錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置的製作方法

2023-12-06 17:07:06

專利名稱：錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於壓力氣體的膨脹製冷和冷凝分離技術領域，是一種使氣體 高速膨脹降溫，再在其高速旋轉流場中分離重組分凝液的靜止式冷凝分離裝置。
技術背景利用壓力氣體壓力能膨脹製冷，使其中的重組分冷凝成液體，然後進行氣 液分離，以實現混合氣體中重組分的分離。這項技術可以廣泛的應用於各種混 合氣體的分離場合，尤其是在天然氣脫水淨化和輕烴回收領域極具應用價值。 常規的天然氣深冷工藝常採用"布雷頓"循環，關鍵設備是膨脹制冷機，其中 有透平膨脹機、氣波制冷機或節流閥等。節流閥的結構簡單，但其只是等烚降 壓，壓力能利用率很低，製冷溫度有限。透平膨脹機的效率較高，但操作、管 理和維護繁雜，帶液運行能力差。發展簡易、耐用、易操作管理的新型一體化製冷加分離技術，對於天然氣處理等領域的意義重大。殼牌公司(Shell)在1997 年購買了超音速分離的相關專利後，進一步研發並著力將其應用於天然氣處理， 取得一些突破，先後對其Twister裝置申請了多項國際專利(US 6513345 Bl， US 2002/0194988 Al， US 2003/0145724 Al， WO 03/092850 Al， WO 2004/020074 等)。並於2003年在馬來西亞石油公司海上氣田及奈及利亞氣田開發中得到了 驗證與應用，目前仍在完善與改進中。殼牌公司的Twister裝置主要用於高壓 氣體的脫本，在壓力為7 15MPa和烴冷凝壓力超過5MPa條件下，在重量、機 體積和成本方面有較大的節省，在海上應用有較大的優勢。Twister裝置具無活 動部件和不需添加化學藥劑等特點，且可無人操作。但該裝置產生旋流的部件 是大後掠角長三角翼，儘管具有旋流分離效率高的優點，但在該構件附近易產 生激波，破壞低溫低壓環境，造成冷凝流場的不穩定。西安交通大學提出多進 氣道超音速旋流分離與回壓裝置(ZL200610043158.2)，其旋流發生採用多個漸 縮或超音速噴嘴，使氣流增速，溫度降低到溼氣凝結所需的過冷度以下，使重 組分在過冷的氛圍中凝結成核並長大，同時高速氣流沿著一定的切向進入旋流 分離管。但該裝置噴嘴中產生的液滴在射入分離管時，易使已經凝結的液滴二次揮發，引起不必要的過冷度損失；噴嘴出口的氣體速度過高(音速或超音速)， 旋轉強度過大，降低了總壓效率。此外，Shell的Twister和西交大的多進氣道 超音速旋流分離與回壓裝置的超音速旋流分離部分，都是採用角度較小的漸擴 管，加工這種光滑漸擴管的難度很大，而且漸擴管中旋流強度會隨漸擴管直徑 的增加而減小，降低氣液分離效果。發明內容本實用新型的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種結構簡單、加 工容易、運行穩定可靠、壓力轉換效率較高、用於混合氣體冷凝分離的製冷與 分離一體化的錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置。本實用新型錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置的技術解決方案為採用向流 道中插入錐芯的結構，遂使包括旋流發生器、漸縮旋轉強化段和冷凝分離噴管 的橫截面，'均是由一個錐芯佔據中心位置而與外殼內壁圍成的環形。由於插入錐芯的直徑可以在各處任意改變，因此環形流道就很容易形成截 面漸縮、喉部相等段、截面漸擴的結構，特別是在超音速漸擴段，可以採用直 徑逐漸縮小的錐芯而噴管內徑保持不變的策略，形成沿長度方向上外徑不變、 內徑不斷縮小的環截面擴錐流道，不但避免了加工漸擴流道內孔的困難和成本， 而且流道的外徑保持不變，內徑縮小，內旋流場更加增強。這如同渦流管的作 用，使在內徑處的氣流溫度更低，露點更低且凝液充分外甩分離，更有利於提 高出口氣的幹度。本實用新型錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置中，分離作用的旋轉流場是由 周向均布的彎弧形葉片導流產生的，這些葉片使氣體切向進入加速流道，在外 孔和內芯均為縮錐的亞音速流道段，流道的半徑縮減很快，根據動量矩守恆規
