[发明专利]低温旋流式超音速分离装置及天然气脱水脱烃工艺

说明书

技术领域

本发明属于天然气处理技术领域，具体涉及低温旋流式超音速分离装置及天然气脱水脱烃工艺。

背景技术

天然气脱水脱烃是天然气净化过程中必不可少的环节，选择合适的脱水、脱烃技术和工艺是非常必要的。目前，国内外油气田普遍应用的传统天然气脱水、脱烃技术，主要包括溶剂吸收法、固体吸附法、冷冻分离法等，其中化学反应法的工业应用极少，而溶剂吸收法和固体吸附法应用极为广泛。

溶剂吸收技术：利用具有很强的吸水性的醇类化合物作为吸收剂，如乙二醇、二甘醇和三甘醇(TEG)。其中以三甘醇的热稳定性更好，且易于再生，蒸汽压低，携带损失量更小，所以大量使用。这种脱水系统包括分离器、吸收塔和三甘醇再生系统，应用了吸收、分离、气液接触、传质、传热及抽提等工艺原理，露点降可以达到30～60℃。目前，三甘醇脱水面临的主要问题有：系统比较复杂，三甘醇溶液再生能耗大，存在损失、被污染、氧化生成腐蚀性有机酸等问题，设备所占空间大，设备维护复杂。以上原因造成三甘醇脱水法投资和运行成本过高，而且随着装置运行时间延长，三甘醇消耗逐渐增加，因此三甘醇消耗量成为影响生产成本的重要因素。

固体吸附技术：采用固体吸附剂脱水，常用有硅胶、活性氧化铝、分子筛。分子筛具有更多的优点，因而得到广泛应用。分子筛脱水系统主要包括2个或3个处于脱水、再生和冷吹状态的干燥器，以及再生气加热系统，更适合于深度脱水，露点可以降低到-73℃以下。但分子筛脱水的主要问题为设备投资和操作费用比较高，分子筛再生能耗大，而且天然气中的重烃、H₂S和CO₂等可使固体吸附剂污染。另外，分子筛脱水的再生过程能耗比较大，干燥器下层的吸附剂需要经常更换。

冷冻分离技术：冷冻分离技术包括直接冷却法、加压冷却法、节流膨胀制冷和机械制冷等方法。J-T阀和透平膨胀机脱烃属于低温冷凝方法脱烃，具有流程简单、成本低等优点，该方法是国内气田中除三甘醇法外应用较多的天然气脱水工艺。特别适合用于高压气体，但当天然气压力不足时，使用冷冻分离法脱水达不到外输要求，而增压或外部引入冷源不经济时，则必须采用其他脱水方法。该方法目前的主要问题为耗能高、水露点高等。而且，透平膨胀机有高速运动部件，制造难度大、可靠性差。

天然气脱水和轻烃分离是油气田地面生产的重要工艺环节，而上述传统的低温分离工艺分离效率低、投资和运行费用高、加热防冻困难、防冻剂用量大。针对此类问题提出的免加热或免加注防冻剂的低温旋流式超音速分离新技术是天然气处理工艺技术的一大革新。2011年，塔里木油田牙哈作业区在天然气脱水中现在采用的首台低温旋流式超音速分离脱除装置，并获得成功。

通过天然气脱水超音速分离技术所涉及的机械、物理、工艺、设备等多专业的综合研究，解决烯烃处理，抗冻剂消耗，可处理气量受限等技术难题，研发适应海上平台环境、大幅减轻平台负重、缩减设备占地面积、可处理含高酸性气体的天然气脱水技术，组织实施超音速分离技术的规模化推广应用，为“十三五”在油田建设提高天然气脱水效率，节能降本增效提供技术支撑。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种低温旋流式超音速分离装置，该装置包括气体入口、导流叶轮旋流器、超音速拉法尔喷管、分离倒锥、升压扩散器、液体出口、分离后气体出口组成。

进一步的，上述低温旋流式超音速分离装置中，所述超音速拉伐尔喷管分为四部分：稳定段、亚声速收缩段、喉部、超音速扩张段。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供天然气脱水脱烃工艺，所述工艺包括以下步骤：

(1)、天然气原料气经换热器降温后，进入NGsd装置，并在NGsd装置内经过高速旋流、在喷管内膨胀降压、降温和增速，分离得到水和轻烃的气液混合物、干气；

(2)、所述步骤(1)得到的水和轻烃的气液混合物进入气液分离器，分离得到水和轻烃、分流干气。

其中，上述天然气脱水脱烃工艺还包括步骤(3)：所述步骤(1)得到的干气和步骤(2)得到的分流干气，经气体混合器混合，回注到所述换热器，与天然气原料气换热后外输，得到干气产物。

其中，上述天然气脱水脱烃工艺步骤(1)中，所述天然气原料气经换热器降温后的温度为-80℃。

其中，上述天然气脱水脱烃工艺步骤(1)中，所述高速旋流产生切向加速度为l×106m/s²的旋流。

其中，上述天然气脱水脱烃工艺步骤(1)中，所述原料天然气经高速旋流后产生温度20℃、压力10MPa的饱和天然气。