CN201921602U - 一种多孔壁超音速旋流分离器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种多孔壁超音速旋流分离器，所述的超音速旋流分离器包括旋流器、Laval喷管和扩压分离器，所述的Laval喷管管壁和扩压分离器的分离器外壳上至少一处设置有若干排液孔，所述的Laval喷管和扩压分离器中优选地设置有中心锥，解决了现有技术中凝结物再次蒸发和占据管道流通面积的技术问题，能够及时脱出凝结出的液相组分，消除蒸发源，保证喷管流通面积，增强系统的工作稳定性，提高其分离性能。

Description

一种多孔壁超音速旋流分离器

技术领域

本实用新型属于气体脱可凝结物技术领域，具体涉及一种多孔壁超音速旋流分离器，主要应用于天然气脱可凝结物净化分离领域以及含相变的气液分离领域。

背景技术

天然气作为一种清洁、高效的能源，在世界一次能源消费市场中占据着越来越大的份额。从地下采出的天然气含有大量水蒸汽，未处理的天然气进入输气系统会对集输管线造成危害，如冲蚀磨损管道等。在天然气集输过程中，水蒸汽易凝结成液态水。在一定的温度和压力条件下，天然气中的液态水还会结冰或者与烃结合生成天然气水合物，造成管线及其附属器件的堵塞，降低天然气产量和管线输送能力。此外，液态水易融解CO₂、H₂S等酸性气体，形成具有强腐蚀性的酸，从而加速管线的腐蚀。因此，天然气在进入输气管线之前，必须进行脱水工艺处理。

天然气工业常用的脱水方法有膨胀冷却法、加压冷却法、固体吸附剂法和溶剂吸收法等。对于大装置，设备投资和操作费用比较高。天然气超音速旋流脱水是一种新型的脱水技术，是天然气脱水领域的一项革命性技术。它利用天然气在超音速状态下的蒸汽冷凝现象进行天然气脱水，在热力学原理和系统构成上与传统的天然气脱水方法有显著的区别。天然气超音速脱水将膨胀机、分离器和压缩机的功能集中到一个管道中，具有结构简单紧凑，无转动部件，可靠性高，无化学处理系统，低投资和维护费用等优点。对于这一天然气处理技术的研究，国外主要有荷兰Twister BV公司和俄罗斯ENGO旗下的Translang公司。国内持续研究单位主要有北京航空航天大学、中国石油大学(华东)、北京工业大学、西安交通大学和大连理工大学等。该技术发展至今，在技术上不断取得进步。

一种低流动阻力超音速气体净化分离装置，该装置的收缩段内含一中心锥，该中心锥两端支撑分别是：入口法兰内孔上周向均布的三个支撑架和旋流器叶片，该旋流器叶片内置于喷管收缩段末端的喷管内壁和中心锥之间。通过削尖所述中心锥和法兰内孔支撑架的左端部的方式来减小气体在入口的阻力；但其旋流叶片内置于喷管收缩段高速区，流动损失大。

一种天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置，该装置包含多个超音速分离管和一个水合物分离器，其实质在于将多个超音速分离管周向并联均布于水合物分离器筒体表面，多个超音速分离管并联可增大处理量。其超音速分离管的收缩段是按维托辛斯基曲线设计的，这是收缩喷管得到均匀一维流通常所采用的型线，但这种线型用于提高小直径喷管气流轴向的均匀度意义不大。

一种湿气再循环超音速气体净化分离装置该装置包含一个开环回路再循环部件，致力于将残存在循环气体中的液滴循环旋分出来。其虽然将含湿分离流引入旋流器入口进行循环旋流分离处理，有利于减少分离流的含气量，相应增加处理量，但是也再一次将蒸发源引入了喷管内，即引入了流动状态不稳定因素。其次，旋流器内置于喷管高速区，流动损失大。

一种锥心式超音速冷凝旋流分离器，该装置实质为带中心锥的Laval喷管，在喷管内置一中心锥，通过改变中心锥不同截面的直径来控制喷管收缩段、喉道和扩张段的流通面积，而喷管的内型面则是简单的锥角或等径旋转体。避免了小管径内壁面小锥角加工难的问题，而选择易于加工的外壁面。其次，径向叶片布置式旋流器损失较大。

