CN109569155A - 一种组合式超音速气体冷凝分离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组合式超音速气体冷凝分离装置，包括超音速分离器和凝液收集装置，超音速分离器包括旋流发生器扩张段、拉伐尔喷管扩张段、分离段扩张段和扩压器，旋流发生器与拉伐尔喷管扩张段相连，旋流发生器的外周设置有可以更换的插入式旋流叶片扩张段，待处理气体流经旋流发生器扩张段产生旋转流场；再流经拉伐尔喷管扩张段的收缩部分达到超音速状态，发生凝结现象；分离段扩张段的前部设置在拉伐尔喷管扩张段的喉部，分离段设置有湿气出口扩张段，内壁凝结的凝液从湿气出口排出；干燥气体经过扩压器恢复压力后，从干气出口扩张段排出，扩压器设置在拉伐尔喷管扩张段的扩张部分。

Description

一种组合式超音速气体冷凝分离装置
技术领域
本发明涉及的组合式超音速气体冷凝分离装置属于冷凝分离技术领域。本发明是一种通过气体加速降温，在旋流场中实现多组分气体分离的冷凝分离装置。
背景技术
混合气体的分离广泛地存在于各个领域，比如食品、天然气、化工和石油等领域。从天然气的气田中开采出的混合天然气中含有水蒸气、二氧化碳和硫化物等混合气体，并且湿蒸汽一般都处在高饱和的状态，所以容易对运输管道造成堵塞或者腐蚀等破坏。因此，脱除水和液泾是天然气生产中的必要环节。
天然气脱水的主要方法吸收法、温降法、吸附法以及膜分离法等。溶剂吸收法存在工艺技术复杂、设备设置繁多、系统庞大并且投资费用高等缺点。温降法采用的制冷设备主要是节流阀及透平膨胀机，节流阀的不可逆性会造成能量损失，透平膨胀机的制造难度较大、可靠性差，因为其有高速运动部件。固体吸附法的吸附剂易中毒和破碎粉化，再生时耗热量高；对于大型设备，其投资和操作费用高。膜法天然气脱水存在着渗透过程中烃损失相对较大，水汽对聚合物膜会产生塑化与溶胀作用等缺陷。
超音速分离器是基于气体动力学以及热力学的研究而开发出的新型利用超音速产生低温环境的一种冷凝分离技术。超音速旋流分离器是采用低温冷凝方法的一种静设备，其优点是无需昂贵的添加物，设备工艺及结构简单，等熵效率高且压降较小等。但该技术的研究历史还不长，此技术具有很好的研究前景，但是我国对此项技术的研究才刚起步，依然处于初期阶段，尚停留在气体超音速流体过程中的流动特性和装置雏形结构研究上。目前仍存在诸多问题尚待解决，如：中心体与外部套筒固定方式比较复杂，加工难度大；湿气出口会有大量气体被带出导致分离效率较低等。
发明内容
本发明的目的是为了弥补目前超音速分离器现有技术的不足，提供一种轻量型、结构简单、性能优良的超音速分离器，为进一步轻量化现有超音速分离器结构、降低加工难度提供一种可行方案。在此基础上，凝液收集装置的设计，为进一步提升现有超音速分离器分离效率低的问题提供一种可行方案。技术方案如下：
一种组合式超音速气体冷凝分离装置，包括超音速分离器和凝液收集装置，其特征在于，超音速分离器包括旋流发生器扩张段、拉伐尔喷管扩张段、分离段扩张段和扩压器，旋流发生器与拉伐尔喷管扩张段相连，旋流发生器的外周设置有可以更换的插入式旋流叶片扩张段，待处理气体流经旋流发生器扩张段产生旋转流场；再流经拉伐尔喷管扩张段的收缩部分达到超音速状态，发生凝结现象；分离段扩张段的前部设置在拉伐尔喷管扩张段的喉部，分离段设置有湿气出口扩张段，内壁凝结的凝液从湿气出口排出；干燥气体经过扩压器恢复压力后，从干气出口扩张段排出，扩压器设置在拉伐尔喷管扩张段的扩张部分；从湿气出口扩张段排出的气体经过凝液收集装置对凝液进行吸附后与干气出口扩张段的干燥气体汇集到一起。
