CN202039046U - 一种天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置，天然气经旋流叶片产生旋流后进入环形收缩-扩张喷管膨胀至超声速，低温低压使天然气中的水和重烃发生凝结；巨大的离心力将凝结液滴从气相中分离出来，进入积液腔后从液体出口排出，干气进入扩压管经压能恢复后由干气出口排出。本装置中的收缩-扩张喷管由等直径的外管和中心体构成，结构简单，易于加工安装，中心体和外管的同轴心度高；边旋流边膨胀原理有效减少液滴的再蒸发，提高分离效率；旋流叶片均匀安装在亚声速收缩段，叶片后不会产生激波，减少能量损失。具有结构紧凑、加工安装精度高、密闭无泄漏、无需化学药剂、支持无人值守等优点，在天然气脱水和重烃分离等领域有广阔应用前景。

Description

一种天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置

技术领域

本发明涉及一种天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置，主要应用于天然气脱水和重烃分离等领域。 

背景技术

随着我国经济的高速发展，能源消耗量不断增加，对天然气的需求也迅速增加，天然气作为洁净、高效、优质的燃料将是实现我国经济可持续发展的重要支柱。然而，从井口开采的天然气含有大量的饱和水蒸气，在天然气集输和处理过程中，当温度降至天然气露点温度时，饱和蒸汽便会凝结形成液态水，从而降低管道输送能力，增大动力消耗；与烃结合形成水合物引起管道及阀门的堵塞；与H₂S和CO₂等酸性气体作用加速管道和设备的腐蚀。因此天然气防冻、脱水和重烃分离是油气集输系统的重要工艺环节。但传统的处理方法存在着系统效率低、能源浪费，且过程极为复杂，耗资巨大，需要庞大的设备，成本和运行费用很高等缺点。 

荷兰壳牌和俄罗斯的ENGO石油公司分别独立将超声速旋流分离技术应用于天然气加工处理领域，主要开发了三种超声速旋流分离装置：“TwisterI”第一代、“TwisterII”第二代和“3S”分离器。2000年，Shell公司与Beacom公司联合成立了Twister BV公司以研究和推广超声速旋流分离技术，并于2003年在其所属的马来西亚B11海上平台上首次安装了2套TwisterI脱水系统，用于天然气脱水处理，标志着Twister分离器进入商业应用。2004年9月，第一套“3S”工业装置在俄罗斯西伯利亚一座天然气处理量超过4×108m³/a的天然气处理厂的低温系统中成功运行，完成了从试验研究到工业化应用的全过程。两大石油公司还分别对“TwisterI”、“TwisterII”和“3S”分离器申请了多项专利。专利US 6513345 B1、US 6524368B2、US 3773825B2、US 6962199B1，US 7261766B2，US 7318849B2、US 7494535B2、WO2003/092850A1、WO 2004/020074A1等的核心是将翼型安装在超声速段来产生较强的旋流，但由于速度的转化发生在超声速条件下，翼型后容易产生激波，破坏低温低压环境，降低超声速分离器的分离效率。美国专利US 7357825B2、US 2008/0196581A1和US 2010/0147021A1将旋流装置布置在喷管之前，有利于取得较好的旋流场，但装置的加工和安装难度大，尤其是中心体与外壳的同轴心度难以保证，从而容易造成旋流场的不稳定。专利EP 1131588 B1、US 6372019 B1和US 2010/0147023A1将旋流发生器安装在Laval喷管之前，激波容易控制，但旋转气体进入Laval喷管后容易发生涡耗散，降低了分离效率。 

