專利名稱：節(jié)流閥和用于在流過節(jié)流閥的流體流中增大液滴尺寸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種節(jié)流閥和一種用于在流過節(jié)流閥的流體流中增大液滴尺寸的方法。
背景技術(shù)：
在油氣工業(yè)中，控制閥用于控制壓力、液位、溫度和流量。在有些情況下，一旦在控制閥上建立充足的壓降，這些控制閥就在阻流或節(jié)流狀態(tài)下運行。在處理天然氣時，閥上的這種壓力減低會在沒有從氣體抽取熱量或功的情況下導(dǎo)致溫度下降。這種所謂的等焓膨脹過程也被稱為焦耳-湯普森(JT)冷卻。建立這種壓力減低的閥被稱為JT閥。JT閥的冷卻效應(yīng)用于冷凝一部分天然氣流，以便可以在容器中分離出液化的部分。對于這樣的大多數(shù)分離容器來說，驅(qū)動力是慣性或重力，或者換句話說，液滴的質(zhì)量決定了分離的效率。放在JT閥之前的低溫分離器通常被稱為JT-LTS系統(tǒng)。
即使JT閥最初的功能是流速控制，也常常忘記第二功能是建立可分離的液相。在氣體處理工業(yè)中，由JT閥的等焓膨脹引起的平均液滴尺寸是未知的，因此下游分離器的分離效率更是未知的。由于亞最佳的分離效率，氣體品質(zhì)問題不時地發(fā)生。在那些情況下，通常是烴露點保持太高，這表明，尤其是烴滴勢必很小。
國際專利申請WO2004/001260和美國專利4,384,592和4,671,321公開了配備有漩渦賦予裝置的節(jié)流閥，所述漩渦賦予裝置在流過閥的流體通量中產(chǎn)生渦流。
美國專利4,383,592和4,671,321公開的閥設(shè)置有穿孔套筒，其中，穿孔相對于套筒的中心軸線具有不同的方向，這樣，在流過閥的流體通量中產(chǎn)生多個渦流，所述多個渦流可以反轉(zhuǎn)，可以充當噪音阻尼器。
國際專利申請WO2004/001260公開的閥設(shè)置有閥桿，所述閥桿限定了帶有切向入口和非切向入口兩種入口的流體渦流室。如果閥完全或幾乎完全打開，流體僅僅流過切向入口，在流體通量中不會產(chǎn)生漩渦。如果閥差不多關(guān)閉，則流體僅僅流過非切向入口，從而產(chǎn)生渦流和流動阻力，并抑制閥機構(gòu)的腐蝕性磨損和氣蝕性磨損。
美國專利4,055,961和4,544,390和國際專利申請WO2004083691公開了節(jié)流閥，其中氣態(tài)組分在焦耳湯姆遜效應(yīng)的作用下冷凝。
已知的焦耳湯姆遜及其它節(jié)流閥存在的問題在于，冷凝出的液滴尺寸通常較小，以致形成霧狀流，液體和氣態(tài)相不容易從該霧狀流中分離。
本發(fā)明的目的是解決這個問題，其提供了一種節(jié)流閥，其中與已知的節(jié)流閥相比，可以形成較大的液滴。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明，提供了一種節(jié)流閥，具有外殼；閥體，所述閥體可動地布置在外殼中，以控制從流體入口通道流入該閥的流體出口通道的流體流通量，以致膨脹和冷卻流體流；和漩渦賦予裝置，所述漩渦賦予裝置把漩渦運動強加給流過流體出口通道的流體流，所述漩渦賦予裝置定向成，如果該閥完全打開，流體流繞流體出口通道的縱向軸線打漩，從而誘導(dǎo)液滴朝流體出口通道的外周打漩和聚結(jié)。
節(jié)流閥任選包括大體上圓錐形的中心體，所述中心體布置在流體出口通道中，大體上與流體出口通道的中心軸線同軸，所述中心體形成具有沿下游方向逐漸增加的橫截面面積的流體出口通道，從而產(chǎn)生帶有促進被冷凝的液滴形成和聚結(jié)的渦流要素的渦流。
