一种气体超声速凝结与旋流分离喷管

摘要

本发明涉及一种气体超声速凝结与旋流分离喷管，主要由中心体、旋流叶片、收缩段和扩张段构成，主要应用于气体净化，特别是天然气脱水和重烃分离领域。本发明的旋流叶片采用椭圆叶片法设计，可以有效地加强旋流；中心体的存在有效地减少了涡耗散，收缩段曲线可以保证气流平稳加速到声速；扩张段为一渐扩结构，摒弃了以往该类装置中简单的直线式设计，本发明的曲线设计可以避免膨胀波的影响，气动性能更佳。在喷管中，气流的速度为超声速，滞留时间非常短，不会形成水合物，无需添加化学药剂及相关的回收系统。并且还具有无运动部件，支持无人操作，结构紧凑，占地空间小等优点，特别合适边际、沙漠和海上油气田的开发，应用前景广阔。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种气体超声速凝结与旋流分离喷管，主要应用于气体净化，特别是天然气 脱水和重烃分离等领域。

背景技术：

传统的气体脱水技术主要有冷却法、吸收法、吸附法及膜分离法。冷却法利用气体的含 水量随着温度的下降或压力的升高而减小的原理来实现气体脱水，主要包括直接冷却法、加 压冷却法、膨胀制冷法和蒸汽压缩制冷法等。为了防止形成水合物，需要加热系统或者需要 加入水合物抑制剂及相应的回收系统。吸收法是利用气体在液体中溶解度不同这一原理来实 现气体脱水，该类方法工艺流程复杂，设备多，系统庞大。吸附法是一种固体表面传质现象， 它利用多孔性固体吸附剂使水分子在分子引力或化学键力的作用下被吸附在固体表面，从而 达到气体脱水的目的，其主要缺点是设备较多，投资和操作费用高。膜分离法的原理是在压 力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜内不同的渗透率来进行 气体脱水，但将膜分离法大规模地应用在现有的工业中，存在一次性投资大等问题。

超声速旋流分离技术是近年来应用于天然气脱水的一项新技术，国外的壳牌石油公司和 ENGO石油公司分别进行了相关的研究工作，主要开发了“TwisterI”第一代、“TwisterII” 第二代和“3S”三种超声速旋流分离装置，并申请了多项专利。专利US 6513345B1、US 6524368 B2、US 3773825B2、US 6962199B1，US 7261766B2，US 7318849B2、US 7494535B2、WO 2003/092850A1、WO 2004/020074A1等的核心是将翼型安装在超声速段来产生较强的旋流， 但由于速度的转化发生在超声速条件下，翼型后容易产生激波，破坏低温低压环境，降低超 声速分离器的分离效率。美国专利US 7357825B2、US 2008/0196581A1和US 2010/0147021 A1将旋流装置布置在喷管之前，有利于取得较好的旋流场，但装置的加工和安装难度大，尤 其是中心体与外壳的同轴心度难以保证，从而容易造成旋流场的不稳定。专利EP 1131588B1、 US 6372019B1和US 2010/0147023A1将旋流发生器安装在Laval喷管之前，激波容易控制， 但旋转气体进入Laval喷管后容易发生涡耗散，降低了分离效率。

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。中国专利ZL 200410074338.8采用 旋流装置安装在超声速段的方式，易产生激波；申请号200810224499.9专利和申请号 200910093744.1专利将旋流叶片安装在高速流动区域，流体流动损失大；专利ZL 200610043158.2、申请号200610105199.X和ZL 200910023458.8等存在着旋转气体容易发生 涡耗散的问题；专利ZL200810011258.6采取流体切向进入分离装置的形式，压力损失较大， 降低了总压恢复效率；申请号200910081813.7的专利结构和“TwisterII”分离器类似，但其 涡流控制体的对中更加困难，难以保证同轴旋流；西安交通大学的申请号200910024347.9专 利超声速段后设有激波压缩区，将超声速压缩减速到亚声速，但液滴在亚音速区容易发生再 挥发，降低分离器的分离效率；申请号200910084262.X专利的本质是将多个超音速分离管并 联以增大处理量；申请号201010597341.3专利设计了多个出口的超音速旋流分离器，增加了 液体出口的气体夹带量，而且多个出口也难以在现场应用。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种结构紧凑、旋流能力强、运行稳 定可靠、并能有效控制超声速扩张流道内的膨胀波的气体超声速凝结与旋流分离喷管。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括直管段、中心体、旋流叶片、收缩段、 扩张段、入口和出口，其特征在于：由收缩段、扩张段和中心体构成环形的收缩-扩张喷管； 收缩段为渐缩结构，扩张段为渐扩结构；旋流叶片上端与直管段内壁面固定联接，下端与中 心体表面固定联接。

