CN101264470A - 锥芯式超音速冷凝旋流分离器 - Google Patents
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Abstract
本发明锥芯式超音速冷凝旋流分离器属于压力气体的膨胀制冷和冷凝分离技术领域。采用了向流道中插入锥芯的结构，由改变锥芯在各处的直径，形成截面渐缩、喉部相等段、截面渐扩的流道，这样就能采用等径内孔，而避免加工困难的渐扩型小锥管流道，更使自旋强度不致因扩径而减弱。本发明利用气体自身压力膨胀降温实现低温工况，并靠缩径使自旋增强产生强大的离心力场，分离之后压力可以回升，具有无运动件、不需外部驱动、节省能源、体积很小、成本低、运行稳定可靠等优点。适用于高压，小流量的混合气体的冷凝分离，天然气和石油气中重组分的分离等，由于体积小，更适用于空间受限(如海上平台)等场合。
Description
技术领域
本发明锥芯式超音速冷凝旋流分离器属于压力气体的膨胀制冷和冷凝分离技术领域。本发明是一种使气体高速膨胀降温，再在其高速旋转流场中分离重组分凝液的静止式冷凝分离装置。
背景技术
利用压力气体压力能膨胀制冷，使其中的重组分冷凝成液体，然后进行气液分离，以实现混合气体中重组分的分离。这项技术可以广泛的应用于各种混合气体的分离场合，尤其是在天然气脱水净化和轻烃回收领域极具应用价值。常规的天然气深冷工艺常采用“布雷顿”循环，关键设备是膨胀制冷机，其中有透平膨胀机、气波制冷机或节流阀等。节流阀的结构简单，但其只是等焓降压，压力能利用率很低，制冷温度有限。透平膨胀机的效率较高，但操作、管理和维护繁杂，带液运行能力差。发展简易、耐用、易操作管理的新型一体化制冷加分离技术，对于天然气处理等领域的意义重大。壳牌公司(Shell)在1997年购买了超音速分离的相关专利后，进一步研发并着力将其应用于天然气处理，取得一些突破，先后对其Twister装置申请了多项国际专利(US 6513345 B1，US2002/0194988 A1，US 2003/0145724 A1，WO 03/092850 A1，WO 2004/020074等)。并于2003年在马来西亚石油公司海上气田及尼日利亚气田开发中得到了验证与应用，目前仍在完善与改进中。壳牌公司的Twister装置主要用于高压气体的脱水，在压力为7～15MPa和烃冷凝压力超过5MPa条件下，在重量、机体积和成本方面有较大的节省，在海上应用有较大的优势。Twister装置具无活动部件和不需添加化学药剂等特点，且可无人操作。但该装置产生旋流的部件是大后掠角长三角翼，尽管具有旋流分离效率高的优点，但在该构件附近易产生激波，破坏低温低压环境，造成冷凝流场的不稳定。西安交通大学提出多进气道超音速旋流分离与回压装置(ZL200610043158.2)，其旋流发生采用多个渐缩或超音速喷嘴，使气流增速，温度降低到湿气凝结所需的过冷度以下，使重组分在过冷的氛围中凝结成核并长大，同时高速气流沿着一定的切向进入旋流分离管。但该装置喷嘴中产生的液滴在射入分离管时，易使已经凝结的液滴二次挥发，引起不必要的过冷度损失；喷嘴出口的气体速度过高(音速或超音速)，旋转强度过大，降低了总压效率。此外，Shell的Twister和西交大的多进气道超音速旋流分离与回压装置的超音速旋流分离部分，都是采用角度较小的渐扩管，加工这种光滑渐扩管的难度很大，而且渐扩管中旋流强度会随渐扩管直径的增加而减小，降低气液分离效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、加工容易、运行稳定可靠、压力转换效率较高、用于混合气体冷凝分离的制冷与分离一体化的锥芯式超音速冷凝旋流分离器。
本发明锥芯式超音速冷凝旋流分离器的技术解决方案为：采用向流道中插入锥芯的结构，遂使包括旋流发生器、渐缩旋转强化段和冷凝分离喷管的横截面，均是由一个锥芯占据中心位置而与外壳内壁围成的环形。
由于插入锥芯的直径可以在各处任意改变，因此环形流道就很容易形成截面渐缩、喉部相等段、截面渐扩的结构，特别是在超音速渐扩段，可以采用直径逐渐缩小的锥芯而喷管内径保持不变的策略，形成沿长度方向上外径不变、内径不断缩小的环截面扩锥流道，不但避免了加工渐扩流道内孔的困难和成本，而且流道的外径保持不变，内径缩小，内旋流场更加增强。这如同涡流管的作用，使在内径处的气流温度更低，露点更低且凝液充分外甩分离，更有利于提高出口气的干度。
