專利名稱：一種超音速凝結與旋流分離裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多組份混合氣體的液化、分離技術，具體涉及一種超 音速凝結與旋流分離裝置。
背景技術：
天然氣潔凈無污染、熱值高、使用方便。然而開采出來的天然氣中常 常混合有液態(tài)水、固體顆粒、水蒸氣和重烴，為了滿足天然氣外輸和使用 的要求，必須減少這些雜質的含量，其中水蒸氣和重烴的分離難度最大。 目前，水蒸氣和重烴的分離技術有溶劑吸收、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由于具有結構簡單、無需外部動 力、無需人員職守、加工運行費用低、應用范圍廣等獨特的優(yōu)點已成為近 年的一個重要技術發(fā)展趨勢。
國外的技術已經開始進入商業(yè)推廣階段。俄羅斯于2005年報道了其 開發(fā)的3-S天然氣處理技術，專利號為EP1131588。 Twister BV公司在 該技術領域進行了長期深入的研究，申請了一系列專利，其第一個商業(yè)化 的脫水系統(tǒng)也于2003年12月在馬來西亞的Bll海上平臺完成安裝。
國內從事該技術研發(fā)的單位有北京工業(yè)大學聯(lián)合勝利油田，中國石 油大學(華東)聯(lián)合中原油田，北京航空航天大學聯(lián)合江漢石油機械研究 所，到目前為止，幾家單位都初步完成了現(xiàn)場試驗。西安交通大學與長慶 油田合作自2005年對該技術進行了系統(tǒng)研究。
Twister BV公司的核心技術主要有兩種 一是利用節(jié)流制冷效應， 其最新公布的產品Twister SWIRL Valve，是在傳統(tǒng)的J-T閥技術上進行改進，但其總壓損失仍然較大，溫度降低幅度較??；二是超音速分離技術， 即把氣流加速到超音速，以降低其溫度使重烴和水蒸氣凝結，然后利用旋 流離心力實現(xiàn)氣液分離。該技術的第一代技術是利用超音速翼實現(xiàn)旋流， 國內在這方面的專利有如CN1896184A，不足之處激波阻力和流動阻力較 大，流場均勻性差，不利于液滴的生長導致分離效率低。Twister BV公司 的超音速分離的二代產技術是在入口處使用導流葉柵產生旋流，并通過控 制流道平均半徑的變化來控制旋流強度，其不足之處是不適用于小流量的 情況，因為小流量時環(huán)形通道的間隙非常小，導致壁面摩擦損失嚴重，而 且由于附面層內大量低能流體的存在，影響了分離效率和壓力回收效率。 而我國陸地天然氣資源的特點是相當一部分氣田單井流量較小。己有的天 然氣超音速除濕技術或者無法在小流量工況下運行或者在小流量時分離 效率低，總壓損失大，而我國經濟的快速發(fā)展和對環(huán)境保護的逐步重視必 然對天然氣這種高熱值的潔凈能源有強烈的渴求，因此開發(fā)出適應我國陸 地氣田特點的天然氣除濕技術必能帶來巨大的經濟效益和社會效益。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，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強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。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是包括由入口段、縮放段、 等直段和擴張段組成的管道，在管道的入口段設置有帶葉柵的導流紡錘 體，帶葉柵的導流紡錘體與管道之間形成環(huán)形通道，在管道的擴張段設置 有旋流回收升壓器，該旋流回收升壓器包括外殼和設置在外殼內的中心椎 體，中心椎體與外殼之間形成環(huán)形氣體出口，外殼與管道的擴張段之間形 成集液腔，且在集液腔的下端還開設有排液口。本發(fā)明的擴張段的擴張角5、"d5。；中心椎體與外殼通過三個支撐焊 接成為一個整體，外殼的擴張角6、A^10'，中心椎體的擴張角 0.5、-^《，中心椎體與外殼之間形成漸擴的環(huán)形氣體出口，并且該環(huán)形
氣體出口的平均半徑沿流動方向是增大；帶葉柵的導流紡錘體通過其上的 葉柵與管道相連接并構成環(huán)形通道；中心椎體的前端在管道擴張段起始點 的前方，該距離為1.5Z^L2"Z)，其中D為等直段的內徑；集液腔的入口 在管道擴張段起始點的后方，其距離為0.4i^L,2.8D，其中D為等直段 的內徑。
