CN102744166A - 调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器 - Google Patents

Abstract

调芯式变截面管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。采用向喷管加速流道的中轴区，插入一个位置可调的锥芯，可使喷管的喉部截面积发生改变，因此能适应分离器入口和出口压力的变化，而不会在流道的超音速离心分离段产生激波，加热蒸发已冷凝的液滴，变工况效率很高。在喷管的亚音速增速增旋段，轴心区被调节锥芯占据形成环形截面流道，其直径收缩比大，增旋更强，离心分离能力更高。该冷凝分离器利用气体自身压力膨胀降温冷凝，缩径增强自旋，离心分离凝液，之后压力又等熵恢复。具有无运动件、耐高压、不需外部驱动、节省能源、体积小、成本低、运行可靠等优点，适用于混合气体，如天然气和石油气中重组分的分离。

Description

调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器

技术领域

本发明属于压力气体的膨胀制冷和冷凝分离技术领域。本发明的调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器，是一种能使气体膨胀升速降温，同时产生高速旋转流场，离心分离重组分冷凝液的超小型高效静止式冷凝分离装置。

背景技术

利用压力气体自身的压力能膨胀制冷，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提取。该工艺过程广泛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等领域。

压力气体膨胀制冷，可用设备有透平膨胀机、气波制冷机或节流阀等。节流阀结构简单，但为等焓降压，压力能利用率极低，制冷温度有限。透平膨胀机效率较高，但操作、管理和维护繁杂，带液运转能力差。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（Shell）公司在1997年购买了超音速分离的专利后，进一步研发并将其应用于天然气处理，取得突破，先后对其Twister装置申请了多项国际专利（US 6513345 B1,US 2002/0194988 A1, US 2003/0145724 A1, WO 03/092850A1, 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验证与应用，目前仍在完善与改进中。壳牌的Twister装置主要用于高压气体的脱水，在压力为7～15MPa和冷凝压力超过5MPa条件下，重量、体积和成本方面有较大缩减，无活动部件，可无人操作，海上应用具有较大优势。但Twister装置产生旋流的部件，是大后掠角长三角翼，尽管具有分离效率高优点，但该构件附近易产生激波，破坏低温低压环境，造成冷凝流场不稳定。西安交通大学提出的多进气道超音速旋流分离与回压装置（ZL200610043158. 2），发生旋流采用多个渐缩或超音速喷嘴，使气流增速，静温降低，重组分凝结成核并长大，同时高速气流沿切向进入旋流分离管。但该装置喷嘴中凝结的液滴，在射入分离管时，易二次挥发；喷嘴出口的气速过高，易生成激波，降低效率。大连理工大学获得的专利：锥芯式超音速冷凝旋流分离器（ZL 200810011258.6），是使气流沿着分离管截面的切向进入管内而产生旋转流，同时在管内渐缩、渐扩的流道中逐渐加速到超音速，且由动量矩守恒关系，随着流道的收缩，气流加速旋转。其最大特点是：在管内超音速段，不是靠内径逐渐增大而产生扩张流道。而是由在等径管中插入渐细的内锥芯，使流道截面积渐扩而产生超音速流，和产生更强的旋转以利于分离。从而避免了加工小锥角渐扩内孔的困难。

但以上各种超音速冷凝旋流分离器，都有一个固定面积的喉部截面，当进、出口的压力比、特别是凝液排出压力偏离设计时，分离管内就产生激波，不仅造成了压力能的损失，而且激波的加热作用，会使已冷凝的雾化液滴重新蒸发，降低了气液分离的效果。因此，变工况适应能力差，是超音速冷凝旋流分离器的很大弱点。

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、设计加工容易、运行稳定可靠、压力转换效率较高、特别是对压力变化的适应能力强的、用于混合气体冷凝分离的制冷与分离一体化的新型超音速分离装置——调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器。

当进口压力高于设计值时，根据可压缩流体力学理论，喷管喉部的临界压力与进口压力之比保持不变，因此临界压力随着进口压力的升高也升高，喷管超音速段各截面的压力也随之升高。如果凝液排出口的压力没有随之上升，超音速段流道内必定会产生激波，损失压力以适应。而当凝液排出口的压力低于设计值时也是如此。

