專利名稱：錐芯式超音速冷凝旋流分離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明錐芯式超音速冷凝旋流分離器屬于壓力氣體的膨脹制冷和冷凝分離 技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是一種使氣體高速膨脹降溫，再在其高速旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中分離重 組分凝液的靜止式冷凝分離裝置。
技術(shù)背景利用壓力氣體壓力能膨脹制冷，使其中的重組分冷凝成液體，然后進(jìn)行氣 液分離，以實(shí)現(xiàn)混合氣體中重組分的分離。這項(xiàng)技術(shù)可以廣泛的應(yīng)用于各種混 合氣體的分離場(chǎng)合，尤其是在天然氣脫水凈化和輕烴回收領(lǐng)域極具應(yīng)用價(jià)值。 常規(guī)的天然氣深冷工藝常采用"布雷頓"循環(huán)，關(guān)鍵設(shè)備是膨脹制冷機(jī)，其中 有透平膨脹機(jī)、氣波制冷機(jī)或節(jié)流閥等。節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其只是等焓降 壓，壓力能利用率很低，制冷溫度有限。透平膨脹機(jī)的效率較高，但操作、管 理和維護(hù)繁雜，帶液運(yùn)行能力差。發(fā)展簡(jiǎn)易、耐用、易操作管理的新型一體化制冷加分離技術(shù)，對(duì)于天然氣處理等領(lǐng)域的意義重大。殼牌公司(Shell)在1997 年購(gòu)買了超音速分離的相關(guān)專利后，進(jìn)一步研發(fā)并著力將其應(yīng)用于天然氣處理， 取得一些突破，先后對(duì)其Twister裝置申請(qǐng)了多項(xiàng)國(guó)際專利(US 6513345 Bl， US 2002/0194988 Al， US 2003/0145724 Al， WO 03/092850 Al， WO 2004/020074 等)。并于2003年在馬來西亞石油公司海上氣田及尼日利亞氣田開發(fā)中得到了 驗(yàn)證與應(yīng)用，目前仍在完善與改進(jìn)中。殼牌公司的Twister裝置主要用于高壓 氣體的脫水，在壓力為7 15MPa和烴冷凝壓力超過5MPa條件下，在重量、機(jī) 體積和成本方面有較大的節(jié)省，在海上應(yīng)用有較大的優(yōu)勢(shì)。Twister裝置具無活 動(dòng)部件和不需添加化學(xué)藥劑等特點(diǎn)，且可無人操作。但該裝置產(chǎn)生旋流的部件 是大后掠角長(zhǎng)三角翼，盡管具有旋流分離效率高的優(yōu)點(diǎn)，但在該構(gòu)件附近易產(chǎn) 生激波，破壞低溫低壓環(huán)境，造成冷凝流場(chǎng)的不穩(wěn)定。西安交通大學(xué)提出多進(jìn) 氣道超音速旋流分離與回壓裝置(ZL200610043158.2)，其旋流發(fā)生采用多個(gè)漸縮或超音速噴嘴，使氣流增速，溫度降低到濕氣凝結(jié)所需的過冷度以下，使重 組分在過冷的氛圍中凝結(jié)成核并長(zhǎng)大，同時(shí)高速氣流沿著一定的切向進(jìn)入旋流 分離管。但該裝置噴嘴中產(chǎn)生的液滴在射入分離管時(shí)，易使已經(jīng)凝結(jié)的液滴二次揮發(fā)，引起不必要的過冷度損失；噴嘴出口的氣體速度過高(音速或超音速)， 旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度過大，降低了總壓效率。此外，Shell的Twister和西交大的多進(jìn)氣道 超音速旋流分離與回壓裝置的超音速旋流分離部分，都是采用角度較小的漸擴(kuò) 管，加工這種光滑漸擴(kuò)管的難度很大，而且漸擴(kuò)管中旋流強(qiáng)度會(huì)隨漸擴(kuò)管直徑 的增加而減小，降低氣液分離效果。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)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容 易、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、壓力轉(zhuǎn)換效率較高、用于混合氣體冷凝分離的制冷與分離 一體化的錐芯式超音速冷凝旋流分離器。本發(fā)明錐芯式超音速冷凝旋流分離器的技術(shù)解決方案為采用向流道中插 入錐芯的結(jié)構(gòu)，遂使包括旋流發(fā)生器、漸縮旋轉(zhuǎn)強(qiáng)化段和冷凝分離噴管的橫截 面，均是由一個(gè)錐芯占據(jù)中心位置而與外殼內(nèi)壁圍成的環(huán)形。