优 化 了流场 l {J 。该 项 目已于 2 0 0 4年 2月投 入 生产 ， 该 装 置 属 海 上 天 然 气 处 理 系 统 的一 部 分 。这也 是 T wi s t e r 公 司 自成立 以来 的 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。 系 统 采 用6 个 6 0 MMc f d 1 MMf c d等 于 1 0 立 方 英 尺／ 天 ， 亦 即2 ． 8 3 l 7 1 0 。NIT ／ 。 ／ d 的超 音 速 分 离 管 ， 垂 直安 装_ 。 与 此 同 时 ， 俄 罗 斯 E NGO 旗 下 的 Tr a n s l a n g公 司将航 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 ， 研 发 出一 项 新 成果 3 S装 置 。该 公 司在 俄 罗 斯 莫 斯 科 州 建 立 了 日处理 量为 3 O l 0 m。 2 ． 5 k g ／ s 天 然 气 的工 业 性 实验 装 置 ， 还 在 加 拿 大 卡 尔加 里 附 近建 立 了 天 然 气 日处 理 量 为 1 1 0 1 0 m。 9 k g ／ s 天然 气 的 更 大 的工 业 性 实 验 装 置 ， 对 3 S 装 置 的各项 技 术性 能进 行验 证 。实 验装 置可 以 测 量 天然 气在 3 S设 备 中不 同点 的 流速 、 压 力 和 温度 。2 0 0 4年 9月 ， 该 公 司 第 一 套 工 业 用 3 S 装 置 在西 伯利 亚一 座处 理 能力 超 过 4 1 0 1 T I 。 ／ y的天 然气 工 厂 的低 温 系 统 中成 功 投 入 运 行 ， 完 成 了从 实 验 研 制 到工 业 化 应 用 的整 个 过 程 ， 3 S技 术及 其 装 置 的工 业 化 设 计 已经 成 熟 并 在 俄 罗 斯 、 美 国 、 德 国 、 意 大利 、 法 国 、 荷 兰 、 英 国 、 挪 威 、 澳 大利亚 、 巴西 等 国和欧 亚专 利联 盟获 得 专 利 ， 国 际专 利 组 织 已 向这 些 国家 正 面推 荐 使 用 3 S技 术 。图 6是 西 伯 利亚 天然 气 工 厂 运 行 中 的 3 S装 置l 1 ] 。 图 6 西伯利亚 天然 气 I 厂 中运行 的 3 S装置 近年来 国内对 超音 速 分离脱 水 装置也 进行 了一些 研 究 ， 申请 了部 分 专 利 。2 0 0 7年 ， 西 安 交 通 大学 的 白博峰 等人 “ 在对 T wi s t e r 公 司 的 T wi s t e r Ma r k I型 超 音 速 分 离 器 深 入研 究 的基 础 上 ， 对 分 离器 中产 生 旋 流部 件 的 大后 掠 角 长三 角翼 这一 分离 器 中最薄 弱 的构件 进行 了改 进 ， 采 用 多个 喷 嘴均 匀 分 布 的结 构 以 切 向 进 气 方式 实现 旋 流 j ， 在旋 流 段 的 内壁 面 周 向 装 有 叶栅 来 实 现 旋 流[ 1 。2 0 0 8年 大 连理 工 大 学 胡 大鹏 、 代玉 强及 邹 久 朋 等人 研 制 了 一种 锥 芯 式 超 音速 冷 凝 旋 流 分离 装 置 ， 采 用 向流道 中插 入 锥 芯 结构 ， 通 过 改变 锥 芯 的 直径 实 现 了 超音 速 喷 管 截 面积 的缩 放 ， 这 种 喷 管不 仅 克 服 ∞ O 爨蠢譬 誓- 2 4 北京 石 油化工学 院学 报 2 0 1 0年第 1 8卷 了圆形 截 面超 音速 喷 管加 工 困难 ， 还 具 有压 力 损失小 与 液 滴 沉 降 距 离 短 的 特 点 。