該閥還包括穿孔套筒，如果使用時閥體容許流體從流體入口通道流入流體出口通道，流體經(jīng)由該套筒從流體入口通道流入流體出口通道，漩渦賦予裝置通過套筒的縱向和圓周間隔開的穿孔提供，穿孔相對于套筒的縱向軸線至少部分地切向定向，這樣，在使用時誘導(dǎo)流體流繞流體出口通道的縱向軸線打漩。
至少一些穿孔具有中心軸線，所述中心軸線在選定的距離D處以0到90度之間的選定銳角與套筒的縱向軸線相交，穿孔套筒的內(nèi)表面位于離套筒的縱向軸線半徑R處，使得距離D與半徑R之比在0.2到1之間，優(yōu)選在0.5到0.99之間。
該閥可以是具有大體上管狀流體出口通道和閥體的焦耳湯普森閥，閥體包括沿流體出口通道的大體上縱向方向可動的活塞，穿孔套筒可以固定到活塞上，這樣，流體入口通道的大體上環(huán)形的下游端至少部分地環(huán)繞穿孔套筒，并且當閥體處于完全打開位置時，至少一些流體被誘導(dǎo)從流體入口通道經(jīng)由穿孔套筒上的非徑向穿孔流入流體出口通道。
依照本發(fā)明，還提供了一種用于在流過節(jié)流閥出口段的多相流體流中增大液滴尺寸的方法，所述多相流體流包括液滴和載流流體，其中，漩渦賦予裝置把漩渦運動強加給流過流體出口通道的流體流，從而誘導(dǎo)液滴朝流體出口通道的外周打漩，并誘導(dǎo)液滴聚結(jié)成增大的液滴。
流體可以下列中的任一種1)帶有液相的氣態(tài)主導(dǎo)載體；或者，2)帶有不相溶液相和/或氣相的液體主導(dǎo)載體。選項1)的例子是帶有JT閥的低溫分離(LTS)工藝，JT閥供給有帶有冷凝物、水和乙二醇的液體部分的天然氣流。選項2)的例子是帶有節(jié)流閥的冷凝穩(wěn)定工藝，節(jié)流閥供給有帶有水和/或乙二醇的液體部分的冷凝物流。
依照本發(fā)明的節(jié)流閥和方法的這些及其它特征、目的和優(yōu)點將從附帶的權(quán)利要求書、摘要和依照本發(fā)明節(jié)流閥的實施例的詳細說明并參照附帶的視圖變得顯而易見。


圖1A是依照本發(fā)明節(jié)流閥的縱向剖視圖；圖1B是圖1A中節(jié)流閥的出口通道的放大剖視圖；圖1C示出了圖1A和1B中節(jié)流閥的出口通道中流體流的漩渦運動；圖1D示出了圖1A和1B中節(jié)流閥的出口通道外周上液滴的聚結(jié)；
圖2A是傳統(tǒng)節(jié)流閥的縱向剖視圖；圖2B是圖2A中節(jié)流閥的出口通道的放大剖視圖；圖2C示出了圖2A和2B中傳統(tǒng)閥的出口通道中流體流的不確定運動；和圖2D示出了圖2A和2B中傳統(tǒng)節(jié)流閥的出口通道中帶有小液滴的均勻霧狀流。
具體實施例方式
如圖1A-1D所示依照本發(fā)明的節(jié)流閥的實施例的閥幾何結(jié)構(gòu)能夠增強在沿焦耳-湯姆遜或其它節(jié)流閥的流徑膨脹期間增強液滴的聚結(jié)過程。這些較大的液滴比傳統(tǒng)焦耳-湯姆遜或其它節(jié)流閥的情況能夠更好地分離。
圖1A所示的閥包括閥外殼1，活塞式閥體2和相聯(lián)的穿孔套筒3可滑動地布置在閥外殼1中，這樣，通過閥軸5上的齒輪4的轉(zhuǎn)動，帶齒的活塞桿6上下推動活塞式閥體進入流體出口通道7內(nèi)，如箭頭8所示。該閥具有流體入口通道9，流體入口通道9具有可以環(huán)繞活塞2和/或穿孔套筒3的環(huán)形下游段9A，被容許從流體入口通道9流入流體出口通道7的流體的通量由活塞式閥體2的軸向位置和相聯(lián)的穿孔套筒3控制。該閥還包括圓錐形的中心體15，該中心體15大體上與流體出口通道7的中心軸線11同軸，中心體15產(chǎn)生具有沿下游方向逐漸增加的橫截面面積的出口通道7，從而控制出口通道7中的流體通量的減低，并產(chǎn)生帶有促進形成和聚結(jié)被冷凝的液滴的渦流要素的渦流。
