專利名稱：天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型裝置屬于熱工節(jié)能凈化裝置，主要應(yīng)用于天然氣脫水除液凈 化分離領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
從井口采出的天然氣并不是潔凈的單相氣體，而是含有水分、重組分碳 氫化合物等的多相流體。這種多相流體如果未加處理就進入輸送管道系統(tǒng)， 會帶來非常嚴(yán)重的后果。尤其是水分的存在，降低了天然氣的熱值和輸氣管 道的輸送能力；當(dāng)條件適宜時，天然氣中的水分會析出以液態(tài)水的形態(tài)出現(xiàn)， 同時形成重組分碳?xì)浠衔锢淠涸诠艿阑蛟O(shè)備中造成積液。這不僅會增加 流動壓降，甚至形成段塞流，還會加速天然氣中酸性組分對管道和設(shè)備的腐 蝕。液態(tài)水不僅在冰點時會結(jié)冰，而且，即使在天然氣的^Jt高于水的冰點 時，還會與天然氣中的一些氣體組分形成水合物，嚴(yán)重時會堵塞井筒、閥門、 管道和設(shè)備，影響輸氣管道的平穩(wěn)供氣和生產(chǎn)裝置的正常運行。所以，在天 然氣進入輸送管道系統(tǒng)前，必須除去其中的水分、重組分碳?xì)浠衔锏任镔|(zhì)。
目前，常規(guī)的、主要用于陸地的天然氣除濕與凈化分離技術(shù)主要有化 學(xué)吸附一再生法、物理吸附一再生法、機械制冷法和透平膨脹機制冷法等。 這些常規(guī)方法雖然有一系列的優(yōu)點，但也存在許多缺點，如40多年前就廣泛 應(yīng)用的在系統(tǒng)中加入乙二醇的除濕方法(TEG)，以及25年前開始得到廣泛應(yīng)
用的透平機一膨脹法等處理技術(shù)都有它們致命的缺點前者由于乙二醇的加 入會形成有毒的水合物質(zhì)BTEX(芳烴)，造成對環(huán)境的污染。在環(huán)境保護越來 越受到關(guān)注的今天，此項技術(shù)的應(yīng)用必然會受到各國越來越嚴(yán)格的環(huán)保政策 的限制，甚至嚴(yán)厲禁止。并且，由于該處理技術(shù)要加入乙二醇，就必然會造 成成本的增大它既包括乙二醇原料的費用，又包括該原料的運輸、庫存、 管理等各方面的支出。透平機膨脹法由于設(shè)施龐大，占地面積大，又要消耗 一定的動力，其維護、操作運行費用同樣也會增大成本的總額。因此，有必 要開發(fā)一種新的天然氣除濕與凈化分離技術(shù)，以滿足當(dāng)前市場需求。常規(guī)的、主要用于陸地的天然氣脫水除液系統(tǒng)為TEG處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)非常龐大，不適合海上平臺系統(tǒng)使用。同時該方法需要人工加入乙二醇以達(dá)到除濕與分離凈化的目的，這勢必要增大成本及造成對環(huán)境的污染。在輸送管道中加入乙二醇還會造成水合物的產(chǎn)生、結(jié)垢、流體乳化、腐蝕管道等嚴(yán)重后果。這也是目前石油天然氣產(chǎn)業(yè)面臨的急需解決的難題之一。在TEG系統(tǒng)中，防止腐蝕及水合物產(chǎn)生的系統(tǒng)必須非常可靠，否則，由于管道缺陷造成的后果會非常嚴(yán)重。為了防止管道腐蝕通常要采用防腐合金(CRA)管道，其造價非常高。同時，為了防止有毒水合物對環(huán)境造成的污染，必須采用價格昂貴的真空脫鹽裝置，并支付隨之而來的維護和運行費用。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是為了克服上述缺陷，研制天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置。本實用新型裝置無需添加任何化學(xué)藥物和動力裝置，高效地從天然氣中分離出水和重?zé)N類液體，節(jié)能環(huán)保，結(jié)構(gòu)緊湊，處理量大，占地面積小，減少了運行成本，可以實現(xiàn)無人操作、免維護，這使得本實用新型裝置能夠在偏遠(yuǎn)或環(huán)境惡劣的陸地和海上平臺應(yīng)用。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取了如下技術(shù)方案。本裝置包括超音速分離管和水合物分離器。超音速分離管的入口與氣源供氣管相連通，超音速分離管的出口與水合物分離器入口的入口相連通，超音速分離管的個數(shù)與水合物分離的入口個數(shù)相同；
