一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置的製作方法

2023-07-04 08:02:56 1

專利名稱：一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，屬於多組分混合氣體的低溫凝結與旋流分離技術領域。
背景技術：
超聲速旋流分離技術是一種應用於天然氣集輸、加工與處理領域的新技術，該技術結合了氣體動力學、工程熱力學和流體力學的理論，將膨脹降溫、旋流式氣/液分離、再壓縮等處理過程在一個密閉緊湊的裝置中完成，具有簡單可靠、密閉無洩漏、無需化學藥劑和支持無人值守等優點，與傳統的加熱防凍和利用防凍劑防凍天然氣集輸工藝相比，天然氣集輸系統投資和運行費用減少10 25%。國外的Twister BV公司和ENGO石油公司對超聲速旋流分離技術進行了相關的研究工作，Twister BV公司開發了 「Twisterl」和 「Twisterll」兩種型式的超聲速旋流分離器，ENGO公司分別開發出了名為「3S」的超聲速旋流分離器，兩個公司的產品已經開始進入商業推廣應用階段。國內的中國石油大學(華東)、北京工業大學、大連理工大學、西安交通大學和北京航空航天大學對超聲速旋流分離技術進行了相關的研究工作。超聲速旋流分離裝置的主要結構包括拉伐爾噴管、旋流裝置和擴壓管等構件，根據旋流裝置的安裝位置的不同，超聲速旋流分離器主要有兩種典型的結構一種是將旋流裝置安裝在噴管後的超聲速段來產生旋流，故旋流裝置又稱作超聲速翼，在該種結構種， 由於速度的轉化發生在超聲速條件下，超聲速翼後容易產生激波，破壞低溫低壓環境，不利於液滴的生長，降低超聲速分離器的分離效率，代表性的專利主要有國外的US 6513345 Bi、US 6524368B2、US 3773825 B2、US 6962199 Bi, US 7261766 B2, US 7318849 B2、US 7494535 B2、W02003/092850 AUffO 2004/020074 Al 和國內的 ZL 200410074338. 8 等；另一種是將旋流裝置安裝在噴管的入口，使氣體以旋流的形式進入噴管進行膨脹降溫，主要的專利有國外的 US7357825 B2、US 2008/0196581 Al、US 2010/0147021 Al、EP 1131588 BUUS 6372019 BUUS 2010/0147023 Al 和國內的 ZL200810011258. 6、ZL 200910023458. 8 及申請號 200910024347. 9,200910081813. 7,200910093744. 1,201010597341. 3 等，不足之處是旋流裝置的旋流能力比超聲速翼要弱，降低了超聲速分離器的分離效果。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提出一種易於加工和裝配、結構簡單、穩定可靠的用於多組分混合氣體分離的一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，該裝置採用切向入口的方式使氣體切向進入流道，產生較強的旋流，提高超聲速旋流分離器的分離效率。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是主要由切向入口段、穩流段、收縮段、 擴張段、擴壓管、排液管、幹氣出口和液體出口組成，其特徵在於收縮段形成面積逐漸變小的亞聲速收縮與旋流加強流道，擴張段形成面積逐漸增大的超聲速旋流分離流道，超聲速旋流分離流道的擴張角0.5° ^ θ ^ 1.5°，亞聲速收縮與旋流加強流道和超聲速旋流分離流道的交界處構成面積最小的喉部；擴張段和擴壓管之間的間隙構成積液腔，積液腔、排液管和液體出口相互連通；擴壓管形成面積增大的回壓流道，回壓流道和幹氣出口相互連
ο本發明的切向入口段的入口內表面與穩流段內表面相切，數目為1 6個，均勻分布，且切向入口段與穩流段的軸線夾角65°彡α <90° ；擴壓管的錐角3° ^ β ^ 6° ； 排液管向幹氣出口(6)的方向傾斜，且排液管與擴壓管的軸線夾角30° < γ <90°。本發明一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置所達到的有益效果是本發明在穩流段之前安裝切向入口段，使氣體以切向的方式進入穩流段，產生旋流，通過調節切向入口段與中心體的軸線夾角和切向入口段的數目，來改變氣流的旋流強度。在亞聲速收縮與旋流加強流道內，由於流道面積和旋轉半徑的減小，根據角動量守恆定律，旋流得到加強， 在喉部達到聲速；在超聲速旋流分離流道內，氣流將繼續膨脹至超聲速，形成低溫低壓，使氣體中的水分或者天然氣中的水和重烴組分發生凝結，同時，氣流旋轉所產生的巨大離心力將凝結液滴甩向壁面，高效地實現氣液分離。擴壓管的錐角3° ^ β ，可以有效地抑制邊界層分離現象，降低能量損失，提高壓力恢復能力；排液管向幹氣出口的方向傾斜， 有利於凝液的收集與排出，有利於超聲速旋流分離裝置的穩定運行。


