蔣文明，陳佳男，來興宇，劉 楊

（1.中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)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(shù)是一項(xiàng)新興的天然氣凈化技術(shù)［1-3］。該技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、無污染和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此，非常有必要進(jìn)行這方面的研究和突破，以推進(jìn)超音速分離技術(shù)盡快步入規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用階段。超音速分離技術(shù)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(chǎn)環(huán)節(jié)中具有較高的壓力，因此，這一優(yōu)勢(shì)使得超音速分離技術(shù)適用于天然氣凈化領(lǐng)域［4-6］。

然而，天然氣本身是易燃品，普通實(shí)驗(yàn)室不具備進(jìn)行天然氣超音速分離實(shí)驗(yàn)的條件，因此現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)過程中多使用空氣與水蒸氣混合氣體作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)［7-9］。除了實(shí)驗(yàn)研究，用數(shù)值模擬進(jìn)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(duì)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(zhǔn)確地獲取超音速分離工藝中氣體物性參數(shù)的變化情況，便于進(jìn)一步分析某個(gè)設(shè)備和工藝流程的工作狀態(tài)，進(jìn)而優(yōu)化原有流程［14-15］。

本文搭建了室內(nèi)超聲速分離實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過HYSYS對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的脫碳過程進(jìn)行模擬，基于模擬結(jié)果對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的脫碳效率和脫碳可行性進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程及設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程

高壓超音速分離實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由4 個(gè)子系統(tǒng)組成，包括動(dòng)力系統(tǒng)、給排氣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和超音速分離管。圖1 和圖2 分別為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程圖和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)全景圖。

圖1 高壓超音速分離實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程圖

圖2 高壓超音速分離實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)全景圖

動(dòng)力系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)和計(jì)算機(jī)電源。給排氣系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的管道、過濾器、引射器、緩沖罐、混合器、CO2氣瓶組。測(cè)量系統(tǒng)包括壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)。另外，在超音速分離管的入口、干氣出口和濕氣出口處預(yù)留了減壓采樣閥的安裝位置，減壓采樣閥可以實(shí)現(xiàn)在線采集管道內(nèi)的氣體樣本，與氣體CO2組分檢測(cè)儀配合可直接獲得CO2的組分分?jǐn)?shù)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程：常壓空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)1 進(jìn)行加壓，壓縮空氣通過過濾器3 進(jìn)行凈化，同時(shí)，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(jīng)過管道靜態(tài)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(diào)節(jié)閥13 或手動(dòng)調(diào)節(jié)閥9 進(jìn)行緩沖、過濾與調(diào)壓，由壓力變送器10、溫度變送器11、流量變送器12 測(cè)量氣體物性參數(shù)后進(jìn)入超音速分離管進(jìn)行分離試驗(yàn)。從超音速分離管干氣出口和濕氣出口流出的兩股介質(zhì)再次進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，最后通過消音器16 排放至室外。由儀表測(cè)量得出的9 個(gè)獨(dú)立物性參數(shù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡變送至電腦，記錄實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)過程中，只有在超音速分離管工作穩(wěn)定時(shí)，所采集的數(shù)據(jù)被認(rèn)為是有效數(shù)據(jù)，因此在進(jìn)行分離實(shí)驗(yàn)時(shí)保持空氣壓縮機(jī)輸出功率、流量和各個(gè)閥門開度不變，并保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備和管路連接處的良好密封性。

實(shí)驗(yàn)安全是實(shí)驗(yàn)開展的前提基礎(chǔ)，本實(shí)驗(yàn)中包括如下安全風(fēng)險(xiǎn)：觸電、機(jī)械打擊、物體打擊、低溫燙傷等。已在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中需要警示的位置張貼安全風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)識(shí)和相關(guān)操作提示。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