优选地，凝液收集装置包括进气口、排污口、孔板和导流板，其流道里填充有吸附球，用以填充并吸收更多的凝液，流道里设置有导流板，使得气体可以更长时间的停留在凝液收集装置中，在液滴收集装置的出口处设有网状结构的孔板，网孔直径小于吸附球直径，仅让气体流过而防止干燥剂也被气体夹带出去。
旋流发生器扩张段0的旋流叶片扩张段，入口锥角为0°，出口锥角为50°至80°。
拉伐尔喷管的收缩段扩张段入口等效截面积为喉部扩张段等效截面积的2至4倍，扩张段扩张段3出口等效截面积为喉部扩张段等效截面的1.5至2倍。
分离段的分离截面扩张段2处的干气口扩张段和湿气口扩张段的等效截面积比为3至5倍，湿气口扩张段的锥角为30°至40°，干气口扩张段4的锥角为10°至20°。
综上所述，本发明组合式超音速气体冷凝分离装置优点如下：
1.具有超音速分离器原有的体积小、效率高、成本低等优点，在此基础上，优化了超音速分离器的结构，采用了高效的固定方式，使本发明所述超音速分离器具有轻量性、可塑性和多样性等特点。
2.湿气出口处凝液收集装置的设计提高了本发明组合式超音速气体冷凝分离装置的处理效率，为进一步提升现有超音速分离器分离效率低的问题提供一种可行方案。
附图说明
图1为组合式超音速气体冷凝分离装置结构图；
图2为超音速分离器结构图；
图3为分离截面结构图；
图4为中心体结构图；
图5为凝液收集装置结构图。
附图标记说明如下：超音速分离器10、旋流发生器110、插入式旋流叶片111、旋流叶片固定支架112、拉伐尔喷管120、收缩段121、喉部122、扩张段123、分离段130、分离段与拉伐尔喷管连接点131、分离截面132、分离段与扩压器连接点133、干气口134、湿气口135、扩压器140、分离装置入口151、湿气出口152、干气出口153、中心体160、中心体拉伐尔喷管喉部处161、中心体分离截面处162、十字支架170、支撑杆171、固定圈172、凝液收集装置20、进气口21、排污口22、流道23、孔板24、导流板25
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见图1，组合式超音速气体冷凝分离装置由超音速分离器10和凝液收集装置20组成。超音速分离器10主要由旋流发生器110、拉伐尔喷管120、分离段130和扩压器140组成。待处理气体从组合式超音速气体冷凝分离装置入口151进入装置，气体流经旋流发生器110，产生旋转流场；由于拉伐尔喷管先收缩再扩张的特殊结构，气体流经拉伐尔喷管120会加速、降温，达到超音速状态，发生凝结现象；在旋转流场中，凝结产生的小液滴不断碰撞、聚并，由于离心作用，被甩壁面处，并在气流的带动下继续流动；在分离段130处，壁面处的凝液在部分气流的带动下，从湿气出口152排出；干燥气体经过扩压器140恢复压力后，从干气出口153排出。从湿气出口152排出的气体含有大量凝液，经过凝液收集装置20对凝液进行吸附后与干气出口153的干燥气体汇集到一起。
