CN108514805A - 非同心变截面gwf装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非同心变截面GWF装置，主要由装置进口端、装置喷管、连接装置喷管的装置扩压段和装置出口端依序一体构成，其中装置喷管依序由其收缩段、喉部、扩张段和工作段一体构成；与现有同心圆截面GWF装置不同，本发明抛弃了原装置喷管段的同轴心圆形横截面设计，创新为非同轴心变形截面结构设计，使喷管流道各横截面每个区域都产生附加的离心力，增大增强了离心力对液滴的离心作用，消除了旋转动量较小的涡旋滞止区，对天然气的分离回收效率不仅远远高于J‑T阀、透平膨胀机，与同心圆截面GWF装置相比，也明显表现出具有突出的优势。

Description

非同心变截面GWF装置
技术领域
本发明属于气体分离与液化装置，特别是一种大幅度提高分离效率的非同轴心变形截面可控涡型高速涡旋流动气体分离装置，为记述方便将其简称为非同心变截面GWF装置，适用于天然气、石油化工、冶金、医疗及纯净水等需要进行气体净化液化行业应用的先进技术设备。
背景技术
目前在天然气、石油化工、冶金、医疗及纯净水等各行业的实际工程应用中，气体分离和液化主要有两种技术方法。一种是广泛应用的膨胀机制冷的低温分离法。这种方法是对已具有或压缩到一定压力的气体，先通过换热器降温并以适当方式脱水，然后经膨胀机膨胀深度降温，再进入单一气体自循环内制冷工艺，最终达到气液分离或气体液化的目的。目前应用的另一种与之更近似的自循环内制冷方法是采用J-T阀(焦耳-汤姆效应)工艺，也可以达到气液分离的目的。这两种技术方法的主要缺点是：装置的结构及工艺流程复杂、制造和运行成本高、分离及液化效率受进口气源工况变化的影响较大。为解决这些问题，申请人发明了“高速涡旋流动气体分离及液化装置”，简称为同心圆截面GWF装置，并获得了专利权ZL200820063624.8。这个装置的运营实踐证实：在装置出口端温度为-10℃时，它比J-T阀回收率高约30％，比膨胀机回收率高约10％；在装置出口端温度为-30℃时，比J-T阀和膨胀机回收率分别高约20％和7％。但是，进一步提高气体分离与液化效率却遇到了严重障礙。考查装置设计，障礙来源于该装置的气体流道设计都是圆截面设计，包括由喷管收缩段、喷管喉部、喷管扩张段及喷管工作段构成的喷管流道设计。由于装置的进口端连接高压气源，装置出口端连接低压气源，装置运行时两端的气压差使高压气源中的气体，通过设置在装置进口端流道中的涡旋导流器，使沿着流道轴向运动的气体转变为涡旋流动，进入喷管流道后的涡旋气流在收缩段和喉部被迅速降压加速，再经过扩张段使涡旋气流快速绝热膨胀加速形成高速甚至超音速气流，此时温度快速降低使其部分的组份冷凝成液滴，进入喷管工作段后继续冷凝，液滴尺寸不断增大，含有液滴的涡旋气流在离心力作用下，将液滴抛向工作段的壁面，从壁面的分离口分离出去。问题发生在通过涡旋导流器产生的涡旋流动气体，同时具有轴向、圆周切向和受离心力作用的径向离心运动。在圆形截面流道中运动的涡旋气流，在其截面圆心周围区域离心力较小，存在一个旋转动量较小的涡旋滞止区，处于该区域的液滴受到的是较小的离心力作用，不容易被甩到喷管扩张段和工作段的壁面上而被分离口分流出去，因而阻止了整个装置分离效率的进一步提高。
发明内容
本发明的目的是：针对目前同心圆截面GWF装置，进一步提高分离效率存在的技术难题，为用户提供一种非同心变截面GWF装置，可以大幅度提高气液分离效率。
该装置的组成结构如下：
