二氧化碳超音速分離實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計及性能預(yù)測

蔣文明，陳佳男，來興宇，劉 楊

（1.中國石油大學(xué)（華東）儲運(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)?；I(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 個子系統(tǒng)組成，包括動力系統(tǒng)、給排氣系統(tǒng)、測量系統(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)場全景圖

動力系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)和計算機(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，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(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，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)時保持空氣壓縮機(jī)輸出功率、流量和各個閥門開度不變，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：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)險標(biāo)識和相關(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)采用兩臺并聯(lián)的開山牌活塞式空氣壓縮機(jī)，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(shè)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(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)式氣體匯流排對瓶裝CO2進(jìn)行匯集、減壓處理。匯流排設(shè)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(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 型儲氣罐，設(shè)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(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，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(shù)據(jù)采集卡。采用YAV USB 16AD型工業(yè)級采集卡對測量變送器電流信號進(jìn)行輸入采集，供電電源為計算機(jī)USB端口，單端直流信號輸入通道數(shù)為16，單通道最大采樣率為1.0 kHz，測量精度為±0.1%。與該數(shù)據(jù)采集卡相配套的計算機(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

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)?。脫碳?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，混合氣在閥門8 前的壓力為3.6 MPa時，溫度為2.15 ℃。當(dāng)將閥門8 后壓力降至3.5 MPa，對應(yīng)溫度為1.71 ℃。當(dāng)將閥門8 后壓力降至2.0 MPa，對應(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，混合氣在閥門8 前的壓力為3.6 MPa時，溫度為-28.28 ℃。當(dāng)將閥門8 后壓力降至3.5 MPa，此時溫度為-29.94 ℃。當(dāng)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(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，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?jǐn)?shù)降低至36.78%。當(dāng)將閥門8 后壓力降至3.5 MPa，此時溫度為-39.20 ℃。當(dāng)將閥門8后壓力降至2.0 MPa，此時溫度為-51.17 ℃?；旌蠚饨?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

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，通過閥門調(diào)控壓力的同時會導(dǎo)致溫度發(fā)生變化，由于節(jié)流效應(yīng)，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?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

可以看出，在入口CO2摩爾分?jǐn)?shù)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?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

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?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，高、中、低碳?xì)獾拿撎紝?shí)驗(yàn)預(yù)測結(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)測結(jié)果

表5 中碳?xì)饷撎紝?shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果

表6 低碳?xì)饷撎紝?shí)驗(yàn)預(yù)測結(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溫度較低時，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%。