專利名稱：一種多孔壁超音速旋流分離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于氣體脫可凝結(jié)物技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多孔壁超音速旋流分離 器，主要應(yīng)用于天然氣脫可凝結(jié)物凈化分離領(lǐng)域以及含相變的氣液分離領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
天然氣作為一種清潔、高效的能源，在世界一次能源消費市場中占據(jù)著越來越大 的份額。從地下采出的天然氣含有大量水蒸汽，未處理的天然氣進入輸氣系統(tǒng)會對集輸管 線造成危害，如沖蝕磨損管道等。在天然氣集輸過程中，水蒸汽易凝結(jié)成液態(tài)水。在一定的 溫度和壓力條件下，天然氣中的液態(tài)水還會結(jié)冰或者與烴結(jié)合生成天然氣水合物，造成管 線及其附屬器件的堵塞，降低天然氣產(chǎn)量和管線輸送能力。此外，液態(tài)水易融解C02、H2S等 酸性氣體，形成具有強腐蝕性的酸，從而加速管線的腐蝕。因此，天然氣在進入輸氣管線之 前，必須進行脫水工藝處理。天然氣工業(yè)常用的脫水方法有膨脹冷卻法、加壓冷卻法、固體吸附劑法和溶劑吸 收法等。對于大裝置，設(shè)備投資和操作費用比較高。天然氣超音速旋流脫水是一種新型的 脫水技術(shù)，是天然氣脫水領(lǐng)域的一項革命性技術(shù)。它利用天然氣在超音速狀態(tài)下的蒸汽冷 凝現(xiàn)象進行天然氣脫水，在熱力學(xué)原理和系統(tǒng)構(gòu)成上與傳統(tǒng)的天然氣脫水方法有顯著的區(qū) 別。天然氣超音速脫水將膨脹機、分離器和壓縮機的功能集中到一個管道中，具有結(jié)構(gòu)簡單 緊湊，無轉(zhuǎn)動部件，可靠性高，無化學(xué)處理系統(tǒng)，低投資和維護費用等優(yōu)點。對于這一天然氣 處理技術(shù)的研究，國外主要有荷蘭Twister BV公司和俄羅斯ENGO旗下的"Translang公司。 國內(nèi)持續(xù)研究單位主要有北京航空航天大學(xué)、中國石油大學(xué)(華東)、北京工業(yè)大學(xué)、西安 交通大學(xué)和大連理工大學(xué)等。該技術(shù)發(fā)展至今，在技術(shù)上不斷取得進步。一種低流動阻力超音速氣體凈化分離裝置，該裝置的收縮段內(nèi)含一中心錐，該中 心錐兩端支撐分別是入口法蘭內(nèi)孔上周向均布的三個支撐架和旋流器葉片，該旋流器葉 片內(nèi)置于噴管收縮段末端的噴管內(nèi)壁和中心錐之間。通過削尖所述中心錐和法蘭內(nèi)孔支撐 架的左端部的方式來減小氣體在入口的阻力；但其旋流葉片內(nèi)置于噴管收縮段高速區(qū)，流 動損失大。一種天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置，該裝置包含多個超音速分離管和 一個水合物分離器，其實質(zhì)在于將多個超音速分離管周向并聯(lián)均布于水合物分離器筒體表 面，多個超音速分離管并聯(lián)可增大處理量。其超音速分離管的收縮段是按維托辛斯基曲線 設(shè)計的，這是收縮噴管得到均勻一維流通常所采用的型線，但這種線型用于提高小直徑噴 管氣流軸向的均勻度意義不大。一種濕氣再循環(huán)超音速氣體凈化分離裝置該裝置包含一個開環(huán)回路再循環(huán)部件， 致力于將殘存在循環(huán)氣體中的液滴循環(huán)旋分出來。其雖然將含濕分離流引入旋流器入口進 行循環(huán)旋流分離處理，有利于減少分離流的含氣量，相應(yīng)增加處理量，但是也再一次將蒸發(fā) 源引入了噴管內(nèi)，即引入了流動狀態(tài)不穩(wěn)定因素。其次，旋流器內(nèi)置于噴管高速區(qū)，流動損 失大。