前置式超聲速旋流分離器設(shè)計與凝結(jié)特性分析

張衛(wèi)兵

摘 要：針對天然氣在長距離管道輸送過程中，所含水蒸汽雜質(zhì)會凝結(jié)成液態(tài)水的問題，通過運用動力學原理與液滴成核生長理論，開發(fā)設(shè)計了一種全新的前置式超聲速旋流脫水裝置。利用CFD中的用戶自定義接口建立了含濕天然氣的凝結(jié)流動模型，數(shù)值分析了裝置內(nèi)部的馬赫數(shù)、過冷度、液滴成核率、液滴半徑和濕度等關(guān)鍵凝結(jié)參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：所建立的三維含濕天然氣的凝結(jié)流動模型可以真實描述超聲速旋流分離器中的流動變化規(guī)律，為以后裝置的工業(yè)應(yīng)用和下一步提高分離效率提供了理論參考。

關(guān) 鍵 詞：前置式超聲速分離器；自發(fā)凝結(jié)流動；數(shù)值模擬；分離效率

中圖分類號：TK124 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1892-05

Abstract： Aiming at the problem that the water vapor can condense into liquid water in the long distance pipeline， a type of supersonic separation structure was designed according to principle of dynamics and droplet nucleation and growth theory. Based on CFD custom user interface， a spontaneous condensation model was established to simulate the degree of supercoiling， nucleation rate， droplet radius and humidity distribution. The results show that， under the design condition， the reasonable condensation model can reveal the change rule of condensation flow field in the supersonic separation tube， which provides the theoretical reference for industrial application of the device and improvement of the separation sufficiency in the future.

Key words： front-placed supersonic separator； spontaneous condensation flow； number simulation； separation efficiency

從地下礦井第一時間開采出來的天然氣，是一種以烴類物質(zhì)為主，同時含有水蒸氣、二氧化碳、固體顆粒等雜質(zhì)的混合物，其中水蒸氣在長距離管道輸送過程中遇冷會凝結(jié)成液態(tài)水，液態(tài)水的存在不單會與重烴結(jié)合形成水合物，堵塞運輸管道，而且還會與二氧化碳結(jié)合形成酸，造成設(shè)備的慢性腐蝕，后果十分嚴重 [1]。近些年以來，不斷轉(zhuǎn)變思路，克服原有脫水裝置的局限，提出了一種非常先進、經(jīng)濟、環(huán)保可靠的脫水技術(shù)—超聲速旋流脫水技術(shù)[2-4]，這種技術(shù)把氣體動力學、流體力學和液滴的成核生長理論相結(jié)合，實現(xiàn)了含濕天然氣在膨脹降溫的同時進行切向旋流，從而高效率的分離出凝結(jié)成的水分。超聲速旋流脫水技術(shù)它的結(jié)構(gòu)簡單，在處理過程中不需要添加任何化學藥劑，具有效率高、可靠耐用、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點 [5-8]。

為了了解含濕天然氣在超聲速分離裝置內(nèi)的流動變化規(guī)律，搞清楚水蒸氣在此過程中的凝結(jié)相變至關(guān)重要。在這種前提下，古往今來不少海內(nèi)外學者對含濕天然氣中的凝結(jié)相變進行了不懈探索。在國外，Anahid Karimi對超音速噴管中的凝結(jié)相變進行了二維模擬，分析了操作參數(shù)對于凝結(jié)的影響；荷蘭的Eindhoven大學[9]主要通過實驗對兩種組分時自發(fā)凝結(jié)流動過程中的液滴成核與生長進行了深入系統(tǒng)研究。在國內(nèi)，此項工作開展的相對較遲，經(jīng)過學者們的努力，也取得了不錯的研究成果，北京工業(yè)大學的蔣文明等[10]建立了Laval噴管中的超音速自發(fā)凝結(jié)流動一維數(shù)學模型，得出了噴管軸向的液相參數(shù)分布；大連理工大學的馬慶芬[11]，結(jié)合經(jīng)典成核與液滴生長理論，建立了兩相雙組份冷凝湍流模型，分析了超音速脫水離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對凝結(jié)參數(shù)的影響；中國石油油氣工藝技術(shù)研究院的張書平[12]在忽略氣相與液相滑移的條件下，建立了天然氣超音速凝結(jié)數(shù)學模型，分析了噴管擴張半角對凝結(jié)的影響；但是大部分針對超音速凝結(jié)特性研究只是單純的兩相流動研究，并沒有考慮氣液兩相的組分傳輸，而且受到條件限制不能進行實驗，缺乏相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進行分析。

本文通過借鑒國外先進的分離器結(jié)構(gòu)，改進國內(nèi)原有前置式和后置式分離器的不足，對每一個部件重新進行優(yōu)化設(shè)計，完成了一套高壓條件下的超聲速旋流分離器的設(shè)計，并由此建立了三維幾何模型；在現(xiàn)有計算模型的基礎(chǔ)上，通過Fluent中提供的用戶自定義接口，編寫相關(guān)方程的代碼，建立了可以真實描述含濕天然氣在超聲速分離器中凝結(jié)相變的計算模型，數(shù)值計算得到了關(guān)鍵參數(shù)的分布規(guī)律，為以后裝置的工業(yè)應(yīng)用和下一步提高分離效率提供了理論參考。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

