CN105779057A - 一种天然气净化装置 - Google Patents

Abstract

一种天然气净化装置，属于天然气净化装置技术领域。其特征在于：所述脱水装置包括多根拉瓦尔管（9）以及拉瓦尔管（9）下方的分离筒（10），分离筒（10）为由下至上直径逐渐增大的锥形，分离筒（10）的下部设有出水口，分离筒（10）的上端与拉瓦尔管（9）连通，分离筒（10）上设有排气管（7），排气管（7）下端伸进分离筒（10）内，上端用于与输送管道连通，拉瓦尔管（9）上方设有脱水进气筒（8），拉瓦尔管（9）通过脱水进气筒（8）与除尘装置的出气口连通，拉瓦尔管（9）为螺旋状且环绕排气管（7）设置。本天然气净化装置保证了管线的流动能力，避免了管线发生物理性破坏；脱水系统不需要动力部件，节约能源。

Description

一种天然气净化装置

技术领域

一种天然气净化装置，属于天然气净化装置技术领域。

背景技术

随着我国工业的发展、人民生活水平的提高以及环境保护的需要，天然气作为一种清洁能源和优质化工原料，对国民经济的发展和大气质量、环境保护与能源结构的改善都在发挥着越来越重要的作用。

自地层采出的天然气中一般含有一定量的水、硫化氢及二氧化碳等杂质，酸性杂质气体会加速管道的腐蚀，水分的存在会给天然气的输送和加工带来困难。天然气在输送和加工时需要冷却的温度越低，对其含水量的要求就越严格，在天然气输送和处理过程中水蒸汽易凝结形成液态水，这些液态水有可能形成水合物，主要是由于天然气中的某些气体分子嵌入水的晶格中形成的，水合物晶体会引起管线、节流阀、各种阀门以及仪表的堵塞，降低管线的流动能力或产生物理性破坏，而液态水容易溶解酸性气体形成具有强腐蚀性的酸液腐蚀设备，因此必须防止水合物的生成，需要建立有关的净化装置。现有的分离方法主要是吸收法、冷凝分离法和吸附法。这些传统的分离方法要么需要耗费大量的化学药剂，要么工艺复杂，设备投资和操作费用高，而且分离效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种不需要动力部件、操作简单、成本低、净化效果好的天然气净化装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该天然气净化装置，包括除尘装置以及脱水装置，其特征在于：所述脱水装置包括多根拉瓦尔管以及拉瓦尔管下方的分离筒，分离筒为由下至上直径逐渐增大的锥形，分离筒的下部设有出水口，分离筒的上端与拉瓦尔管连通，分离筒上设有排气管，排气管下端伸进分离筒内，上端用于与输送管道连通，拉瓦尔管上方设有脱水进气筒，拉瓦尔管通过脱水进气筒与除尘装置的出气口连通，拉瓦尔管为螺旋状且环绕排气管设置。

优选的，所述的除尘装置为旋风分离器，旋风分离器包括上部的旋风分离器进气筒以及下部的旋风分离器锥体，旋风分离器进气筒连接进气管，且进气管的轴线与旋风分离器进气筒相切，旋风分离器锥体的下部设有集尘器。

优选的，所述的除尘装置上设有用于添加碱性颗粒的加料管，碱性颗粒的直径为10~1000um。

优选的，所述的排气管伸入分离筒内的长度介于分离筒长度的三分之二至四分之三之间。

优选的，所述的脱水进气筒为上下两端均封闭的圆筒，脱水进气筒的底面上设有多个用于与拉瓦尔管连接的通孔，通孔与拉瓦尔管一一对应，且多个通孔的轴线均穿过与脱水进气筒同心的分布圆。

