專利名稱：多進(jìn)氣道超音速旋流分離與回壓裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種濕天然氣分離系統(tǒng)，具體涉及一種去除天然氣中不利于遠(yuǎn)距離管道輸送的有害組分(水蒸氣、C4、C5等)的多進(jìn)氣道超音速旋流分離與回壓裝置。
背景技術(shù)：
在我國陸地及海洋氣田開發(fā)中，如何實(shí)現(xiàn)天然氣的高效、經(jīng)濟(jì)的脫水處理，并且滿足環(huán)保的要求，使天然氣中水的露點(diǎn)溫度降到輸氣管沿線最低環(huán)境溫度以下5-15℃，以避免形成水合物而發(fā)生管道堵塞重大事故，同時(shí)使得天然氣中的重?zé)N等組分含量降低到工藝流程要求的范圍內(nèi)，是天然氣生產(chǎn)中迫切需要解決的重大課題。
目前天然氣分離的方法有三種油吸收法、冷凝分離法和吸附分離法。其中，油吸收法又分為常溫吸收法及中、低溫吸收法；冷凝法又分為深冷分離法及淺冷分離法。對于井口天然氣脫水比較先進(jìn)的技術(shù)是撬裝式甘醇脫水裝置，如中國專利《氣波制冷天然氣脫水橇裝裝置》(
公開日1998年2月18日，公開號(hào)CN96225110.0，申請日1996年1月12日)是一種用于天然氣冷析脫水的氣波制冷脫水橇裝式裝置，由氣波制冷機(jī)、甲醇霧化噴射泵或是微節(jié)流注醇器、干-濕氣冷交換器、氣液分離器等設(shè)備所組成。但是這些傳統(tǒng)分離技術(shù)存在能源消耗高、凝析油回收率低、設(shè)備所占空間大、投資高、設(shè)備維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)。為降低運(yùn)行成本，提高分離效率，發(fā)展新型分離技術(shù)極其迫切。世界石油巨頭殼牌公司(Shell)1997年在購買了超音速分離技術(shù)的相關(guān)專利后，開始進(jìn)一步研發(fā)并著力將其應(yīng)用于井口天然氣處理，在理論和裝置設(shè)計(jì)技術(shù)上取得一系列突破，先后對Twister裝置申請了多項(xiàng)國際專利WO 2004/020074A1《CYCLONIC FLUIDSEPRATOR》(11March 2004)；WO 03/092850A1《CYCLONIC FLUID SEPRATOREQUIPPED WITH ADJUSTABLE VORTEX FINDER POSITION》(13 November2003)；US 6513345B1《NOZZLE FOR SUPERSONIC GAS FLOW AND AN INERTIASEPRATOR》(Feb.4，2003)；US 2003/0145724A1《SUPERSONIC SEPRATORAPPARATUS AND METHOD》(Aug.7，2003)；US 2002/0194988A1《SUPERSONICSEPRATOR APPARATUS AND METHOD》(Dec.26，2002)；US 6524368B2《SUPERSONIC SEPRATOR APPARATUS AND METHOD》(Aug.17，2004)。該公司于2003年在馬來西亞石油公司海上氣田及尼日利亞氣田開發(fā)中得到了驗(yàn)證與應(yīng)用，目前仍在完善與改進(jìn)中。殼牌公司研發(fā)的Twister裝置主要用于高壓氣體的脫水，特別是在脫水壓力約為7～15MPa和烴露點(diǎn)壓力超過5MPa的條件。其在重量、空間和成本上都有較大的節(jié)省，在海上應(yīng)用方面有較大的優(yōu)點(diǎn)，可以代替撬裝式甘醇脫水裝置。它還具有無人操作、無活動(dòng)部件，不需要添加化學(xué)藥劑等特點(diǎn)。但該裝置產(chǎn)生旋流的部件是大后掠角細(xì)長三角翼，盡管其具有旋流分離效率高的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也是裝置中最薄弱的構(gòu)件，是降低裝置固有安全性、減少使用壽命、降低總壓效率的主要因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種結(jié)構(gòu)簡，工作穩(wěn)定，且能夠?qū)崿F(xiàn)井口天然氣預(yù)處理分離有害于遠(yuǎn)距離管道輸送組分的多進(jìn)氣道超音速旋流分離與回壓裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括導(dǎo)流腔以及與導(dǎo)流腔相連通的噴管和旋流分離段，其特點(diǎn)是，旋流分離段的出口與回壓器相連通，在旋流分離段與回壓器之間還設(shè)置有環(huán)狀排液口，回壓器上設(shè)置有一可調(diào)節(jié)排液口間隙的定位器，所說的噴管的多個(gè)噴嘴均勻分布，且噴嘴與旋流分離段內(nèi)表面的夾角為78-90度，噴嘴與旋流分離段的軸線夾角為40-62度。