国内的北京工业大学、大连理工大学、西安交通大学和江汉石油机械研究所对超声速旋流分离技术进行了数值模拟和实验研究工作。中国专利ZL 200420093240.2采用旋流装置安装在超声速段的方式，易产生激波；专利ZL 200520111901、申请号200610043158.2、申请号200810224499.9和申请号200910023458.8等存在着旋转气体容易发生涡耗散的问题。大连理工申请的200820012508.3专利采取流体切向进入分离装置的形式，压力损失较大，降低了总压恢复效率；专利200910081813.7结构和“TwisterII”分离器类似，但其涡流控制体的对中更加困难；西安交通大学的200910024347.9专利超声速段后设有激波压缩区，将超声速压缩减速到亚声速，但液滴在亚音速区容易发生再挥发，降低分离器的分离效率。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种结构简单、加工安装精度高、运行稳定可靠、具有较高分离效率的天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置由法兰、等直径的外壳直管、静态旋流叶片、中心体、外壳扩张管、阻涡叶片、扩压管和排液管组成。外壳直管左端为饱和湿气入口，扩压管右端为干气出口，排液管下端为液体出口；等直径的外壳直管和中心体之间的间隙形成截面变化的环形亚声速收缩流道、喷管喉部和超声速扩张流道；扩压管和中心体之间的间隙形成干气扩压流道和干气出口；外壳扩张管和扩压管之间的间隙形成分液口和积液腔，积液腔与排液管相连通，在排液管下端形成液体出口。外壳扩张管和扩压管通过法兰固定连接；静态旋流叶片上端与外壳直管内壁面固定联接，下端与中心体表面固定联接；阻涡叶片上端与扩压管固定连接，下端与中心体固定连接。所述的等直径的外壳直管和中心体构成截面变化的环形收缩-扩张喷管，构成亚声速收缩流道、喷管喉部和超声速扩张流道。所述的中心体由半椭球体、收缩段、直段和尾段组成；其中半椭球体的长半轴半径R2与短半轴半径R1之比满足：2≤R2/R1≤10；收缩段的收缩角α为1°～4°；直段进入扩压流道，直段长度L为：1.5D1≤L≤10D1，D1为直段直径。所述的由外壳扩张管和扩压管构成的分液口的距离Δd为：0.01D≤Δd≤0.15D，D为外壳直管的内直径。所述的静态旋流叶片周向均匀安装在半椭球体表面，叶片数目为3～12片。 

本发明天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置中，周向均匀布置的静态旋流叶片安装在椭球体上，由于此时速度的转化发生在亚声速条件下，叶片后不会产生激波；同时，由于中心体的存在，超声速旋流场的涡耗散现象得到控制。 

本发明天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置中，天然气由湿气入口进入装置后，气流经叶片旋转后进入由外壳直管和中心体构成的超声速扩张流道膨胀至超声速，形成低温低压，使天然气中的水和重烃发生凝结；同时，凝结的液滴在巨大的离心力作用下被甩向管壁，达到气液分离的目的。这种使天然气中的可凝组分在超声速旋流场条件下膨胀制冷产生凝结的工作原理(边旋流边膨胀原理)可以有效地避免液滴的再蒸发程度，提高分离效率。 

本发明天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置中，外壳扩张管和扩压管之间的间隙设有分液口，被分离的凝液和部分滑脱气经该分液口进入积液腔由排液管排出；大部分干气则进入扩压流道，在扩压流道内产生激波，速度由超声速降到亚声速，压力和温度回升，经阻涡叶片导流后从干气出口排出。 

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图； 

图2是本发明的中心体结构示意图； 

图3是本发明的外管扩张管和扩压管结构示意图。 

图中：1、法兰，2、外壳直管，3、静态旋流叶片，4、中心体，5、外壳扩张管，6、阻涡叶片，7、法兰，8、法兰，9、扩压管，10、干气出口，11、排液管，12、液体出口，13、积液腔，14、扩压流道，15、超声速扩张流道，16、喷管喉部，17、亚声速收缩流道，18、饱和湿气入口，19、半椭球体，20、收缩段，21、直段，22、尾段，23、分液口。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构特点和工作原理作进一步详细说明。 

本发明的技术方案参见图1、2、3，本发明主要由法兰1、外壳直管2、静态旋流叶片3、中心体4、外壳扩张管5、阻涡叶片6、法兰7、法兰8、扩压管9、排液管11组成。其中，外壳直管2和中心体4构成截面变化的环形收缩-扩张喷管，形成亚声速收缩流道17、喷管喉部16、超声速扩张流道15；扩压管9和中心体4构成环形干气扩压流道14；外壳扩张管5和扩压管9之间的间隙形成分液口23和积液腔13。 

