CN103509620B

CN103509620B - 一种超音速气液旋流分离装置

Info

Publication number: CN103509620B
Application number: CN201310465141.6A
Authority: CN
Inventors: 白博峰; 李星
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2033-09-29
Also published as: CN103509620A

Abstract

本发明公开了一种超音速气液旋流分离装置，包括收缩段、扩张段、等直段和分离段，所述的分离段包括扩张的外壳，中心锥体通过叶片与外壳相连接，中心锥体的锥面与外壳之间还设有分离隔板，分离隔板的前缘在中心锥体顶点的后方；中心锥体的轴线与等直段的轴线相重合，中心锥体与分离隔板之间构成环形通道，分离隔板与外壳之间形成环形集液腔通道。本发明可以将激波控制在某一固定位置处，减小乃至消除激波位置的波动对流场的影响，从而提高分离效率，扩大装置的工作范围，同时通过组织激波系的结构，降低由激波引起的压力能损失。

Description

一种超音速气液旋流分离装置

技术领域

本发明属于天然气气液分离技术领域，涉及一种超音速气液旋流分离装置。

背景技术

天然气具有热值高、无污染、使用方便等特点，是一种高效、洁净的能源。然而刚开采出来的天然气含有液态水、固体颗粒、水蒸气、重烃等杂质，为了满足外输和使用要求，必须控制这些杂质的含量。其中，呈现气态的水蒸气和重烃的分离难度最大。目前的天然气除湿技术主要有三甘醇脱水系统、J-T阀低温分离系统、透平膨胀机脱水系统、分子筛分离脱水系统等。超音速天然气旋流分离装置是近几年刚出现的除湿新技术，无需化学药剂和人员值守、结构简单、运行成本低，是一种非常高效的天然气除湿方法。此技术可以充分利用天然气气井的余压能工作，具有显著的节能效应。

壳牌石油公司和俄罗斯Translang公司对超音速天然气旋流分离技术进行了研究和推广。壳牌石油公司率先在超音速除湿领域进行系统研究，其主要负责机构为Twister BV。到目前为止，Twister BV公司公布了3代技术成果：第一代技术在超音速区利用大后掠角三角翼诱导产生旋流，摩擦阻力损失和激波损失较大，且产生的旋流场不均匀，分离效率不高；第二代技术采用入口导流叶栅产生旋流，且增加了内锥，克服了第一代旋流场不均匀的缺点，使旋流场更加稳定，总压损失较小，分离效果较好；第三代技术是一种改进的J-T阀，通过在阀内设置产生旋流的结构，可以在控制流量和压力的同时改进下游分离器的分离效率。俄罗斯Translang公司的3S超音速分离器采用入口导流叶栅、无内锥的结构，分离效果较好，得到了较好的工业应用。

国内北京工业大学、江汉石油机械研究所、中国石油大学（华东）进行了三角翼旋流超音速除湿装置进行了数值模拟和试验研究，近期中国石油大学和大连理工大学对叶栅导流方案进行了数值研究，中国石油大学（华东）对分离器中的流场进行了DPM模拟，大连理工大学对不同的分离器结构和运行参数进行了数值研究。西安交通大学对三角翼诱导旋流和入口导流叶栅诱导旋流两种方案从数值模拟和现场试验两方面进行了系统研究，先后申报了多个国家发明专利。