为消除上述激波的产生，唯一的措施就是增大喷管在凝液出口位置处的截面积与喉部截面积之比，增加前者很难实施，而相应地减小喉部截面积是最好的选择。

而当进口压力低于设计值，或是凝液排出口的压力高于设计值时，也会在超音速段流道的始端产生激波，这时欲消除激波，就需要减小喷管在凝液出口位置处的截面积与喉部截面积之比，相应地增加喉部截面积就能满足。

本发明调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器，就是一种能够在工作状态下，随意调节其喉部截面积的可调式压力自适应型分离器，其调节喉部截面积、适应压力变化的技术解决方案为：采用向锥孔型流道的内部中心，嵌插入一个其位置可以进退调节的锥形芯，将通流流道截面变成一个环形，且通过该锥芯的连续调节伸入，环形的内径连续增加——环形流道的截面积则连续地减小，如此可使流道的最小截面（喉部）面积发生连续的改变。

本发明调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器，其入口有一个能使进入喷管流道的气体产生预旋转的机构，即气流是一边旋转、一边沿着喷管的轴向向前流动。喷管的流道截面积是先缩小再增大——即拉瓦尔喷管，气体在管中被连续加速到超音速。同时由于遵循动量矩守恒，在喷管的亚音速段，随着流道直径的收缩减小，旋转的角速度迅速增大，会产生很强的离心力场。

由于在喷管的渐缩、渐扩流道中，气体的焓大部分转化成为动能（超音速流动），因此混合气体的静温会明显降低（由压力比而定，可降温30～70℃），其中的易凝析组分在过冷温度下，逐渐生成重的雾滴。受到高速旋转离心力场的作用，这些雾滴被外甩到喷管流道的内壁，再由喷管内壁的导流环隙引流出来进行回收。如此，降温冷凝和离心分离两个过程，就能在一体化的喷管流道中连续地完成。

分离后的干气需要恢复压力，因此在喷管的后端，接续一段扩压段流道，将高速气流的动能，重新转化为压力能以利于输送。

本发明调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器的结构特点如下：

1．插入一个位于收缩流道中轴区的调节锥芯。

调节锥芯与收缩流道对中，在各个固定的截面位置，都围成了环状通流截面，且各处内径可随着调节锥芯的进出移动而变化，其中最小通流截面（喉部）的位置，会随着锥心的调节退后或伸进，而向前（向出口）或向后略微移动，其喉部通流面积也有较大范围的增减。

2．亚音速旋流增强段的缩径比更大。

喷管亚音速段的锥形流道内插了调节锥芯，围成了环形通流流道，等截面积下，由于调节锥芯的占位，流道外径要比圆形流道大的多，而锥芯尾部处则相同，因此喷管亚音速段可以实现更大的径缩比，使气流旋转直径减小的倍数增加，旋转角速度增加更多，大大增强了其离心分离的能力。

3．干气体导出流道采用扩张——等径——再扩张的结构。

冷凝液从喷管中部外周的导流环口排出，而干气则继续前行。为了等熵恢复压力，后续流道采用略扩张之后，接续一过渡等径直段，然后再扩张的结构，第一次扩张是为了保持超音速，避免激波的前移，而造成对冷凝分离段的影响。其后干气进到等径直段，在扩、直段的衔接转折边界面上产生多道扰动波，叠加生成弱的斜激波，使超音速干气低损失减速到亚音速；第二扩张段则使亚音速气流等熵地减速增压。

本发明调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器所达到的有益效果如下：

1、不需外加动力，通过简单的结构，使混合气体自身膨胀加速到超音速，静温大为降低，使其中的重组分冷凝，并同时在其高速自旋所产生的强大离心力场作用下，冷凝液滴被甩向喷管内壁，从喷管中部的导流环隙流出，实现冷凝液的分离。而剩余的干气在其后的流道中降速，压力得到恢复。

2、由于喉部截面积可调，可以通过在线调节来适应工作压力的变化，而不会在其超音速流道中产生激波，加热蒸发已冷凝的液滴，因此其变工况效率很高。而由于其喉部面积可以调节改变，因此对该分离器的设计和加工准确度的要求，也不需要严格。

