天然气脱水脱烃用SM系列分离器的研究与应用.pdf

石 油 与 天然 气 化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L GAS 2 O 1 5 天然气脱水脱烃 用 S M 系列分 离器 的研究 与应用 熊 思 陈 家庆 石 熠 沈 玮 玮 北京石 油化 工学院机械工程 学院 摘 要 S h e l l 石 油公 司研 发 的 S M 系列分 离器是 一 种 高效的 脱水 、 脱 烃设备 ， 对其 发展 历 程 、 结构 组 成和 工作 原理 进行 了 系统 的总 结 ， 结 果表 明 ， 采 用 重 力分 离与 高效 内构件 相 结合 的 S M 系列分 离 器具 有分 离效率高、 构件模块化等优 点， 适用于天然气脱水、 脱烃装置 。针对 S M 系列分 离器开展 的气一 液分 离应 用基础 研 究 ， 有 助 于 了解其 内构件 工作 情 况及 分 离器 内液 滴平均 尺 寸分布 情 况 ， 可为分 离器 内构 件 的结 构优化 设计 和 分 离器性 能的进 一 步提 升提供 参 考 。 关 键词 天然 气 脱 水 脱烃 气一 液 分 离器 S M 系列分 离器 中图分 类 号 TE 6 4 5 文献 标志 码 A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 2 Re s e a r c h a n d a p pl i c a t i o n o f S M s e r i e s s e pa r a t o r s f o r n a t u r a l g a s d e hy d r a t i o n a n d d e h y d r O c a r b 0 n Xi o n g S i ，Ch e n J i a q i n g ，S h i Yi ，S h e n W e i we i S c h o o l o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g，Be i j i n g I n s t i t u t e o f 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 ，C h i n a Abs t r a c t Th e SM s e r i e s s e pa r a t or r e s e a r c he d b y She l l Oi l Co m p a ny i s a k i nd o f e f f e c t i ve e qu i p me nt f or n a t ur a l ga s de hy dr a t i on a nd de h yd r oc a r bo n p r oc e s s ． Thi s p a pe r s ys t e ma t i c a l l y s um ma r i z e d d e v e l o pme nt ，s t r u c t u r e a n d wo r ki ng pr i nc i pl e of t he SM s e r i e s s e pa r a t o r ． Th e r e s u l t s i nd i c a t e d t ha t t he SM s e r i e s s e pa r a t or s c o m b i ni n g g r a vi t a t i o na l s e p a r a t i on wi t h h i gh e f f i c i e nc y c o m p on e nt p a r t s ha v e t h e a dv a nt a ge s o f h i gh s e pa r a t i o n e f f i c i e nc y a nd m o d ul a r c ompo ne n t s ． The r e f o r e， i t i s s u i t a b l e f o r n a t u r a 1 g a s d e h y d r a t i o n a n d d e h y d r o c a r b o n u n i t ． M o r e o v e r ，a i mi n g a t t h e d e v e l o p me n t o f S M s e r i e s s e pa r a t o r，t he t he or e t i c a l r e s e a r c h o f ga s l i qu i d s e pa r a t i o n c a n c o nt r i b ut e t o o bt a i n t he wo r ki ng s i t u a t i o ns o f s o m e c ompo ne n t p a r t s a n d d i s c o ve r y t he d i s t r i but i on of a v e r a g e dr o pl e t s i z e i n ga s l i qu i d s e p a r a