一种天然气超音速脱水方法及超音速脱水装置，该装置仅在于超音速旋流脱水分离，并对含湿气体进行二次沉降分离，两次分离的“干气”汇合进入外输管线，经稳压罐一次分离和超音速旋流二次沉降分离的水和重烃进入烃回收装置，实现了重烃回收。

一种激波可控超音速气体除湿装置，该装置设计了斜激波+正激波的激波压缩区形态，致力于减小激波阻力损失和避免强激波诱导边界层分离。其喷管中心锥结束于喷管中后部，通过在喷管中心锥末端增加突起的形式设置了喷管第二喉道，将喷管分为超音速区和亚音速区，并优化缩短了喷管总长度。该专利称所涉及的激波系避免了强激波诱导边界层分离是不准确的，其仍存在边界层分离。现有技术中公开了一种超音速旋流凝结分离组合喷管，该旋流器为一渐缩结构，可以认为是旋流器叶片周向均布于收缩段前半部，旋流器叶片高度大，轴向偏转角在20°～30°之间，根据角动量守恒定律可知这种叶片结构不利于产生强旋流。

以上公开所有装置中都存在没有及时脱出超音速旋流分离器内蒸发源的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提出一种多孔壁超音速旋流分离器，解决了现有技术中凝结物再次蒸发和占据管道流通面积等技术问题。本发明提出的多孔壁超音速旋流分离器能够及时脱出凝结出的液相组分，以消除蒸发源，保证喷管流通面积，增强系统的工作稳定性，提高其分离性能。

本实用新型提出一种多孔壁超音速旋流分离器，包括旋流器、Laval喷管和扩压分离器。

所述的旋流器包括旋流器外壳、旋流器中心锥A和叶片，所述的中心锥A与旋流器外壳同轴，并置于旋流器内部，所述的叶片置于旋流器外壳和旋流器中心锥A之间；叶片的个数大于等于1，所述的旋流器外壳内壁与中心锥A外壁之间的间距为1～50mm。

所述的Laval喷管包括顺次轴向连接的Laval喷管收缩管和Laval喷管扩张管，所述的Laval喷管收缩管与旋流器外壳轴向连接。所述的Laval喷管收缩管优选为内部包含中心锥B，且中心锥B与中心锥A轴向连接，所述的中心锥B与Laval喷管收缩管同轴。Laval喷管收缩管内壁与中心锥B外壁之间的间距为1～50mm。Laval喷管扩张管优选为内部包含有中心锥C，中心锥C与中心锥B轴向连接，中心锥C与Laval喷管扩张管同轴，Laval喷管扩张管内壁与中心锥C外壁之间的间距为1～50mm。当优选为含有中心锥B时，中心锥B的存在避免了Laval喷管收缩管内中心形成的低压区；当优选为含有中心锥B和中心锥C时，避免了Laval喷管内形成的中心低压区。

所述的扩压分离器包括分离器外壳和分离锥，所述的分离锥与分离器外壳同轴，且分离锥置于分离器外壳的内部。所述的分离锥为空心锥，且其尖端形成一个分离环截面，所述分离环截面置于Laval喷管扩张管的出口截面，将所述的Laval喷管扩张管的出口截面分为外层截面和内层截面，外层截面与分离器外壳内壁、分离锥外壁之间形成分离器，外层截面即为分离器入口端，分离器的出口端与湿气出口A相连接；所述的内层截面与分离锥的内壁之间形成扩压器，内层截面即为扩压器入口端，扩压器出口端与输气管线相连接。所述的扩压器入口端截面积与分离器入口端截面积之比δ满足1/4＜δ＜4。气体经Laval喷管扩张管的出口截面流入扩压分离器，经分离锥将气体分成内层干气流和外层湿气流，外层湿气流从分离器入口端流入，经分离器出口端从湿气出口A排出至湿气处理系统，内层干气流从扩压器入口端流入，经扩压器直接进入输气管线。

