二氧化碳超音速分離實驗系統設計及性能預測

蔣文明，陳佳男，來興宇，劉 楊

（1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島 266580；2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院，成都 610000）

0 引言

超音速分離技術是一項新興的天然氣凈化技術［1-3］。該技術具有操作簡單、無污染和安全可靠等優點，因此，非常有必要進行這方面的研究和突破，以推進超音速分離技術盡快步入規模化工業應用階段。超音速分離技術依賴較高的初始工作壓力，而天然氣在集輸與加工等上游生產環節中具有較高的壓力，因此，這一優勢使得超音速分離技術適用于天然氣凈化領域［4-6］。

然而，天然氣本身是易燃品，普通實驗室不具備進行天然氣超音速分離實驗的條件，因此現階段實驗過程中多使用空氣與水蒸氣混合氣體作為實驗介質［7-9］。除了實驗研究，用數值模擬進行超音速分離研究是一種較為理想的主流研究方式［10-13］。目前，對于模擬超音速分離工藝的研究較少，借助化工過程模擬軟件（Aspen HYSYS），不僅可以建立等效超音速分離管模型，還可以快速準確地獲取超音速分離工藝中氣體物性參數的變化情況，便于進一步分析某個設備和工藝流程的工作狀態，進而優化原有流程［14-15］。

本文搭建了室內超聲速分離實驗系統，通過HYSYS對實驗系統的脫碳過程進行模擬，基于模擬結果對該實驗系統的脫碳效率和脫碳可行性進行了分析。

1 實驗系統工藝流程及設備

1.1 實驗系統工藝流程

高壓超音速分離實驗系統由4 個子系統組成，包括動力系統、給排氣系統、測量系統和超音速分離管。圖1 和圖2 分別為實驗系統工藝流程圖和實驗系統現場全景圖。

圖1 高壓超音速分離實驗系統工藝流程圖

圖2 高壓超音速分離實驗系統現場全景圖

動力系統包括空氣壓縮機和計算機電源。給排氣系統包括實驗系統中的管道、過濾器、引射器、緩沖罐、混合器、CO2氣瓶組。測量系統包括壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、數據采集卡、計算機。另外，在超音速分離管的入口、干氣出口和濕氣出口處預留了減壓采樣閥的安裝位置，減壓采樣閥可以實現在線采集管道內的氣體樣本，與氣體CO2組分檢測儀配合可直接獲得CO2的組分分數。

實驗系統流程：常壓空氣進入空氣壓縮機1 進行加壓，壓縮空氣通過過濾器3 進行凈化，同時，氣瓶組14中的CO2氣體通過引射器4 與壓縮空氣引射混合，混合氣體經過管道靜態混合器6 使空氣和CO2混合均勻，高壓Air-CO2混合氣體依次流過緩沖罐7、過濾器3、自力式壓力調節閥13 或手動調節閥9 進行緩沖、過濾與調壓，由壓力變送器10、溫度變送器11、流量變送器12 測量氣體物性參數后進入超音速分離管進行分離試驗。從超音速分離管干氣出口和濕氣出口流出的兩股介質再次進行參數測量，最后通過消音器16 排放至室外。由儀表測量得出的9 個獨立物性參數經數據采集卡變送至電腦，記錄實驗實時數據。

實驗過程中，只有在超音速分離管工作穩定時，所采集的數據被認為是有效數據，因此在進行分離實驗時保持空氣壓縮機輸出功率、流量和各個閥門開度不變，并保證實驗系統設備和管路連接處的良好密封性。

實驗安全是實驗開展的前提基礎，本實驗中包括如下安全風險：觸電、機械打擊、物體打擊、低溫燙傷等。已在實驗系統中需要警示的位置張貼安全風險標識和相關操作提示。

1.2 實驗設備

（1）空氣壓縮機。本實驗采用兩臺并聯的開山牌活塞式空氣壓縮機，型號2XKNH-15，最大排氣壓力4.0 MPa，公稱容積流量2.4 m3/min。

（2）過濾器。采用臨安海沃斯動力設備公司的3臺過濾器，型號依次分別為T-005、C-005、A-005，過濾精度為0.1、3、0.01 μm，處理量均為5.5 m3/min。外加凝結核（外界空氣中的粉塵微粒和加壓后氣體液化形成的液滴）的存在會破壞超音速噴管中氣體的自發相變凝結過程，影響噴管的膨脹液化效果，因此應保證分離實驗氣體干燥潔凈。另外，盡管有研究表明，外加凝結核的存在可以促進相變凝結，但微塵和液滴的高速流動沖刷和殘留聚集腐蝕現象有損實驗系統中的設備和管路，進而影響實驗系統的工作性能以及測量儀表的準確性。