目前，超音速旋流分离器普遍存在激波位置不稳定、压力能损耗较大的不足。激波位置随压力的波动变化较大，这导致分离器内流场不稳定，并且影响液滴的凝结、蒸发与分离，从而降低了分离效率，难以变工况正常工作。通常期望该技术在一定范围内可以变工况运行，并且能够以最少的总压损失达到最高的分离效率。该技术的总压损失大部分是由于分离器中产生的强正激波所导致的。目前为止，西安交通大学提出了一种激波可控的超音速气体除湿装置，此装置的特点是在除湿器的中心蜗杆尾端加装了椭球体，使分离段流道形成最小截面处，激波区则被固定在椭球体附近，从而达到了激波可控的目的；中国石油大学（华东）提出了一种双喉部型气体超声速旋流分离装置，该装置的特点是在分离段尾端设计了超音速压缩流道、第二喉部流道和第二扩压流道，将激波控制在第二喉道内。除此之外，未发现国内外再有关于超音速分离器中激波控制的相关研究。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种超音速气液旋流分离装置，可以将旋流分离装置中超音速流场的激波发生位置控制在固定区域，减小激波的位置波动对于流场的影响，可以提高分离效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种超音速气液旋流分离装置，包括收缩段、扩张段、等直段和分离段，所述的分离段包括扩张的外壳，中心锥体通过叶片与外壳相连接，中心锥体的锥面与外壳之间还设有分离隔板，分离隔板的前缘在中心锥体顶点的后方；中心锥体的轴线与等直段的轴线相重合，中心锥体与分离隔板之间构成环形通道，分离隔板与外壳之间形成环形集液腔通道。

所述的中心锥体为单级锥、二级锥、N级锥、等熵锥或单级锥+等熵锥。

所述的中心锥体为单级锥，其半锥角δ为0°≤δ≤35°。

所述的分离隔板的前端内壁面与中心锥体的锥面平行，分离隔板内外壁面之间的夹角β为0.5°≤β≤10°；外壳的壁面扩张角α为15°≤α≤40°；分离隔板与中心锥体之间的环形通道的当量直径d与等直段的当量直径D的比值为0.6≤d/D≤0.95。

所述的分离隔板的前缘与中心锥体顶点的距离L₁为0.2D≤L₁≤D。

所述的中心锥体的顶点与外壳扩张处在其前端，其与外壳扩张处的水平距离L₂为0≤L₂≤5cm。

气流在经过分离段时形成圆锥激波+正激波的激波系结构：

在超音速来流时，在中心锥体处产生圆锥激波，气流在圆锥激波下游连续被等熵压缩，流速减小同时压力增大，流速方向逐渐趋向于与中心锥体的锥面平行，进而在分离隔板前缘处形成正激波，气流突跃为亚音速气流。

所述的分离隔板与中心锥体之间的环形通道为干气通道，干气通道截面逐渐增大，形成压力回收器，气流在此过程中减速压缩；分离隔板与外壳之间构成集液腔，湿气经过集液腔排出。

所述的等直段内还设有内锥，内锥的轴线与中心锥体的轴线相重合。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的超音速气液旋流分离装置，通过在超音速气液旋流分离器的等直段的末端的外壳扩张处设置由中心锥体、分离隔板构成的激波发生器，生成圆锥激波+正激波的激波系结构；从而可以将旋流分离装置中超音速流场的激波发生位置控制在固定区域，减小激波的位置波动对于流场的影响，降低由激波引起的压力能损失，从而达到提高分离效率和变工况运行的目的；尤其是在较高流动马赫数（>1.4马赫）时效果尤为显著。

本发明提供的超音速气液旋流分离装置，一方面可以将激波控制在分离段末端中心锥体处，保证激波系的稳定性，从而增加流场稳定性，提高分离效率，扩大装置的工作范围；另一方面，采用圆锥激波+正激波的方法减弱了单道正激波的强度，降低了由激波带来的总压损失，减少了压力能的消耗。此方法在较高流动马赫数时效果尤为显著。

本发明提供的超音速气液旋流分离装置，在超音速来流情况下，由于锥体的存在会产生圆锥激波，气流流经激波面后偏转某个角度θ（θ小于锥体的半顶角δ），在圆锥激波下游连续地进行等熵压缩，而后继续改变流速大小和方向，逐渐趋向于与锥体表面平行，进而气流经过在分离隔板前缘处形成的正激波突跃为亚音速气流。分离隔板与中心锥体之间的环形通道构成干气通道，激波发生器后的干气通道截面逐渐增大，形成压力回收器，气流在此过程中减速压缩。分离隔板与分离器外壳之间构成集液腔，湿气经过集液腔从排液口排出。

