新超音速分离技术(3s)简介3s.ppt

1,,,超音速分离（3S）技术,—天然气加工技术的突破—,2,,,超音速分离（3S）技术,,1、概述 2、基本原理 3、发明单位及取得专利情况 4、技术特点和优势 5、工艺应用和实际效果 6、工艺应用分类 7、应用范围和适应条件,3,,,1.概 述,超音速分离器：Super Sonic Separator，简称3S； 3S是一种超音速低温分离装置； 由俄罗斯ENGO Research Center的专家基于航天技术的空气动力学成果而研发的一项天然气处理加工新技术； 1996年 开始3S的研究和测试工作； 2004～2006年 完成工业试验测试； 2007年起 投入商业运行 目前，3S的设计、计算、加工制造及工业化应用已经成熟 3S可广泛用于陆上和海上天然气（含伴生气）的脱水、脱烃、脱硫、脱碳等领域牙哈3S分离器外观（处理量（180~185）×104m3/d）,4,,,3S由旋流器、超音速喷管、工作段、气液分离器、扩散器和导向叶片等六部分组成2.3S结构及工作原理,5,,,天然气首先进入旋流器旋转，产生加速度为106m/ s2的旋流 该旋流在超音速喷管入口表面的切线方向产生一个或多个气体射流（这种有选择性的喷射可以对3S进行优化设计），并在喷管内降压、降温和增速。

气体体积膨胀发生在超音速喷管中温度降低是由于部分气体的热量转化为动能，这种动能可以再用来增加超音速或亚音速扩散器的压力 天然气温度降低后，其中的水蒸气和重组分凝结成液滴，在旋转产生的切向速度和离心力（105g）的作用下被“甩”到管壁上，通过专门设计的工作段出口排出，气体则经扩散器后流出，从而实现气液分离 天然气经扩散器减速、增压、升温后，使天然气经3S喷管损失的压力能大部分得以恢复，从而大大减少了天然气的压力损失基本工作原理,6,3.研制单位及取得专利,3S Gas Technologies 俄罗斯ENGO研究中心 (ENGO Research Center, Russia) 在俄罗斯莫斯科设有研究实验中心、实验装置,7,3S技术已在俄罗斯取得专利：RU № 2272973 、 RU 2348871，等 国际发明专利：PCT/CA2005/001437 美国、德国、法国、英国、意大利、荷兰、挪威、澳大利亚、中国、马来西亚等国和欧亚专利联盟获得专利 国际专利组织已向上述国家正面推荐使用3S技术 8,4.技术特点和优势,⑴ 基本技术特点 ⑵ 应用技术优势 ⑶ 与常用内制冷技术的比较 ⑷ 研究成果,9,⑴ 基本技术特点,温降大 天然气经喷嘴节流后，急速膨胀，内部工作段温度急速降低（最大温降-100℃），到达扩散段以后又逐步回升。

随着入口气流温度的降低，工作段温度相应更低10,一次性分液 天然气温度降低后，凝结成液滴的水蒸气和重组分，在旋转产生的切向速度和离心力的作用下被“甩”到管壁上，通过专门设计的工作段出口排出实现气液分离，一次性把液体分离排出11,不生成水合物 由于天然气气流在3S内的流动速度达550m/s以上,停留时间很短，所以在3S内不会生成水合物 压降小 虽然3S分离天然气中的水分和凝液也是通过降低天然气自身的压力，从而降低天然气的温度来实现的，但是由于天然气在扩散器内的压力回升，使3S设备的进出口压差大大小于超音速喷管的压差12,⑵ 应用技术优势,效率高 3S超音速分离器，外形好似管段加T形接头，体积小，制冷速度快，温降大，分离时间短，单只处理气量大 超音速分离装置集膨胀机、分离器、压缩机的功能于一体，将待处理的气体在达到超音速时急速冷却,完成脱水、脱烃后再将其压力恢复，整个过程不需要外力的作用,完全利用了天然气自身的压力做功13,简化工艺 3S超音速分离器，是一种创新的致冷、脱水脱烃高效设备，集致冷、气液分离、一次性产生干气等功能于一体，应用于气体处理工艺流程，可以减少设备、实现真正意义的短流程，使效率低、能耗高、工艺复杂的常规的流程发生革命性创新。

