天然氣聚結(jié)過濾器氣液分離性能的實(shí)驗(yàn)研究

李東芳 謝緒揚(yáng) 高光才 王建軍

(1. 海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司；2. 中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院)

眾多能源方面的專家稱21世紀(jì)是天然氣的世紀(jì)，也就是說21世紀(jì)天然氣在全球一次性能源消費(fèi)的結(jié)構(gòu)中，將超過石油成為第一。然而從氣井中開采得到的天然氣通常都會(huì)混有一部分的液體物質(zhì)，例如地層水及凝析油等[1]。由于管道內(nèi)氣速較高，一般氣體中所析出的液體很難在管道中形成穩(wěn)定的連續(xù)液相，而是以微小液滴的形式夾帶在氣相中[2]。天然氣中的液相顆粒在許多方面對(duì)處理裝置和輸氣管線是不利的，比如會(huì)使旋轉(zhuǎn)器械膨脹器、壓縮機(jī)及渦輪機(jī)等產(chǎn)生故障；液滴與天然氣中的氯離子及濕氣中的二氧化碳、硫化物等成分結(jié)合會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)葉片被腐蝕[3]；液滴會(huì)使壓縮機(jī)干氣密封失效等[4]。因此，必須在進(jìn)入管道輸送之前對(duì)這些液體進(jìn)行分離。在天然氣行業(yè)中，為除去氣流中混有的液相顆粒，通常采用除霧器或氣液分離器以滿足工藝操作和運(yùn)輸方面對(duì)于氣體凈化度的要求。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣液旋流分離進(jìn)行了持續(xù)、深入地研究。對(duì)氣液聚結(jié)過濾分離的研究則相對(duì)較少，大多為針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的總結(jié)與改進(jìn)[5]，如采用頗爾公司生產(chǎn)的氣液聚結(jié)濾芯對(duì)一些需要除霧的工況進(jìn)行改造，取得可觀的效益。但目前國內(nèi)外還缺乏濾芯對(duì)不同粒徑液滴分離性能、氣液聚結(jié)器分離效率與阻力損失的系統(tǒng)研究等。測量固體顆粒粒徑分布的手段較多[6]，但是液滴具有易變形及可揮發(fā)等特點(diǎn)，相對(duì)于固體顆粒而言，測量要復(fù)雜得多。因此本實(shí)驗(yàn)中采用微納公司制造的Winner318B噴霧激光粒度儀對(duì)濾芯進(jìn)出口的液滴粒徑進(jìn)行在線檢測。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

以現(xiàn)場使用的立式天然氣分離裝置為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一套裝有單根濾芯的實(shí)驗(yàn)裝置，主體由有機(jī)玻璃制成，便于觀察裝置內(nèi)部的分離過程，上部的進(jìn)氣與排氣結(jié)構(gòu)選用不銹鋼材料，整套實(shí)驗(yàn)裝置由霧化系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和引風(fēng)系統(tǒng)組成[7]，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采用離心引風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)負(fù)壓吸氣操作，將霧化器產(chǎn)生的霧化液滴吸入分離器，混有液滴的氣流由外向內(nèi)穿過濾芯，絕大多數(shù)液滴被濾芯攔截下來，聚結(jié)成大液滴后滴落，少部分未被捕集的細(xì)小液滴由排氣管逸出。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.1霧化系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)采用兩種加入液滴方式：超聲波霧化器加液和氣壓式噴壺加液。兩種加液方式的區(qū)別在于產(chǎn)生的液滴粒徑分布不同。超聲波霧化器利用電子高頻震蕩，通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散而產(chǎn)生極微小的液滴，粒徑基本在15μm以下。氣壓式噴壺由壺身、汲水管、打氣筒、手柄、開關(guān)壓塊及噴嘴等組成，常用于澆花及噴灑藥劑等場合，噴出的液滴中位粒徑在40μm左右。

1.2分離系統(tǒng)

分離系統(tǒng)主要由進(jìn)氣與排氣結(jié)構(gòu)、有機(jī)玻璃筒體及濾芯等組成。有機(jī)玻璃筒長1 000mm，外徑112mm，氣液分離濾芯有效長度750mm，過濾面積0.7m2，采用金屬燒結(jié)氈材料制成，過濾精度為2μm。

1.3引風(fēng)及測量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用負(fù)壓操作，引風(fēng)系統(tǒng)采用離心風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)，氣體流量由畢托管測量后計(jì)算得出，實(shí)驗(yàn)裝置的壓降由U形管壓力計(jì)測出，進(jìn)出口液滴粒徑分布由Winner318B噴霧激光粒度儀測量，該儀器可根據(jù)霧滴測定的需要，采用夫瑯和費(fèi)衍射原理和典型的平行光路設(shè)計(jì)，配合高性能大功率光源，通過測量顆粒群的散射譜來分析其粒度分布，而且不會(huì)對(duì)流場產(chǎn)生干擾，屬無接觸測量。其工作原理如圖2所示。