律，流體的旋轉角速度會大幅度提高，可以產生很強的離心力場。本實角新型錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置，由外殼內孔和插入的錐芯圍 成通流截面漸縮、喉部和漸擴的流道，流體在流道中被加速到很高的超音速， 靜溫則降到與馬赫數相對應的低溫，使其中的重組分過冷凝析，並伴隨著氣流 的高速自旋被分離導流道的內壁，細小液滴不斷地互相碰撞長大，並在氣流的 帶動下向下遊流動。在氣流流速最大值附近的流道處，通過內孔的擴大轉折，續接從下遊插入 的錐管，在內孔壁處套接形成一道環形的縫隙出口，由此將內壁的凝液膜(含 一部分氣體)導流出流道，進到積液腔中匯集，再從出液口排出。而幹氣則大 部分流入接續錐管，在其入口後面產生激波，速度降成亞音速，壓力和溫度上 升，再流過接續錐管的漸擴流道，減速擴壓，壓力和溫度回升，最後從幹氣出 口排出。本實用新型錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置的結構特點為1. 漸縮接續等徑的內孔流道和分段變徑的插入式錐芯。針對於流道內孔難以加工、難以保證尺寸精度、光潔度質量的固有不利， 創造出內孔只加工亞音速漸縮錐和圓柱孔，配合內插直徑變化的錐芯的方法， 實現了環狀的亞音速、喉部和漸擴段流道，從而避開了機加工的難點，容易獲 得精度高、表面光滑的流道表面。並且，這樣的超音速流道由於向內擴展，可 使內旋流場更加強烈，能提高氣液分離的效果。而且由於內錐的存在，可以減 小氣體旋轉沿徑向的速度梯度，降低能量損失。且圓環截面與圓柱截面相比， 可縮短液滴的徑向沉降距離。2. 氣體通過旋流發生器進入亞音速流道。氣體從進口進到穩壓腔之後，再徑向進入數個預旋葉片流道，各個葉片之 間形成向內漸縮的通道，將氣體逐漸加速，並由徑向轉成切向進入噴管流道。
3. 縮徑更大的亞音速旋流增強錐段。由於在亞音速段，流道內錐和內芯直徑可以同時大幅度縮小，而保證流道 截面積不會驟縮，因此可以實現更大的徑縮比，使氣流旋轉的角速度增幅更甚， 分離能力更加強化。4. 幹氣體導出通道採用二次擴張的結構。在凝液出口之後的插入式氣體導出通道採用略微擴張之後續一段等徑段， 然後再擴張的結構，第一次擴張的作用是使冷凝分離噴管末端和液體出口環縫 附近保持超音速，避免激波前移，造成對冷凝分離段流場的影響。從第一擴張 段過渡到等徑段，幹氣流通過弱的斜激波減速到音速以下；而第二擴張段才是 真正的擴壓器段，亞音速氣流在此等熵減速增壓。如果流道參數設計的好，本 實用新型錐芯式超音速冷凝旋流分離器的壓力降可以較小。本實用新型錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置所達到的有益效果為不需外 加動力，通過簡單的結構，使混合氣體如天然氣等自身膨脹加速到超音速，靜 溫極大降低，從而使重組分冷凝，並在其自產生的強力離心力場的作用下實現 凝液的分離。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型做進一步的說明。

圖1是本實用新型錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置的結構示意圖。 圖2是本實用新型旋流發生器的剖面圖。 圖3是本實用新型內插錐芯的結構示意圖。圖中，1、壓力氣入口， 2、旋流發生器，3、外殼錐管，4、錐芯，5、外殼 柱管，6、導液器，7、支架，8、插入式氣體導出通道，9、幹氣出口， 10、排 液口， 11、集液腔，12、超音速降溫分離流道，13、喉部流道，14、亞音速和
旋流加速流道，15、穩壓腔，16、錐芯短錐段，17、錐芯短柱段，18、錐芯長漸細錐段，19、錐芯細柱段。
具體實施方式
本實用新型提出的錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置，主要由旋流發生器2、 外殼錐管3、錐芯4、外殼柱管5、導液器6、支架7、插入式氣體導出通道8、 集液腔ll、超音速降溫分離流道12、喉部流道13、亞音速和旋流加速流道14 和穩壓腔15組成。加速和分離流道的外殼由不同的圓盤、外殼錐管3、外殼柱管5分段焊接組 成，然後機加工出錐形與柱形內孔流道。導液器6也是由外殼、接管和法蘭焊接 而成，機加工後與加速和分離流道通過內外孔圓配合對位、螺紋連接、0型圈密 封。入口的穩壓腔15與加速和分離流道採用法蘭連接，以便於拆裝清洗或更換 旋流發生器2和錐芯4。旋流發生器2中的葉片為弧形或弧形加扭曲葉片， 一般為4 8片，厚度為2 3毫米，周向均布，高度方向與分離流道軸線平行，葉片張角d與葉片 數量有關， 一般為60 110° 。相鄰葉片構成進氣流道，流道最小截面積由葉 片最小間距w和葉片高度決定。殼體亞音速錐段的外殼錐管3的收縮角一般為 20 50° ，對位的錐芯短錐段16的錐角一般為10 40° 。殼體超音速段的外 殼柱管5為等徑圓柱孔，其長度為內徑的8 30倍，與其對位的錐芯的長漸細 錐段18的錐角為1 8。。錐芯短柱段17的長度為2 20毫米，與外殼錐管3 和外殼柱管5的交界線對位，形成流道的喉部。