Prediction of Mass Flow Rate in Supersonic Natural Gas Processing

Prédiction du débit massique dans les applications de traitement supersonique du gaz naturel

¹ College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum, 66 Changjiang West Road, Huangdao District, Qingdao, 266580 – China
² School of Petroleum Engineering, Changzhou University, Zhonglou District, Changzhou, Jiangsu, 213016 – China
³ CSIRO Computational Informatics, Clayton, Victoria 3169 – Australia
e-mail: wenchuang2008@gmail.com – caoxw@upc.edu.cn – flyloveyang@gmail.com – yuqing.feng@csiro.au

^* Corresponding author

Abstract

The mass flow rate of natural gas through the supersonic separator was numerically calculated by various cubic equations of state. The numerical results show that the compressibility factor and specific heat ratio for ideal gas law diverge remarkably from real gas models at a high inlet pressure. Simultaneously, the deviation of mass flow calculated by the ideal and real gas models reaches over 10 %. The difference increases with the lower of the inlet temperature regardless of the inlet pressure. A higher back pressure results in an earlier location of the shock wave. The pressure ratio of 0.72 is the first threshold to get the separator work normally. The second threshold is 0.95, in which case the whole flow is subsonic and cannot reach the choked state. The shock position moves upstream with the real gas model compared to the ideal gas law in the cyclonic separation section.

Résumé

Le débit massique volumique de gaz naturel à travers un séparateur supersonique a été calculé numériquement en utilisant plusieurs équations d’état cubiques. Les résultats numériques indiquent que les coefficients de compressibilité et les coefficients de chaleur spécifique calculés avec les modèles de gaz réels diffèrent remarquablement des résultats issus de la loi des gaz parfaits pour une pression d’entrée élevée. Parallèlement, les calculs de débit massique effectués avec les modèles de gaz réels et avec la loi des gaz parfaits présentent une déviation de plus de 10%. Cette déviation augmente lorsque la température d’entrée diminue, quelle que soit la pression en entrée. Une contre-pression plus élevée déplace l’onde de choc en amont. Le premier seuil à dépasser pour un fonctionnement normal du séparateur est obtenu pour un ratio de pression de 0,72. Un second seuil correspond à un ratio de pression de 0,95, le flux étant cependant dans ce cas subsonique, sans atteindre les conditions de saturation. Dans le cas des modèles de gaz réels, l’onde de choc est décalée vers l’amont par rapport à la loi des gaz parfaits dans la section de séparation cyclonique.