湿气再循环超音速气体净化分离装置

摘要

本发明是一种湿气再循环超音速气体净化分离装置，用于湿气循环脱水除液净化分离。本装置包括拉伐尔喷管、再循环口、再循环分离腔、直管段和扩压管。拉伐尔喷管渐缩段左端为湿气入口，右端通过拉伐尔喷管渐扩段与直管段中的内壳体相连接，在直管段内壳体内设置有旋流器，旋流器右端为旋流器固定套筒。旋流器固定套筒内部中空，右端和扩压管内壳体左端之间形成一个环形槽道。直管段和扩压管之间形成了一个再循环分离腔，在直管段内壳体的壁面上开有再循环口，有效地将残存在循环气体中的液滴循环旋分出来。本发明装置实现湿气循环净化分离，从而提高分离效率和环保效益，同时具有无化学污染，节能环保，结构紧凑，较高的循环利用价值。

说明书

技术领域

本发明是一种湿气再循环超音速气体净化分离装置，属于热工节能净化装置，主要应用于湿气循环脱水除液净化分离领域。

背景技术

从油、气井流出的天然气，一般都含有H₂S、水、重组分碳氢化合物等物质。在集输过程中，一个相对较高的温度(接近或高于20℃)下，水份很容易同分子较小的烃类物质结合形成水合物，或者在更低的温度条件下形成液态水滴或固态的冰，致使管线、阀门及各种仪表堵塞，流通面积减小，管道压力降增大。此外，液态水容易溶解CO₂、H₂S等酸性气体，形成具有腐蚀性的酸液，引起管线和设备的腐蚀。所以，在天然气进入输送管道系统前，必须除去其中的水分、重组分碳氢化合物等物质。只有将天然气中的水汽含量控制在合适的范围内，才能保证气体输送或冷凝分离法轻烃回收工艺的实施。

天然气脱水的方法有吸收法、吸附法和冷却法等。

吸收法：吸收法脱水是采用一种亲水液体与天然气逆流接触，通过液体对水分的吸收作用来脱除天然气中水分的方法。常用的吸收剂是三甘醇。其原理是根据天然气和水在三甘醇中的溶解度不同，利用三甘醇吸收天然气的水分，使湿天然气脱出水汽，达到干燥天然气的目的。其缺点主要为：三甘醇损耗量较大；部件出现腐蚀现象，三甘醇受污染或分解后具有腐蚀性；设施庞大，占地面积大，其维护、操作运行费用同样也会增大成本的总额。

吸附法：吸附法脱水是指采用固体吸附剂脱除天然气所含水分的方法。目前常用的天然气脱水干燥剂有活性氧化铝、硅胶和分子筛等。其缺点：整体技术成熟水平不高；对于大型的装置，设备庞大，设备投资和操作费用高。

冷却法：冷却法就是采用降低温度的方法使天然气中的水凝结成液体然后进行脱除的方法。冷却法一般适用于低压伴生气的露点控制，大多采用蒸汽压缩制冷的方法获得低温，在脱水的同时还可以回收部分液烃。其缺点主要为：天然气的温度偏低，则容易形成天然气水合物，为了抑制水合物形成，通常需要注入乙二醇或二甘醇。由于乙二醇的加入会形成有毒的水合物质BTEX(芳烃)，造成对环境的污染。由此可知，大多情况下，冷却法都和其它方法联合使用。