优选的，所述的拉瓦尔管包括渐缩段以及渐扩段，渐缩段与渐扩段之间为拉瓦尔管的喉部；

以分离筒顶面的圆心为原点建立坐标系，设（x，y，z）为垂直于拉瓦尔管的轴线管壁截面上任意一点坐标，则渐缩段满足如下方程：

其中：R为分布圆的半径，

为拉瓦尔管的螺旋升角，

d_e、d_b分别为拉瓦尔管的进气口直径和喉部直径，

为拉瓦尔管轴线上任意一点到喉部旋转的角度，

为拉瓦尔管从进口到喉部旋转的角度；

渐扩段满足如下方程：

其中：R为分布圆的半径，

为拉瓦尔管的螺旋升角，

d_f、d_b分别为拉瓦尔管的进气口直径和喉部直径，

为拉瓦尔管从进口到喉部旋转的角度，

为拉瓦尔管轴线上任意一点到出气口旋转的角度，

为拉瓦尔管从进口到出气口旋转的角度。

优选的，所述的排气管的横截面的面积与多个拉瓦尔管进气口横截面的面积之和相等。

优选的，所述的分离筒的锥角的范围为10°~60°。

优选的，所述的分离筒内设有阻气板，阻气板与分离筒同轴设置，且阻气板的侧面与分离筒内壁间隔设置，阻气板设置在排气管下方，且阻气板与排气管底端的距离为排气管直径的1~3倍。

优选的，所述的分离筒的底部一侧设有集水桶，集水桶通过导水管与分离筒的出水口连通，并与分离筒形成连通器。

与现有技术相比，本发明的天然气净化装置所具有的有益效果是：

1、除尘装置能够除去天然气中混入的颗粒状杂质，脱水装置能够除去天然气中混入的水蒸气，避免管线、节流阀、各种阀门以及仪表发生堵塞，保证了管线的流动能力，避免了管线发生物理性破坏；天然气在拉瓦尔管中加速并降温，也在做旋转离心运动，从而完成脱水，操作简单，并且装置的体积小，节省了设备的空间；脱水系统不需要动力部件，节约能源。

2、通过旋风分离器去除颗粒状杂质，不需要额外的动力部件，节约能源，集尘器能够将天然气中分离出的的颗粒状杂质进行收集，避免杂质再次混入天然气内，除杂效果好。

3、碱性颗粒能够与天然气中混杂的酸性气体反应，从而除去天然气中的酸性气体，并且在除尘装置的作用下，将碱性颗粒除去；碱性颗粒的直径为10~1000um，能够避免碱性颗粒将管道堵塞，同时还有利于碱性颗粒的分离。

4、排气管下端伸入分离筒内的长度为分离筒长度的三分之二至四分之三之间，防止天然气过早进入排气管，同时也给天然气平稳进入排气管留出足够空间，还能够有效保证天然气的同轴旋流，防止涡耗散的产生，起到稳定旋流场的作用，提高了分离筒的分离效率。

5、拉瓦尔管通过通孔与脱水进气筒连通，连接方便，多个通孔的轴线均穿过与脱水进气筒同心的分布圆，从而保证每个拉瓦尔管的脱水效果相同，保证脱水稳定。

6、天然气在拉瓦尔管中的运动与旋流器中离心旋转运动不同，天然气在拉瓦尔管中由于沿着轴向运动，而非绕轴运动，可以大大减少漩涡的产生，降低涡耗散，减少动能损失避免温度上升，还能使流场更加稳定，从而提高脱水除湿效率；利用上述方程设计的拉瓦尔管，渐缩段和渐扩段轮廓曲线在喉部连接部分一阶、二阶导数连续，曲线光滑，可以避免或减少激波或膨胀波的产生，减少能量损失。

7、拉瓦尔管进气口总面积和排气管出气口面积相等，有效避免装置内气体滞留导致压力过高，保证分离筒内的气压稳定。

8、分离筒的锥角为10°~60°，从而保证气体从拉瓦尔管进入分离筒后，由于锥角的存在继续做离心旋转运动，有利于凝结的液滴依附于分离筒的内壁，并且锥角大于60o时，液滴流动阻力增大，锥角小于10o，不利于液滴对筒壁的依附，影响分离效果。

9、阻气板侧面与分离筒内壁间隔设置，增大了天然气通过环缝的阻力，而液相则可在重力作用下顺着分离筒内壁穿过环缝流道，进而促进气液两相的分离；阻气板与排气管底端的距离为排气管直径的1~3倍，从而使天然气有足够的时间进入排气管。