所述的每個超音速分離管包括沿氣體的流動方向依次設(shè)置的超音速分離管入口、直管段、漸縮段、漸擴段和超音速分離管出口；
所述的水合物分離器包括水合物分離器上筒體、水合物分離器下筒體、水合物分離器入口、干氣出口、圓筒型折流壁、半球型折流壁、分隔室圓筒壁、排水口、排冷凝液口和加熱器。其中-
超音速分離管的出口和水合物分離器入口相連通，圓筒型折流壁同心固定連接在水合物分離器上筒體的頂部，并與干氣出口相連通，圓筒型折流壁的直徑和高度均小于水合物分離器上筒體的直徑和高度；
水合物分離器上筒體和下筒體之間設(shè)置有一半球型折流壁，半球型折流壁通過四個固定支架同心焊接在分離器筒體內(nèi)壁面上，并與筒體內(nèi)壁面留有
間隙；
分隔室圓筒壁同心固定連接在水合物分離器底部內(nèi)壁面，分隔室圓筒壁的直徑大于水合物分離器上筒體直徑但小于水合物分離器下筒體直徑，同時分隔室圓筒壁的高度小于水合物分離器下筒體的高度，分隔室圓筒壁把水合物分離器下筒體同心分隔成兩個空間， 一個是內(nèi)部圓筒型的分隔室，另一個
是外部圓環(huán)型的集冷凝液室；分隔室底部與排水口相連通，集冷凝液室底部與排冷凝液口相連通。
所述的超音速分離管為六個，六個超音速分離管分別以水平60度角的間隔和六個水合物分離器入口相連通，超音速分離管的軸線與圓筒型折流壁的外壁相切。
本裝置還包括加熱器，加熱器進出口探出水合物分離器下筒體的外壁面，加熱器的加熱盤管探入分隔室內(nèi)，加熱器內(nèi)充滿的熱媒是25'C的油。
超音速分離管中的漸縮段的輪廓線滿足如下曲線方禾<formula>formula see original document page 6</formula>
上式是以漸縮段的軸線為x軸，以減縮管入口處的圓心為坐標(biāo)原點建立的方程，D為漸縮段各段的直徑，L,為漸縮段的總長度，Do為漸縮段入口處直徑，W為漸縮段喉部直徑。
所述的水合物分離器的頂部安裝有安全閥、壓力表和溫度表。本裝置在排干氣口 、排水口和排冷凝液口安裝有止回閥和流量表。本實用新型具有以下有益效果
1) 本實用新型裝置無需要添加任何化學(xué)藥物，就可以高效地從天然氣中分離出水和重?zé)N類液體，同時有效地防止水合物的產(chǎn)生。
2) 本實用新型裝置中的脫水凈化裝置由一至六個超音速分離噴管組成，作為加速、降溫裝置。在不消耗任何機械功的同時獲得較高的氣流速度和較低的溫度，有效地將天然氣中的水和重質(zhì)垸烴組分變成液態(tài)凝析出來。
3)根據(jù)處理天然氣流量來確定工作運行超音速分離管的個數(shù)，靈活性強，
能同時處理多個氣源的天然氣，處理量大，效率高。
4)本實用新型裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，有結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，無化學(xué)污染，效能高等優(yōu)點防止生成水合物堵塞管道的危險。
5) 本實用新型裝置無需動力設(shè)備，節(jié)省了能源，減少了運行成本。
6) 本實用新型裝置無需加入化學(xué)藥品，同時也不會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，既節(jié)省了原料成本，又保護了環(huán)境。
7) 可以實現(xiàn)無人操作、免維護，這使得本實用新型裝置能夠在偏遠(yuǎn)或環(huán)境惡劣的陸地和海上平臺應(yīng)用。


圖1本實用新型天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置結(jié)構(gòu)示意圖
圖2本實用新型天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置圖1中A-A剖面圖-
圖3本實用新型天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置中的超音速分離管
的結(jié)構(gòu)示意圖
圖4本實用新型天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置圖1中B-B剖面圖圖5利用本實用新型天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置的天然氣脫水凈化處理系統(tǒng)圖