（1）空氣壓縮機(jī)。本實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)并聯(lián)的開山牌活塞式空氣壓縮機(jī)，型號(hào)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(dòng)力設(shè)備公司的3臺(tái)過濾器，型號(hào)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(jié)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(huì)破壞超音速噴管中氣體的自發(fā)相變凝結(jié)過程，影響噴管的膨脹液化效果，因此應(yīng)保證分離實(shí)驗(yàn)氣體干燥潔凈。另外，盡管有研究表明，外加凝結(jié)核的存在可以促進(jìn)相變凝結(jié)，但微塵和液滴的高速流動(dòng)沖刷和殘留聚集腐蝕現(xiàn)象有損實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的設(shè)備和管路，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作性能以及測(cè)量儀表的準(zhǔn)確性。

（3）匯流排閥組。采用單側(cè)式氣體匯流排對(duì)瓶裝CO2進(jìn)行匯集、減壓處理。匯流排設(shè)計(jì)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(shù)12 瓶（2 ×6 瓶組）。

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

（5）緩沖罐。采用SL17-6677 型儲(chǔ)氣罐，設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)閥。采用ZZYP-64B 型自力式壓力調(diào)節(jié)閥，該閥門公稱壓力為6.4 MPa，設(shè)定壓力3.2 MPa。自力式壓力調(diào)節(jié)閥無需外加能源，利用被調(diào)節(jié)氣體介質(zhì)自身能量作為動(dòng)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(jīng)閥門的介質(zhì)流量，使閥門后端壓力保持恒定。當(dāng)該閥門閥前壓力處于3.6 MPa以上時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)閥門閥芯，使閥后壓力穩(wěn)定在2.9～3.5 MPa范圍內(nèi)。

（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(hào)為4～20 mA，測(cè)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(hào)為4～20 mA，測(cè)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(hào)為4～20 mA，測(cè)量精度為±1.0%。

（10）數(shù)據(jù)采集卡。采用YAV USB 16AD型工業(yè)級(jí)采集卡對(duì)測(cè)量變送器電流信號(hào)進(jìn)行輸入采集，供電電源為計(jì)算機(jī)USB端口，單端直流信號(hào)輸入通道數(shù)為16，單通道最大采樣率為1.0 kHz，測(cè)量精度為±0.1%。與該數(shù)據(jù)采集卡相配套的計(jì)算機(jī)軟件是由National Instrument公司開發(fā)的LabVIEW，該軟件以可圖形化編輯的G語言為基礎(chǔ)編寫程序，能夠完成采集數(shù)據(jù)和控制儀器的任務(wù)。

2 脫碳實(shí)驗(yàn)可行性分析及結(jié)果預(yù)測(cè)

2.1 可行性分析

實(shí)驗(yàn)可行性在于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是否能夠滿足超音速分離管入口的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)范圍20%～40%。模擬過程中，假設(shè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)絕熱系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備與外界環(huán)境不存在傳熱過程。

根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在HYSYS中建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程（新增2 臺(tái)散熱器），如圖3 所示。空氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓和散熱作用后，壓力達(dá)到4.0 MPa，溫度升至80℃。管道內(nèi)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(jīng)匯流排閥組調(diào)壓后與壓縮空氣混合，高壓混合氣體進(jìn)入超音速分離管進(jìn)行分離實(shí)驗(yàn)。CO2摩爾分?jǐn)?shù)為20%的混合氣稱為低碳?xì)猓?0%的混合氣稱為中碳?xì)猓?0%的混合氣成為稱高碳?xì)狻Ｃ撎紝?shí)驗(yàn)可行性分析結(jié)果如表1～3 所示。

表1 低碳?xì)鈱?shí)驗(yàn)不同工況下可行性分析結(jié)果

當(dāng)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(shí)，混合氣在閥門8 前的壓力為3.6 MPa時(shí)，溫度為2.15 ℃。當(dāng)將閥門8 后壓力降至3.5 MPa，對(duì)應(yīng)溫度為1.71 ℃。當(dāng)將閥門8 后壓力降至2.0 MPa，對(duì)應(yīng)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(tài)。

