CN1123395C - 产生超声气流的喷嘴和惯性分离器以及超声分离方法 - Google Patents

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Abstract

一种产生超声雾流的会聚-发散形喷嘴，包括：一具有特征直径D*的管口；一具有特征直径D1的入口，定位于喷嘴管口的上游L1处；一具有特征直径D2的出口，定位于喷嘴管口的下游L2远处，其中L2/(D2-D*)的比大于4而小于250；一个基于其上的惯性分离器，以及一种超声分离主要气流中一种或多种组分的方法。

Description

产生超声气流的喷嘴和惯性分离器以及超声分离方法
技术领域
本发明涉及一种产生超声雾流的会聚-发散形喷嘴，一个基于其上的惯性分离器，和一种主要的气流组分的超声分离方法。尤其是，本发明涉及通过冷凝所选的组份并接着分离而从所述气流中分离一个或多个组份。
背景技术
能发现分离应用于不同的工业设置，如油汽工业，化学工业，油漆工业和广泛的多种其它工业。分离能用于各种工业处理，如从烟道气中除去二氧化碳，空调(除水)和在天然气进入管道网之前干燥天然气。
有许多从一气态的或其它流体分离组份的方法和仪器。通常分离仪器的例子包括分裂蒸馏塔，过滤器，薄膜，沉降槽，离心分离机，静电除尘器，干燥机，冷却器，旋风分离器，涡流管分离器和吸收器。但是有与这些通常仪器的相关的缺点和/或问题，这可以使它们对于某种应用不合要求。另外，各种惯性分离器已经在现有技术中描述了，其配备有一超声喷嘴。
JP-A-02017921提到通过使用超声流的一气体混合物的分离。该装置包括一定位于一超声喷嘴上游的涡旋式喷嘴。为了形成细的颗粒，该涡流然后经过一轴流式的对称扩展形喷嘴。涡流在非常长的轴向距离上被保持并产生一大压力点滴。为了从三种组份的气流中分离出一种组份，必须通过该涡旋式喷嘴初始提供一大的上游的涡流，并且因此必须提供系统相当大的能量。
US-A-3559373提到一种超声流分离器，其包括一高压气体入口，一矩形管口，和一U形的横截面为矩形的流道。该流道包括一外部弯曲的渗透壁。气流在亚音速被提供给气体入口。气体通过管口会聚，并进入流道扩展，速度提高到超声速。在超声速区气流的扩展导致微滴聚结，较大微滴通过外部的渗透壁，并被收集在一腔室中。分离边即分出气流的不同相所需的力由流道的曲率半径来决定。但是流道的曲率半径必须受到限制，以制止正常的冲击波。因此，US-A-3559373中所述的装置的形状约束从气流中分出液态微滴的力。另外，横过流道区没有收集液态微滴。
EP-A-0496128涉及一种从一气体混合物中分离一气体的方法和装置。该装置包括一会聚到一喷嘴，然后发散入一涡流区的圆筒。气体以亚音速进入圆筒的一入口端，并流过该喷嘴的会聚部分。气流以超声从会聚部分出来进入发散部分扩展。一对三角板赋予一涡流超声气流。超声和涡流的组合帮助从气流的气体组份中冷凝和分离一凝结的组份。为了使气流的气态组份以超声排出，一出口管在圆筒内中心地定位。液体组份继续通过一第二发散部分，其使速度降到亚音速，并且通过一风扇，最后通过一第二出口排出该圆筒。
国际申请WO99/01194描述了一种类似的将一所选气态组份从含有许多气态组份的液态流中除去的方法和相应的装置。这个装置在收集区的下游配备有一冲击流导流轮，这样的流速的轴向速度减少到亚音速。以这种方式应用一冲击波导致所形成的颗粒的更有效的分离。
这些参照描述了各种超声惯性分离器，但都没有描述要使用的喷嘴的详细说明。
适合惯性分离器的喷嘴的设计的制作与那些用于喷气发动机、推进器等的不同。两者都使用会聚-发散喷嘴(Delaval喷嘴)，它表示在子午线的部分有一最小直径，称为“喷嘴管口”。但是，用作一推进装置的喷泉嘴的发散部分能是一简单的圆锥形发散部分(比较Perry的化学工程师手册，5-32)。为了获得超声雾流(即两相包括流的凝结组份的液/固颗粒，流表现为细颗粒，其与气相一起输送)会聚部分的形状必须是特殊形状的；LIepmann和Roshko给出了设计的方法(气体动力学基础，Wiley，纽约，1957，284页)，在此其内容用作参考。
