223-液化天然气LNG装置重烃分离专用羽叶分离器技术方案

      本技术贴主要针对液化天然气LNG装置重烃分离专用羽叶分离器技术方案进行讨论。

       正如大家所知，无论采用煤制天然气为原料，抑或采用井口气还是直接采用管输天然气为原料制备LNG项目工艺流程，都会涉及到重烃分离环节。有的工艺流程中的重烃分离，还设置双分离，即常温预冷重烃分离和冷箱重烃分离两步。无论是采用一步重烃分离还是两步双分离，其采用的核心设备也是重烃分离器。而传统技术的LNG装置重烃分离器，往往采用丝网式重烃分离器。

       关于传统丝网内件的重烃分离器，比较常见，请见附图：

       下面以我方曾经手的实际项目为例进行分析讨论。
       我方接到客户文件对某200百万标方Sm3/d天然气液化项目重烃分离器采用羽叶分离器升级其传统丝网分离器。该设备工况温度为-53~-75℃，工况压力为4.9MPaG。带液气流通过尺寸8“入口管线进入重烃分离器V-0304A/B进行气液分离，脱液后的天然气从重烃分离器V-0304A/B顶部设置的尺寸8”天然气出口管向下游深冷单元输送，而分离下来的凝液则从重烃分离器V-0304A/B底部设置的尺寸2”液相出口管排出重烃分离器。客户向业主最初提供的重烃分离器，是传统技术的丝网式重烃分离器。

       附图是客户最初向业主提供的丝网式重烃分离器文件示意图：

        该丝网式重烃分离器内流体，包含体积流量为405.5m3/h 天然气气相流以及体积流量为2.648m3/h凝液相流组成的气液混合流。

        重烃分离，属于气液分离技术，而气液分离技术又属于精准动力学分离技术范畴。重烃分离器，无论采用传统丝网分离技术，还是先进的羽叶分离技术，都必须针对不同工况特性参数通过精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台，完成分离技术设备方案设计。
        而混合流中液相表面张力，这一重要的分离特性数据，在附图所见的客户数据表中缺少该项数据。只有由专业动力学分离技术公司从其数据库进行补充后，方可进行分离技术方案设计。故请大家一定关注液相表面张力这一重要数据。

       而在天然气液化装置实际运行中，常常会出现因工况气液相组成、工况温度、工况压力、工况体积流量等参数明显波动等复杂多变工况，传统丝网分离器则难以适应实际运行复杂多变工况，分离效率波动大，凝液易发生逃逸、后窜进入后续深冷管线造成管线频繁冰堵，使装置难以稳定运行达到设计运行负荷，管线除冰清堵维护工作量大，运行维护成本高。

       基于客户提供的上述重烃分离器V-0304A/B工艺运行信息数据，NOVEL公司通过其精准动力学分离技术计算平台，对重烃分离器采用传统丝网分离技术针对上述工况运行评估后得知：在上述工况下，即便重烃分离器采用国际上公认分离效率和操作弹性综合性能最高的原装进口YORK 431丝网分离内件，其在上述工况条件下对工况气流的脱液分离精度只能达到211.82微米，大量凝液液滴液沫发生逃逸，后窜进入后续深冷管线，远远不能满足MR文件提出分离精度10微米要求。

       分析其主要原因，一方面在于，冷箱内重烃分离器较高压力工况所对应的天然气介质气相密度增大、烃类凝液相密度小使气相与液相密度差小，导致气液重力沉降分离效率低、气液分离困难；另一方面则在于，传统丝网分离性能不好，缘于丝网内件内在系统结构缺陷导致的性能缺陷。丝网分离器系统结构，决定其分离运行性能。

