CN101619918A - 一种超音速凝结与旋流分离装置 - Google Patents

Abstract

一种超音速凝结与旋流分离装置，在进口处由叶栅导流方式使气流产生强力旋转。一缩放喷管配合其后，使气流达到超音速，其温度大幅度降低，从而使露点较高的组份凝结，同时利用气流旋转产生的离心力实现气液两相的分离。喷管尾部是高效集液器和旋流回收升压器。本发明与现有的超音速分离装置相比，由于该装置在高速流场区的流道通畅，壁面摩擦阻力小，而且设计了适合小流量的旋流回收升压器，所以该装置在小流量工况同样拥有较高的分离效率和旋流回收效率。我国相当一部分陆地气田的单井流量都较小，因此该装置在我国陆地气田的天然气处理领域应用前景尤为广阔。

Description

一种超音速凝结与旋流分离装置

技术领域

本发明涉及一种多组份混合气体的液化、分离技术，具体涉及一种超音速凝结与旋流分离装置。

背景技术

天然气洁净无污染、热值高、使用方便。然而开采出来的天然气中常常混合有液态水、固体颗粒、水蒸气和重烃，为了满足天然气外输和使用的要求，必须减少这些杂质的含量，其中水蒸气和重烃的分离难度最大。目前，水蒸气和重烃的分离技术有溶剂吸收、固体吸附、膜分离、低温分离，超音速分离等，其中超音速分离技术由于具有结构简单、无需外部动力、无需人员职守、加工运行费用低、应用范围广等独特的优点已成为近年的一个重要技术发展趋势。

国外的技术已经开始进入商业推广阶段。俄罗斯于2005年报道了其开发的3-S天然气处理技术，专利号为：EP1131588。Twister BV公司在该技术领域进行了长期深入的研究，申请了一系列专利，其第一个商业化的脱水系统也于2003年12月在马来西亚的B11海上平台完成安装。

国内从事该技术研发的单位有：北京工业大学联合胜利油田，中国石油大学(华东)联合中原油田，北京航空航天大学联合江汉石油机械研究所，到目前为止，几家单位都初步完成了现场试验。西安交通大学与长庆油田合作自2005年对该技术进行了系统研究。

Twister BV公司的核心技术主要有两种：一是利用节流制冷效应，其最新公布的产品Twister SWIRL Valve，是在传统的J-T阀技术上进行改进，但其总压损失仍然较大，温度降低幅度较小；二是超音速分离技术，即把气流加速到超音速，以降低其温度使重烃和水蒸气凝结，然后利用旋流离心力实现气液分离。该技术的第一代技术是利用超音速翼实现旋流，国内在这方面的专利有如CN1896184A，不足之处激波阻力和流动阻力较大，流场均匀性差，不利于液滴的生长导致分离效率低。Twister BV公司的超音速分离的二代产技术是在入口处使用导流叶栅产生旋流，并通过控制流道平均半径的变化来控制旋流强度，其不足之处是不适用于小流量的情况，因为小流量时环形通道的间隙非常小，导致壁面摩擦损失严重，而且由于附面层内大量低能流体的存在，影响了分离效率和压力回收效率。而我国陆地天然气资源的特点是相当一部分气田单井流量较小。已有的天然气超音速除湿技术或者无法在小流量工况下运行或者在小流量时分离效率低，总压损失大，而我国经济的快速发展和对环境保护的逐步重视必然对天然气这种高热值的洁净能源有强烈的渴求，因此开发出适应我国陆地气田特点的天然气除湿技术必能带来巨大的经济效益和社会效益。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种适合用于单井流量较小的陆地气田的天然气处理的超音速强旋流混合气体分离装置，该装置在小流量工况下具有总压损失小、分离效率高等优良的性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括由入口段、缩放段、等直段和扩张段组成的管道，在管道的入口段设置有带叶栅的导流纺锤体，带叶栅的导流纺锤体与管道之间形成环形通道，在管道的扩张段设置有旋流回收升压器，该旋流回收升压器包括外壳和设置在外壳内的中心椎体，中心椎体与外壳之间形成环形气体出口，外壳与管道的扩张段之间形成集液腔，且在集液腔的下端还开设有排液口。

