專利名稱：一種超音速凝結(jié)與旋流分離裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多組份混合氣體的液化、分離技術(shù)，具體涉及一種超 音速凝結(jié)與旋流分離裝置。
背景技術(shù)：
天然氣潔凈無(wú)污染、熱值高、使用方便。然而開采出來(lái)的天然氣中常 ?；旌嫌幸簯B(tài)水、固體顆粒、水蒸氣和重?zé)N，為了滿足天然氣外輸和使用 的要求，必須減少這些雜質(zhì)的含量，其中水蒸氣和重?zé)N的分離難度最大。 目前，水蒸氣和重?zé)N的分離技術(shù)有溶劑吸收、固體吸附、膜分離、低溫分 離，超音速分離等，其中超音速分離技術(shù)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需外部動(dòng) 力、無(wú)需人員職守、加工運(yùn)行費(fèi)用低、應(yīng)用范圍廣等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)已成為近 年的一個(gè)重要技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
國(guó)外的技術(shù)已經(jīng)開始進(jìn)入商業(yè)推廣階段。俄羅斯于2005年報(bào)道了其 開發(fā)的3-S天然氣處理技術(shù)，專利號(hào)為EP1131588。 Twister BV公司在 該技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了長(zhǎng)期深入的研究，申請(qǐng)了一系列專利，其第一個(gè)商業(yè)化 的脫水系統(tǒng)也于2003年12月在馬來(lái)西亞的Bll海上平臺(tái)完成安裝。
國(guó)內(nèi)從事該技術(shù)研發(fā)的單位有北京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合勝利油田，中國(guó)石 油大學(xué)(華東)聯(lián)合中原油田，北京航空航天大學(xué)聯(lián)合江漢石油機(jī)械研究 所，到目前為止，幾家單位都初步完成了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。西安交通大學(xué)與長(zhǎng)慶 油田合作自2005年對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
Twister BV公司的核心技術(shù)主要有兩種 一是利用節(jié)流制冷效應(yīng)， 其最新公布的產(chǎn)品Twister SWIRL Valve，是在傳統(tǒng)的J-T閥技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)，但其總壓損失仍然較大，溫度降低幅度較小；二是超音速分離技術(shù)， 即把氣流加速到超音速，以降低其溫度使重?zé)N和水蒸氣凝結(jié)，然后利用旋 流離心力實(shí)現(xiàn)氣液分離。該技術(shù)的第一代技術(shù)是利用超音速翼實(shí)現(xiàn)旋流， 國(guó)內(nèi)在這方面的專利有如CN1896184A，不足之處激波阻力和流動(dòng)阻力較 大，流場(chǎng)均勻性差，不利于液滴的生長(zhǎng)導(dǎo)致分離效率低。Twister BV公司 的超音速分離的二代產(chǎn)技術(shù)是在入口處使用導(dǎo)流葉柵產(chǎn)生旋流，并通過(guò)控 制流道平均半徑的變化來(lái)控制旋流強(qiáng)度，其不足之處是不適用于小流量的 情況，因?yàn)樾×髁繒r(shí)環(huán)形通道的間隙非常小，導(dǎo)致壁面摩擦損失嚴(yán)重，而 且由于附面層內(nèi)大量低能流體的存在，影響了分離效率和壓力回收效率。 而我國(guó)陸地天然氣資源的特點(diǎn)是相當(dāng)一部分氣田單井流量較小。己有的天 然氣超音速除濕技術(shù)或者無(wú)法在小流量工況下運(yùn)行或者在小流量時(shí)分離 效率低，總壓損失大，而我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對(duì)環(huán)境保護(hù)的逐步重視必 然對(duì)天然氣這種高熱值的潔凈能源有強(qiáng)烈的渴求，因此開發(fā)出適應(yīng)我國(guó)陸 地氣田特點(diǎn)的天然氣除濕技術(shù)必能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種適合用于單 井流量較小的陸地氣田的天然氣處理的超音速?gòu)?qiáng)旋流混合氣體分離裝置， 該裝置在小流量工況下具有總壓損失小、分離效率高等優(yōu)良的性能。