本發(fā)明的噴嘴為漸縮式或超音速噴嘴；旋流分離段為一漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)，其擴(kuò)張角為0-1度；旋流分離段的長度是其平均直徑的5-10倍；回壓器的擴(kuò)張角為3-5度；排液口為一漸擴(kuò)通道；回壓器相對于排液口的軸向位置通過定位器可調(diào)。
本發(fā)明利用多噴管進(jìn)氣實(shí)現(xiàn)含濕飽和氣體超音速凝結(jié)分離，導(dǎo)流腔使氣流均勻進(jìn)入噴管；噴管使氣流增速至高速度，溫度降低到濕氣凝結(jié)所需的過冷度以下；旋流分離段使氣液兩相流在分離腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)氣液分離；排液口使壁面的液膜流動(dòng)并離開旋流分離腔；回壓器使干氣經(jīng)過進(jìn)一步回壓，實(shí)現(xiàn)降速、升溫。


圖1是本發(fā)明的整體縱剖面示意圖；圖2是本發(fā)明工作原理圖；圖3是本發(fā)明噴管2與旋流分離段3間的結(jié)構(gòu)組合方式裝配圖，其中圖3(a)是噴管2的左視圖，圖3(b)是噴管2的正視圖，圖3(c)是噴管2與旋流分離段3的安裝圖；圖4是本發(fā)明的旋流分離段3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的旋流分離段3、排液口4與回壓器5的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參見圖1，本發(fā)明包括導(dǎo)流腔1以及與導(dǎo)流腔1相連通的噴管2和旋流分離段3，旋流分離段3的出口與回壓器5相連通，在旋流分離段3與回壓器5之間還設(shè)置有排液口4，因?yàn)檠b置工作在高壓且有腐蝕性的環(huán)境中，所以要求裝置的材料耐高壓，耐腐蝕和沖蝕。
參見圖2，本發(fā)明的工作原理如下濕氣在導(dǎo)流腔1內(nèi)整流并改變流動(dòng)方向，保證高壓氣流沿周向進(jìn)入噴管2，并且能起到一定的穩(wěn)定來流壓力作用；氣流進(jìn)入噴管2壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，速度達(dá)到超音速同時(shí)溫度急劇下降，則來流中的高沸點(diǎn)成分(如天然氣中的水蒸氣，高碳烴等)在過冷的氛圍中凝結(jié)成核并長大，由于夾帶液滴的高速氣流沿著一定的切向進(jìn)入旋流分離管3，兩相流在旋流分離段3內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，為保證激波面的位置在排液口附近，且距離越小越好，旋流分離段3的擴(kuò)張角在0-1度，液滴在離心力作用下向旋流分離段3的管壁面運(yùn)動(dòng)形成液膜，在前進(jìn)氣流的帶動(dòng)下流向下游，到達(dá)排液口4后分離出的液體和小部分氣體沿排液口4流出，主流中的干氣在回壓管器5內(nèi)升壓、降速、升溫達(dá)到輸送要求。
參見圖3，噴管2中噴嘴6選用型面為矩形超音速噴管，噴嘴6與旋流分離段3的內(nèi)表面的夾角α為78-86度，且與旋流分離段3的軸線夾角β為40-62度。在噴嘴6內(nèi)，天然氣中的水汽及重?zé)N組分發(fā)生凝結(jié)與液滴長大過程，形成氣液兩相流進(jìn)入旋流分離段3，根據(jù)露點(diǎn)要求噴嘴6設(shè)計(jì)成漸縮結(jié)構(gòu)的噴管或超音速噴管。
參見圖4，旋流分離段3的流動(dòng)機(jī)理綜合了渦流管技術(shù)與旋風(fēng)分離技術(shù)，即在旋流分離過程中，由于流體內(nèi)部的相互剪切流動(dòng)，處于中心部位的氣流溫度低，而處于外層部位的氣流溫度高，因此中心區(qū)凝結(jié)加劇，促使新的液滴形成，已有的液滴繼續(xù)長大，這些液滴在超強(qiáng)離心力作用下沿螺旋線運(yùn)動(dòng)至旋流分離段3的壁面形成液膜，為了保證流通順暢減薄邊界層厚度，并且使外層溫度降低，旋流分離段擴(kuò)張角γ為3-7度之間；為了保證分離效率同時(shí)減小壓力損失，并且使激波面靠近排液口4，其長度L為其平均直徑d的5-10倍，由于旋流分離段3的流動(dòng)機(jī)理的不同，一般粗糙度對分離沒有根本的影響，可降低對其內(nèi)表面的加工精度要求。
參見圖5，回壓器5上還設(shè)置有一可調(diào)節(jié)排液口4間隙的定位器7。旋流分離段3的內(nèi)壁面的液膜和一小部分氣體在氣流帶動(dòng)下流入排液口4，通過調(diào)節(jié)定位器7的厚度改變回壓器5軸向位置來改變排液口4間隙的大小，由此改變氣液兩相流排出的流量。圖中8、9分別為定位管道和干氣輸送管道。
