CN101002992A - 一种超音速旋流凝结分离组合喷管 - Google Patents
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Abstract
一种超音速旋流凝结分离组合喷管，包括相互连通的旋流段、整流段和凝结分离段，旋流段为一渐缩结构，凝结分离段为一渐扩结构，且在旋流段的内壁面上周向安装有叶栅。由于本发明无机械运动部件，彻底摈弃了以前的三角翼结构，整个流道内没有阻流及扰流部件，气动性能更佳；整个装置的固有安全性大幅度得到了提高。由于气流速度高，尽管静温很低，对于类似于天然气等可能生成水合物的气体，没有足够的水合物生成时间，不需要添加化学药剂。而且其低重量、空间结构紧凑、造价低廉、可无人操作、固有安全性高等特点使其具有广阔的应用前景，尤其是在高压混合气体的分离应用中，这种装置具有很大的优越性。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合气体分离技术，具体设计一种去除混合气流中一种或多种组分的超音速旋流凝结分离组合喷管。
背景技术
当今世界上有许多装置和方法用于流场中气液相混合组分的分离。传统的分离装置有：分裂蒸馏塔、冷凝管、涡流管、离心分离器、旋流净化器、节流阀、透平膨胀机、静电分离装置等，但是以上装置都有许多不足之处，在很多情况下不能达到高效分离的目的。如冷凝管容易造成管道的冰堵；分裂蒸馏塔、冷凝管、静电分离装置等装置占地面积大，分离时间长，而且耗能很大，并且气液分离效率低。
离心分离器可以分离不自混合以及不自相溶的物质，然而离心分离器需要产生高达20000G的离心加速度，才能达到分离的效果。这不仅需要从外界输入很大的能量，而且对旋转部件的机械强度要求很高。
透平膨胀机是一种通过降低流体压力使之转化为有用功的装置，具有旋转部件。透平膨胀机不仅价格相当昂贵，维护费用高，生成液滴对旋转叶片有很大的冲蚀，使得机械事故率高，并且需要加装额外装置(如分裂蒸馏塔)来分离液滴，使用限制条件大，特别是当来流中夹带水的时候处理能力将大大降低。
以上技术中，冷凝管和透平膨胀机技术主要用于降低气流温度以产生液滴；分裂蒸馏塔、离心分离器、旋流净化器、节流阀、静电分离装置主要用于混合气流中气相与液相的分离。
为了使装置结构更加紧凑，占地面积小，各国致力于对装置进行简化设计，使凝结与分离一体完成。目前已经有多个相关专利。
日本专利No.2-17921，在喷管前安装了一个旋涡发生器，使气体产生旋涡获得足够的离心力。该旋涡发生器是一个旋转部件，采用电机驱动方式。整个装置不仅压损很大，而且很容易产生激波，此外固有安全性较低，难以应用到天然气处理等特殊领域。
美国专利US 355937，将Laval喷管的喉部设计为矩形，在分离段内表面上设计了一定螺旋升角的U型槽，以使气流产生旋转运动，并在特定区域安装吸液板。当气流通过喷管喉部时达到音速，然后进入喷管扩张段后变为超音速，并且温度降低，产生液滴，液滴的生长速率与U型槽旋转曲率的大小有关。产生的水滴在吸液板处被吸收。不过不足之处是很容易产生激波；U型槽结构限制了液体从气体中的分离；这种旋流产生方式难以获得大的离心加速度。由于以上局限，气液分离效率低。
荷兰Shell公司在1997年购买了相关专利后，开始进行进一步的研究，着力将其应用于井口天然气的处理，目前拥有的专利主要有：US 2003/0145754 A1<SUPERSONIC SEPRATOR APPARATUS AND METHOD>(Dec.26，2002)；WO 2004/020074 A1<CYCLONIC FLUID SEPRATOR>(Mar.11，2004)；WO 03/092850 A1<CYCLONIC FLUID SEPRATOREQUIPPED WITH ADJUSTABLE VORTEX FINDER POSITION>(Nov.13，2003)；US 6524368 B2<SUPERSONIC SEPRATOR APPARATUSAND METHOD>(Aug.17，2004)等。这些专利的核心技术雷同。如美国专利US 0145754 A1中，含湿气流通过LAVAL喷管，速度由亚音速变为超音速，压力减小，温度降低，产生小液滴；在气流的超音速区域，布置了一个三角翼，由于逆压梯度，产生很强的旋涡(离心加速度高达300,000g)，因此微小液滴在如此大的离心力作用下被抛至管子的内壁，形成大约几毫米厚的一层液膜，并且气流带动液膜在管壁面上流向分离口。
