CN1145513C - 从流体中除去气体成分的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种从流体喷流中除去选定气体成分的方法，该流体中包含多种气体成分。喷流被引导以超音速流过管道，以便将流体的温度降到选定的温度以下，在该选定温度下，所选定的成分发生凝结或者固化，由此形成选定成分的微粒，管道有螺旋运动发生装置，以使流体喷流产生螺旋运动，因而在喷流中引导微粒流向收集区的径向靠外的区域。在喷流中产生激波以便将喷流的轴向速度降至亚音速，微粒由收集区的径向靠外的区域抽进出口喷流中，其中激波在螺旋运动发生装置的下游且在收集区上游处产生。
Description
技术领域
本发明涉及从流体喷流中除去一种或多种气体成分，本发明尤其涉及通过将流体温度降到选定温度值以下和从喷流中分离出微粒以除去流体喷流中的气体成分，在该选定温度值处所选择的成分凝结或者固化，由此形成所选择成分的微粒。这样的分离作用应用于多种工业生产方法中，例如从废气中除去二氧化碳，在空气调节中(除水)和在煤气输进管道网前的天然气的干燥。术语“天然气”是指在地下聚集产生的有多种成分的气体。除了碳氢化合物，天然气通常还包括氮气、二氧化碳，有时有少量的硫化氢。主要的碳氢化合物是甲烷，是碳氢化合物烷烃系列中最轻和沸点最低的成员。其它的组分是乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷等。较轻的组分，例如丁烷以上的，在大气温度和压力条件下是气态。较重的组分在从地下产生而升高温度时是气态，在气体混合物冷却后是液态。包括这些较重的组分的天然气被称为“湿气”以区别于不包括或者只包括很少量的液态碳氢化合物的干气。
背景技术
荷兰专利申请No.8901841披露了一种从包含多种气体成分的流体喷流中除去选定气体成分的方法，其中，喷流被引导以超音速流过管道，以便将管内的流体温度降至选定成分的凝结点以下，因而形成选定成分的凝结微粒。管道有涡流发生装置以使超音速流动的流体喷流产生涡流运动。凝结微粒从喷流径向靠外的区域吸入第一出口喷流，剩余的流体从喷流的中心部分集合成第二出口喷流。在所述径向靠外区域和所述中心部分，喷流的速度是超音的。
NL-8901841所披露的从气体混合物中分离气体的装置的实施例中，在第一和第二出口喷流内生成分离激波，引起相当大的流体流阻。而且，分离效率低，因此相当数量的凝结微粒仍在第二出口喷流中。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的方法和装置以便从包含多种气体成分的流体喷流中除去一种气体成分。
根据本发明，提供了一种用于从包含多种气体成分的流体喷流中除去选定气体成分的方法，该方法包括以下步骤：
-引导所述流体喷流以超音速流过管道，以便将流体的温度降至选定温度值以下，在该选定温度值，选定成分产生凝结或者固化，以形成选定成分的微粒，管道有涡流发生装置以便使流体喷流产生涡流运动，因而在喷流中使微粒流向收集区的径向靠外的区域；
-在喷流中产生激波，以使流体的轴向速度降至亚音速；
-将微粒从收集区的所述径向靠外的区域吸入出口喷流中，其中在涡流发生装置下游且在收集区上游处产生激波。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于从包含多种气体成分的流体喷流中除去选定气体成分的装置，包括：
-引导所述喷流超音速流过管道以便将流体温度降至选定温度值以下的装置，在该选定温度值，所选定成分发生凝结或者固化，由此形成选定成分的微粒，管道有涡流发生装置以使流体喷流产生涡流运动，从而在喷流中使微粒流向收集区的径向靠外的区域；
-在喷流中产生激波以使流体轴向速度降至亚音速的装置；
-将微粒从收集区的所述径向靠外的区域吸入出口喷流中的装置，其中产生激波的装置布置为在涡流发生装置下游且在收集区上游处产生激波。
可见如果收集区内的微粒聚集发生在激波下游，即在亚音速流体中，而不是在超音速流体中，分离效率会显著改善。这是因为激波吸收了喷流的大部分动能，因此大大降低了流体速度的轴向分量，而切向分量(由涡流发生装置产生)基本保持不变。因此在收集区的径向靠外区域，微粒的浓度显著高于通道的其它区域，该通道处于超音速流动区。可以认为这一效果是由于轴向流动速度大幅度降低而使微粒被喷流中心的“核心”所夹带的趋势减小，在喷流中心的“核心”处，流体流动的轴向速度高于靠近通道壁处。因此，在亚音速流动区，凝结微粒所受的离心力作用不会被喷流中心的“核心”的夹带作用大幅度抵消，因此微粒可以聚集在收集区的径向靠外的区域，微粒从该区域抽出。
