調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器的製作方法

2023-12-06 17:07:21

專利名稱：調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器的製作方法
技術領域：
本發明屬於壓力氣體的膨脹製冷和冷凝分離技術領域。本發明的調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器，是一種能使氣體膨脹升速降溫，同時產生高速旋轉流場，離心分離重組分冷凝液的超小型高效靜止式冷凝分離裝置。
背景技術：
利用壓力氣體自身的壓力能膨脹製冷，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提取。該工藝過程廣泛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等領域。壓力氣體膨脹製冷，可用設備有透平膨脹機、氣波制冷機或節流閥等。節流閥結構 簡單，但為等焓降壓，壓力能利用率極低，製冷溫度有限。透平膨脹機效率較高，但操作、管理和維護繁雜，帶液運轉能力差。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(Shell)公司在1997年購買了超音速分離的專利後，進一步研發並將其應用於天然氣處理，取得突破，先後對其Twister裝置申請了多項國際專利(US 6513345 BI, US 2002/0194988 Al, US 2003/0145724 Al, WO 03/092850Al, 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驗證與應用，目前仍在完善與改進中。殼牌的Twister裝置主要用於高壓氣體的脫水，在壓力為7 15MPa和冷凝壓力超過5MPa條件下，重量、體積和成本方面有較大縮減，無活動部件，可無人操作，海上應用具有較大優勢。但Twister裝置產生旋流的部件，是大後掠角長三角翼，儘管具有分離效率高優點，但該構件附近易產生激波，破壞低溫低壓環境，造成冷凝流場不穩定。西安交通大學提出的多進氣道超音速旋流分離與回壓裝置(ZL200610043158. 2)，發生旋流採用多個漸縮或超音速噴嘴，使氣流增速，靜溫降低，重組分凝結成核並長大，同時高速氣流沿切向進入旋流分離管。但該裝置噴嘴中凝結的液滴，在射入分離管時，易二次揮發；噴嘴出口的氣速過高，易生成激波，降低效率。大連理工大學獲得的專利錐芯式超音速冷凝旋流分離器(ZL 200810011258. 6)，是使氣流沿著分離管截面的切向進入管內而產生旋轉流，同時在管內漸縮、漸擴的流道中逐漸加速到超音速，且由動量矩守恆關係，隨著流道的收縮，氣流加速旋轉。其最大特點是在管內超音速段，不是靠內徑逐漸增大而產生擴張流道。而是由在等徑管中插入漸細的內錐芯，使流道截面積漸擴而產生超音速流，和產生更強的旋轉以利於分離。從而避免了加工小錐角漸擴內孔的困難。但以上各種超音速冷凝旋流分離器，都有一個固定面積的喉部截面，當進、出口的壓力比、特別是凝液排出壓力偏離設計時，分離管內就產生激波，不僅造成了壓力能的損失，而且激波的加熱作用，會使已冷凝的霧化液滴重新蒸發，降低了氣液分離的效果。因此，變工況適應能力差，是超音速冷凝旋流分離器的很大弱點。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種結構簡單、設計加工容易、運行穩定可靠、壓力轉換效率較高、特別是對壓力變化的適應能力強的、用於混合氣體冷凝分離的製冷與分離一體化的新型超音速分離裝置一調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器。當進口壓力高於設計值時，根據可壓縮流體力學理論，噴管喉部的臨界壓力與進口壓力之比保持不變，因此臨界壓力隨著進口壓力的升高也升高，噴管超音速段各截面的壓力也隨之升高。如果凝液排出口的壓力沒有隨之上升，超音速段流道內必定會產生激波，損失壓力以適應。而當凝液排出口的壓力低於設計值時也是如此。