美国专利US 6372019，设计上装置摈弃了三角翼，而是在LAVAL喷管之前加装一个旋涡发生器，气流通过的时候可以获得周向的速度，产生较高的旋流分速度。整个装置更紧凑，安全性更好，分离效率高，但是该技术产生旋转气流的导叶布置在LAVAL喷管前，这样使得气流通过LAVAL喷管后涡耗散较大。
中国专利(申请号：200610043158.2)，采用多进气道设计，通过喷管组切向进气实现旋流，调节手段比较方便，可以适用于处理小气量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，工作稳定，能够提高气体分离效率，液滴重蒸发现象得到有效控制，减少总压损失的超音速旋流凝结分离组合喷管。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括相互连通的旋流段、整流段和凝结分离段，旋流段为一渐缩结构，凝结分离段为一渐扩结构，且在旋流段的内壁面上周向安装有叶栅，叶栅与旋流段的径向夹角α为0°-30°，叶栅与旋流段轴向夹角β为20°-30°。
本发明的凝结分离段的扩张角为0°-1°。
由于本发明将旋流、超音速、凝结、分离多个过程集成到一个喷管内完成，在喷管的渐缩部分的内壁面上，周向安装叶栅，叶栅的主要作用是改变气流的方向，使气流在进入喷管后产生周向速度。由于相邻叶片与管壁组成的流道截面积顺流动方向逐渐减小，因此气流在叶栅内膨胀增速降温。气体在离开叶栅后以旋流方式进入喷管的整流段，实现均匀旋流，并达到当地音速状态。此后，旋转气流进入凝结分离段后继续膨胀，速度增加到超音速状态，并且压力继续降低，使得温度降低到湿气凝结所需要的过冷度以下，高沸点组分凝结产生大量液滴。由于高速旋流气体在分离段继续保持105g数量级以上的离心加速度，使得微小液滴容易运动到管内壁面，从而实现从主气流中的分离。
附图说明
图1是本发明的整体纵剖面示意图；
图2是本发明旋流段1的剖视图；
图3是本发明叶栅4的结构示意图；
图4是本发明凝结分离段3的结构示意图。
图5是本发明的工作原理图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构特点和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括相互连通的旋流段1、整流段2和凝结分离段3，旋流段1为一渐缩结构，凝结分离段3为一渐扩结构，且在旋流段1的内壁面上周向安装有叶栅4。因为装置在高流速下工作，所以要求装置的材料具有较高的强度和抗冲蚀能力。
参见图2，3，在旋流段1的内壁面周向排列有叶栅4。叶栅4与旋流段1的径向夹角α为0°-30°，叶栅4与旋流段1的轴线夹角β为20°-30°，叶栅4开始沿旋流段1内壁面直径的变化而变化，为了避免气流在通过旋流段1后产生突扩，影响气流状态，叶片脱离内壁面而逐渐缩小。在旋流段1内，气流顺着叶栅4的气道流动，改变气流方向，产生周向速度。由于叶栅4是安装在渐缩段1中，使得进入渐扩段的旋涡耗散较小。
参见图4，凝结分离段3的流动机理综合了涡流管技术和旋风分离技术。通过气体的进一步膨胀，气流温度降低，促使液滴形成，并且液滴在凝结分离段3内继续长大，这些液滴在超强离心力的作用下沿螺旋线运动至凝结分离段3内壁面，并形成液膜，液膜在气流的推动下流向排液口。为了提高分离效率，凝结分离段3的长度L要足够长，一般其扩张角在0-1°之间，有充分的时间让液滴长大到适合分离的尺寸。但是在设计中应避免产生激波，否则气体升温，液滴再次蒸发，降低分离效率。凝结分离段3是产生凝结的关键部件，对其结构进行优化设计，以获得大小适中的液滴、高含湿率，同时要求低压损，为后面的气液分离过程建立良好条件是非常重要的。对扩张角为0.14°、0.16°、0.18°的喷管进行了凝结流动分析。进口为10MPa甲烷气体，温度293K，水蒸气饱和，流量为40×104Nm3/d，出口流道横截面积相等，其分析结果见下表：
表一喷管流动和水滴参数