由于插入錐芯的直徑可以在各處任意改變，因此環(huán)形流道就很容易形成截 面漸縮、喉部相等段、截面漸擴(kuò)的結(jié)構(gòu)，特別是在超音速漸擴(kuò)段，可以采用直 徑逐漸縮小的錐芯而噴管內(nèi)徑保持不變的策略，形成沿長(zhǎng)度方向上外徑不變、 內(nèi)徑不斷縮小的環(huán)截面擴(kuò)錐流道，不但避免了加工漸擴(kuò)流道內(nèi)孔的困難和成本， 而且流道的外徑保持不變，內(nèi)徑縮小，內(nèi)旋流場(chǎng)更加增強(qiáng)。這如同渦流管的作 用，使在內(nèi)徑處的氣流溫度更低，露點(diǎn)更低且凝液充分外甩分離，更有利于提 高出口氣的干度。本發(fā)明錐芯式超音速冷凝旋流分離器中，分離作用的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)是由周向均 布的彎弧形葉片導(dǎo)流產(chǎn)生的，這些葉片使氣體切向進(jìn)入加速流道，在外孔和內(nèi)芯均為縮錐的亞音速流道段，流道的半徑縮減很快，根據(jù)動(dòng)量矩守恒規(guī)律，流 體的旋轉(zhuǎn)角速度會(huì)大幅度提高，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的離心力場(chǎng)。本發(fā)明錐芯式超音速冷凝旋流分離器，由外殼內(nèi)孔和插入的錐芯圍成通流 截面漸縮、喉部和漸擴(kuò)的流道，流體在流道中被加速到很高的超音速，靜溫則 降到與馬赫數(shù)相對(duì)應(yīng)的低溫，使其中的重組分過冷凝析，并伴隨著氣流的高速 自旋被分離導(dǎo)流道的內(nèi)壁，細(xì)小液滴不斷地互相碰撞長(zhǎng)大，并在氣流的帶動(dòng)下 向下游流動(dòng)。在氣流流速最大值附近的流道處，通過內(nèi)孔的擴(kuò)大轉(zhuǎn)折，續(xù)接從下游插入 的錐管，在內(nèi)孔壁處套接形成一道環(huán)形的縫隙出口，由此將內(nèi)壁的凝液膜(含 一部分氣體)導(dǎo)流出流道，進(jìn)到積液腔中匯集，再?gòu)某鲆嚎谂懦觥６蓺鈩t大 部分流入接續(xù)錐管，在其入口后面產(chǎn)生激波，速度降成亞音速，壓力和溫度上 升，再流過接續(xù)錐管的漸擴(kuò)流道，減速擴(kuò)壓，壓力和溫度回升，最后從千氣出 口排出。本發(fā)明錐芯式超音速冷凝旋流分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為1. 漸縮接續(xù)等徑的內(nèi)孔流道和分段變徑的插入式錐芯。針對(duì)于流道內(nèi)孔難以加工、難以保證尺寸精度、光潔度質(zhì)量的固有不利， 發(fā)明出內(nèi)孔只加工亞音速漸縮錐和圓柱孔，配合內(nèi)插直徑變化的錐芯的方法， 實(shí)現(xiàn)了環(huán)狀的亞音速、喉部和漸擴(kuò)段流道，從而避開了機(jī)加工的難點(diǎn)，容易獲 得精度高、表面光滑的流道表面。并且，這樣的超音速流道由于向內(nèi)擴(kuò)展，可 使內(nèi)旋流場(chǎng)更加強(qiáng)烈，能提高氣液分離的效果。而且由于內(nèi)錐的存在，可以減 小氣體旋轉(zhuǎn)沿徑向的速度梯度，降低能量損失。且圓環(huán)截面與圓柱截面相比， 可縮短液滴的徑向沉降距離。2. 氣體通過旋流發(fā)生器進(jìn)入亞音速流道。氣體從進(jìn)口進(jìn)到穩(wěn)壓腔之后，再?gòu)较蜻M(jìn)入數(shù)個(gè)預(yù)旋葉片流道，各個(gè)葉片之間形成向內(nèi)漸縮的通道，將氣體逐漸加速，并由徑向轉(zhuǎn)成切向進(jìn)入噴管流道。3. 縮徑更大的亞音速旋流增強(qiáng)錐段。由于在亞音速段，流道內(nèi)錐和內(nèi)芯直徑可以同時(shí)大幅度縮小，而保證流道 截面積不會(huì)驟縮，因此可以實(shí)現(xiàn)更大的徑縮比，使氣流旋轉(zhuǎn)的角速度增幅更甚， 分離能力更加強(qiáng)化。4. 干氣體導(dǎo)出通道采用二次擴(kuò)張的結(jié)構(gòu)。在凝液出口之后的插入式氣體導(dǎo)出通道采用略微擴(kuò)張之后續(xù)一段等徑段， 然后再擴(kuò)張的結(jié)構(gòu)，第一次擴(kuò)張的作用是使冷凝分離噴管末端和液體出口環(huán)縫 附近保持超音速，避免激波前移，造成對(duì)冷凝分離段流場(chǎng)的影響。從第一擴(kuò)張 段過渡到等徑段，干氣流通過弱的斜激波減速到音速以下；而第二擴(kuò)張段才是 真正的擴(kuò)壓器段，亞音速氣流在此等熵減速增壓。