自引射循環回流超音速旋流分離器及其分離方法與流程

2023-07-31 14:23:21 5

本發明涉及一種自引射循環回流超音速旋流分離器及其分離方法，屬於超音速冷凝分離裝置技術領域。

背景技術：

超音速分離器具有無轉動部件、耐高壓、無需外部動力驅動、成本低及運行可靠等優點。在天然氣脫水、脫重烴和輕烴回收領域有很強的適用性。目前，超音速脫水技術在國內、外都仍處於試驗與初步現場應用階段，儘管已有商業應用的實例，但是在超音速分離效率和操作彈性範圍等方面仍存在一些局限性。超音速分離器主要有u型、旋流後置型和旋流前置型三類。garret等為代表的u型超音速分離器，該裝置由laval噴管與一個截面為矩形的u型通道相連構成（us3528217）。該型設備結構過於複雜，而且部分需要輔助電磁場或注入抑制劑來解決水合物和凍堵問題。twisterbv公司研製的twister™marki為代表的旋流葉片後置型超音速分離器，該型設備建立的渦流模型在增加葉片迎角時，葉片的攔截效果和渦流不對稱。而且當超音速氣體與旋流葉片相碰時，會產生強烈的激波，這會造成很大的能量損失，甚至影響流場，破壞水蒸汽自發凝結時所需要的低溫低壓環境，從而使得凝結的液滴在分離段由於溫度壓力的升高發生二次揮發，最終導致壓力損失較大和離效率的降低。twisterbv公司研製的twister™markii和translang公司研製的3s為代表的旋流前置式超音速分離器（us6372019）雖然克服了旋流後置型分離器的缺點，但是由於流體在進入噴管前就已經開始旋轉，旋轉的強度雖高，但經過噴管和直管段到達氣液分離出口時，旋轉強度已經下降，會導致分離不夠徹底，而且隨著操作參數的不斷變化，會導致此裝置的激波發生位置的範圍不斷變化，很大機率會進入噴管內，會對的工作性能產生劇烈影響。此外，該型設備仍存在的無法適應實際不斷變化的出入口壓力條件的問題。此外，北京航空航天大學的一種雙喉道自起動超音速旋流分離器及其分離方法（cn102274805b）採用雙噴管串聯的結構形式，同時在擴壓器收縮段和擴壓器擴張段之間通過多孔壁結構形成一個擴壓器喉道流通截面積可調的氣動調節結構，在擴壓器收縮段和擴壓器擴張段壓差作用下實現氣動可調性。但是該型設備帶循環的超音速分離器的排液間隙均採用的是不同內外半徑套管構成的環狀排液間隙結構，達到排除凝析液的目的。在凝析液產量過大的情形下，需要增加這一環隙的大小時，會導致在超音速拉法爾管擴壓段內產生激波，引起噴管內靜溫升高，凝析液蒸發，從而造成了分離效率的下降、壓力能的損失較大。所以，排液的環隙結構是上述超音速旋流分離設備的一個缺陷。北京工業大學提出了一種溼氣再循環超音速氣體淨化分離器（cn201534048u）。該結構利用排液口和拉法爾管擴壓段出口處的壓差，將排液腔內的溼氣進行多次循環從而得到除去液體的幹氣，但是該裝置採用的是旋流器後置的結構，從噴管出來的超音速氣流撞擊葉片會產生激波，且有較大壓損，不適用於進口壓力較低的工況。同時該設備也存在雙喉道自起動超音速旋流分離器類似的排液環隙結構的缺陷。

因此，有必要開發出一種克服上述缺陷的新型超音速分離設備。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服以上技術的不足，提供一種結構簡單、設計加工容易、運行穩定可靠、溼組分脫除率高、增強凝析液脫除能力，同時可以適應壓力變化的、用於混合氣體冷凝分離的製冷與分離一體化的自引射循環回流超音速旋流分離器及其分離方法。

