多个进气喷嘴型超声速凝结分离装置

摘要

本发明是多个进气喷嘴型超声速凝结分离装置，主要应用于气体分离等领域。在进气腔内均匀布置多个进气喷嘴使气体切向进入流道，由于收缩流道的截面半径逐渐减小，根据角动量守恒定律，旋流将得到增强，产生巨大的离心力；中心体居于流道中心，与收缩段和直管段构成截面积变化的环形收缩-扩张喷管，形成亚声速收缩流道、喉部和超声速旋流分离流道，将气体加速至超声速，形成低温低压，可凝组分开始凝结，在超声速旋流分离段，巨大的离心力实现气液的旋流分离；液体进入积液腔，干气居于流道中心，进扩压器回压后流出。该装置结构简单、无运动部件、加工精度高，占地空间小，无需添加化学药剂，支持无人操作，特别适合海上平台使用。

说明书

技术领域：

本发明是一种多组分混合气体的超声速低温凝结与旋流分离技术，具体涉及多个进气喷 嘴型超声速凝结分离装置。

背景技术：

随着社会经济的快速发展，世界经济对能源的依赖程度越来越高，特别是在我国，化石 能源仍然占据一次能源消费的较大比重。与煤、石油等相比，天然气具有热值高、洁净、安 全方便等优势，发展前景十分广阔。然而，从进口开采的天然气往往被水蒸气所饱和，并含 有一些重烃组分，为了满足天然气外输和使用要求，就必需将水蒸气和重烃组分分离出来。 但传统的天然气分离工艺，比如冷却法、吸收法、吸附法及膜分离法，难以适应环境恶劣地 区天然气开采的要求，因此迫切需要开发出一套新型的天然气分离工艺，完善和发展天然气 集输工艺。超声速旋流分离技术是天然气加工处理领域的一大创新，该技术结合了气体动力 学、工程热力学和流体力学的理论，将膨胀降温、旋流式气/液分离、再压缩等处理过程在一 个密闭紧凑的装置中完成，具有简单可靠、密闭无泄漏、无需化学药剂和支持无人值守等优 点。

国外的Twister BV公司和ENGO石油公司对超声速旋流分离技术进行了相关的研究工 作，Twister BV公司开发了“TwisterI”和“TwisterII”两种型式的超声速旋流分离器，ENGO 公司分别开发出了名为“3S”的超声速旋流分离器。两个公司的产品已经开始进入商业推广 应用阶段。

国内的中国石油大学(华东)、北京工业大学、大连理工大学、西安交通大学和北京航空 航天大学对超声速旋流分离技术进行了相关的研究工作。

超声速旋流分离器的核心技术主要有两种：一种是将超声速翼安装在喷管后的超声速段 来产生旋流，但由于速度的转化发生在超声速条件下，超声速翼后容易产生激波，破坏低温 低压环境，不利于液滴的生长，降低超声速分离器的分离效率，代表性的专利主要有国外的 US 6513345B1、US 6524368B2、US 3773825B2、US 6962199B1，US 7261766B2，US 7318849 B2、US 7494535B2、WO 2003/092850A1、WO 2004/020074A1和国内的ZL 200410074338.8 等；另一种是将旋流装置安装在喷管的入口，使气体以旋流的形式进入喷管进行膨胀降温， 主要的专利有国外的US 7357825B2、US 2008/0196581A1、US 2010/0147021A1、EP 1131588 B1、US 6372019B1、US 2010/0147023A1和国内的ZL200810011258.6、ZL 200910023458.8 及申请号200910024347.9、200910081813.7、200910093744.1、201010597341.3等，不足之 处是旋流装置的旋流能力比超声速翼要弱，降低了超声速分离器的分离效果。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种结构简单、工作稳定的用于混合 气体分离的多个进气喷嘴型超声速凝结分离装置，该装置采用多个进气喷嘴使气体切向进入 流道，旋流能力强，分离效率高。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：主要由进气腔、进气喷嘴、收缩段、中心 体、外直管段、扩张段、定位支撑肋、扩压管、阻涡器、干气出口、积液腔、排液管和液体 出口组成，其特征在于：中心体包括直管、收缩锥段、渐细锥段和圆柱段，收缩段和收缩锥 段形成面积逐渐变小的环形亚声速收缩流道，直管段和渐细锥段形成面积逐渐增大的环形超 声速旋流分离流道，环形亚声速收缩流道和环形超声速旋流分离流道的交界处构成面积最小 的环形喉部；扩张段和扩压管之间的间隙构成积液腔，积液腔、排液管和液体出口相互连通。