如果流道參數(shù)設(shè)計(jì)的好，本 發(fā)明錐芯式超音速冷凝旋流分離器的壓力降可以較小。本發(fā)明錐芯式超音速冷凝旋流分離器所達(dá)到的有益效果為不需外加動(dòng) 力，通過簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，使混合氣體如天然氣等自身膨脹加速到超音速，靜溫極 大降低，從而使重組分冷凝，并在其自產(chǎn)生的強(qiáng)力離心力場(chǎng)的作用下實(shí)現(xiàn)凝液 的分離。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。


圖1是本發(fā)明錐芯式超音速冷凝旋流分離器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明旋流發(fā)生器的剖面圖。圖3是本發(fā)明的內(nèi)插錐芯的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、壓力氣入口， 2、旋流發(fā)生器，3、外殼錐管，4、錐芯，5、外殼 柱管，6、導(dǎo)液器，7、支架，8、插入式氣體導(dǎo)出通道，9、干氣出口， 10、排液口， 11、集液腔，12、超音速降溫分離流道，13、喉部流道，14、亞音速和 旋流加速流道，15、穩(wěn)壓腔，16、錐芯短錐段，17、錐芯短柱段，18、錐芯長(zhǎng) 漸細(xì)錐段，19、錐芯細(xì)柱段。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出的錐芯式超音速冷凝旋流分離器，主要由旋流發(fā)生器2、外殼錐 管3、錐芯4、外殼柱管5、導(dǎo)液器6、支架7、插入式氣體導(dǎo)出通道8、集液腔 11、超音速降溫分離流道12、喉部流道13、亞音速和旋流加速流道14和穩(wěn)壓腔 15組成。加速和分離流道的外殼由不同的圓盤、外殼錐管3、外殼柱管5分段焊接組 成，然后機(jī)加工出錐形與柱形內(nèi)孔流道。導(dǎo)液器6也是由外殼、接管和法蘭焊接 而成，機(jī)加工后與加速和分離流道通過內(nèi)外孔圓配合對(duì)位、螺紋連接、O型圈密 封。入口的穩(wěn)壓腔15與加速和分離流道采用法蘭連接，以便于拆裝清洗或更換 旋流發(fā)生器2和錐芯4。旋流發(fā)生器2中的葉片為弧形或弧形加扭曲葉片， 一般為4 8片，厚度為2 3毫米，周向均布，高度方向與分離流道軸線平行，葉片張角ci與葉片 數(shù)量有關(guān)， 一般為60 U0。。相鄰葉片構(gòu)成進(jìn)氣流道，流道最小截面積由葉 片最小間距vv和葉片高度決定。殼體亞音速錐段的外殼錐管3的收縮角一般為 20 50° ，對(duì)位的錐芯短錐段16的錐角一般為10 40° 。殼體超音速段的外 殼柱管5為等徑圓柱孔，其長(zhǎng)度為內(nèi)徑的8 30倍，與其對(duì)位的錐芯的長(zhǎng)漸細(xì) 錐段18的錐角為1 8。。錐芯短柱段17的長(zhǎng)度為2 20毫米，與外殼錐管3 和外殼柱管5的交界線對(duì)位，形成流道的喉部。插入式氣體導(dǎo)出通道8有二次 漸擴(kuò)，第一段擴(kuò)張角為5 20° ，其后為等徑內(nèi)孔段的過渡，等徑段長(zhǎng)度為3 30毫米，后接第二擴(kuò)張段，其擴(kuò)張角為7 30。。內(nèi)插錐芯4占據(jù)流道的部分 有四段錐芯短錐段16與殼體的錐段圍成亞音速和旋流加速流道14，錐芯短柱段17與殼體的錐、柱交界區(qū)段構(gòu)成喉部流道13，而錐芯長(zhǎng)漸細(xì)錐段18與殼 體的長(zhǎng)內(nèi)孔柱段圍成漸擴(kuò)的超音速降溫分離流道12，最后段的細(xì)柱段19穿入 支架7的中心孔，主要起對(duì)中定位和支撐防振的作用。壓力氣體從入口 1進(jìn)入穩(wěn)壓腔15中，通過旋流發(fā)生器2流道徑向進(jìn)入軸 向加速管，先流過亞音速和旋流加速流道14使氣流加速到音速，并由于半徑 減小而加速?gòu)?qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過喉部流道13進(jìn)到超音速降溫分離流道12，超音速 馬赫數(shù)逐漸增大，靜溫降到很低，氣中的重組分因過冷而凝析，再在強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn) 離心力場(chǎng)的作用下離心沉降到流道的壁面，形成液膜并在氣流的沖刷下流向下 游，夾帶小部分氣體從液體出口環(huán)縫流出到導(dǎo)液器6中，經(jīng)集液腔ll流出排 液口 10。而干氣則進(jìn)入后續(xù)的插入式氣體導(dǎo)出流道管8，先將超音速變亞音速， 然后繼續(xù)擴(kuò)壓減速，從干氣出口9流出。