為消除上述激波的產生，唯一的措施就是增大噴管在凝液出口位置處的截面積與喉部截面積之比，增加前者很難實施，而相應地減小喉部截面積是最好的選擇。而當進口壓力低於設計值，或是凝液排出口的壓力高於設計值時，也會在超音速段流道的始端產生激波，這時欲消除激波，就需要減小噴管在凝液出口位置處的截面積與喉部截面積之比，相應地增加喉部截面積就能滿足。本發明調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器，就是一種能夠在工作狀態下，隨意調節其喉部截面積的可調式壓力自適應型分離器，其調節喉部截面積、適應壓力變化的技術解決方案為採用向錐孔型流道的內部中心，嵌插入一個其位置可以進退調節的錐形芯，將通流流道截面變成一個環形，且通過該錐芯的連續調節伸入，環形的內徑連續增加一環形流道的截面積則連續地減小，如此可使流道的最小截面(喉部)面積發生連續的改變。本發明調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器，其入口有一個能使進入噴管流道的氣體產生預旋轉的機構，即氣流是一邊旋轉、一邊沿著噴管的軸向向前流動。噴管的流道截面積是先縮小再增大一即拉瓦爾噴管，氣體在管中被連續加速到超音速。同時由於遵循動量矩守恆，在噴管的亞音速段，隨著流道直徑的收縮減小，旋轉的角速度迅速增大，會產生很強的離心力場。由於在噴管的漸縮、漸擴流道中，氣體的焓大部分轉化成為動能(超音速流動)，因此混合氣體的靜溫會明顯降低(由壓力比而定，可降溫30 70°C )，其中的易凝析組分在過冷溫度下，逐漸生成重的霧滴。受到高速旋轉離心力場的作用，這些霧滴被外甩到噴管流道的內壁，再由噴管內壁的導流環隙引流出來進行回收。如此，降溫冷凝和離心分離兩個過程，就能在一體化的噴管流道中連續地完成。分離後的幹氣需要恢復壓力，因此在噴管的後端，接續一段擴壓段流道，將高速氣流的動能，重新轉化為壓力能以利於輸送。本發明調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器的結構特點如下I.插入一個位於收縮流道中軸區的調節錐芯。調節錐芯與收縮流道對中，在各個固定的截面位置，都圍成了環狀通流截面，且各處內徑可隨著調節錐芯的進出移動而變化，其中最小通流截面(喉部)的位置，會隨著錐心的調節退後或伸進，而向前(向出口)或向後略微移動，其喉部通流面積也有較大範圍的增減。2.亞音速旋流增強段的縮徑比更大。噴管亞音速段的錐形流道內插了調節錐芯，圍成了環形通流流道，等截面積下，由於調節錐芯的佔位，流道外徑要比圓形流道大的多，而錐芯尾部處則相同，因此噴管亞音速段可以實現更大的徑縮比，使氣流旋轉直徑減小的倍數增加，旋轉角速度增加更多，大大增強了其離心分離的能力。3.幹氣體導出流道採用擴張——等徑——再擴張的結構。冷凝液從噴管中部外周的導流環口排出，而幹氣則繼續前行。為了等熵恢復壓力，後續流道採用略擴張之後，接續一過渡等徑直段，然後再擴張的結構，第一次擴張是為了保持超音速，避免激波的前移，而造成對冷凝分離段的影響。其後幹氣進到等徑直段，在擴、直段的銜接轉折邊界面上產生多道擾動波，疊加生成弱的斜激波，使超音速幹氣低損失減速到亞音速；第二擴張段則使亞音速氣流等熵地減速增壓。本發明調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器所達到的有益效果如下I、不需外加動力，通過簡單的結構，使混合氣體自身膨脹加速到超音速，靜溫大為降低，使其中的重組分冷凝，並同時在其高速自旋所產生的強大離心力場作用下，冷凝液滴 被甩向噴管內壁，從噴管中部的導流環隙流出，實現冷凝液的分離。而剩餘的幹氣在其後的流道中降速，壓力得到恢復。2、由於喉部截面積可調，可以通過在線調節來適應工作壓力的變化，而不會在其超音速流道中產生激波，加熱蒸發已冷凝的液滴，因此其變工況效率很高。而由於其喉部面積可以調節改變，因此對該分離器的設計和加工準確度的要求，也不需要嚴格。3、由於噴管的亞音速增速、增旋段，是軸心區被調節錐芯佔據的環形截面流道，其外徑比同面積的圓形流道大，而錐芯尾部處相同，因此該增速段直徑的收縮比，要比通常的全空心流道大，根據動量矩定理，氣流增旋角速度增大更多，離心分離能力更強。


下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明。圖I是本發明調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器的結構示意圖；圖2是該分離器預旋單元13的實施結構之一，切嚮導流葉片預旋結構的截面視圖；圖3是該分離器預旋單元13的實施結構之一，切嚮導流噴嘴預旋結構的截面視圖。圖I中，I、調節手柄，2、螺旋進出單元，3、氣體進口管，4、調節錐芯，5、噴管超音速段，6、穩定錐段，7、噴管降速直段，8、擴壓器段，9、凝液出口管，10、凝液導出腔，11、噴管加速增旋段，12、進氣緩衝腔，13、預旋單元，14、填料靜密封。圖2和圖3中，15、切嚮導流葉片，16、切嚮導流噴嘴。