[0007]—種錐心式超音速冷凝旋流分離器，該裝置實質(zhì)為帶中心錐的Laval噴管，在噴 管內(nèi)置一中心錐，通過改變中心錐不同截面的直徑來控制噴管收縮段、喉道和擴張段的流 通面積，而噴管的內(nèi)型面則是簡單的錐角或等徑旋轉(zhuǎn)體。避免了小管徑內(nèi)壁面小錐角加工 難的問題，而選擇易于加工的外壁面。其次，徑向葉片布置式旋流器損失較大。一種天然氣超音速脫水方法及超音速脫水裝置，該裝置僅在于超音速旋流脫水分 離，并對含濕氣體進行二次沉降分離，兩次分離的“干氣”匯合進入外輸管線，經(jīng)穩(wěn)壓罐一次 分離和超音速旋流二次沉降分離的水和重?zé)N進入烴回收裝置，實現(xiàn)了重?zé)N回收。一種激波可控超音速氣體除濕裝置，該裝置設(shè)計了斜激波+正激波的激波壓縮區(qū) 形態(tài)，致力于減小激波阻力損失和避免強激波誘導(dǎo)邊界層分離。其噴管中心錐結(jié)束于噴管 中后部，通過在噴管中心錐末端增加突起的形式設(shè)置了噴管第二喉道，將噴管分為超音速 區(qū)和亞音速區(qū)，并優(yōu)化縮短了噴管總長度。該專利稱所涉及的激波系避免了強激波誘導(dǎo)邊 界層分離是不準(zhǔn)確的，其仍存在邊界層分離。現(xiàn)有技術(shù)中公開了一種超音速旋流凝結(jié)分離 組合噴管，該旋流器為一漸縮結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是旋流器葉片周向均布于收縮段前半部，旋流 器葉片高度大，軸向偏轉(zhuǎn)角在20° 30°之間，根據(jù)角動量守恒定律可知這種葉片結(jié)構(gòu)不 利于產(chǎn)生強旋流。以上公開所有裝置中都存在沒有及時脫出超音速旋流分離器內(nèi)蒸發(fā)源的問題。 發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實用新型提出一種多孔壁超音速旋流分離器，解 決了現(xiàn)有技術(shù)中凝結(jié)物再次蒸發(fā)和占據(jù)管道流通面積等技術(shù)問題。本發(fā)明提出的多孔壁超 音速旋流分離器能夠及時脫出凝結(jié)出的液相組分，以消除蒸發(fā)源，保證噴管流通面積，增強 系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，提高其分離性能。本實用新型提出一種多孔壁超音速旋流分離器，包括旋流器、Laval噴管和擴壓分
1 - O所述的旋流器包括旋流器外殼、旋流器中心錐A和葉片，所述的中心錐A與旋流器 外殼同軸，并置于旋流器內(nèi)部，所述的葉片置于旋流器外殼和旋流器中心錐A之間；葉片的 個數(shù)大于等于1，所述的旋流器外殼內(nèi)壁與中心錐A外壁之間的間距為1 50mm。所述的Laval噴管包括順次軸向連接的Laval噴管收縮管和Laval噴管擴張管， 所述的Laval噴管收縮管與旋流器外殼軸向連接。所述的Laval噴管收縮管優(yōu)選為內(nèi)部包 含中心錐B，且中心錐B與中心錐A軸向連接，所述的中心錐B與Laval噴管收縮管同軸。 Laval噴管收縮管內(nèi)壁與中心錐B外壁之間的間距為1 50mm。Laval噴管擴張管優(yōu)選為 內(nèi)部包含有中心錐C，中心錐C與中心錐B軸向連接，中心錐C與Laval噴管擴張管同軸， Laval噴管擴張管內(nèi)壁與中心錐C外壁之間的間距為1 50mm。當(dāng)優(yōu)選為含有中心錐B時， 中心錐B的存在避免了 Laval噴管收縮管內(nèi)中心形成的低壓區(qū)；當(dāng)優(yōu)選為含有中心錐B和 中心錐C時，避免了 Laval噴管內(nèi)形成的中心低壓區(qū)。所述的擴壓分離器包括分離器外殼和分離錐，所述的分離錐與分離器外殼同軸， 且分離錐置于分離器外殼的內(nèi)部。