一種超音速冷凝旋流分離器的製作方法

2023-07-31 14:01:51

本發明涉及天然氣脫水技術領域，更具體地說，涉及一種超音速冷凝旋流分離器。

背景技術：

井口開採出來的天然氣是一種含有液態水、沙子、水蒸氣、硫化物、二氧化碳等雜質的混合物，在管道輸送過程中，水蒸氣遇冷會發生凝結，液態水的存在不僅會降低管道的有效輸送能力，嚴重時還會形成水合物，堵塞管道，發生重大事故。因此，天然氣脫水是必須的。

為了避免化學原料的使用帶來的汙染，常採用超音速旋流分離技術進行天然氣脫水。但是，目前的超音速冷凝旋流分離器應用時，天然氣沿分離器流道軸向進入後直接進行旋流凝結，這樣，天然氣中攜帶的液相和固態顆粒較易對超音速旋流分離器流道造成衝蝕磨損，影響了工作穩定性和脫水分離效果。

綜上所述，如何提高天然氣脫水的工作穩定性和脫水分離效果，是目前本領域技術人員亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種超音速冷凝旋流分離器，以提高天然氣脫水的工作穩定性和脫水分離效果。

為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種超音速冷凝旋流分離器，包括：

旋流分離主體，所述旋流分離主體的進氣管段設置有初始分離腔，所述初始分離腔的底端具有初始分離物出口；

設置在所述進氣管段的進氣端的切向旋流發生器，所述切向旋流發生器的外周具有切向進氣口，所述切向旋流發生器的出氣口與所述初始分離腔連通。

優選的，上述超音速冷凝旋流分離器中，所述旋流分離主體包括：

與所述進氣管段出氣端連接的超音速噴管；

用於產生與所述切向旋流發生器相同的旋流方向的葉片旋流器，所述葉片旋流器設置在所述進氣管段內靠近所述超音速噴管的一端，所述葉片旋流器設置有周向分布的旋流葉片；

與所述超音速噴管的出氣端連接的分離直管段，所述分離直管段具有液相排液口；

與所述分離直管段的出氣端連接的二次喉道擴壓器；

與所述二次喉道擴壓器的出氣端連接的出氣管段。

優選的，上述超音速冷凝旋流分離器中，所述二次喉道擴壓器沿氣體的行進方向依次設置有漸縮段多孔板和漸擴段多孔板，所述漸縮段多孔板、所述漸擴段多孔板與所述二次喉道擴壓器的內壁配合形成通氣腔。

優選的，上述超音速冷凝旋流分離器中，所述旋流分離主體還包括：

外套在所述分離直管段的循環分離管，所述循環分離管設置有與所述分離直管段連通的循環分離腔，所述液相排液口設置在所述循環分離腔的底端。

優選的，上述超音速冷凝旋流分離器中，所述二次喉道擴壓器的進氣端外壁為沿著氣體的行進方向漸擴的錐形並伸入所述循環分離腔內，所述分離直管段的進氣端設置有所述循環分離腔的氣體入口，所述分離直管段和所述二次喉道擴壓器之間形成所述循環分離腔的氣體出口。

優選的，上述超音速冷凝旋流分離器中，所述二次喉道擴壓器的進氣端外套有第一滑軌，所述循環分離管上設置有與所述第一滑軌滑動配合的第一滑套，所述第一滑套上設置有第一螺栓，所述第一滑軌上設置有與所述第一螺栓配合的第一條形孔；

所述二次喉道擴壓器外側設置有推拉把手。

優選的，上述超音速冷凝旋流分離器中，所述旋流分離主體還包括：

設置在所述二次喉道擴壓器內出氣端的整流阻渦器，所述整流阻渦器設置有周向分布的整流葉片；

與所述葉片旋流器共軸線的中心體，所述中心體的一端與所述葉片旋流器連接，另一端與所述整流阻渦器連接。

優選的，上述超音速冷凝旋流分離器中，所述整流阻渦器套設在所述中心體遠離所述葉片旋流器的一端；

所述中心體外套有第二滑軌，所述整流阻渦器上設置有與所述第二滑軌滑動配合的第二滑套，所述第二滑套上設置有第二螺栓，所述第二滑軌上設置有與所述第二螺栓配合的第二條形孔。