2 0 0 9年 北 京工业 大学 刘 中 良等 人 发 明 了一 种 低 流 动 阻力超 音速气 体净化 分离 器 ， 如 图 7 所示 ， 采 用 环 形面横 截 面 的 L a v a l 喷 管 提速 降压 ， 并 将 旋 气体进气 口 流 叶片 同 L a v a l 喷管 结 合 在 一 起 ， 沿 内部 实 体 的圆周 方 向均 匀分 布 ， 可 以减小压 力损 失 ， 通 过 调节 旋 流叶 片 的布 置 高度 、 长 度 、 旋 转度 、 个数 等 ， 调 节旋 流强 度 以降低分 离 、 净化 过程 的压力 损失 ， 达 到最佳 的分离 效果 。 图 7 低流动阻力超音速气 体净 化分 离器 3 喷管超音速分离技术分析 3 ． 1 超 音速 分离管 的基本 结构及 工作 原理 3 ． 1 ． 1 超 音速 分离技 术研 究进展 喷管超 音 速分离 技术 是 由 Twi s t e r 石 油公 司最 早提 出的 ， 受 限于气 液两 相流体 力学 发展 ， 对 于气 液超 音 速旋 流 分 离技 术 ， 早 期 进 行 的大 部分工 作都 是基于 应用 和试验研 究 。 国外有 关 超 音速 旋流分 离技术 的基 础实验 研究 和数值 模 拟 研究 主要在 荷兰 的埃 因霍恩 科技 大 学 、 S t o r k P r o d u c t E n g i n e e r i n g公 司 、 俄 罗斯 E NGO旗 下 的 Tr a n s l a n g公 司以及壳 牌公 司 的研究 机 构 中 进 行 ， 并 开 发 了一 些描 述 超 音速 旋 流分 离装 置 内部 复杂 流动 的分 析和数 值模 拟工 具口 。 国 内在超 音速 分离技 术这 方面 的研究就 比 较少 。2 0 0 4年 江 汉 机 械 研 究 所 与 有 关 单 位 进 行 了基础 理论研 究 以及计 算机数值 模 拟研究 工 作 ， 取得 了一 系列 阶段 成果 ， 推 出了几项关 键技 术 拉 瓦 尔喷管 、 分离 叶片及 旋流分 离器入 口结 构 的优 化设 计 等 。对 L a v a l 喷管 段提 出三 种设 计方法 亚声 速收缩 段用 维托辛 思基 曲线设 计 ， 超声 速扩 张段按 富 尔 士法 设计 ； 亚声 速 收缩 段 用 维 托辛 思 基 曲线 设计 ， 超 声 速扩 张段 按 锥 形 管 设计 ； 亚声 速 收缩 段 和超 声 速扩 张段 均 按 面 积 比公式 设计 。2 0 0 6年 北 京 工 业 大 学刘 恒 伟等 人在超 音速 分离管 的研 发与其 流动 和传热 传质 特 性研 究 方 面取 得 了一 些研 究 成果 ， 在 二 出 口 维 流 动假 设 的基 础 上 ， 对 超 音 速喷 管 内 的气体 进行 了分 析计 算 ， 并 对 高速 膨胀 过 程 中 的两相 凝结 流动进 行 了探讨 。 同时对超音 速分 离管 的 设 计 提 出 了方 案 1 L a v a l 喷管 的设 计 不 能完 全 沿用传统 的设计 方法 ， 而是要根据实 际工况适 当加 大渐扩段 的长 度 ； 2 设计 旋流 器 的关键 之 处在 于平 衡超音 速 分离 管 的压力特 性 和分 离特 性 ； 3 分离 段 的长度 对超音 速 分离 管 的工作 性 能有着非 常重要的影响l_ 1 。2 0 0 8年西安交通 大 学科研人员 对喷 管 内部 的流动情 况进 行 了三 维 模 拟 ， 采用 I P M 模 型对超 音速 分离装 置 内 的液 滴 颗粒的运动轨迹进行 追踪 ， 但是该模 拟没有考 虑 相变过程 ， 与真实 的情 况相差较远l_ 2 。 3 ． 1 ． 2超音 速分离 管 中超音速 翼 的研 究 超音 速翼 是超 音速旋 流气体 分离 器 的关 键 部件 。国外 曾有报 道 ， 采 用 平板 三角 形 翼 用 于 超声 速 旋 流气 体 分离 器 ， 由于超 声 速翼 段 的 汽 液混 合 气 流速 度 为超 声 速 ， 这 种 超声 速 翼通 道 存 在 激 波现 象 ， 超声 速 翼 对气 流 有较 强 的扰 动 作 用 ， 造 成较 大 的能量损失 ， 使超 声速 翼流场 的 静 温 、 静 压增 加 ， 分 离效 率 低 ， 因 此超 音 速 翼 翼 型 的设计 是关键 。 