權(quán)利要求
1. 錐芯式超音速冷凝旋流分離器，主要由旋流發(fā)生器(2)、外殼錐管(3)、外殼柱管(5)、導(dǎo)液器(6)、支架(7)、插入式氣體導(dǎo)出通道(8)、集液腔(11)、超音速降溫分離流道(12)、喉部流道(13)、亞音速和旋流加速流道(14)和穩(wěn)壓腔(15)組成，其特征在于，流道居中插入變截面積的錐芯(4)，由外殼錐管(3)和錐芯短錐段(16)形成的亞音速和旋流加速流道(14)是截面積漸縮的環(huán)形流道，由外殼柱管(5)和錐芯長(zhǎng)漸細(xì)錐段(18)形成的超音速降溫分離流道(12)是截面積漸擴(kuò)的環(huán)形流道，插入式的干氣體導(dǎo)出通道(8)采用二次擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，二擴(kuò)張流道之間夾有一小段等截面段。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐芯式超音速冷凝旋流分離器，其特征在于，錐 芯(4)各段的截面積不同，外殼柱管(5)的內(nèi)截面積保持不變。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐芯式超音速冷凝旋流分離器，其特征在于，錐 芯短柱段(17)等徑短圓柱的長(zhǎng)度為2 20毫米，且與外殼錐管(3)和外殼柱管(5) 的交界線對(duì)位，外殼柱管(5)的長(zhǎng)度為內(nèi)徑的8 30倍，與其對(duì)位的錐芯長(zhǎng)漸細(xì) 錐段(18)的錐角為1 8° 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐芯式超音速冷凝旋流分離器，其特征在于， 旋流發(fā)生器(2)中的葉片為弧形或弧形加扭曲葉片一般為4 8片，厚度為1 4 毫米，周向均布，高度方向與分離流道軸線平行，葉片張角a與葉片數(shù)量有關(guān)， 一般為60 U0。。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐芯式超音速冷凝旋流分離器，其特征在于， 外殼錐管(3)的收縮角一般為20 50。，對(duì)位的錐芯短錐段(16)的錐角一般為 10 40° 。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐芯式超音速冷凝旋流分離器，其特征在于， 干氣體導(dǎo)出通道(8)有二次漸擴(kuò)，第一段擴(kuò)張角為5 20。，其后為等徑內(nèi)孔段 的過渡，等徑段的長(zhǎng)度為3 30毫米，后接第二擴(kuò)張段，其擴(kuò)張角為7 30。。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的錐芯式超音速冷凝旋流分離器，其特征在于，錐芯細(xì)柱段(19)穿入支架(7)的中心孔。
全文摘要
本發(fā)明錐芯式超音速冷凝旋流分離器屬于壓力氣體的膨脹制冷和冷凝分離技術(shù)領(lǐng)域。采用了向流道中插入錐芯的結(jié)構(gòu)，由改變錐芯在各處的直徑，形成截面漸縮、喉部相等段、截面漸擴(kuò)的流道，這樣就能采用等徑內(nèi)孔，而避免加工困難的漸擴(kuò)型小錐管流道，更使自旋強(qiáng)度不致因擴(kuò)徑而減弱。本發(fā)明利用氣體自身壓力膨脹降溫實(shí)現(xiàn)低溫工況，并靠縮徑使自旋增強(qiáng)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力場(chǎng)，分離之后壓力可以回升，具有無運(yùn)動(dòng)件、不需外部驅(qū)動(dòng)、節(jié)省能源、體積很小、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。適用于高壓，小流量的混合氣體的冷凝分離，天然氣和石油氣中重組分的分離等，由于體積小，更適用于空間受限(如海上平臺(tái))等場(chǎng)合。
文檔編號(hào)B01D45/12GK101264470SQ200810011258
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者代玉強(qiáng), 徹 朱, 胡大鵬, 邱中華, 鄒久朋, 馬慶芬 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)