参见图1、2、3，本发明的中心体4居于中心，与外壳直管2、外壳扩张管5和扩压管9同轴心，由静态旋流叶片3和阻涡叶片6对中定位固定。中心体4由半椭球体19、收缩段20、直段21和尾段22组成。其中，半椭球体19的长半轴半径R2与短半轴半径R1之比满足：2≤R2/R1≤10；收缩段20的收缩角α为1°～4°；直段21进入扩压流道14，直段长度L为：1.5D1≤L≤10D1，D1为直段直径。半椭球体19和对应的外壳直管2之间的间隙构成亚声速收缩流道17，气体在该流道中被加速，在半椭球体19和收缩段20的交界处形成喷管喉部16，气流速度达到声速。收缩段20和对应的外壳直管2之间的间隙形成超声速扩张流道15，气体在该流道中被加速到超声速，形成低温低压，水和重烃开始凝结，凝结的液体在强烈的旋流离心场作用下被甩向管壁并随气体向前流动经分液口23流入积液腔13，经排液管11后由液体出口12排出。其中，分液口23的距离Δd为：0.01D≤Δd≤0.15D，D为外壳直管2的内直径。干气进入由扩压管9和中心体4构成环形干气扩压流道14，在扩压流道14内产生激波，速度由超声速降到亚声速，压力和温度回升，经阻涡叶片6导流后从干气出口10排出。 

参见图1、2，本发明的静态旋流叶片3周向均匀安装在半椭球体29表面，不得进入超声速扩张流道15，叶片数目为3～12片。 

参见图1，本发明的静态旋流叶片3和阻涡叶片6还对中心体4起对中定位作用，阻涡叶片6还起支撑防振作用。 

参见图1，外壳扩张管5和扩压管9通过法兰7和法兰8固定连接，排液管11通过焊接 和外壳直管2固定，从而保证本发明的天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置稳定可靠运行。 

参见图1，本发明的具体工作流程为：饱和来气由饱和湿气入口18进入本装置，经静态旋流叶片3旋流后依次进入亚声速收缩流道17、喷管喉部16、超声速扩张流道15，气体膨胀至超声速，形成低温低压，使天然气中的水和重烃发生凝结；凝结的液体在强烈的旋流离心场作用下被甩向管壁并随气体向前流动经分液口23流入积液腔13，经排液管11后由液体出口12排出；干气进入由扩压管9和中心体4构成环形干气扩压流道14，在扩压流道14内产生激波，速度由超声速降到亚声速，压力和温度回升，经阻涡叶片6导流后从干气出口10排出。 

Claims (5)

1.一种天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置，其特征在于：包括法兰(1)、外壳直管(2)、静态旋流叶片(3)、中心体(4)、外壳扩张管(5)、阻涡叶片(6)、扩压管(9)、排液管(11)；外壳直管(2)左端为饱和湿气入口(18)，扩压管(9)右端为干气出口(10)，排液管(11)下端为液体出口(12)；由外壳直管(2)和中心体(4)构成环形的收缩-扩张喷管，其中(17)为亚声速收缩流道、(16)为喷管喉部、(15)为超声速扩张流道；由扩压管(9)和中心体(4)构成环形干气扩压流道(14)；外壳扩张管(5)和扩压管(9)组成分液口(23)和积液腔(13)；积液腔(13)与排液管(11)相连通，形成液体出口(12)；外壳扩张管(5)和扩压管(9)通过法兰(7)和法兰(8)固定连接；静态旋流叶片(3)上端与外壳直管(2)内壁面固定联接，下端与中心体(4)表面固定联接；阻涡叶片(6)上端与扩压管(9)固定连接，下端与中心体(4)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置，其特征在于：等直径的外壳直管(2)和中心体(4)构成截面变化的环形收缩-扩张喷管，形成亚声速收缩流道(17)、喷管喉部(16)和超声速扩张流道(15)。

3.根据权利要求1所述的一种天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置，其特征在于：中心体(4)由半椭球体(19)、收缩段(20)、直段(21)和尾段(22)组成；其中半椭球体(19)的长半轴半径R2与短半轴半径R1之比满足：2≤R2/R1≤10；收缩段(20)的收缩角α为1°～4°；直段(21)进入扩压流道(14)，直段长度L为：1.5D1≤L≤10D1，D1为直段直径。

4.根据权利要求1所述的一种天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置，其特征在于：由外壳扩张管(5)和扩压管(9)构成的分液口(23)的距离Δd为：0.01D≤Δd≤0.15D，D为外壳直管(2)的内直径。

5.根据权利要求1所述的一种天然气超声速膨胀制冷与旋流分离装置，其特征在于：静态旋流叶片(3)周向均匀安装在半椭球体(29)表面，叶片数目为3～12片。

Images