非同心变截面GWF装置，主要由装置进口端、装置喷管、连接装置喷管的装置扩压段和装置出口端依序一体构成，其中装置喷管依序由其收缩段、喉部、扩张段和工作段一体构成；装置进口端连接高压气源，将具有一定压力、温度、流量和气体组份的原料气体输入装置进口端，在装置进口端的圆管形流道上设置涡旋导流器，使沿着流道轴向流动的原料气体转变成涡旋流动的气体，成为具有轴向、圆周切向和径向离心运动的涡旋气流，进入装置喷管后的涡旋气流在喷管流道收缩段和喉部被迅速降压加速，再进入喷管流道扩张段将气流快速绝热膨胀加速，同时温度快速降低使气流的部分组份冷凝成液滴，进入喷管流道工作段后继续冷凝，液滴尺寸不断增大，含有液滴的涡旋气流在离心力作用下，将液滴抛向工作段的壁面，并将分离出的液体由设置在喷管流道工作段尾部壁面上的分离口管路引出，分离出液体后的原料气进入装置的扩压段，在装置的扩压段根据需要设置扩压器，气流通过扩压段速度降低，恢复了一部分原来进口端的压力，通过设置在扩压段末端的转向装置，将气流的旋转动能转变为轴向动能，最后由装置出口端将分离后的气体输出至应用气体的管网，其特征在于：
①装置进、出口两端的气体压力比，决定喷管流道内的原料气体的冷凝速度，为在喷管流道内形成足够大的液滴，要求喷管流道内原料气体的冷凝速度在-40000℃/s到-20000℃/s之间，这种冷凝速度可以使在喷管流道内流动的原料气体同时脱水和脱烃(碳-3以上的烴油)，依此数据合理设计装置进、出口两端的气体压力比；
②喷管流道收缩段的体积和气体密度以及喷管流道喉部口径大小，决定了由喉部进入喷管流道扩张段和工作段的气体速度是高速甚至为超音速，决定了装置处理原料气体的效率；
③涡旋导流器，使气体涡旋流动产生的离心加速度不低于105m/s2，将在喷管流道扩张段和工作段内冷凝形成的液滴加速抛向喷管流道扩张段和工作段的壁面，依此数据来设计所需涡旋导流器的叶片数和叶片倾角；
④对装置喷管流道采用非同心变截面设计，使喷管流道各横截面的每个区域都产生附加的离心力，消除旋转动量较小的涡旋滞止区，控制涡旋动量在喷管横截面上的合理分布，将气体中冷凝的液滴被分离得更加彻底；
装置喷管流道变形截面的形状、大小，喷管流道各段的几何尺寸，通过下述方法来确定：
第一步，依据原料进气站提供输入到装置进口端的原料气体的初始条件及要求，包括依据：原料气的进站压力、进站温度、流量(处理量)、进入装置原料气体的组份；装置出口端的气体压力及其压力下的水和烃的露点，设定装置的设计参数，包括装置的进口流量、进口温度、进口压力；装置的出口压力、进出口压力比；以及设定装置喷管流道的形状和几何尺寸，包括喷管流道进口半径R1、喷管流道进口到喉部的距离L1、喷管流道喉部半径R0、喷管流道出口半径R2、喷管流道出口到喉部的距离L2、以及分离口到喷管喉部的距离L3；
第二步，依据气体热动力学状态方程算法，计算整个喷管流道网格各点的气体压力、温度、速度、离心加速度及气体的组份，获取整个喷管流道气体流场的立体分布；
第三步，依据第一、第二步获取的数据，计算装置对原料气体的回收率，与预期的设计要求进行优化计算，达到要求终止计算；未达到要求重新改变喷管流道形状和几何尺寸，重复执行计算喷管流道气体流场立体分布的程序和装置对原料气体回收率的计算程序，直到达到设计要求为止，计算获得的装置喷管流道气体流场的立体分布构形，就是满足设计要求的非同心变截面的喷管流道构形；具有这种喷管流道构形的装置喷管，使喷管流道各横截面的每个区域都产生附加的离心力，消除旋转动量较小的涡旋滞止区，控制涡旋动量在喷管横截面上的合理分布，将气体中冷凝的液滴被分离得更加彻底，从而增强了液滴的分离效率，大大提高了原料气的回收率。