如圖1B所示，在依照本發(fā)明的節(jié)流閥中，穿孔套筒3包括傾斜或非徑向穿孔10，所述穿孔10相對于流體出口通道7的中心軸線11沿選定的部分切向鉆孔，使得每個穿孔10的縱向軸線12在距離D處橫過中心軸線11，距離D為套筒3內(nèi)半徑R的0.2到1倍，優(yōu)選為0.5到0.99倍。
傾斜穿孔10在流過流體出口通道7的流體流中產(chǎn)生漩渦流動，如箭頭14所示。也可以通過閥內(nèi)件和/或閥桿的特殊幾何結(jié)構(gòu)強加漩渦運動。在依照本發(fā)明的閥中，可獲得的釋放壓力用于等焓膨脹，以在流體流中建立漩渦流動。動能主要通過渦流沿閥下游的延伸管道長度的阻尼而消散。
如圖1C和1D所示，在閥的出口通道中建立漩渦流動的優(yōu)點是雙重的1.規(guī)則速度圖案-＞較少界面剪切-＞較少液滴崩裂-＞較大的液滴2.在流體出口通道7流動區(qū)域的外周7A中液滴的集中-＞大的數(shù)量密度-＞改善的聚結(jié)-＞大的液滴18。
雖然任何焦耳-湯姆遜或其它阻流和/或節(jié)流類型的閥都適用于建立漩渦流動，但是，優(yōu)選使用Mokveld Valves B.V.提供的、在其國際專利申請WO2004083691中公開的阻流類型的節(jié)流閥。
圖2A-2D示出了由Mokveld Valves B.V.提供的用于流量控制用途的傳統(tǒng)籠式閥(cage-valve)，其中流體通量在穿孔套筒23上被節(jié)流，穿孔套筒23連接于活塞式閥體22。
如圖2A所示的傳統(tǒng)Mokveld節(jié)流閥包括閥外殼21，活塞式閥體22和相聯(lián)的穿孔套筒23可滑動地布置在閥外殼21中，這樣，通過閥軸25上的齒輪24的轉(zhuǎn)動，帶齒的活塞桿26上下推動活塞式閥體進入流體出口通道27內(nèi)，如箭頭28所示。該閥具有流體入口通道29，流體入口通道29具有可以環(huán)繞活塞22和/或穿孔套筒23的環(huán)形下游段29A，被容許從流體入口通道29流入流體出口通道27的流體的通量由活塞式閥體22的軸向位置和相聯(lián)的穿孔套筒23控制。
傳統(tǒng)套筒23包括穿孔30——縫隙或孔——其具有徑向定向，即正交于套筒23的圓柱形表面。通過沿軸向方向移動活塞22和套筒23，可以控制流動區(qū)域。
如圖2C所示，帶有徑向開口的籠式閥的流型很紊亂，所以引起高剪切力，導(dǎo)致液滴崩裂成更小的液滴。
漩渦流動對液滴尺寸影響的計算下面的計算示出了流體出口通道7中的霧狀流的漩渦運動對液滴的聚結(jié)和成長的影響。
這些計算僅僅作為例子，這些計算不將依照本發(fā)明的方法和節(jié)流閥局限為任何科學(xué)理論的應(yīng)用。
假定閥在阻流狀態(tài)下運行，流體的平均切向進口速度(Utan)接近150m/s。對于直徑(D)為80mm的典型籠，渦流強度Γ為Γ＝πDUtan＝38m2/s等式1為確定在何徑向位置直徑(d＝1μm)、密度(ρL＝650kg/m3)的液滴將在密度(ρG＝60kg/m3)、粘度(v＝2.10-7m2/s)和匯集強度(sinkstrength)(Q＝4m2/s)的氣態(tài)流體的漩渦中旋轉(zhuǎn)，使用下列表達式Req=ΓQ2π·29·d24π2·v·(ρLρG-1)=25mm]]>等式2假設(shè)＞＞99％的全部液體質(zhì)量由d≥1μm的液滴表示，那么該質(zhì)量集中在半徑Req＝25mm之外的流動區(qū)域內(nèi)。在籠中Req＝25mm之外的流動區(qū)域表示總橫截面流動區(qū)域的61％。與非漩渦流動相比，液滴數(shù)量密度(N)以因子1.67增加。
根據(jù)Chesters，相同尺寸的液滴之間的碰撞數(shù)量的基本公式為Ncol=-dNdt=k12ureld2N2]]>等式3在等式3中Ncol＝每秒、每m3發(fā)生的碰撞數(shù)量N＝每mY存在的液滴數(shù)量urel＝液滴之間的相對速度d＝液滴直徑＝2r(半徑)k1＝大約為1的常數(shù)由于在漩渦流動中，N以因子1.67增加，所以，液滴碰撞率以因子1.672＝2.8增加。