所述的分离器通道的壁面呈线性平行；所述的分离器通道壁面的扩张角为5°～60°，扩压器通道壁面的扩张角小于等于60°。所述的扩压分离器的分离锥优选为包含中心锥D，中心锥D与分离锥同轴，且所述的中心锥D与中心锥C轴向连接，Laval喷管扩张管的出口截面、分离锥的内壁与中心锥D的外壁之间的空腔形成扩压器，扩压器通道的壁面呈线性平行。当所述的旋流分离器中优选的含有中心锥B、中心锥C和中心锥D时，中心锥B、中心锥C和中心锥D对Laval喷管流场有稳流作用，避免强旋流场的中心低压区和因中心低压区引起的回流。

优选的，所述的Laval喷管管壁和分离器外壳上至少其中之一设置有用于分离湿气的若干排液孔，当Laval喷管管壁上设置有排液孔时，Laval喷管外表面设置有密封腔A进行密封，密封腔A底部设有湿气出口B；当所述的分离器外壳上设置有排液孔时，分离器外壳的外表面通过密封腔B进行密封，密封腔B底部设有湿气出口C，湿气出口B和/或湿气出口C连接有真空泵；经排液孔脱离的湿气通过密封腔A和/或密封腔B收集后，经湿气出口B和/或湿气出口C流出至湿气处理系统。所述排液孔的孔径D小于等于2mm，相邻两个排液孔的中心间距L满足D＜L＜10D。当仅Laval喷管管壁设置有排液孔时，能够将Laval喷管中已冷凝出的液相分离；当仅分离器外壳设置有排液孔时，能够将流入分离器的气流中所含已冷凝出的液相分离；当Laval喷管管壁和分离器外壳同时设置有排液孔时，能够及时分离出Laval喷管和分离器中已冷凝出的液相。

附图说明

图1：本实用新型提出的多孔壁超音速旋流分离器仅旋流器具有中心锥的1/4剖视立体图；

图2：本实用新型提出的多孔壁超音速旋流分离器仅旋流器具有中心锥的1/4剖视主视图；

图3：本实用新型提出的多孔壁超音速旋流分离器的1/4剖视立体图；

图4：本实用新型提出的多孔壁超音速旋流分离器的1/4剖视立体图的局部放大图；

图5：本实用新型提出的多孔壁超音速旋流分离器的1/4剖视主视图。

图中：

1-旋流器；	2-Laval喷管；	3-扩压分离器；	4-密封腔A；
				101-旋流器外壳；	201-Laval喷管收缩管；	301-分离器外壳；	401-湿气出口B；

102-叶片；	202-Laval喷管扩张管；	302-分离锥；	5-密封腔B；
				103-中心锥A；	203-中心锥B；	303-中心锥D；	501-湿气出口C；
	204-中心锥C；	304-湿气出口A；	6-排液孔。
						305-扩压器；
		306-分离器；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步详细说明。

如图1和图2，本实用新型提出一种多孔壁超音速旋流分离器，包括旋流器1、Laval喷管2和扩压分离器3。

所述的旋流器1包括旋流器外壳101、中心锥A103和叶片102，所述的中心锥A103与旋流器外壳101同轴，叶片102置于旋流器外壳101和中心锥A103之间，叶片的个数大于等于1。所述的旋流器外壳101内壁与中心锥A103外壁之间的间距为1～50mm。

所述的Laval喷管2包括顺次轴向连接的Laval喷管收缩管201和Laval喷管扩张管202，所述的Laval喷管收缩管201与旋流器外壳101轴向连接。

所述的扩压分离器3包括分离器外壳301和分离锥302，所述的分离锥302与分离器外壳301同轴，且分离锥302置于分离器外壳301的内部。所述的分离锥302为空心锥，且其尖端形成一个分离环截面，所述分离环截面置于Laval喷管扩张管202的出口截面，将所述的Laval喷管扩张管202的出口截面分为内层截面和外层截面，外层截面与分离器外壳301内壁、分离锥302外壁之间形成分离器306，外层截面即为分离器306入口端，分离器的出口端与湿气出口A304相连接；所述的内层截面与分离锥302的内壁之间形成扩压器305，内层截面即为扩压器305入口端，扩压器305出口端与输气管线相连接。所述的扩压器305入口端截面积与分离器306入口端截面积之比δ满足1/4＜δ＜4。气体经Laval喷管扩张管202的出口截面流入扩压分离器3，经分离锥302将气体分成内层干气流和外层湿气流，内层干气流从扩压器305入口端流入，经扩压器305出口端流出后直接进入输气管线，外层湿气流从分离器306入口端流入，经分离器306出口端流出后从湿气出口A304排出。