t o r s ，wh i c h c a n pr ov i de r e f e r e nc e s f or op t i m i z a t i on d e s i g n o f c o m p on e n t p a r t s a n d pe r f or man c e i m pr o ve m e nt s of t he s e pa r a t or ． Ke y wo r ds n a t ur a l ga s ，d e hy d r a t i o n，d e hy d r oc a r bo n，g a s l i q ui d s e pa r a t o r，SM s e r i e s s e pa r a t o r 天 然 气 中常 含 有 饱 和 水 、 H。 S和 凝 析 油 等 ， 集 输 时需进 行 脱硫及 脱 水 脱 烃 等处 理 ， 脱 水脱 烃 效 果 决 定 了外输天然气的品质 。脱水脱烃 的实质是气液分离 ， 要用到气一 液分离设备 。除重力分离器、 叶片分离器等 常规 设 备 外 ， 一 些 新 型 设 备 也 逐 渐 得 到 推 广 ， 如 G L C C、 超音 速 分 离器 3 S 、 S M 系 列 分离 器 及 内联 脱 气器 、 脱 液器 等 。其 中 ， S h e l l 石 油公 司 的 S M 系列 分离器由于分离效率高、 处理量大等优点得到广泛应 用 ， 安装 量 已超过 6 0 0台 。国 内 自长 北 合 作 区 成 立 以 来 ， 长北 、 榆林 、 格里木等气 田陆续引进该类设备 ， 推动 基金项 目 北京石油化工学 院校级研究 生创 新项 目“ 紧凑 型立式 三相分离器的结构设计” 1 4 0 1 0 2 2 1 0 3 3 。 作者简介 熊思 1 9 8 9 一 ， 男， 湖北随州人 ， 在读硕士研究生 ， 现从事多相流分离方面的研究工作。E - ma i l x i o n g s i b i p t ． e d u ． c n 通讯作 者 陈家庆 1 9 7 0 一 ， 男 ， 湖北兴 山人 ， 教授 、 博士生导师 ， 工学 博士 ， 现从 事石油 机械设计 、 环保多 相流分 离技术 等方 面 的教学 与科研 工作 。E ma i l j i a q i n g b i p t ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 4卷第 3期 熊思 等 天然气脱水脱烃用 S M 系列分离器 的研究与应用 沫 器 ， 可分 离最 小粒 径为 2 ～5 m 的液滴 。 2 围绕 S M 系列分离器 的应用基础研 究 在 S M 系列 分离 器 的发展 过 程 中 ， S h e l l 石油 公 司 与挪威 科技 大 学 NT NU 就 气一 液 分 离 理 论 研 究 展 开 了密切合作 ， 通过实验研究了丝网除沫器的工作情况， 掌握了高压条件下发生液滴夹带时分离器 内液滴平均 尺寸的分布情况 ， 可为分离器设计过程 中相关参数的 选取提供依据 。 2 ． 1分 离器 内丝网 除沫器 的 实验研 究 实验 装 置 如 图 6所 示 。首先 进 行 常 压 实验 ， 所 用 除沫器高为 0 ． 1 m、 孔 隙度为 9 8 ． o 6 ， 介质为含液量 0 ． 0 2 的 水／ 空气 混 合 物 ， 气 速 K 的 范 围 为 0 ． 0 5 t O ． 1 7 m／ s ， 待测参数 为持液量、 压降及液滴尺寸分 布 ] 。实验 时 按 从 下 到 上 的 顺 序 分 别 选 取 1 mm 2 1 mm、 4 1 mm、 6 1 mm、 7 6 mm 共 5 个 位 置 作 为 测量 点 ， 测得 的压降和持液量变化如图 7所示 。 盈露霞 ■● 图6 实验装置的工艺流程示意 图 Figu r e 6 Fl o w of ex p er ime nt al d e vic e 由图可知 ， 当 K 值小于 0 ． 1 m／ s时， 压降及持液 量 随 K 值 的增 大而增 加 ， 所 有 液滴 可被 除 去 ； 当 K 值 达 到 0 ． 1 1 NO ． 1 2 m／ s时 ， 压 降 及 持 液量 突然 增 加 ， 除 沫器 内发生液泛 ； 随着 K 值继续增大 ， 压降缓慢增加 ， 持液量下降 ， 这可能是 由于除沫器内部液滴夹带所致 。 综合 压 降及持 液 量 的变 化 ， 得 出 图 8所示 的 分 离效 率 变化趋势 ， 即随着气速 的增加 ， 分离效率下降。此外 ， 还测 量 了 K 值 分别 为 0 ． 0 5 、 0 ． 1 2 、 0 ． 1 3时 除沫 器 下游 液 滴尺 寸的分布情 况 ， 见 图9 l 9 ] 。 结合 分离效 率 的变 7 0 0 6 O O 5 O 0 4 O 0 釜 。 。 。 2 0 0 1 0 0 气相流速 ／ m s a 压降变化图 气相流速／ m S - I b 不同测量点持液量的变化图 图7 除沫器压降及持液量的变化趋势 Fi g ur e 7 Ch an g e t en d en c y o f p r e s s ur e d r op an d l iqu i d h oldu p o f d emi s t er 0 ．