超音 速翼 分 离 叶 片 通 常 都 是 又 弯又 扭 ， 相应的叶片型面通常都是 三维空间的任 意曲 面 。研 究三 维空 间 叶 片设 计 及 几何 造 型 问 题 ， 通 常采 用传统 工程 处理方 法一从 二维 叶型 出发 来研 究 。超音 速 翼翼 型 的 基 本设 计 思 想 是 有 第 1 期 宋婧 等 ．喷 管超 音速 分离 技术 在 天然 气脱 水 中的应用 研究 2 5 较大 的通 流 能 力 ， 较 小 的几 何 尺 寸 。采 用 尖 前 缘 、 光 滑表 面 减 小摩 擦 ， 用 以减 小激 波 强 度 ， 避免形成脱体激波。叶片沿轴 向非均匀弯 曲， 从 叶片 进 口至 出 口是 一 个 空 间扭 曲 的流 道 ， 使 流体 能 形 成 约 为 1 8 0 。 角 的 旋 转 。采 用 小 展 弦 比， 即翼 弦与 翼 展 相 比较 大 的翼 型 。采 用 相 对 厚 度 与 相对 弯 度 较 小 的翼 型 ， 并 在小 冲 角下 使 用 ， 这样 的叶 片 无 堵 塞性 能 和 对 气 流 的无 损 性 能 均 比较好 。 国 内外 学 者对 超 音 速翼 进 行 了研 究 ， 并 申 请 了专利 。2 0 0 4年 ， T wi s t e r公 司研 发 的 天 然 气 超 音 速 分 离 器 Twi s t e r Ma r k r M I型 中 的 分 离 叶片 是 一个 三角 形 突 出 物 ， 类 似 于 战 斗机 的 机 翼 ， 但 T wi s t e r Ma r k ”I型 中分离 叶 片 的设 计 方法 存在 一 定 的缺 陷 ， 其 对流 场 的影 响很 大 。 为 此 ， Twi s t e r公 司研 发 了 Twi s t e r Ma r k TM 1 I 型 ， Tw i s t e r Ma r k T M 1 I型中超音速翼 是将 3个 以上 叶 片 沿 周 向 均 匀 分 布 于 喷 管 人 口处 。与 Twi s t e r Ma r k I型 丰 目比， Twi s t e r Ma r k 1 I 型能 获得更 大 的温 降 ， 更低 的露 点 温度 ， 消 除 了 Twi s t e r Ma r k I型 中 的 再 蒸 发 现 象 。2 0 0 6 年 ， 西 安东 新石 油设 备 厂 的朱 山 设 计 了新 型 天然气超音速旋流分离器 的螺旋翼 ， 该螺旋翼 是 由 2 ～3个螺 旋 叶片 与芯 轴组 成 ， 其外 圆 为锥 形 ， 以便 与 通道 内壁 进行 锥度 配 合 ， 实现 轴 向单 向 固 定 。2 0 0 7年 ， 中 国石 油 大 学 的 曹 学 文 等 人 发 明了超 声 速 旋 流 天 然 气 分 离 器 的 超 声 速 翼 ， 采 用 一 种 适 用 于宽 范 围马 赫数 的超 声 速 翼 型 ， 这种 超 音速翼 有 较大 的翼 型 转折 角 ， 能够 产 生强 大 的离 心 作 用 力 ， 如 图 8所 示 。该 翼 型 前 缘半 径非 常 小 ， 用 以消除 翼型 前部 的激 波 ； 将 翼 型 的尾 部 收缩成 一 顶点是 为 了减 少对 流 场 的 扰 动 ， 减少 能 量 损 失 ， 减 小 激 波 强 度 ， 避 免 形 成 脱 体激 波 ， 使翼 后切 向速度 分布 均匀 ， 从 而 实现 彻 底 的汽液 分 离 。 图 8超音速翼型 4 结束语 天然 气脱 水是 防 止气 体水 合物 形成 的根本 措 施 ， 喷管 超 音 速分 离 技 术 是 天 然气 处 理 工 艺 技 术 的 一 大创 新 技 术 ， 依 靠 喷 管膨 胀 形 成 低 温 低 压超 音速 流 动 ， 并 通过 超音 速 翼形成 旋 流 ， 从 而 实现冷 凝 水及 重 烃 的分离 。