CN101518709B - 跨音速可控涡气体除湿装置 - Google Patents

Abstract

一种跨音速可控涡气体除湿装置，采用通过涡流发生器的静叶栅产生旋流的方式，其装置外壳与涡流控制器构成环形喷管，气液两相流旋涡强度通过改变环形空间的流道面积进行控制，实现组分的凝结与分离过程，并结合高效回压器，达到提高分离效率和降低流动损失的双重目的。该装置能够改变旋流产生的方式，控制旋涡强度在组分凝结、组分分离、回压等过程中的变化，提高组分分离效率和减小总压损失。具有不需要添加化学药剂、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，在高压混合气体的分离与液化等领域中应用前景广阔。

Description

跨音速可控涡气体除湿装置

技术领域

本发明涉及气体干燥处理技术领域，特别涉及天然气中水蒸气和重烃的除湿技术领域。是一种多组分气体分离除湿装置，具体是一种去除混合气流中一种或多种组分的跨音速可控涡气体除湿装置。

背景技术

跨音速可控涡气体除湿装置能应用许多工业技术领域，例如石油天然气的脱水脱烃处理，环境、化工、建材等各个领域的气体处理。

高压气体的除湿是工业过程中经常遇到的任务。例如，从地层中开采出来的天然气中常常混合了液态水及水蒸气、凝析液及重烃气体、固体颗粒等，天然气外输前必须减少这些杂质的含量，以满足外输要求。通常，液体及固体颗粒的分离较容易，对于水蒸气和重烃的分离难度最大。

目前，水蒸气和重烃的分离主要采用溶剂吸收、固体吸附、低温分离、膜分离等。溶剂吸收法是利用溶剂吸收天然气中的水汽及液态水，然后再将含水溶剂与天然气分离，缺点是溶剂的循环及其再生需要消耗能量，溶剂损耗较大，对环境不友好，处理后的天然气水露点偏高。固体吸附法是利用某些固体干燥剂表面孔隙吸附大量水分子的特点来进行脱水，缺点是切换操作频繁，吸附剂再生干燥消耗大量能量，使用周期有限，经济性欠佳。低温分离法采用低温冷却的方法脱水，常用方法的有节流、透平膨胀、热分离机、气波制冷等多种方式。节流一般只能用于最低一级的降温措施；透平膨胀机造价高，润滑系统复杂，加工维护及带液运行困难；热分离机效率低，应用较少；气波制冷技术制冷效率较高，无三废污染，应用前景较好，但目前技术还不成熟。膜分离技术设备简单、无再生、无二次污染、无额外试剂消耗，但膜系统的渗透侧要损失一些甲烷，液态水对膜性的损害较大，甚至将膜完全破坏。