具體實施例方式本發明調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器的一種典型的實施方式描述如下，但不只局限於此種實施方式參見圖1，調芯式超音速冷凝旋流分離器，主要由調節手柄I、螺旋進出單元2、氣體進口管3、調節錐芯4、噴管超音速段5、穩定錐段6、噴管降速直段7、擴壓器段8、凝液出口管9、凝液導出腔10、噴管加速增旋段11、進氣緩衝腔12、預旋單元13和填料靜密封14組成。
在本旋流分離器噴管加速增旋段11的中軸區域，放置一個其軸線與噴管的軸線重合、其位置可前進後退的調節錐芯4，轉動調節手柄1，帶動螺旋進出單元2，使調節錐芯4沿軸線向裡或向外移動，引起噴管加速增旋段11的環形流道截面積隨之連續地改變。根據調節錐芯4伸入長度的不同，在調節錐芯4尖端的前、後某一位置，形成實際的最小通流截面(喉部)，這個最小截面(喉部)的截面積也隨調節錐芯4的進、出而連續地改變，以適應冷凝分離器工作壓力的變化。填料靜密封14阻止氣體向調節端方向洩漏。在噴管超音速段5的擴張流道中，氣體被加速到超音速，靜溫降低，氣體中的重組分冷凝。氣體進入分離器噴管流道的初始旋轉，是由預旋單元13完成的，其後由於噴管加速增旋段11流道半徑減小，旋流的角速度自動增加，從而產生強大的離心力場，冷凝液滴受離心力作用，快速沉降到內壁，再導流分離出來。被離心分離到噴管超音速段5內壁面的冷凝液，從穩定錐段6外壁與凝液導出腔 10內壁之間的環縫隙中，流到凝液導出腔10，再從凝液出口管9中流出。而從噴管超音速段5中流出的幹氣，先經過一段穩定錐段6之後，進到噴管降速直段7，在穩定錐段與降速直段的過渡壁面處，超音速氣流產生多道擾動波，並在其後疊加成弱的斜激波，增壓和使幹氣流降速到亞音速。最後，幹氣進到擴壓器段8，壓力得到等熵恢復後，流出超音速冷凝旋流分離器。調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器的噴管流道由不同的錐管、柱管段連接組成，可以分段加工，然後對位組合連接或焊接成一體。調節錐芯4的圓柱段要有足夠的對中配合長度，以保證其與噴管加速增旋段11對中，和有足夠的穩定性。噴管加速增旋段11的收縮角為10 60°，長度為10 1000毫米，大頭直徑為10 1000毫米。調節錐芯的錐角在5 60°之間，長度10 1000毫米，大頭直徑為8 800暈米。噴管超音速段5的擴張錐角在I 20°之間，長度15 1000毫米，小頭直徑5 500暈米。穩定錐段6的擴張角與噴管超音速段5的相仿，也在I 20°之間，穩定錐段6的小頭內徑，與噴管超音速段5的大頭內徑近似相等，其差值在土 10毫米之內，穩定錐段6的長度在3 300毫米之間。噴管降速直段7的直徑與穩定錐段6的大頭直徑相等，在6 500毫米之間，長度在3 300毫米之間。擴壓器段8的擴張錐角在2 30°之間，大頭直徑為10 1000毫米，長度為20 2000暈米。參見圖2，預旋單元13的一種實施結構是由切嚮導流葉片15，將徑向進氣導流成沿著圓周切向進入分離器中，在內圓周壁的約束下自動產生旋轉。切嚮導流葉片15的厚度在0. 5 10毫米之間，數量為4 32片，沿著圓周均勻排布。組裝後，切嚮導流葉片15組合體的上、下開放端面被進氣緩衝腔12的兩端板封閉，葉片之間形成四周封閉的流道。參見圖3，預旋單元13的另一種實施結構是由切嚮導流噴嘴16，將徑向進氣導流成沿著圓周切向進入分離器中，在內圓周壁的約束下自動產生旋轉。切嚮導流噴嘴16的數量為I 12個，沿著圓周均勻排布。切嚮導流噴嘴16，是加工出的槽型漸縮直流道或彎曲流道，組裝後，槽道的開放面被進氣緩衝腔12的端板封閉，形成四周封閉的流道。切嚮導流噴嘴16的總和通流面積大於分離器噴管流道的喉部截面積，以避免在噴嘴出口達到超音速而產生激波損失。本發明調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器的作用原理描述如下壓力氣體從氣體進口管3進入進氣緩衝腔12中，通過預旋單元13的導流切向進入噴管加速增旋段11的始端，經過噴管加速增旋段11使氣流加速到音速，並由於半徑的減小而加速強烈旋轉，經過調節錐芯4實際位置所形成的最小喉部截面，到達噴管超音速段5，氣流馬赫數逐漸增大，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，從穩定錐段6與凝液導 出腔10之間的環縫流出，到凝液導出腔10，再經凝液出口管9排出。而幹氣則進入穩定錐段6，再經過噴管降速直段7降為亞音速，然後在擴壓器段8中擴壓減速後流出。
