本發(fā)明屬于氣體膨脹制冷與冷凝分離技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種斜流壓力交換氣體冷凝分離裝置與方法。

背景技術(shù)：

常用的氣體低溫分離工藝是利用壓力氣體自身壓力能膨脹制冷，使其中的重組分冷凝為液體，然后進行氣液分離。該工藝廣泛應(yīng)用于天然氣脫水和輕烴回收領(lǐng)域。

目前氣液分離裝置主要有兩大類，一類是超音速氣體旋流分離器，利用拉法爾管結(jié)構(gòu)特點，先使壓力氣體膨脹產(chǎn)生低溫，再利用旋流技術(shù)直接分離冷凝液滴，最后在拉法爾管擴壓段中實現(xiàn)壓力恢復(fù)。如專利超聲速氣體旋流冷凝分離裝置(CN200910229905)、專利一種可變截面管式超音速冷凝旋流器(CN201220322346)、專利錐芯式超音速冷凝旋流分離器(CN200810011258.6)等。另一類是利用外部氣體膨脹設(shè)備獲得冷源，使氣體重組分冷凝為液體，利用分離器結(jié)構(gòu)特點進行液滴分離。如專利高效冷凝分離器(201420105350)、專利氣液冷凝分離器(201520613095)等。外部氣體膨脹制冷設(shè)備有很多種，氣波膨脹制冷技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單，帶液運行能力強等特點，在該領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢。如專利氣波制冷機(89213744.4)、專利外循環(huán)耗散式氣波制冷機(CN200810011257.1)、軸流式自增壓氣波制冷裝置以及制冷方法(CN201310076628)、徑流式自增壓氣波制冷裝置以及制冷方法(CN201310078579)等。

第一類超音速氣體旋流分離器具有結(jié)構(gòu)簡單，無轉(zhuǎn)動件，制冷與分離一體的特點。但是該方法的制冷溫降與制冷效率相對較低，拉法爾管內(nèi)部產(chǎn)生低溫冷源沒有得到充分利用，而在拉法爾管擴壓段被重新加熱。

第二類分離器，外部氣體膨脹制冷設(shè)備的溫降與效率直接影響系統(tǒng)的冷凝效果。傳統(tǒng)氣波膨脹制冷技術(shù)，膨脹后脫濕氣體的壓力能不能恢復(fù)，軸流式自增壓氣波制冷裝置以及制冷方法中間獲得冷源也沒有得到回收。除此以外，雙開口振蕩管槽道內(nèi)存在氣體冷凝組分液排液不凈問題，嚴(yán)重影響氣波制冷的效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明獲得一種借助雙開口振蕩管自身進行壓力交換增壓，恢復(fù)脫濕干氣壓力能，利用脫濕干氣具有的冷量預(yù)冷高壓進氣獲得更低制冷溫度的斜流壓力交換氣體冷凝分離裝置與方法。它是將高壓含濕氣體射入雙開口振蕩管中進行膨脹，析出冷凝液，在分離裝置中脫除冷凝液后進入換熱器，將冷量傳遞給下一次入射的高壓含濕氣體后進入雙開口振蕩管的另一端，接受來自高壓含濕氣膨脹能量的氣波壓縮恢復(fù)壓力能，排出雙開口壓力交換氣波機。下一次入射的高壓含濕氣體通過換熱器獲得本次高壓氣體膨脹后的冷量，溫度降低，膨脹后獲得更低的冷凝溫度。

利用轉(zhuǎn)鼓傾斜槽道設(shè)計，解決了雙開口振蕩管槽道的排液問題，使制冷效率得到進一步的提升。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

1.隨著雙開口振蕩管的旋轉(zhuǎn)，壓力交換振蕩管槽道左側(cè)端口對位到左端固定的高壓氣噴嘴出口，槽道左開口接受高壓射流，高壓含濕氣體在振蕩管內(nèi)膨脹降溫，冷凝液析出，冷凝液在雙開口壓力交換氣波機內(nèi)部一次分離后進入外部分離器二次分離，分離后的低溫氣體進入換熱器預(yù)冷下一次入射的高壓含濕氣體得到中溫氣體；雙開口振蕩管繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，中溫氣體從雙開口壓力振蕩管右側(cè)進入，接受來自高壓含濕氣膨脹能量的氣波壓縮恢復(fù)壓力能；雙開口振蕩管繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)壓力交換振蕩管槽道右端對位到右端固定的高溫噴嘴出口時，壓力恢復(fù)的脫濕干氣排出系統(tǒng)；高壓含濕氣體經(jīng)過換熱器回收了上一次循環(huán)中高壓氣體膨脹產(chǎn)生的冷量，溫度降低，膨脹后獲得更低的制冷溫度。隨著雙開口振蕩管不斷旋轉(zhuǎn)，在其圓周排列的各個槽道中依次重復(fù)上述過程，在雙開口振蕩管各個槽道內(nèi)順序完成高壓含濕氣的膨脹做功制冷并排出，和換熱后的中溫干氣被壓縮恢復(fù)壓力排出系統(tǒng)的過程。