US专利5261242涉及一种从载液体分离固体颗粒或液态物质的方法和仪器，其使用了一惯性分离器，并且当需要时，在其上游有一喷嘴系统，该喷嘴系统的总的功能是转换运载要吸取的物质的液体为一允许在惯性力下分离该物质的快速气流。根据这个专利，应用一具有特殊剖面的会聚-发散喷嘴(见此US专利附图2)。所述的喷嘴在能量恢复、工业干燥、运载液化的物质的干燥和气体露点的降低、气体净化技术和悬浮颗粒的分离和气体分离部分是有用的。因此，这个专利描述了一种具有一流道的会聚-发散形喷嘴，包括沿液流方向从一管口部向上和向下的流道分别为一会聚和一发散流道部，其中为了使所述区中的压力和流速在喷嘴流道轴线上保持基本上恒定，所述喷嘴流道在所述管口部附近从那儿向上和向下地制成一剖面。
但是，仍然不清楚地是这个喷嘴必须具有什么的形状和尺寸才能实现至少15％的分离效率(空气调节的最小分离效率)，最好至少50％(天然气处理的最小分离效率)，和/或才能提供0.1到2.5微米直径的分离的颗粒。
SU-A-176242和U-A-1722540也公开了超声分离器，但没有涉及喷嘴的几何结构对颗粒生长的影响和分离器的性能。
因此需要一种能克服现有分离方法的缺点和不足的方法和装置，以用受限量的外部能量、旋转部件和压降产生和渐渐变成一容易分离尺寸的颗粒。
发明内容
本发明提供一种产生超声雾流的会聚-发散形喷嘴，包括：
一具有特征直径D*的管口；
一具有特征直径D1的入口，其定位于喷嘴管口上游的L1处；
一具有特征直径D2的出口，其定位于喷嘴管口下游的L2处，其中L2/(D2-D*)的比值大于50，但小于220。
在上述定义和整个说明书中，管口是喷嘴具有最小流动面积的部分，(dD/dx＝0，其中‘dD’是特征直径的递增量，dx指沿轴向坐标位置的递增量)；入口是喷嘴的亚音速流入平面，在此开始会聚(dD/dx￡0)，出口是喷嘴的超声流出平面，在此停止发散(dD/dx30)。同样，为了定义直径与横截面(即与喷嘴轴线垂直的截面)的形状(圆形，矩形等)无关，在上述限定和整个详述中使用词语“特征”。特征直径等于4倍的横截面面积除以周长。
本发明还提供了一种用于一主要气流的组份的超声分离的惯性分离器，包括如上所述的喷嘴，和一在其下游的具有要分离的组份的一个出口的分离部件，和至少一剩余气流的出口。
对于上述定义和整个说明书的词语“主要气流”指可以具有较少量液体或固体的流，如一气流包括0-10％wt液体和/或固体。
最后，本发明还提供使用上面所述的一惯性分离器从一种还包括一载气体的主要气流中分离一个或多个组份的超声分离方法。
具体实施方式
使用在前所述的一喷嘴可以形成具有可分离的尺寸的颗粒。由于气流等熵膨胀，通过降低温度使一个或多个组份从主要气流中冷凝出(和在一些例子中是凝固)而形成这些颗粒。(词语等熵’指‘对于空间或时间熵是相等或恒。’)
因此本发明基于一前部长度/直径比是一定范围的超声喷嘴，可以实现一惯性分离器的效用取决于颗粒的直径和惯性分离器的直径。合适的喷嘴具有一长度/直径比是50＜L2/(D2-D*)＜220，最好是100＜L2/(D2-D*)＜200。如果这个比太小，那么颗粒尺寸变得太小，以致于受到惯性力、或膨胀远离等熵。如果这个比太大，那么膨胀将不继续超声状态。已经发现特别适合的喷嘴，其等熵效率达到η＞15％，其具有一长度/直径比L2/D*小于300。
喷嘴横截面可以具有任一形状，如圆形，矩形或更多的复杂形状。从生产的视点看，前两者最好。
本发明的喷嘴可以用在具有一曲线分离部分的惯性分离器(例如如GB-A-1103130，US-A-4292050，US-A-5261242或US-A-3894851所述的，其公开内容作为参考)，也可以用在依赖离心分离作用的惯性分离器(例如如JP-A-02017921，EP-A-0496128或WO99/011994所述的，其公开内容作为参考)。因此，本发明的一惯性分离器包括一如上定义的喷嘴和一其下游的分离部分，具有至少一个这个或每个要分离的组份的出口和至少一个剩余气流的出口。