權利要求
1.調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器，主要由調節手柄(I)、螺旋進出單元(2)、氣體進口管(3)、調節錐芯(4)、噴管超音速段(5)、穩定錐段(6)、噴管降速直段(7)、擴壓器段(8)、凝液出口管(9)、凝液導出腔(10)、噴管加速增旋段(11)、進氣緩衝腔(12)、預旋單元(13)和填料靜密封(14)組成；其特徵在於，在噴管加速增旋段(11)的中軸區域，放置一個其軸線與噴管的軸線重合、其位置可前進後退的調節錐芯(4);轉動調節手柄(1)，帶動螺旋進出單元(2)，使調節錐芯(4)沿軸線向裡或向外移動，噴管加速增旋段(11)的環形流道截面積隨之連續地改變，其最小截面的通流面積也隨之改變；在噴管超音速段(5)的擴張流道中，氣體被加速到超音速，靜溫降低，氣體中的重組分冷凝；氣體進入分離器噴管流道的初始旋轉，由預旋單元(13)完成，其後因噴管加速增旋段(11)流道半徑減小，旋流的角速度增加，依靠其離心力場分離出冷凝液。
2.如權利要求I所述的調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器，其特徵在於，噴管加速增旋段(11)的收縮角為10 60°，長度為10 1000毫米，大頭直徑為10 1000毫米；調節錐芯(4)的錐角在5 60°之間，長度10 1000毫米，大頭直徑為8 800毫米。
3.如權利要求I所述的調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器，其特徵在於，噴管超音速段(5)的擴張錐角在I 20°之間，長度15 1000毫米，小頭直徑5 500毫米，穩定錐段￠)的擴張角也在I 20°之間，其小頭內徑與噴管超音速段(5)大頭內徑的差值在±10毫米之內，長度在3 300毫米之間。
4.如權利要求I所述的調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器，其特徵在於，噴管降速直段(7)的直徑與穩定錐段￠)的大頭直徑相等，在6 500毫米之間，長度在3 300毫米之間，擴壓器段(8)的擴張錐角在2 30°之間，大頭直徑為10 1000毫米，長度為20 2000毫米。
5.如權利要求1-4任一所述的調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器，其特徵在於，預旋單元(13)的一種實施結構是，由切嚮導流葉片(15)，將徑向進氣導流成沿著圓周切向進入分離器中，切嚮導流葉片(15)的厚度在0.5 10毫米之間，數量為4 32片，沿著圓周均勻排布。
6.如權利要求1-4任一所述的調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器，其特徵在於，預旋單元(13)的另一種實施結構是，由切嚮導流噴嘴(16)，將徑向進氣導流成沿著圓周切向進入分離器中，在內圓周壁的約束下自動產生旋轉；切嚮導流噴嘴(16)為漸縮直流道或彎曲流道，數量為I 12個，沿著圓周均勻排布。
全文摘要
調芯式變截面管超音速冷凝旋流分離器，屬於壓力氣體的膨脹製冷和冷凝分離技術領域。採用向噴管加速流道的中軸區，插入一個位置可調的錐芯，可使噴管的喉部截面積發生改變，因此能適應分離器入口和出口壓力的變化，而不會在流道的超音速離心分離段產生激波，加熱蒸發已冷凝的液滴，變工況效率很高。在噴管的亞音速增速增旋段，軸心區被調節錐芯佔據形成環形截面流道，其直徑收縮比大，增旋更強，離心分離能力更高。該冷凝分離器利用氣體自身壓力膨脹降溫冷凝，縮徑增強自旋，離心分離凝液，之後壓力又等熵恢復。具有無運動件、耐高壓、不需外部驅動、節省能源、體積小、成本低、運行可靠等優點，適用於混合氣體，如天然氣和石油氣中重組分的分離。
文檔編號B01D5/00GK102744166SQ201210229819
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月4日 優先權日2012年7月4日
發明者代玉強, 劉鳳霞, 劉培啟, 朱徹, 胡大鵬, 鄒久朋 申請人:大連理工大學