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括由入口段、縮放段、 等直段和擴(kuò)張段組成的管道，在管道的入口段設(shè)置有帶葉柵的導(dǎo)流紡錘 體，帶葉柵的導(dǎo)流紡錘體與管道之間形成環(huán)形通道，在管道的擴(kuò)張段設(shè)置 有旋流回收升壓器，該旋流回收升壓器包括外殼和設(shè)置在外殼內(nèi)的中心椎 體，中心椎體與外殼之間形成環(huán)形氣體出口，外殼與管道的擴(kuò)張段之間形 成集液腔，且在集液腔的下端還開設(shè)有排液口。本發(fā)明的擴(kuò)張段的擴(kuò)張角5、"d5。；中心椎體與外殼通過(guò)三個(gè)支撐焊 接成為一個(gè)整體，外殼的擴(kuò)張角6、A^10'，中心椎體的擴(kuò)張角 0.5、-^《，中心椎體與外殼之間形成漸擴(kuò)的環(huán)形氣體出口，并且該環(huán)形
氣體出口的平均半徑沿流動(dòng)方向是增大；帶葉柵的導(dǎo)流紡錘體通過(guò)其上的 葉柵與管道相連接并構(gòu)成環(huán)形通道；中心椎體的前端在管道擴(kuò)張段起始點(diǎn) 的前方，該距離為1.5Z^L2"Z)，其中D為等直段的內(nèi)徑；集液腔的入口 在管道擴(kuò)張段起始點(diǎn)的后方，其距離為0.4i^L,2.8D，其中D為等直段 的內(nèi)徑。
本發(fā)明的進(jìn)口段由葉柵導(dǎo)流方式使氣流產(chǎn)生強(qiáng)力旋轉(zhuǎn)。 一縮放段配合 其后，使氣流達(dá)到超音速，其溫度大幅度降低，從而使露點(diǎn)較高的組份凝 結(jié)，同時(shí)利用氣流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力實(shí)現(xiàn)氣液兩相的分離。管道尾部是高 效集液器和旋流回收升壓器。本發(fā)明與現(xiàn)有的超音速分離裝置相比，由于 該裝置在高速流場(chǎng)區(qū)的流道通暢，壁面摩擦阻力小，而且設(shè)計(jì)了適和小流 量的旋流回收升壓器，所以該裝置在小流量工況同樣擁有較高的分離效率 和旋流回收效率。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明管道1的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明帶葉柵的導(dǎo)流紡錘體的結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明旋流回收升壓器的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明管道與旋流回收升壓器的裝配特征示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
參見圖l， 2，本發(fā)明包括由開設(shè)有氣體入口4的入口段1-1、縮放段1-2、等直段1-3和擴(kuò)張段1-4組成的管道1，在管道1的入口段1-1設(shè)置 有帶葉柵的導(dǎo)流紡錘體2，帶葉柵的導(dǎo)流紡錘體2與管道1之間形成環(huán)形 通道，在管道l的擴(kuò)張段l-4設(shè)置有旋流回收升壓器3，該旋流回收升壓 器3包括外殼3-1和設(shè)置在外殼3-1內(nèi)的中心椎體3-2，中心椎體3-2與 外殼3-1之間形成環(huán)形氣體出口 7，外殼3-1與管道1的擴(kuò)張段1-4之間 形成集液腔5，且在集液腔5的下端還開設(shè)有排液口 6，
參見圖2，本發(fā)明的管道1的擴(kuò)張段1-4的擴(kuò)張角5。 ^"S15'。
參見圖3，本發(fā)明的帶葉柵的導(dǎo)流紡錘體2通過(guò)其上的葉柵與管道1 相連接并構(gòu)成環(huán)形通道。
參見圖4，本發(fā)明的中心椎體3-2與外殼3-1通過(guò)三個(gè)支撐焊接成為 一個(gè)整體，外殼3-1的擴(kuò)張角6、^^1(T，中心椎體3-2的擴(kuò)張角 0.5、^ 24° ，中心椎體3-2與外殼3-1之間形成漸擴(kuò)的環(huán)形氣體出口 7， 并且該環(huán)形氣體出口 7的平均半徑沿流動(dòng)方向是增大的。
參見圖5，本發(fā)明的中心椎體3-2的前端在管道擴(kuò)張段1-4起始點(diǎn)的 前方，該距離為1.5Z^L"5仏，集液腔5的入口在管道擴(kuò)張段1-4起始點(diǎn) 的后方，其距離為0.4DSL^2.8Z)，其中D為等直段l-3的內(nèi)徑。