本發(fā)明的進口段由葉柵導流方式使氣流產生強力旋轉。 一縮放段配合 其后，使氣流達到超音速，其溫度大幅度降低，從而使露點較高的組份凝 結，同時利用氣流旋轉產生的離心力實現(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 該裝置在高速流場區(qū)的流道通暢，壁面摩擦阻力小，而且設計了適和小流 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)明的整體結構示意圖2是本發(fā)明管道1的結構示意圖3是本發(fā)明帶葉柵的導流紡錘體的結構示意圖4是本發(fā)明旋流回收升壓器的結構示意圖5是本發(fā)明管道與旋流回收升壓器的裝配特征示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
參見圖l， 2，本發(fā)明包括由開設有氣體入口4的入口段1-1、縮放段1-2、等直段1-3和擴張段1-4組成的管道1，在管道1的入口段1-1設置 有帶葉柵的導流紡錘體2，帶葉柵的導流紡錘體2與管道1之間形成環(huán)形 通道，在管道l的擴張段l-4設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和設置在外殼3-1內的中心椎體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的擴張段1-4之間 形成集液腔5，且在集液腔5的下端還開設有排液口 6，
參見圖2，本發(fā)明的管道1的擴張段1-4的擴張角5。 ^"S15'。
參見圖3，本發(fā)明的帶葉柵的導流紡錘體2通過其上的葉柵與管道1 相連接并構成環(huán)形通道。
參見圖4，本發(fā)明的中心椎體3-2與外殼3-1通過三個支撐焊接成為 一個整體，外殼3-1的擴張角6、^^1(T，中心椎體3-2的擴張角 0.5、^ 24° ，中心椎體3-2與外殼3-1之間形成漸擴的環(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的前端在管道擴張段1-4起始點的 前方，該距離為1.5Z^L"5仏，集液腔5的入口在管道擴張段1-4起始點 的后方，其距離為0.4DSL^2.8Z)，其中D為等直段l-3的內徑。
本發(fā)明氣流從氣體入口 4進入，在帶有導流葉柵的導流紡錘體2的作 用下獲得足夠大的角動量矩，氣流然后經由管道的縮放段1-2加速到超音 速，溫度大幅度降低，混合氣體中的重烴和水蒸氣開始凝結；等直段卜3 為凝結核的長大和氣液兩相在離心力下分離提供了充足的時間；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 的特性是因為(1) 在入口處，帶葉柵的導流紡錘體與管道之間通過葉柵相連接的 方式形成了一環(huán)形通道，來流流經此環(huán)形通道時既獲得了旋轉速度，又獲 得了較大的平均旋轉半徑，因而氣流具有了很大的初始角動量矩，為后續(xù)
的分離過程奠定了基礎；
(2) 高速旋轉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，為水蒸汽和重烴的凝結提供了溫度條件，氣流中開始出現(xiàn)大量 凝結核。接下來高速旋轉的低溫氣流進入管道的等直段，此種設計為凝結 核的長大和氣液兩相在離心力作用下分離提供了充足的時間，確保了較高 的分離效率。此外該設計方案使得高速流場區(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計方案 的優(yōu)勢更為顯著。
(3) 激波與附面層的相互作用會造成附面層分離，導致局部的流場 紊亂，此是造成集液器集液效率低的一個重要原因。該裝置的旋流回收升 壓器的中心椎體的前端在管道擴張段起點的前方，使得激波遠離集液器入 口，為附面層重新貼壁、流場重歸均勻提供了時間和距離，確保了集液器 入口處流場的均勻性，顯著提高了集液效率。
(4) 通過葉柵對流動方向進行調整是最常用、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 堵塞。本發(fā)明針對此種情況特別設計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，即強烈旋轉的氣流經過此通道時旋轉半 徑是變大的。據(jù)角動量矩守恒原理知此種設計能有效的降低氣流的旋轉速 度，實現(xiàn)氣流的轉動能的回收。本發(fā)明的旋流回收技術與傳統(tǒng)的葉柵方式 相比，流道更通暢，尤其在小流量時更具優(yōu)勢。下面以一個日處理量為10萬標方天然氣超音速強旋流除濕裝置為例， 對本發(fā)明的結構和工作原理作進一步詳細說明。