14,低能耗 由于天然气在喷管后半部是扩散器的减速、增压、升温后作用，使天然气经3S喷管损失的压力能大部分得以恢复，从而大大减少了天然气的压力损失与外加冷源相比，节省能耗在一定的条件下，3S不仅比等焓节流膨胀制冷的J-T阀效率高，而且也比等熵节流膨胀的膨胀机效率高在相同压差情况下，3S可使天然气产生更大的温降，在相同温降条件下，3S节省较大能耗利用3S于高酸性气体处理中，将为节能降耗作出贡献15,长期可靠 3S本身无转动部件，无损耗，操作简单，运行成本低、稳定可靠，无维护工作量 绿色环保 运行过程中，无噪声、无排放、无污染，对环境无影响，可实行全绿色工艺16,⑶ 与常用内制冷技术的比较,①.3S与传统的J-T阀和膨胀机制冷分离设备相比，在相同压差情况下，3S可使天然气产生更大的温降17,进出口压差与温差关系图,从上图可见，在设备进出口压力比（p1/p2）为2.0的情况下，3S喷管进出口温降为50℃，膨胀机进出口温降为16℃，J-T阀为10℃.并且随着压力比增大温降差也随之增大温降大，天然气获得的水露点和烃露点就低，或者说达到相同天然气水露点和烃露点情况下，所需要的压力降就小18,②. 在一定条件下，3S不仅比等焓节流膨胀制冷的J-T阀效率高，而且也比等熵节流膨胀的膨胀机效率高。

19,3S与J-T阀效率比较,上图显示的是在流速1.5-2.5kg/sec时，在试验装置中一系列的测试运行结果纵坐标表示3-S分离器的效率，横坐标轴表示J-T阀的效率 分离效率用Δα=α0-α测量，α0和α分别表示开始和结束时，组分的摩尔浓度注：在任何情况下，3S的效率都比J-T阀的效率高,20,,在后冷器温度为-10℃时，3S比J-T阀的C3+收率约高30%，比膨胀机的C3+收率约高9%；在后冷器温度为-30℃时，3S的C3+收率比J-T阀和膨胀机分别高约20%和7%后冷器温度对C3+收率的影响,21,③.3S能耗低 ，适应性强 在凝液收率相同的情况下，使用3S可减少功耗50～70%；用3S替代膨胀机可减少压缩功15～20% 特别是当膨胀机由于技术原因（诸如进口压力太高），或在中小油气田使用膨胀机不经济的场合，3S的优势更加突出22,高输出压力时，不同制冷工艺流程对比,金都源泉,23,上图所示为，某天然气的温度为T1，压力为P1，要求输出压力为P2，采用J-T阀、膨胀机和3S工艺以分离天然气中NGL时的工作过程从图中可见： 采用J-T阀直接节流膨胀制冷（A-D-F-E）流程是不可能从天然气中分离NGL组分的； 采用膨胀机节流膨胀制冷（A-D’-F’-E’-E）流程，虽然由于膨胀机的同轴压缩机能给输出气增压约20%，而使膨胀机的出口压力低于P2，使膨胀机出口温度低于天然气的临界温度（Tc），但其压力仍高于临界压力（Pc）而处于天然气相包络线外的气相区，因此也不可能从天然气中分离出NGL组分； 采用3S节流膨胀制冷（A-B-C）流程时，由于天然气在3S喷管中损失的压力能，可以在其后过程中大部分得到恢复，因此可以将天然气的压力降低到Ｐ3，温度也随之降到Ｔ3， 使天然气进入两相区，实现NGL分离，然后天然气再升压至P3，温度也随之升高至接近天然气的进口温度T1。