| 扩张角(°) | 出口马赫数 | 出口温度(℃) | 水滴半径(μm) | 总压损失 |
| 0.140.160.18 | 1.511.531.55 | -54.7-56.3-58.0 | 0.500.410.26 | 2.7％2.4％1.9％ |
表二综合因素分析
| 扩张角(°) | 有利因素 不利因素 |
| 0.140.160.18 | 出口马赫数最小，总压损失最水滴半径最大大居中出口马赫数最大，总压损失水滴半径最小最小 |
从分析结果看，三种扩张角情况下的出口马赫数和温度各不相同。由于本发明中采用的喷管扩张角度较小，喷管结构细长，使得边界层厚度的影响更加突出，不同的扩张角喷管出口流动参数的不同正是由于边界层的影响造成的。
参见图5，本发明的工作原理如下：气流经旋流段1内的叶栅4时，改变流动方向，同时由于流道截面积的连续减小，气流膨胀，速度增加，静温及静压降低，在气体流出旋流段1时速度达到最大，气流方向与旋流段1轴线方向及径向分别形成夹角β、α，因此，气流将以旋流运动方式进入后续流道。由于叶栅4的壁面摩擦作用，气流在叶栅4出口处的速度不均匀，在整流段2内通过流道的约束，气流速度均匀化，轴向速度将达到当地音速状态；气体旋流进入凝结分离段3后继续膨胀，轴向速度达到超音速；气流温度急剧下降，使得来流中的高沸点成分在冷的气氛中凝结成核并长大；由于夹带液滴的高速气流产生了105g数量级以上的离心加速度场，液滴在离心力的作用下抛向分离段的内壁面，并且在管壁面运动形成液膜，在前进气流的带动下流向出口。在凝结分离段3内，气流保持角动量守恒，所以在较大直径处流体的旋转速度较低，在较小的直径处旋转将加速。在凝结分离段3内的流体内摩擦及与壁面的摩擦，流体总压不断降低。
由于本发明无机械运动部件，彻底摈弃了以前的三角翼结构，整个流道内没有阻流及扰流部件，气动性能更佳；整个装置的固有安全性大幅度得到了提高。由于气流速度高，尽管静温很低，对于类似于天然气等可能生成水合物的气体，没有足够的水合物生成时间，不需要添加化学药剂。而且其低重量、空间结构紧凑、占地面积小、造价低廉、可无人操作、固有安全性高等特点具有很广阔的应用前景，尤其是在高压混合气体的分离应用中，这种装置具有很大的优越性。
Claims (2)
1、一种超音速旋流凝结分离组合喷管，包括相互连通的旋流段(1)、整流段(2)和凝结分离段(3)，其特征在于：所说的旋流段(1)为一渐缩结构，凝结分离段(3)为一渐扩结构，且在旋流段(1)的内壁面上周向安装有叶栅(4)，叶栅(4)与旋流段(1)的径向夹角α为0°-30°，叶栅(4)与旋流段(1)轴向夹角β这20°-30°。
2、根据权利要求1所述的超音速旋流凝结分离组合喷管，其特征在于：所说的凝结分离段(3)的扩张角为0°-1°。
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| CN 200610105199 CN101002992A (zh) | 2006-12-18 | 2006-12-18 | 一种超音速旋流凝结分离组合喷管 |
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| CN103725343A (zh) * | 2014-01-24 | 2014-04-16 | 潍坊耐普特燃气发电设备有限公司 | 集成式沼气处理系统 |
| CN103775253A (zh) * | 2014-02-12 | 2014-05-07 | 中国船舶重工集团公司第七一一研究所 | 一种用于柴油机的废气预处理系统 |
| CN106166414A (zh) * | 2016-07-21 | 2016-11-30 | 华北电力大学（保定） | 一种超音速冷凝旋流分离器 |
| CN107353957A (zh) * | 2017-08-16 | 2017-11-17 | 中国石油大学(华东) | 一种渐缩旋流型超声速喷管 |
| CN115193234A (zh) * | 2022-07-28 | 2022-10-18 | 上海协微环境科技有限公司 | 一种no去除器和半导体尾气处理设备 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |