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超音速分离技术在脱烃中应用
气田从地下采出的天然气中都会有C4以上较重烃组分的存在，使得天然气的烃露点会较高，导致该气田天然气在未处理前达不到输气烃露点要求。超音速分离技术可以有效地脱除天然气中的重烃，同时可以避免天然气节流膨胀后的增压过程。
超音速分离技术的核心设备是超音速分离器。超音速分离器由旋流器、拉瓦尔喷管、扩压器组成。超音速分离器(SuperSonicSeparator简称3S)，是俄罗斯专家团将航天技术的空气动力学成果应用于油气田天然气处理、加工领域而研发的新型、高效分离设备。天然气超音速脱水、脱烃技术属于低温冷凝法,利用拉瓦尔喷管、导向叶片加速饱和湿天然气达到分离目的。天然气超音速分离器将膨胀机、分离器和压缩机的功能集中到一个管道中,大大简化了工艺流程,提高系统可靠性,并降低其投资、运行费用和减少环境污染。天然气超音速脱水技术易于形成体积小、质量轻、成本低、可靠性高的橇装设备,非常适合单井集气工艺的井口、多井集气工艺的集气站的天然气脱水、脱烃。天然气首先进入旋流器旋转，产生加速度为106m/s的旋流，该旋转气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，而后天然气在喷管内降压、降温和增速。由于天然气温度降低，其中的水蒸汽和重烃组分凝结成液滴。在旋转产生的切向速度和离心力的作用下，液滴被“甩”到管壁上从而实现气液分离。然后，液体通过专门设计的工作段出口流出，气体则进入扩散器，减速、增压、升温后流出。

超音速分离器结构示意图

超音速分离器剖面图

超音速分离器中的膨胀降压、降温、增速过程，以及发生在扩压器中的减速、升压、升温过程，可看成近似等熵绝热过程，等熵效率约为90%。J-T阀制冷温降过程是等熵节流膨胀制冷过程，膨胀机制冷温降过程是等熵膨胀过程，效率接近85%。因此在相同条件下超音速分离技术可获得比等熵节流膨胀制冷的J-T阀和等熵膨胀制冷的膨胀机的温降都高。更大的温降就能使天然气冷凝析出更多的重烃，使天然气获有更低的烃露点
超音速分离技术与J-T阀节流技术的脱烃性能与进料气中的水分含量、压降、进料气温度、进料气组分、进料气压力等因素有关。

膨胀制冷设备进出口压差与温差关系图

膨胀制冷设备的制冷温度与液烃收率关系图

由于超音速分离技术与J-T阀节流膨胀制冷技术都是膨胀制冷低温分离技术，所以气流进出超音速分离器和J-T阀前后的压降很大程度上决定着回收液烃量的多少。相对于超音速分离系统来说，J-T阀节流膨胀制冷系统压降的变化并不能使从天然气中回收的液烃量得到显著提高，而压降微小的增加都能增加从超音速分离系统中回收的液烃量。
随着进料气温度的增加，液烃的回收量逐渐减小。进料气温度对超音速分离技术的分离性能有着重大的影响，但是对J-T阀节流膨胀制冷技术的分离性能影响并不大，降低超音速分离器的进口温度可有效提高超音速分离技术对液烃的脱除效果，所以在超音速分离装置之前加入冷却器，将极大地提高超音速分离系统的分离性能。
用超音速分离器分离油气田天然气中的水分和NGL（重烃）组分可分为两种类型，一种是用于分离不含或仅含少量NGL组分的气层天然气时，只须要分离天然气中的水分以保证外输天然气的水露点;另一种是用于分离富含NGL组分的油田伴生气和凝析气时，则要求在保证外输天然气水露点和烃露点的前提下，尽可能多地回收NGL组分.以获取最大的经济效益。
1、利用超音速分离器分离天然气所含水分
气层天然气的烃组成绝大部分为甲烷.不含具有回收价值的NGL组分。因此，只需分离天然气所含水分，以保证外输天然气的水,,点。其典型工艺流程见图。

天然气首先在进口过滤分离器中除去所携带的固体和液体杂质，然后经压力控制阀稳定压力，进入3S。从3S中分离出的水与部分天然气一道进入气液分离器(分-2)进行气水分离，3S出口为经脱水后的干天然气。分-2底部排出的水是不含任何杂质的，顶部出来的含饱和水的天然气进入干天然气中，混合后的天然气为水,,点达到要求的外输天然气。
根据天然气处理量，以及外输天然气的输出压力和水露点等具体要求进行专门设计的3S系统，只需要很小的压力降就能保证外输天然气的水露点。用3S分离天然气中的水分以保证外输天然气的水露点是不需要向天然气喷注水合物抑制剂的。
2、从油田伴生气或凝析气中回收NGL组分
油田伴生气经压缩机(机-1)增压，空冷器(冷-1)冷却、分离器(分-1)除去凝结水后，进入分子筛干燥器(器-1)深度脱水。脱水后的气体经换热器(换-1)冷却降温后进入3S，分离其中的NGL组分。从3S出来的气体经换-1复热后外输。由3S分离出来的NGL可直接送往分馏装置，生产液化天然气(LNG)和天然汽油;或者经稳定塔(塔-l)稳定后进入NGL储罐(罐-1)，再经由轻烃泵(泵-1)装车或装船外运。

采用超音速分离工艺替换