金都源泉,24,如果要采用J-T阀和膨胀机节流膨胀制冷分离NGL组分，则需要进一步降低J-T阀和膨胀机出口压力，即增大膨胀比，使计算收敛的J-T阀和膨胀机的出口压力和温度低于天然气Tc和Pc才能进入天然气相包络线两相区这样虽然能分离天然气中的NGL组分，使天然气的出口压力却低于要求的输出压力P2，其结果必然是要对装置出口天然气进行增压，这不仅要增加压缩设备，而且还要消耗大量能量，其中J-T阀能耗最大金都源泉,25,④ 在NTS UPMT项目中，3S与JT阀的对比,26,26,,采用J-T阀的NTS UPMT 流程图,原料气,甲醇,甲醇,水+甲醇溶液,凝析液,干气,水+甲醇溶液,凝析液,J-T阀,27,27,,采用3S的NTS UPMT 流程图,,原料气,甲醇,凝析液,水+甲醇溶液,甲醇,凝析液,水+甲醇溶液,干气,28,28,3S设计图,TLT&ENGO,干气,原料气,气液混合物,3S-分离器,流量计,调节阀,球阀,球阀,29,,NTS中，3S与J-T阀的对比,TLT&ENGO,30,,3S出口干气组成,TLT&ENGO,31,,低温分离器10C-2出口气体组成,TLT&ENGO,32,,在工况2(11.5Mpa)下，烃露点对比,TLT&ENGO,- 实测压力 - 临界气体,33,1000×104.m3/day处理量的3S设计方案,7300х4850х7000,11600х4850х5450,800х7100х5700,33,34,1000×104.m3/day的3S设计方案,3S,球阀,球阀,球阀,调节阀,调节阀,流量计,流量计,流量计,35,⑷ 一些研究成果,,1.关于天然气净化： 在进气压力为100bar，进气温度为20℃的条件下，将入口压力降低17-20%可使出口气体的露点（水露点和烃露点）达到-10℃ ；若将入口压力降低22-25%，可使出口气的露点达到-15℃。

2.关于丙烷/丁烷的提取（LPG）: 具有足够进口压力，但要使出口压力为60bar时，与现有的最好技术系统相比，其能效最高： —对于‘浅冷’系统---在C3+ 提取率相同的情况下，可以节约压缩功15-20%；或在压缩功相同的情况下，收率达到85%； —对于‘深冷’系统--- 可以节约压缩功15-18% —对于伴生气而言，无需使用透平膨胀机和冷却器，可使收率达到90% 3.关于乙烷收率: 为乙烷回收工厂开发了新的工艺技术，可节省30%以上的压缩功 36,5、工艺应用和实际效果,⑴ 3S基本工艺流程 ⑵ UKPG of Gubkinskoe field项目 ⑶ Zapolyarnoe field (Gazprom) 项目 ⑷ 牙哈凝析油气田的应用,37,⑴ 3S应用基本流程,,基本流程一,38,基本流程二（无冷凝液损失）,39,⑵ Gubkinskoe 油田的UKPG 项目,2007年中下旬3S模块在UKPG现代化改造中开始投运自11月27日起，3S模块处于长期稳定运行中 UKPG 现代化改造的目标是（ 在入口压力下降的情况下）： ① 增加气体处理量 ② 增加凝析液量 ③ 按照 OST 51.40-93标准,保证露点 ④ 保证外输压力 运行表明，以上目标均已达到： 处理气的流量增加了（6-8）×103 .n.m3/h； 凝析液增加 10-11 吨/天； 烃露点达到 – 27 0С。

40,Gubkinskoe 油田 UKPG-1 项目改造中采用的3S模块,,41,3S运行照片(July 2007.),42,3S运行验收证明,Data,Data’s English interpretation,43,3S运行主要技术参数,44,45,UKPG改造前后对比,TLT&ENGO,46,46,Zapolyarnoe 油田 (Gazprom) 项目,TLT&ENGO,,2009年，3S分离器用于ООО «Газпром добыча Ямбург»公司凝析气田开发前期的燃料制备装置UKPG-15 47,①工艺流程,原料气,甲醇,甲醇,甲醇,干气,火炬,液相出口气循环进入3S，整个流程无凝液损失,48,②3S分离装置设计图,49,③.设计及试验数据,,,,,3S-分离器,Р=11.568 МРа Т=-10.130С,,Р=6.859 МРа Т=-30.780С,Р=5.0 МРа, Т=-(70-80)0С,原料气,干气,组成成分 (%mol 甲烷 - 91.412 乙烷 - 4,454 丙烷 - 1,971 丁烷 - 0,952,组成成分(%mol) 甲烷 - 94,499 乙烷 - 3,589 丙烷 - 1,002 丁烷 - 0,282,注：3S处理量约30×104m3。