所述的分离器306通道的壁面即分离锥302的外壁和分离器外壳301的内壁呈线性平行；所述的分离器306通道壁面即分离锥302的外壁面和分离器外壳301的内壁面的扩张角为5°～60°，扩压器305通道壁面即分离锥302的内壁的扩张角为小于等于60°。

所述的Laval喷管2管壁和分离器外壳301上设置有用于分离湿气的排液孔6。所述的Laval喷管2外表面通过密封腔A4进行密封，密封腔A4底部设有湿气出口B401；所述的分离器外壳301的外表面通过密封腔B5进行密封，密封腔B5底部设有湿气出口C501。湿气出口B401和/或湿气出口C501连接有真空泵。所述的排液孔6的孔径D小于等于2mm，相邻两个排液孔6的中心间距L满足D＜L＜10D。在Laval喷管2管壁和分离器外壳301同时设置有排液孔6时，能够及时分离出Laval喷管2和分离器306中已冷凝出的液相。

含湿气体经旋流器1进入Laval喷管2，气体随着Laval喷管收缩管201半径的减小和Laval喷管扩张管202的扩张，速度逐渐增大，离心加速度逐渐增大，绝热膨胀到超声速，同时气体内能减小，动能增加，形成低温低压，当温度降低至使气体过饱和时，含湿气体中的可凝结物就被冷凝出来，强大离心力使其集聚在Laval喷管2的内壁和/或近壁区，冷凝的水蒸气从Laval喷管2的Laval喷管收缩管201和Laval喷管扩张管202上的排液孔6中流出，经密封腔从湿气出口B401流出，气体在Laval喷管扩张管202的末端被分离锥302分为内外两层气流即内层干气流和外层湿气流。经过一道激波后压力开始恢复，激波位置随落压比的不同而不同。外层湿气流经分离器306分离后，从分离器外壳301的排液孔6中排出，经湿气出口C501流出至湿气处理系统，一部分从湿气出口A304流出至湿气处理系统，内层干气流经扩压器305直接进入输气管线。

如图3、图4和图5，所述的Laval喷管收缩管201优选为内部包含有与Laval喷管收缩管201同轴的中心锥B203，且中心锥B203与中心锥A103轴向连接。Laval喷管收缩管201内壁与中心锥B203外壁之间的间距为1～50mm。当优选为含有中心锥B203时，中心锥B203的存在避免了Laval喷管收缩管201内的中心形成低压区。

进一步地，所述的Laval喷管扩张管202优选为包含有与Laval喷管扩张管202同轴的中心锥C204，中心锥C204与中心锥B203轴向连接。Laval喷管扩张管202内壁与中心锥C204外壁之间的间距为1～50mm。当优选为含有中心锥B203和中心锥C204时，避免了Laval喷管2内的整体的中心低压区。

进一步地，如图4所示，所述的扩压分离器3的分离锥302优选为包含有与分离锥302同轴的中心锥D303，所述的中心锥D303与中心锥C204轴向连接，Laval喷管扩张管202的出口截面、分离锥302的内壁与中心锥D303的外壁之间的空腔形成扩压器305。扩压器305通道的壁面即中心锥D303的外壁与分离锥302的内壁呈线性平行。当所述的多孔壁超音速旋流分离器中优选的含有中心锥B203、中心锥C204和中心锥D303时，中心锥B203、中心锥C204和中心锥D303对Laval喷管2流场有稳流作用，避免强旋流场产生的中心低压区和因中心低压区引起的回流。

另外，所述的排液孔6也可以仅设置在所述的Laval喷管2和分离器外壳301其中之一上。

当仅Laval喷管2管壁上设置有排液孔6时，Laval喷管2外表面通过密封腔A4进行密封，密封腔A4底部设有湿气出口B401，以分离出Laval喷管2中气流已冷凝出的液相。