综上所述，本发明的非同心变截面GWF装置，是运用物质内能相互转换的热力学原理，用缩放喷管使气体绝热加速流动，导致气体温度及压力降低，使气体中的部分组份冷凝形成小液滴而从气流中游离来。与此同时，涡旋导流器使气流产生涡旋流动，进而产生强大的离心加速度将液滴抛向喷管内壁面，由分离口从主流气体中分离出去。在此基础上，为获取更高效地分离或液化效果，对装置喷管段的流道进一步采用非同心变截面的创新设计，使喷管流道各横截面的每个区域都产生附加的离心力，消除旋转动量较小的涡旋滞止区，控制涡旋动量在喷管横截面上的合理分布，将气体中冷凝的液滴被分离得更加彻底，从而增强了液滴的分离效率，大大提高了原料气的回收率。
本发明的突出优势在于与传统的气体分离及液化装置相比，本发明装置具有：
1)、回收效率高
在本发明装置中，气流在喷管中的绝热加速，降压，降温，以及随后在扩压器中的减速，升压，升温等热力学过程，全都接近等熵过程，故能量损失很少。因此，本装置不仅比现有的节流膨胀J-T阀效率高，也比节流膨胀机的效率更高。
2)、能耗低
在回收率相同情况下，使用本装置与J-T阀相比，可减少功耗50～70％；用本装置替代膨胀机可减少压缩功耗15～20％；特别是由于技术原因(例如进口压力太高)或在使用膨胀机不经济的情况下，本装置的优势更加突出。
3)、体积小，易成橇
和传统设备相比，本装置工艺流程简化，在装置中可直接制冷、分离、复压，同时完成脱除水分和烃油，不需要附加脱烃装置或其它辅助设备，大大简化了分离工艺和减少了使用设备；因装置布置紧凑占地和占空间少而易于成橇，可方便整体运输和安装，节省初投资费用。
4)、运行成本低
本装置结构简单，能耗低，甚至有些工况无需任何外赋能源；加之运行中无任何耗材，故不需要日常维护值守，所以运行成本低。
5)、无环境污染
本装置一般情况下不需要向气体注入防冻、防腐等化学添加剂，也无有毒有害气体和液体排放，所以对环境不会造成任何污染。
6)、安全可靠
本装置没有任何运动部件，属于静止设备，运行安全可靠，维护简单易行。
附图说明
图1为同心圆截面GWF装置的流道纵剖结构示意图
图2为同心圆截面GWF装置的流道截面涡旋动量分布示意图
图3为本发明实施例非同心变截面GWF装置的喷管流道结构示意图
图4为各制冷装置出口端的气体温度与碳-3以上烃回收关系的比较图
图5为现有技术中吸收吸附法脱水装置工艺路线框图
图6为现有技术中膨胀机、JT阀、制冷机等低温分离法的脱水、脱烃工艺路线框图
图7为GWF装置(同心圆截面GWF和非同心变截面GWF)脱水、脱烃的工艺路线框图
图8为GWF装置喷管中气体压力沿喷管轴线变化的模拟实验数据曲线图
图9为GWF装置喷管中气体温度沿喷管轴线变化的模拟实验数据曲线图
图10为GWF装置喷管中气体密度沿喷管轴线变化的模拟实验数据曲线图
图11为GWF装置喷管中气体马赫数沿喷管轴线变化的模拟实验数据曲线图
图12为本发明实施例非同心变截面GWF装置简要图(其中喷管段3、4、5、6结构采用图3非同心变截面设计)
图中标记：1为装置进口端、2为设置在装置进口端圆管形流道上的涡旋导流器、3为装置喷管流道中的收缩段、4为装置喷管流道的喉部、5为装置喷管流道的扩压段、6为装置喷管流道的工作段、7为连接装置喷管流道的装置扩压段、8为设置在装置扩压段末端的转向装置、9为装置出口端、10为设置在喷管工作段尾部壁面上的液滴分离口、11为套装固定在装置喷管流道外壁上的圆柱形喷管外套管。
从图2看出：装置进口端的涡旋导流器，使沿着流道轴向流动的原料气体转变为涡旋运动，成为具有轴向、圆周切向和离心径向运动的涡旋气流进入装置喷管流道，装置喷管流道的横截面都是圆形截面，在其圆心周围区域由于离心力较小，存在一个旋转动量较小的涡旋滞止区，处于这个区域中的液滴不容易被甩到喷管扩张段和工作段的壁面上而被分离口分流出去，因而阻止了整个装置分离效率的进一步提高。
