天然气聚结过滤器气液分离性能的实验研究

李东芳 谢绪扬 高光才 王建军

(1. 海洋石油工程股份有限公司设计公司；2. 中国石油大学(华东)化学工程学院)

众多能源方面的专家称21世纪是天然气的世纪，也就是说21世纪天然气在全球一次性能源消费的结构中，将超过石油成为第一。然而从气井中开采得到的天然气通常都会混有一部分的液体物质，例如地层水及凝析油等[1]。由于管道内气速较高，一般气体中所析出的液体很难在管道中形成稳定的连续液相，而是以微小液滴的形式夹带在气相中[2]。天然气中的液相颗粒在许多方面对处理装置和输气管线是不利的，比如会使旋转器械膨胀器、压缩机及涡轮机等产生故障；液滴与天然气中的氯离子及湿气中的二氧化碳、硫化物等成分结合会导致压缩机叶片被腐蚀[3]；液滴会使压缩机干气密封失效等[4]。因此，必须在进入管道输送之前对这些液体进行分离。在天然气行业中，为除去气流中混有的液相颗粒，通常采用除雾器或气液分离器以满足工艺操作和运输方面对于气体净化度的要求。

国内外学者对气液旋流分离进行了持续、深入地研究。对气液聚结过滤分离的研究则相对较少，大多为针对实际应用的总结与改进[5]，如采用颇尔公司生产的气液聚结滤芯对一些需要除雾的工况进行改造，取得可观的效益。但目前国内外还缺乏滤芯对不同粒径液滴分离性能、气液聚结器分离效率与阻力损失的系统研究等。测量固体颗粒粒径分布的手段较多[6]，但是液滴具有易变形及可挥发等特点，相对于固体颗粒而言，测量要复杂得多。因此本实验中采用微纳公司制造的Winner318B喷雾激光粒度仪对滤芯进出口的液滴粒径进行在线检测。

1 实验装置

以现场使用的立式天然气分离装置为依据，设计了一套装有单根滤芯的实验装置，主体由有机玻璃制成，便于观察装置内部的分离过程，上部的进气与排气结构选用不锈钢材料，整套实验装置由雾化系统、分离系统和引风系统组成[7]，实验装置示意图如图1所示。实验采用离心引风机实现负压吸气操作，将雾化器产生的雾化液滴吸入分离器，混有液滴的气流由外向内穿过滤芯，绝大多数液滴被滤芯拦截下来，聚结成大液滴后滴落，少部分未被捕集的细小液滴由排气管逸出。

图1 实验装置示意图

1.1雾化系统

本实验采用两种加入液滴方式：超声波雾化器加液和气压式喷壶加液。两种加液方式的区别在于产生的液滴粒径分布不同。超声波雾化器利用电子高频震荡，通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生极微小的液滴，粒径基本在15μm以下。气压式喷壶由壶身、汲水管、打气筒、手柄、开关压块及喷嘴等组成，常用于浇花及喷洒药剂等场合，喷出的液滴中位粒径在40μm左右。

1.2分离系统

分离系统主要由进气与排气结构、有机玻璃筒体及滤芯等组成。有机玻璃筒长1 000mm，外径112mm，气液分离滤芯有效长度750mm，过滤面积0.7m2，采用金属烧结毡材料制成，过滤精度为2μm。

1.3引风及测量系统

实验采用负压操作，引风系统采用离心风机。风机转速由变频调速器调节，气体流量由毕托管测量后计算得出，实验装置的压降由U形管压力计测出，进出口液滴粒径分布由Winner318B喷雾激光粒度仪测量，该仪器可根据雾滴测定的需要，采用夫琅和费衍射原理和典型的平行光路设计，配合高性能大功率光源，通过测量颗粒群的散射谱来分析其粒度分布，而且不会对流场产生干扰，属无接触测量。其工作原理如图2所示。

试验时，分别对四种砂粒含量(30%、35%、40%、45%)的砂质黄土进行变水头渗透实验、不同垂直压力下的压缩试验以及不同垂直压力下的三轴压缩试验，进而得到不同砂粒含量的变化对砂质黄土力学性质的影响规律。

图2 Winner318B粒度仪工作原理

2 实验方法与实验介质

在气液分离试验中，若以水为液相介质，空气为气相介质，从分离器中分离下来的水会在温度和风量的作用下部分气化，使收集到的水量小于分离下来的水量。为排除这种由于蒸发给分离效率计算带来的误差，配制一定浓度的NaCl水溶液为液相介质、空气为气相介质进行气液分离试验。对收集到的水溶液和入口水溶液中NaCl的浓度进行标定，标定方法为采用K2CrO4作为指示剂，用0.01mol/L的AgNO3进行滴定，得出NaCl的浓度。所用到的化学反应方程式如下：