这些常规方法有一系列的优点，如分离效果好，除湿深度大，可以达到较低的露点温度等，所以这些常规方法在一定程度上都得到了广泛的应用。但是，这些方法也存在许多缺点，并且对环境会造成一定程度的污染，在环境保护越来越受到关注的今天，这些常规技术的应用必然会受到各国越来越严格的环保政策的限制，甚至严厉禁止。因此，有必要开发一种环保型的湿气再循环超音速气体净化分离技术，以满足当前市场需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述缺陷，研制出一种节能环保、能够实现湿气再循环分离净化分离的装置。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本装置包括拉伐尔喷管渐缩段2、拉伐尔喷管渐扩段3、直管段4、再循环口7、再循环分离腔8和扩压管15；所述的直管段包括直管段内壳体5和直管段外壳体6，所述的扩压管15包括扩压管内壳体16和扩压管外壳体17。其中：拉伐尔喷管渐缩段2左端为湿气入口1，拉伐尔喷管渐缩段2右端与拉伐尔喷管渐扩段3左端相连接，拉伐尔喷管渐扩段3右端与直管段中的内壳体5左端相连接，在直管段内壳体5靠近左端设置有一台阶，旋流器11通过右端的旋流器固定套筒14顶在该台阶上，旋流器固定套筒14通过螺钉12与直管段内壳体5固定。旋流器固定套筒14内部中空，左端与旋流器11出口相连通，右端与扩压管15中的扩压管内壳体16相连通，在旋流器固定套筒14右端和扩压管内壳体16左端之间形成一个环形槽道23，扩压管内壳体16右端为干气出口18。直管段外壳体6和扩压管外壳体17通过法兰固定连接，直管段外壳体6、扩压管外壳体17、直管段内壳体5、旋流器固定套筒14及扩压管内壳体16之间围成了一个再循环分离腔8，再循环分离腔8的下端与液体储存室9相连通，在液体储存室9的底部设有液体出口10，在再循环分离腔8内的旋流器11左端的直管段内壳体5的壁面上开有再循环口7，再循环分离腔8和直管段内壳体内部5的空间通过再循环口7相连通。

所述的再循环口7在直管段内壳体5壁面沿圆周方向均匀分布，个数为2-8个。

所述的拉法尔喷管渐缩段2的轮廓线满足如下曲线方程：

$D=\frac{D^{*}}{\sqrt{1-[1-{\left(\frac{D^{*}}{D_0}\right)}^2]\frac{{[1-{\left(\frac{x}{L_1}\right)}^2]}^2}{{[1+\frac{1}{3}{\left(\frac{x}{L_1}\right)}^2]}^3}}}=\frac{6.6}{\sqrt{1-\mathrm{0.93.3}\frac{{[1-\left(\frac{x^2}{100}\right)]}^2}{{[1+\left(\frac{x^2}{300}\right)]}^3}}}$

上式是以拉法尔喷管渐缩段2的轴线为x轴，以拉法尔喷管渐缩段2入口处的圆心为坐标原点建立的方程，D为拉法尔喷管渐缩段2各段的直径(D^*＜D＜D₀)，L₁为拉法尔喷管渐缩段2的总长度，D₀为湿气入口1处直径，D^*为拉伐尔喷管喉部直径。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明装置设有湿气再循环净化和分离部件，其主要为再循环口7和再循环分离腔8，有效地将残存在循环气体中的液滴循环旋分出来，实现湿气循环净化分离，最终得到的是循环除去液体的干气，从而提高分离效率和环保效益，具有较高的循环利用价值。