優選的，上述超音速冷凝旋流分離器中，所述進氣管段包括第一直管段和外套於所述第一直管段的第二直管段，所述第二直管段的內腔與所述第一直管段的內腔連通，且所述第一直管段和所述第二直管段圍成所述初始分離腔。

優選的，上述超音速冷凝旋流分離器中，所述切向進氣口的橫截面為矩形並沿著氣流的前進方向漸縮，且所述切向進氣口為四個，沿所述切向旋流發生器均勻分布。

從上述的技術方案可以看出，本發明提供的超音速冷凝旋流分離器包括旋流分離主體和切向旋流發生器；旋流分離主體的進氣管段設置有初始分離腔，初始分離腔的底端具有初始分離物出口；切向旋流發生器設置在進氣管段的進氣端，切向旋流發生器的外周具有切向進氣口，切向旋流發生器的出氣口與初始分離腔連通。

應用時，含溼天然氣以一定的速度由切向旋流發生器的切向進氣口進入，在切向旋流發生器的作用下產生一定的切向速度，受旋流作用，天然氣中攜帶的液相和固態顆粒被分離出來，並由初始分離腔排出，從而達到了預分離，減輕了天然氣後續處理的負擔，也避免了大顆粒對於後續設備的衝蝕磨損，進而提高了工作穩定性和脫水分離效果。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例提供的超音速冷凝旋流分離器的剖視圖；

圖2是本發明實施例提供的切向旋流發生器的側視圖；

圖3是本發明實施例提供的二次喉道擴壓器的局部放大圖；

圖4是本發明實施例提供的整流阻渦器的側視圖。

具體實施方式

本發明實施例提供了一種超音速冷凝旋流分離器，提高了天然氣脫水的工作穩定性和脫水分離效果。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

請參考附圖1-4，本發明實施例提供的超音速冷凝旋流分離器包括旋流分離主體和切向旋流發生器2；旋流分離主體的進氣管段設置有初始分離腔A，初始分離腔A的底端具有初始分離物出口41；切向旋流發生器2設置在進氣管段的進氣端，切向旋流發生器2的外周具有切向進氣口1，切向旋流發生器2的出氣口與初始分離腔A連通。

應用時，含溼天然氣以一定的速度由切向旋流發生器2的切向進氣口1進入，在切向旋流發生器2的作用下產生一定的切向速度，受旋流作用，天然氣中攜帶的液相和固態顆粒被分離出來，並由初始分離腔A排出，從而達到了預分離，減輕了天然氣後續處理的負擔，也避免了大顆粒對於後續設備的衝蝕磨損，進而提高了工作穩定性和脫水分離效果，還提高了超音速冷凝旋流分離器的流道使用壽命。

此外，本發明的超音速冷凝旋流分離器具有體積小、效率高、無需其他化學藥劑等優點，可以在各種惡劣環境下連續使用。

本發明一具體實施例中，旋流分離主體包括沿著氣體的行進方向依次設置的進氣管段、超音速噴管6、分離直管段8、二次喉道擴壓器11和出氣管段15；還包括用於產生與切向旋流發生器2相同的旋流方向的葉片旋流器5；其中，超音速噴管6與進氣管段出氣端連接；葉片旋流器5設置在進氣管段內靠近超音速噴管6的一端，葉片旋流器5設置有周向分布的旋流葉片；分離直管段8與超音速噴管6的出氣端連接，分離直管段8具有液相排液口91；二次喉道擴壓器11與分離直管段8的出氣端連接；出氣管段15與二次喉道擴壓器11的出氣端連接。

應用過程中，經過切向旋流發生器2和初始分離腔A預處的天然氣，經過與來流方向相匹配的葉片旋流器5，產生足夠的旋流離心力，接著進入到超音速噴管6中，根據角動量守恆定律，離心加速的隨著旋轉半徑的減小而增大，旋流強度前期不斷增強；進入超音速噴管6後，含溼天然氣絕熱膨脹至超音速，氣體溫度和壓力減小，動能進一步增強，形成低溫低壓環境；當溫度低至使含溼天然氣過飽和狀態時，天然氣中的水蒸氣就會凝結出來，凝結出來的小液滴在離心力作用下被甩向壁面，由液相排液口91流出，帶旋的幹氣則進入二次喉道擴壓器11，一方面速度降低，壓力和溫度得到回升，通過出氣管段15輸出。