圖6本實用新型天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置中超音速分離管中漸縮段輪廓線示意圖
圖中1-超音速分離管；2-水合物分離器；3-水合物分離器上筒體；4-
水合物分離器下筒體；5-水合物分離器入口； 6-干氣出口； 7-圓筒型折流壁；
8-半球型折流壁；9-分隔室圓筒壁；10-分隔室；ll-排水口； 12-集冷凝液室；13-排冷凝液口； 14-加熱器；15-加熱器進出口； 16-加熱盤管；17-冷凝液；18-水合物；19-水；20-圓筒型折流壁固定支架；21-超音速分離管入口； 22-直管段；23-漸縮段入口； 24-漸縮段；25-漸縮段喉部；26-漸擴段；27-超音速分離管出口； 28-超音速分離管入口法蘭；29-超音速分離管出口法蘭；30-采出濕天然氣；31-冷卻器；32-氣氣交換器；33-入口分離器；34-冷
凝脫水用的聚流器；35-本實用新型裝置；36-濕氣輸入；37-干冷氣輸出；38-
冷凝物中的游離水。
具體實施方式
參見圖1-6按常規(guī)加工技術(shù)實施本實用新型技術(shù)方案。
如圖1所示，本裝置由氣體凈化裝置(超音速分離管1)和氣體分離裝置(水合物分離器2)組成。氣源供氣管通過法蘭與超音速分離管入口相連接，超音速分離管出口 27通過法蘭與水合物分離器入口 5相連接。根據(jù)流量確定超音速分離管1的個數(shù)， 一般不超過六個，且超音速分離管1的個數(shù)和水合物分離2入口的個數(shù)是相同的，本實施例中設(shè)置了六個超音速分離管1。
六個海上氣源供氣管分別與六個超音速分離管入口 21連接，六個超音速分離管出口 27與水合物分離器六個入口 5通過法蘭29相連接。
在本實用新型裝置運行前，根據(jù)處理天然氣流量來確定工作運行超音速分離管的個數(shù)。通常機組六根噴管中的五根運轉(zhuǎn)，第六根備用。盡管機組允許一個噴管工作，但噴管設(shè)計調(diào)節(jié)能力不低于總產(chǎn)量的30%，因此工作的最少噴管數(shù)目為3個。
本實用新型裝置中的氣體凈化裝置由一至六個超音速分離管1組成，每個超音速分離管1包括沿氣體的流動方向依次設(shè)置的超音速分離管入口 21、直管段22、漸縮段24、漸擴段26和超音速分離管出口27組成。其中，直管段22與漸縮段24之間、漸縮段24與漸擴段26之間均采用固定連接，連接處管徑相同。
本實用新型裝置中的氣體分離裝置是水合物分離器2，主要包括水合物分離器上筒體3、水合物分離器下筒體4、水合物分離器入口5、干氣出口6、圓筒型折流壁7、半球型折流壁8、分隔室圓筒壁9、分隔室IO、排水口ll、集冷凝液室12、排冷凝液口 13和加熱器14。
六個超音速分離管1分別以水平60度角的間隔和六個水合物分離器入口5通過法蘭29連接，連接處管徑相同，超音速分離管1的軸線與圓筒型折流壁7的外壁相切，使形成的六股高速旋流氣體沿圓筒型折流壁7的切向進入水合物分離器2筒體內(nèi)。圓筒型折流壁7同心固定連接在水合物分離器頂部，
并與干氣出口 6相連通，圓筒型折流壁7的直徑和高度均小于水合物分離器上筒體3的直徑和高度。水合物分離器的上部與下部之間由一半球型折流壁8分開，半球型折流壁8通過四個固定支架20同心焊接在分離器筒體內(nèi)壁面上，防止干氣進入分離器下筒體4，半球型折流壁8與筒體內(nèi)壁面留有間隙。分隔室圓筒壁9同心固定連接在水合物分離器2底部內(nèi)壁面，由于分隔室圓筒壁9的直徑大于水合物分離器上筒體3直徑但小于水合物分離器下筒體4直徑，同時分隔室圓筒壁9的高度小于水合物分離器下筒體4的高度，因此分隔室圓筒壁9把水合物分離器下筒體4同心分隔成兩個空間， 一個是內(nèi)部圓筒型的分隔室10，另一個是外部圓環(huán)型的集冷凝液室12。分隔室10內(nèi)儲存的是冷凝物17、水合物18和水19的混合物，分隔室10底部與排水口 11相連通。集冷凝液室12內(nèi)儲存的是天然氣中的重質(zhì)烷烴組分變成的冷凝液17，集冷凝液室12底部與排冷凝液口 13相連通。加熱器14固定在分隔室10豎直中間位置，且加熱器進出口 15探出水合物分離器下筒體4外壁面10-20mm，加熱盤管16探入一側(cè)分隔室10內(nèi)壁面20-50mm，加熱器14內(nèi)充滿的熱媒是25°C的油。