利用气体的高压能量，采用超音速降压降温凝结与离心力气液分离实现气体除湿是近年来的一个重要技术发展趋势。目前国内外已经有专利公开。

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，设计了壁面有螺旋升角的U型槽分离段，促使气流产生旋转运动，并安装吸液板。气流在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。不足之处是很容易产生激波；旋流产生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 2004/020074A1<CYCLONIC FLUID SEPRATOR>(Mar.11，2004)；WO 03/092850 A1<CYCLONICFLUID SEPRATOR EQUIPPED WITH ADJUSTABLE VORTEX FINDER POSITION>(Nov.13，2003)；US6524368 B2<SUPERSONIC SEPRATOR APPARATUS ANDMETHOD>(Aug.17，2004)等。这些专利的核心技术雷同。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，通过一个有特定攻角的三角翼产生很强的旋涡流动，微小液滴在离心力作用下被抛至外侧管子的内壁，形成一层液膜，之后气流从两个流道排出，一个通道主要是含大量液滴的气流，另一个通道主要是干气及其夹带的自由液滴。这种技术主要有以下技术缺点：(1)Laval喷管中由于快速凝结会出现激波，不利于液滴的长大；(2)高速气流在三角翼边缘会产生复杂的斜激波，致使旋流及分离过程的速度、温度、压力场分布很不均匀，同时气流温度升高导致一部分冷凝的液滴重新蒸发，并且降低了装置出口的总压。(3)某种组分首先凝结后，其他组分的分压力降低，需要降低气流静温才有能使这些组分凝结，这只能通过提高Ma数来实现，导致气流的出口压力降低很多。因此该方法的分离效率和总压恢复效率都较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种跨音速可控涡气体除湿装置，该装置能够改变旋流产生的方式，控制旋涡强度在组分凝结、组分分离、回压等过程中的变化，提高组分分离效率和减小总压损失。能够克服现有超音速气液分离技术除湿分离效率低、总压损失大等不足。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：跨音速可控涡气体除湿装置，包括上端开设有气流入口、下端开设有排液口和排气口的外壳，其特征在于：所说的外壳由进口管、锥形渐缩管、直管和锥形渐扩管组成，在进口管内固定有钝体整流器，钝体整流器由椭球形头和圆柱基体组成，在圆柱基体周围固定有涡流发生器，涡流发生器外缘与外壳管内壁相连，在钝体整流器的下端设置有涡流控制器，所说的涡流控制器包括设置在锥形渐缩管内并与钝体整流器的圆柱基体相连接的上端渐缩段、设置在直管内的上端圆柱段、中间渐缩段、下端圆柱段及下端渐缩段，涡流控制器与外壳的内壁之间形成了环形流道，在锥形渐扩管内设置有环形排液回压通道和有锥形渐扩结构的排气回压器，下端渐缩段端部插入排气回压器的小直径端口内，整流静叶栅与排气回压器固定在一起，排气回压器下端开设有排气口。

所说的环形排液回压通道开设在外壳的锥形渐扩管的端部。

所说的涡流发生器由静叶栅组成。

所说的涡流控制器的上端渐缩段的外表面为弧面。

所说的涡流控制器的中间渐缩段的型线角度在0.2°≤α≤1.0°之间。

所说的排气回压器的入口与锥形渐扩管的入口之间的距离L为0.1～0.5d之间，d为外壳的内径。

所说的排气回压器的扩张角在3°≤β≤8°之间。

本发明的气液两相流旋涡强度通过改变管道中心轴与外侧管壁所形成的环形空间的流道面积进行控制，实现组分的凝结与分离过程，并结合高效回压器，达到提高分离效率和降低流动损失的双重目的。

由于本发明无机械运动部件，彻底抛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；旋流的产生采用了静叶栅技术，加工工艺难度大大降低；采用了气液两相流可控涡技术，实现了对凝结与旋流分离的最优控制，除湿分离效率得到提高；采用了高效回压技术，装置的回压效率得到提高。该装置由于气流速度高，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，因此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与液化等应用中，这种装置具有很大的优越性。

附图说明

图1是本发明跨音速可控涡气体除湿装置的整体结构示意图；

图2是本发明的钝体整流器2的外形结构示意图；

图3是本发明涡流发生器3的结构示意图；

图4是本发明涡流控制器4的结构示意图；

图5是本发明外壳6的结构示意图；

图6是本发明排气回压器9与外壳6的结构示意图；

图7是本发明排气回压器9的结构示意图。

图中的序号及名称含义如下：1.连接法兰、2.钝体整流器、2-1.椭球形头、2-2.圆柱基体、3.涡流发生器、4.涡流控制器、4-1.上端渐缩段、4-2.上端圆柱段、4-3.中间渐缩段、4-4.下端圆柱段、4-5.下端渐缩段、5.环形流道、6.外壳、6-1.进口管、6-2.锥形渐缩管、6-3.直管、6-4.锥形渐扩管、7.环形排液回压通道、8.整流静叶栅、9.排气回压器、10.气流入口、11.排液口、12.排气口。

