CN115646075A - 一种立式级联涡流管脱水脱烃系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种立式级联涡流管脱水脱烃系统，主要包括缓冲罐、引射器、对流换热器、立式级联涡流分离器和空气换热器等。立式级联涡流分离器由顺流和逆流涡流管组成，二者通过双开口的旋流发生器相对连接。本发明通过旋流发生器同时实现冷凝和分离两大功能，采用引射器对进行引射循环处理，从而大幅提升湿气脱液效果。与现有技术相比，本发明简单可靠，在脱除过程中充分利用冷能与压能，无需制冷剂，环境友好，可广泛应用于天然气、页岩气、液化石油气等燃料的脱水脱烃领域。
Description
技术领域
本发明涉及气体处理技术领域，具体涉及一种立式级联涡流管脱水脱烃系统。
背景技术
在气体生产、使用及运输过程中，热力学条件的改变可能导致气体中可凝组分析出。一方面，析出的液体可能形成水合物留存在管道中，导致管道冻堵，引发安全隐患；另一方面，积液区可能会溶解酸性气体提供腐蚀环境，加快设备的老化进程，因此对气体中冷凝组分的分离十分必要。
气体分离技术主要有溶剂吸收法、低温冷凝法、固体吸附法等，但分别存在化学试剂再生困难、需要额外制冷剂、工艺复杂等问题。而涡流管凝结分离相较于传统的工业脱水技术而言，具有设备简单、节能环保、经济安全等优点。涡流管的适应性较强，不仅能单独处理含湿气体，还可以在原有装置上进行升级改造，分担运转负荷。由于涡流管内部没有转动部件及化学处理系统，所以允许在苛刻的环境中应用，并且能够实现无人值守，可以解决边远地区脱水脱烃的技术经济问题。此外，涡流管的设计可大可小，能弥补其他装置无法处理小气量的不足。但传统的单级涡流管存在效率低下，脱除率低等问题，本文提出一种新型立式级联涡流管脱水脱烃系统，在保证传统涡流管优势的基础上，充分利用压能优化分离效果，并且无需额外制冷剂，为绿色环保技术。
发明内容
本发明的目的在于克服目前涡流管脱水脱烃存在的效率低下等问题，提出一种新型立式级联涡流管脱水脱烃系统。本发明通过两涡流管级联工作，能够充分利用压能；利用负压引射实现高湿气流循环处理，进一步提高脱除可凝组分的效果；还在管内设置了轴套，降低液滴再次蒸发的可能性。与传统的脱除技术相比，适用范围更广，能够实现更高分离效率。
本系统主要包括缓冲罐、引射器、换热器、立式级联涡流分离器和空气换热器。所述立式级联涡流分离器为本发明核心部件，设有分离器顶出口、分离器底出口和分离器侧出口共三个气流出口。其中分离器顶出口、分离器底出口排出的流体为涡流管内层的冷干气流，分离器顶出口、分离器底出口的气流汇集后，通过换热套管的管程入口进入换热套管换热，随后通过管程出口进入到出口管路。分离器侧出口通过管线与空气换热器入口相连，流体为涡流管内层的热湿气流，与周围空气完成热量交换后由空气换热器出口流出，空气换热器出口与引射器的负压入口相连，实现热湿气流的再处理。
所述缓冲罐入口的来流为待处理原料湿气，缓冲罐出口与引射器工作入口相连。引射器工作出口与换热器的壳程入口相连。换热器壳程出口通过管道与立式级联涡流分离器的入口相连。
所述立式级联涡流分离器主要包括顺流涡流管、逆流涡流管、涡流室、旋流发生器、捕雾网等主要部件。顺流涡流管和逆流涡流管通过旋流发生器相对连接，竖直放置且顺流涡流管在上，逆流涡流管在下。涡流室连通顺流涡流管和逆流涡流管，位于二者之间；旋流发生器固定在涡流室内且与涡流管同轴连接，旋流发生器包括顶孔口、均气缓冲环、六孔流道和底孔口。均气缓冲环与分离器的切向入口正对连通，入口来流首先在均气缓冲环内环绕流动，再通过六孔流道加速进入旋流发生器的孔口内，且六孔流道对称分布在顶孔口和底孔口之间。顶孔口流道形状为渐缩渐扩型，与顺流涡流管连接，所述底孔口形状为渐扩型，与逆流涡流管连接。
所述立式级联涡流管顶部设有安全排空阀，顶出口上游设有捕雾网。顺流涡流管和逆流涡流管内均设有防蒸发的轴套、分液套管和储液室，所述轴套分布在旋流发生器两端，在轴套外层均设有分液套管：顺流分液套管和逆流分液套管，在分液套管外层均设有储液室：顺流储液室和逆流储液室；顺流储液室和逆流储液室通过连通管相连接，并与积液腔连通，分离的液体可通过积液腔底部的排液管排出。