參見圖l，管道等直段的內徑D二15mm，擴張段的擴張角《=7。；旋流回 收升壓器中心椎體的擴張角為A=4°外殼的擴張角為戍=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進入，遇到帶葉柵的導流紡錘體2后進入環(huán)形通道在導 流葉柵的作用下獲得設定的初始角動量矩。經過倒流紡錘體后在管道縮放 段1-2的作用下加速到設定的馬赫數(shù)，溫度降低到設定值。此時水蒸汽和 重烴開始凝結并形成大量凝結核。氣流流經管道的等直段1-3，在等直段 的后部凝結核已長大并且在離心力作用在運動到壁面附近。氣流與旋流回 收升壓器中心椎體3-2相遇產生激波，導致濕度很大的附面層分離，造成 局部的流場紊亂。接下來流場經過一段距離(L,+L2二31.5inm)的調整實現(xiàn) 了附面層重新貼壁，富含液滴的附面層順利的經過集液器入口進入集液腔 5并由出口6排除。氣相在旋流回收升壓器3的作用下，旋轉速度大幅度 降低、壓力回升并從出口7流出，除濕過程完成。
權利要求
1、一種超音速凝結與旋流分離裝置，其特征在于包括由入口段(1-1)、縮放段(1-2)、等直段(1-3)和擴張段(1-4)組成的管道(1)，在管道(1)的入口段(1-1)設置有帶葉柵的導流紡錘體(2)，帶葉柵的導流紡錘體(2)與管道(1)之間形成環(huán)形通道，在管道(1)的擴張段(1-4)設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)和設置在外殼(3-1)內的中心椎體(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)的擴張段(1-4)之間形成集液腔(5)，且在集液腔(5)的下端還開設有排液口(6)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的超音速凝結與旋流分離裝置，其特征在于 所說的擴張段(1-4)的擴張角5、"^15'。
3、 根據(jù)權利要求1所述的超音速凝結與旋流分離裝置，其特征在于 所說的中心椎體(3-2)與外殼(3-1)通過三個支撐焊接成為一個整體， 外殼(3-1)的擴張角6、^1(T，中心椎體(3-2)的擴張角0.5、AW， 中心椎體(3-2)與外殼(3-1)之間形成漸擴的環(huán)形氣體出口 (7)，并且 該環(huán)形氣體出口 (7)的平均半徑沿流動方向是增大。
4、 根據(jù)權利要求1所述的超音速凝結與旋流分離裝置，其特征在于 所說的帶葉柵的導流紡綞體(2)通過其上的葉柵與管道(1)相連接并構 成環(huán)形通道。
5、 根據(jù)權利要求1所述的超音速凝結與旋流分離裝置，其特征在于 所說的中心椎體(3-2)的前端在管道擴張段(1-4)起始點的前方，該距 離為1.5"SL^5D，其中D為等直段(1-3)的內徑。
6、 根據(jù)權利要求1所述的超音速凝結與旋流分離裝置，其特征在于所說的集液腔(5)的入口在管道擴張段(1-4)起始點的后方，其距離為 0.4D2L^2.8"，其中D為等直段(1-3)的內徑。
全文摘要
一種超音速凝結與旋流分離裝置，在進口處由葉柵導流方式使氣流產生強力旋轉。一縮放噴管配合其后，使氣流達到超音速，其溫度大幅度降低，從而使露點較高的組份凝結，同時利用氣流旋轉產生的離心力實現(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區(qū)的流道通暢，壁面摩擦阻力小，而且設計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。我國相當一部分陸地氣田的單井流量都較小，因此該裝置在我國陸地氣田的天然氣處理領域應用前景尤為廣闊。
文檔編號F25J3/06GK101619918SQ200910023458
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月28日 優(yōu)先權日2009年7月28日
發(fā)明者春 常, 白博峰 申請人:西安交通大學