本发明所述气体超声速凝结与旋流分离喷管中，收缩段、扩张段和中心体构成环形的收 缩-扩张喷管，形成亚声速收缩流道、喉部和超声速扩张流道；气体在收缩流道中平稳加速， 在喉部达到声速，在扩张流道中达到超声速，形成低温低压，导致水和重烃组分的凝结。

本发明所述气体超声速凝结与旋流分离喷管中，收缩段为一渐缩结构，其轮廓曲线按照 如下曲线方程来设计：

$D_x=D_{\mathrm{cr}}+(D_1-D_{\mathrm{cr}})[1-10{\left(\frac{x}{L_s}\right)}^3+15{\left(\frac{x}{L_s}\right)}^4-6{\left(\frac{x}{L_s}\right)}^5]$

上述方程式以收缩段的轴线为x轴，以入口处的圆心为坐标原点，D₁和D_cr分别为收缩 段的进口直径和出口直径，D_x为任意x处的截面直径；L_s为收缩段长度；和一般将收缩段设 计为直线的设计方法相比，该收缩段曲线可以有效地保证气流平稳加速到声速。

本发明所述气体超声速凝结与旋流分离喷管中，扩张段为一渐扩结构，其轮廓曲线按照 如下曲线方程来设计：

$D_{\mathrm{kx}}=\frac{D_{k1}}{\sqrt{1-[1-{\left(\frac{D_{k1}}{D_{k2}}\right)}^2]\frac{{[1-{\left(\frac{L_k-x}{L_k}\right)}^2]}^2}{{[1+\frac{1}{3}{\left(\frac{L_k-x}{L_k}\right)}^2]}^3}}}$

上述方程式以扩张段的轴线为x轴，以入口处的圆心为坐标原点，D_k1和D_k2分别为扩张 段的进口直径和出口直径，D_k1＝D_cr，D_kx为任意x处的截面直径；L_k为扩张段的长度；扩张段 采用该曲线设计可以有效地避免超声速扩张流道内膨胀波的影响，保证旋流场的稳定，气动 性能更佳，旋流分离效率更高。

本发明所述气体超声速凝结与旋流分离喷管中，中心体居于喷管中心，包括半椭球体 (11)、直段(12)、渐缩段(13)和圆柱段(14)；直段的长度L1为：0.5D_z1≤L1≤5D_z1，D_z1为直段的直径；渐缩段的轮廓曲线按照如下曲线方程来设计：

$D_{\mathrm{zx}}=D_{\mathrm{zcr}}+(D_{z1}-D_{\mathrm{zcr}})[1-10{\left(\frac{x}{L_z}\right)}^3+15{\left(\frac{x}{L_z}\right)}^4-6{\left(\frac{x}{L_z}\right)}^5]$

上述方程式以渐缩段的轴线为x轴，以入口处的圆心为坐标原点，D_zcr为渐缩段的出口直 径，D_zx为任意x处的截面直径；L_z为渐缩段长度，L_z＝L_s；渐缩段的入口和收缩段的入口处于 同一个截面上；根据角动量守恒定律，渐缩段的存在可以有效地加强旋流。

圆柱段的直径等于渐缩段的出口直径，圆柱段的长度等于扩张段的长度L_k；圆柱段的存 在可以有效地保证流体在超声速流道中的同轴旋流，防止涡耗散的产生，从而稳定旋流场， 增强分离凝结液滴的能力，进一步提高分离效率。

本发明所述气体超声速凝结与旋流分离喷管中，旋流叶片为椭圆叶片，周向均匀安装在 直段的表面，旋流叶片的长半轴和短半轴半径分别为R1和R2，R1＝L1，R2≤R1，叶片数目 为3～24片；该类型的旋流叶片旋流能力强，与中心体的联合作用下，可以有效加强和稳定旋 流，提高装置的分离效率。

本发明的有益效果是：周向均匀安装在直段表面的旋流叶片改变了气体的流向，将一部 分轴向速度转化为周向速度，使气体以旋流的方式进入喷管；而且由于环形的收缩流道面积 逐渐减小，根据角动量守恒定律，旋流将得到大大增强；旋转气流在环形的收缩流道中平稳 加速，在喉部达到声速；由于超声速扩张流道的面积增大，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，产生大量的凝结液滴； 此时，中心体的存在可以有效地保证超声速扩张流道内流体的同轴旋流，不会发生涡耗散， 巨大的离心力将凝结的液滴甩向壁面，实现气液分离。圆柱段的存在可以有效地保证流体在 超声速流道中的同轴旋流，防止涡耗散的产生，从而稳定旋流场，增强分离凝结液滴的能力， 进一步提高分离效率。

附图说明：

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明中心体结构示意图。

图3是本发明旋流叶片示意图。

图中：1-直管段，2-中心体，3-旋流叶片，4-收缩段，5-扩张段，6-出口，7-超 声速扩张流道，8-喉部，9-亚声速收缩流道，10-入口，11-半椭球体，12-直段，13- 渐缩段，14-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。