从图3看出：装置喷管流道的横截面采用非同心变截面设计，使喷管流道各横截面的每个区域都产生附加的离心力，消除旋转动量较小的涡旋滞止区，控制涡旋动量在喷管横截面上的合理分布，由于离心力的增大增强，将气体中冷凝的液滴被分离得更加彻底。
图4给出了J-T阀、透平膨胀机、同心圆截面GWF装置、非同心变截面GWF装置出口端的气体温度，与碳-3以上烃回收率的测量比较图。看出非同心变截面GWF装置分离碳-3以上烃具有明显优势。
从图5看出：常规的吸收、吸附法脱水装置，需消耗外加能源(电能或燃料)；无法适应大范围工况调节；不能同时实现脱水、脱烃而需分别进行(脱烃需增加低温分离装置)。
从图6看出：低温分离法(含膨胀机、JT阀、制冷机等)脱水、烃装置，需消耗外加能源(电能和燃料)；无法适应大范围工况调节；必须设置两套系统——首先脱水、进而脱烃，方能实现分别脱水、脱烃；脱水系统还须添加水合物抑制剂，并设置再生回收系统；脱烃的效率较GWF低(或在相同脱除水、烃效果下，内、外能耗更多)。
从图7看出：GWF装置脱除水、烃，不消耗任何外能；无须添加水合物抑制剂；可适应大范围调节工况；同时实现脱水、脱烃。因此，与图5、图6所示的其它脱水，脱水脱烃装置比较，GWF装置具有回收效率高，能耗低，体积小易成橇，运行成本低，、无环境污染和安全可靠的突出优点。
具体实施方式
非同心变截面GWF装置，整体如图12、喷管段如图3所示：其进口端1连接开采天然气的集气站的高压气源，出口端9连接输出低压天然气的管网，装置的轴线几何尺寸由工作现场确定。依据装置喷管流道3、4、5、6内的气体冷凝速度在-40000℃/s到-20000℃/s之间的要求，确定装置进口端1和出口端9两端的气体压力比，高压气源将具有确定压力、温度、流量和气体组份的原料气体输入装置进口端1，原料气体在进、出口两端气压差作用下产生气流，设置在进口端1圆管形流道上的涡旋导流器2产生不低于105m/s2的离心加速度，将沿着流道轴向流动的原料气体转变为涡旋运动，成为具有轴向、圆周切向和离心加速度不低于105m/s2的离心径向运动的涡旋气流进入装置喷管流道3、4、5、6，在喷管流道5、6内的气体冷凝速度为-40000℃/s到-20000℃/s，可以使喷管流道5、6内的部分组份气体冷凝成足够大的液滴，使气体在喷管流动中同时脱水和脱烃(碳-3以上的烴油)，确保由装置出口端9输出到天然气管网中的天然气不含有液体水和烴油，保障管网低温不冻结，高温防火災。喷管流道是由收缩段3、喉部4、扩张段5和工作段6构成的，其轴线截面的几何形状是基本确定的。喷管流道收缩段3体积大小、气体密度以及喉部4口径大小，决定了由喉部4进入喷管流道扩张段5和工作段6的原料气流速度为高速甚至是超音速气流，决定了装置处理天然气的效率。而对喷管流道，抛弃原有的同轴心圆截面设计，采用非同轴心变形截面的创新设计，控制气体涡旋动量在其横截面上的合理分布，消除喷管流道各横截面中心区域的涡旋滞止区，使在喷管流道各横截面的每个区域都产生了附加的径向离心力，由于离心力的增大增强，可以进一步提高气液分离效率。非同心变截面的喷管流道，其通流截面不再是同心圆，也不一定是任何对称的几何形状，其几何形状将根据实际工况(原料气进口流量、进口温度、进口压力；出口压力、进出口压力比；以及设定喷管的形状和几何尺寸)通过气体热动力学状态方程算法，计算整个喷管流道网格各点的气体压力、温度、速度、离心加速度及气体的组份，获取整个喷管流道最优涡旋气体流场的立体分布构形来确定。