1 1 0 ．1 2 0 ． 1 3 0 ． 1 4 0 ． 1 5 0 ． 1 6 0 ． 1 7 0 ．1 8 气相 流速／ m s - 1 图8 除沫器分离效率随气相流速的变化情况 F i g u r e 8 S e p a r a t i o n e ff i c ie n c y c h a n g e s wit h g a s v e l o c i t y 1 0 ’ 1 0 一 1 0 一 1 0 1 0 一 液 滴尺寸／ m 图9 不同， 值下的液滴尺寸分布情况 F i gu r e 9 Dr op s i z e d i s t r i b u t ion wit h diffe r e nt K 化 和液滴 尺寸 分 布情况 可 知 ， 即使 发 生 了夹 带 ， 除沫 器 依然高效 ， 且在满足下游分离单元液相载荷 的前提下 ， 加 5 0 卧 世 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 石油与天然气化工 CHEM I CAL ENGI NEERI NG 0F OI I GAS 工 作在 液泛 模 式是较 为 理想 的选 择 。 为验证 上 述结论 在实 际工 况 下 的准 确 性 ， 随 后 进 行 了高压 实验 。实 验 流 程 不 变 ， 仅 改 用 高 0 ． 1 5 m、 开 孔率为 9 8 的除沫器 。分别用含液量为 0 ． 2 9 ／ 6 的 N ／ E x x s o l 和天然气／ 戊烷作为介质， 气速范 围为0 ． 0 7 ～ 0 ． 2 6 m／ s ， 压力范围为 2 ． 0 ～9 ． 2 MP a ， 待测参数仅 为压降。结果均表明 ， 高压下除沫器 的工作状况及效 率变化趋势与常压相 同， 即常压实验得出的结论适用 于实 际工 况 。 2 ． 2分 离器 内不 同流 态 下液 滴 平 均 尺 寸 分 布情 况 的 理 论预 测研 究 分离 器 内液 滴尺 寸的分 布决定 了分 离效果 ， 由 S o u d e r s B r o wn方程知， 已知液滴尺 寸时即可进行工 艺设 计 。因此 ， 研 究 人 员研 究 了 高 压 液 滴 夹 带 时 ， 层 状 流 对 应 于旋 流分 离 和线 状 流 对 应 丝 网除 沫 器 内的 流动 对应 的液 滴 尺寸分 布 ， 并基 于 已有研 究提 出 了更 准确 的计算 式 。 实验流程如图 1 0所示。层状流实验中用轻烃 、 氮 气作为液相、 气相 ， 压力范围为 9 0 0 ～1 6 0 0 k P a ， 气速 范 围为 5 5 ～ 1 2 O L ／ mi n 标 准 状 况 下 ， 液 相 流 率 为 0 ． 1 L ／ mi n ， 液 滴 表 面 张 力 为 2 4 mN／ m； 线 状 流 实 验 中 ， 气 、 液 相 为 N。 、 C 。 H ， 压 力 范 围 为 6 0 0 ～ 1 6 0 0 k P a ， 气 相 流 量 范 围 为 3 O～ 1 0 0 L ／ mi n ， 液 相 流 量 为 0 ． 3 L ／ mi n ， 液滴 表 面张 力 为 2 3 mN／ m。结 合 实验 数 据及 已有 研究 发 现 ， 用 Ka t a o k a等 提 出 的计 算 式得 到 的液 滴 尺寸分 布 结 果误 差 较 大 。经过 无 量 纲 分 析 ， 加 入黏 度无 量 纲对其 修 正 ， 修 正 前 后 的 表 达式 见 式 1 、 式 2 [ 。 图1 0 S h e l l 石油公司和N T NU 所采用实验装置的工艺流程示意图 Fi g ur e 1 0 Pr o c es s f l o w o f e x pe r i men t al e quipmen t u s ed b y Sh e l l Oil Comp a ny an d NTNU ￡／ 一0 ． 0 2 8 We [ Re o 6 。 R已 p ／ p 。 3 3 。 ／ 1 1 ￡／ d 一 4 ． 1 1 0 。 R Re 2 ID ／ 10 1 。 ／ 。 6 , 2 3 ci, 2 式 中 ， 为 液滴 平 均 尺 寸 ， m； d c w 为 试 验 装 置 中 的流 道直 径 ， d c n一 5 ． 6 6 mm； We 为 气 相 韦 伯 数 ， We 一 p ． u d c H ； R R e 分 别 为 液 相 雷 诺 数 和 气 相 雷 诺 数 ， Re 1 10 1 Ul dc H ． ， RP 一 to g Ug dc H ． ； C w 为 黏 度 系 数 ， C w一 ／ ． 1 g 』 0 0 2 8 N _ _4 ， N e 1 ／ 1 5 ， N 为 黏 度 ， 无 量 纲 ， 其 计 算 ， N ， ，为 黏 度 ， 无 量 纲 ， 其 计 算 【 0 ． 25 ， ， 1 ／ 15 方法 见式 3 。 N I l l 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 4卷第 3期 熊思 等 天然气脱水脱烃用 S M 系列分离器的研究与应用 1 3 参 考 文 献 E l i B E RGE RMAN S D， P OL D E RMS N H G，B RAVO J L ．