最好惯性分离器是那些依赖离心分离作用的分离器。在这样的分离器中，通过气流(涡旋液流)的涡流运动，液体或固体颗粒漂到气流的外径向部分。最好这些惯性分离器在分离部分的上游和喷嘴的下游，在称为通道的分离器部分中具有一涡流导流轮。但是，也可在喷嘴(亚音速)前或甚至在喷嘴中(不是亚音速就是超声)具有一涡流导流轮。特别好的是EP-A-0496128和WO99/01194中所描述的惯性分离器，其中涡流导流轮包括一个或多个三角形元件，它们从惯性分离器的内壁向内径向凸出，其导向边和平面与惯性分离器的轴向坐标的入射角不大于10°。应该理解为通过各种其它方法也能形成涡流，如改变通道的几何结构，该通道可选地包括具有曲线或凹痕的壁；使用一扭曲的线圈为通道；使用一处于通道内侧的扭曲的线圈；使用一非轴向对称通道；使用一弯曲的带有一多孔壁的通道；使用一螺旋形缠绕形状，以在进入喷嘴前产生一涡流；或使用一矩形涡流管。另外，为了在超声通道内导出一涡流，可以使用各种不同翼的几何结构，如一扭曲翼，一拱形翼，或一小翼。其它的产生一涡流的例子包括引入一穿过喷嘴(亚音速区)的向上的一旋涡，如一翼，一定轮或一切线方向的入口。也可以通过一外部提供的旋转力在该通道内形成该涡流，如旋转管或杆(即马格鲁斯效应)。另外，可以使用超声通道的本地加热和/或冷却，这样产生一涡流(即熵和焓分布)。
为了在一旋涡内分离凝结的颗粒，微滴必须达到管的壁，即它们必须移动达到旋涡分离仪器的通道的内部半径的一半。但是，如果在超声喷嘴内形成的微粒太小，它们将不能达到该壁，而替代为第一次达到通道内的旋涡的离心力和向内拉力间的平衡点。
为了实现可分离的颗粒具有从大约0.1微米到大约2.5微米的尺寸，最好是0.1微米到0.5微米的尺寸，已经发现冷却速度能从大约-100000°K/s到大约-1000°K/s，最好是从大约-50000°K/s到大约-2500°K/s变化。例如，对于一周围的气/水混合物，已经发现下面的冷却速度和微滴尺寸的相互关系：
冷却速度：              微滴平均直径
-50000°K/sec           0.2微米
-40000°K/sec           0.5微米
-20000°K/sec           1.0微米
同样已经发现可能根据冷却速度(dT/dt以°K/s为单位)和D2(以mm为单位)间的关系来定义超声喷嘴。因此，用这样的喷嘴已经发现好的结果，其中双log积，log(D2)*log(dT/dt)是从3到50的范围内，更好的处于3到30的范围内，最好在3到15的范围内。‘冷却速度’可以用实验方法来确定，或通过改变喷嘴几何结构来设计。
理想地，惯性分离器在喷嘴的下游配备有一冲击波发生器，如一扩散器(即一发散/会聚形喷嘴)。冲击波发生器可以处于分离部分的上游或下游。
发明人已发现如果在一冲击波、即在亚音速流而不是超声流中的冲击波后，在收集区内发生颗粒的收集，那么分离效率相当高。冲击波使相当大量的气流的动能耗散，由此大大地降低了液体的轴向组份的速度，而切向组份(由涡流发生器引起的)的速度基本上仍未改变。结果收集区的径向外部部分中的颗粒的密度大得高于管道内的其它地方的密度，在管道中流动是超声的。人们相信由大大降低的轴向液体速度带来的这种结果，由此由气流的中心“核心”所带走颗粒的趋向减少，在气流的中心“核心”液体的轴向速度比管道壁附近的高。这样，在亚音速流状态，作用于凝结的颗粒上的离心力没有达到一大的由气流的中心“核心”的带走作用而反作用的范围上，以致于允许颗粒在它们被提取的收集区的径向外部部分中凝聚。
在一优选仪器中，通过使液态气流流过一扩散器而产生该冲击波。当能使用任一扩散器时，一合适的扩散器是一超声扩散器。在一有利的实施例中，收集区位于该扩散器的出口旁。
另外，通过其它装置能形成该冲击波，如通过在管道的内部放置一杆状物、一锥形物、一叶片等而制造一流动的障碍物，并由此产生一冲击波。
通道的惯性分离器的下游的最后部分包括分离部分。最好使用一配备有一涡流发生器的惯性分离器，由此也配备从气流中收集凝结物的一收集管(比较EP-A-0496128和WO99/01194)，应该理解为本发明不受此限定。例如，可以通过下面的方法收集凝结的分离的组份，通过从一固定壁提取凝结的组份，通过凝结组份流过狭缝或分离器壁上的孔；通过借助多孔壁提取液态层和边界层(即减少临界温度的增量)；通过使用微孔材料，通过毛细作用吸收液体；通过用溶剂循环提取边界层；通过膜溶解/吸收；通过从旋转壁提取，如一带有狭缝/孔/多孔材料提取，或通过冲击器(即伴流(wake)，过滤器或锥形冲击器)。