本發明採用的技術方案是：一種自引射循環回流超音速旋流分離器，它包括進氣腔旋流結構、拉法爾管、分液結構和壓力恢復段，它還包括一個積液腔；所述進氣腔旋流結構包含連接進氣腔的進氣管、位於進氣腔中的旋流發生器和設置在進氣腔端部的進氣腔擋板；所述拉法爾管包含連接旋流發生器的拉法爾管漸縮段和拉法爾管擴壓段；所述分液結構包含連接拉法爾管擴壓段的穩定錐度段和出口連接壓力恢復段的噴管降速直段；所述積液腔包含分離腔和位於分離腔內的過濾段，分離腔與穩定錐度段外側的排液腔連接，過濾段的出口經回流管連接設置在拉法爾管漸縮段中的旋流發生器和導流錐的回流通道，導流錐的錐端設有多個導流錐側向開口，導流錐側向開口的中心線距錐尖距離為10-50mm；所述旋流發生器與導流錐連接後構成的整體通過法蘭與回流管連接，回流管法蘭採用焊接方式與回流管連接，回流管法蘭與進氣腔擋板之間設置金屬墊片，採用連接螺釘調節間隙，在回流管法蘭與進氣腔擋板之間設置o型密封圈。

所述旋流發生器的出口處與導流錐的進口處採用螺紋連接，螺紋的長度為20-200mm。

所述旋流發生器內的回流通道直徑與回流管的內徑相同，導流錐內的回流通道採用向出口方向漸縮的圓形截面通道。

所述拉法爾管漸縮段的收縮角為10-60度角，長度為6-1400mm，大頭直徑25-1000mm，導流錐的錐角在5-60度角之間，長度為6-1400mm，大頭直徑為10-600mm。

所述旋流發生器設有4-28個周向均布的軸流式導向葉片，軸流式導向葉片的厚度在1-10mm之間，旋流器出口角在20-60度角之間。

所述的一種自引射循環回流超音速旋流分離器裝置的分離方法是：含溼氣體由進氣管經進氣腔流過帶回流通道的旋流發生器，然後在拉法爾管漸縮段內沿帶回流通道的導流錐向後流動，在旋流發生器內產生凝析液旋流分離的離心力，隨後在拉法爾管擴壓段的擴張流道中，含溼氣體被加速到超音速，靜溫降低，氣體中的重組分發生冷凝；在拉法爾管擴壓段內低溫冷凝形成的凝析液，脫除溼組分後的幹氣經穩定錐度段和噴管降速直段進入壓力恢復段，完成減速和壓力恢復過程，降低分離器的流動壓力損失；一部分凝析液經排液腔的排液口分離，另一部分凝析液隨外循環氣的流動攜帶進入分離腔，在分離腔內的過濾段通過物理過濾完成部分凝析液的分離；在排液腔與帶回流通道的導流錐出口之間利用旋流及高速流動產生的壓差，含溼氣體會自引射進入回流管，經帶回流通道的導流錐出口引射進入拉法爾管擴壓段而形成一個外部回流循環。

上述技術方案的指導思想是：為解決現有技術中存在的結構複雜、壓力損失大、排液環隙結構引起激波、分離效率低、適應工況範圍小等不足。本裝置利用lava噴管喉部區域由於旋流和超音速產生的靜壓值低於拉法爾管擴壓段出口處的靜壓值將氣體從laval拉法爾管擴壓段出口處引射到噴管喉部及擴張段內而使含溼氣體自引射進入回流管，形成外部回流循環，保證拉法爾管擴壓段內有較穩定和均勻的流動狀態。通過該回流可實現被分離的流體進行二次旋流分離，而且回流的含溼氣體中含有部分小液滴可以作為凝結核心，實現了非均質成核而縮短了成核時間而提高了液滴分離時間，從而進一步提高了凝液的分離效率。回流結構同時也減小了進入壓力恢復段的的流體流量，從而降低了形成激波的可能或降低了由於激波而造成的壓力損失。帶回流通道的軸流旋流發生器、帶回流通道的導流錐、回流管、以及回流管上的法蘭構成一個整體，而且旋流發生器布置在漸縮段前的直管段上，不僅避免了布置在漸縮段內壓力損失的缺點，而且實現了結構簡單，便於拆卸的目的。此外，本裝置的導流錐可沿軸線前後移動，從而可以改變噴管喉部流通截面積和回流管的位置，從而適應不同的操作工況，提高了設備的適用範圍。本裝置採用等徑環形排液間隙，在間隙需要較大的情況下避免了超音速拉法爾管擴壓段內激波的產生所引起的噴管內靜溫升高，凝析液蒸發的現象，可以有效提高分離效率。高壓下，當原料氣含水量較低時（水露點較低）而導致採用該設備得到的溫降使液體收率較低時，可以通過去除分離腔內的過濾段或去除分離腔的方法來增加回流溼氣的含液量來提高設備的凝液收率；低壓下可以將分離腔內的部分液體通過泵及霧化器打入回流管內來增加進料原料氣的含液量來提高設備的凝液收率，從而提高了該設備的適用範圍。