2)本发明装置采用旋流器固定套筒14来固定旋流器11，使旋流器11可拆换，具有灵活性，节省了投资成本。本发明装置可以重复调换旋流器，从而达到最佳分离效率。

3)本发明装置无需要添加任何化学药物，不会产生有毒物质，无需动力设备、既节省了能源，又保护了环境。

4)本装置采用拉伐尔喷管作为加速、降温装置，在不消耗任何机械功的同时获得较高的气流速度和较低的温度。

5)本发明装置具有结构紧凑，占地面积小，可以实现无人操作、免维护，能够在偏远或环境恶劣的陆地和海上平台应用。

附图说明

图1：湿气再循环超音速气体净化分离装置结构示意图；

图2：本发明装置中的再循环口结构示意图；

(a)本发明装置开设2个循环口结构示意图，

(b)本发明装置开设4个循环口结构示意图，

(c)本发明装置开设6个循环口结构示意图，

(d)本发明装置开设8个循环口结构示意图；

图3：本发明装置螺旋叶片旋流器结构示意图；

(a)螺旋叶片旋流器主视图，

(b)螺旋叶片主视图；

图4：本发明装置异型旋流器结构示意图；

(a)异型旋流器主视图，

(b)异型旋流器右视图；

图5：本发明装置中的直管段结构示意图；

图6：本发明装置中的旋流器固定套筒结构示意图；

图7：本发明装置中的扩压管结构示意图；

图8：本发明装置直管段右端与扩压管左端连接处环形槽道结构示意图；

图9：利用湿气再循环超音速气体净化分离装置的气体净化处理系统图；

图10：本发明装置中拉伐尔喷管渐缩段2轮廓线示意图；

图中：1-湿气进口；2-拉伐尔喷管渐缩段；3-拉伐尔喷管渐扩段；4-直管段；5-直管段内壳体；6-直管段外壳体；7-再循环口；8-再循环分离腔；9-液体储存室；10-液体出口；11-旋流器；12-螺钉；13-定位法兰；14-旋流器固定套筒；15-扩压管；16-扩压管内壳体；17-扩压管外壳体；18-干气出口；19-旋流叶片；20-旋流器外壳体；21-异型；22-异型固定螺钉；23-环形槽道；24-冷凝器；25-气-液分离器；26-本发明装置；27-液-液分离器。

具体实施方式：

参见图1～图10按常规加工技术实施本发明技术方案。

本发明的技术方案参见图1-10，本发明装置设有湿气再循环净化和分离部件，

本发明装置主要包括由拉伐尔喷管渐缩段2、拉伐尔喷管渐扩段3、直管段4、再循环口7、再循环分离腔8、旋流器11、旋流器固定套筒14和扩压管15等主要部件组成。气源供气管与湿气进口1之间、拉伐尔喷管渐缩段2与拉伐尔喷管渐扩段3之间、拉伐尔喷管渐扩段3与直管段4之间、直管段4与扩压管15之间依次采用法兰连接。其中：在直管段内壳体5的靠近左端设置有一台阶，旋流器11通过旋流器固定套筒14顶在在台阶上，于是旋流器11被夹在直管段内壳体5和旋流器固定套筒14中间，可拆换。旋流器固定套筒14和直管段内壳体5通过螺钉12连接。旋流器固定套筒14内部中空，其左端与旋流器11出口相连通，右端与扩压管15中的扩压管内壳体16相连通，旋流器固定套筒14右端和扩压管内壳体16左端之间形成一个环形槽道23。直管段外壳体6和扩压管外壳体17之间通过定位法兰13完成了密封定位连接，从而在直管段外壳体6的内侧、扩压管外壳体17的内侧、直管段内壳体5的外侧、旋流器固定套筒14的外侧、以及扩压管内壳体16的外侧之间形成了一个环形的再循环分离腔8。在再循环分离腔8内，旋流器左端的直管段内壳体5的圆周壁上，均匀开设多个再循环口7，再循环口7的个数通过处理气体的流量来确定(一般为2-8个)。再循环分离腔8左端底部设有一个液体储存室9并和直管段外壳体6焊接为一体，同时在液体储存室9的底部设有液体出口10，扩压管内壳体16的右端为干气出口18。

本实施例中的再循环口7和再循环分离筒体8，有效地将残存在循环气体中的液滴循环旋分出来，实现湿气循环净化分离，最终得到的是循环除去液体的干气，从而提高分离效率和环保效益，具有较高的循环利用价值。

本发明装置中的旋流器11是由旋流器外壳体20和旋流器内部实体焊接为一体的，旋流器11是可拆换的。可以对旋流器11进行结构优化设计，使本发明装置达到最佳的分离效果，如旋流器内部实体是旋流叶片或是异型。例如附图3所示：旋流器内部实体是旋流叶片19，可以通过调节旋流叶片19的布置高度、长度、旋转度、个数等来调节旋流强度来降低分离、净化过程的压力损失，并达到最佳的分离效果。例如附图4所示：旋流器11内部实体是异型21，可以通过调节异型21的形状、长度、高度、异型外形曲面形状来调整旋流强度来提高分离效果，其中旋流器外壳体20和异型21通过四个异型固定螺钉22在水平和垂直四个方向进行同轴固定。

具体工作流程如下：首先，湿气由湿气进口1进入拉伐尔喷管由渐缩段2和拉伐尔喷管渐扩段3组成的拉伐尔喷管，将高压低速气体变为低压高速气体。随着温度降低，天然气中的水分和重质烷烃组分变成液态凝析出来，然后，高速流动的气、液混合物进入直管段4，并流经旋流器11，产生高速旋流，分离出来的气体依次旋流器固定套筒14、扩压管内壳体15从干气出口18流出，液体在离心力的作用下甩到直管段4内壁上，形成一层特别薄的液膜，然后，这些液体通过旋流器固定套筒14与扩压管15之间的环形槽道23，流入由直管段4和扩压管15组成再循环分离腔8内，在重力作用下，液滴从气体中沉降下来流入液体储存室9，并由液体出口10流出，气体由再循环口7再次进入直管段内壳体5内，使残存在循环气体中的液滴再次旋分出来，并由液体出口10流出。最后，循环除去液体的干气接着进入扩压管15，气流的速度降低，温度、压力升高，循环处理的干气再由干气出口18流出本发明装置。