本发明的扩张段的扩张角5°≤α≤15°；中心椎体与外壳通过三个支撑焊接成为一个整体，外壳的扩张角6°≤β₁≤10°，中心椎体的扩张角0.5°≤β₂≤4°，中心椎体与外壳之间形成渐扩的环形气体出口，并且该环形气体出口的平均半径沿流动方向是增大；带叶栅的导流纺锤体通过其上的叶栅与管道相连接并构成环形通道；中心椎体的前端在管道扩张段起始点的前方，该距离为1.5D≤L₂≤5D，其中D为等直段的内径；集液腔的入口在管道扩张段起始点的后方，其距离为0.4D≤L₁≤2.8D，其中D为等直段的内径。

本发明的进口段由叶栅导流方式使气流产生强力旋转。一缩放段配合其后，使气流达到超音速，其温度大幅度降低，从而使露点较高的组份凝结，同时利用气流旋转产生的离心力实现气液两相的分离。管道尾部是高效集液器和旋流回收升压器。本发明与现有的超音速分离装置相比，由于该装置在高速流场区的流道通畅，壁面摩擦阻力小，而且设计了适和小流量的旋流回收升压器，所以该装置在小流量工况同样拥有较高的分离效率和旋流回收效率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明管道1的结构示意图；

图3是本发明带叶栅的导流纺锤体的结构示意图；

图4是本发明旋流回收升压器的结构示意图；

图5是本发明管道与旋流回收升压器的装配特征示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，2，本发明包括由开设有气体入口4的入口段1-1、缩放段1-2、等直段1-3和扩张段1-4组成的管道1，在管道1的入口段1-1设置有带叶栅的导流纺锤体2，带叶栅的导流纺锤体2与管道1之间形成环形通道，在管道1的扩张段1-4设置有旋流回收升压器3，该旋流回收升压器3包括外壳3-1和设置在外壳3-1内的中心椎体3-2，中心椎体3-2与外壳3-1之间形成环形气体出口7，外壳3-1与管道1的扩张段1-4之间形成集液腔5，且在集液腔5的下端还开设有排液口6，

参见图2，本发明的管道1的扩张段1-4的扩张角5°≤α≤15°。

参见图3，本发明的带叶栅的导流纺锤体2通过其上的叶栅与管道1相连接并构成环形通道。

参见图4，本发明的中心椎体3-2与外壳3-1通过三个支撑焊接成为一个整体，外壳3-1的扩张角6°≤β₁≤10°，中心椎体3-2的扩张角0.5°≤β₂≤4°，中心椎体3-2与外壳3-1之间形成渐扩的环形气体出口7，并且该环形气体出口7的平均半径沿流动方向是增大的。

参见图5，本发明的中心椎体3-2的前端在管道扩张段1-4起始点的前方，该距离为1.5D≤L₂≤5D，，集液腔5的入口在管道扩张段1-4起始点的后方，其距离为0.4D≤L₁≤2.8D，其中D为等直段1-3的内径。

本发明气流从气体入口4进入，在带有导流叶栅的导流纺锤体2的作用下获得足够大的角动量矩，气流然后经由管道的缩放段1-2加速到超音速，温度大幅度降低，混合气体中的重烃和水蒸气开始凝结；等直段1-3为凝结核的长大和气液两相在离心力下分离提供了充足的时间；液体被集液腔5收集并由排液口6排除，气体在旋流回收升压器3的作用下静压力得到提升并由排气口7流出。

本发明之所以能在小流量工况下具有总压损失小、分离效率高等优良的特性是因为：

(1)在入口处，带叶栅的导流纺锤体与管道之间通过叶栅相连接的方式形成了一环形通道，来流流经此环形通道时既获得了旋转速度，又获得了较大的平均旋转半径，因而气流具有了很大的初始角动量矩，为后续的分离过程奠定了基础；

(2)高速旋转的气流在管道缩放段的作用下加速度超音速，温度大幅度降低，为水蒸汽和重烃的凝结提供了温度条件，气流中开始出现大量凝结核。接下来高速旋转的低温气流进入管道的等直段，此种设计为凝结核的长大和气液两相在离心力作用下分离提供了充足的时间，确保了较高的分离效率。此外该设计方案使得高速流场区域的流道通畅，流通面积大，从而有效的降低了壁面摩擦造成的压力损失，在小流量工况下该设计方案的优势更为显著。