现有技术当中，由于超音速旋流分离器进出口压差，在分离段末端只是经过一道强正激波突跃为亚音速气流，具体的上述设定的模拟当中总压损失为28%。所以本发明通过中心锥体和分离板而形成圆锥激波+正激波的激波系结构，达到了减小总压损失的目的，提高了分离效率同时节约了压力能，有利于天然气的气液分离。

附图说明

图1是本发明的结构示意图（单级锥）；

图2是本发明在无内锥超音速分离器中的应用示意图；

图3是本发明在有内锥超音速分离器中的应用示意图；

图4是本发明在无内锥超音速分离器分离回压段中的示意图；

图5是等熵锥激波发生装置的结构示意图；

图6为分离段附近的速度分布云图；

图7为分离段附近的总压分布云图。

具体实施方式

本发明提供一种超音速气液旋流分离装置，由锥形体、气液分离隔板与外壳组成，使超音速流场的激波系结构为圆锥激波+正激波的形式，其中圆锥激波可以由一道或几道激波组成。超音速来流中的气流经过激波控制装置产生的激波系后减速压缩至亚音速，而分离出的液体随少量气体进入由分离隔板与外壳之间的集液腔后由排液口排出。此方法的特点在于可以将激波控制在中心锥体处，同时可以大幅减小由一道强正激波带来的高总压损失。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1～图5，一种超音速气液旋流分离装置，包括收缩段、扩张段、等直段和分离段，所述的分离段包括扩张的外壳（3），中心锥体（1）通过叶片（4）与外壳（3）相连接，中心锥体（1）的锥面与外壳（3）之间还设有分离隔板（2），分离隔板（2）的前缘在中心锥体（1）顶点的后方；中心锥体（1）的轴线与等直段的轴线相重合，中心锥体（1）与分离隔板（2）之间构成环形通道，分离隔板（2）与外壳（3）之间形成环形集液腔通道。

由于中心锥体的设定，就可以将超音速旋流分离器中流场的激波发生位置控制在固定区域（中心锥体处），减小激波的位置波动对于流场的影响；从而达到提高分离效率和变工况运行性能。

如图2所示，天然气首先经过超音速旋流分离器前部的收缩段a、扩张段b和等直段c后形成超音速旋流，在分离段d，气流中的干气部分经过中心锥体1产生的圆锥激波后减速增压，流动方向逐渐与中心锥体的外表面平行，之后再经过分离隔板2的前缘时产生正激波，进一步减速至亚音速同时增压，随后干气进入压力回收段e继续减速增压；基于高速旋流特性，气流中的湿气部分进入分离隔板2和分离器外壳3之间的集液腔，然后通过排液口排出。

气流在经过分离段时形成圆锥激波+正激波的激波系结构：

在超音速来流时，在中心锥体（1）处产生圆锥激波，气流在圆锥激波下游连续被等熵压缩，流速减小同时压力增大，流速方向逐渐趋向于与中心锥体的锥面平行，进而在分离隔板（2）前缘处形成正激波，气流突跃为亚音速气流。

具体的，在超音速来流情况下，由于锥体的存在会产生圆锥激波，气流流经激波面后偏转某个角度θ（θ小于锥体的半顶角δ），在圆锥激波下游连续地进行等熵压缩，而后继续改变流速大小和方向，逐渐趋向于与锥体表面平行，进而气流经过在分离隔板前缘处形成的正激波突跃为亚音速气流。分离隔板与中心锥体之间的环形通道构成干气通道，激波发生器后的干气通道截面逐渐增大，形成压力回收器，气流在此过程中减速压缩。分离隔板与分离器外壳之间构成集液腔，湿气经过集液腔从排液口排出。

在一定的压力比（即出口压力与入口压力之比）范围内，圆锥激波的形状和强度并不随压力比的变化而变化，正激波的位置和强度会发生一定程度的变化，但是并不影响激波控制装置的正常工作。因此这种激波控制装置可以适应一定的压力比范围内的变工况运行。