本发明锥芯式超音速冷凝旋流分离器中，分离作用的旋转流场是由周向均布的弯弧形叶片导流产生的，这些叶片使气体切向进入加速流道，在外孔和内芯均为缩锥的亚音速流道段，流道的半径缩减很快，根据动量矩守恒规律，流体的旋转角速度会大幅度提高，可以产生很强的离心力场。
本发明锥芯式超音速冷凝旋流分离器，由外壳内孔和插入的锥芯围成通流截面渐缩、喉部和渐扩的流道，流体在流道中被加速到很高的超音速，静温则降到与马赫数相对应的低温，使其中的重组分过冷凝析，并伴随着气流的高速自旋被分离导流道的内壁，细小液滴不断地互相碰撞长大，并在气流的带动下向下游流动。
在气流流速最大值附近的流道处，通过内孔的扩大转折，续接从下游插入的锥管，在内孔壁处套接形成一道环形的缝隙出口，由此将内壁的凝液膜(含一部分气体)导流出流道，进到积液腔中汇集，再从出液口排出。而干气则大部分流入接续锥管，在其入口后面产生激波，速度降成亚音速，压力和温度上升，再流过接续锥管的渐扩流道，减速扩压，压力和温度回升，最后从干气出口排出。
本发明锥芯式超音速冷凝旋流分离器的结构特点为：
1.渐缩接续等径的内孔流道和分段变径的插入式锥芯。
针对于流道内孔难以加工、难以保证尺寸精度、光洁度质量的固有不利，发明出内孔只加工亚音速渐缩锥和圆柱孔，配合内插直径变化的锥芯的方法，实现了环状的亚音速、喉部和渐扩段流道，从而避开了机加工的难点，容易获得精度高、表面光滑的流道表面。并且，这样的超音速流道由于向内扩展，可使内旋流场更加强烈，能提高气液分离的效果。而且由于内锥的存在，可以减小气体旋转沿径向的速度梯度，降低能量损失。且圆环截面与圆柱截面相比，可缩短液滴的径向沉降距离。
2.气体通过旋流发生器进入亚音速流道。
气体从进口进到稳压腔之后，再径向进入数个预旋叶片流道，各个叶片之间形成向内渐缩的通道，将气体逐渐加速，并由径向转成切向进入喷管流道。
3.缩径更大的亚音速旋流增强锥段。
由于在亚音速段，流道内锥和内芯直径可以同时大幅度缩小，而保证流道截面积不会骤缩，因此可以实现更大的径缩比，使气流旋转的角速度增幅更甚，分离能力更加强化。
4.干气体导出通道采用二次扩张的结构。
在凝液出口之后的插入式气体导出通道采用略微扩张之后续一段等径段，然后再扩张的结构，第一次扩张的作用是使冷凝分离喷管末端和液体出口环缝附近保持超音速，避免激波前移，造成对冷凝分离段流场的影响。从第一扩张段过渡到等径段，干气流通过弱的斜激波减速到音速以下；而第二扩张段才是真正的扩压器段，亚音速气流在此等熵减速增压。如果流道参数设计的好，本发明锥芯式超音速冷凝旋流分离器的压力降可以较小。
本发明锥芯式超音速冷凝旋流分离器所达到的有益效果为：不需外加动力，通过简单的结构，使混合气体如天然气等自身膨胀加速到超音速，静温极大降低，从而使重组分冷凝，并在其自产生的强力离心力场的作用下实现凝液的分离。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1是本发明锥芯式超音速冷凝旋流分离器的结构示意图。
图2是本发明旋流发生器的剖面图。
图3是本发明的内插锥芯的结构示意图。
图中，1、压力气入口，2、旋流发生器，3、外壳锥管，4、锥芯，5、外壳柱管，6、导液器，7、支架，8、插入式气体导出通道，9、干气出口，10、排液口，11、集液腔，12、超音速降温分离流道，13、喉部流道，14、亚音速和旋流加速流道，15、稳压腔，16、锥芯短锥段，17、锥芯短柱段，18、锥芯长渐细锥段，19、锥芯细柱段。
具体实施方式
本发明提出的锥芯式超音速冷凝旋流分离器，主要由旋流发生器2、外壳锥管3、锥芯4、外壳柱管5、导液器6、支架7、插入式气体导出通道8、集液腔11、超音速降温分离流道12、喉部流道13、亚音速和旋流加速流道14和稳压腔15组成。
加速和分离流道的外壳由不同的圆盘、外壳锥管3、外壳柱管5分段焊接组成，然后机加工出锥形与柱形内孔流道。导液器6也是由外壳、接管和法兰焊接而成，机加工后与加速和分离流道通过内外孔圆配合对位、螺纹连接、O型圈密封。入口的稳压腔15与加速和分离流道采用法兰连接，以便于拆装清洗或更换旋流发生器2和锥芯4。