（3）匯流排閥組。采用單側式氣體匯流排對瓶裝CO2進行匯集、減壓處理。匯流排設計壓力18 MPa，最大工作壓力15 MPa，輸出壓力0.1～1.6 MPa，最大流量200 m3/h，工作溫度-60～60 ℃，最大匯集瓶數12 瓶（2 ×6 瓶組）。

（4）管道靜態混合器。采用SV40-6.3 型管道靜態混合器。公稱壓力為6.3 MPa。SV 型單元是由一定規格的波紋板組裝而成的圓柱體。

（5）緩沖罐。采用SL17-6677 型儲氣罐，設計壓力4.2 MPa，工作壓力4.0 MPa，罐容積為0.5 m3。

（6）自力式壓力調節閥。采用ZZYP-64B 型自力式壓力調節閥，該閥門公稱壓力為6.4 MPa，設定壓力3.2 MPa。自力式壓力調節閥無需外加能源，利用被調節氣體介質自身能量作為動力來源，引入壓力閥的指揮器以控制壓力閥的閥芯位置，改變流經閥門的介質流量，使閥門后端壓力保持恒定。當該閥門閥前壓力處于3.6 MPa以上時，可以通過調節閥門閥芯，使閥后壓力穩定在2.9～3.5 MPa范圍內。

（7）壓力變送器。采用SIN-PX400 型壓力變送器，壓力量程為0～5.0 MPa，供電電源為DC 24 V，輸出信號為4～20 mA，測量精度為±0.50%。

（8）溫度變送器。采用SIN-PX202 型溫度變送器，供電電源為DC 24 V，輸出信號為4～20 mA，測量精度為±0.50%。

（9）流量變送器。采用SIN-LUGB 型渦街流量變送器，供電電源為DC 24 V，輸出信號為4～20 mA，測量精度為±1.0%。

（10）數據采集卡。采用YAV USB 16AD型工業級采集卡對測量變送器電流信號進行輸入采集，供電電源為計算機USB端口，單端直流信號輸入通道數為16，單通道最大采樣率為1.0 kHz，測量精度為±0.1%。與該數據采集卡相配套的計算機軟件是由National Instrument公司開發的LabVIEW，該軟件以可圖形化編輯的G語言為基礎編寫程序，能夠完成采集數據和控制儀器的任務。

2 脫碳實驗可行性分析及結果預測

2.1 可行性分析

實驗可行性在于實驗系統是否能夠滿足超音速分離管入口的實驗設計要求，包括入口壓力范圍1.5～3.5 MPa，溫度范圍-50～40 ℃，CO2摩爾分數范圍20%～40%。模擬過程中，假設實驗系統是一個絕熱系統，實驗設備與外界環境不存在傳熱過程。

根據現有的實驗系統，在HYSYS中建立實驗系統流程（新增2 臺散熱器），如圖3 所示。空氣經壓縮機加壓和散熱作用后，壓力達到4.0 MPa，溫度升至80℃。管道內CO2最大流量為200 m3/h，瓶裝CO2的壓力為10.0 MPa，溫度為20 ℃，CO2經匯流排閥組調壓后與壓縮空氣混合，高壓混合氣體進入超音速分離管進行分離實驗。CO2摩爾分數為20%的混合氣稱為低碳氣；30%的混合氣稱為中碳氣；40%的混合氣成為稱高碳氣。脫碳實驗可行性分析結果如表1～3 所示。

表1 低碳氣實驗不同工況下可行性分析結果

當壓縮空氣總流量為200.90 m3/h，如果要滿足混合氣中20%的CO2含量，需要把CO2流量控制為50.50 m3/h。此時，混合氣在閥門8 前的壓力為3.6 MPa時，溫度為2.15 ℃。當將閥門8 后壓力降至3.5 MPa，對應溫度為1.71 ℃。當將閥門8 后壓力降至2.0 MPa，對應溫度為-5.21 ℃。此過程中，超音速分離管入口氣體始終保持純氣相狀態。

表2 中碳氣實驗不同工況下可行性分析結果

表3 高碳氣實驗不同工況下可行性分析結果

當壓縮空氣流量至200.90 m3/h，如果要滿足混合氣中30%的CO2含量，需要把CO2流量控制為86.50 m3/h。此時，混合氣在閥門8 前的壓力為3.6 MPa時，溫度為-28.28 ℃。當將閥門8 后壓力降至3.5 MPa，此時溫度為-29.94 ℃。當將閥門8 后壓力降至2.0 MPa，此時溫度為-40.44 ℃。此過程中，超音速分離管入口氣體始終保持純氣相狀態。