所述的分離錐為空心錐，且其尖端形成一個分離環(huán)截面， 所述分離環(huán)截面置于Laval噴管擴張管的出口截面，將所述的Laval噴管擴張管的出口截 面分為外層截面和內(nèi)層截面，外層截面與分離器外殼內(nèi)壁、分離錐外壁之間形成分離器，外層截面即為分離器入口端，分離器的出口端與濕氣出口 A相連接；所述的內(nèi)層截面與分離 錐的內(nèi)壁之間形成擴壓器，內(nèi)層截面即為擴壓器入口端，擴壓器出口端與輸氣管線相連接。 所述的擴壓器入口端截面積與分離器入口端截面積之比δ滿足1/4 < δ <4。氣體經(jīng) Laval噴管擴張管的出口截面流入擴壓分離器，經(jīng)分離錐將氣體分成內(nèi)層干氣流和外層濕 氣流，外層濕氣流從分離器入口端流入，經(jīng)分離器出口端從濕氣出口 A排出至濕氣處理系 統(tǒng)，內(nèi)層干氣流從擴壓器入口端流入，經(jīng)擴壓器直接進入輸氣管線。所述的分離器通道的壁面呈線性平行；所述的分離器通道壁面的擴張角為5° 60°，擴壓器通道壁面的擴張角小于等于60°。所述的擴壓分離器的分離錐優(yōu)選為包含中 心錐D，中心錐D與分離錐同軸，且所述的中心錐D與中心錐C軸向連接，Laval噴管擴張管 的出口截面、分離錐的內(nèi)壁與中心錐D的外壁之間的空腔形成擴壓器，擴壓器通道的壁面 呈線性平行。當(dāng)所述的旋流分離器中優(yōu)選的含有中心錐B、中心錐C和中心錐D時，中心錐 B、中心錐C和中心錐D對Laval噴管流場有穩(wěn)流作用，避免強旋流場的中心低壓區(qū)和因中 心低壓區(qū)引起的回流。優(yōu)選的，所述的Laval噴管管壁和分離器外殼上至少其中之一設(shè)置有用于分離濕 氣的若干排液孔，當(dāng)Laval噴管管壁上設(shè)置有排液孔時，Laval噴管外表面設(shè)置有密封腔A 進行密封，密封腔A底部設(shè)有濕氣出口 B ；當(dāng)所述的分離器外殼上設(shè)置有排液孔時，分離器 外殼的外表面通過密封腔B進行密封，密封腔B底部設(shè)有濕氣出口 C，濕氣出口 B和/或濕 氣出口 C連接有真空泵；經(jīng)排液孔脫離的濕氣通過密封腔A和/或密封腔B收集后，經(jīng)濕氣 出口 B和/或濕氣出口 C流出至濕氣處理系統(tǒng)。所述排液孔的孔徑D小于等于2mm，相鄰 兩個排液孔的中心間距L滿足D < L < IOD0當(dāng)僅Laval噴管管壁設(shè)置有排液孔時，能夠 將Laval噴管中已冷凝出的液相分離；當(dāng)僅分離器外殼設(shè)置有排液孔時，能夠?qū)⒘魅敕蛛x 器的氣流中所含已冷凝出的液相分離；當(dāng)Laval噴管管壁和分離器外殼同時設(shè)置有排液孔 時，能夠及時分離出Laval噴管和分離器中已冷凝出的液相。

圖1 本實用新型提出的多孔壁超音速旋流分離器僅旋流器具有中心錐的1/4剖 視立體圖；圖2 本實用新型提出的多孔壁超音速旋流分離器僅旋流器具有中心錐的1/4剖 視主視圖；圖3 本實用新型提出的多孔壁超音速旋流分離器的1/4剖視立體圖；圖4 本實用新型提出的多孔壁超音速旋流分離器的1/4剖視立體圖的局部放大 圖；圖5 本實用新型提出的多孔壁超音速旋流分離器的1/4剖視主視圖。圖中
權(quán)利要求1.一種多孔壁超音速旋流分離器，其特征在于包括旋流器、Laval噴管和擴壓分離器；所述的旋流器包括旋流器外殼、中心錐A和葉片，所述的中心錐A與旋流器外殼同軸， 并置于旋流器外殼內(nèi)部，所述的葉片置于旋流器外殼和中心錐A之間；所述的Laval噴管包括順次軸向連接的Laval噴管收縮管和Laval噴管擴張管，所述 的Laval噴管收縮管與旋流器外殼軸向連接；所述的擴壓分離器包括分離器外殼和分離錐，所述的分離錐與分離器外殼同軸，且分 離錐置于分離器外殼的內(nèi)部，所述的分離錐為空心錐，且分離錐尖端形成一個分離環(huán)截面， 所述分離環(huán)截面置于Laval噴管擴張管的出口截面，分離環(huán)截面將Laval噴管擴張管的出 口截面分為內(nèi)層截面和外層截面，外層截面與分離器外殼內(nèi)壁、分離錐外壁之間形成分離 器，外層截面為分離器入口端，分離器出口端與濕氣出口 