最好是通过引导流体喷流流过扩压器产生激波。合适的扩压器是超音速扩压器。
在优选实施例中，收集区位于靠近扩压器出口末端处。
通过将收集了微粒的出口喷流引入气/液分离器以使出口喷流的气体馏份与液态馏份分离，可以对流体喷流进行进一步干燥。
更好的是，将出口喷流的气体馏份与流体喷流混合，该流体喷流被引导以超音速流过管道。
适合于引导喷流以超音速流动的装置包括管道的拉法尔管进口(Lawal-type inlet)，其中，扩压器的最小横截面流道面积大于拉法尔管进口的最小横截面流道面积。
在本发明的优选实施例中，流体由天然气构成，该天然气产于地层中，所述选定温度由选定成分的凝结点确定，在该凝结点，选定成分形成冷凝微粒，该微粒聚集于液体出口喷流中。
例如，选定成分是乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷和辛烷中的一种或者多种。
通过实施例并参照附图将更详细的介绍本发明。
附图说明
图1所示为本发明第一实施例的纵剖示意图；以及
图2所示为本发明第二实施例的纵剖示意图。
具体实施方式
图1中所示管道为末端开口的管状壳体1的形式，该末端开口的管状外壳1有在壳体一端的流体进口3，靠近壳体另一端有基本用于液体的第一出口5，在壳体的所述另一端还有基本用于气体的第二出口7。装置1中的流动方向是从进口3流向第一出口5和第二出口7。进口3是拉法尔管形管，在流动方向上具有收缩-扩散形状的纵向剖面，因此使得通过所述进口3流入壳体的流体喷流成为超音速流。壳体1还有第一圆柱体部分9和扩压器11，第一圆柱体部分9位于进口3和扩压器11之间。一个或者更多(例如四个)三角形的叶片15径向朝内从第一圆柱体部分9的内表面伸入，各叶片15与流动方向成选定角度布置在壳体内，以便使超音速流体流过壳体1的第一圆柱体部分9时产生涡流运动。
扩压器11在流动方向上具有收缩-扩散形状的纵向剖面，限定了扩压器进口17和扩压器出口19。扩压器的最小横截面的流道面积大于拉法尔管形进口3的最小横截面的流道面积。
壳体1还包括第二圆柱体部分17，该第二圆柱体部分17的流道截面面积大于第一圆柱体部分9，且该第二圆柱体部分17以与扩压器11相连的方式布置在扩压器11的下游。第二圆柱体部分17有纵向的液体出口槽18，该槽18布置在离扩压器出口19的合适距离处。
液体出口腔21包围着第二圆柱体部分17，并有前述的基本用于液体的第一出口5。
从第二圆柱体部分17流出就进入前述的基本用于气体的第二出口7。
现在介绍用于干燥天然气时装置1的标准工作过程。这仅仅是举例，装置1也适用于其它的处理方式，其中被处理的气体也可不是碳氢化合物。
包括较轻的和较重的气体成分，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷等的天然气喷流引入拉法尔管形进口3。当流体喷流流过进口3时，喷流被加速成为超音速流。由于喷流的速度剧烈增加，喷流的温度降到较重的气体成分(例如戊烷、己烷等)的凝结点以下，因此该较重的气体成分凝结成大量的液体微粒。当喷流沿三角形叶片15流动时，喷流生成涡流运动(由螺旋线22表示)，这样，液体微粒受到径向向外的离心力的作用。当喷流进入扩压器11时，在靠近扩压器11的出口19的下游处产生激波。激波消耗了喷流的大量动能，因此大幅度降低了流体速度的轴向分量。因为大大降低了流体速度的轴向分量，喷流的中心部分(或者说“核心”)以降低了的轴向速度流动，因此减小了喷流的中心部分带着凝结微粒流进第二圆柱体部分17的趋势。因而凝结微粒能够聚集在第二圆柱体部分17内的喷流收集区的径向靠外的区域。聚集的微粒形成液体层，再通过出口槽18、外腔21和基本用于液体的第一出口5将该液体层从收集区抽出。
干燥过的天然气通过基本用于气体的第二出口7排出。
图2所述为实现本发明的装置的第二实施例，该装置有末端开口的管状壳体23，该壳体23的一端有拉法尔管形流体进口25，壳体的另一端有基本用于液体的第一出口27。装置内的流体流动方向由箭头30表示。从进口25到液体出口27，壳体有第一基本圆柱体部分33，扩散扩压器35，第二圆柱体部分37和发散部分39。三角形叶片41在第一圆柱体部分33中径向向内伸出，叶片41与流动方向成选定角度布置在壳体内，以便于通过壳体23的超音速流体产生涡流运动。基本用于气体的管形第二出口43穿过第一出口27同轴地伸进壳体中，并在第二圆柱体部分37的下游末端有进口开口45。出口43内部有整流栅(未示出)，例如叶片式整流栅，以便将气体的涡流转变为直流。