Ag++Cl-=AgCl↓(白色沉淀)

(1)

2Ag++CrO4-2=Ag2CrO4↓(砖红色沉淀)

(2)

由于Ag2CrO4为砖红色沉淀，变色现象比较明显，滴定误差在4%以内，保证了实验测量的准确性[8]。

实验中NaCl溶液加入质量为Mi，滴定浓度为Ci，实验结束后排液阀打开收集到的液体质量为Mo，滴定浓度为Co，滤芯增加的质量为Ml，聚结过滤器的分离效率η为：

(3)

3 实验结果及分析

实验研究了不同气体流量、液滴的粒径分布和气体含液浓度对聚结过滤器气液分离性能的影响，并给出了气液聚结过滤器出口处的粒径分布。

3.1流量对分离性能的影响

调节变频调速器的频率依次为15、20、25Hz，通过毕托管读数计算出气体流量，研究分离设备压降的变化情况。表1给出了不同流量下分离器压降随加入液滴时间的变化规律。初始时刻滤芯为干燥状态，可以得出干气压降随着流量的增加而增大，即随着气流速度的提高，流过分离器的损失增大。

表1 不同流量下分离器压降随加液时间的变化

注：流量1、2、3的数值分别为94、108、144 m3/h。

刚开始加入液滴时，液滴主要被滤芯表面的纤维所捕集，沉积在纤维上的液滴对气流在金属纤维空隙中流动的阻碍较小，压降变化较为缓慢，随着滤芯含液量的增加，压降迅速升高到某一数值，此后压降基本维持不变，滤芯开始有液体滴落，此刻滤芯捕集的液滴、滴落下来的液滴和气流穿过滤芯夹带的液滴三者达到一个动态平衡，滤芯的持液量保持稳定，滤芯的除雾效率也基本稳定。

图3给出了分离效率随流量的变化规律，可以看出，气液聚结过滤装置的除雾效果随流量的增加先增大而后降低。当流量取最小值时，设备入口气速为14.4m/s，此时滤芯的分离效率为88%，分离效率不高。原因是聚结机理分为碰撞聚结和润湿聚结两种[9]，当气流速度低时，液滴所受的惯性力较小，碰撞聚结的效果较差，因此滤芯分离效率没有达到较高的水平，随着流量的增加(当超过110m3/h时)，滤芯分离效率随即升高到95%以上，并在一段流量范围内都维持较高的除雾效率。当流量超过180m3/h时，此时入口气速已达到28m/s，滤芯对液滴的捕集能力迅速下降，此时出口管壁处可以看到大量的液滴汇集，这是因为气速过高会造成液泛，即聚集的液滴不容易滴落，使液滴充满滤芯纤维之间的孔隙，形成一层水滴层，气体通过滤芯时又重新带沫，带来二次夹带的问题。由此得出，实际应用时要确保流量在合适的范围内，否则聚结过滤器的分离性能会恶化。

图3 气体流量对分离效率的影响

3.2液滴粒径对分离性能的影响

表2给出了超声波雾化器和气压式喷壶两种加液方式下的液滴粒径累积分布率。由表2可知，气压式喷壶产生的液滴集中在15～100μm之间，液滴较大。超声波雾化器发生的液滴94%都在20μm以下，雾化效果较好。通过Winner318B喷雾激光粒度仪测出的不同加液方式时的液滴粒径分布如图4所示。

表2 两种加液方式下的液滴粒径累积分布率

图4 不同加液方式下的粒径分布

图5给出了两种加液方式下分离效率的对比情况。由图5可知，两种加液方式下分离效率随流量的变化趋势是相同的，都是先升高到一定水平而后下降。分离器对于超声波雾化器发生的液滴的分离效率较低，最高不超过60%，这是因为微小的液滴可以穿过滤芯金属纤维之间的空隙而逃逸，当气速增加时，小液滴更容易被气流所夹带，因此除雾效率急剧下降；而气压式喷壶所加入液滴的除雾效率在较大的流量范围内都维持在95%以上。由此可知，聚结过滤设备的分离性能对于液滴粒径的敏感性是很高的。

