整流式超音速旋流分离器 |
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| 申请号 | CN201610183340.1 | 申请日 | 2016-03-28 | 公开(公告)号 | CN105689161A | 公开(公告)日 | 2016-06-22 |
| 申请人 | 中国石油集团工程设计有限责任公司; | 发明人 | 张卫兵; 刘欣; 王新华; 杜廷召; 王晓勇; 逯国英; 田鑫; 者莉; 李丹丹; 叶昆; 张亚庆; 程荣鹏; 杨桂云; 周姿潼; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种整流式超音速 旋流分离器 ，属于含湿 天然气 脱 水 领域。该整流式超音速旋流分离器包括依次连接的旋流器、分离器和扩压器，扩压器中设置有 整流器 ，在使用时，含湿天然气通过旋流器旋流之后进入分离器中进行气液分离以形成旋流干燥天然气，旋流干燥天然气通过整流器整流之后流出整流式超音速旋流分离器。本发明提供的整流式超音速旋流分离器具有体积小、效率高、无需其他化学药剂即可对含湿天然气进行气液分离等优点；并且只需通过分离器本身的结构，即可实现在低温低压环境下将天然气中的水蒸气 凝结 析出，之后剩余的干燥天然气在装有整流器的扩压流道内，将压 力 和 温度 得到恢复，从而使得干燥天然气中的旋流效应得到消除。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种整流式超音速旋流分离器，其特征在于， |
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| 说明书全文 | 整流式超音速旋流分离器技术领域背景技术[0002] 从井口开采出来的天然气是一种含有水蒸气、硫化物和二氧化碳等杂质的混合气体，在天然气管道输送过程中，混合气体中的水蒸气将遇冷发生凝结，使得天然气中含有液态水。而液态水的存在不仅会降低天然气管道的有效输送能力，而且在严重时还会形成水合物，使得天然气管道发生堵塞，从而造成重大事故，因此，含湿天然气必须进行脱水处理。 [0003] 目前，常规的天然气脱水方法有三甘醇法、分子筛法和膜分离法。但是上述三种处理方法均需要庞大的系统处理设备，例如醇类再生设备等，这样不但造成前期投资大，而且以后的运行费用相当高，同时在使用上述三种方法的过程中均需要采用化学原料，从而增加了污染处理程序以及相应的处理成本。有鉴于此，一种高效、紧凑、环保的新型天然气脱水装置应运而生。 [0004] 壳牌公司最先开始对超音速旋流分离技术进行研究，并于1997年取得了重大突破，即开发出了Twister系列分离器，并先后申请了诸多国际专利，例如专利公开号为US6513345B1、US2002/0194988A1和WO03/092850A1的专利，这些分离器主要适用于高压气源，这是由于重量体积小、无活动部件、可无人操作，在海上应用有很大优势。而中国石油大学申请的专利公开了一种超音速涡流管气体脱水脱烃的方法(公开号为CN102389690A)，该方法利用多级降温加速处理，并充分利用了压力能产生的能量，实现了高效率的脱水脱烃。 [0005] 但是，以上各种超音速冷凝分离器和上述方法均不管其采用的方式为先旋流再凝结还是先凝结再旋流，这些技术都没有考虑从扩压器出来的天然气的管道输送问题，即来自于扩压器的天然气为具有切向旋流的天然气，而该具有切向旋流的天然气在管道输送的过程中，将会与管道的内壁壁面产生很大的摩擦效应，从而使得输送极不稳定，进而造成不可估量的损失。 发明内容[0007] 本发明的一个目的是提供了一种整流式超音速旋流分离器。 [0008] 根据本发明的一个方面，提供了一种整流式超音速旋流分离器，其中，[0009] 所述整流式超音速旋流分离器包括依次连接的旋流器、分离器和扩压器，所述扩压器中设置有整流器， [0010] 在使用时，含湿天然气通过所述旋流器旋流之后进入所述分离器中进行气液分离以形成旋流干燥天然气，所述旋流干燥天然气通过所述整流器整流之后流出所述整流式超音速旋流分离器。 [0011] 具体地，所述整流器包括多个整流叶栅、第一环形密封圈和第二环形密封圈，所述第二环形密封圈容纳在所述第一环形密封圈内且与所述第一环形密封圈彼此围绕形成整流环形腔。 [0012] 进一步地，所述多个整流叶栅中所有的整流叶栅的一端均沿所述第一环形密封圈的径向方向穿过所述第一环形密封圈之后与第二环形密封圈连接，所述多个整流叶栅中所有的整流叶栅的另一端均设置在所述第一环形密封圈的外侧。 [0013] 具体地，所述整流叶栅包括彼此固定连接的第一整流主体和第二整流主体，所述第一整流主体的一端沿所述第一环形密封圈的径向方向依次穿过所述第一和第二环形密封圈，所述第二整流主体容纳在所述整流环形腔中。 [0014] 进一步地，所述第二整流主体与所述第一整流主体彼此垂直设置，且所述第二整流主体的中部与所述第一整流主体固定连接。 [0016] 具体地，所述多个整流叶栅沿所述第一环形密封圈和第二环形密封圈的周长方向布置。 [0017] 进一步地，所述多个整流叶栅彼此间隔设置，且所述多个整流叶栅均与所述第一环形密封圈和第二环形密封圈彼此活动连接。 [0018] 进一步地，所述多个整流叶栅中的所有的整流叶栅均设置为整流叶片，且所述整流叶片的形状设置为直面形叶片或者曲面形叶片。 [0019] 进一步地，所述分离器包括拉伐尔喷管、分离构件和喷管中心体，所述分离构件的两端分别与所述拉伐尔喷管的出口端和扩压器连接，所述喷管中心体容纳在所述拉伐尔喷管的内腔中，且所述喷管中心体的一端与所述旋流器10连接。 [0020] 具体地，所述分离构件的形状设置为空心圆台形，所述分离构件的液相入口设置在所述分离构件的上表面上，且所述液相入口与所述拉伐尔喷管的出口端连接，所述分离构件的液相出口设置在所述分离构件的侧面上，且所述液相出口与所述分离构件的内腔连通。 [0021] 进一步地，在所述分离构件的下表面上设置有构件通孔，所述扩压器的一端通过所述构件通孔插入到所述分离构件的内腔中且与所述扩压器彼此形成环形分离腔，所述扩压器的内腔与所述分离构件的内腔彼此连通。 [0022] 具体地，所述扩压器的插入所述分离构件中的端部的形状设置为尖劈锥形。 [0023] 进一步地，在所述扩压器的内腔中容纳有扩压中心体，所述扩压中心体与所述喷管中心体的远离所述旋流器的一端固定连接。 [0024] 进一步地，所述喷管中心体和扩压中心体沿所述整流式超音速旋流分离器的纵长方向设置。 [0025] 具体地，所述第二环形密封圈套设在所述扩压中心体的中部，且在所述第一环形密封圈和第二环形密封圈上沿圆周方向均设置有多个用于插入所述整流叶栅的密封圈通孔，所述整流叶栅的一端在插入所述第二环形密封圈之后与所述扩压中心体的外表面接触。 [0026] 进一步地，在所述扩压器的壳体上沿所述扩压器的周长方向设置有用于容纳所述第一环形密封圈的第一环形凹槽，且在所述扩压中心体的外表面上沿所述扩压中心体的周长方向设置有用于容纳第二环形密封圈的第二环形凹槽， [0027] 在所述第一环形密封圈和第二环形密封圈上的密封圈通孔与所述多个整流叶栅彼此一一对应设置。 [0028] 进一步地，在所述拉伐尔喷管的远离所述分离构件的一端连接有入口整流管，在所述扩压器的远离所述分离构件的一端连接有直流管，所述旋流器容纳在所述入口整流管中。 [0029] 具体地，所述旋流器包括彼此连接的旋流主体和多个旋流叶片，所述旋流主体的形状为半椭圆球体形状，所述多个旋流叶片中所有的旋流叶片的扭转角度为25～45°，所述所有的旋流叶片的安装角度为20～50°。 [0030] 本发明提供的技术方案的有益效果是： [0031] (1)本发明提供的整流式超音速旋流分离器具有体积小、效率高、无需其他化学药剂即可对含湿天然气进行气液分离等优点，还可以在各种恶劣环境下连续使用； [0032] (2)本发明提供的整流式超音速旋流分离器不需要加化学物质和外力，只需通过分离器本身的结构，即可实现含湿天然气的旋流和膨胀加速，并在所形成低温低压环境下，天然气中的水蒸气凝结析出； [0033] (3)本发明提供的整流式超音速旋流分离器在析出水蒸气之后，还能在环形腔内部强大的离心力作用下，将该析出的水蒸气甩向分离腔的壁面，之后从拉伐尔喷管后的分离腔排除，从而实现冷凝液的分离，而剩余的干燥天然气在装有整流器的扩压流道内，将压力和温度得到恢复，从而使得干燥天然气中的旋流效应得到消除。附图说明 [0034] 图1是根据本发明的一个实施例的整流式超音速旋流分离器的结构示意图； [0035] 图2是沿图1所示的A-A切割线所获得的整流器的剖视图； [0036] 图3是图1所示的虚线框中的装配在扩压器内的整流器局部放大图。 [0037] 其中，100整流式超音速旋流分离器，10旋流器，11旋转主体，12旋流叶片，20分离器，21拉伐尔喷管，22分离构件，221液相出口，222环形分离腔，23喷管中心体，30扩压器，31扩压中心体，40整流器，41整流叶栅，411第一整流主体，412第二整流主体，42第一环形密封圈，43第二环形密封圈，44调节阀，45整流环形腔，51入口整流管，52直流管。 具体实施方式[0038] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。 [0039] 参见图1，其示出了根据本发明的一个实施例的整流式超音速旋流分离器100。整流式超音速旋流分离器100包括依次连接的旋流器10、分离器20和扩压器30，在扩压器30的内腔中设置有整流器40。在使用时，含湿天然气通过旋流器10旋流之后进入分离器20中进行气液分离以形成旋流干燥天然气，旋流干燥天然气通过整流器40整流之后流出整流式超音速旋流分离器100。 [0040] 在本发明的一个示例中，在分离器20的靠近旋流器10的一端连接有入口整流管51。如图1所示，旋流器10位于整流式超音速旋流分离器100的入口端，且旋流器10容纳在入口整流管51中。旋流器10包括旋流主体11和多个旋流叶片12，在旋流主体11的周向方向上安装有多个可以产生足够旋流强度的旋流叶片，其中旋流叶片的扭转角度设置在25°～45°的范围内，且该旋流叶片的安装角度设置在20°～50°的范围内。 [0041] 在本发明的另一示例中，旋流主体11的形状为半椭圆球体形状，在该旋流主体11的周长方向上安装有12个旋流叶片，其中每一个旋流叶片的扭转角度设置为30°，且每一个旋流叶片的安装角设置为40°，通过对旋流叶片扭转角度和安装角度的设置，可以使经过旋流器10旋流后的含湿天然气产生足够的旋流强度。本示例仅是一种说明性示例，本领域技术人员不应当理解为对本发明的一种限制，本领域技术人员可以根据需要调整旋流主体的形状，例如设置为子弹头形状、圆弧形形状等，也可以根据需要调整旋流叶片的数量，例如设置为1个、5个、10个、20个或者更多个，本领域技术人员可以根据需要进行相应的选择，本领域技术人员还可以明白，旋流叶片的扭转角度可以根据需要调整为28°、35°或者40°，和/或安装角度可以根据需要调整为25°、30°、40°或者45°等，本领域技术人员可以根据需要进行相应的调整。 [0042] 众所周知，在传统的超音速分离装置中，旋流器一般位于拉伐尔喷管后的直管段中。