試驗(yàn)時(shí)，分別對(duì)四種砂粒含量(30%、35%、40%、45%)的砂質(zhì)黃土進(jìn)行變水頭滲透實(shí)驗(yàn)、不同垂直壓力下的壓縮試驗(yàn)以及不同垂直壓力下的三軸壓縮試驗(yàn)，進(jìn)而得到不同砂粒含量的變化對(duì)砂質(zhì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。

圖2 Winner318B粒度儀工作原理

2 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

在氣液分離試驗(yàn)中，若以水為液相介質(zhì)，空氣為氣相介質(zhì)，從分離器中分離下來的水會(huì)在溫度和風(fēng)量的作用下部分氣化，使收集到的水量小于分離下來的水量。為排除這種由于蒸發(fā)給分離效率計(jì)算帶來的誤差，配制一定濃度的NaCl水溶液為液相介質(zhì)、空氣為氣相介質(zhì)進(jìn)行氣液分離試驗(yàn)。對(duì)收集到的水溶液和入口水溶液中NaCl的濃度進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定方法為采用K2CrO4作為指示劑，用0.01mol/L的AgNO3進(jìn)行滴定，得出NaCl的濃度。所用到的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

Ag++Cl-=AgCl↓(白色沉淀)

(1)

2Ag++CrO4-2=Ag2CrO4↓(磚紅色沉淀)

(2)

由于Ag2CrO4為磚紅色沉淀，變色現(xiàn)象比較明顯，滴定誤差在4%以內(nèi)，保證了實(shí)驗(yàn)測量的準(zhǔn)確性[8]。

實(shí)驗(yàn)中NaCl溶液加入質(zhì)量為Mi，滴定濃度為Ci，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后排液閥打開收集到的液體質(zhì)量為Mo，滴定濃度為Co，濾芯增加的質(zhì)量為Ml，聚結(jié)過濾器的分離效率η為：

(3)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)研究了不同氣體流量、液滴的粒徑分布和氣體含液濃度對(duì)聚結(jié)過濾器氣液分離性能的影響，并給出了氣液聚結(jié)過濾器出口處的粒徑分布。

3.1流量對(duì)分離性能的影響

調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器的頻率依次為15、20、25Hz，通過畢托管讀數(shù)計(jì)算出氣體流量，研究分離設(shè)備壓降的變化情況。表1給出了不同流量下分離器壓降隨加入液滴時(shí)間的變化規(guī)律。初始時(shí)刻濾芯為干燥狀態(tài)，可以得出干氣壓降隨著流量的增加而增大，即隨著氣流速度的提高，流過分離器的損失增大。

表1 不同流量下分離器壓降隨加液時(shí)間的變化

注：流量1、2、3的數(shù)值分別為94、108、144 m3/h。

剛開始加入液滴時(shí)，液滴主要被濾芯表面的纖維所捕集，沉積在纖維上的液滴對(duì)氣流在金屬纖維空隙中流動(dòng)的阻礙較小，壓降變化較為緩慢，隨著濾芯含液量的增加，壓降迅速升高到某一數(shù)值，此后壓降基本維持不變，濾芯開始有液體滴落，此刻濾芯捕集的液滴、滴落下來的液滴和氣流穿過濾芯夾帶的液滴三者達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，濾芯的持液量保持穩(wěn)定，濾芯的除霧效率也基本穩(wěn)定。

圖3給出了分離效率隨流量的變化規(guī)律，可以看出，氣液聚結(jié)過濾裝置的除霧效果隨流量的增加先增大而后降低。當(dāng)流量取最小值時(shí)，設(shè)備入口氣速為14.4m/s，此時(shí)濾芯的分離效率為88%，分離效率不高。原因是聚結(jié)機(jī)理分為碰撞聚結(jié)和潤濕聚結(jié)兩種[9]，當(dāng)氣流速度低時(shí)，液滴所受的慣性力較小，碰撞聚結(jié)的效果較差，因此濾芯分離效率沒有達(dá)到較高的水平，隨著流量的增加(當(dāng)超過110m3/h時(shí))，濾芯分離效率隨即升高到95%以上，并在一段流量范圍內(nèi)都維持較高的除霧效率。當(dāng)流量超過180m3/h時(shí)，此時(shí)入口氣速已達(dá)到28m/s，濾芯對(duì)液滴的捕集能力迅速下降，此時(shí)出口管壁處可以看到大量的液滴匯集，這是因?yàn)闅馑龠^高會(huì)造成液泛，即聚集的液滴不容易滴落，使液滴充滿濾芯纖維之間的孔隙，形成一層水滴層，氣體通過濾芯時(shí)又重新帶沫，帶來二次夾帶的問題。由此得出，實(shí)際應(yīng)用時(shí)要確保流量在合適的范圍內(nèi)，否則聚結(jié)過濾器的分離性能會(huì)惡化。

圖3 氣體流量對(duì)分離效率的影響

3.2液滴粒徑對(duì)分離性能的影響

表2給出了超聲波霧化器和氣壓式噴壺兩種加液方式下的液滴粒徑累積分布率。由表2可知，氣壓式噴壺產(chǎn)生的液滴集中在15～100μm之間，液滴較大。超聲波霧化器發(fā)生的液滴94%都在20μm以下，霧化效果較好。通過Winner318B噴霧激光粒度儀測出的不同加液方式時(shí)的液滴粒徑分布如圖4所示。