在 对喷 管超 音速 分 离技 术 相 关 研 究 进行 分析 的基 础 上 ， 为 优化 喷管 超 音速 分 离 管 设计 ， 可 以从 以下 几 个 方 面 开展 工作 1 分 离管设 计 方 法 L a v a l 喷 管 的设 计 不 能 完全 沿 用 传 统 的设 计 方 法 ， 需 要 考 虑 气体 高 速 流动 时液 相凝 结 时 间以及 凝结 散热 对流 动 的 影响。由于 I a v a l 喷管及旋流分离段的形状设 计对 超音 速 分离 管 的工作 性 能有 着非 常重要 的 影 响 ， 因此 ， 借助 三 维全 流场 数值模 拟 超音 速分 离 管 内部 的流 动 过程 来 辅 助 分 离 管 的设 计 ， 提 高 了分 离管 的分 离效 率 。 2 降 低 激 波 影 响 由气 体 动 力 学 知 识 可 知 ， 超音 速分 离管 中必然会 产 生激 波 ， 发生激 波 后 ， 气体 参数 会发 生 突跃 ， 这 势必 会对 超音速 分 离管 内的流 场 产 生 影 响 。 因此 ， 为 了保 证 设 计 出来 的超 音 速 分 离 管具 有 较 好 的 分 离效 果 ， 在 设 计 分 离 管 时 必须 考 虑 到 激 波损 失 ， 而减 小 激 波损 失 的方 式是使 激 波 的发 生位 置尽 可能 远离 喷管 喉部 。 3 零件 可加 工性 超 音 速分 离器 流道 管径 不断 变 化 且 要求 表 面光 滑 ， 产 生 旋 流 的超 音 速 翼在 管 道 内部 安装 ， 这 些都 给设 备 加 工带 来 了 难度 ， 因此提 高零 件 的可 加工 性 ， 对 于 超音 速分 离器 的推 广 应用 也是 非常 重要 的。 参 考文 献 E l i 陈桂 娥 ， 韩 玉峰 ， 阎 剑 ， 等． 气体 膜分 离技 术 的 进展 及 其应 用 [ J ] ． 化 工 生 产 与技 术 ， 2 0 0 5 ， 1 2 5 23 26 ． [ 2 ] 魏 星 ， 黄维菊 ， 陈文梅． 国外膜 分离法 天然气脱 水研 究现状[ J ] ． 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n k e l s h o e k ， B a r t I a m me r s， a n d M a r c o Be t t i n g． CFD FOR SUPER S ONI C G AS P R C E S S I N G[ C ] ．Ad a n c e s i n M ul t i ph a s e Se pa r a t i on a n d M u l t i p ha s e Pu mpi ng Te c hn ol o gi e s Con f e r e n c e，2 005， 9 3 6 8 ． [ 1 1 ] J o b M．B r o u w e r， Go n n e k e B a k k e r ．S u p e r s o n i c g a s c o nd i t i o ni ng f i r s t c o mmer c i a l of f s ho r e e xpe r i e n c e [ J ] ．Tw i s t e r p a p e r ，2 0 0 4 ， 2 3 3 1 1 6 ． [ 1 2 ]Ok i mo t o F ，B r o u w e r J M．S u p e r s o n i c s e p a r t o r g a i n s ma r k e t a c c e p t a n c e[ J ] ．Wo r l d Oi l ，2 0 0 7 ， 1 5 2 4 1 9 7 20 0． [ 1 3 ] 白博峰 ， 严俊 杰 ， 等． 多进 气道 超音 速旋 流分离 与 回 压 装 置． 发 明 专 利 2 0 0 6 1 0 0 4 3 1 5 8 2[ P ] ． 2 00 7 01 - 31 ． [ 1 4 ] 白博峰 ， 王 科 ， 等． 