因此在超音速的状态下，来自于拉伐尔喷管的气流在与其后的旋流器接触之后势必会产生激波，由于激波的产生使得不可避免地造成气流的二级蒸发。而本发明将旋流器10安装于拉伐尔喷管前面，即旋流器安装于整流式超音速旋流分离器100的入口端，加上可以产生足够旋流强度的周向分布旋流叶片，通过这样的设计不仅能够避免激波的产生，由此避免了天然气的二级蒸发；同时还不需要专门做安装旋流器的直管段，从而优化了整流式超音速旋流分离器100的整体结构。 [0043] 继续参见图1，分离器20包括拉伐尔喷管21、分离构件22和喷管中心体23。分离构件22的两端分别与拉伐尔喷管21的出口端和扩压器30连接，如图1所示，在拉伐尔喷管21的远离分离构件22的一端连接有入口整流管51，喷管中心体23容纳在拉伐尔喷管21的内腔中，且喷管中心体23的一端与旋流器10连接。在整流式超音速旋流分离器100中设计拉伐尔喷管21可以使进入拉伐尔喷管21中的含湿天然气发生绝热膨胀，并使旋流速度加速至2个马赫数，同时在拉伐尔喷管21的喉部之后形成凝结所需的低温低压环境。 [0044] 在本发明的还一示例中，分离构件22的形状设置为空心圆台形，即该分离构件22的截面形状为喇叭形状。分离构件22的上表面通过法兰与拉伐尔喷管21的远离旋流器10的一端连接，由此拉伐尔喷管21与喇叭形状的分离构件22的管壳连接形成分离腔。在分离构件22的上表面上还设置有液相入口，液相入口与拉伐尔喷管21的出口端连接，由此拉伐尔喷管21的内腔通过该液相入口与分离构件22的内腔彼此连通。 [0045] 在分离构件22的侧面上设置有液相出口，优选地，将该液相出口设置在分离构件22的内腔的下方，这样便于排出分离腔中的凝集液。具体地，液相出口与分离构件22的内腔彼此连通，在使用时，旋流含湿天然气在分离构件22的液相入口处进行气液分离以形成液体和干燥天然气，之后液体凝集在环形分离腔222中并通过液相出口排出整流式超音速旋流分离器100，同时干燥天然气流入扩压器30的内腔中。 [0046] 继续参见图1，在分离构件22的下表面上设置有构件通孔，扩压器30的一端通过构件通孔插入到分离构件22的内腔中，且另一端连接直流管52以构成出口干气通道。分离构件22与扩压器30中所插入的部分彼此围绕形成了环形分离腔222，同时扩压器30的内腔与分离构件22的内腔彼此连通。在本发明的一个示例中，扩压器30的插入分离构件22中的端部的形状为尖劈锥形。该尖劈锥形与分离腔喇叭形形状相匹配。 [0047] 在扩压器30的内腔中容纳有扩压中心体31，扩压中心体31与喷管中心体23的远离旋流器10的一端固定连接构成了整流式超音速旋流分离器100的内部中心体。喷管中心体23和扩压中心体31沿整流式超音速旋流分离器100的纵长方向设置，喷管中心体23与拉伐尔喷管21同轴设置，且扩压中心体31与扩压器30同轴设置，也就是说内部中心体同轴放在拉伐尔喷管21和扩压器30构成的管道内。由此可以看出，通过插入内部中心体(即喷管中心体和扩压中心体)，使得整流式超音速旋流分离器100在入口整流管51、拉法尔喷管21和扩压器30处均形成了环形流通通道，这样在等截面积的情况下，由于内部中心体的占位，使得拉伐尔喷管21和扩压器30的管道截面积减小，根据动量守恒定律，使得天然气的气流旋转直径大幅度减小，由此使得天然气的气流旋转角度大幅度增加，从而进一步增强了整流式超音速旋流分离器100的旋流强度，进而有利于对含湿天然气进行气液分离。 [0048] 结合图1和图2所示，在扩压器30的内腔中部安装有整流器40。整流器40的上下两端分别与扩压中心体31和扩压器30的壳体连接。具体地，整流器40包括多个整流叶栅41、第一环形密封圈42和第二环形密封圈43，多个整流叶栅41均与第一环形密封圈42和第二环形密封圈43彼此活动连接。在使用时，旋流的干燥天然气在遇到整流叶栅41以后，整流叶栅41可以消除干燥天然气气流的切向旋转，从而使得整流式超音速旋流分离器100的出口干燥天然气气流平稳，同时整流器40的整流作用还有利于干燥天然气的压力和温度的恢复。 [0049] 结合图2和图3所示，第二环形密封圈43容纳在第一环形密封圈42内并与第一环形密封圈42彼此围绕形成整流环形腔45。如图3所示，第一环形密封圈42套设在扩压器30的壳体上，且第二环形密封圈43套设在扩压中心体31的中部。相应地，在扩压器30的壳体上沿扩压器30的周长方向设置有用于容纳第一环形密封圈42的第一环形凹槽，且在扩压中心体31的外表面上沿扩压中心体31的周长方向设置有用于容纳第二环形密封圈43的第二环形凹槽。第一环形凹槽与第一环形密封圈42彼此配合连接，第二环形凹槽与第二环形密封圈43彼此配合连接。 [0050] 如图2所示，在第一环形密封圈42和第二环形密封圈43上沿圆周方向均设置有多个用于插入整流叶栅41的密封圈通孔，且多个密封圈通孔与多个整流叶栅41彼此一一对应设置。具体地，多个密封圈通孔沿相应的第一环形密封圈42或第二环形密封圈43的周长方向间隔地布置在相应的密封圈上，且第一环形密封圈上的密封通孔与第二环形密封圈上的密封通孔彼此对应设置，使得多个整流叶栅41能够沿第一环形密封圈42和第二环形密封圈43的周长方向布置。 [0051] 在使用时，每一个整流叶栅41的一端沿第一环形密封圈42的径向方向插入第一环形密封圈42上的相应的密封通孔，之后沿第二环形密封圈42的径向方向插入第二环形密封圈43中相应的密封圈通孔，然后该整流叶栅41的底端与扩压中心体31的外表面相接触，同时每一个整流叶栅41的另一端均保留在了第一环形密封圈41的外侧，即保留在了扩压器30外。由此可以看出，在每一个整流叶栅41周围均设置有密封橡胶，通过这样的设计可以在使用整流式超音速旋流分离器100时，便于旋转调整整流叶栅的旋转角度，进而便于调整整流叶栅与天然气来流方向之间的夹角。 [0052] 在本发明的一个示例中，多个整流叶栅41中的所有的整流叶栅41均设置为整流叶片，且整流叶片的形状设置可以为直面形叶片，也可以设置为曲面形叶片，例如波浪形叶片等。通过将整流叶片设计成曲面形叶片，这样能够在整流器40对干燥天然气进行整流时，降低干燥天然气的整流损失。本示例仅是一种说明性示例，本领域技术人员不应当理解为对本发明的一种限制。 [0053] 如图3所示，整流叶栅41包括彼此固定连接的第一整流主体411和第二整流主体412，第一整流主体411的一端沿第一环形密封圈42的径向方向依次穿过第一和第二环形密封圈，且第一整流主体411的另一端保留在第一环形密封圈42的外侧。第二整流主体412容纳在整流环形腔45中。优选地，第二整流主体412与第一整流主体411彼此垂直设置，且第二整流主体412的中部与第一整流主体411固定连接。本领域技术人员可以明白，第二整流主体412和第一整流主体411彼此可以成一角度设置，例如成30°、45°或者60°度角设置，本示例仅是一种说明性示例，本领域技术人员可以根据需要进行相应的选择。 [0054] 在本发明的另一示例中，整流器40包括8个完全相同的整流叶栅41，整流叶栅41的一端与调节阀44连接，这样可以通过调节阀44对整流叶栅41进行控制调节，并使整流叶栅41可以以自身的中心轴为圆心进行旋转调节；整流叶栅41的另一端与扩压中心体31活动连接。整流叶栅41在与扩压中心体31和扩压器30的壳体接触的部位周围均有密封橡胶，即第一环形密封圈42、第二环形密封圈43，通过这样的设计可以保证整流叶栅的旋转调节。在使用整流器40前，可以根据不同的天然气的处理量和进口条件通过调节阀44对整流叶栅41与天然气来流方向之间的夹角进行调节，这样可以使得旋流干燥天然气得到最好的整流效果。 [0055] 下面通过详细叙述整流式超音速旋流分离器100的工作原理来进一步说明整流式超音速旋流分离器100的具体结构。 [0056] 在使用时，从井口出来的含湿天然气以一定的速度平稳地从整流式超音速旋流分离器100的入口进入入口整流管51中，在入口整流管51处经过一小段直管段之后，在入口旋流器10的作用下，含湿天然气产生离心力。根据角动量守恒定律，含湿天然气离心加速度随着旋转半径的减小而增大，使得旋流强度不断增强，从而形成具有足够的初始旋流速度的旋流含湿天然气。 [0057] 在旋流含湿天然气进入拉伐尔喷管21后，旋流含湿天然气发生绝热膨胀并被加速至超音速，同时旋流含湿天然气的温度和压力急剧降低，动能进一步增强，使得在拉伐尔喷管21中形成低温低压的环境。旋流含湿天然气中的水蒸气在这种低温低压的环境下，当环境中的温度低至使旋流含湿天然气能够达到过饱和状态时，旋流含湿天然气中的水蒸气以小液滴的形式凝结出来。 [0058] 而当旋流含湿天然气在进入拉伐尔喷管21之后，由于拉伐尔喷管21中的流道半径逐减小，因此根据动量守恒定律，旋流含湿天然气的旋流角速度将自动增加。同时，通过喷管中心体23的插入使得在等截面积的情况下，旋流含湿天然气的旋转直径大幅减小，从而使得旋流含湿天然气的旋转角度进一步增加，此时旋流含湿天然气能够产生可达300000-500000倍的重力加速度，这样就充分保证了凝结出来的小液滴可以被旋流排出整流式超音速旋流分离器100。 [0059] 旋流含湿天然气混合物中凝结出的小液滴在如此大的离心力作用下被甩向分离构件22的内腔壁面并形成液膜。而由液膜形成的液滴将沿着分离构件22的内腔壁运动，最终流入环形分离腔222中并通过液相出口221排出整流式超音速旋流分离器100，这样就实现了含湿天然气的气液分离。而由于天然气含湿混合物在气流中的停留时间相对于水合物较低的形成速度来说是极短的，因此不会在整流式超音速旋流分离器100中形成水合物，由此从整个过程可以看出，在完全不需要添加化学药剂的情况下，即可将含湿天然气中的液相排出。 [0060] 在旋流含湿天然气中的液相被排出之后形成的旋流干燥天然气流入了扩压器30中，而此时从拉伐尔喷管21中流出的干燥天然气带有强烈旋流，如果这样直接进入输送管道会造成非常大的损失。由此，该旋流含湿天然气需要首先在扩压器中经过一小段扩压作用使速度被降低，同时使旋流干燥天然气的温度和压力得到一定的回升。之后通过位于扩压器30中部的整流器40，在整流叶栅41的作用下，干燥天然气的旋流作用将被大幅削减，甚至完全消除。旋流干燥天然气在经过整流器40的整流之后将变得平稳，同时在扩压器30的后半段的扩压作用下，使得干燥天然气的温度和压力能够在扩压器30中达到管道的输送要求，之后通过直流管52的出口流出。 [0061] 本发明提供的技术方案的有益效果是： [0062] (1)本发明提供的整流式超音速旋流分离器具有体积小、效率高、无需其他化学药剂即可对含湿天然气进行气液分离等优点，还可以在各种恶劣环境下连续使用； [0063] (2)本发明提供的整流式超音速旋流分离器不需要加化学物质和外力，只需通过分离器本身的结构，即可实现含湿天然气的旋流和膨胀加速，并在所形成低温低压环境下，天然气中的水蒸气凝结析出； [0064] (3)本发明提供的整流式超音速旋流分离器在析出水蒸气之后，还能在环形腔内部强大的离心力作用下，将该析出的水蒸气甩向分离腔的壁面，之后从拉伐尔喷管后的分离腔排除，从而实现冷凝液的分离，而剩余的干燥天然气在装有整流器的扩压流道内，将压力和温度得到恢复，从而使得干燥天然气中的旋流效应得到消除。 |
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