插入式氣體導出通道8有二次 漸擴，第一段擴張角為5 20。，其後為等徑內孔段的過渡，等徑段長度為3 30毫米，後接第二擴張段，其擴張角為7 30。。內插錐芯4佔據流道的部分 有四段錐芯短錐段16與殼體的錐段圍成亞音速和旋流加速流道14，錐芯短 柱段17與殼體的錐、柱交界區段構成喉部流道13，而錐芯長漸細錐段18與殼 體的長內孔柱段圍成漸擴的超音速降溫分離流道12，最後段的細柱段19穿入 支架7的中心孔，主要起對中定位和支撐防振的作用。壓力氣體從入口 1進入穩壓腔15中，通過旋流發生器2流道徑向進入軸 向加速管，先流過亞音速和旋流加速流道14使氣流加速到音速，並由於半徑 減小而加速強烈旋轉，經過喉部流道13進到超音速降溫分離流道12，超音速 馬赫數逐漸增大，靜溫降到很低，氣中的重組分因過冷而凝析，再在強烈旋轉 離心力場的作用下離心沉降到流道的壁面，形成液膜並在氣流的衝刷下流向下 遊，夾帶小部分氣體從液體出口環縫流出到導液器6中，經集液腔ll流出排 液口 10。而幹氣則進入後續的插入式氣體導出流道管8，先將超音速變亞音速， 然後繼續擴壓減速，從幹氣出口9流出。
權利要求1. 錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置，主要由旋流發生器(2)、外殼錐管(3)、外殼柱管(5)、導液器(6)、支架(7)、插入式氣體導出通道(8)、集液腔(11)、超音速降溫分離流道(12)、喉部流道(13)、亞音速和旋流加速流道(14)和穩壓腔(15)組成，其特徵在於，流道居中插入變截面積的錐芯(4)，由外殼錐管(3)和錐芯短錐段(16)形成的亞音速和旋流加速流道(14)是截面積漸縮的環形流道，由外殼柱管(5)和錐芯長漸細錐段(18)形成的超音速降溫分離流道(12)是截面積漸擴的環形流道，插入式的幹氣體導出通道(8)採用二次擴張結構，二擴張流道之間夾有一小段等截面段。
2. 根據權利要求1所述的錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置，其特徵在於， 錐芯(4)各段的截面積不同，外殼柱管(5)的內截面積保持不變。
3. 根據權利要求1所述的錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置，其特徵在於， 錐芯短柱段(17)等徑短圓柱的長度為2 20毫米，且與外殼錐管(3)和外殼柱管 (5)的交界線對位，外殼柱管(5)的長度為內徑的8 30倍，與其對位的錐芯長 漸細錐段(18)的錐角為1 8° 。
4. 根據權利要求1所述的錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置，其特徵在於， 旋流發生器(2)中的葉片為弧形或弧形加扭曲葉片一般為4 8片，厚度為1 4 毫米，周向均布，高度方向與分離流道軸線平行，葉片張角a與葉片數量有關， 一般為60 110。。
5. 根據權利要求1所述的錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置，其特徵在於， 外殼錐管(3)的收縮角一般為20 50。，對位的錐芯短錐段(16)的錐角一般為 10 40° 。
6. 根據權利要求1所述的錐芯式超音速冷凝旋流分離器裝置，其特徵在 於，幹氣體導出通道(8)有二次漸擴，第一段擴張角為5 20° ，其後為等徑內 孔段的過渡，等徑段的長度為3 30毫米，後接第二擴張段，其擴張角為7 30° 。
7.根據權利要求1或2所述的錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置，其特徵在 於，錐芯細柱段(19)穿入支架(7)的中心孔。
專利摘要本實用新型錐芯式超音速冷凝旋流分離裝置屬於壓力氣體的膨脹製冷和冷凝分離技術領域。採用了向流道中插入錐芯的結構，由改變錐芯在各處的直徑，形成截面漸縮、喉部相等段、截面漸擴的流道，這樣就能採用等徑內孔，而避免加工困難的漸擴型小錐管流道，更使自旋強度不致因擴徑而減弱。該冷凝分離器利用氣體自身壓力膨脹降溫實現低溫工況，並靠縮徑使自旋增強產生強大的離心力場，分離之後壓力可以回升，具有無運動件、不需外部驅動、節省能源、體積很小、成本低、運行穩定可靠等優點。適用於高壓，小流量的混合氣體的冷凝分離，天然氣和石油氣中重組分的分離等，由於體積小，更適用於空間受限(如海上平臺)等場合。
文檔編號B04C3/00GK201214074SQ200820012508
公開日2009年4月1日 申請日期2008年4月30日 優先權日2008年4月30日
發明者代玉強, 徹 朱, 胡大鵬, 邱中華, 鄒久朋, 馬慶芬 申請人:大連理工大學