A相連接；內(nèi)層截面與分離錐的內(nèi) 壁之間形成擴壓器，內(nèi)層截面為擴壓器入口端，擴壓器出口端與輸氣管線相連接；所述的Laval噴管與分離器外殼至少其中之一表面上設(shè)置有用于排除濕氣流的若干 排液孔，具有排液孔的位置通過密封腔A和/或密封腔B密封，通過排液孔脫離出的濕氣經(jīng) 密封腔A和/或密封腔B收集后經(jīng)濕氣出口 B和/或濕氣出口 C流入濕氣處理系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔壁超音速旋流分離器，其特征在于所述排液孔設(shè) 置于所述的Laval噴管的Laval噴管收縮管和Laval噴管擴張管管壁上，且所述的Laval 噴管收縮管和Laval噴管擴張管的外表面通過密封腔A密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔壁超音速旋流分離器，其特征在于所述排液孔設(shè) 置于所述分離器外殼上，且所述的分離器外殼的外表面通過密封腔B密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔壁超音速旋流分離器，其特征在于所述排液孔設(shè) 置于所述Laval噴管管壁和分離器外殼上，且所述的Laval噴管外表面和分離器的外表面 分別通過密封腔A和密封腔B密封。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔壁超音速旋流分離器，其特征在于所述的Laval 噴管收縮管內(nèi)包含有中心錐B，所述的中心錐B與Laval噴管收縮管同軸，中心錐B與中心 錐A軸向連接；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多孔壁超音速旋流分離器，其特征在于所述的Laval 噴管擴張管內(nèi)包含有中心錐C，所述的中心錐C與Laval噴管擴張管同軸，中心錐C與中心 錐B軸向連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多孔壁超音速旋流分離器，其特征在于所述的擴壓分 離器的分離錐內(nèi)包含有中心錐D，所述的中心錐D與分離錐同軸；所述的中心錐D與中心錐 C軸向連接，Laval噴管擴張管的出口截面、分離錐的內(nèi)壁與中心錐D的外壁之間的空腔形 成擴壓器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項所述的一種多孔壁超音速旋流分離器，其特征在于所 述的擴壓器入口端截面積與分離器入口端截面積之比δ滿足1/4< δ <4，且分離器外殼 內(nèi)壁與分離錐外壁呈線性平行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項所述的一種多孔壁超音速旋流分離器，其特征在于所 述的排液孔的孔徑D小于等于2mm，相鄰兩個排液孔的中心間距L滿足D < L < IOD0
專利摘要本實用新型提出一種多孔壁超音速旋流分離器，所述的超音速旋流分離器包括旋流器、Laval噴管和擴壓分離器，所述的Laval噴管管壁和擴壓分離器的分離器外殼上至少一處設(shè)置有若干排液孔，所述的Laval噴管和擴壓分離器中優(yōu)選地設(shè)置有中心錐，解決了現(xiàn)有技術(shù)中凝結(jié)物再次蒸發(fā)和占據(jù)管道流通面積的技術(shù)問題，能夠及時脫出凝結(jié)出的液相組分，消除蒸發(fā)源，保證噴管流通面積，增強系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，提高其分離性能。
文檔編號B01D45/16GK201921602SQ201020670549
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者段然, 王常亮, 程霖, 蔣登宇, 韓景, 額日其太 申請人:北京航空航天大學(xué)