一种 超音速 旋 流凝 结分 离 组 合 喷 管．发 明 专 利 2 0 0 6 1 0 1 0 5 1 9 9 X[ P] ． 20 07 一 O7 2 5 [ 1 5 ] 胡大鹏 ， 代 玉强 ， 邹久朋 ， 等． 锥芯式超 音速冷凝 旋流分 离装 置． 发 明专利 2 0 0 8 1 0 0 1 1 2 5 8 6 E P ] ． 2 00 9 0 4 01． [ 1 6 ] 刘 中良， 庞会 中， 蒋 文明， 等． 一种低流动 阻力 超 音 速 气 体 净 化 分 离 装 置．发 明 专 利 2 o O 8 1 O 2 2 4 4 9 9 9 [ I ] ．2 0 0 9 0 3 1 1 ． [ 1 7 ] 蒋文明， 刘仲 良， 刘恒伟． 等． 新 型天然气超音速 脱 水净 化装 置 的现 场 实 验 [ J ] ． 天 然 气 工 业 ， 20 08， 28 2 1 36 1 3 8． [ 1 8 ] 何策 ， 张晓东． 国内外天然气脱 水设 备技术现 状 及 发 展 趋 势 [ J ] ．石 油 机 械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 69 7 O． [ 1 9 ]刘恒伟 ， 刘 中良， 等． 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 ， 2 0 0 6 ． [ 2 O ]曹学 文， 陈 丽 ， 等． 超声速 天然 气分离 器研究 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 7 ， 2 7 7 1 0 9 1 1 1 ． [ 2 1 ] 何策 ， 程 雁 ， 等． 天然气超 音速 脱水技 术评 析[ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 6 ， 5 5 3 4 6 6 6 9 ． [ 2 2 ] 杨志毅 ， 袁宗 明 ， 等． 油气 超音 速旋 流分离 技术 j J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 4 ， 7 6 7 6 7 7 ． [ 2 3 ] 朱 山． 新型天然气超音速旋流 分离器． 实用新 型专利 z I 2 0 0 5 2 0 1 1 1 9 0 1 4 [ P ] ．2 0 0 6 1 2 2 O ． [ 2 4 ]曹学 文， 何 川 ， 等． 超声速旋 流 天然气 分离器 的超 声 速 翼 ． 发 明 专 利 2 0 0 6 1 0 0 4 4 6 4 0 8 [ P ] ． 2 007 0] 一 】 7． Th e S t u d y o n t h e Ap p l i c a t i o n o f No z z l e S u pe r s o n i c S e pa r a t i o n Te c h n o l o g y i n t he De hy d r a t i o n o f Ga s S o n g J i n g ， W a n g Li 。 Ch e n J i a q i n g Ch e n Z h i mi n g 1 ． Be i j i n g Un i v e r s i t y o f Ch e mi c a l Te c h n o l o gy，Be i j i n g 1 0 0 0 2 9 ，Ch i n a； 2 ． Be i j i n g I n s t i t u t e o J Pe t r o c h e mi c a l Te c h n o l o g y，Be i j i n g 1 0 2 6 1 7 。Ch i n a Ab s t r a c t Su pe r s o n i c g a s s e pa r a t i o n t e c hn ol o g