具体实施方式

下面以一个日处理量为40万标方天然气的跨音速可控涡气体除湿装置为例，对本发明的结构和工作原理作进一步详细说明。

参阅图1。本发明跨音速可控涡气体除湿装置，包括上端开设有气流入口10，下端开设有排液口11和排气口12的外壳6，外壳的上端设置有连接法兰1，外壳6的内径为20mm。

外壳6由进口管6-1、锥形渐缩管6-2、直管6-3和锥形渐扩管6-4组成，在进口管6-1内固定有钝体整流器2，钝体整流器2由椭球形头2-1和圆柱基体2-2组成，在圆柱基体2-2周围固定有由静叶栅组成的涡流发生器3，涡流发生器3外缘与外壳6管内壁相连，在钝体整流器2的下端设置有涡流控制器4，所说的涡流控制器4包括设置在锥形渐缩管6-2内并与钝体整流器2的圆柱基体2-2相连接的外表面为弧面的上端渐缩段4-1、设置在直管6-3内的上端圆柱段4-2、型线角度α为0.75°的中间渐缩段4-3、下端圆柱段4-4及下端渐缩段4-5，涡流控制器4与外壳6的内壁之间形成了面积渐扩的环形流道5，在锥形渐扩管6-4内设置有环形排液回压通道7和有锥形渐扩结构的排气回压器9，排气回压器9的扩张角β为5°，排气回压器9的入口与锥形渐扩管6-4的入口之间的距离L为8.0mm，即0.4d，d为外壳6的内径。下端渐缩段4-5端部插入排气回压器9的小直径端口内，整流静叶栅8与排气回压器9固定在一起，排气回压器9上开设有排气口12，排气回压器9与锥形渐扩管6-4之间构成渐扩的环形排液回压通道7，环形排液回压通道7上开设排液口11。

除湿分离过程：

管道内的气体进入气流入口10，遇到钝体整流器2上端的椭球形头2-1阻挡进入壳体6的进口管6-1与钝体整流器2之间的环形通道内，经过涡流发生器3的静叶栅，气体流速及流向发生改变，顺静叶栅产生流向偏转，气流相对于管道轴线的角速度达到设定值；

气流经过涡流发生器3后混合，进入外壳6的锥形渐缩管6-2、直管6-3与涡流控制器4组成的环形缩放喷管流道内；在环形喷管道内的渐缩段气流流速增加，静压与静温降低，达到当地音速；在中间渐缩段4-3气流增速至超音速，当流体静温降低到组分凝结所需的过冷度时发生凝结，形成液滴；此后中间渐缩段内组分不断凝结，液滴不断长大，气流旋转产生的离心加速度使液滴向外侧管壁运动，实现液滴从主流气体中的分离，在外侧壁面附近形成一层高持液率区；在出口设置一段等直段即下端圆柱段4-4，使气流中的液滴再次进行径向分离运动，同时由于内摩擦作用，气流速度不断降低到接近当地音速；近外侧管壁区的高持液率的气液两相流通进入环形排液回压通道7，通过排液口离开分离器，主流气流携带少量自由液滴进入排气回压器9实现升压升温，完成气体除湿的过程。

本发明钝体整流器2的作用是整流，使来流沿流线型壁面进入涡流发生器3，同时迫使气流膨胀提速。钝体整流器2的外径的选择，主要根据旋涡初始角动量的大小进行设计计算。

本发明壳体6与涡流控制器4的共同作用是实现气流超音速凝结流动与旋流分离流动。由于超音速膨胀使气流温度不断降低，因此可以实现两种以上不同的气相成分在喷管喉部下游的不同位置凝结，形成液滴并将其和其他气相成分进行分离。气流离开涡流发生器后进入喷管膨胀降压、降温、提速。如果不考虑气动损失，对超音速区的流动，在任意流动界面上角动量守恒。因此，在靠近气液两相流旋涡控制器壁面附近的角速度最大，角速度沿半径方向逐渐减小。涡流控制器4中间渐缩段4-3的型线角度一般取0.2°≤α≤1.0°。