表2 中碳?xì)鈱?shí)驗(yàn)不同工況下可行性分析結(jié)果

表3 高碳?xì)鈱?shí)驗(yàn)不同工況下可行性分析結(jié)果

當(dāng)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(shí)，混合氣在閥門8 前的壓力為3.6 MPa時(shí)，溫度為-28.28 ℃。當(dāng)將閥門8 后壓力降至3.5 MPa，此時(shí)溫度為-29.94 ℃。當(dāng)將閥門8 后壓力降至2.0 MPa，此時(shí)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(tài)。

當(dāng)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(dāng)混合氣在閥門8 前的壓力為3.6 MPa時(shí)，溫度為-38.58 ℃，此時(shí)部分CO2為液相，CO2液體會(huì)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(shí)混合氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)降低至36.78%。當(dāng)將閥門8 后壓力降至3.5 MPa，此時(shí)溫度為-39.20 ℃。當(dāng)將閥門8后壓力降至2.0 MPa，此時(shí)溫度為-51.17 ℃。混合氣經(jīng)閥門減壓節(jié)流后，溫度下降，部分氣體液化，但氣相分?jǐn)?shù)始終大于99.70%。因此，在現(xiàn)有壓力控制方案下，36.78%是混合氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)的最高值。

因此，通過分析超音速分離管入口前各介質(zhì)的物性情況，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本能夠滿足超音速分離管入口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，具備脫碳實(shí)驗(yàn)的可行性。

圖3 軟件HYSYS中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程

2.2 模擬預(yù)測(cè)

設(shè)定超音速分離管內(nèi)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(jīng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中壓縮機(jī)排氣流量、壓力、溫度恒定，混合前CO2流量越大，混合后介質(zhì)的溫度越低。當(dāng)閥門前壓力保持在3.6 MPa 時(shí)，通過閥門調(diào)控壓力的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致溫度發(fā)生變化，由于節(jié)流效應(yīng)，閥后溫度會(huì)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?jǐn)?shù)設(shè)置為30%，入口壓力分別設(shè)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(shù)（干氣出口CO2摩爾分?jǐn)?shù)、濕氣出口CO2摩爾分?jǐn)?shù)、CO2脫除率）的變化規(guī)律。

圖4 不同入口壓力條件下脫碳實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)

可以看出，在入口CO2摩爾分?jǐn)?shù)為30%，流量為287.41 m3/h的計(jì)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?jǐn)?shù)從22%降低至20%，濕氣出口CO2摩爾分?jǐn)?shù)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(shí)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(shè)置為3.0 MPa，入口CO2摩爾分?jǐn)?shù)分別設(shè)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(shù)（干氣出口CO2摩爾分?jǐn)?shù)、濕氣出口CO2摩爾分?jǐn)?shù)、CO2脫除率）的變化規(guī)律。

圖5 不同入口組分條件下脫碳實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)

可以看出，在入口壓力為3.0 MPa的計(jì)算條件下，隨著入口CO2摩爾分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)從15%升高至26%，濕氣出口CO2摩爾分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的脫碳效率提高。

當(dāng)入口壓力為3.5 MPa 時(shí)，高、中、低碳?xì)獾拿撎紝?shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果如表4～6 所示。從表中可以看出，當(dāng)分離器入口CO2摩爾分?jǐn)?shù)在20%～36.78%的范圍，本文搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)CO2的有效分離。

表4 高碳?xì)饷撎紝?shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果

表5 中碳?xì)饷撎紝?shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果

表6 低碳?xì)饷撎紝?shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)語

本文介紹了搭建的高壓二氧化碳超音速分離實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程和主要設(shè)備。對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)可行性進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)條件下，可以滿足超音速分離管入口要求，具備脫碳實(shí)驗(yàn)的可行性。預(yù)測(cè)了多種工況下的超音速分離結(jié)果，發(fā)現(xiàn)：入口溫度隨著入口壓力的增加而增加，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最終可以脫除49%～52%的二氧化碳；只有當(dāng)超音速分離管入口壓力較高同時(shí)溫度較低時(shí)，噴管才能有效地實(shí)現(xiàn)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%。