CN102407063B - 一种切向入口式气体超声速旋流分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种切向入口式气体超声速旋流分离装置，主要由切向入口段、收缩段、扩张段和扩压管组成，应用于多组分混合气体分离等领域。切向入口段使气体以切向的方式进入流道，形成稳定的旋流，进入收缩段后气流平稳加速，在喉部达到声速，且由于流道面积和旋转半径的减小，根据角动量守恒定律，旋流得到加强；在扩张段气流膨胀至超声速，形成低温低压，使气体中的水分或者天然气中的水和重烃组分发生凝结，同时，气流旋转所产生的巨大离心力将凝结液滴甩向壁面，高效地实现气液分离；液体进入积液腔，干气居于管道中心，经扩压管回压后流出。该装置结构简单、加工和装配精度高，无需添加化学药剂，支持无人操作，应用前景广阔。
Description
技术领域：
本发明涉及一种切向入口式气体超声速旋流分离装置，属于多组分混合气体的低温凝结与旋流分离技术领域。
背景技术：
超声速旋流分离技术是一种应用于天然气集输、加工与处理领域的新技术，该技术结合了气体动力学、工程热力学和流体力学的理论，将膨胀降温、旋流式气/液分离、再压缩等处理过程在一个密闭紧凑的装置中完成，具有简单可靠、密闭无泄漏、无需化学药剂和支持无人值守等优点，与传统的加热防冻和利用防冻剂防冻天然气集输工艺相比，天然气集输系统投资和运行费用减少10～25％。国外的Twister BV公司和ENGO石油公司对超声速旋流分离技术进行了相关的研究工作，Twister BV公司开发了“TwisterI”和“TwisterII”两种型式的超声速旋流分离器，ENGO公司分别开发出了名为“3S”的超声速旋流分离器，两个公司的产品已经开始进入商业推广应用阶段。国内的中国石油大学(华东)、北京工业大学、大连理工大学、西安交通大学和北京航空航天大学对超声速旋流分离技术进行了相关的研究工作。
超声速旋流分离装置的主要结构包括拉伐尔喷管、旋流装置和扩压管等构件，根据旋流装置的安装位置的不同，超声速旋流分离器主要有两种典型的结构：一种是将旋流装置安装在喷管后的超声速段来产生旋流，故旋流装置又称作超声速翼，在该种结构种，由于速度的转化发生在超声速条件下，超声速翼后容易产生激波，破坏低温低压环境，不利于液滴的生长，降低超声速分离器的分离效率，代表性的专利主要有国外的US 6513345 B1、US 6524368B2、US 3773825 B2、US 6962199 B1，US 7261766 B2，US 7318849 B2、US 7494535 B2、WO2003/092850 A1、WO 2004/020074 A1和国内的ZL 200410074338.8等；另一种是将旋流装置安装在喷管的入口，使气体以旋流的形式进入喷管进行膨胀降温，主要的专利有国外的US7357825 B2、US 2008/0196581 A1、US 2010/0147021 A1、EP 1131588 B1、US 6372019 B1、US 2010/0147023 A1和国内的ZL200810011258.6、ZL 200910023458.8及申请号200910024347.9、200910081813.7、200910093744.1、201010597341.3等，不足之处是旋流装置的旋流能力比超声速翼要弱，降低了超声速分离器的分离效果。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种易于加工和装配、结构简单、稳定可靠的用于多组分混合气体分离的一种切向入口式气体超声速旋流分离装置，该装置采用切向入口的方式使气体切向进入流道，产生较强的旋流，提高超声速旋流分离器的分离效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：主要由切向入口段、稳流段、收缩段、扩张段、扩压管、排液管、干气出口和液体出口组成，其特征在于：收缩段形成面积逐渐变小的亚声速收缩与旋流加强流道，扩张段形成面积逐渐增大的超声速旋流分离流道，超声速旋流分离流道的扩张角0.5°≤θ≤1.5°，亚声速收缩与旋流加强流道和超声速旋流分离流道的交界处构成面积最小的喉部；扩张段和扩压管之间的间隙构成积液腔，积液腔、排液管和液体出口相互连通；扩压管形成面积增大的回压流道，回压流道和干气出口相互连通。
本发明的切向入口段的入口内表面与稳流段内表面相切，数目为1～6个，均匀分布，且切向入口段与稳流段的轴线夹角65°≤α≤90°；扩压管的锥角3°≤β≤6°；排液管向干气出口(6)的方向倾斜，且排液管与扩压管的轴线夹角30°≤γ≤90°。
