專利名稱：一種天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置，主要應(yīng)用于天然氣脫水和重?zé)N分離等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源消耗量不斷增加，對天然氣的需求也迅速增加，天然氣作為潔凈、高效、優(yōu)質(zhì)的燃料將是實現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要支柱。然而，從井口開采的天然氣含有大量的飽和水蒸氣，在天然氣集輸和處理過程中，當(dāng)溫度降至天然氣露點溫度時，飽和蒸汽便會凝結(jié)形成液態(tài)水，從而降低管道輸送能力，增大動力消耗；與烴結(jié)合形成水合物引起管道及閥門的堵塞；與H2S和CO2等酸性氣體作用加速管道和設(shè)備的腐蝕。因此天然氣防凍、脫水和重?zé)N分離是油氣集輸系統(tǒng)的重要工藝環(huán)節(jié)。但傳統(tǒng)的處理方法存在著系統(tǒng)效率低、能源浪費，且過程極為復(fù)雜，耗資巨大，需要龐大的設(shè)備，成本和運行費用很高等缺點。荷蘭殼牌和俄羅斯的ENGO石油公司分別獨立將超聲速旋流分離技術(shù)應(yīng)用于天然氣加工處理領(lǐng)域，主要開發(fā)了三種超聲速旋流分離裝置“TWisterI”第一代、“Twisterll” 第二代和“3S”分離器。2000年，Shell公司與Beacom公司聯(lián)合成立了 Twister BV公司以研究和推廣超聲速旋流分離技術(shù)，并于2003年在其所屬的馬來西亞Bll海上平臺上首次安裝了 2套TwisterI脫水系統(tǒng)，用于天然氣脫水處理，標(biāo)志著Twister分離器進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。2004年9月，第一套“3S”工業(yè)裝置在俄羅斯西伯利亞一座天然氣處理量超過 4X108m7a的天然氣處理廠的低溫系統(tǒng)中成功運行，完成了從試驗研究到工業(yè)化應(yīng)用的全過程。兩大石油公司還分別對“TWiSterI”、“TWiSterII”和“3S”分離器申請了多項專利。 專利 US 6513345 Bi、US 6524368B2、US 3773825 B2、US 6962199 Bi, US 7261766 B2, US 7318849 B2、US 7494535 B2.W02003/092850 AUffO 2004/020074 Al 等的核心是將翼型安裝在超聲速段來產(chǎn)生較強的旋流，但由于速度的轉(zhuǎn)化發(fā)生在超聲速條件下，翼型后容易產(chǎn)生激波，破壞低溫低壓環(huán)境，降低超聲速分離器的分離效率。美國專利US 7357825 B2、US 2008/0196581 Al和US 2010/0147021A1將旋流裝置布置在噴管之前，有利于取得較好的旋流場，但裝置的加工和安裝難度大，尤其是中心體與外殼的同軸心度難以保證，從而容易造成旋流場的不穩(wěn)定。專利EP 1131588 Bi、US 6372019 Bl和US 2010/0147023 Al將旋流發(fā)生器安裝在Laval噴管之前，激波容易控制，但旋轉(zhuǎn)氣體進(jìn)入Laval噴管后容易發(fā)生渦耗散，降低了分離效率。國內(nèi)的北京工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、西安交通大學(xué)和江漢石油機械研究所對超聲速旋流分離技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實驗研究工作。中國專利ZL 200420093240. 2 采用旋流裝置安裝在超聲速段的方式，易產(chǎn)生激波；專利ZL 200520111901、申請?zhí)?200610043158. 2、申請?zhí)?00810224499. 9和申請?zhí)?00910023458. 8等存在著旋轉(zhuǎn)氣體容易發(fā)生渦耗散的問題。大連理工申請的200820012508. 3專利采取流體切向進(jìn)入分離裝置的形式，壓力損失較大，降低了總壓恢復(fù)效率；專利200910081813. 7結(jié)構(gòu)和“Twisterll”分離器類似，但其渦流控制體的對中更加困難；西安交通大學(xué)的200910024347. 9專利超聲速段后設(shè)有激波壓縮區(qū)，將超聲速壓縮減速到亞聲速，但液滴在亞音速區(qū)容易發(fā)生再揮發(fā)，降低分離器的分離效率。