进入喷管流道后涡旋气流在收缩段3和喉部4被迅速降温加速，进入扩张段5使涡旋气流快速绝热膨胀加速，同时温度快速降低使气流中的部分组份冷凝成液滴，进入喷管流道工作段6后继续冷凝，液滴尺寸不断增大，含有液滴的涡旋气流在离心力作用下，将液滴抛向流道工作段6的壁面，并将分离出的液体由设置在喷管工作段6尾部壁面上的分离口10管路引出，分离出液体后的原料气进入装置的扩压段7，气流通过扩压段7速度降低恢复了一部分原来进口端1的压力，通过设置在扩压段7末端的转向装置8，将气流的旋转动能转变为轴向动能，最后由装置出口端9将分离后的气体输出至应用气体管网。
实施例 非同心变截面GWF装置(图12、图3所示)
使用地点：南疆库车某集气站
投运时间：2012年10月1日
原料气初始条件及要求：
1.进站压力：2.0～2.2MPa.g
2.进站温度(T0)：≤30℃
3.处理量：6～15×104Nm3/天(0.1MPa，20℃下)
4.水露点(出口压力下)：≤-15℃
5.原料气组份(碳-3及以上的组份总和为5.52％)
组分 气体组成(v％) 组分 气体组成(v％)
甲烷 78.19 异戊烷 0.12
乙烷 10.20 正戊烷 0.11
丙烷 3.88 氮气 3.29
异丁烷 0.47 二氧化碳 2.8
正丁烷 0.94 相对密度 0.706
设定装置设计参数(以处理量13×104Nm3/天为标准工况设定)
1.装置进口参数：
进口流量(G1)：15.3×104Nm3/天(0.1MPa，20℃下)
进口温度(T1)：10～0℃
进口压力(P1)：3.65MPa.g
2.装置出口参数：
出口压力(P2)：2.17MPa.g
进出口压力比：1.65
装置理论计算工况：
工况 工况一 工况二 工况三
原料气量Nm3/天 15×104 13×104 12×104
进口压力P1MPa.G 4.22 3.65 3.07
出口压力P2MPa.G 2.52 2.17 1.82
进口温度T1℃ 10～0 10～0 10～0
出口温度T2℃ 0～-10 0～-10 0～-10
水露点(出口压力下) ≤-15℃ ≤-15℃ ≤-15℃
液烃产量kg/天 5000 3500 3000
实际运行工况：
工况 工况一 工况二 工况三
原料气量Nm3/天 15×104 13×104 12×104
进口压力P1MPa.G 4.22 3.65 3.07
出口压力P2MPa.G 2.52 2.17 1.82
进口温度T1℃ 0～-6 0～-6 0～-6
出口温度T2℃ -10～-15 -10～-15 -10～-15
水露点(出口压力下) ≤-21℃ ≤-21℃ ≤-21℃
液烃产量kg/天 5400 3800 3000
本发明的非同心变截面GWF装置，获得干气的产气率达到98.5％-99.5％；在原料气的组份中，总和为5.52％碳-3以上的组份，通过本装置的分离，去除碳-3以上的液烃量高达4.02％-5.02％。

Claims (1)

1.非同心变截面GWF装置，主要由装置进口端(1)、装置喷管(3、4、5、6)、连接装置喷管的装置扩压段(7)和装置出口端(9)依序一体构成，其中装置喷管依序由其收缩段(3)、喉部(4)、扩张段(5)和工作段(6)一体构成；装置进口端(1)连接高压气源，将具有一定压力、温度、流量和气体组份的原料气体输入装置进口端，在装置进口端(1)的圆管形流道上设置涡旋导流器(2)，使沿着流道轴向流动的原料气体转变为涡旋运动，成为具有轴向、圆周切向和径向离心运动的涡旋气流，进入装置喷管后气体在收缩段(3)和喉部(4)被迅速降压加速，再以高速甚至超音速进入扩张段