超音速分離管1中的漸縮段喉部尺寸的設(shè)計要求，需要依據(jù)氣體動力學(xué)和可壓縮流體的熱力學(xué)理論，并根據(jù)處理氣源流量、物理性質(zhì)、入口壓力和入口流量來確定分離管喉部尺寸。超音速分離管l中的漸縮段輪廓線的設(shè)計
要求(如圖6所示)，漸縮段輪廓線需要滿足如下所示的曲線方程
<formula>formula see original document page 9</formula>
上式是以漸縮段的軸線為x軸，以減縮管入口處的圓心為坐標(biāo)原點建立的方程，D為漸縮段各段的直徑(D*<D<DC)，"為漸縮段的總長度，Do為漸縮段入口 23處直徑，W為漸縮段喉部直徑。水合物分離器頂部要安裝相應(yīng)的安全閥，壓力表，溫度表。在排干氣口 6、排水口 11和排冷凝液口 13都要安裝止回閥和流量表。
利用本實用新型天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置的天然氣脫水凈化處理系統(tǒng)的實施方式如下(如圖5所示)采出濕天然氣30從井口到達(dá)陸地或海上的操作平臺上，壓力和溫度較高，用冷卻器31冷卻，并用氣氣交換器32同本實用新型裝置35輸出的干冷氣37換熱進一步冷卻，以降低進入本實用新型裝置35的氣體溫度。天然氣再經(jīng)入口分離器32，用來初步分離氣體中由于冷凝產(chǎn)生的液體并脫除游離水，然后氣體分別進入本實用新型裝置35中的氣體凈化裝置(六個超音速分離管l)。通過六個超音速分離管l，將高壓低速氣體變?yōu)榈蛪焊咚贇怏w。在轉(zhuǎn)變過程中，依據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體的壓力和溫度降低，速度增大。隨著溫度降低，天然氣中的水和重質(zhì)垸烴組分變成液態(tài)凝析出來?；旌蠞駳膺M入水合物分離器2后，高速切向沖刷圓筒型折流壁7，并沿水合物分離器2筒體內(nèi)壁作高速旋轉(zhuǎn)運動。圓筒型折流壁面7防止混合氣中的液體直接從干氣出口 6排出，同時起到強化氣液分離作用。由于被分離液滴的密度遠(yuǎn)大于氣體，離心力使液體同氣體分離，因而進入液滴在此旋轉(zhuǎn)運動中被拋向并附著在水合物分離器上筒體壁3上和圓筒形折流壁7上，聚集成較大液滴而沿筒體壁和折流壁向下流動，并落到半球型折流壁8上和與容器同心的分隔室10內(nèi)。水合物分離器2的上部與下部之間由一半球型折流壁8分開，防止"干氣"進入水合物分離器下筒體4，使分離出的液滴沿著球型折流壁8向下流動，并落到分隔室10內(nèi)。分隔室10內(nèi)是冷凝液17、水合物18和水19的混合物。冷凝液17是天然氣中的重質(zhì)垸烴組分變成的冷凝液，水合物18是天然氣中的某些組分與液態(tài)水在較低溫度條件下所形成的一種外形象冰霜的物質(zhì)，俗稱"可燃冰"，其密度為880~900g/m3。由于水19的密度最大，冷凝液17的密度最小，所以在分隔室10內(nèi)混合物可以分成上中下三層，最上層是冷凝液17，中間層是水合物18，最底層是水19。隨著本實用新型裝置運行工作時間的增加，分隔室10內(nèi)儲存的混合物越來越多，于是最上層的冷凝物17溢出分隔室10，直接流入環(huán)形的集冷凝液室12內(nèi)。最后，脫水凈化好的"干"天然氣從干氣出口6排出，冷凝液17通過排冷凝液口 13排出，并和入口分離器33分離出的冷凝物進入冷凝脫水用的聚流器34進行近一步脫水處理。分隔室10內(nèi)最底層的水19通過排水口 11排出，而水合物18將下沉并被一液下加熱器14加熱熔融，能夠防止生成水合物。加熱器14內(nèi)充滿熱媒(油)，且油的溫度被控制在25'C (比水合物生成溫度高5'C)，可以防止在水合物分離器內(nèi)壁上生成水合物。最后從本實用新型裝置分離的干冷氣體37進入氣氣換熱器32回收冷量后外輸，系統(tǒng)分離出的冷凝液和水分別儲存并外輸。