本發(fā)明氣流從氣體入口 4進(jìn)入，在帶有導(dǎo)流葉柵的導(dǎo)流紡錘體2的作 用下獲得足夠大的角動(dòng)量矩，氣流然后經(jīng)由管道的縮放段1-2加速到超音 速，溫度大幅度降低，混合氣體中的重?zé)N和水蒸氣開始凝結(jié)；等直段卜3 為凝結(jié)核的長(zhǎng)大和氣液兩相在離心力下分離提供了充足的時(shí)間；液體被集 液腔5收集并由排液口 6排除，氣體在旋流回收升壓器3的作用下靜壓力 得到提升并由排氣口7流出。
本發(fā)明之所以能在小流量工況下具有總壓損失小、分離效率高等優(yōu)良 的特性是因?yàn)?1) 在入口處，帶葉柵的導(dǎo)流紡錘體與管道之間通過(guò)葉柵相連接的 方式形成了一環(huán)形通道，來(lái)流流經(jīng)此環(huán)形通道時(shí)既獲得了旋轉(zhuǎn)速度，又獲 得了較大的平均旋轉(zhuǎn)半徑，因而氣流具有了很大的初始角動(dòng)量矩，為后續(xù)
的分離過(guò)程奠定了基礎(chǔ)；
(2) 高速旋轉(zhuǎn)的氣流在管道縮放段的作用下加速度超音速，溫度大 幅度降低，為水蒸汽和重?zé)N的凝結(jié)提供了溫度條件，氣流中開始出現(xiàn)大量 凝結(jié)核。接下來(lái)高速旋轉(zhuǎn)的低溫氣流進(jìn)入管道的等直段，此種設(shè)計(jì)為凝結(jié) 核的長(zhǎng)大和氣液兩相在離心力作用下分離提供了充足的時(shí)間，確保了較高 的分離效率。此外該設(shè)計(jì)方案使得高速流場(chǎng)區(qū)域的流道通暢，流通面積大， 從而有效的降低了壁面摩擦造成的壓力損失，在小流量工況下該設(shè)計(jì)方案 的優(yōu)勢(shì)更為顯著。
(3) 激波與附面層的相互作用會(huì)造成附面層分離，導(dǎo)致局部的流場(chǎng) 紊亂，此是造成集液器集液效率低的一個(gè)重要原因。該裝置的旋流回收升 壓器的中心椎體的前端在管道擴(kuò)張段起點(diǎn)的前方，使得激波遠(yuǎn)離集液器入 口，為附面層重新貼壁、流場(chǎng)重歸均勻提供了時(shí)間和距離，確保了集液器 入口處流場(chǎng)的均勻性，顯著提高了集液效率。
(4) 通過(guò)葉柵對(duì)流動(dòng)方向進(jìn)行調(diào)整是最常用、最傳統(tǒng)的方法，但是 在小流量工況下，流通面積小，采用在流道中附加葉柵的方法易造成流動(dòng) 堵塞。本發(fā)明針對(duì)此種情況特別設(shè)計(jì)了適合小流量的旋流回收升壓器。該 升壓器的中心椎體和外殼之間形成沿流動(dòng)方向流通面積漸增的環(huán)形通道， 并且該通道的平均半徑是增加的，即強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)的氣流經(jīng)過(guò)此通道時(shí)旋轉(zhuǎn)半 徑是變大的。據(jù)角動(dòng)量矩守恒原理知此種設(shè)計(jì)能有效的降低氣流的旋轉(zhuǎn)速 度，實(shí)現(xiàn)氣流的轉(zhuǎn)動(dòng)能的回收。本發(fā)明的旋流回收技術(shù)與傳統(tǒng)的葉柵方式 相比，流道更通暢，尤其在小流量時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。下面以一個(gè)日處理量為10萬(wàn)標(biāo)方天然氣超音速?gòu)?qiáng)旋流除濕裝置為例， 對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
參見圖l，管道等直段的內(nèi)徑D二15mm，擴(kuò)張段的擴(kuò)張角《=7。；旋流回 收升壓器中心椎體的擴(kuò)張角為A=4°外殼的擴(kuò)張角為戍=6°旋流回收升壓器 與管道的裝酉己參數(shù)是L2 = 1.5i) = 22.5w附，L, = 0.6" = 9ww 。
