CN112521993A - 一种天然气泡沫分离装置、控制方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于天然气消泡技术领域，公开了一种天然气泡沫分离装置、控制方法及应用，天然气泡沫分离装置中分离器本体左右两侧设置有进气管，进气管端部设置有含气泡天然气入口；分离器本体内部固定有分离筛板，分离筛板将分离器内部腔室分割为出液室和分离室；出气管插入分离器内部，保留一部分下伸管道；下伸出气管中形成旋转气流，在下伸出气管道内形成低压区，管内中心部分气流流回分离室，阻止气泡液滴随气流带出，形成气锁区域。本发明利用高速离心和重力下沉分离泡沫，具有分离效率高，而且不会对天然气的生产造成污染的特点。本发明除沫效率高，运行成本低，噪音低，无震动，拆洗方便，绿色环保，有效消除天然气生产过程中的泡沫。

Description

一种天然气泡沫分离装置、控制方法及应用

技术领域

本发明属于天然气消泡技术领域，尤其涉及一种天然气泡沫分离装置、控制方法及应用。

背景技术

目前，伴随着可持续的社会和经济发展的深入，全球能源利用和环境保护问题日益突出，这要求所有国家提高清洁能源的利用率。天然气是全球公认的最干净的化工能源，但在天然气生产过程中存在大量的泡沫，如果不除去这些泡沫，不仅浪费设备容量，影响产能，引起原料气浪费，造成经济损失，还会干扰计量，延长反应周期，降低天然气净化效率，故在天然气生产过程中如何有效地抑制和消除泡沫，对于提高天然气生产效率和质量至关重要。现有消除天然气泡沫的方法主要有几种：

现有的化学消泡技术，使用消泡剂。消泡剂采用化学品，对天然气净化有一定的污染，而且目前消泡剂量和投放位置的控制并非稳定，不能广泛使用。现有的物理消泡技术，静置沉淀。这种物理方式消泡时间较长，消泡效果不明显，达不到有效净化天然气的目的。现有技术中通过旋转甚至增加拉法尔降温方式来消除天然气泡沫，这些旋转分离方法要求有较高的流速或者很大的压降损失，能耗消耗很大，对于具有大量气泡的高压低流速输送管道除沫几乎没有效果。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的化学消泡技术中，消泡剂采用化学品，对天然气净化有一定的污染，而且目前消泡剂量和投放位置的控制并非稳定，不能广泛使用。

(2)现有的物理消泡技术，消泡时间较长，消泡效果不明显，达不到有效净化天然气的目的。

(3)现有技术中通过旋转甚至增加拉法尔降温方式来消除天然气泡沫，旋转分离方法要求有较高的流速或者很大的压降损失，能耗消耗很大，对于具有大量气泡的高压低流速输送管道除沫几乎没有效果。

以上问题，特别是低流速、密集小气泡环境下，很难解决。基本上只能使用消泡剂来解决问题，但是带来了处理成本的大量上升和消泡剂使用后带来的二次处理，很多情况下，得不偿失，导致一些天然气井被迫关闭。

如能低成本的解决天然气气泡，对于现有的多泡沫气井，特别是大量使用压裂液的页岩气井，具有重大的工程意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种天然气泡沫分离装置、控制方法及应用。

本发明是这样实现的，一种天然气泡沫分离装置，所述天然气泡沫分离装置设置有分离器本体；

分离器本体左右两侧切向设置有进气管，进气管端部设置有含气泡天然气入口；

分离器本体内部固定有分离筛板，分离筛板将分离器内部腔室分割为出液室和分离室；

出气管插入分离器内部，保留一部分下伸管道；

分离室内由于气体的切向流动，在出气管附近流动的角速度增加，形成高转速区域。该区域内的含气泡天然气产生强大的离心作用，大密度的液滴不会被带出装置。

进一步，所述出气管中形成旋转气流，导致出气中心部分气流回流到分离室，阻止气流携带液滴逃逸，形成气锁区域。

进一步，所述含气泡天然气入口可以为多个切向入口。

进一步，所述分离器本体上端设置有出气管，出气管端部设置有分离后天然气出口。

进一步，所述分离器本体下端设置有排水管，排水管下端设置有分离液体出口。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述天然气泡沫分离装置的天然气泡沫分离方法，所述天然气泡沫分离方法，包括：