當壓縮氣總流量至200.90 m3/h，如果要滿足混合氣中40%的CO2含量，需要把CO2流量控制為134.31 m3/h。當混合氣在閥門8 前的壓力為3.6 MPa時，溫度為-38.58 ℃，此時部分CO2為液相，CO2液體會暫存于緩沖罐。由于部分CO2的液化，流向閥門的混合氣體流量減少至316.12 m3/h，此時混合氣中CO2摩爾分數降低至36.78%。當將閥門8 后壓力降至3.5 MPa，此時溫度為-39.20 ℃。當將閥門8后壓力降至2.0 MPa，此時溫度為-51.17 ℃。混合氣經閥門減壓節流后，溫度下降，部分氣體液化，但氣相分數始終大于99.70%。因此，在現有壓力控制方案下，36.78%是混合氣CO2摩爾分數的最高值。

因此，通過分析超音速分離管入口前各介質的物性情況，該實驗系統基本能夠滿足超音速分離管入口實驗設計要求，具備脫碳實驗的可行性。

圖3 軟件HYSYS中實驗系統流程

2.2 模擬預測

設定超音速分離管內的噴管入口壓力、濕氣出口壓力、干氣出口壓力的比值為10∶1∶4。經超音速噴管膨脹液化后，在氣液分離段中，80%的氣相和0.2%的液相流向干氣出口，20%的氣相和99.8%的液相流向濕氣出口。

實驗系統中壓縮機排氣流量、壓力、溫度恒定，混合前CO2流量越大，混合后介質的溫度越低。當閥門前壓力保持在3.6 MPa 時，通過閥門調控壓力的同時會導致溫度發生變化，由于節流效應，閥后溫度會隨閥后壓力的下降而降低。

為研究不同入口壓力條件下，超音速分離管的CO2分離效果，將CO2入口摩爾分數設置為30%，入口壓力分別設置為2.0、2.5、3.0、3.5 MPa。圖4 為不同入口壓力條件下，分離參數（干氣出口CO2摩爾分數、濕氣出口CO2摩爾分數、CO2脫除率）的變化規律。

圖4 不同入口壓力條件下脫碳實驗結果預測

可以看出，在入口CO2摩爾分數為30%，流量為287.41 m3/h的計算條件下，隨著入口壓力從2.0 MPa增加到3.5 MPa，入口溫度從-40.44 ℃升高到-29.94 ℃，干氣出口CO2摩爾分數從22%降低至20%，濕氣出口CO2摩爾分數從51%增加至52%，CO2脫除率從49%升高至52%。這說明超音速分離管入口壓力和溫度的同時上升抵消了噴管的膨脹液化效果。

為研究不同入口組分條件下，超音速分離管的CO2分離效果，將入口壓力設置為3.0 MPa，入口CO2摩爾分數分別設置為20.00%、25.00%、30.00%、36.78%。圖5 為不同入口組分條件下，分離參數（干氣出口CO2摩爾分數、濕氣出口CO2摩爾分數、CO2脫除率）的變化規律。

圖5 不同入口組分條件下脫碳實驗結果預測

可以看出，在入口壓力為3.0 MPa的計算條件下，隨著入口CO2摩爾分數從20.00%增加到36.78%，入口溫度從-0.52 ℃降低到-42.57 ℃，干氣出口CO2摩爾分數從15%升高至26%，濕氣出口CO2摩爾分數從36%增加至60%，CO2脫除率從45%升高至52%。這說明在入口CO2摩爾分數上升和溫度下降的共同作用下，噴管的膨脹液化效果得到了良好的改善，使得實驗系統的脫碳效率提高。

當入口壓力為3.5 MPa 時，高、中、低碳氣的脫碳實驗預測結果如表4～6 所示。從表中可以看出，當分離器入口CO2摩爾分數在20%～36.78%的范圍，本文搭建的實驗系統可實現CO2的有效分離。

表4 高碳氣脫碳實驗預測結果

表5 中碳氣脫碳實驗預測結果

表6 低碳氣脫碳實驗預測結果

3 結語

本文介紹了搭建的高壓二氧化碳超音速分離實驗系統流程和主要設備。對該實驗系統的實驗可行性進行了分析，結論如下：在現有實驗系統條件下，可以滿足超音速分離管入口要求，具備脫碳實驗的可行性。預測了多種工況下的超音速分離結果，發現：入口溫度隨著入口壓力的增加而增加，實驗系統最終可以脫除49%～52%的二氧化碳；只有當超音速分離管入口壓力較高同時溫度較低時，噴管才能有效地實現CO2的液化分離；隨著入口CO2含量的增加，入口溫度下降，二氧化碳脫除范圍為45%～52%。