参见图2，超音速分离器10的旋流发生器110采用了插入式旋流叶片111，旋流叶片固定支架112位于旋流叶片的首尾两端，插入到中心体中，便于更换不同结构的旋流叶片，以改变流场的旋转强度。旋流叶片数6至8片，厚度为2至3毫米，入口锥角为0°，出口锥角为50°至80°，其界面截图如A-A所示。拉伐尔喷管120由收缩段121，喉部122和扩张段123组成，其中，收缩段121入口等效截面积通常为喉部122等效截面积的2至4倍，扩张段123出口等效截面积通常为喉部122等效截面的1.5至2倍。分离段130与拉伐尔喷管120和扩压器140均为法兰连接，以方便各位置结构的更换，连接点为分离段与拉伐尔喷管连接点131和分离段与扩压器连接点132。干气出口153用内嵌式十字支架固定中心体160，十字支架170由4个支撑杆171组成，固定圈172内嵌入干气出口153的法兰上，当法兰与后方法兰连接时，内嵌式十字支架也得到了固定，其截面积图如B-B所示。
参见图3，分离截面132处干气口134和湿气口135的截面积比与分离装置的分离效率密切相关，干气口134和湿气口135的等效截面积比通常为3至5倍，湿气口135的锥角一般为30°至40°，干气口134的锥角一般为10°至20°。
参见图4，中心体160为一体式，中心体拉伐尔喷管喉部处161和中心体分离截面处162均为光滑过渡，确保了内部流畅的稳定。
参见图5，进气口21与湿气出口152相连，以处理含有凝液的含湿气体，提升装置的分离效率。凝液收集装置20由进气口21、排污口22、孔板24和导流板25组成。凝液收集装置流道23里放置三氧化二铝吸附球，可以更好地去填充并吸收更多的凝液，凝液收集装置流道23里放置导流板25，采用半圆形结构，使得气体可以更长时间的停留在凝液收集装置中，以及防止气体速度太快影响收集液滴。在液滴收集装置的出口处的孔板24是网状结构，网孔直径小于三氧化二铝吸附球直径，仅让气体流过而防止干燥剂也被气体夹带出去。

Claims (5)

1.一种组合式超音速气体冷凝分离装置，包括超音速分离器和凝液收集装置，其特征在于，超音速分离器包括旋流发生器扩张段、拉伐尔喷管扩张段、分离段扩张段和扩压器，旋流发生器与拉伐尔喷管扩张段相连，旋流发生器的外周设置有可以更换的插入式旋流叶片扩张段，待处理气体流经旋流发生器扩张段产生旋转流场；再流经拉伐尔喷管扩张段的收缩部分达到超音速状态，发生凝结现象；分离段扩张段的前部设置在拉伐尔喷管扩张段的喉部，分离段设置有湿气出口扩张段，内壁凝结的凝液从湿气出口排出；干燥气体经过扩压器恢复压力后，从干气出口扩张段排出，扩压器设置在拉伐尔喷管扩张段的扩张部分。从湿气出口扩张段排出的气体经过凝液收集装置对凝液进行吸附后与干气出口扩张段的干燥气体汇集到一起。
2.根据权利要求1所述的分离装置，其特征在于，凝液收集装置包括进气口、排污口、孔板和导流板，其流道里填充有吸附球，用以填充并吸收更多的凝液，流道里设置有导流板，使得气体可以更长时间的停留在凝液收集装置中，在液滴收集装置的出口处设有网状结构的孔板，网孔直径小于吸附球直径，仅让气体流过而防止干燥剂也被气体夹带出去。
3.根据权利要求1所述的分离装置，其特征在于，旋流发生器扩张段0的旋流叶片扩张段，入口锥角为0°，出口锥角为50°至80°。
4.根据权利要求1所述的分离装置，其特征在于，拉伐尔喷管的收缩段扩张段入口等效截面积为喉部扩张段等效截面积的2至4倍，扩张段扩张段3出口等效截面积为喉部扩张段等效截面的1.5至2倍。
5.根据权利要求1所述的分离装置，其特征在于，分离段的分离截面扩张段2处的干气口扩张段和湿气口扩张段的等效截面积比为3至5倍，湿气口扩张段的锥角为30°至40°，干气口扩张段4的锥角为10°至20°。
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