本发明的进气喷嘴为渐缩喷嘴，进气喷嘴的入口内表面与直管内表面相切，均匀分布， 数目为1～12个，且进气喷嘴与中心体的轴线夹角α为10～40度；中心体居于环形流道中心， 与收缩段、外直管段、扩张段和扩压管同轴心，渐细锥段的锥角β为0～1度；定位支撑肋(7) 的数目为3个，均匀布置。

本发明多个进气喷嘴型超声速凝结分离装置所达到的有益效果是：多个进气喷嘴均匀布 置使气体以切向的方式进入流体流道，实现气体旋流，可以通过调节进气喷嘴与中心体的轴 线夹角和进气喷嘴的数目，来改变入口气流切向速度，达到该装置所需要的旋流强度；当气 体以旋流的方式进入环形亚声速收缩流道，由于流道面积和旋转半径逐渐减小，根据角动量 守恒定律，旋流将得到进一步的加强；在环形超声速旋流分离流道，气流将继续膨胀至超声 速，形成低温低压，使气体中的水分或者天然气中的水和重烃组分发生凝结，同时，气流旋 转所产生的巨大离心力将凝结液滴甩向壁面，实现气液分离。这种使气体在环形超声速旋流 分离流道内的低温凝结和旋流分离同时进行的工作方式，可以有效地减小液滴再蒸发的影响， 进一步提高了该装置的分离效率。

附图说明：

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明进气喷嘴的装配特征示意图。

图3是本发明中心体示意图。

图4是本发明定位支撑肋的装配特征示意图。

图中：1、进气腔，2、进气喷嘴，3、收缩段，4、中心体，5、外直管段，6、扩张段，7、 定位支撑肋，8、扩压管，9、阻涡器，10、干气出口，11、排液管，12、液体出口，13、积 液腔，14、环形超声速旋流分离流道，15、环形喉部，16、环形亚声速收缩流道，17、直管， 18、收缩锥段，19、渐细锥段，20、圆柱段。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的结构特点和工作原理作进一步说明。

参见图1，3，本发明包括进气腔1、进气喷嘴2、收缩段3、中心体4、外直管段5、扩 张段6、定位支撑肋7、扩压管8、阻涡器9、干气出口10、积液腔13、排液管11和液体出 口12；中心体4从左到右依次包括直管17、收缩锥段18、渐细锥段19和圆柱段20，收缩段 3和收缩锥段18形成面积逐渐变小的环形亚声速收缩流道16，外直管段5和渐细锥段19形 成面积逐渐增大的环形超声速旋流分离流道14，环形亚声速收缩流道16和环形超声速旋流 分离流道14的交界处构成面积最小的环形喉部15；扩张段6和扩压管8之间的间隙构成积 液腔13，积液腔13、排液管11和液体出口12相互连通。

参见图1，2，本发明的进气喷嘴2为渐缩喷嘴，进气喷嘴2的入口内表面与直管17内表 面相切，均匀分布，数目为1～12个，且进气喷嘴2与中心体4的轴线夹角α为10～40度； 气体从进气腔进入均匀布置的进气喷嘴，以切向的方式进入流体流道，产生旋流，调节进气 喷嘴与中心体的轴线夹角和进气喷嘴的数目，可以改变气流的旋流强度。

参见图1，3，本发明的中心体4居于环形流道中心，与收缩段3、外直管段5、扩张段6 和扩压管8同轴心，渐细锥段(19)的锥角β为0～1度；中心体可以有效地保证流体在环形 流道内的同轴旋流，形成均匀的旋流场，有利于液滴的分离。

参见图4，本发明的定位支撑肋7的数目为3个，均匀布置。

本发明的工作流程为：气体由进气腔1进入均匀布置的进气喷嘴2，进气喷嘴2使气体 以切向的方式进入流体流道，然后以旋流的形式依次进入环形亚声速收缩流道16、环形喉部 15和环形超声速旋流分离流道14；在环形亚声速收缩流道16内，气流平稳加速，在环形喉 部15处达到声速，此时，由于流道面积和旋转半径逐渐减小，根据角动量守恒定律，旋流将 得到加强；在环形超声速旋流分离流道14内，气流将继续膨胀至超声速，形成低温低压，使 气体中的水分或者天然气中的水和重烃组分发生凝结，同时，气流旋转所产生的巨大离心力 将凝结液滴甩向壁面，实现气液分离；干气居于流道的中心，进入扩压管8后在激波的作用 下动能转化为压力能，压力得到回升，气流经阻涡器9从干气出口10流出；被分离的液滴和 部分滑脱气进入积液腔13，汇集后经排液管11由液体出口12排出。