上述立式级联涡流管脱水脱烃系统能够同时达到降温冷凝和旋流分离的目的，具有简单高效、安全可靠、灵活性强、环境友好等优点。本系统能够在工质的流动过程中实现多次降温，营造更易实现冷凝的热力学条件。涡流管内部的轴套能够将内部的旋流隔绝为冷、热两股气流，防止冷凝生成的液滴随着气流流动到高温区域再蒸发，从而保证了涡流管的冷凝效果。本发明在实现更高的冷凝分离效率，无需添加化学原料，无需额外动力装置，为绿色环保技术。
附图说明
附图1为立式级联涡流管脱水脱烃系统图；
附图2为立式级联涡流分离器结构示意图；
附图3为旋流发生器的立体图及剖面图；
附图4为立式级联涡流管脱水脱烃系统的具体实例图之一；
附图5为立式级联涡流管脱水脱烃系统的具体实例图之二。
上图中：1-缓冲罐，1001-缓冲罐入口，1002-缓冲罐出口，2-引射器，2001-引射器工作入口，2002-引射器工作出口，2003-负压入口，2004-扩散喷嘴，3-换热器，3001-壳程入口，3002-壳程出口，3003-管程入口，3004-管程出口，4-立式级联涡流分离器，4001-分离器入口，4002-分离器顶出口，4003-分离器底出口，4004-排液管，4005-分离器侧出口，5-涡流室，6-旋流发生器，6001-顶孔口，6002-均气缓冲环，6003-六孔流道，6004-底孔口，7-顺流涡流管，7001-顺流分液套管，7002-顺流储液室，7003-顺流轴套，8-捕雾网，9-逆流涡流管，9001-逆流分液套管，9002-逆流储液室，9003-逆流轴套，10-积液腔，11-密封垫圈，12-连通管，13-空气换热器，1301-换热器入口，1302-换热器出口，14-出口管路。说明：“BV”表示控制球阀，“SV”表示安全阀，数值表示控制球阀的编号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为一种新型级联双涡流管超音速冷凝脱水脱烃系统，主要包括缓冲罐1、引射器2、换热器3、立式级联涡流分离器4和空气换热器13。所述引射器2、换热器3和立式级联涡流分离器4能有效地利用来流原料的压能，实现分级循环制冷，降低在脱水脱烃过程中的能耗损失，提高分离效率。所述立式级联涡流分离器4为本发明核心部件，设有分离器顶出口4002、分离器底出口4003和分离器侧出口4005共三个气流出口。其中分离器顶出口4002、分离器底出口4003的气流汇集后，通过管程入口3003进入换热器3进行换热，随后通过管程出口3004流出。分离器侧出口4005通过管线与空气换热器13的换热器入口1301相连，排出的流体为涡流管外层的热湿气流，与周围空气完成热量交换后由空气换热器13的换热器出口1302流出，换热器出口1302与引射器2的负压入口2003相连。在空气换热器13和引射器2之间设有控制球阀BV-2，能够根据实际需求调节回流流量的大小，进而调节脱除的程度，适用于不同处理量的场合。所述缓冲罐入口1001来流为待处理原料湿气，缓冲罐出口1002与引射器的工作入口2001相连。引射器工作出口2002与换热器3的壳程入口3001相连。换热器3的壳程出口3002通过管道与分离器入口4001相连。
如图1所示，所述立式级联涡流分离器4由顶端的顺流涡流管7和底端的逆流涡流管9构成，二者通过旋流发生器6相对连接，均立式布置。此种结构不仅能利用旋流场中的离心力，还能利用液滴本身的重力将冷凝出的液滴分离，以实现更佳的分离效果。顺流涡流管7与逆流涡流管9共用一个旋流发生器6的组合形式更能充分利用入口压能，提高处理效率，更利于营造涡流管内部的低温环境，延长液滴冷凝的过冷区域，在实现冷凝的同时保持液滴的稳定状态。
