集冷凝和离心分离功能于一体的天然气超音速旋流分离技术

天然气超音速旋流分离技术具有结构简单紧凑、无转动部件、可靠性高、无化学添加剂、投资和维护费用低等优点,工业应用前景广阔,但由于其过程的复杂性,理论研究还不成熟。为了推进该技术的大规模工业化应用,在介绍天然气超音速旋流分离器的结构及其工作原理的基础上,阐述了其旋流流动过程、内部凝结过程和内部流动过程等数值模拟的研究新进展,分析了近年来国内外有关的实验研究现状,总结了相关数值模拟和实验研究的进展,并对未来天然气超音速旋流分离技术亟待解决的关键问题进行了展望。研究结果表明:(1)目前关于超音速旋流分离器的数值模拟研究主要集中在旋流流动过程、内部凝结过程和内部流动过程等方面,并取得了一定成果;(2)国内对超音速旋流分离器的实验研究主要集中在低压实验,而在高压天然气的凝结机理及分离机理研究等方面则可能尚存在着一定的差距。结论认为:(1)解决超音速喷管的收缩段曲线和扩张段曲线的匹配、旋流器的结构优化设计与安装位置等问题,有助于气体凝结和提高气液分离效率;(2)开展符合天然气实际操作工况的高压实验,有助于探究天然气旋流分离的凝结和分离机理;(3)亟待在准确揭示高压天然气跨音速流动时其中水分及重烃的凝结机理和分离过程方面进行深入研究,确定影响分离性能的因素,以期为天然气旋流分离器的工程设计与应用奠定坚实的理论基础。

锥芯式超音速旋流分离器流动及分离特性研究

通过数值模拟和实验测试的方法，对锥芯式超音速旋流分离器内流体在小压力比情况下的流动特性和分离性能进行研究。模拟结果表明：在一定压力比条件下，随着面积比的增大，喷管渐扩段中气动激波强度越强并越靠近喉部；当压力比在1．25～1．75范围内，面积比为 1．06时，喷管渐扩段不存在气动激波，相应的分离性能最高。实验结果也表明：当面积比为 1．06、压力比为 1．75时，分离效率达到40．82％。数值计算结果与实验结果相吻合。

超音速两相膨胀分离及制冷液化的研究进展

超音速膨胀降温并结合旋流分离技术是一种新型气体液化分离技术,近年来主要应用于分离多组分气体中的高凝点组分。介绍了超音速旋流分离器的2种典型结构;归纳了Laval喷管中凝结相变的理论发展、数值模拟、实验研究和分子模拟4个方面内容;对超音速旋流分离器中的激波问题、结构优化进行了分析总结;大量实验及现场应用证明了超音速旋流分离器具有节能环保、无运动部件、无需添加化学药剂等优势,在天然气净化处理等领域已得到广泛应用。下一步研究可从单组分、多组分气体凝结相变机理、提升液化效率等方面入手,促进超音速旋流分离技术在普冷温区、氢氦低温温区的液化及制冷技术应用。

旋流器后置型超音速分离管流场分析

结合气体动力学和流体热力学原理,设计了一种旋流后置型超音速分离管.针对新结构建立了三维数值计算模型,并结合可实现k-ε湍流模型对超音速分离管内部流场进行模拟,得出了管内轴心上的压力、温度、马赫数及湍动能的分布,同时对不同截面上径向的压力、温度、马赫数及旋流加速度进行了分析.结果表明:当压损比为47.5%时,分离管内Laval渐扩段(距离分离管入口98 mm处)出现明显的激波现象,获得最大马赫数1.736,此时膨胀得到的最低温度为190.52 K,可为超音速分离管提供足够的凝结动力;旋流发生器后面可获得较大的旋流加速度,产生较强的分离效果.

旋流后置型超音速分离管数值模拟与实验研究

针对天然气开采现场及实际运行条件,设计加工了一套新型超音速脱水分离装置,装置中旋流产生器位于Laval喷管渐扩段之后并合理设计其形状尺寸。围绕改进后的超音速分离管进行了数值模拟和室内实验两方面的研究。建立了三维可压缩流体动力学模型,验证了其准确性,利用该模型对新型分离管进行了数值计算,结果表明:采用三维计算模型可以准确预测旋流器后置型超音速分离管的膨胀低温特性及高速旋流现象,尤其对激波位置和逆压强梯度的预测与热力学理论模型分析的结果吻合;通过实验测试了新装置的性能,实验结果验证了数值结果。对比原有分离管分离效果显示:新加工的分离管相对原有的超音速喷管在低压损比条件下可以获得更大的露点降。

超音速喷嘴涡流管气体分离性能的数值模拟与实验

建立了超音速喷嘴涡流管的简化几何模型,利用描述两相双组分超音速冷凝流动的Eulerian双流体三维湍流模型,以含湿空气为介质对装置内部的自发凝结过程进行数值模拟。设计制造相应的装置,建立实验平台,对装置的含湿气体分离性能进行实验研究。通过模拟和实验2种手段研究了影响超音速喷嘴涡流管气体分离性能的参数及其影响规律。结果表明,气流在喷嘴内部达到超音速流动,使得水蒸气自发凝结成液滴,为混合气体分离提供了先决条件;热端管内气体自旋产生的离心加速度可以达到重力加速度的6×105倍,为气、液分离提供了必要条件;降低进出口压力之比和冷流率,增大入口相对湿度和长径比可以提高装置的气体分离性能,安装阻涡器对性能有不利影响。因此,采用超音速喷嘴涡流管实现混合气体中重组分的脱除是可行的。