10、集水桶与分离筒形成连通器，使用前水桶预先充满水，使水没过导水管，具有排水和密封的作用，还能够避免分离筒内的液面过高，从而影响天然气的脱水效果。

附图说明

图1为天然气净化装置的主视示意图。

图2为旋风分离器的俯视示意图。

图3为脱水装置的主视剖视示意图。

图4为图3中A-A方向的剖视示意图。

图5为脱水进气筒的仰视示意图。

图6为拉瓦尔管的主视示意图。

图中：1、集尘器2、旋风分离器锥体3、进气管4、加料管5、旋风分离器进气筒6、导气管7、排气管8、脱水进气筒9、拉瓦尔管10、分离筒11、集水桶12、导水管13、阻气板。

具体实施方式

图1~6是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~6对本发明做进一步说明。

一种天然气净化装置，脱水装置包括多根拉瓦尔管9以及拉瓦尔管9下方的分离筒10，分离筒10为由下至上直径逐渐增大的锥形，分离筒10的下部设有出水口，分离筒10的上端与拉瓦尔管9连通，分离筒10上设有排气管7，排气管7下端伸进分离筒10内，上端用于与输送管道连通，拉瓦尔管9上方设有脱水进气筒8，拉瓦尔管9通过脱水进气筒8与除尘装置的出气口连通，拉瓦尔管9为螺旋状且环绕排气管7设置。除尘装置能够除去天然气中混入的颗粒状杂质，脱水装置能够除去天然气中混入的水蒸气，避免管线、节流阀、各种阀门以及仪表发生堵塞，保证了管线的流动能力，避免了管线发生物理性破坏；天然气在拉瓦尔管9中加速并降温，也在做旋转离心运动，从而完成脱水，操作简单，并且装置的体积小，节省了设备的空间；脱水装置不需要动力部件，节约能源。

具体的：如图1所示：除尘装置为旋风分离器，旋风分离器设置在脱水装置的左侧，旋风分离器的上部通过导气管6与脱水装置连接。

旋风分离器包括上部的旋风分离器进气筒5以及下部的旋风分离器锥体2，旋风分离器锥体2为由下至上直径逐渐增大的锥形筒，旋风分离器锥体2顶部的直径与旋风分离器进气筒5的直径相等，旋风分离器锥体2的底端安装有集尘器，用于接收从天然气中分离出来的颗粒状杂质。旋风分离器进气筒5为顶端封闭的圆筒，旋风分离器进气筒5下端与旋风分离器锥体2的上端连接并密封。天然气进入旋风分离器之后，天然气中的固体颗粒在重力作用下沿着旋风分离器锥体2内壁进入集尘器1内，从而将天然气中的颗粒状杂质除去。

导气管6包括竖直部和水平部，竖直部的下端与旋风分离器进气筒5连通，且竖直部与旋风分离器进气筒5同轴设置。导气管6的水平部一端与竖直部的上端连通，另一端与脱水进气筒8连通。导气管6的水平部设置在脱水进气筒8的一侧，且导气管6水平部的轴线与脱水进气筒8相切，导气管6的竖直部下端伸进旋风分离器锥体2内，且导气管6竖直部的底端位于旋风分离器锥体2高度的中部，可有效避免旋风分离器锥体2内旋流，给天然气进入导气管6留出足够的空间。

如图2所示：旋风分离器进气筒5的进气管3设置在旋风分离器进气筒5的一侧，且进气管3的轴线与旋风分离器进气筒5相切。

在进气管3的上方设有加料管4，进气管3水平设置，加料管4竖直设置，加料管4的内径小于进气管3的内径。加料管4的下端与进气管3连通。加料管4用于向进气管3内加入碱性颗粒，从而除去天然气中的酸性气体。在本实施例中，碱性颗粒为氧化钙颗粒。碱性颗粒会在旋风分离器内与天然气发生分离，并进入集尘器1内。