第二实施例的标准工作过程基本与第一实施例的标准工作过程类似，即在第一圆柱体部分33内产生超音速涡流，在靠近从扩压器35到第二圆柱体部分37之间的过渡区处产生激波，在第二圆柱体部分37中生成亚音速流动，液体通过第一出口27排出，干燥后的气体通过第二出口43排出，通过整流栅，气体涡流在第二出口43内转变为直流。
在上述说明中，壳体、第一圆柱体部分、扩压器和第二圆柱体部分是环形横截面。以上各部分也可以是其它的合适的截面形状。而第一和第二圆柱体部分也可以不是圆柱体形状，例如截锥形状。而且扩压器也可以为其它合适的形状，例如没有收缩部分(如图2所示)，特别适用于低超音速流体。
各叶片也可以不是布置成相对于壳体轴线方向成固定角度，而是布置成在流动方向上有增加的角度，优选是与螺旋形叶片相结合。
而且，各叶片可以有凸起的翼尖(也可称作小翼)。
扩压器可以不是扩散形状(图2)，扩压器也可选择为从流动方向看，扩散部分后面接着收缩部分。这种扩散-收缩形状的扩压器的优点是在扩压器中流体温度增加较小。
为增加凝结微粒的大小，喷流在超音速区的附面层可以加厚，例如通过将气体注入喷流的超音速区。例如，可以通过壳体壁面上的一个或多个开口将气体注入壳体的第一圆柱体部分。从第一出口出来的气体的合适部分就是用于此目的。这种气体注入的效果是在喷流的超音速区形成的凝结微粒更少，从而导致更大的微粒和更大微粒的更好聚集。
涡流发生装置也可以布置在管道的进口部分，而不是在进口部分的下游。
Claims (12)
1.一种用于从包含多种气体成分的流体喷流中除去选定气体成分的方法，该方法包括以下步骤：
-引导所述流体喷流以超音速流过管道，以便将流体的温度降至选定温度值以下，在该选定温度值，选定成分发生凝结和固化，以形成选定成分的微粒，该管道有涡流发生装置以便使流体喷流产生涡流运动，因而在喷流中使微粒流向收集区的径向靠外的区域；
-在喷流中产生激波，以使流体的轴向速度降至亚音速；以及
-将微粒从收集区的所述径向靠外的区域吸入出口喷流中，其中在涡流发生装置下游且在收集区上游处产生激波。
2.根据权利要求1所述方法，其中：流体由天然气构成，该天然气产于地层中，所述选定温度由选定成分的凝结点确定，在该凝结点，选定成分形成冷凝微粒。
3.根据权利要求2所述方法，其中：选定成分是乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷和辛烷中的一种或者多种。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述方法，其中：通过引导流体喷流流过扩压器产生激波。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述方法，其中：出口喷流引入气/液分离器以使出口喷流的气体馏份与液态馏份分离。
6.根据权利要求5所述方法，其中：所述气体馏份与流体喷流混合，该流体喷流被引导以超音速流过管道。
7.一种权利要求1所述的方法中使用的装置，用于从包含多种气体成分的流体喷流中除去选定气体成分，所述装置包括：
引导所述喷流超音速流过管道以便将流体温度降至选定温度值以下的装置，在该选定温度值，所选定成分发生凝结和固化，由此形成选定成分的微粒，该管道有涡流发生装置以使流体喷流产生涡流运动，从而在喷流中使微粒流向收集区的径向靠外的区域；
在喷流中产生激波以使流体轴向速度降至亚音速的装置；以及
将微粒从收集区的所述径向靠外的区域吸入出口喷流中的装置，其中产生激波的装置布置为在涡流发生装置下游且在收集区上游处产生激波。
8.根据权利要求7所述装置，其中产生激波的装置包括扩压器。
9.根据权利要求8所述装置，其中引导喷流以超音速流动的装置包括管道的拉法尔管进口，其中扩压器的最小横截面流道面积大于拉法尔管进口的最小横截面流道面积。
10.根据权利要求8或9所述装置，其中所述收集区位于靠近扩压器出口末端处。
11.根据权利要求7-10中任何一个所述的装置，还包括气/液分离器，该气/液分离器有一进口和出口，该进口流体连通所述出口喷流，该出口用于所述出口喷流的气体馏份。
12.根据权利要求11所述装置，其中用于气体馏份的出口与管道的进口相连，以便将气体馏份与流体喷流混合，该流体喷流被引导以超音速流过管道。
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