为了组织形成最优流场，还需要合理选取中心锥体锥角、分离隔板位置与外壳壁面折角位置。锥体锥角的大小决定了圆锥激波与正激波的强度和相应地波后马赫数，从而决定了总压损失大小。分离隔板的位置决定了干气与湿气的分流比，因此对于集液腔中的带气量和分离效率有重要影响。外壳壁面折角的位置对于附近流场有很大的影响，外折角产生的膨胀波会使圆锥激波后的气流再次膨胀加速，导致随后的正激波强度增大，总压损失升高，影响了激波发生装置的效果。具体实施过程中，应根据来流马赫数合理选取中心锥体锥角大小，以实现最小的总压损失，同时应合理确定分离隔板的位置，在确保出口干气达到要求的情况下尽量减小集液腔湿气的带气量，即增大干气与湿气的分流比。外壳壁面外折角的位置应尽量靠后，以不影响圆锥激波后的气流为标准，一般情况下，折角位置距分离隔板前端存在一个最佳值，与流动参数有关。折角应尽量为圆弧过渡，以避免边界层分离。

具体的，所述的中心锥体为单级锥、二级锥、N级锥、等熵锥或单级锥+等熵锥。当中心锥体（1）为单级锥时，其半锥角δ为0°≤δ≤35°，二级锥、N级锥、等熵锥或单级锥+等熵锥的半锥角可以通过相应的计算获得。

而所述的分离隔板（2）的前端内壁面与中心锥体（1）的锥面平行，分离隔板（2）内外壁面之间的夹角β为0.5°≤β≤10°；外壳（3）的壁面扩张角α为15°≤α≤40°；分离隔板（2）与中心锥体（1）之间的环形通道的当量直径d与等直段的当量直径D的比值为0.6≤d/D≤0.95。

所述的分离隔板（2）的前缘与中心锥体（1）顶点的距离L₁为0.2D≤L₁≤D。所述的中心锥体（1）的顶点与外壳扩张处在其前端，其与外壳扩张处的水平距离L₂为0≤L₂≤5cm。

在实际过程中，激波控制装置可以适应一定压力比范围内的变工况运行。集液腔出口压力和干气通道出口压力均会影响分离器中的激波位置。以来流马赫数2为例，干气通道出口压力与入口压力之比对于激波位置和激波控制装置的工作状态起主要作用：当压力比约在0.82附近时，正激波恰好位于分离隔板前缘，激波发生装置处于临界工作状态；低于此压力比，正激波后移，工作状态为超临界，此时总压损失将稍微增大，压力比越低，正激波后移越明显，总压损失也越大；稍高于此压力比，正激波则前移，处于亚临界工作状态，压力比升高到0.84以上则不会产生圆锥激波，此时，一道强正激波在中心锥体前产生，激波控制装置失效。集液腔出口压力较低时，不会对主流激波位置产生影响；当出口压力与入口压力之比约为0.42时，正激波将会前移至气液分离口处；压力比继续升高，则正激波继续前移，激波控制装置处于亚临界工作状态；压力过高时，则直接在中心锥体前端产生一道强正激波，此时激波控制装置失效。

本发明激波区处在分离段的末端、中心锥体处。超音速来流经过锥体产生的一道或一系列圆锥激波后，马赫数明显减小，然后经过干气通道入口的一道正激波，气流突跃为亚音速，实现了减速增压；带有大量液滴和少量气体的湿气则进入分离隔板外侧的集液腔，实现了气液分离。

本发明激波压缩区还可以采用一道或一系列圆锥激波加一道正激波的方式使超音速来流减速增压至亚音速气流。一方面，这种方式可以将激波控制在分离段末端中心锥体处，保证激波系的稳定性，从而增加流场稳定性，提高分离效率；另一方面，采用圆锥激波+正激波的方法减弱了单道正激波的强度，降低了由激波带来的总压损失，减少了压力能的消耗。此方法在较高流动马赫数时效果尤为显著。

参照图2，下面以等直段气体马赫数为2.0的超音速旋流分离器为例，并采用数值模拟来进一步验证其性能：

其中，采用Ansys12.0Fluent商业软件来模拟构建超音速旋流分离器，其中等直段内径D=11.4mm，并在等直段的末端设置中心椎体和分离板，中心锥体半锥角δ=28°，L₁=5.53mm，L₂=5.62mm，β=5°，α=35°；