本實施例的旋流分離主體先旋流再凝結，能保證較好的天然氣脫水效果；同時，葉片旋流器5安裝於超音速噴管6入口之前，配合產生足夠旋流強度周向分布的旋流葉片，避免了激波產生問題。當然，旋流分離主體也可以為其他結構，如使天然氣先凝結再旋流的結構。上述葉片旋流器5也可以為其他旋流結構，如螺旋式旋流器等。

如圖1和圖3所示，二次喉道擴壓器11沿氣體的行進方向依次設置有漸縮段多孔板111和漸擴段多孔板112，漸縮段多孔板111、漸擴段多孔板112與二次喉道擴壓器11的內壁配合形成通氣腔C。

應用過程中，超音速噴管6形成的第一喉部前後壓差增大，幹氣流的一部分會由漸縮段多孔板111進入先經過一小段擴壓作用速度被降低，溫度和壓力得到一定回升，然後由漸擴段多孔板112流出與主氣流匯合，幹氣流的分流效應會使二次喉道擴壓器11的流量增加，避免流量變小影響性能；同時激波位置向後移動，出現在擴壓段部分，通過使氣體進入通氣腔C在排出，實現了激波流的調節，當調節成功後，兩孔板壓差減小，流動又恢復正常，均從主氣道通過。

本實施例的二次喉道擴壓器11先漸縮再漸擴，形成第二喉部，配合超音速噴管6形成雙喉道擴壓，可以很好地削減激波強度，並且能夠把激波位置由分離口之後的位置向後移動，移動至二次喉道擴壓器11的漸擴段，減小了激波對流場的影響。

優選的，旋流分離主體還包括外套在分離直管段8的循環分離管9，循環分離管9設置有與分離直管段8連通的循環分離腔B，液相排液口91設置在循環分離腔B的底端。

天然氣混合物中凝結出的小液滴在較大的離心力作用下被甩向分離直管段8的壁面，形成液膜，由液膜形成的液滴沿著管壁運動，最終流入循環分離腔B，通過液相排液口91排出，實現氣液分離；少部分帶小液滴的幹氣進入循環分離腔B，在重力作用下幹氣與液滴產生分離，分離出的少部分液滴也通過液相排液口91流出，分離後的少部分幹氣則再次進入主氣流道，從而大大增強了分離效果。當然，本發明也可以不設置上述循環分離腔B，直接將液相排液口91設置在分離直管段8的底端。

上述實施例提供的超音速冷凝旋流分離器中，二次喉道擴壓器11的進氣端外壁為沿著氣體的行進方向漸擴的錐形並伸入循環分離腔B內，這樣一來，二次喉道擴壓器11的進氣端外壁能夠對循環分離腔B內的氣體出氣進行導向，保證其出氣效果。當然，二次喉道擴壓器11的進氣端外壁也可以為圓柱狀等。

進一步的，分離直管段8的進氣端設置有循環分離腔B的氣體入口，分離直管段8和二次喉道擴壓器11之間形成循環分離腔B的氣體出口。本發明利用分離直管段8與二次喉道擴壓器11之間的間隙形成循環分離腔B的氣體出口，便於加工和裝配。循環分離腔B的氣體入口和氣體出口也可以均設置在分離直管段8上。

優選的，二次喉道擴壓器11的進氣端外套有第一滑軌，循環分離管9上設置有與第一滑軌滑動配合的第一滑套10，第一滑套10上設置有第一螺栓，第一滑軌上設置有與第一螺栓配合的第一條形孔；本發明利用第一滑套10與第一滑軌的滑動配合實現二次喉道擴壓器11伸入循環分離管9內的長度可調，進而實現循環分離腔B的氣體出口大小可調，從而達到對變工況的適應調節，提高了通用性。當然，上述二次喉道擴壓器11也可以固定不動。