步骤一，天然气进气管通过入口切线进入除沫器内部，使天然气在除沫器内部旋转；在离心力的作用下，密度大的液体被甩向壁面，通过分离筛板进入到出液室，通过排液管流出；

步骤二，在离心力的作用下，在管道底部产生回流气体，流出分离器的天然气顺着出气管道外壁爬流进入管道；

步骤三，在出口管道插入底部和底板之间，形成一个“气锁”，“气锁”用以挡住没有分离的液滴被夹带排出出口管道。

本发明的另一目的在于提供一种提高天然气生产效率的方法，所述提高天然气生产效率的方法使用所述天然气泡沫分离装置。

本发明的另一目的在于提供一种提高天然气生产质量的方法，所述提高天然气生产质量的方法使用所述天然气泡沫分离装置。

本发明的另一目的在于提供一种消除天然气泡沫的方法，所述消除天然气泡沫的方法使用所述天然气泡沫分离装置。

本发明的另一目的在于提供一种天然气消泡控制终端，所述天然气消泡控制终端用于实现所述的天然气泡沫分离方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明天然气通过入口切线进入除沫器内部，使天然气在除沫器内部旋转。在离心力的作用下，密度大的液体被甩向壁面，通过分离筛板进入到出液室，最后通过排液管流出。本发明天然气出口管插入分离器内部，必须保留插入一部分管子，通过模拟和实验发现，旋转的天然气会最终在出口管以旋转的方式流出。由于旋转的作用，在管道底部产生回流气体，导致流出分离器的天然气只能顺着出气管道外壁爬流进入管道。这样，在出口管道插入底部和底板之间，形成一个“气锁”，这个“气锁”可以挡住没有分离的液滴被夹带排出出口管道，保证了很高的分离效率。当然，这个“气锁”区域大小，“锁闭”效率的高低，与天然气处理量、流速、出口管道直径大小、管子底部与分离器底板的间距密切相关。本发明采用物理方法，利用高速离心和重力下沉分离泡沫，具有分离效率高，而且不会对天然气的生产造成污染的特点。该设备可根据天然气中的泡沫(颗粒)含量控制圆盘加速器入口数。本发明采用物理方法除沫，除沫效率高，本身无转动部件，无损耗无污染，运行成本低，噪音低，无震动，拆洗方便，绿色环保，并且可以有效消除天然气生产过程中的泡沫。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的天然气泡沫分离装置结构示意图。

图2是本发明实施例提供的天然气泡沫分离装置内部结构示意图。

图3是本发明实施例提供的天然气泡沫分离方法流程图。

图中：1、分离器本体；2、分离液体出口；3、含气泡天然气入口(多个)；4、分离后天然气出口；5、进气管；6、出液室；7、排水管；8、气锁区域；9、下伸管道；10、分离室；11、分离筛板；12、出气管；13、旋转气流；14、进入气流；15、旋转返回气流。

图4是本发明实施例提供的含有气泡的天然气进入分离器(0.1s)示意图。

图5是本发明实施例提供的含有气泡的天然气进入分离器(0.16s)示意图。

图6是本发明实施例提供的含有气泡的天然气进入分离器(0.22s)示意图。

图7是本发明实施例提供的含有气泡的天然气进入分离器(0.31s)示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种天然气泡沫分离装置、控制方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1-图2所示，本发明中分离器本体1上端设置有出气管12，出气管12端部设置有分离后天然气出口4；分离器本体1下端设置有排水管7，排水管7下端设置有分离液体出口2；分离器本体1左右两侧设置有进气管5，进气管5端部设置有含气泡天然气入口3；在本实施例中，含气泡天然气入口3可以为多个。

如图2所示，本发明中分离器本体1内部固定有分离筛板11，在分离器内部，有分离筛板11把分离器内部腔室分割为两部分，分别为：出液室6和分离室10；其中，分离室10内设置有气锁区域8。出气管12插入分离器内部，必须保留插入一部分管子，为下伸管道9。在出气管12中形成旋转气流13，在下伸管道9上形成进入气流14，分离室10内部形成旋转返回气流15。

如图3所示，本发明实施例提供的天然气泡沫分离方法，包括：

S101：天然气进气管通过入口切线进入除沫器内部，使天然气在除沫器内部旋转；在离心力的作用下，密度大的液体被甩向壁面，通过分离筛板进入到出液室，通过排液管流出。

S102：在离心力的作用下，在管道底部产生回流气体，流出分离器的天然气顺着出气管道外壁爬流进入管道。

S103：在出口管道插入底部和底板之间，形成一个“气锁”，“气锁”用以挡住没有分离的液滴被夹带排出出口管道。

下面结合仿真实验对本发明的技术效果作详细的描述。

1、泡沫量的多少不仅与液相粘度有关，也与液相密度、颗粒直径、颗粒在径向上与轴心的距离等诸多因素有关。因此必须考虑到这些影响因素，先用数学解析法，求出旋转流场内颗粒切向速度随径向位置变化曲线：