本发明一种切向入口式气体超声速旋流分离装置所达到的有益效果是：本发明在稳流段之前安装切向入口段，使气体以切向的方式进入稳流段，产生旋流，通过调节切向入口段与中心体的轴线夹角和切向入口段的数目，来改变气流的旋流强度。在亚声速收缩与旋流加强流道内，由于流道面积和旋转半径的减小，根据角动量守恒定律，旋流得到加强，在喉部达到声速；在超声速旋流分离流道内，气流将继续膨胀至超声速，形成低温低压，使气体中的水分或者天然气中的水和重烃组分发生凝结，同时，气流旋转所产生的巨大离心力将凝结液滴甩向壁面，高效地实现气液分离。扩压管的锥角3°≤β≤6°，可以有效地抑制边界层分离现象，降低能量损失，提高压力恢复能力；排液管向干气出口的方向倾斜，有利于凝液的收集与排出，有利于超声速旋流分离装置的稳定运行。
附图说明：
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明切向入口段的装配特征示意图，其中图2(a)是切向入口段与稳流段的装配正视图，图2(b)是单个切向入口段的装配特征示意图，图2(c)是2个切向入口段的装配特征示意图，图2(d)是3～6个切向入口段的装配特征示意图。
图3是本发明扩压管示意图。
图中：1、切向入口段，2、稳流段，3、收缩段，4、扩张段，5、扩压管，6、干气出口，7、回压流道，8、排液管，9、液体出口，10、积液腔，11、超声速旋流分离流道，12、喉部，13、亚声速收缩与旋流加强流道。
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说明。
参见图1，本发明主要由切向入口段1、稳流段2、收缩段3、扩张段4、扩压管5、排液管8、干气出口6和液体出口9组成；收缩段3形成面积逐渐变小的亚声速收缩与旋流加强流道13，扩张段4形成面积逐渐增大的超声速旋流分离流道11，超声速旋流分离流道11的扩张角0.5°≤θ≤1.5°，亚声速收缩与旋流加强流道13和超声速旋流分离流道11的交界处构成面积最小的喉部12；扩张段4和扩压管5之间的间隙构成积液腔10，积液腔10、排液管8和液体出口9相互连通；扩压管5形成面积增大的回压流道7，回压流道7和干气出口6相互连通。
参见图1，2，本发明的切向入口段1的入口内表面与稳流段2内表面相切，数目为1～6个，均匀分布，且切向入口段1与稳流段2的轴线夹角65°≤α≤90°；气体从切向入口段1进入稳流段2，以切向的方式进入流道，产生旋流，调节切向入口段1与稳流段2的轴线夹角和切向入口段1的数目，可以改变气流的旋流强度。根据切向入口段1的数目的不同，切向入口段1与稳流段2的装配特征略有区别，图2(b)是单个切向入口段1与稳流段2的装配特征示意图，图2(c)是2个切向入口段1与稳流段2的装配特征示意图，图2(d)是3～6个切向入口段1与稳流段2的装配特征示意图。
参见图1，3，本发明的扩压管5的锥角3°≤β≤6°。
参见图1，本发明的排液管8向干气出口6的方向倾斜，且排液管8与扩压管5的轴线夹角30°≤γ≤90°。
本发明的具体工作流程为：气体由切向入口段1以切向的方式进入稳流段2，形成稳定的旋流，然后气流以旋流的形式依次进入亚声速收缩与旋流加强流道13、喉部12和超声速旋流分离流道11；在亚声速收缩与旋流加强流道13内，气流平稳加速，在喉部12处达到声速，此时，由于流道面积和旋转半径逐渐减小，根据角动量守恒定律，旋流得到加强；在超声速旋流分离流道11内，气流将继续膨胀至超声速，形成低温低压，使气体中的水分或者天然气中的水和重烃组分发生凝结，同时，气流旋转所产生的巨大离心力将凝结液滴甩向壁面，实现气液分离；被分离的液滴和部分滑脱气进入积液腔10，汇集后经排液管8由液体出口9排出；干气居于管道的中心，进入回压流道7内产生激波，动能转化为压力能，实现压能的恢复，然后从干气出口6进入主管道。
Claims (1)
1.一种切向入口式气体超声速旋流分离装置，主要由切向入口段(1)、稳流段(2)、收缩段(3)、扩张段(4)、扩压管(5)、排液管(8)、干气出口(6)和液体出口(9)组成，其特征在于：收缩段(3)形成面积逐渐变小的亚声速收缩与旋流加强流道(13)，扩张段(4)形成面积逐渐增大的超声速旋流分离流道(11)，超声速旋流分离流道(11)的扩张角0.5°≤θ≤1.5°，亚声速收缩与旋流加强流道(13)和超声速旋流分离流道(11)的交界处构成面积最小的喉部(12)；扩张段(4)和扩压管(5)之间的间隙构成积液腔(10)，积液腔(10)、排液管(8)和液体出口(9)相互连通；扩压管(5)形成面积增大的回压流道(7)，回压流道(7)和干气出口(6)相互连通；切向入口段(1)的入口内表面与稳流段(2)内表面相切，数目为1～6个，均匀分布，且切向入口段(1)与稳流段(2)的轴线夹角65°≤α≤90°；扩压管(5)的锥角3°≤β≤6°；排液管(8)向干气出口(6)的方向倾斜，且排液管(8)与扩压管(5)的轴线夹角30°≤γ≤90°。
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