如图1、图2和图3所示，本发明主要由直管段1、中心体2、旋流叶片3、收缩段4、 扩张段5、入口10和出口6构成；收缩段4、扩张段5和中心体2构成环形的收缩-扩张喷管， 形成亚声速收缩流道9、喉部8和超声速扩张流道7；旋流叶片3上端与直管段1内壁面固定 联接，下端与中心体2表面固定联接。

如图1所示，本发明的收缩段4为一渐缩结构，其轮廓曲线按照如下曲线方程来设计：

$D_x=D_{\mathrm{cr}}+(D_1-D_{\mathrm{cr}})[1-10{\left(\frac{x}{L_s}\right)}^3+15{\left(\frac{x}{L_s}\right)}^4-6{\left(\frac{x}{L_s}\right)}^5]$

上述方程式以收缩段4的轴线为x轴，以收缩段4入口处的圆心为坐标原点，D₁和D_cr分别为收缩段4的进口直径和出口直径，D_x为任意x处的截面直径；L_s为收缩段长度。

本发明的扩张段5为一渐扩结构，其轮廓曲线按照如下曲线方程来设计：

$D_{\mathrm{kx}}=\frac{D_{k1}}{\sqrt{1-[1-{\left(\frac{D_{k1}}{D_{k2}}\right)}^2]\frac{{[1-{\left(\frac{L_k-x}{L_k}\right)}^2]}^2}{{[1+\frac{1}{3}{\left(\frac{L_k-x}{L_k}\right)}^2]}^3}}}$

上述方程式以扩张段5的轴线为x轴，以扩张段5入口处的圆心为坐标原点，D_k1和D_k2分别为扩张段5的进口直径和出口直径，D_k1＝D_cr，D_kx为任意x处的截面直径；L_k为扩张段5 的长度。

如图1和图2所示，本发明的中心体2居于喷管中心，与收缩段4和扩张段5同轴心， 包括半椭球体11、直段12、渐缩段13和圆柱段14；直段12的长度L1为：0.5D_z1≤L1≤5D_z1， D_z1为直段12的直径；渐缩段13的轮廓曲线按照如下曲线方程来设计：

$D_{\mathrm{zx}}=D_{\mathrm{zcr}}+(D_{z1}-D_{\mathrm{zcr}})[1-10{\left(\frac{x}{L_z}\right)}^3+15{\left(\frac{x}{L_z}\right)}^4-6{\left(\frac{x}{L_z}\right)}^5]$

上述方程式以渐缩段13的轴线为x轴，以渐缩段13入口处的圆心为坐标原点，D_zcr为渐 缩段13的出口直径，D_zx为任意x处的截面直径；L_z为渐缩段13长度，L_z＝L_s；渐缩段13的 入口和收缩段4的入口处于同一个截面上。

圆柱段14的直径等于渐缩段13的出口直径，圆柱段14的长度等于扩张段5的长度L_k。

如图1和图3所示，本发明所述的旋流叶片3为椭圆叶片，周向均匀安装在直段12的表 面，旋流叶片3的长半轴和短半轴半径分别为R1和R2，R1＝L1，R2≤R1，叶片数目为3～24 片。

本发明的收缩段4和渐缩段13之间的间隙构成亚声速收缩流道9，如图1和图2，而且 由于采用特殊曲线方程设计，可以保证气体在该流道中平稳加速，在喉部8处达到声速；扩 张段5和圆柱段14之间的间隙形成超声速扩张流道7，气体在该流道中被加速到超声速，形 成低温低压，水和重烃开始凝结。

参见图1、图2和图3，本发明的亚声速收缩流道9的面积逐渐减小，根据角动量守恒定 律，由旋流叶片3产生的旋流将得到加强；而且中心体的存在可以有效地保证流体在超声速 扩张流道7内的同轴旋流，由于摒弃了以往该类装置中简单的直线式设计，本发明的曲线设 计可以避免膨胀波的影响，气动性能更佳；超声速扩张流道7内的同轴旋流产生巨大的离心 力，将凝结的液滴甩向壁面，实现气液分离，提高了分离效率。

本发明的工作原理为：气体由入口10进入本喷管，在旋流叶片3的作用下，一部分轴向 速度转化为周向速度，气体以旋流的形式进入亚声速收缩流道9、喉部8、超声速扩张流道7， 气体膨胀至超声速，形成低温低压，使气体中的水分或者天然气中的水和重烃发生凝结；中 心体2的存在保证超声速扩张流道7内的同轴旋流不会发成涡耗散，从而使凝结的液体在强 烈的旋流离心场作用下被甩向管壁，高效地实现气液分离。