给出马赫数为2.0的超音速气流从分离段流来，通过数值模拟验证表明，根据如图6所示的分离段附近的速度分布云图，可以看到，圆锥激波+正激波的激波系结构将在中心锥体处形成。

并将气流速度分布云图可以看出中间部分的干气经过由中心锥体1产生的圆锥激波后马赫数降为1.4，根据图7所示的分离段附近的总压分布云图可以看出气体的总压损失约为7%，气体流动方向逐渐与锥体表面平行；然后经过分离隔板2前缘的正激波后马赫数降为0.7，此过程的总压损失为6%，因此，整个过程的总压损失约为13%。

而现有技术当中，由于超音速旋流分离器进出口压差，在分离段末端只是经过一道强正激波突跃为亚音速气流，具体的上述设定的模拟当中总压损失为28%。所以本发明通过中心锥体和分离板而形成圆锥激波+正激波的激波系结构，达到了减小总压损失的目的，提高了分离效率同时节约了压力能，有利于天然气的气液分离。

Claims

1.一种超音速气液旋流分离装置，其特征在于，包括收缩段、扩张段、等直段和分离段，所述的分离段包括扩张的外壳(3)，中心锥体(1)通过叶片(4)与外壳(3)相连接，中心锥体(1)的锥面与外壳(3)之间还设有分离隔板(2)，分离隔板(2)的前缘在中心锥体(1)顶点的后方；中心锥体(1)的轴线与等直段的轴线相重合，中心锥体(1)与分离隔板(2)之间构成环形通道，分离隔板(2)与外壳(3)之间形成环形集液腔通道；

所述的分离隔板(2)的前端内壁面与中心锥体(1)的锥面平行，分离隔板(2)内外壁面之间的夹角β为0.5°≤β≤10°；外壳(3)的壁面扩张角α为15°≤α≤40°；分离隔板(2)与中心锥体(1)之间的环形通道的当量直径d与等直段的当量直径D的比值为0.6≤d/D≤0.95。

2.如权利要求1所述的超音速气液旋流分离装置，其特征在于，所述的中心锥体为N级锥或等熵锥。

3.如权利要求1所述的超音速气液旋流分离装置，其特征在于，所述的中心锥体为单级锥或二级锥。

4.如权利要求1或3所述的超音速气液旋流分离装置，其特征在于，中心锥体(1)为单级锥，其半锥角δ为0°＜δ≤35°。

5.如权利要求1所述的超音速气液旋流分离装置，其特征在于，所述的分离隔板(2)的前缘与中心锥体(1)顶点的距离L₁为0.2D≤L₁≤D。

6.如权利要求1所述的超音速气液旋流分离装置，其特征在于，所述的中心锥体(1)的顶点位于外壳扩张处的前端，其与外壳扩张处的水平距离L₂为0＜L₂≤5cm。

7.如权利要求1所述的超音速气液旋流分离装置，其特征在于，所述的中心锥体(1)的顶点与外壳扩张处的水平距离L₂为0。

8.如权利要求1所述的超音速气液旋流分离装置，其特征在于，气流在经过分离段时形成圆锥激波和正激波的激波系结构：

在超音速来流时，在中心锥体(1)处产生圆锥激波，气流在圆锥激波下游连续被等熵压缩，流速减小同时压力增大，流速方向逐渐趋向于与中心锥体的锥面平行，进而在分离隔板(2)前缘处形成正激波，气流突跃为亚音速气流。

9.如权利要求1或8所述的超音速气液旋流分离装置，其特征在于，所述的分离隔板(2)与中心锥体(1)之间的环形通道为干气通道，干气通道截面逐渐增大，形成压力回收器，气流在此过程中减速压缩；分离隔板(2)与外壳(3)之间构成集液腔，湿气经过集液腔排出。

10.如权利要求1所述的超音速气液旋流分离装置，其特征在于，所述的等直段内还设有内锥，内锥的轴线与中心锥体(1)的轴线相重合。