液滴分離后的干氣若仍處于超音速，需要通過正激波獲得更高的回壓器入口壓力，以提高回壓器5的總壓效率?；貕浩鞯慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)有2個(gè)(1)伸入分離器的前緣很鋒利，對于超音速來流可在此形成激波，有利于回壓，對亞音速來流，則起到導(dǎo)流作用；(2)回壓器5可通過定位器7實(shí)現(xiàn)改變排液口4的大小以適應(yīng)非設(shè)計(jì)工況流動(dòng)。回壓器5的擴(kuò)張角θ在3-5度之間。由于旋流分離段3的長度較短，氣流在進(jìn)入回壓器5前保持較高的旋流速度，不利于回壓效率，回壓器5能夠降低氣流的旋流速度。排液口4的流道同回壓器5具有相同的升壓、減速、升溫的功能。
本發(fā)明以其在低質(zhì)量、空間結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低廉、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、無人操作、無活動(dòng)部件、不需要添加化學(xué)藥劑等特點(diǎn)具有很廣闊的應(yīng)用前景，尤其是在海洋油氣田開發(fā)中，這種裝置具有很大的優(yōu)越性。與Twister裝置結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明擯棄三角翼結(jié)構(gòu)，采用噴管組切向進(jìn)氣方式實(shí)現(xiàn)旋流，這樣的優(yōu)點(diǎn)有調(diào)節(jié)手段方便，易于控制，可適應(yīng)原料天然氣組成等的較大變動(dòng)；旋流段直徑設(shè)計(jì)靈活，能夠處理小氣量；本發(fā)明裝置更緊湊，加工、裝配精度降低，占地面積更小。
權(quán)利要求
1.一種多進(jìn)氣道超音速旋流分離與回壓裝置，包括導(dǎo)流腔(1)以及與導(dǎo)流腔(1)相連通的噴管(2)和旋流分離段(3)，其特征在于旋流分離段(3)的出口與回壓器(5)相連通，在旋流分離段(3)與回壓器(5)之間還設(shè)置有環(huán)狀排液口(4)，回壓器(5)上設(shè)置有一可調(diào)節(jié)排液口(4)間隙的定位器(7)，所說的噴管(2)的多個(gè)噴嘴(6)均勻分布，且噴嘴(6)與旋流分離段(3)內(nèi)表面的夾角α為78-90度，噴嘴(6)與旋流分離段(3)的軸線夾角β為40-62度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多進(jìn)氣道超音速旋流分離與回壓裝置，其特征在于所說的噴嘴(6)為漸縮式或超音速噴嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多進(jìn)氣道超音速旋流分離與回壓裝置，其特征在于所說的旋流分離段(3)為一漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)，其擴(kuò)張角γ為0-1度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多進(jìn)氣道超音速旋流分離與回壓裝置，其特征在于所說的旋流分離段(3)的長度是其平均直徑的5-10倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多進(jìn)氣道超音速旋流分離與回壓裝置，其特征在于所說的回壓器(5)的擴(kuò)張角為3-5度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多進(jìn)氣道超音速旋流分離與回壓裝置，其特征在于所說的排液口(4)為一漸擴(kuò)通道。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多進(jìn)氣道超音速旋流分離與回壓裝置，其特征在于所說的回壓器(5)相對于排液口(4)的軸向位置通過定位器(7)可調(diào)。
全文摘要
一種多進(jìn)氣道超音速旋流分離與回壓裝置，包括導(dǎo)流腔以及與導(dǎo)流腔相連通的噴管和旋流分離段，旋流分離段的出口與回壓器相連通，在旋流分離段與回壓器之間還設(shè)置有環(huán)狀排液口，回壓器上設(shè)置有一可調(diào)節(jié)排液口間隙的定位器，所說的噴管的多個(gè)噴嘴均勻分布，且噴嘴與旋流分離段內(nèi)表面的夾角為78－90度，噴嘴與旋流分離段的軸線夾角為40－62度。本發(fā)明利用多噴管進(jìn)氣實(shí)現(xiàn)含濕飽和氣體超音速凝結(jié)分離，導(dǎo)流腔使氣流均勻進(jìn)入噴管；噴管使氣流增速至高速度，溫度降低到濕氣凝結(jié)所需的過冷度以下；旋流分離段使氣液兩相流在分離腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)氣液分離；排液口使壁面的液膜流動(dòng)并離開旋流分離腔；回壓器使干氣經(jīng)過進(jìn)一步回壓，實(shí)現(xiàn)降速、升溫。
文檔編號(hào)B01D45/12GK1903444SQ200610043158
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者白博峰, 蘇燕兵, 嚴(yán)俊杰, 王俊奇 申請人:西安交通大學(xué)