天然气中水蒸气的存在对管道输送和化工利用存在很大危害，对天然气进行脱水处理十分必要。目前比较成熟的脱水方法有低温法、溶剂吸收法、固体吸附法、化学反应法和膜分离法等，国内外普遍应用的是溶剂吸收法、固体吸附法和低温分离法[1-4]。近年来，超音速技术开始应用于天然气脱水处理。超音速脱水是在特定结构的分离器中，利用天然气绝热膨胀，使水蒸气在超音速流动状态下冷凝，在离心力的作用下实现气液分离以达到脱水目的。与传统脱水方法相比，具有效率高、能耗低、环境污染少、容易实现撬装等优点。
超音速技术最早应用Laval喷管进行空调制冷[5]，1997年荷兰壳牌公司将其成功用于天然气脱水，并实现商业化应用。超音速脱水属于低温冷凝法，其工作原理是[6-7]：气体在Laval喷管入口旋流器作用下产生旋涡，随着喷管半径减小，旋涡强度增强，气体在Laval喷管喉部达到音速，温度降低，水蒸气和重烃气体凝结成液滴，液滴在离心力作用下到达管壁形成液相薄膜，从而实现气液分离。干气在扩压管中压力得到部分恢复，同时温度升高。
超音速分离器主要由Laval喷管、旋流器和扩压管等部件组成，其中Laval喷管是超音速分离器的核心部分，其性能的好坏决定分离效率的高低。根据Laval喷管位置布置不同，可以将其分为两类[8-11]：先膨胀后旋流型分离器和先旋流后膨胀型分离器。目前广泛应用的有荷兰壳牌公司的Twister Ⅱ型和俄罗斯Translang公司的3S型分离器，两者都是先旋流后膨胀型，结构分别如图 1和图 2所示。
近年来，国内外学者对轴流式Laval喷管结构设计进行了大量研究。莫斯科物理技术学院[8]研究了分离器中流体动力学参数与喉部半径的关系。结果表明，随着喉部半径的增大，分离器分离效率降低，流体质量流量先增大后减小。因此，在设计喉部半径时，要考虑脱水效果和气体流量的影响。文闯等[12]以空气为工作介质进行实验，研究表明增大Laval喷管收缩比和喷管收缩半角可以提高Laval喷管分离性能，喉部圆柱长度对分离性能影响较小，扩张半角在2°~6°时有较好的分离效果。杨志毅[13]、胡艳梅[14]推导得出计算喉部半径的公式。康勇[15]提出计算喷管入口直径、收缩段及扩张段喷管长度的经验方法。程霖等[16]研究不同形状漩涡发生器对天然气脱水效率的影响，结果表明弯叶片结构具有较好的分离效果。
由于我国天然气开采具有压降快和流量变化大的特点，超音速脱水应用还存在一定的问题，有待于进一步改进。
2011年6月，我国引进的2台3S型分离器首次在塔里木油田牙哈作业区凝析气处理厂投产。结合原料气条件和现场实际，制定了首个关于3S型分离器与J-T阀切换的操作流程，其工艺流程简图如图 3所示[9]。
单台3S型分离器与单台J-T阀并联使用，充分考虑了各自的优缺点，利用单台自动控制的J-T阀，实时调节3S型分离器入口压力，保证3S型分离器入口压力在允许波动范围以内。3S型分离器与J-T阀并联使用脱水效率与3S型分离器单独使用时相比有所下降，但却比单独使用J-T阀有明显优势，减小了压力对3S型分离器操作稳定性的影响，是对3S型分离器应用的大幅度改进。
超音速分离器在没有外部制冷的前提下，可以将天然气温度降低到-50 ~-60 ℃，但是由于压力和流量变化的影响，限制了其操作弹性。A. Karimi和M. A. Abdi[3]利用HYSYS和MATLAB模拟了入口压力、温度和流量对特定结构分离器(喷管参数见表 1)工作性能的影响，其模拟天然气干气组成见表 2，要求净化气中水的质量浓度小于1.5 mg/m3。
对于组分确定的天然气，其饱和含水量随着压力的增加而降低，随着温度的升高而增加，当分离器入口压力不小于10 MPa，且入口温度不高于20 ℃时，压力损失为20%，可以满足净化气中水的质量浓度小于1.5 mg/m3的要求。随着入口压力的降低和温度的升高，需要更大的压力损失才能满足上述脱水要求。当气体入口压力和温度确定后，由于喉部速度为音速，因此限制了入口气体流量在±0.03%的范围内变化。当流量较大时，可以采用多根分离管并联使用。此外，由于超音速分离器结构的精度高，要求入口流体中微粒粒径不能大于20 μm。
由于我国气田中后期开采得到的天然气可用压降小，脱水深度往往不够，此时可在原有流程的基础上，串联增加分子筛脱水工艺，改进后的工艺流程简图如图 4所示。
3S型分离器与J-T阀并联后与分子筛串联使用，充分考虑了各工艺的优势。前期气体由于其压力高，可利用压差大，可以利用J-T阀调节3S型分离器入口压力进行脱水处理，干气直接进换热器复热外输。中后期气体由于可利用压差小，先利用3S型分离器脱除大部分的水，再利用分子筛进行深度脱水处理，延长分子筛吸附周期。当后期气体不能满足管道输送要求时，可以在进入换热器前，先采用压缩机增压，然后利用3S型分离器与分子筛实现深度脱水。
超音速脱水作为一种新型脱水工艺，当天然气在温度和压力适宜的条件下，可以满足管道输送和化工利用的要求，在天然气处理中将会得到广泛应用。在实际天然气脱水时，应根据原料气组成、脱水目的和处理规模，将超音速脱水技术与传统脱水技术相结合，形成天然气集成处理技术，最终实现最佳的工艺组合。针对我国天然气开采压降快和流量变化大的特点，采用3S型分离器与J-T阀并联然后与分子筛串联使用，可以满足天然气脱水处理的要求。
2013, Vol. 42 Issue (6): 578-581
2013, Vol. 42 Issue (6): 578-581