在此上面所描述的惯性分离器可以用于与本说明中所引用的参考相同的目的。其尤其适合于天然气的处理。
在此术语“天然气”一般指从地下各积聚物生产出的气体，该积聚物具有广泛地变化的成份。除碳氢化合物外，天然气一般包括水，氮，二氧化碳，有时有少量的氢化硫。天然气中主要碳氢化合物是甲烷，链烷烃(paraffin)系列的碳氢化合物的最轻和最下的沸腾部分。其它的成份为乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、正乙烷、庚烷等。较轻的成份即C2-C4碳氢化合物在常温和常压下是气相。较重的成份在常温和常压下是液相，在从地下的生产过程中，在上升的温度下是气相。含有这样的较重成份的天然气被认为是“湿气”。什么都不含或只含小比例的较重液态碳氢化合物的天然气被认为是“干气”。
参照下面的实例进一步解释本发明。应该理解所例解的气-水混合物的关系也可以为其它的气态混合物所持有。本发明不受下面所描述的特殊实例的限制。
实例1
描述了一用于在周围环境中分离水蒸气的示例的管道。能使用该仪器，从中央空调器中的空气抽出水分，或从干燥室中排出空气。为了达到所想要的温度一般必须分离15％到30％的水蒸气。在这些应用中的空气流速一般是10000到大于100000m3/hr的顺序。
在这个仪器中，通过一吹风机对空气加压到1.4巴，然后在25-30℃间冷却，在此空气接近饱和度(RV＝90％)。然后输送空气到本发明的仪器，在此分离带有少量滑动空气(slip air)的水液体，其中滑动空气与水液流一起到来。
但是本实例的仪器具有一管状的流量管，但是对于矩形或对称管的横截面也可获得类似的结果。仪器的入口状态概述如下：
1.质量流速：1.2kg/s
2.入口压力：140Kpa(1400mbar(a))
3.入口温度：25℃
4.入口湿度：90％
该仪器实现水蒸气的冷凝，导致生成含有大量水微滴的气流，一般为1013/m3。发现最终温度和压力是-28℃和68Kpa(680mbar(a))，导致可忽略地小的水蒸气微量。
喷嘴的管口直径大约是70mm。入口直径是300mm。喷嘴出口直径是80mm，而获得超声流动状况，一般Mach数是M＝1.15。喷嘴的长度(L1和L2)是：
L1：700mm：从喷嘴入口到喷嘴管口
L2：800mm：从喷嘴管口到喷嘴出口
为了减少摩擦损失，选择小的壁的粗糙度，即1微米。根据本应用，只要考虑上述设计的参数，能将任一刚性材料用作喷嘴装置。
惯性分离器也包括一分离部分，包括一稍微锥形的涡流管和其下游的一扩散器。
在涡流管中内部有一翼状的旋涡。在这个翼的边上，最好是后边上在上侧(低压)有一涡流，该涡流从该平面流出。翼的绳索固定到涡流管的内壁上。涡流管的入口直径是80mm，其在大约翼的绳索的长度上线性增加到84mm，在翼后其直径是恒定的。从翼顶点到翼的后边的长度大约为300mm，与从翼后边到扩散器的长度相同。
在后边翼的跨度大约是60mm，翼绳索到管的轴线的入射角为8°。前缘的后掠角是87°，后边的后掠角是40°。翼边是有棱角的，具有一小于3°的顶角。翼平面是平的，由于厚度小，一般在根部大约为4mm，其外形相当细长。结果，循环量或整体旋涡状态大约是16m2/s。
在排出部分，液体从涡流管分离出。排出部分不是明显的区别装置，而是借助狭缝，多孔材料，涡流管壁内的孔的该涡流管的一体的部分；或是借助一涡流探测器(finder)(同轴管)是该扩散器的一体部分。在这个实例中，使用一涡流探测器并在管中冲击波后对中地放置，它直接呈现在第一扩散器部件内的涡流管后。
扩散器出口直径等于90mm，涡流探测器的入口直径是85mm。扩散器的扩张角的一半是4°。在这个例子中涡流探测器的出口直径是300mm，其长度是1500mm。
借助两个在进气口和干燥的空气出口处的湿度传感器检测装置的性能，然后通过温度和压力的测量进行修正。进水微量的一般值是每kg干燥空气18-20克水蒸气。进水微量的一般值是每kg干燥空气13-15克水蒸气。这能被表示为分离效率大约是25％。
实例2-4
进行用不同尺寸的喷嘴从一天然气流提取重碳氢化合物的试验。其结果和实例1的那些一起在表1中示出。