為了便於操作，上述二次喉道擴壓器11外側設置有推拉把手12，本發明利用拖拉把手對二次喉道擴壓器11施加作用力，便於滑動二次喉道擴壓器11。可以理解的是，本發明也可以不設置上述推拉把手12，或者利用推拉凹槽替換上述推拉把手12。

旋流分離主體還包括設置在二次喉道擴壓器11內出氣端的整流阻渦器13，整流阻渦器13設置有周向分布的整流葉片。具體的，阻渦整流器由四個整流葉片構成，當然，也可以為三個或其他個數的整流葉片。整流葉片也可以做成曲面葉柵，這樣能夠降低整流損失。本發明通過整流阻渦器13的整流葉片的整流作用，有利於溫度和壓力的回升，使幹氣出口輸出的幹氣變得平穩，溫度和壓力達到管道的輸送要求。

旋流分離主體還包括與葉片旋流器5共軸線的中心體7，中心體7的一端與葉片旋流器5連接，另一端與整流阻渦器13連接。本發明通過插入中心體7，使得裝置在超音速噴管6、分離直管段8和二次喉道擴壓器11的流道均形成了環形通流流道，在等截面積的情況下，由於中心體7的佔位，使得氣流旋轉直徑大幅減小，旋轉角度大幅增加，進一步增強了分離器的性能。

應用過程中，天然氣中在進入超音速噴管6之後，流道半徑逐減小，根據動量守恆定律，旋流的角速度自動增加，同時通過中心體7的插入，使得在等截面積的情況下，氣流旋轉直徑大幅減小，旋轉角度進一步增加，產生可達300000-500000倍的重力加速度，這樣就充分保證了凝結出來的小液滴可以被旋流排出。相對於水合物較低的形成速度來說，天然氣含溼混合物在其中的停留時間極短，因此不會形成水合物，整個過程不需要添加化學藥劑。

為了便於加工和製造，整流阻渦器13套設在中心體7遠離葉片旋流器5的一端；中心體7外套有第二滑軌16，整流阻渦器13上設置有與第二滑軌16滑動配合的第二滑套14，第二滑套14上設置有第二螺栓，第二滑軌16上設置有與第二螺栓配合的第二條形孔。如圖4所示，整流葉片固定在第二滑套14上，第二滑軌16固定套設在中心體7上，在使用前可以根據不同的處理量和進口條件任意調節整流葉片的位置。本發明利用第二滑套14與第二滑軌16滑動配合，使整流阻渦器13在中心體7的軸向位置可調，通過對阻渦整流器的調節使得旋流幹氣得到最好的整流效果，從而達到對變工況的適應調節，大大加強了裝置的可用性。當然，也可以通過滑動整流阻渦器13取下阻渦整流器。

本發明的超音速冷凝旋流分離器，是一種能夠對天然氣進行預處理，進而使水蒸氣在超音速狀態下凝結，同時利用旋流產生的離心力分離液態水，並通過循環腔與滑動軌道來調控，最後通過整流阻渦器13的作用使天然氣達到平穩輸送要求的小型分離裝置。

具體的，進氣管段包括第一直管段3和外套於第一直管段3的第二直管段4，第二直管段4的內腔與第一直管段3的內腔連通，且第一直管段3和第二直管段4圍成初始分離腔A。本發明利用外部的腔體形成初始分離腔A，便於分離。進氣管段也可以僅包括第一直管段3。

為了進一步優化上述技術方案，切向進氣口1的橫截面為矩形並沿著氣流的前進方向漸縮，且切向進氣口1為四個，沿切向旋流發生器2均勻分布。本實施例中，切向進氣口1截面採用矩形，為使氣流有較高的切向速度，氣流流入流道採用減縮形流道，為了使切向進氣口1方便加工又可以實現與預分離直管平穩過渡，採用圓弧型線。

如圖2所示，切向旋流發生器2有四個切向進氣口1，可以根據天然氣處理量的大小選擇切向進氣口1的使用個數，有利於變工況處理，最後把預處理與脫水裝置結合為一體，優化了整體裝置的結構。當然，切向進氣口1的橫截面也可以為正方形、橢圓形或者菱形等。切向進氣口1也可以為其他個數，如三個等。

本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。