本發明具有的優點在於：

1.本裝置利用含溼氣體在排液腔與帶回流通道的導流錐出口處間的壓差，使含溼氣體自引射進入回流管，形成外部回流循環。該回流氣可以促進拉法爾管擴壓段內的凝析過程並且可實現二次旋流分離，提高了超音速分離器的分離效率。

2.本裝置自引射回流至拉法爾管擴壓段內的含溼氣體中含有部分小液滴，其可以作為凝液成核所用的凝結核心，含溼氣體的冷凝相變可以發生在小液滴的表面，實現了非均質成核，即凝結成液滴的過程在較低過飽和度下進行。非均質成核不僅縮短了成核時間而提高了液滴分離時間，而且得到的液滴尺寸一般大於均質成核的液滴尺寸，從而進一步提高了凝液的分離效率。

3.本裝置由於利用在排液腔與帶回流通道的導流錐出口處間的壓差，使含溼氣體自引射進入回流管，實現了減小進入壓力恢復段的的流體流量，從而降低了形成激波的可能或降低了由於激波而造成的壓力損失。

4.本裝置採用等徑環形排液間隙，在間隙需要較大的情況下避免了超音速拉法爾管擴壓段內激波的產生所引起的噴管內靜溫升高，凝析液蒸發的現象，可以有效提高分離效率。

5.本裝置通過兩種方式將冷凝出來的液滴進行分離：一是直接利用排液腔的排液口分離，二是隨著外循環氣的流動攜帶進入回流循環結構中的分離腔，在分離腔的過濾段通過物理過濾完成部分凝析液的分離。這兩種方式的結合可以有效地提高分離效果。

6.帶回流通道的軸流旋流發生器、帶回流通道的導流錐、回流管、以及回流管上的法蘭構成一個整體，而且旋流發生器布置在漸縮段前的直管段上，不僅避免了布置在漸縮段內壓力損失的缺點，而且實現了結構簡單，便於拆卸的目的。

7.本裝置的導流錐可沿軸線前後移動，從而可以改變噴管喉部流通截面積和回流管的位置，從而適應不同的操作工況，提高了設備的適用範圍。

8.高壓下，當原料氣含水量較低時（水露點較低）而導致採用該設備得到的溫降使液體收率較低時，可以通過去除分離腔內的過濾段或去除分離腔的方法來增加回流溼氣的含液量來提高設備的凝液收率；低壓下可以將分離腔內的部分液體通過泵及霧化器打入回流管內來增加進料原料氣的含液量來提高設備的凝液收率，從而提高了該設備的適用範圍。

9.本裝置設計了帶有切向開口和不帶切向開口的兩種導流錐。帶有切向開口的導流錐可以使回流至拉法爾管擴壓段的流體切向進入拉法爾管擴壓段，從而降低了由於軸向進入而導致的較大的阻力損失，該導流錐適用於低壓系統。而不帶切向開口的導流錐結構簡單，便於加工，適用於高壓系統。

10.本裝置具有結構緊湊、體積小、易加工、成本低、免維護、可迅速開停車和環保的特點。不僅適用於常規天然氣的水露點和烴露點的控制，而且適用於非常規氣田（頁巖氣、煤層氣、緻密氣）等氣田的脫水脫烴。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明。

圖1是一種自引射循環回流超音速旋流分離器的結構圖。

圖2是圖1中的b放大圖。

圖3是圖1中的a-a剖視圖。

圖4是圖1中的c放大圖。

圖5是圖1中的d放大圖。

圖中：1、回流管，1a、回流通道，2、進氣腔擋板，3、進氣管，4、進氣腔，5、旋流發生器，6、導流錐，7、拉法爾管漸縮段，8、拉法爾管擴壓段，9、穩定錐度段，10、噴管降速直段，11、壓力恢復段，12、排液腔，13、分離腔，14、過濾段，15、回流管法蘭，16、金屬墊片，17、連接螺釘，18、o型密封圈，19、軸流式導向葉片，20、金屬墊片，21、導流錐側向開口。