如图1、2所示，所述立式级联涡流分离器4包括顺流涡流管7、逆流涡流管9、旋流发生器6、积液腔10、密封垫圈11等。所述顺流涡流管7与逆流涡流管9内层均设有防液滴蒸发的轴套：顺流轴套7003和逆流轴套9003，在轴套外层均设有分液套管：顺流分液套管7001和逆流分液套管9001，在分液套管外层均设有储液室：顺流储液室7002和逆流储液室9002。其中，顺流轴套7003和逆流轴套9003可以将立式级联涡流分离器4轴心处的冷气流和壁面处的热气流物理分隔，防止在旋流场离心力作用下，将还未完全生长的凝结核心甩向外层气流再次蒸发。顺流分液套管7001和逆流分液套管9001的壁面上设置了许多小孔隙，液滴在旋流下被甩向壁面，通过孔隙实现气液分离。顺流储液室7002与逆流储液室9002通过连通管12连接，分离出的液体最终进入到积液腔10中，通过排液管4004排出。所述立式级联涡流分离器4能够完成降温冷凝和旋流分离两大功能，装置紧凑，仅消耗来流原料自身压能，无需额外制冷剂，对环境十分友好。
如图1、3所示，旋流发生器包括顶孔口6001、均气缓冲环6002、六孔流道6003和底孔口6004。所述均气缓冲环6002与分离器入口4001切向连通，能够使进入的气流均匀分布在涡流室5内，为后续进入六孔流道6003做准备。所述六孔流道6003，能将切向进入的气流平均分成六份，轴向分布的流道完美对称，使气流加速的同时不破坏流场的稳定性。所述顶孔口6001与顺流涡流管7连接，流道形状为渐缩渐扩型，所述底孔口6004与逆流涡流管9连接，流道形状为渐扩型。两个孔口同轴相对连通，能将进入的气流分为上下两股，分别进入顶端的顺流涡流管7和底端的逆流涡流管9中。所述旋流发生器6同时为顺流涡流管7和逆流涡流管9供气，且不包含可移动部件，装置安全可靠。
本发明实施例之一：
如图4所示，当进行含湿气体进行脱水脱烃处理时，开启控制球阀BV-1、BV-2、BV-3、BV-5、BV-6、BV-7和BV-8，关闭控制球阀BV-4，具体工作过程如下：
待处理原料气首先进入缓冲罐1中，通过缓冲为后续处理提供相对稳定的气体流量。稳定的气流从工作入口2001进入引射器2中，引射器渐缩渐扩的喷管结构，可以实现湿气的节流降温。
随后，气流进入到换热器3中进行预冷。此时的冷量是由立式级联涡流分离器4处理后的内层的低温气流提供的，换热后的干气由换热器3的管程出口3004排出，此时的产品气流已完成可凝组分的脱除过程，通过出口管路14排出系统。
当气流完成预冷处理后，进入立式级联涡流分离器4中，此时气流切向射入涡流室5，在均气缓冲环6002内均匀气流，然后经对称六孔流道6003旋流加速，分成上下两个方向的气流。此时的气流速度逐渐增大，甚至会达到超音速，气流的压能降低，动能增加，形成低温低压区域，达到过饱和热力学条件，可凝组分发生相变，实现冷凝过程。
气流流经旋流发生器6后会形成冷热两层气流，冷气流位于内层，热气流位于外层。为了防止凝结液滴再次蒸发，顺流涡流管7和逆流涡流管9内设有顺流轴套7003和逆流轴套9003，轴套可以通过物理方法隔绝内外两股气流，避免液滴甩向外层高温气流中再次蒸发。
在气流流经立式级联涡流分离器4的过程中，轴向速度相对于径向速度来说较小，整个管内存在十分强大的离心力场，凝结而成的液滴由于密度差，将会被甩向壁面。由于立式级联涡流分离器4上下端分别设有顺流分液套管7001和逆流分液套管9001，因此液滴将会随着外层气流一起进入到顺流储液室7002和逆流储液室9002中，实现液滴的捕获与收集。
连通管12两端分别与两个涡流管的储液室相连接，此时流入顺流储液室9002中的脱除组分在重力的作用下将会流入到底端的逆流储液室9002中，最终集聚在积液腔10中，通过排液管4004排出。
涡流管中内层的低温气流流经分离器顶出口4002处设置的捕雾网8时，气流中裹挟的微小液滴将被吸附在其中，再次达到去除液滴的效果。最终处理后的冷干气流通过位于轴心处的分离器顶出口4002和分离器底出口4003流出立式级联涡流管4，通过换热器3对进涡流管来流进行预冷后，作为产品气流从出口管14流出。