S h e l l s e p a r a t i o n t e c h n o l o g y f r o m t h e we l l h e a d t o t h e u s e r [ C]} ， P r o c e e d i n g s o f t h e S PE La t i n Ame r i c a n a n d Ca r i b b e a n Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g Co n f e r e n c e，M a r c h 2 5 2 8，2 0 0 l，Ne w Yo r kS PE，c 2 0 0l _ E 2 ]Ha n n i s d a l A，We s t r a R， Ak d i m M R ．C o mp a c t s e p a r a t i o n t e c h n o l o g i e s a n d t he i r a p p l i c a b i l i t y f o r s u b s e a f i e l d d e v e l o p me n t i n d e e p wa t e r [ C ] I P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 1 2 Of f s h o r e Te c h n o l o g y C o n f e r e n c e。A p r i l 3 0 一 M a y 3 ，2 0 1 2，Ho u s t o nOTC，c 2 0 1 2 ． [ 3 ]P AARD EKOO P E R． Ap p a r a t u s f o r g a s ／ l iq u i d s e p a r a t i o n US， 4 5 6 6 8 8 3[ P ] ． 1 9 8 6 0 1 - 2 8 ． [ 4 ]MC E WAN．C o l u mn f o r r e mo v i n g l i q u id f r o m a g a s US ，4 7 6 7 4 2 4 L P J ． 1 9 8 8 0 6 3 0 ． [ 5 ]GI US E P P E M，P I ER RE S，B ART G．Th e n e v ／s c h o e p e n t o e t e r p l u s A s t e p a h e a d i n t h e b u l k s e p a r a t i o n o f g a s l i q u i d mi x t u r e s [ C ] f f P r o c e e d i n g s o f t h e AI C h E S p r i n g Na t i o n a l Me e t i n g，Ma r c h 1 4 1 7，2 01 1 ，Ch i c a g oAI Ch E，c 2 0 1l _ [ 6 3 S u l z e r C h e mt e c h ．Ga s ／ L i q u i d s e p a r a t i o nt e c h n o l o g y [ 3 ／ OL ] ．S u l z e r ． h t t p ／ ／ www． s u l z e r ． c o m／ z h ／／ me d i a ／ D o c u me n t s ／ P r o d u c t s An d S e r v i c e s ／ S e p a r a t i o n Te c h n o l o g y ／ Mi s t El i mi n a t o r s ／ B r o c h u r e s ／ Ga s Li q u i d _ Se p a r a t i o n Te c h n o l o g y ． p d f ． E 7 ]徐彦 明，杨晓龙．长北气田 S MS M 低温 分离器 的优 化改造[ J ] ．天 然 气 工 业 ，2 O l O ， 3 0 3 8 7 9 0 ． [ 8 ]s E TE KL E I V A E，S VE NDS E N H F ．I n v e s t i g a t i o n o f l i q u i d h o l d up i n m e s h p a d a t a mbi e n t c o n d i t i o n s wi t h a p p l i c a t i o n t o h i g h p r e s s u r e s e p a r a t i 0 n [ c ] ∥Pr o c e e d i n g s o f t h e 2 0 1 0 Of f s h o r e Te c h n o l o g y Co n f e r e n c e ，M a y 3 - 6，2 0 1 0，Ho u s t o nOTC ，c 20 1 0． [ 9 ]MA RC HE TTI J M，P ATRUNO L E，G AEB L E R A， e t a 1 ．