具體實施方式

本發明的具體實施方式如下，但不止這一種實施方式。

本發明自引射循環回流超音速旋流分離器包括回流管1、進氣腔擋板2、進氣管3、進氣腔4、帶回流通道的軸流旋流發生器5、拉法爾管漸縮段7、拉法爾管擴壓段8、穩定錐度段9、噴管降速直段10、壓力恢復段11、排液腔12、分離腔13和過濾段14等主要部件組成。氣源供氣管和進氣管3之間、進氣腔擋板2和進氣腔4之間、回流管1與旋流發生器5之間、拉法爾管漸縮段7和拉法爾管擴壓段8之間、拉法爾管擴壓段8和排液腔12之間、排液腔12和噴管降速直段10之間、噴管降速直段10和壓力恢復段11之間依次採用法蘭連接。其中焊接在回流管上的回流管法蘭15和進氣腔擋板2通過連接螺釘17和金屬墊片16連接和固定在一起；帶回流通道的旋流發生器5放置在進氣腔4內，並與進氣腔4之間採用間隙配合；帶回流通道的旋流發生器5與帶漸縮回流通道的導流錐6之間採用螺紋連接，且在螺紋連接結束的位置設置凸臺，用於導流錐6和旋流發生器5之間的徑向定位；噴管的穩定錐度段9採用套筒的方式固定在排液腔12內部，在排液腔12內設置有固定擋板，用來固定和調節穩定錐度段9的軸向位置。

本實施例中的回流管1、分離腔13以及過濾絲網，有效地將排液腔內的液滴分離出來，同時將排液腔內的溼氣過濾後再次進入到拉法爾管擴壓段內，實現溼氣的循環，很好地平衡了拉法爾管擴壓段內的壓力，避免在拉法爾管擴壓段內產生激波，適用於更加廣泛的操作條件，提高分離效率，降低壓力能的損失。

本裝置導流錐6的軸向左右移動通過調節回流管上的法蘭15和進氣腔擋板2之間的距離實現，在回流管法蘭15和進氣腔擋板2的連接螺釘17上增加（或減少）金屬墊片16實現導流錐向左（或向右）移動，進而改變噴管喉部截面積，使其適用於更加廣泛的工況條件。焊接在回流管1上的回流管法蘭15和進氣腔擋板2之間採用徑向填料密封壁面氣體洩漏。

本裝置的穩定錐度段9和噴管降速直段10加工成一個整體，排液間隙通過調節排液腔12和噴管降速直段10之間的軸向相對位置實現，在排液腔12的內部設置有帶通孔的擋板，在擋板與噴管降速直段10之間添加或減少金屬墊片20，實現排液間隙的增大或減少。

具體工作流程如下：首先含溼氣體通過裝置進氣管3進入到進氣腔4內，在旋流發生器5的導流結構下進入到旋流發生器的軸流式導向葉片19之間的流道內，在軸流式導向葉片19的作用下，氣流產生一定切向速度和軸向速度，從旋流發生器5流出後進入到拉法爾管漸縮段7和拉法爾管擴壓段8內，在拉法爾管擴壓段8內的低溫環境下，含溼氣體中的可凝組分開始冷凝，形成的液滴在強大的離心力作用下向噴管內壁面運動；然後凝結液滴和部分氣體從排液口中流出，經過排液腔12進入到分離腔13內，在分離腔13內，部分液滴在重力作用下落到分離腔底部，其他液滴和氣體經過過濾段14過濾後，通過回流管1和回流通道1a進入到拉法爾管擴壓段8內，實現再次淨化和分離；最後，除去液滴的幹氣經過穩定錐度段9和噴管降速直段10後進入到壓力恢復段11內，速度降低，溫度和壓力升高，最終從壓力恢復段11出口流出。

本發明裝置能夠實現含溼氣體自引射循環分離的理論依據：本裝置主要是利用lava噴管喉部低壓將氣體從laval拉法爾管擴壓段出口處引射到噴管喉部及擴張段內，其中噴管喉部區域的低壓主要由兩個因素引起的，其一是旋流產生的中心低壓；其二是超音速低壓，兩者相結合導致噴管喉部區域的靜壓值低於拉法爾管擴壓段出口處的靜壓值。對於拉法爾管擴壓段內產生激波的情況，本發生裝置也能很好避免，自引射循環迴路很好地均衡了拉法爾管擴壓段出口處和喉部的壓力，保證拉法爾管擴壓段內有較穩定和均勻的流動狀態。