在本实施例中使用的氧化钙颗粒的直径介于10~1000um之间，能够避免氧化钙颗粒将管道堵塞，同时还有利于氧化钙颗粒的分离。

如图3~4所示：脱水进气筒8为上下两端均封闭的圆筒，且脱水进气筒8的直径与分离筒10顶端的直径相等，且大于排气管7的直径。排气管7的上端穿过脱水进气筒8并伸出，且伸出脱水进气筒8的长度为排气管7直径的1~3倍，在本实施例中，伸出脱水进气筒8的长度为排气管7直径的2倍。拉瓦尔管9环绕排气管7设置，且拉瓦尔管9的上端与脱水进气筒8内腔连通，下端与分离筒10的内腔连通。排气管7的横截面积与多个拉瓦尔管9进气口横截面的面积之和相等，有效避免分离筒10内气体滞留导致压力过高，保证分离筒10内的气压稳定。拉瓦尔管9有2~6根，在本实施例中，拉瓦尔管9设置有四根。

分离筒10的锥角的范围为10°~60°，从而保证气体从拉瓦尔管9进入分离筒10后，由于锥角的存在继续做离心旋转运动，有利于凝结的液滴依附于分离筒10的内壁。锥角大于60o时，液滴流动阻力增大，锥角小于10o，不利于液滴对筒壁的依附，影响分离效果。在本实施例中，锥角为35°，从而既能够很好地保证天然气与液滴的分离，又使液滴顺利沿分离筒10内壁流下。

分离筒10的上端封闭，下端通过可拆卸的端盖封闭，从而方便分离筒10的清理。分离筒10内壁的粗糙度范围为Ra0.2~Ra0.8，减小冷凝液相向下流动的阻力，可以提高气液分离效率。表面粗糙度越大，冷凝液相的流动阻力越大，在本实施例中，粗糙度为Ra0.2。在加工过程中，可根据加工成本适当降低表面粗糙度的要求。

分离筒10的高度占整个脱水装置高度的三分之一至三分之二，从而保证拉瓦尔管9和分离筒10在天然气处理量上的协调，避免两者比例过大或过小。在本实施例中，分离筒10的高度占整个脱水装置高度的二分之一，此时分离效果最好。

分离筒10的下部环绕分离筒10均布有两个集水桶11，集水桶11的底面与分离筒10的底面相平，集水桶11的侧面与分离筒10的侧面通过导水管12连通。导水管12与集水桶11一一对应，导水管12的一端与分离筒10的出水口连通，另一端与集水桶11连通，从而使集水桶11和分离筒10形成连通器。分离筒10的高度远大于集水桶11的高度，在使用时，先将集水桶11内装满水，从而对分离筒10的底部进行封闭，集水桶11能够保证分离筒10内的液面高度稳定，从而保证天然气脱水效果的稳定。

排气管7的下端伸进分离筒10内，且排气管7伸入分离筒10内的长度介于分离筒10总长度的三分之二至四分之三之间，能够防止天然气过早进入排气管7，同时也给天然气平稳进入排气管7留出足够空间，还能够有效保证天然气的同轴旋流，防止涡耗散的产生，起到稳定旋流场的作用，提高了分离筒10的分离效率。

分离筒10内设有阻气板13，阻气板13通过三个金属支架固定在分离筒10的内壁上，阻气板13与分离筒10同轴设置。阻气板13的侧面与分离筒10内壁间隔设置，从而在阻气板13与分离筒10之间形成环缝，环缝的宽度为毫米级别，根据气体动力学，增大了天然气通过环缝的阻力，而液相则可在重力作用下顺着分离筒10内壁穿过环缝流道，进而促进气液两相的分离。阻气板13设置在排气管7的下方，且排气管7的底端与阻气板13的距离为排气管7直径的1~3倍，从而使天然气有足够的时间进入排气管7。

如图5所示：脱水进气筒8上开设有轴向的用于安装排气管的排气孔，排气孔与脱水进气筒8同轴设置，排气孔的直径稍小于排气管7的外径，从而使排气管7与排气孔过渡配合。分离筒10的顶面上也设有用于安装排气管7的排气孔。

脱水进气筒8的底面上还设有四个用于与拉瓦尔管9进气口连接的通孔，四个通孔的轴线分布在与脱水进气筒8同轴的分布圆上。拉瓦尔管9的进气口与通孔连通，且拉瓦尔管9焊接在脱水进气筒8上。