       首先，丝网分离内件是通过其丝网纤维相互“架桥”形成的“孔格”，以“孔格”阻挡拦截方式完成分离。大尺寸的携带质，在遇到小尺寸的“孔格”时，就如大鱼遭遇小孔渔网一样，可以被阻挡拦截。但是，丝网分离内件金属丝网纤维相互“架桥”形成的“孔格”大小尺寸是不均一的，其尺寸往往在几微米至几百微米之间按高斯分布。一股气流中几微米小尺寸携带质，在遇到更小尺寸的“孔格”时可以被拦截；但同时，这几微米的小尺寸携带质也会遇到尺寸高达上百微米大尺寸的“孔格”，会直接穿过大尺寸的“孔格”发生逃逸后窜。并且，气流中携带的液滴液沫，犹如一条狡猾的“鱼”，液滴液沫在进入丝网“孔格”时，其水滴外形尺寸会随孔格大小而发生“哑铃”“纺锤”形变，有助于其逃逸穿过“孔格”后窜，液滴液沫在穿过“孔格”后的表面张力作用下，又会复原长大变回水滴形状出现在下游管线设备气流中；而气流中携带的固体颗粒物，则犹如一条愚蠢的“鱼”，气流携带颗粒物在穿越丝网“孔格”时，其外形尺寸不会发生明显变化，故易于被拦截。这就是通常用丝网去拦截分离气流携带的固体颗粒物更有效，却发现用丝网去拦截分离气流携带的液滴液沫效果差的原因所在。

       第二，丝网分离内件，属于传统简易结构分离内件，其内在结构单一，只有1个理论分离单元，在波动工况下发生逃逸液滴无法实现进行补救捕集，导致过量液滴后窜到下游系统带来运行故障甚至运行环保安全风险。

        第三，丝网分离内件其内在结构单一，还表现在其缺少独立的气液两相流独立流道，分离前后产生的气相和液相，仍然处于同一流道内，极易导致气液两相 “返混” 、“挟带”甚至“液泛液涌”现象明显带液，这在丝网分离器运行中是常见问题。

       业主还重点强调，重烃在冷却降温后变得较粘稠，很容易附着在丝网表面堵塞流道，输送不畅，运行压降飙升，不得不停车进行管线除冰清堵维护工作量大，运行维护成本高。因此，业主直接拒绝了客户最初提供的传统丝网式重烃分离器，其天然气液化装置冷箱内重烃分离要求专用羽叶分离器先进技术设备，取代原有简易丝网分离器，提升应对多变工况分离处理性能以满足波动工况下高操作弹性、高效稳定和深度分离等技术要求，为其LNG装置带来更多技术经济环保效益。。

       那么，羽叶分离器到底具有哪些显著性能优势呢？
      1、从分离运行机制上看，羽叶分离器高效利用气流本身携带的动能、动量和液滴表面自由能，协同发挥包括流体动量动能转换分离、矢量分离、聚结分离、表面自由能捕集分离等多种分离手段，操作弹性大，运行压降低，不易产生堵塞，分离效率稳定。
      2、从分离内件结构上看，羽叶分离元件内在结构上，专门为气相流、液相流分别设置了结构相互独立、流向相互正交、高效分流的独立输送通道，有效避免气液二次夹带和返混。
      3、从分离级数上看，羽叶分离器在气流通道上设置4-6级串行分离单元，任何从上一级分离单元逃逸的液滴液沫，会被后续串行分离单元连续捕集分离，确保尾气分离效率和高操作弹性。比如，在遇到某种波动工况情形下，导致第1级分离单元分离效率下降到90%，也即该单元释出气流中的液滴液沫逃逸率或残存率为10%（即100%-90%）；气流经串联第2级分离单元捕集分离后，该单元气流中液滴液沫总逃逸率或总体残存率则为10%*10%；气流又经串联第3级分离单元捕集分离，该单元气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率则为10%*10%*10%；气流再经串联第4级分离单元捕集分离，该单元气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率则变为10%*10%*10%*10%；以此类推。羽叶分离器在气流通道上设置的串联分离单元级数越多，羽叶分离器最终释出的气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率越低。
      4、在相同工况和分离效率要求下，羽叶分离器设备尺寸和所占空间，较丝网分离器更小。
      此外，为了确保采用羽叶分离器适应超宽范围波动工况，本方案还匹配设置气流预分配聚结内件组、专有技术“抗虹吸短路”新型降液系统，以避免冷箱内重烃分离器因工况波动过大产生的流型畸变、压降飙升所造成“虹吸效应”瞬间将分离下来的液体倒吸到净化后的气流中二次分散而破坏有效分离运行。