液滴之間的相對速度(urel)按如下確定1.布朗運動2.湍流運動
3.離心漂移運動對于聚結(jié)，所關(guān)心的液滴尺寸范圍是1≤d≤5μm。對于該尺寸范圍，相對速度由湍流運動主導(dǎo)。布朗運動可以忽略不計，因為分子沖擊不會影響1μm的液滴。雖然離心漂移運動增強了漩渦流動中的液滴相對運動，但是，仍然可以被忽略不計，因為湍流是更主導(dǎo)的驅(qū)動力。
聚結(jié)率可以由液滴尺寸倍增的時間來表示。d＝1微米的液滴在標準重力或離心分離機中是不能被分離出來的。為變得可分離，最低需要液滴直徑增加因子5。為了獲得液滴直徑增加因子5，不得不出現(xiàn)53＝125的碰撞。所以，讓一個液滴與其它液滴碰撞125次所需要的最低保持時間(t125)限定在如下的表格中。用于聚結(jié)時間標度(scales)的這些等式只是針對作為驅(qū)動力的湍流運動。
表1用于漩渦和非漩渦流動的聚結(jié)時間標度

漩渦流動對液滴聚結(jié)的影響的第一次序(order)概算(approximation)顯示，由于流動湍流，較大地改善了聚結(jié)率。液滴以因子5增大——以便這些液滴在傳統(tǒng)分離容器中變得可分離——對于漩渦流動，需要典型長度標度為2米，而對于非漩渦流動，為27米。
如圖1D所示，在依照本發(fā)明的節(jié)流閥中，漩渦運動的存在使液滴18集中在流體出口通道7的外邊界的減低流動區(qū)域7A(總體的61％)中，這樣，液滴數(shù)量密度以大約1.67的因子增加。此外，由于高的切向速度，在無渦旋中心中的湍流消散率大。
應(yīng)當理解，在依照本發(fā)明的節(jié)流閥的出口通道7中較大液滴的形成使得在流體分離組件中分離液相和氣相更加容易，流體分離組件可以布置在節(jié)流閥的下游。這樣的后置式流體分離組件可以包括一個或多個重力和/或氣旋分離容器。
流體可以是下列中的任一種1)帶有液相的氣態(tài)主導(dǎo)載體；或者，2)帶有不相溶液相和/或氣相的液體主導(dǎo)載體。選項1)的例子是帶有JT閥的LTS工藝，JT閥供給有帶有冷凝物、水和乙二醇的液體部分的天然氣流。選項2)的例子是帶有節(jié)流閥的冷凝穩(wěn)定工藝，節(jié)流閥供給有帶有水和/或乙二醇的液體部分的冷凝物流。
權(quán)利要求
1.一種節(jié)流閥，具有外殼；閥體，所述閥體可動地布置在外殼中，以控制從流體入口通道流入該閥的流體出口通道的流體流通量，以致膨脹和冷卻流體流；和漩渦賦予裝置，所述漩渦賦予裝置把漩渦運動強加給流過流體出口通道的流體流，所述漩渦賦予裝置定向成，如果該閥完全打開，流體流繞流體出口通道的縱向軸線打漩，從而誘導(dǎo)液滴朝流體出口通道的外周打漩和聚結(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的節(jié)流閥，其特征在于，大體上圓錐形的中心體布置在流體出口通道中，所述中心體大體上與流體出口通道的中心軸線同軸，所述中心體產(chǎn)生具有沿下游方向逐漸增加的橫截面面積的出口通道，從而產(chǎn)生帶有促進形成和聚結(jié)被冷凝的液滴體的渦流要素的渦流。
3.如權(quán)利要求1所述的節(jié)流閥，其特征在于，該閥還包括穿孔套筒，如果使用時閥體容許流體從流體入口通道流入流體出口通道，流體經(jīng)由所述穿孔套筒從流體入口通道流入流體出口通道，漩渦賦予裝置通過套筒的縱向和圓周間隔開的穿孔提供，穿孔相對于套筒的縱向軸線至少部分地切向定向，這樣，在使用時誘導(dǎo)流體流繞流體出口通道的縱向軸線打漩。
4.如權(quán)利要求3所述的節(jié)流閥，其特征在于，至少一些穿孔具有中心軸線，該中心軸線在選定的距離D處以一選定銳角橫過套筒的縱向軸線。