權(quán)利要求1、天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置，其特征在于包括超音速分離管(1)和水合物分離器(2)；超音速分離管的入口與氣源供氣管相連通，超音速分離管(1)的出口與水合物分離器入口(5)的入口相連通，超音速分離管的個數(shù)與水合物分離(2)的入口個數(shù)相同；所述的每個超音速分離管(1)包括沿氣體的流動方向依次設(shè)置的超音速分離管入口(21)、直管段(22)、漸縮段(24)、漸擴段(26)和超音速分離管出口(27)；所述的水合物分離器(2)包括水合物分離器上筒體(3)、水合物分離器下筒體(4)、水合物分離器入口(5)、干氣出口(6)、圓筒型折流壁(7)、半球型折流壁(8)、分隔室圓筒壁(9)、排水口(11)、排冷凝液口(13)和加熱器(14)；其中超音速分離管(1)的出口和水合物分離器入口(5)相連通，圓筒型折流壁(7)同心固定連接在水合物分離器上筒體(3)的頂部，并與干氣出口(6)相連通，圓筒型折流壁(7)的直徑和高度均小于水合物分離器上筒體(3)的直徑和高度；水合物分離器上筒體(3)和下筒體(4)之間設(shè)置有一半球型折流壁(8)，半球型折流壁(8)通過四個固定支架(20)同心焊接在分離器筒體內(nèi)壁面上，并與筒體內(nèi)壁面留有間隙；分隔室圓筒壁(9)同心固定連接在水合物分離器(2)底部內(nèi)壁面，分隔室圓筒壁(9)的直徑大于水合物分離器上筒體(3)直徑但小于水合物分離器下筒體(4)直徑，同時分隔室圓筒壁(9)的高度小于水合物分離器下筒體(4)的高度，分隔室圓筒壁(9)把水合物分離器下筒體(4)同心分隔成兩個空間，一個是內(nèi)部圓筒型的分隔室(10)，另一個是外部圓環(huán)型的集冷凝液室(12)；分隔室(10)底部與排水口(11)相連通，集冷凝液室(12)底部與排冷凝液口(13)相連通。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置，其特征 在于所述的超音速分離管(1)為六個，六個超音速分離管(1)分別以水 平60度角的間隔和六個水合物分離器入口 (5)相連通，超音速分離管(1)的軸線與圓筒型折流壁(7)的外壁相切。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置，其特征 在于還包括加熱器(14)，加熱器進出口 (15)探出水合物分離器下筒體(4) 的外壁面，加熱器的加熱盤管(16)探入分隔室(10)內(nèi)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置，其特征 在于所述的加熱器(14)內(nèi)充滿的熱媒是25'C的油。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的天然氣超 音速脫水除液凈化分離撬裝裝置，其特征在于所述的超音速分離管(1)中 的漸縮段(24)的輪廓線滿足如下曲線方程^ D' 6.6上式是以漸縮段的軸線為x軸，以減縮管入口處的圓心為坐標(biāo)原點建立 的方程，D為漸縮段各段的直徑，L,為漸縮段的總長度，Do為漸縮段入口處 直徑，W為漸縮段喉部直徑。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的天然氣超 音速脫水除液凈化分離撬裝裝置，其特征在于所述的水合物分離器(2)的 頂部安裝有安全閥、壓力表和溫度表。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的天然氣超 音速脫水除液凈化分離撬裝裝置，其特征在于在排干氣口 (6)、排水口 (11)
專利摘要本實用新型涉及一種天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置，屬于熱工節(jié)能凈化裝置，主要應(yīng)用于天然氣脫水除液凈化分離領(lǐng)域。本裝置由氣體凈化裝置和氣體分離裝置組成。濕天然氣進入超音速分離噴管，溫度降低，天然氣中的水和重質(zhì)烷烴組分變成液態(tài)凝析出來，并形成高速旋流并切向流入水合物分離器筒體內(nèi)，進行天然氣、冷凝液和水三相分離，同時防止水合物的產(chǎn)生。本實用新型裝置無需添加任何化學(xué)藥物，高效地從天然氣中分離出水和重?zé)N類液體，節(jié)能環(huán)保，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，減少了運行成本，可以實現(xiàn)無人操作、免維護，能夠在偏遠(yuǎn)或環(huán)境惡劣的陸地和海上平臺應(yīng)用。
文檔編號C10L3/10GK201395582SQ20092010702
公開日2010年2月3日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者劉中良, 孫俊芳, 龐會中, 蔣文明, 鮑玲玲 申請人:北京工業(yè)大學(xué)