本发明装置能够实现湿气循环分离净化的理论根据：当本发明装置刚输入湿气时，气体开始会通过再循环口7流入再循环分离筒体8，暂时不会形成循环流动。随着运行时间的增加，湿气通过拉伐尔喷管，将高压低速气体变为低压高速气体。在转变过程中，依据热力学第一定律，在拉伐尔喷管由渐扩段3和直管段内气体的压力和温度降低，速度增大。通过直管段4内气体的速度大，温度低，压力低，因此直管段4内气体的压力小于再循环分离筒体8内气体的压力，使得再循环筒体8内的气体通过再循环口7流入直管段内4，从而形成循环流动，最终有效地将残存在循环气体中的液滴循环旋分出来，实现湿气循环净化分离。

本发明装置的拉法尔喷管渐缩段2喉部尺寸的设计要求，需要依据气体动力学和可压缩流体的热力学理论，并根据处理气源流量、物理性质、入口压力和入口流量来确定分离管喉部尺寸。拉法尔喷管渐缩段2轮廓线的设计要求(如图10所示)，拉法尔喷管渐缩段2轮廓线需要满足如下所示的曲线方程：

$D=\frac{D^{*}}{\sqrt{1-[1-{\left(\frac{D^{*}}{D_0}\right)}^2]\frac{{[1-{\left(\frac{x}{L_1}\right)}^2]}^2}{{[1+\frac{1}{3}{\left(\frac{x}{L_1}\right)}^2]}^3}}}=\frac{6.6}{\sqrt{1-\mathrm{0.93.3}\frac{{[1-\left(\frac{x^2}{100}\right)]}^2}{{[1+\left(\frac{x^2}{300}\right)]}^3}}}$

上式是以拉法尔喷管渐缩段2的轴线为x轴，以拉法尔喷管渐缩段2入口处的圆心为坐标原点建立的方程，D为拉法尔喷管渐缩段2各段的直径(D^*＜D＜D₀)，L₁为拉法尔喷管渐缩段2的总长度，D₀为湿气入口1处直径，D^*为拉伐尔喷管喉部直径。

利用本发明湿气再循环超音速气体净化分离装置的天然气脱水净化处理系统的实施方式如下(如图9所示)：当输入气体为天然气时，气体先经冷凝器24以降低进入本发明装置26的气体温度，再经气-液分离器25，用来初步分离气体中由于冷凝产生的液体，而后流入本发明装置26后，首先拉法尔喷管将高压低速气体变为低压高速气体。在转变过程中，依据热力学第一定律，气体温度和压力降低，速度升高，由于温度的降低，天然气中的水和重质烷烃组分变成液态凝析出来，然后，高速流动的气、液混合物进入直管段4内，并流经旋流器11，产生高速旋流，由于所受离心力的不同，从气体中凝结出的液体被“甩”到管壁上形成一层特别薄的液膜，然后，这些液体通过旋流器固定套筒14与扩压管15之间的环形槽道23，流入由直管段4和扩压管15组成再循环分离腔8内，在重力作用下，液滴从气体中沉降下来流入液体储存室9，并由液体出口10流出，气体由再循环口7进入分离管内，使残存在循环气体中的液滴再次旋分出来。循环除去水分的干气接着进入扩压管15，气流的速度降低，温度、压力升高，并由干气出口18排出，最后，在本装置的液体出口10处接液-液分离器27，用以对分离出的液体及重质烷烃进行二次分离，系统分离出的干气、冷凝液和水分别储存并外输。本发明实施时，当对装置出口气体压力有特定要求时，可采用常规方法调整干气出口18的背压，以达到特定运行要求。在上述系统的实施中，可根据需要将多台再循环超音速气体净化分离装置并联使用。