如图6所示：拉瓦尔管9包括渐缩段以及渐扩段，渐缩段与渐扩段之间为拉瓦尔管9的喉部。

以分离筒10顶面的圆心为原点建立坐标系，设（x，y，z）为垂直于拉瓦尔管9的轴线管壁截面上任意一点坐标，则渐缩段满足如下方程：

其中：R为分布圆的半径，

为拉瓦尔管9的螺旋升角，

d_e、d_b分别为拉瓦尔管9的进气口直径和喉部直径，

为拉瓦尔管9轴线上任意一点到喉部旋转的角度，

为拉瓦尔管9从进口到喉部旋转的角度；

渐扩段满足如下方程：

其中：R为分布圆的半径，

为拉瓦尔管9的螺旋升角，

d_f、d_b分别为拉瓦尔管9的进气口直径和喉部直径，

为拉瓦尔管9从进口到喉部旋转的角度，

为拉瓦尔管9轴线上任意一点到出气口旋转的角度，

为拉瓦尔管9从进口到出气口旋转的角度。

天然气在拉瓦尔管9中的运动与旋流器中离心旋转运动不同，天然气在拉瓦尔管中由于沿着轴向运动，而非绕轴运动，可以大大减少漩涡的产生，降低涡耗散，减少动能损失避免温度上升，还能使流场更加稳定，从而提高脱水除湿效率；利用上述方程设计的拉瓦尔管，渐缩段和渐扩段轮廓曲线在喉部连接部分一阶、二阶导数连续，曲线光滑，可以避免或减少激波或膨胀波的产生，减少能量损失。

越小管内气体离心运动越剧烈，喷管螺旋程度越高，但相同螺旋角内，喷管的长度越短，气体在管内时间越短，有可能达不到音速；越大，效果则相反。，既保证了天然气的离心运动同时又保证天然气在喷管内有充足的时间来加速。

拉瓦尔管9进气口的轴线与脱水进气筒8的轴线夹角为螺旋管升角，拉瓦尔管9出气口的轴线与分离筒10的轴线夹角为螺旋管升角。

拉瓦尔管9对天然气脱水的原理如下：当天然气从拉瓦尔管9的进气口以一定气速进入，随着拉瓦尔管9直径逐渐变小，截面积相应逐渐变小，气体速度逐渐增大，温度逐渐降低；当天然气到达拉瓦尔管9喉部，气速达到音速，根据气体动力学理论，当气体跨过音速，拉瓦尔管9的截面逐渐扩大，气速仍然逐渐增大，温度进一步下降。当温度低至水分在相应压力下的饱和温度，便会冷凝成核并不断长大，这样就实现了天然气和水的分离。本发明中的拉瓦尔管9除了截面积变化，整个拉瓦尔管9环绕排气管7呈螺旋状，拉瓦尔管9内的气体增速降温的同时也在做离心旋转运动，冷凝的液滴在重力作用下不断被甩向拉瓦尔管的内壁，然后沿着内壁在气体吹动和重力作用下向下快速流动。

该天然气净化装置的工作流程如下：刚开采出来的天然气中含有酸性气体和固体杂质，通过加料管4向进气管3内加入氧化钙颗粒，天然气经进气管3后与氧化钙颗粒充分混合，然后进入旋风分离器进气筒5内，酸性气体与氧化钙颗粒反应，从而除去酸性气体，杂质颗粒和吸收了酸性气体的氧化钙颗粒在旋风分离器锥体2内被甩至筒壁上，并进入集尘器1内，而除去酸性气体的具有一定湿度的天然气经导气管6进入脱水装置。