前置式超聲速旋流脫水裝置包括：位于前段的懸流發(fā)生器、中段的超音速噴管和位于后段擴壓器組成[13]，如圖1所示，每個部件分別承擔不同的作用，且彼此作用又緊密相連，首先開采出來的含濕天然氣通過管道進入分離器，在位于前段旋流器的作用下產(chǎn)生一定的旋流，這樣含濕天然氣以軸向速度為主，且伴有周向切向速度的形式進入超音速噴管；在噴管加速膨脹的作用下，不僅含濕天然氣的溫度和壓力降低，導致水蒸汽凝結(jié)成液態(tài)水，而且隨著通流半徑的不斷減少，切向速度也是在不斷大幅增大，這樣就產(chǎn)生了可達105次方的離心加速度，由于液態(tài)水和氣態(tài)天然氣的密度不同，液態(tài)水受到更大的離心力，在離心力的作用下，液滴被甩向壁面，在進入擴壓器之前，通過排液口流出，而脫去水分的干氣，則經(jīng)過位于后段的擴壓器的擴壓作用，壓力溫度得到回升，被輸向用戶。與后置式旋流分離器相比較，前置式超聲速分離器避免了在超聲速條件下產(chǎn)生旋流，從而避免了正激波和斜激波的產(chǎn)生，保護了所需要的低溫低壓環(huán)境，相比于原先的前置式旋流分離器，本裝置增加了旋流器的內(nèi)芯，加大了旋流強度，并且使冷凝分離過程都集中在噴管后半段，減少了直管段分離，從而優(yōu)化了分離器結(jié)構(gòu)。

按照開采輸送的實際工況進行設(shè)計，分離器入口含濕天然氣的流量為200萬m3/d，壓力為為10 MPa，溫度為300 K。首先按照實際氣體狀態(tài)方程（BWRS）對超聲速喉部尺寸進行計算，在此基礎(chǔ)上結(jié)合維托辛斯基曲線法設(shè)計噴管漸縮段，特征線法來設(shè)計噴管的漸擴段；為了使得液滴方便沉降與收集，采用環(huán)形截面的分離腔，擴壓器設(shè)計成錐形，這樣方便加工制造，也不影響整體性能，旋流器在前研究的基礎(chǔ)上，決定選用12個可以長生足夠旋流的E186葉片，葉片扭轉(zhuǎn)角為30°，安裝角為40°。圖1具體長度尺寸為：旋流段95 cm，Laval噴管段57 cm，擴壓段103 cm，穩(wěn)流直管段50 cm。

2 數(shù)值計算方法

為了使研究問題得到簡化，必須對分離裝置中的含濕凝結(jié)流動采取一些合理假設(shè)：

天然氣在流動過程中與往壁面和外界不進行熱交換，處于絕熱狀態(tài)；（2）含濕天然氣在整個過程作為連續(xù)相處理，由水蒸氣凝結(jié)成的小液滴對連續(xù)相的影響忽略不計；（3）液滴成核時間極短，成核后液滴的數(shù)量將不發(fā)生變化，液滴之間不會碰撞聚合；（4）整個過程不存在外界電磁場干擾。

2.1 控制方程組

涉及到含濕天然氣的凝結(jié)相變，CFD軟件自帶的模型不能夠滿足要求，需要通過用戶自定義接口添加一些精準描述相變和組分輸運的方程，這些方程包括：液滴成核方程、液滴生長方程、液滴狀態(tài)描述方程以及液滴與氣相之間的傳質(zhì)傳熱方程，下面給出描述模型的全部控制方程組。

2.2 計算方法與邊界條件

在前置式超聲速旋流分離器中含有一個細長的內(nèi)芯，內(nèi)心前段的旋流發(fā)生器上有多個扭曲的旋流葉片，面對如此復雜結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格的精準劃分顯得至關(guān)重要，在此我們采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對喉部之前的復雜區(qū)域進行劃分，喉部之后相對簡單的后半段則采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用應(yīng)用廣泛應(yīng)用于高速湍動的RNG k-ε模型和上述控制方程來描述整個復雜的含濕天然氣的超聲速凝結(jié)流動。對液相和氣相的差分分別采用一階迎風和二階迎風格式進行離散，同時選用Simple算法求解來確保有足夠的計算精確度。

邊界條件設(shè)置見圖2，分別是含濕天然氣的壓力進口，干氣的壓力出口和液滴的壓力出口。凝結(jié)流動的初始化形式以等熵流動來進行，這樣可以有效避免迭代過程中的參數(shù)發(fā)散。

3 結(jié)果與分析

在確定了裝置結(jié)構(gòu)尺寸和計算方法的基礎(chǔ)上，開始對含濕天然氣在分離器內(nèi)的流動進行數(shù)值模擬，含濕天然氣按照成分簡化為甲烷和水蒸氣的混合物，其中水蒸氣占總質(zhì)量的百分比為0.06%，設(shè)置入分離器的口壓力為10 MPa，入口溫度為300 K，兩個出口壓力和溫度統(tǒng)一為為7 MPa和300 K。