2、根据步骤1中的切向速度分析颗粒的受力情况：

根据离散相的受力平衡轨道理论，本设备主要考虑颗粒在工作段受到离心力以及斯托克阻力。

1)惯性离心力：

2)斯托克阻力：

3)根据牛顿第二定律，对颗粒做受力分析得：

4)颗粒与天然气的相对运动速度v_row：

上式中，d为颗粒的直径，ρ_s为颗粒的密度，ω为天然气回转角速度，r为颗粒在径向上与轴心之间的距离，A为颗粒在垂直于运动方向上的投影面积，ξ为阻力系数，

为径向压力梯度，

通过数学解析的方法，能较准确预测泡沫在流场内速度及压力的分布。

3、根据步骤2确定泡沫分离器的主要结构：

该设备主要特征是进料口、除沫器圆盘加速器直径、流速、出口管道直径大小、管子底部与分离器底板的间距密。

在分离器内部，有分离筛板把分离器内部腔室分割为两部分。分离后天然气出口管插入分离器内部，必须保留插入一部分管子，如图2所示。天然气通过入口切线进入除沫器内部，导致天然气在除沫器内部旋转。在离心力的作用下，密度大的液体被甩向壁面，通过分离筛板进入到出液室，最后通过排液管流出。本装置另外一个重要的特色，就是天然气出口管插入分离器内部，必须保留插入一部分管子，通过模拟和实验发现，旋转的天然气会最终在出口管以旋转的方式流出。由于旋转的作用，在管道底部产生回流气体，导致流出分离器的天然气只能顺着出气管道外壁爬流进入管道。这样，在出口管道插入底部和底板之间，形成一个“气锁”，这个“气锁”可以挡住没有分离的液滴被夹带排出出口管道，保证了很高的分离效率。当然，这个“气锁”区域大小，“锁闭”效率的高低，与天然气处理量、流速、出口管道直径大小、管子底部与分离器底板的间距密切相关。

本发明采用物理方法，利用高速离心和重力下沉分离泡沫，具有分离效率高，而且不会对天然气的生产造成污染的特点。该设备可根据天然气中的泡沫(颗粒)含量控制圆盘加速器入口数。本发明采用物理方法除沫，除沫效率高，本身无转动部件，无损耗无污染，运行成本低，噪音低，无震动，拆洗方便，绿色环保，并且可以有效消除天然气生产过程中的泡沫。

如图4-图7所示，模拟结果显示带有小气泡的天然气进入分离器后的运动情况：模拟结果显示带有小气泡的天然气进入分离器后，液滴(气泡)在出气口被“气锁”区域“锁住”而不能进入出气口。气泡在分离器边缘挤压破碎后形成液滴，随着分离器内旋转气流排到分离器边缘，通过分离筛板11排出分离器。一些极小的气泡液滴可能随气流带出出气口，影响分离效果。这个问题可以通过优化分离器设计参数，尽可能减少气沫夹带。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天然气泡沫分离装置，其特征在于，所述天然气泡沫分离装置设置有：

分离器本体；

分离器本体左右两侧设置有进气管，进气管端部设置有含气泡天然气入口；

分离器本体内部固定有分离筛板，分离筛板将分离器内部腔室分割为出液室和分离室；

分离室内设置有气锁区域，出气管插入分离器内部，保留一部分下伸管道。

2.如权利要求1所述天然气泡沫分离装置，其特征在于，所述出气管中形成旋转气流，在下伸出气管道内形成低压区，管内中心部分气流回流进入分离室，阻止气泡液滴随气流带出，形成气锁区域。

3.如权利要求1所述天然气泡沫分离装置，其特征在于，所述含气泡天然气入口可以为多个。

4.如权利要求1所述天然气泡沫分离装置，其特征在于，所述分离器本体上端设置有出气管，出气管端部设置有分离后天然气出口。

5.如权利要求1所述天然气泡沫分离装置，其特征在于，所述分离器本体下端设置有排水管，排水管下端设置有分离液体出口。

6.一种实施权利要求1～5任意一项所述天然气泡沫分离装置的天然气泡沫分离方法，其特征在于，所述天然气泡沫分离方法，包括：

步骤一，天然气进气管通过入口切线进入除沫器内部，使天然气在除沫器内部旋转；在离心力的作用下，密度大的液体被甩向壁面，通过分离筛板进入到出液室，通过排液管流出；

步骤二，在离心力的作用下，在管道底部产生回流气体，流出分离器的天然气顺着出气管道外壁爬流进入管道；

步骤三，在出口管道插入底部和底板之间，形成一个“气锁”，“气锁”用以挡住没有分离的液滴被夹带排出出口管道。

7.一种提高天然气生产效率的方法，其特征在于，所述提高天然气生产效率的方法使用权利要求1～5任意一项所述天然气泡沫分离装置。

8.一种提高天然气生产质量的方法，其特征在于，所述提高天然气生产质量的方法使用权利要求1～5任意一项所述天然气泡沫分离装置。

9.一种消除天然气泡沫的方法，其特征在于，所述消除天然气泡沫的方法使用权利要求1～5任意一项所述天然气泡沫分离装置。

10.一种天然气消泡控制终端，其特征在于，所述天然气消泡控制终端用于实现权利要求6所述的天然气泡沫分离方法。

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