天然气以一定气速进入脱水进气筒8，经拉瓦尔管9进气口进入拉瓦尔管9，不断被加速，温度逐渐降低，其中的水分不断冷凝成小液滴，并在离心力作用下被甩至管壁形成水膜，水膜在气体曳力和重力作用下向下流动至分离筒10，进一步沿着分离筒10内壁向下流动，经阻气板13和分离筒10之间的环缝后到达分离筒10的下部，液面不断上升，分离筒10内的水经过导水管12后由集水桶11溢出，被除湿的天然气经排气管7排出。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种天然气净化装置，包括除尘装置以及脱水装置，其特征在于：所述脱水装置包括多根拉瓦尔管（9）以及拉瓦尔管（9）下方的分离筒（10），分离筒（10）为由下至上直径逐渐增大的锥形，分离筒（10）的下部设有出水口，分离筒（10）的上端与拉瓦尔管（9）连通，分离筒（10）上设有排气管（7），排气管（7）下端伸进分离筒（10）内，上端用于与输送管道连通，拉瓦尔管（9）上方设有脱水进气筒（8），拉瓦尔管（9）通过脱水进气筒（8）与除尘装置的出气口连通，拉瓦尔管（9）为螺旋状且环绕排气管（7）设置。

2.根据权利要求1所述的天然气净化装置，其特征在于：所述的除尘装置为旋风分离器，旋风分离器包括上部的旋风分离器进气筒（5）以及下部的旋风分离器锥体（2），旋风分离器进气筒（5）连接进气管（3），且进气管（3）的轴线与旋风分离器进气筒（5）相切，旋风分离器锥体（2）的下部设有集尘器（1）。

3.根据权利要求1或2所述的天然气净化装置，其特征在于：所述的除尘装置上设有用于添加碱性颗粒的加料管（4），碱性颗粒的直径为10~1000um。

4.根据权利要求1所述的天然气净化装置，其特征在于：所述的排气管（7）伸入分离筒（10）内的长度介于分离筒（10）长度的三分之二至四分之三之间。

5.根据权利要求1所述的天然气净化装置，其特征在于：所述的脱水进气筒（8）为上下两端均封闭的圆筒，脱水进气筒（8）的底面上设有多个用于与拉瓦尔管（9）连接的通孔，通孔与拉瓦尔管（9）一一对应，且多个通孔的轴线均穿过与脱水进气筒（8）同心的分布圆。

6.根据权利要求5所述的天然气净化装置，其特征在于：所述的拉瓦尔管（9）包括渐缩段以及渐扩段，渐缩段与渐扩段之间为拉瓦尔管（9）的喉部；

以分离筒（10）顶面的圆心为原点建立坐标系，设（x，y，z）为垂直于拉瓦尔管（9）的轴线管壁截面上任意一点坐标，则渐缩段满足如下方程：

其中：R为分布圆的半径，

为拉瓦尔管（9）的螺旋升角，

d_e、d_b分别为拉瓦尔管（9）的进气口直径和喉部直径，

为拉瓦尔管（9）轴线上任意一点到喉部旋转的角度，

为拉瓦尔管（9）从进口到喉部旋转的角度；

渐扩段满足如下方程：

其中：R为分布圆的半径，

为拉瓦尔管（9）的螺旋升角，

d_f、d_b分别为拉瓦尔管（9）的进气口直径和喉部直径，

为拉瓦尔管（9）从进口到喉部旋转的角度，

为拉瓦尔管（9）轴线上任意一点到出气口旋转的角度，

为拉瓦尔管（9）从进口到出气口旋转的角度。

7.根据权利要求1所述的天然气净化装置，其特征在于：所述的排气管（7）的横截面的面积与多个拉瓦尔管（9）进气口横截面的面积之和相等。

8.根据权利要求1所述的天然气净化装置，其特征在于：所述的分离筒（10）的锥角的范围为10°~60°。

9.根据权利要求1所述的天然气净化装置，其特征在于：所述的分离筒（10）内设有阻气板（13），阻气板（13）与分离筒（10）同轴设置，且阻气板（13）的侧面与分离筒（10）内壁间隔设置，阻气板（13）设置在排气管（7）下方，且阻气板（13）与排气管（7）底端的距离为排气管（7）直径的1~3倍。

10.根据权利要求1所述的天然气净化装置，其特征在于：所述的分离筒（10）的底部一侧设有集水桶（11），集水桶（11）通过导水管（12）与分离筒（10）的出水口连通，并与分离筒（10）形成连通器。