为了提高分离效率，本发明通过引射器实现了回流循环流程。立式级联涡流分离器的侧出口4005排出的气流先进入空气换热器13进行降温处理，再回流至引射器的负压入口2003。此股气流内部包括气流裹挟的难以分离的微小液滴，这些液滴在引射器2中能够充当凝结核心，降低冷凝过程中所需的自由能屏障，即气态可凝组分直接在此凝结核心的表面发生相变，表现为液滴半径增大，液滴质量增加，在旋流场的作用下更易将可凝组分脱除。由于引射器2的流道为减缩渐扩形状，在喉部会形成负压区域，在压差的作用下含有微小液滴的气流将被抽吸，从负压入口2003进入引射器。原料气和引射气两股气流充分混合后通过引射器2的扩散喷嘴2004进入换热器3中。通过调节控制球阀BV-2的开度可以调节回流流量的大小，以控制循环的程度和冷凝分离的程度。
本发明实施例之二：
如图5所示，若无需换热器3预冷即可达到气质处理要求时，可启动非预冷流程。此时开启控制球阀BV-4，关闭控制球阀BV-3，分离器顶出口4002和分离器底出口4003流出的低温干气直接进入出口管路14，即不再进入换热器3对原料气进行预冷处理，其他处理过程同上。本流程可以简化处理步骤，缩短处理时间，可用于处理量不高、处理要求不大的气体原料脱水脱烃过程。
本发明提供的技术方案能够脱除可凝组分(水或重烃)，达到降低露点和分离重烃的目的。采用的回流循环引射方式能够调节分离的深度，有利于增大液滴粒径，解决了微小液滴分离效果不佳的问题。本发明采用的立式级联涡流分离器结构简单，在工作时无需额外添加旋流叶片和制冷剂，仅靠自身的压力提供的能量完成制冷凝结和旋流分离，操作方便且经济可靠。且在内层设置了防蒸发轴套，提高了脱除效率。综上所述，本发明提供的技术方案秉承了绿色安全环保的理念，能够满足大规模处理和小规模应用方面的需求，在工业领域将具有较大的潜力和竞争力。
Claims (3)
1.一种立式级联涡流管脱水脱烃系统，其特征在于：主要包括缓冲罐(1)、引射器(2)、换热器(3)、立式级联涡流分离器(4)和空气换热器(13)；所述立式级联涡流分离器(4)设有一个气流入口和三个气流出口，气流出口分别为分离器顶出口(4002)、分离器底出口(4003)和分离器侧出口(4005)；分离器顶出口(4002)、分离器底出口(4003)排出的气流汇集后，通过管程入口(3003)进入换热器(3)进行换热，随后通过管程出口(3004)流入到出口管路(14)；分离器侧出口(4005)通过管线与空气换热器入口(1301)相连，与周围空气完成热量交换后由空气换热器出口(1302)流出，空气换热器出口(1302)与引射器的负压入口(2003)相连，实现热湿气流的再处理；所述缓冲罐入口(1001)来流为待处理原料湿气，缓冲罐出口(1002)与引射器工作入口(2001)相连，引射器工作出口(2002)与换热器的壳程入口(3001)相连，换热器壳程出口(3002)通过管道与分离器入口(4001)相连。
2.根据权利要求1所述的一种立式级联涡流管脱水脱烃系统，其特征在于：所述立式级联涡流分离器(4)包括顺流涡流管(7)和逆流涡流管(9)，二者通过旋流发生器(6)相对连接，竖直放置且顺流涡流管(7)在上，逆流涡流管(9)在下；所述旋流发生器(6)包括顶孔口(6001)、均气缓冲环(6002)、六孔流道(6003)和底孔口(6004)；所述顶孔口(6001)流道形状为渐缩渐扩型，与顺流涡流管(7)连通，所述底孔口(6004)为渐扩型，与逆流涡流管(9)连通。
3.根据权利要求1所述的一种立式级联涡流管脱水脱烃系统，其特征在于：所述顺流涡流管(7)与逆流涡流管(9)内层均设有防液滴蒸发的轴套：顺流轴套(7003)和逆流轴套(9003)，在轴套外层均设有分液套管：顺流分液套管(7001)和逆流分液套管(9001)，在分液套管外层均设有储液室：顺流储液室(7002)和逆流储液室(9002)；顺流储液室(7002)和逆流储液室(9002)通过连通管(12)相连接，并与积液腔(10)连通，分离的液体可通过积液腔(10)底部的排液管(4004)排出。
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