图5 两种加液方式分离效率对比

图6给出了流量为108m3/h时，两种加液方式下压降随时间的变化情况。由图6可知，两种工况下压降随时间的增长规律是相同的，都大致呈S形增长。实验中发现采用气压式喷壶加液下的压降较超声波雾化器的压降略大，大约相差1mm水柱，即9.8Pa，这与分离器的压降(1.0kPa)相比可以忽略。因此液滴粒径对设备阻力损失的影响很小。

图6 两种加液工况下压降随时间的变化

3.3入口加液浓度对分离性能的影响

图7给出了不同流量下入口加液浓度与分离效率的关系。从图7可以看出，在不同流量下，随着入口加液浓度的增加，分离器的分离效率均有所升高。这是因为增加液滴相的浓度可使液滴之间的碰撞和团聚作用更加频繁，小粒径的液滴合并为大液滴，大液滴就更容易被滤芯捕集，即当入口加液浓度在30～75g/m3范围内变化时，分离效率随入口加液浓度的增加而增加。因此该分离设备可以对高含液浓度的天然气进行净化分离；而在低流量条件下，分离效率随加液浓度的变化较平缓，随着流量的升高，曲线越来越陡，这是因为流量越高气速越大，颗粒的碰撞与团聚效应也更加明显。

图7 入口加液浓度对分离效率的影响

图8给出了分离器压降随着入口加液浓度的变化情况。由图8可以看出，流量是影响压降的主要因素，入口加液浓度对设备压降的影响非常小，近似为水平线，因此分离设备实际操作时的阻力损失可不考虑天然气含液浓度的影响。

图8 入口加液浓度对压降的影响

3.4气液聚结过滤器出口粒径分布

图9、10给出了流量为108、144、182m3/h时对两种加液方式下分离器出口粒径的测试结果。可以看出，出口粒径相对入口粒径下降明显。气压式喷壶产生的中位粒径为40μm，经过分离器的分离，出口处的中位粒径为5.5～6.4μm左右，8μm以上基本被除尽。超声波雾化器产生的液滴更细，中位粒径为8.7μm，经过分离器，出口处中位粒径约3.5μm，所含液滴基本在6μm以下。由粒径分布图还可以看出，当流量为182m3/h时，出口粒径比低流量时有增大的趋势，原因是随着气速的增加，发生了二次夹带现象，与分离效率降低相一致。

图9 气压式喷壶加液分离器出口粒径分布

图10 超声波雾化器加液分离器出口粒径分布

4 结论

4.1分离器的压降随加液时间的增加而增大，最终会达到一个稳定的状态。分离器的压降随流量的变化明显，与气体含液浓度基本无关。

4.2液滴粒径的分布对分离性能影响显著。气压式喷壶加液时，分离效率可达95%以上，超声波雾化器加液时，效率最高为60%。

4.3分离效率随气体流量的增加先增大后降低，当流量超过220m3/h，分离效率急剧下降。分离效率随着液滴浓度的升高而增加。

4.4通过对出口处粒径进行测量，在流量为108～182m3/h范围内，聚结过滤器出口处液滴的粒径分布较入口处小，基本可以除尽8μm以上的液滴。

[1] 王文武.天然气高压螺道分离器[J].油气田地面工程，1998，17(5)：25～26.

[2] 吴小林，熊至宜，姬忠礼.天然气净化用旋风分离器气液分离性能[J].化工学报，2010，61(9)：2430～2436.

[3] Troshchenko V T，Prokopenko A V.Fatigue Strength of Gas Turbine Compressor Blades[J].Engineering Failure Analysis，2000，7(3)：209～220.

[4] Carlson J D.Investigation into in-place Cleaning of Dry Gas Seals[J].Sealing Technology，1996，1996(25)：8～12.

[5] 李莲明，杜双都，余浩杰，等.气液聚结器在天然气低温分离工艺中的应用[J].天然气与石油，2002，20(3)：43～44.

[6] Provder T.Challenges in Particle Size Distribution Measurement Past，Present and for the 21st Century[J].Progress in Organic Coatings，1997，32(1/4)：143～153.

[7] 李柏松，姬忠礼，陈洪玉.天然气过滤器气液分离性能的实验研究[J].天然气工业，2007，27(10)：123～125.

[8] 高光才，杨风允，王建军，等.直流多管式旋流分离器的分离性能实验研究[J].化工机械，2012，39(5)：562～566.

[9] 张敏，袁惠新.聚结分离过程的机理、方法及应用[J].过滤与分离，2003，13(1)：44～56.