旋流发生器2中的叶片为弧形或弧形加扭曲叶片，一般为4～8片，厚度为2～3毫米，周向均布，高度方向与分离流道轴线平行，叶片张角α与叶片数量有关，一般为60～110°。相邻叶片构成进气流道，流道最小截面积由叶片最小间距w和叶片高度决定。壳体亚音速锥段的外壳锥管3的收缩角一般为20～50°，对位的锥芯短锥段16的锥角一般为10～40°。壳体超音速段的外壳柱管5为等径圆柱孔，其长度为内径的8～30倍，与其对位的锥芯的长渐细锥段18的锥角为1～8°。锥芯短柱段17的长度为2～20毫米，与外壳锥管3和外壳柱管5的交界线对位，形成流道的喉部。插入式气体导出通道8有二次渐扩，第一段扩张角为5～20°，其后为等径内孔段的过渡，等径段长度为3～30毫米，后接第二扩张段，其扩张角为7～30°。内插锥芯4占据流道的部分有四段：锥芯短锥段16与壳体的锥段围成亚音速和旋流加速流道14，锥芯短柱段17与壳体的锥、柱交界区段构成喉部流道13，而锥芯长渐细锥段18与壳体的长内孔柱段围成渐扩的超音速降温分离流道12，最后段的细柱段19穿入支架7的中心孔，主要起对中定位和支撑防振的作用。
压力气体从入口1进入稳压腔15中，通过旋流发生器2流道径向进入轴向加速管，先流过亚音速和旋流加速流道14使气流加速到音速，并由于半径减小而加速强烈旋转，经过喉部流道13进到超音速降温分离流道12，超音速马赫数逐渐增大，静温降到很低，气中的重组分因过冷而凝析，再在强烈旋转离心力场的作用下离心沉降到流道的壁面，形成液膜并在气流的冲刷下流向下游，夹带小部分气体从液体出口环缝流出到导液器6中，经集液腔11流出排液口10。而干气则进入后续的插入式气体导出流道管8，先将超音速变亚音速，然后继续扩压减速，从干气出口9流出。
Claims (7)
1.锥芯式超音速冷凝旋流分离器，主要由旋流发生器(2)、外壳锥管(3)、外壳柱管(5)、导液器(6)、支架(7)、插入式气体导出通道(8)、集液腔(11)、超音速降温分离流道(12)、喉部流道(13)、亚音速和旋流加速流道(14)和稳压腔(15)组成，其特征在于，流道居中插入变截面积的锥芯(4)，由外壳锥管(3)和锥芯短锥段(16)形成的亚音速和旋流加速流道(14)是截面积渐缩的环形流道，由外壳柱管(5)和锥芯长渐细锥段(18)形成的超音速降温分离流道(12)是截面积渐扩的环形流道，插入式的干气体导出通道(8)采用二次扩张结构，二扩张流道之间夹有一小段等截面段。
2.根据权利要求1所述的锥芯式超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，锥芯(4)各段的截面积不同，外壳柱管(5)的内截面积保持不变。
3.根据权利要求1所述的锥芯式超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，锥芯短柱段(17)等径短圆柱的长度为2～20毫米，且与外壳锥管(3)和外壳柱管(5)的交界线对位，外壳柱管(5)的长度为内径的8～30倍，与其对位的锥芯长渐细锥段(18)的锥角为1～8°。
4.根据权利要求1所述的锥芯式超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，旋流发生器(2)中的叶片为弧形或弧形加扭曲叶片一般为4～8片，厚度为1～4毫米，周向均布，高度方向与分离流道轴线平行，叶片张角α与叶片数量有关，一般为60～110°。
5.根据权利要求1所述的锥芯式超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，外壳锥管(3)的收缩角一般为20～50°，对位的锥芯短锥段(16)的锥角一般为10～40°。
6.根据权利要求1所述的锥芯式超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，干气体导出通道(8)有二次渐扩，第一段扩张角为5～20°，其后为等径内孔段的过渡，等径段的长度为3～30毫米，后接第二扩张段，其扩张角为7～30°。
7.根据权利要求1或2所述的锥芯式超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，锥芯细柱段(19)穿入支架(7)的中心孔。
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