超音速分离技术在高CO2油气田开发中的突破：基于二元麻雀搜索算法的供能优化实证研究

针对高CO2含量油气田开发中传统分离技术成本高、环境负担重的难题，研究人员通过Aspen HYSYS和ANSYS FLUENT仿真结合二元麻雀搜索算法(BSSA)，系统优化了超音速分离器(SS)的结构与能效。研究证实该技术可提升CO2捕获效率达85%，降低69.66吨/日碳排放，为海上油气田绿色开发提供创新解决方案。

　　

随着全球能源需求增长和碳中和目标推进，高CO₂含量（最高达75%）油气田的开发成为能源行业的重要挑战。传统分离技术面临高成本、高能耗和严重腐蚀等问题，而海上作业环境更增加了技术难度。马来西亚国家石油公司(PETRONAS)等企业发现，许多高CO₂气田因经济性差而长期闲置。与此同时，CO₂作为温室效应的主要贡献者，其排放控制迫在眉睫。这种双重压力催生了对新型分离技术的迫切需求，超音速分离器(SS)因其紧凑设计、低环境影响的特性成为研究热点。

为系统评估该技术的潜力，研究人员在《Results in Engineering》发表了全面综述。研究团队整合了2000-2024年间100余篇文献，采用文献计量学方法结合VOSviewer可视化分析，重点考察了Aspen HYSYS过程模拟、ANSYS FLUENT计算流体力学(CFD)仿真和响应面法(RSM)优化等关键技术。研究特别关注了巴西联邦大学、英国埃克塞特大学等四个顶尖团队的研究成果，并通过蒙特卡洛分析验证数据可靠性。

在模拟研究方面，Aspen HYSYS结合立方型状态方程(PR-EOS)的仿真显示，超音速分离器在乙烯氧化物回收中效率达95%，CO₂脱除工艺可节省7.8%能耗。CFD分析则揭示了关键流体动力学特征：当马赫数(Ma)超过1.3时，采用Redlich-Kwong(RK)状态方程能更准确预测CO₂冷凝过程，其液滴分离效率在粒径>1.5μm时可达80%。优化研究通过设计实验(DOE)确定最佳结构参数：45°-60°旋流角、0.25mm叶片厚度的涡流发生器可使2.5μm液滴捕获率达89%。实验验证方面，在3MPa压力、313K温度条件下，非平衡冷凝模型与实测数据的偏差小于5%，证实了模型的可靠性。

研究特别强调了技术转化中的瓶颈问题。虽然超音速分离器在实验室规模展现出85.11%的脱水效率和48.76°C的过冷度，但实际应用中仍面临三大挑战：一是高保真建模不足，现有经典成核理论(CNT)对亚微米液滴的预测误差达8.69%；二是缺乏针对井下高温高压(>150°C, >30MPa)环境的设计方案；三是实验测量技术局限，难以实时捕捉超音速流中的相变动态。

这项研究的重要意义在于首次系统构建了超音速分离技术的评估框架，为后续研究指明方向。通过对比分析发现，与传统低温分离相比，该技术可降低69.66吨/日的CO₂排放，在马来西亚海上气田应用中展现出特殊价值。作者特别指出，未来研究应聚焦分子动力学(MD)模拟与人工智能的融合，开发适用于井下环境的抗腐蚀紧凑型分离器，这将为边际油气田开发提供革命性解决方案。