当仅所述的分离器外壳301上设置有排液孔6时，分离器外壳301的外表面通过密封腔B5进行密封，密封腔B5底部设有湿气出口C501，湿气出口B401和/或湿气出口C501连接有真空泵；通过从排液孔6脱离的湿气通过密封腔A4和/或密封腔B5收集后，经湿气出口B401和/或湿气出口C501流入湿气处理系统。当仅分离器外壳301设置有排液孔6时，能够分离出流入分离器306气流中所含已冷凝出的液相。

Claims (9)

1.一种多孔壁超音速旋流分离器，其特征在于：包括旋流器、Laval喷管和扩压分离器；

所述的旋流器包括旋流器外壳、中心锥A和叶片，所述的中心锥A与旋流器外壳同轴，并置于旋流器外壳内部，所述的叶片置于旋流器外壳和中心锥A之间；

所述的Laval喷管包括顺次轴向连接的Laval喷管收缩管和Laval喷管扩张管，所述的Laval喷管收缩管与旋流器外壳轴向连接；

所述的扩压分离器包括分离器外壳和分离锥，所述的分离锥与分离器外壳同轴，且分离锥置于分离器外壳的内部，所述的分离锥为空心锥，且分离锥尖端形成一个分离环截面，所述分离环截面置于Laval喷管扩张管的出口截面，分离环截面将Laval喷管扩张管的出口截面分为内层截面和外层截面，外层截面与分离器外壳内壁、分离锥外壁之间形成分离器，外层截面为分离器入口端，分离器出口端与湿气出口A相连接；内层截面与分离锥的内壁之间形成扩压器，内层截面为扩压器入口端，扩压器出口端与输气管线相连接；

所述的Laval喷管与分离器外壳至少其中之一表面上设置有用于排除湿气流的若干排液孔，具有排液孔的位置通过密封腔A和/或密封腔B密封，通过排液孔脱离出的湿气经密封腔A和/或密封腔B收集后经湿气出口B和/或湿气出口C流入湿气处理系统。

2.根据权利要求1所述的一种多孔壁超音速旋流分离器，其特征在于：所述排液孔设置于所述的Laval喷管的Laval喷管收缩管和Laval喷管扩张管管壁上，且所述的Laval喷管收缩管和Laval喷管扩张管的外表面通过密封腔A密封。

3.根据权利要求1所述的一种多孔壁超音速旋流分离器，其特征在于：所述排液孔设置于所述分离器外壳上，且所述的分离器外壳的外表面通过密封腔B密封。

4.根据权利要求1所述的一种多孔壁超音速旋流分离器，其特征在于：所述排液孔设置于所述Laval喷管管壁和分离器外壳上，且所述的Laval喷管外表面和分离器的外表面分别通过密封腔A和密封腔B密封。

5.根据权利要求1所述的一种多孔壁超音速旋流分离器，其特征在于：所述的Laval喷管收缩管内包含有中心锥B，所述的中心锥B与Laval喷管收缩管同轴，中心锥B与中心锥A轴向连接；

6.根据权利要求5所述的一种多孔壁超音速旋流分离器，其特征在于：所述的Laval喷管扩张管内包含有中心锥C，所述的中心锥C与Laval喷管扩张管同轴，中心锥C与中心锥B轴向连接。

7.根据权利要求6所述的一种多孔壁超音速旋流分离器，其特征在于：所述的扩压分离器的分离锥内包含有中心锥D，所述的中心锥D与分离锥同轴；所述的中心锥D与中心锥C轴向连接，Laval喷管扩张管的出口截面、分离锥的内壁与中心锥D的外壁之间的空腔形成扩压器。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种多孔壁超音速旋流分离器，其特征在于：所述的扩压器入口端截面积与分离器入口端截面积之比δ满足1/4＜δ＜4，且分离器外壳内壁与分离锥外壁呈线性平行。

9.根据权利要求1至7任一项所述的一种多孔壁超音速旋流分离器，其特征在于：所述的排液孔的孔径D小于等于2mm，相邻两个排液孔的中心间距L满足D＜L＜10D。

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