3、由于喷管的亚音速增速、增旋段，是轴心区被调节锥芯占据的环形截面流道，其外径比同面积的圆形流道大，而锥芯尾部处相同，因此该增速段直径的收缩比，要比通常的全空心流道大，根据动量矩定理，气流增旋角速度增大更多，离心分离能力更强。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

图1是本发明调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器的结构示意图；

图2是该分离器预旋单元13的实施结构之一，切向导流叶片预旋结构的截面视图；

图3是该分离器预旋单元13的实施结构之一，切向导流喷嘴预旋结构的截面视图。

图1中，1、调节手柄，2、螺旋进出单元，3、气体进口管，4、调节锥芯，5、喷管超音速段，6、稳定锥段，7、喷管降速直段，8、扩压器段，9、凝液出口管，10、凝液导出腔， 11、喷管加速增旋段，12、进气缓冲腔，13、预旋单元，14、填料静密封。

图2和图3中，15、切向导流叶片，16、切向导流喷嘴。

具体实施方式

本发明调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器的一种典型的实施方式描述如下，但不只局限于此种实施方式：

参见图1，调芯式超音速冷凝旋流分离器，主要由调节手柄1、螺旋进出单元2、气体进口管3、调节锥芯4、喷管超音速段5、稳定锥段6、喷管降速直段7、扩压器段8、凝液出口管9、凝液导出腔10、喷管加速增旋段11、进气缓冲腔12、预旋单元13和填料静密封14组成。

在本旋流分离器喷管加速增旋段11的中轴区域，放置一个其轴线与喷管的轴线重合、其位置可前进后退的调节锥芯4，转动调节手柄1，带动螺旋进出单元2，使调节锥芯4沿轴线向里或向外移动，引起喷管加速增旋段11的环形流道截面积随之连续地改变。根据调节锥芯4伸入长度的不同，在调节锥芯4尖端的前、后某一位置，形成实际的最小通流截面（喉部），这个最小截面（喉部）的截面积也随调节锥芯4的进、出而连续地改变，以适应冷凝分离器工作压力的变化。填料静密封14 阻止气体向调节端方向泄漏。

在喷管超音速段5的扩张流道中，气体被加速到超音速，静温降低，气体中的重组分冷凝。

气体进入分离器喷管流道的初始旋转，是由预旋单元13完成的，其后由于喷管加速增旋段11流道半径减小，旋流的角速度自动增加，从而产生强大的离心力场，冷凝液滴受离心力作用，快速沉降到内壁，再导流分离出来。

被离心分离到喷管超音速段5内壁面的冷凝液，从稳定锥段6外壁与凝液导出腔10内壁之间的环缝隙中，流到凝液导出腔10，再从凝液出口管9中流出。

而从喷管超音速段5中流出的干气，先经过一段稳定锥段6之后，进到喷管降速直段7，在稳定锥段与降速直段的过渡壁面处，超音速气流产生多道扰动波，并在其后叠加成弱的斜激波，增压和使干气流降速到亚音速。

最后，干气进到扩压器段8，压力得到等熵恢复后，流出超音速冷凝旋流分离器。

调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器的喷管流道由不同的锥管、柱管段连接组成，可以分段加工，然后对位组合连接或焊接成一体。调节锥芯4的圆柱段要有足够的对中配合长度，以保证其与喷管加速增旋段11对中，和有足够的稳定性。

喷管加速增旋段11的收缩角为10～60°，长度为10～1000毫米，大头直径为10～1000毫米。调节锥芯的锥角在5～60°之间，长度10～1000毫米，大头直径为8～800毫米。

喷管超音速段5的扩张锥角在1～20°之间，长度15～1000毫米，小头直径5～500毫米。

稳定锥段6的扩张角与喷管超音速段5的相仿，也在1～20°之间，稳定锥段6的小头内径，与喷管超音速段5的大头内径近似相等，其差值在±10毫米之内，稳定锥段6的长度在3～300毫米之间。

喷管降速直段7的直径与稳定锥段6的大头直径相等，在6～500毫米之间，长度在3～300毫米之间。

扩压器段8的扩张锥角在2～30°之间，大头直径为10～1000毫米，长度为20～2000毫米。

参见图2，预旋单元13的一种实施结构是：由切向导流叶片15，将径向进气导流成沿着圆周切向进入分离器中，在内圆周壁的约束下自动产生旋转。切向导流叶片15的厚度在0.5～10毫米之间，数量为4～32片，沿着圆周均匀排布。