2.為解決雙開口振蕩管內(nèi)排液問題，進一步提高制冷效率，本發(fā)明斜流壓力交換氣體冷凝分離裝置與方法中，采用了將雙開口振蕩管槽道傾斜加工的方法，即沿右端口向左端口的旋轉(zhuǎn)半徑逐漸增大，使得槽道中的凝液在離心力作用下，不斷被甩向旋轉(zhuǎn)半徑大的左端口。保證了雙開口振蕩管內(nèi)脫濕干氣壓力恢復(fù)過程中不會有液滴夾帶。

本發(fā)明有益效果：本發(fā)明斜流壓力交換氣體冷凝分離裝置與方法，由于利用雙開口振蕩管壓力交換的特性，高效回收了高壓含濕氣體壓力能，恢復(fù)了脫濕干氣的壓力能，克服了傳統(tǒng)氣波機將高壓氣體膨脹功耗散的缺陷，提高了高壓含濕氣體壓力量的利用率，進而降低了系統(tǒng)膨脹壓比，提高了雙開口壓力交換氣波機制冷效率。

本發(fā)明采用傾斜雙開口振蕩管，可利用轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時的離心力，連續(xù)地進行將振蕩管槽道中不斷冷凝的液滴甩向冷端口的分離脫出，提高了槽道中激波的壓縮效率，進一步提高了雙開口振蕩管系統(tǒng)的壓縮能效和制冷效率，同時保證了雙開口振蕩管內(nèi)脫濕干氣壓力恢復(fù)過程中不會有液滴夾帶。

本發(fā)明充分回收了高壓含濕氣體膨脹獲得的低溫，預(yù)冷下一循環(huán)入射的高壓含濕氣體，降低其溫度，獲得更低的中間膨脹冷凝溫度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明斜流壓力交換氣體冷凝分離裝置與方法，其各個部件的連接關(guān)系流程圖。

圖2是本發(fā)明斜流壓力交換氣體冷凝分離裝置與方法中，核心部件—雙開口壓力交換氣波機結(jié)構(gòu)簡圖。

圖3是雙開口壓力交換氣波機內(nèi)部傾斜轉(zhuǎn)鼓截面圖。

圖4是雙開口壓力交換氣波機內(nèi)部各個端口位置投影圖。

圖1中：1高壓進氣閥；2換熱器；3高壓進氣噴嘴；

4雙開口壓力交換氣波機；5干氣排氣腔；6干氣排氣閥；7中溫回氣腔；

8低溫排氣腔；9氣液分離器；10排液閥；11驅(qū)動電機；12聯(lián)軸器；

13主軸；14高壓支撐板；15分離葉片；16斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓；

17高溫噴嘴調(diào)節(jié)板；18高溫噴嘴；19高溫支撐板；20引風(fēng)擴壓器；

21引風(fēng)葉輪；22引風(fēng)通道；23一次分離排液口；24高壓噴嘴調(diào)節(jié)板；

25軸承；26傾斜槽道；27分隔板。

具體實施方式

本發(fā)明斜流壓力交換氣體冷凝分離裝置與方法，其一是種典型的實施方式描述如下，但不只局限于此種實施方式：

斜流壓力交換氣體冷凝分離裝置與方法，該斜流壓力交換氣體冷凝分離裝置包括高壓進氣閥1、換熱器2、高壓進氣噴嘴3、雙開口壓力交換氣波機4、干氣排氣腔5、干氣排氣閥6、中溫回氣腔7、低溫排氣腔8、氣液分離器9、排液閥10；雙開口壓力交換氣波機4右端有兩個接口，分別為干氣排氣腔5和中溫回氣腔7，左端有兩個接口，分別為高壓進氣噴嘴3和低溫排氣腔8；換熱器2管層左端連接高壓進氣閥，右端連接高壓進氣噴嘴3；低溫排氣腔8依次經(jīng)過氣液分離器9、換熱器2殼層后與中溫回氣腔7連接；干氣排氣腔5與干氣排氣閥6連接；氣液分離器9與排液閥10連接；

雙開口壓力交換氣波機4是整套裝置的核心部件，包括高壓進氣噴嘴3、高壓支撐板14、分離葉片15、斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16、高溫噴嘴調(diào)節(jié)板17、高溫噴嘴18、高溫支撐板19、引風(fēng)擴壓器20、引風(fēng)葉輪21、引風(fēng)通道22、一次分離排液口23、高壓噴嘴調(diào)節(jié)板24；其中，高壓支撐板14上安裝固定高壓進氣噴嘴3，高壓進氣噴嘴3上安裝固定高壓噴嘴調(diào)節(jié)板24；高溫支撐板19上安裝固定高溫噴嘴18，高溫噴嘴18上安裝固定高溫噴嘴調(diào)節(jié)板17；