本发明能提高气体除湿能力的原因主要有：(一)旋涡控制器型线角度α的合理设计，保证了各种组分的凝结，所形成的小液滴溶解在冷凝温度较高的组分所组成的气体中，同时冷凝温度较高的气体组分在绝热冷却的过程中保持气相；(二)冷凝和旋流分离同步发生，且气液两相流的旋转流动使组分凝结和液滴的分离运动有更多的时间。

排气回压器9的入口与锥形渐扩管6-4的入口之间的距离L₆为0.1-0.5d，d为外壳6的内径。其作用是促使液滴随气流沿流道的扩张一起进入排液流道。

本发明在排气回压器9内安装了一个将三元流动整流为一元流动的静叶栅。能够实现高效回压的原因主要有：(一)叶栅将三元流动整流为一元流动，减小了气流内摩擦，并回收了旋转动能。该叶栅的安装位置影响回压效率，通常安装在中等速度区；(二)回压器扩张角较小，3°≤β≤8°避免了管壁面边界层的脱离；(三)回压器入口迎风壁面促进了回压；(四)气液两相流旋涡控制器尾部以流线形式深入回压器，避免了气流的脱体尾涡。这种结构与传统的超音速回压器相比，可以大大提高回压器的效率。

Claims (7)

1.一种跨音速可控涡气体除湿装置，包括上端开设有气流入口(10)、下端开设有排液口(11)和排气口(12)的外壳(6)，其特征在于：所说的外壳(6)由进口管(6-1)、锥形渐缩管(6-2)、直管(6-3)和锥形渐扩管(6-4)组成，在进口管(6-1)内固定有钝体整流器(2)，钝体整流器(2)由椭球形头(2-1)和圆柱基体(2-2)组成，在圆柱基体(2-2)周围固定有涡流发生器(3)，涡流发生器(3)外缘与外壳(6)管内壁相连，在钝体整流器(2)的下端设置有涡流控制器(4)，所说的涡流控制器(4)包括设置在锥形渐缩管(6-2)内并与钝体整流器(2)的圆柱基体(2-2)相连接的上端渐缩段(4-1)、设置在直管(6-3)内的上端圆柱段(4-2)、中间渐缩段(4-3)、下端圆柱段(4-4)及下端渐缩段(4-5)，涡流控制器(4)与外壳(6)的内壁之间形成了环形流道(5)，在锥形渐扩管(6-4)内设置有环形排液回压通道(7)和有锥形渐扩结构的排气回压器(9)，下端渐缩段(4-5)端部插入排气回压器(9)的小直径端口内，整流静叶栅(8)与排气回压器(9)固定在一起，排气回压器(9)下端开设有排气口(12)。

2.根据权利要求1所述的跨音速可控涡气体除湿装置，其特征在于：所说的环形排液回压通道(7)开设在外壳(6)的锥形渐扩管(6-4)的端部。

3.根据权利要求1所述的跨音速可控涡气体除湿装置，其特征在于：所说的涡流发生器(3)由静叶栅组成。

4.根据权利要求1所述的跨音速可控涡气体除湿装置，其特征在于：所说的涡流控制器(4)的上端渐缩段(4-1)的外表面为弧面。

5.根据权利要求1所述的跨音速可控涡气体除湿装置，其特征在于：所说的涡流控制器(4)的中间渐缩段(4-3)的型线角度(α)为0.2～1.0°之间。

6.根据权利要求1所述的跨音速可控涡气体除湿装置，其特征在于：所说的排气回压器(9)的入口与锥形渐扩管(6-4)的入口之间的距离(L)为0.1～0.5d之间，d是外壳6的内径。

7.根据权利要求1所述的跨音速可控涡气体除湿装置，其特征在于：所说的排气回压器(9)的扩张角(β)为3～8°之间。

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