氣流從入口 4進(jìn)入，遇到帶葉柵的導(dǎo)流紡錘體2后進(jìn)入環(huán)形通道在導(dǎo) 流葉柵的作用下獲得設(shè)定的初始角動(dòng)量矩。經(jīng)過(guò)倒流紡錘體后在管道縮放 段1-2的作用下加速到設(shè)定的馬赫數(shù)，溫度降低到設(shè)定值。此時(shí)水蒸汽和 重?zé)N開始凝結(jié)并形成大量凝結(jié)核。氣流流經(jīng)管道的等直段1-3，在等直段 的后部凝結(jié)核已長(zhǎng)大并且在離心力作用在運(yùn)動(dòng)到壁面附近。氣流與旋流回 收升壓器中心椎體3-2相遇產(chǎn)生激波，導(dǎo)致濕度很大的附面層分離，造成 局部的流場(chǎng)紊亂。接下來(lái)流場(chǎng)經(jīng)過(guò)一段距離(L,+L2二31.5inm)的調(diào)整實(shí)現(xiàn) 了附面層重新貼壁，富含液滴的附面層順利的經(jīng)過(guò)集液器入口進(jìn)入集液腔 5并由出口6排除。氣相在旋流回收升壓器3的作用下，旋轉(zhuǎn)速度大幅度 降低、壓力回升并從出口7流出，除濕過(guò)程完成。
權(quán)利要求
1、一種超音速凝結(jié)與旋流分離裝置，其特征在于包括由入口段(1-1)、縮放段(1-2)、等直段(1-3)和擴(kuò)張段(1-4)組成的管道(1)，在管道(1)的入口段(1-1)設(shè)置有帶葉柵的導(dǎo)流紡錘體(2)，帶葉柵的導(dǎo)流紡錘體(2)與管道(1)之間形成環(huán)形通道，在管道(1)的擴(kuò)張段(1-4)設(shè)置有旋流回收升壓器(3)，該旋流回收升壓器(3)包括外殼(3-1)和設(shè)置在外殼(3-1)內(nèi)的中心椎體(3-2)，中心椎體(3-2)與外殼(3-1)之間形成環(huán)形氣體出口(7)，外殼(3-1)與管道(1)的擴(kuò)張段(1-4)之間形成集液腔(5)，且在集液腔(5)的下端還開設(shè)有排液口(6)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速凝結(jié)與旋流分離裝置，其特征在于 所說(shuō)的擴(kuò)張段(1-4)的擴(kuò)張角5、"^15'。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速凝結(jié)與旋流分離裝置，其特征在于 所說(shuō)的中心椎體(3-2)與外殼(3-1)通過(guò)三個(gè)支撐焊接成為一個(gè)整體， 外殼(3-1)的擴(kuò)張角6、^1(T，中心椎體(3-2)的擴(kuò)張角0.5、AW， 中心椎體(3-2)與外殼(3-1)之間形成漸擴(kuò)的環(huán)形氣體出口 (7)，并且 該環(huán)形氣體出口 (7)的平均半徑沿流動(dòng)方向是增大。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速凝結(jié)與旋流分離裝置，其特征在于 所說(shuō)的帶葉柵的導(dǎo)流紡綞體(2)通過(guò)其上的葉柵與管道(1)相連接并構(gòu) 成環(huán)形通道。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速凝結(jié)與旋流分離裝置，其特征在于 所說(shuō)的中心椎體(3-2)的前端在管道擴(kuò)張段(1-4)起始點(diǎn)的前方，該距 離為1.5"SL^5D，其中D為等直段(1-3)的內(nèi)徑。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速凝結(jié)與旋流分離裝置，其特征在于所說(shuō)的集液腔(5)的入口在管道擴(kuò)張段(1-4)起始點(diǎn)的后方，其距離為 0.4D2L^2.8"，其中D為等直段(1-3)的內(nèi)徑。
全文摘要
一種超音速凝結(jié)與旋流分離裝置，在進(jìn)口處由葉柵導(dǎo)流方式使氣流產(chǎn)生強(qiáng)力旋轉(zhuǎn)。一縮放噴管配合其后，使氣流達(dá)到超音速，其溫度大幅度降低，從而使露點(diǎn)較高的組份凝結(jié)，同時(shí)利用氣流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力實(shí)現(xiàn)氣液兩相的分離。噴管尾部是高效集液器和旋流回收升壓器。本發(fā)明與現(xiàn)有的超音速分離裝置相比，由于該裝置在高速流場(chǎng)區(qū)的流道通暢，壁面摩擦阻力小，而且設(shè)計(jì)了適合小流量的旋流回收升壓器，所以該裝置在小流量工況同樣擁有較高的分離效率和旋流回收效率。我國(guó)相當(dāng)一部分陸地氣田的單井流量都較小，因此該裝置在我國(guó)陸地氣田的天然氣處理領(lǐng)域應(yīng)用前景尤為廣闊。
文檔編號(hào)F25J3/06GK101619918SQ200910023458
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月28日
發(fā)明者春 常, 白博峰 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)