Dr o p t l e t s i z e me a s u r i n g t e c h n i q u e a n d a p p l i c a t i o n [ C ] f P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 1 0 Of f s h o r e Te c h n o l o g y Co n f e r e n c e，M a y 3 - 6，2 0 1 0， Ho u s t o n TC，c 2 01 0 ． [ 1 0 ]S h e l l Gl o b a l S o l u t i o n s I n t e r n a t i o n a l B ． V．Ga s ／ L i q u i d s e p a r a t o r s t y p e s e l e c t i o n a n d d e s i g n r u l e s DE P 3 1 ． 2 2 ． 0 5 ．1 卜Ge n ．[ P ] ． 2 0 0 2 1 2 ． [ 1 1 ]P ATR UNO L E，MAR CHE TT I J M ，D ORAO C A，e t a 1 ． S c r u b b e r s e p a r a t i o n d r o pl e t e nt r a i n m e n t i n h i g h p r e s s u r e g a s l i q - u i d s e p a r a t i o n [ C ] f P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 1 0 Of f s h o r e Te c h n o l o g y Co n f e r e n c e ，M a y 3 - 6，2 01 0，H o u s t o nOTC，c 2 01 0 ． [ 1 2 ]HUGO P，GE RT K，HANS N．I n n o v a t i v e g a s ／ l i q u i d s e p a r a t o r i n c r e a s e s g a s p r o d u c t io n i n t h e N o r t h S e a [ C ] P r o c e e d i n g s o f t h e 5 6 t h L a u r a n c e Re i d Ga s Co n d i t i o n i n g c o n f e r e n c e ， Fe b r u a r y 2 6 M a r c h 1 ，2 0 0 6，Ok l a h o m a LRGC，2 0 0 6 ． [ 1 3 ]王军江 ，鲁艳峰 ， 赵宝利．新型低温脱 烃设备 在长北气 田的应 用 [ J ] ．化工机械 ，2 0 0 7 ， 3 4 4 2 0 8 2 1 0 ． 1- 1 4 ]周 妮妮，魏 自涛 ，郭瑞华 ．脱油脱水装置运行浅 析[ J ] ．石油 化工 应用 。 2 0 0 8 ，2 7 6 9 5 9 9 收稿 日 期 2 0 1 4 0 8 2 5 ； 编 辑 温冬云 下 期 要 目 1英 买天 然 气处理 装 置提 高 丙烷 收 率工 艺改进研 究 2炼 油厂硫磺 回收联 合装 置 S o 排 放超 标 原 因分析及 对 策 3基 于 HYS YS的 Cl a u s 硫 磺 回收 过程模 拟 4纤维膜 脱硫 组合 技 术在 液化 石 油 气脱 硫 脱硫 醇 中的 应 用 5 8 1 0 t ／ a 硫磺回收装置采用富氧工艺的可行 }生 探讨 6脱硫 脱碳 装置 卧 式热虹 吸 式重 沸 器 出 口管线 安装 高 度计 算 7四川 石化 1 O 1 0 t ／ a硫 磺 回收 及 尾 气处 理 装 置 运 行 总结 8催化 柴 油加 工路 线选择 及 经济性 分析 9 L NG 冷 能发 电工 质选择 与 参数优 化 1 0多级孔 HB分 子 筛 用 于催 化 裂化 轻 汽 油 醚 化 反 应 性 能 的研 究 1 1油 田伴 生 气凝 液 回收工 艺改进 研 究 1 2 页 岩 气 藏 “ 工 厂 化 ” 作 业 压 裂 液 技 术 研 究 以 CNH3井组“ 工厂化 ” 作 业为 例 1 3酸性气井不同井段三种套管钢的适用性评价 1 4部分 水解 聚 丙烯酰胺 的微 流 变特性 研 究 1 5新型胺 解 原 油降凝 剂 P S MA 的合成 与性 能评 价 1 6安塞 油 田致 密砂 岩 井体 积压 裂现 场先 导试 验 1 7渤海油田多轮次凝胶 调驱参数优 化 实验研 究 以 L D5 - 2油 田 A2 2井为例 1 8 I S O／ TR 2 2 3 0 2 { 天 然气一 甲烷值 的计算 的解 读 1 9 L NG 接 收站码 头 L NG 取 样 系统 改 造 对 计 量 结 果 的影 响 2 0高一 磨地 区高密度 钻 井液 C O 污染预 防与 处理技 术 研 究 2 1聚结一 气浮除油技术在曹妃 句油田 W HP D应用研究 2 2基 于 HAZ OP与 AE MA 的输 气站 场风 险评估 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m