圖1是本發明整體結構示意圖。圖2是本發明切向入口段的裝配特徵示意圖，其中圖2(a)是切向入口段與穩流段的裝配正視圖，圖2(b)是單個切向入口段的裝配特徵示意圖，圖2(c)是2個切向入口段的裝配特徵示意圖，圖2(d)是3 6個切向入口段的裝配特徵示意圖。圖3是本發明擴壓管示意圖。圖中1、切向入口段，2、穩流段，3、收縮段，4、擴張段，5、擴壓管，6、幹氣出口，7、回壓流道，8、排液管，9、液體出口，10、積液腔，11、超聲速旋流分離流道，12、喉部，13、亞聲速收縮與旋流加強流道。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的結構特點和工作原理作進一步說明。參見圖1，本發明主要由切向入口段1、穩流段2、收縮段3、擴張段4、擴壓管5、排液管8、幹氣出口 6和液體出口 9組成；收縮段3形成面積逐漸變小的亞聲速收縮與旋流加強流道13，擴張段4形成面積逐漸增大的超聲速旋流分離流道11，超聲速旋流分離流道11 的擴張角0.5° ^ θ ^ 1.5°，亞聲速收縮與旋流加強流道13和超聲速旋流分離流道11 的交界處構成面積最小的喉部12 ；擴張段4和擴壓管5之間的間隙構成積液腔10，積液腔 10、排液管8和液體出口 9相互連通；擴壓管5形成面積增大的回壓流道7，回壓流道7和幹氣出口 6相互連通。參見圖1，2，本發明的切向入口段1的入口內表面與穩流段2內表面相切，數目為 1 6個，均勻分布，且切向入口段1與穩流段2的軸線夾角65° < α <90° ；氣體從切向入口段1進入穩流段2，以切向的方式進入流道，產生旋流，調節切向入口段1與穩流段2的軸線夾角和切向入口段1的數目，可以改變氣流的旋流強度。根據切向入口段1的數目的不同，切向入口段1與穩流段2的裝配特徵略有區別，圖2(b)是單個切向入口段1與穩流段2的裝配特徵示意圖，圖2(c)是2個切向入口段1與穩流段2的裝配特徵示意圖，圖 2(d)是3 6個切向入口段1與穩流段2的裝配特徵示意圖。參見圖1，3，本發明的擴壓管5的錐角3°彡β彡6°。參見圖1，本發明的排液管8向幹氣出口 6的方向傾斜，且排液管8與擴壓管5的軸線夾角30° < γ < 90°。本發明的具體工作流程為氣體由切向入口段1以切向的方式進入穩流段2，形成穩定的旋流，然後氣流以旋流的形式依次進入亞聲速收縮與旋流加強流道13、喉部12和超聲速旋流分離流道11 ；在亞聲速收縮與旋流加強流道13內，氣流平穩加速，在喉部12處達到聲速，此時，由於流道面積和旋轉半徑逐漸減小，根據角動量守恆定律，旋流得到加強；在超聲速旋流分離流道11內，氣流將繼續膨脹至超聲速，形成低溫低壓，使氣體中的水分或者天然氣中的水和重烴組分發生凝結，同時，氣流旋轉所產生的巨大離心力將凝結液滴甩向壁面，實現氣液分離；被分離的液滴和部分滑脫氣進入積液腔10，匯集後經排液管8由液體出口 9排出；幹氣居於管道的中心，進入回壓流道7內產生激波，動能轉化為壓力能，實現壓能的恢復，然後從幹氣出口 6進入主管道。
權利要求
1.一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，主要由切向入口段(1)、穩流段O)、 收縮段(3)、擴張段G)、擴壓管(5)、排液管(8)、幹氣出口(6)和液體出口(9)組成， 其特徵在於收縮段C3)形成面積逐漸變小的亞聲速收縮與旋流加強流道(13)，擴張段 (4)形成面積逐漸增大的超聲速旋流分離流道(11)，超聲速旋流分離流道(11)的擴張角 0.5° < θ ^1.5°，亞聲速收縮與旋流加強流道(1 和超聲速旋流分離流道(11)的交界處構成面積最小的喉部(12)；擴張段(4)和擴壓管(5)之間的間隙構成積液腔(10)，積液腔(10)、排液管(8)和液體出口(9)相互連通；擴壓管( 形成面積增大的回壓流道(7)， 回壓流道(7)和幹氣出口(6)相互連通。
2.根據權利要求1所述的一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，其特徵在於切向入口段(1)的入口內表面與穩流段O)內表面相切，數目為1 6個，均勻分布，且切向入口段⑴與穩流段⑵的軸線夾角65°彡α彡90°。
3.根據權利要求1所述的一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，其特徵在於擴壓管(5)的錐角3°彡β彡6°。
4.根據權利要求1所述的一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，其特徵在於排液管⑶向幹氣出口(6)的方向傾斜，且排液管⑶與擴壓管(5)的軸線夾角 30° 彡 γ 彡 90°。
全文摘要
本發明是一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，主要由切向入口段、收縮段、擴張段和擴壓管組成，應用於多組分混合氣體分離等領域。切向入口段使氣體以切向的方式進入流道，形成穩定的旋流，進入收縮段後氣流平穩加速，在喉部達到聲速，且由於流道面積和旋轉半徑的減小，根據角動量守恆定律，旋流得到加強；在擴張段氣流膨脹至超聲速，形成低溫低壓，使氣體中的水分或者天然氣中的水和重烴組分發生凝結，同時，氣流旋轉所產生的巨大離心力將凝結液滴甩向壁面，高效地實現氣液分離；液體進入積液腔，幹氣居於管道中心，經擴壓管回壓後流出。該裝置結構簡單、加工和裝配精度高，無需添加化學藥劑，支持無人操作，應用前景廣闊。
文檔編號B01D45/16GK102407063SQ201110424368
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者文闖, 曹學文, 楊燕 申請人:文闖