(3)激波与附面层的相互作用会造成附面层分离，导致局部的流场紊乱，此是造成集液器集液效率低的一个重要原因。该装置的旋流回收升压器的中心椎体的前端在管道扩张段起点的前方，使得激波远离集液器入口，为附面层重新贴壁、流场重归均匀提供了时间和距离，确保了集液器入口处流场的均匀性，显著提高了集液效率。

(4)通过叶栅对流动方向进行调整是最常用、最传统的方法，但是在小流量工况下，流通面积小，采用在流道中附加叶栅的方法易造成流动堵塞。本发明针对此种情况特别设计了适合小流量的旋流回收升压器。该升压器的中心椎体和外壳之间形成沿流动方向流通面积渐增的环形通道，并且该通道的平均半径是增加的，即强烈旋转的气流经过此通道时旋转半径是变大的。据角动量矩守恒原理知此种设计能有效的降低气流的旋转速度，实现气流的转动能的回收。本发明的旋流回收技术与传统的叶栅方式相比，流道更通畅，尤其在小流量时更具优势。

下面以一个日处理量为10万标方天然气超音速强旋流除湿装置为例，对本发明的结构和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，管道等直段的内径D＝15mm，扩张段的扩张角α＝7°；旋流回收升压器中心椎体的扩张角为β₂＝4°外壳的扩张角为β₁＝6°旋流回收升压器与管道的装配参数是L₂＝1.5D＝22.5mm，L₁＝0.6D＝9mm。

气流从入口4进入，遇到带叶栅的导流纺锤体2后进入环形通道在导流叶栅的作用下获得设定的初始角动量矩。经过倒流纺锤体后在管道缩放段1-2的作用下加速到设定的马赫数，温度降低到设定值。此时水蒸汽和重烃开始凝结并形成大量凝结核。气流流经管道的等直段1-3，在等直段的后部凝结核已长大并且在离心力作用在运动到壁面附近。气流与旋流回收升压器中心椎体3-2相遇产生激波，导致湿度很大的附面层分离，造成局部的流场紊乱。接下来流场经过一段距离(L₁+L₂＝31.5mm)的调整实现了附面层重新贴壁，富含液滴的附面层顺利的经过集液器入口进入集液腔5并由出口6排除。气相在旋流回收升压器3的作用下，旋转速度大幅度降低、压力回升并从出口7流出，除湿过程完成。

Claims (6)

1、一种超音速凝结与旋流分离装置，其特征在于：包括由入口段(1-1)、缩放段(1-2)、等直段(1-3)和扩张段(1-4)组成的管道(1)，在管道(1)的入口段(1-1)设置有带叶栅的导流纺锤体(2)，带叶栅的导流纺锤体(2)与管道(1)之间形成环形通道，在管道(1)的扩张段(1-4)设置有旋流回收升压器(3)，该旋流回收升压器(3)包括外壳(3-1)和设置在外壳(3-1)内的中心椎体(3-2)，中心椎体(3-2)与外壳(3-1)之间形成环形气体出口(7)，外壳(3-1)与管道(1)的扩张段(1-4)之间形成集液腔(5)，且在集液腔(5)的下端还开设有排液口(6)。

2、根据权利要求1所述的超音速凝结与旋流分离装置，其特征在于：所说的扩张段(1-4)的扩张角5°≤α≤15°。

3、根据权利要求1所述的超音速凝结与旋流分离装置，其特征在于：所说的中心椎体(3-2)与外壳(3-1)通过三个支撑焊接成为一个整体，外壳(3-1)的扩张角6°≤β₁≤10°，中心椎体(3-2)的扩张角0.5°≤β₂≤4°，中心椎体(3-2)与外壳(3-1)之间形成渐扩的环形气体出口(7)，并且该环形气体出口(7)的平均半径沿流动方向是增大。

4、根据权利要求1所述的超音速凝结与旋流分离装置，其特征在于：所说的带叶栅的导流纺锤体(2)通过其上的叶栅与管道(1)相连接并构成环形通道。

5、根据权利要求1所述的超音速凝结与旋流分离装置，其特征在于：所说的中心椎体(3-2)的前端在管道扩张段(1-4)起始点的前方，该距离为1.5D≤L₂≤5D，其中D为等直段(1-3)的内径。

6、根据权利要求1所述的超音速凝结与旋流分离装置，其特征在于：所说的集液腔(5)的入口在管道扩张段(1-4)起始点的后方，其距离为0.4D≤L₁≤2.8D，其中D为等直段(1-3)的内径。

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