表2 兩種加液方式下的液滴粒徑累積分布率

圖4 不同加液方式下的粒徑分布

圖5給出了兩種加液方式下分離效率的對(duì)比情況。由圖5可知，兩種加液方式下分離效率隨流量的變化趨勢(shì)是相同的，都是先升高到一定水平而后下降。分離器對(duì)于超聲波霧化器發(fā)生的液滴的分離效率較低，最高不超過60%，這是因?yàn)槲⑿〉囊旱慰梢源┻^濾芯金屬纖維之間的空隙而逃逸，當(dāng)氣速增加時(shí)，小液滴更容易被氣流所夾帶，因此除霧效率急劇下降；而氣壓式噴壺所加入液滴的除霧效率在較大的流量范圍內(nèi)都維持在95%以上。由此可知，聚結(jié)過濾設(shè)備的分離性能對(duì)于液滴粒徑的敏感性是很高的。

圖5 兩種加液方式分離效率對(duì)比

圖6給出了流量為108m3/h時(shí)，兩種加液方式下壓降隨時(shí)間的變化情況。由圖6可知，兩種工況下壓降隨時(shí)間的增長規(guī)律是相同的，都大致呈S形增長。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用氣壓式噴壺加液下的壓降較超聲波霧化器的壓降略大，大約相差1mm水柱，即9.8Pa，這與分離器的壓降(1.0kPa)相比可以忽略。因此液滴粒徑對(duì)設(shè)備阻力損失的影響很小。

圖6 兩種加液工況下壓降隨時(shí)間的變化

3.3入口加液濃度對(duì)分離性能的影響

圖7給出了不同流量下入口加液濃度與分離效率的關(guān)系。從圖7可以看出，在不同流量下，隨著入口加液濃度的增加，分離器的分離效率均有所升高。這是因?yàn)樵黾右旱蜗嗟臐舛瓤墒挂旱沃g的碰撞和團(tuán)聚作用更加頻繁，小粒徑的液滴合并為大液滴，大液滴就更容易被濾芯捕集，即當(dāng)入口加液濃度在30～75g/m3范圍內(nèi)變化時(shí)，分離效率隨入口加液濃度的增加而增加。因此該分離設(shè)備可以對(duì)高含液濃度的天然氣進(jìn)行凈化分離；而在低流量條件下，分離效率隨加液濃度的變化較平緩，隨著流量的升高，曲線越來越陡，這是因?yàn)榱髁吭礁邭馑僭酱螅w粒的碰撞與團(tuán)聚效應(yīng)也更加明顯。

圖7 入口加液濃度對(duì)分離效率的影響

圖8給出了分離器壓降隨著入口加液濃度的變化情況。由圖8可以看出，流量是影響壓降的主要因素，入口加液濃度對(duì)設(shè)備壓降的影響非常小，近似為水平線，因此分離設(shè)備實(shí)際操作時(shí)的阻力損失可不考慮天然氣含液濃度的影響。

圖8 入口加液濃度對(duì)壓降的影響

3.4氣液聚結(jié)過濾器出口粒徑分布

圖9、10給出了流量為108、144、182m3/h時(shí)對(duì)兩種加液方式下分離器出口粒徑的測試結(jié)果。可以看出，出口粒徑相對(duì)入口粒徑下降明顯。氣壓式噴壺產(chǎn)生的中位粒徑為40μm，經(jīng)過分離器的分離，出口處的中位粒徑為5.5～6.4μm左右，8μm以上基本被除盡。超聲波霧化器產(chǎn)生的液滴更細(xì)，中位粒徑為8.7μm，經(jīng)過分離器，出口處中位粒徑約3.5μm，所含液滴基本在6μm以下。由粒徑分布圖還可以看出，當(dāng)流量為182m3/h時(shí)，出口粒徑比低流量時(shí)有增大的趨勢(shì)，原因是隨著氣速的增加，發(fā)生了二次夾帶現(xiàn)象，與分離效率降低相一致。

圖9 氣壓式噴壺加液分離器出口粒徑分布

圖10 超聲波霧化器加液分離器出口粒徑分布

4 結(jié)論

4.1分離器的壓降隨加液時(shí)間的增加而增大，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。分離器的壓降隨流量的變化明顯，與氣體含液濃度基本無關(guān)。

4.2液滴粒徑的分布對(duì)分離性能影響顯著。氣壓式噴壺加液時(shí)，分離效率可達(dá)95%以上，超聲波霧化器加液時(shí)，效率最高為60%。

4.3分離效率隨氣體流量的增加先增大后降低，當(dāng)流量超過220m3/h，分離效率急劇下降。分離效率隨著液滴濃度的升高而增加。

4.4通過對(duì)出口處粒徑進(jìn)行測量，在流量為108～182m3/h范圍內(nèi)，聚結(jié)過濾器出口處液滴的粒徑分布較入口處小，基本可以除盡8μm以上的液滴。

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