(5)使气流快速绝热膨胀加速，同时压力及温度快速降低使其部分的组份冷凝成液滴，进入喷管工作段(6)后继续冷凝，液滴尺寸不断增大，含有液滴的涡旋气体在离心力作用下，将液滴抛向工作段(6)的壁面，并将分离出的液体由设置在喷管工作段(6)尾部壁面上的分离口(10)管路引出，分离出液体后的原料气进入装置的扩压段(7)，气流通过扩压段(7)速度降低，恢复了一部分原来进口端(1)的压力，通过设置在扩压段(7)末端的转向装置(8)，将气流的旋转流动恢复为轴向流动，最后由装置出口端(9)将分离后的气体输出至应用气体的管网，其特征在于：
①装置进口端(1)与出口端(9)的气体压力比，决定喷管流道内的原料气体的冷凝速度，为在喷管流道(5、6)内形成足够大的液滴，要求喷管流道内原料气体的冷凝速度在-40000℃/s到-20000℃/s之间，这种冷凝速度可以使在喷管流道(5、6)内流动的原料气体同时脱水和脱烃(碳-3以上的烴油)，依此数据合理设计装置进、出口两端的气体压力比；
②喷管流道收缩段(3)的体积和气体密度以及喷管流道喉部(4)口径大小，决定了由喉部(4)进入喷管流道扩张段(5)和工作段(6)的气体速度是高速还是超音速，从而决定装置处理原料气体的效率；
③涡旋导流器(2)，使气体涡旋流动产生的离心加速度不低于105m/s2，将在喷管流道扩张段(5)和工作段(6)内冷凝形成的液滴，加速抛向喷管流道扩张段(5)和工作段(6)的壁面，依此数据來设计所需涡旋导流器(2)的叶片数和叶片倾角；
④对装置喷管流道(3、4、5、6)采用非同心变截面设计，使喷管流道各横截面每个区域产生附加的离心力，以控制涡旋动量在喷管横截面上的合理分布，从而消除各横截面中心区域的涡旋滞止区，将气体中冷凝的液滴被分离得更加彻底；
装置喷管流道(3、4、5、6)变形截面的形状、大小，喷管流道(3、4、5、6)各段的几何尺寸，通过下述方法确定：
第一步，依据原料进气站提供输入到装置进口端(1)的原料气体的初始条件及要求，包括：依据原料气的进站压力、进站温度、流量(处理量)、进入装置原料气的组份；装置出口端(9)的气体压力及其压力下的水和烃的露点，设定装置的设计参数：包括装置的进口流量、进口温度、进口压力；装置的出口压力、进出口压力比；以及设定装置喷管流道(3、4、5、6)的形状和几何尺寸，包括喷管流道的进口半径R1、喷管流道进口到喉部的距离L1、喷管喉部半径R0、喷管流道的出口半径R2、喷管流道出口到喉部的距离L2、以及分离口到喷管喉部的距离L3；
第二步，依据气体热动力学状态方程算法，计算整个喷管流道(3、4、5、6)网格各点的气体压力、温度、速度、离心加速度及气体的组份，获取整个喷管流道(3、4、5、6)气体流场的立体分布；
第三步，依据第一、第二步获取的数据，计算装置对原料气体的回收率，与预期的设计要求进行优化计算，达到要求终止计算；未达到要求，重新改变喷管流道(3、4、5、6)形状和几何尺寸，重复执行计算喷管流道气体流场立体分布的计算程序，和计算装置对原料气体回收率的计算程序，直到达到设计要求为止；计算获得的装置喷管流道(3、4、5、6)的气体流场立体分布构形，就是满足设计要求的非同心变形截面喷管流道构形，具有这种喷管流道构形的装置喷管，可以控制气体涡旋动量在其横截面上的合理分布，消除喷管流道(3、4、5、6)各横截面中心区域的涡旋滞止区，使在喷管流道(3、4、5、6)各横截面的每个区域都产生附加的离心力，增大增强的离心力加强了液滴的分离效率，大大提高了原料气的回收率。
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