应该理解在实施本发明中可以采用在此所描述的实施例的各种替代物。例如，尽管本发明的操作已经描述从一气态流中分离一凝结的液态组份，但本发明等同地好地应用于从一液态流中分离液态组份，从一气态流中分离液态组份，和从一液态流或气态流中分离固态颗粒。同样，上述处理只是可以使用的许多处理的一些例子。
                                           表1
实例 1 2 3 4
供给 空气+水蒸气 天然气 天然气 天然气
入口压力Mpa(绝对的) .14 9.8 9.8 9.8
入口温度 25℃ -6℃ -6℃ -6℃
流量 1.2Kg/s 3*106(n)m3/天 3*106(n)m3/天 1*106(n)m3/天
D1mm 300.0 150.0 150.0 100.0
D*mm 70.0 42.9 41.8 24.4
D2mm 80.0 45.0 45.0 25.6
L1mm 700.0 437.2 86.9 232.3
L2mm 800.0 440.8 114.7 234.2
L2/(D2-D*) 80 210 35.8 195
DT/dt°K/s 19000 17000 100000 32000
颗粒直径微米 1.20 0.30 0.08 0.24
Log(D2)*log(dT/dt) 8.14 6.99 8.27 6.34
分离效率％ 25 55 22 68

Claims (14)

1.一种产生超声雾流的会聚-发散形喷嘴，包括：
一具有特征直径D*的管口；
一具有特征直径D1的入口，定位于喷嘴管口的上游L1处；
一具有特征直径D2的出口，定位于喷嘴管口的下游L2处，其中L2/(D2-D*)的比大于50而小于220。
2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，L2/(D2-D*)的比大于100而小于200。
3.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴的所述长度L2与所述喷嘴直径D*的比小于300。
4.一种从主要气流中超声分离一组份的惯性分离器，包括一如上面任一权利要求所要求的喷嘴，和一在其下游具有至少一个要分离组份的出口的分离部分和至少一个剩余气流的出口。
5.根据权利要求4所述的惯性分离器，其特征在于，分离部分的上游和喷嘴的下游有一涡流导流轮。
6.根据权利要求5所述的惯性分离器，其特征在于，涡流导流轮包括一个或多个从惯性分离器的内壁径向向内凸出的三角形部件，其前边和平面对于惯性分离器的轴向坐标的入射角不大于10°。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的惯性分离器，其特征在于，在喷嘴的下游有一冲击波发生器。
8.根据权利要求7所述的惯性分离器，其特征在于，冲击波发生器是一处于分离部分的上游或下游的扩散器(发散/会聚形喷嘴)。
9.一种使用一如权利要求4-8的任一个的惯性分离器从一主导气流中超声分离一组份的方法。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，主要气流包括甲烷和碳氢化合物和/或水蒸气的混合物。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，主要气流包括一烟道气，并且要提取的所述组份从CO2，N2，NOx和H2S组中选择。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，分离所述组份成具有从0.1微米至2.5微米的颗粒尺寸的微滴，最好是从0.5微米至1.0微米的颗粒尺寸的微滴。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，分离所述组份成具有从0.5微米至1.0微米的颗粒尺寸的微滴。
14.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，在所述喷嘴的长度L2上温度的变化是从-10000°K/s到-1000°K/s。
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