驅(qū)動電機11驅(qū)動聯(lián)軸器12帶動主軸13、斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16與分離葉片15以固定速度旋轉(zhuǎn)；斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16內(nèi)部具有多個與軸向固定夾角、四周封閉兩端開口的傾斜槽道26；當(dāng)斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16左側(cè)與高壓噴嘴調(diào)節(jié)板24右側(cè)接通時，從高壓進氣噴嘴3出來的高壓含濕氣體通過高壓調(diào)節(jié)板24進入斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16的傾斜槽道26內(nèi)膨脹，膨脹后的帶液低溫氣體經(jīng)過分離葉片15后，大部分冷凝液滴從一次分離排液口23排出，低溫氣體夾帶少量液滴從低溫排氣腔8排出雙開口壓力交換氣波機4后進入外部氣液分離器9再一次分離，冷凝液從排液閥10排出；脫濕的冷氣進入換熱器2將冷量傳遞給高壓含濕進氣，即預(yù)冷高壓含濕氣體。脫濕冷氣換熱后成為中溫氣體從中溫回氣腔7重新進入雙開口壓力交換氣波機4。

斜通道雙開口振蕩管轉(zhuǎn)鼓15繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)中溫回氣腔7與斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16右側(cè)接通時，通過內(nèi)置引風(fēng)裝置，采用引風(fēng)擴壓器20、引風(fēng)葉輪21組合方式，在雙開口壓力交換氣波機4內(nèi)部實現(xiàn)引風(fēng)；引風(fēng)擴壓器20、引風(fēng)葉輪21將中溫氣體從中溫回氣腔7引入引風(fēng)通道22，同時提供推動力將槽道26中上一次循環(huán)的低溫氣體從低溫排氣腔8排出；斜通道雙開口振蕩管轉(zhuǎn)鼓15繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)中溫氣體充滿槽道25后，斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16左側(cè)與高壓噴嘴調(diào)節(jié)板24右側(cè)再次接通，將預(yù)冷的高壓含濕氣體射入至槽道25，中溫干氣接受來自高壓含濕氣膨脹能量的氣波壓縮恢復(fù)壓力能；斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16右側(cè)與高溫噴嘴調(diào)節(jié)板17接通時，壓力恢復(fù)的干氣通過高溫噴嘴調(diào)節(jié)板17、高溫噴嘴18以及干氣排氣腔5排出系統(tǒng)。至此完成斜流壓力交換氣體冷凝分離過程。

所述的槽道26從右端口向左端口的旋轉(zhuǎn)半徑逐漸增大，使得槽道26中的凝液在離心力作用下，不斷被甩向旋轉(zhuǎn)半徑大的左端口，連續(xù)地將槽道26中不斷冷凝的液滴甩向冷端口并分離脫出；每條槽道26都與主軸13呈相同的傾角，傾角角度為0°～90°。

所述的槽道26周邊封閉，兩端開口，通道截面呈楔形、扇形或圓形；各槽道26在斜通道雙開口振蕩管轉(zhuǎn)鼓16內(nèi)通過分隔板27分隔，分隔板27厚度0.1mm-10mm。

將所述的內(nèi)置引風(fēng)裝置替換為外置引風(fēng)裝置，在中溫氣體進入雙開口壓力交換氣波機4中溫回氣腔7之前增加風(fēng)機裝置實現(xiàn)外置引風(fēng)。

為滿足高壓含濕氣體按照一定時差進入斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16、恢復(fù)壓力的干氣按照一定時差從高溫噴嘴調(diào)節(jié)板17、高溫噴嘴18排出以及低溫帶液氣體無溫度損失的排出低溫排氣腔8，高壓噴嘴調(diào)節(jié)板24、高壓進氣噴嘴3組合件與高溫調(diào)節(jié)板17、高溫噴嘴18組合件在斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16各自一側(cè)中徑處滿足五個關(guān)系，即高壓進氣噴嘴3的弧長a與其所在斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16中徑周長比0.1～0.5；低溫排出腔8的開口弧長d與其所在斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16中徑周長之比0.5～0.9；高溫噴嘴18的弧長b與其所在斜通道雙開口轉(zhuǎn)鼓16中徑周長之比0.1～0.5；中溫回氣腔7的開口弧長c與其所在斜通道雙開口振蕩管轉(zhuǎn)鼓16中徑周長比0.5～0.9；高壓進氣噴嘴3中心線與高溫噴嘴18中心線在環(huán)向最小夾角Θ為0°～180°。