组装后，切向导流叶片15组合体的上、下开放端面被进气缓冲腔12的两端板封闭，叶片之间形成四周封闭的流道。

参见图3，预旋单元13的另一种实施结构是：由切向导流喷嘴16，将径向进气导流成沿着圆周切向进入分离器中，在内圆周壁的约束下自动产生旋转。切向导流喷嘴16的数量为1～12个，沿着圆周均匀排布。

切向导流喷嘴16，是加工出的槽型渐缩直流道或弯曲流道，组装后，槽道的开放面被进气缓冲腔12的端板封闭，形成四周封闭的流道。

切向导流喷嘴16的总和通流面积大于分离器喷管流道的喉部截面积，以避免在喷嘴出口达到超音速而产生激波损失。

本发明调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器的作用原理描述如下：

压力气体从气体进口管3进入进气缓冲腔12中，通过预旋单元13的导流切向进入喷管加速增旋段11的始端，经过喷管加速增旋段11使气流加速到音速，并由于半径的减小而加速强烈旋转，经过调节锥芯4实际位置所形成的最小喉部截面，到达喷管超音速段5，气流马赫数逐渐增大，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，从稳定锥段6与凝液导出腔10之间的环缝流出，到凝液导出腔10，再经凝液出口管9排出。而干气则进入稳定锥段6，再经过喷管降速直段7降为亚音速，然后在扩压器段8中扩压减速后流出。

Claims (6)

1.调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器，主要由调节手柄(1)、螺旋进出单元(2)、气体进口管(3)、调节锥芯(4)、喷管超音速段(5)、稳定锥段(6)、喷管降速直段(7)、扩压器段(8)、凝液出口管(9)、凝液导出腔(10)、喷管加速增旋段(11)、进气缓冲腔(12)、预旋单元(13)和填料静密封(14)组成；其特征在于，在喷管加速增旋段(11)的中轴区域，放置一个其轴线与喷管的轴线重合、其位置可前进后退的调节锥芯(4)；转动调节手柄(1)，带动螺旋进出单元(2)，使调节锥芯(4)沿轴线向里或向外移动，喷管加速增旋段(11)的环形流道截面积随之连续地改变，其最小截面的通流面积也随之改变；在喷管超音速段(5)的扩张流道中，气体被加速到超音速，静温降低，气体中的重组分冷凝；气体进入分离器喷管流道的初始旋转，由预旋单元(13)完成，其后因喷管加速增旋段(11)流道半径减小，旋流的角速度增加，依靠其离心力场分离出冷凝液。

2.如权利要求1所述的调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，喷管加速增旋段(11)的收缩角为10～60°，长度为10～1000毫米，大头直径为10～1000毫米；调节锥芯(4)的锥角在5～60°之间，长度10～1000毫米，大头直径为8～800毫米。

3.如权利要求1所述的调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，喷管超音速段(5)的扩张锥角在1～20°之间，长度15～1000毫米，小头直径5～500毫米，稳定锥段(6)的扩张角也在1～20°之间，其小头内径与喷管超音速段(5)大头内径的差值在±10毫米之内，长度在3～300毫米之间。

4.如权利要求1所述的调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，喷管降速直段(7)的直径与稳定锥段(6)的大头直径相等，在6～500毫米之间，长度在3～300毫米之间，扩压器段(8)的扩张锥角在2～30°之间，大头直径为10～1000毫米，长度为20～2000毫米。

5.如权利要求1-4任一所述的调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，预旋单元(13)的一种实施结构是，由切向导流叶片(15)，将径向进气导流成沿着圆周切向进入分离器中，切向导流叶片(15)的厚度在0.5～10毫米之间，数量为4～32片，沿着圆周均匀排布。

6.如权利要求1-4任一所述的调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，预旋单元(13)的另一种实施结构是，由切向导流喷嘴(16)，将径向进气导流成沿着圆周切向进入分离器中，在内圆周壁的约束下自动产生旋转；切向导流喷嘴(16) 为渐缩直流道或弯曲流道,数量为1～12个，沿着圆周均匀排布。

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