圖3為甲烷與水蒸氣混合物在中心軸向截面上的馬赫數(shù)分布圖。由圖可見，混合物的速度從進入噴管中開始增加，在喉部位置馬赫數(shù)達到1，在噴管出口位置馬赫數(shù)達到1.6，明顯為超音速，符合設(shè)計要求。而且混合氣體經(jīng)過前段旋流器后，還會產(chǎn)生且切向速度，隨著氣體不斷進入噴管，由中心體和外部管殼形成的環(huán)形通道不斷變窄，根據(jù)角動量守恒定律，混合氣體的切向速度不斷增大，隨之與裝置壁面的摩擦效應(yīng)也會不斷增大，最終導致壁面處的馬赫數(shù)比其他地方的馬赫數(shù)小，從整體來看，馬赫數(shù)分布呈現(xiàn)對稱分布，且分布比較均勻。

圖4為甲烷和水蒸氣混合物在中心軸向截面上的過冷度分布圖。模擬介質(zhì)為甲烷和水蒸氣的混合物，所以不考慮外來的凝結(jié)核心，在這種情況下，水蒸氣只有在一定過冷度的情況下才能夠發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，這個過冷度發(fā)生的點稱之為Wilson點。由圖可見，在進入超音速噴管之前，不產(chǎn)生過冷度，在進入噴管之后，混合氣體開始加速膨脹降溫，過冷度也在隨之增大，最大過冷度并沒有發(fā)生在喉部，而是在軸向位置x=40 cm處，說明在喉部還不能發(fā)生凝結(jié)，還沒有達到過飽和凝結(jié)的那個點，在喉部到x=40 cm的這段距離，水蒸氣繼續(xù)降溫，直到到了臨界點處，大量的凝結(jié)核心在極短時間內(nèi)產(chǎn)生，此后就不斷有水蒸氣分子附著在凝結(jié)核心上，使得凝結(jié)核心逐漸長大。

圖5為甲烷和水蒸氣混合物在中心軸向截面上的成核率分布圖。由圖可見，整個成核過程區(qū)域非常的短，在超音速流速下，可見成核過程的發(fā)生時間也很短，在這個短時間內(nèi)最大的成核率可達3.16×1018 kg-1·s-1。

圖6為圖5中成核率區(qū)域的局部放大圖。在這個放大圖中，我們可以清楚看到成核率在到達最大值3.16×1018 kg-1·s-1之后，也就是x=40 mm之后，成核現(xiàn)象迅速消失，說明液滴的成核階段已經(jīng)完成，之后將進入液滴的生長階段。仔細觀察還可以發(fā)現(xiàn)，通道中心處的成核率一直比壁面附近的成核率要高，這是因為在旋流效應(yīng)下，凝結(jié)核心與裝置壁面存在摩擦，摩擦的存在使得壁面處的溫度升高，如此高的溫度使得凝結(jié)核心再次蒸發(fā)，這種現(xiàn)象也稱作閃蒸。

圖7為甲烷和水蒸氣混合物在中心軸向截面上的液滴半徑分布圖。在液滴成核之后，不斷有水蒸氣分子撞擊到核心上，由此液滴半徑要不斷增大，這個過程發(fā)生在噴管的后半段，在凝結(jié)發(fā)生的同時，也會釋放大量的凝結(jié)潛熱，潛熱釋放出來后，水蒸氣的溫度和壓力上升，過冷度下降，這是一個動態(tài)過程，當最終達到平衡后，液滴不再生長，液滴半徑也就不會再發(fā)生增大，此時有最大的液滴半徑2.88×10-7m。

圖8為甲烷和水蒸氣混合物在中心軸向截面上的濕度分布圖。進口混合物中的水蒸氣質(zhì)量百分數(shù)為0.06%，當水蒸汽變?yōu)橐簯B(tài)水時，就會產(chǎn)生濕度，濕度的大小直接反映了此裝置的性能好壞——能夠使多少水凝結(jié)出來。

在喉部之后產(chǎn)生濕度，且濕度隨著軸向距離不斷增大，濕度的變化情況取決于液滴的成核與生長，這兩個過程的先后進行使得不斷有水蒸氣凝結(jié)。由圖可以看出，濕度最終維持在0.057%，相比于進口水蒸氣的水量分數(shù)，絕大部分已經(jīng)凝結(jié)出來。

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)天然氣管道輸送的實際工況，結(jié)合動力學和自發(fā)凝結(jié)理論，設(shè)計開發(fā)了一種新型前置式超聲速旋流脫水裝置，通過CFX的用戶自定義接口建立了可以真實描述含濕天然氣流動的數(shù)值模型。

（2）對超聲速旋流分離器中噴管內(nèi)的甲烷-水蒸氣混合物進行數(shù)值模擬，得出了沿噴管軸向截面上的關(guān)鍵參數(shù)的分布。分析了馬赫數(shù)、過冷度、成核率及濕度變化規(guī)律，為今后裝置的工業(yè)應(yīng)用和進一步提高分離效率提供了理論參考。

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