5.如權(quán)利要求4所述的節(jié)流閥，其特征在于，穿孔套筒的內(nèi)表面位于離套筒的縱向軸線半徑R處，距離D與半徑R之比在0.2到1之間。
6.如權(quán)利要求5所述的節(jié)流閥，其特征在于，距離D與半徑R之比在0.5到0.99之間。
7.如前述任一權(quán)利要求所述的節(jié)流閥，其特征在于，該閥是具有大體上管狀流體出口通道和閥體的焦耳湯普森閥，所述閥體包括沿流體出口通道的大體上縱向方向可動的活塞，以及其中，穿孔套筒固定到活塞上，這樣，流體入口通道的大體上環(huán)形的下游端至少部分地環(huán)繞穿孔套筒，并且當閥體處于完全打開位置時，至少一些流體被誘導(dǎo)從流體入口通道經(jīng)由穿孔套筒上的非徑向穿孔流入流體出口通道。
8.一種用于在流過節(jié)流閥出口段的多相流體流中增大液滴尺寸的方法，所述多相流體流包括液滴和載流流體，其中，漩渦賦予裝置把漩渦運動強加給流過流體出口通道的流體流，從而誘導(dǎo)液滴朝流體出口通道的外周打漩和聚結(jié)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述節(jié)流閥包括外殼；閥體，所述閥體可動地布置在外殼中，以便閥體控制從流體入口通道流入該閥的流體出口通道的流體流；還包括穿孔套筒，如果使用時閥體容許流體從流體入口通道流入流體出口通道，則流體經(jīng)由所述穿孔套筒從流體入口通道流入流體出口通道，其中，套筒的至少一些穿孔相對于套筒的縱向軸線至少部分地切向定向，這樣，多相流體流被誘導(dǎo)在流體出口通道內(nèi)部打漩，液滴被誘導(dǎo)朝流體出口通道的外周打漩，并誘導(dǎo)液滴聚結(jié)成增大的液滴。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，一氣-液分離組件連接到節(jié)流閥的出口通道上，在所述氣-液分離組件中，由該閥排出的流體的液相和氣相至少部分地分離。
11.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，多相流體流包括烴和水狀流體，以及其中，至少一小部分水狀流體轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水液滴，液態(tài)水液滴被誘導(dǎo)朝流體出口通道的外周打漩，并在流體出口通道的外周聚結(jié)成增大的水滴和/或環(huán)形水膜。
12.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，多相流體流包括氣態(tài)載流流體，流體入口通道和/或流體出口通道和/節(jié)流閥內(nèi)部的其它部分提供具有喉部截面的流體通道，在喉部截面中，流體流加速，從而被誘導(dǎo)借助于焦耳-湯姆遜效應(yīng)膨脹和冷卻。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，多相流體流在喉部截面膨脹，達到接近音速或超音速。
全文摘要
一種焦耳－湯普森或其它節(jié)流閥，其包括出口通道(7)，在出口通道(7)中，漩渦賦予裝置(10)把漩渦運動(14)強加給由該閥排出的被冷卻流體流(10)，從而誘導(dǎo)液滴朝流體出口通道(7)的外周打漩，并誘導(dǎo)液滴聚結(jié)成增大的液滴，增大的液滴可以很容易地從氣態(tài)或其它載流流體中分離出來。
文檔編號B01D45/16GK101095024SQ200580045501
公開日2007年12月26日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者M·貝廷 申請人:纏繞機公司