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)的不足，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、加工安裝精度高、運行穩(wěn)定可靠、具有較高分離效率的天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置由法蘭、等直徑外殼直管、外殼擴(kuò)張管、中心體、擴(kuò)壓管和排液管組成。等直徑的外殼直管和中心體之間的間隙形成截面變化的環(huán)形亞聲速收縮流道、喉部和超聲速擴(kuò)張流道；擴(kuò)壓管和中心體之間的間隙形成干氣擴(kuò)壓流道和干氣出口 ；外殼擴(kuò)張管和擴(kuò)壓管之間的間隙形成分液口、積液腔和液體出口。本發(fā)明天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置中，周向均勻布置的靜態(tài)旋流葉片安裝在橢球體上，由于此時速度的轉(zhuǎn)化發(fā)生在亞聲速條件下，葉片后不會產(chǎn)生激波；同時， 由于中心體的存在，超聲速旋流場的渦耗散現(xiàn)象得到控制。本發(fā)明天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置中，天然氣由濕氣入口進(jìn)入裝置后，氣流經(jīng)葉片旋轉(zhuǎn)后進(jìn)入由外殼直管和中心體構(gòu)成的超聲速擴(kuò)張流道膨脹至超聲速，形成低溫低壓，使天然氣中的水和重?zé)N發(fā)生凝結(jié)；同時，凝結(jié)的液滴在巨大的離心力作用下被甩向管壁，達(dá)到氣液分離的目的。這種使天然氣中的可凝組分在超聲速旋流場條件下膨脹制冷產(chǎn)生凝結(jié)的工作原理(邊旋流邊膨脹原理)可以有效地避免液滴的再蒸發(fā)程度，提高分離效率。本發(fā)明天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置中，外殼擴(kuò)張管和擴(kuò)壓管之間的間隙設(shè)有分液口，被分離的凝液和部分滑脫氣經(jīng)該分液口進(jìn)入積液腔由排液管排出；大部分干氣則進(jìn)入擴(kuò)壓流道，在擴(kuò)壓流道內(nèi)產(chǎn)生激波，速度由超聲速降到亞聲速，壓力和溫度回升，經(jīng)阻渦葉片導(dǎo)流后從干氣出口排出。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的中心體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的外管擴(kuò)張管和擴(kuò)壓管結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、法蘭，2、外殼直管，3、靜態(tài)旋流葉片，4、中心體，5、外殼擴(kuò)張管，6、阻渦葉片，7、法蘭，8、法蘭，9、擴(kuò)壓管，10、干氣出口，11、排液管，12、液體出口，13、積液腔，14、擴(kuò)壓流道，15、超聲速擴(kuò)張流道，16、噴管喉部，17、亞聲速收縮流道，18、飽和濕氣入口，19、半橢球體，20、收縮段，21、直段，22、尾段，23、分液口。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點和工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的技術(shù)方案參見圖1、2、3，本發(fā)明主要由法蘭1、外殼直管2、靜態(tài)旋流葉片 3、中心體4、外殼擴(kuò)張管5、阻渦葉片6、法蘭7、法蘭8、擴(kuò)壓管9、排液管11組成。其中，外殼直管2和中心體4構(gòu)成截面變化的環(huán)形收縮-擴(kuò)張噴管，形成亞聲速收縮流道17、噴管喉部16、超聲速擴(kuò)張流道15 ；擴(kuò)壓管9和中心體4構(gòu)成環(huán)形干氣擴(kuò)壓流道14 ；外殼擴(kuò)張管 5和擴(kuò)壓管9之間的間隙形成分液口 23和積液腔13。參見圖1、2、3，本發(fā)明的中心體4居于中心，與外殼直管2、外殼擴(kuò)張管5和擴(kuò)壓管 9同軸心，由靜態(tài)旋流葉片3和阻渦葉片6對中定位固定。中心體4由半橢球體19、收縮段 20、直段21和尾段22組成。其中，半橢球體19的長半軸半徑R2與短半軸半徑Rl之比滿足 2彡R2/R1彡10;收縮段20的收縮角α為1° 4° ；直段21進(jìn)入擴(kuò)壓流道14，直段長度 L為1. 5D1 ^ L ^ 10D1, Dl為直段直徑。半橢球體19和對應(yīng)的外殼直管2之間的間隙構(gòu)成亞聲速收縮流道17，氣體在該流道中被加速，在半橢球體19和收縮段20的交界處形成噴管喉部16，氣流速度達(dá)到聲速。收縮段20和對應(yīng)的外殼直管2之間的間隙形成超聲速擴(kuò)張流道15，氣體在該流道中被加速到超聲速，形成低溫低壓，水和重?zé)N開始凝結(jié)，凝結(jié)的液體在強烈的旋流離心場作用下被甩向管壁并隨氣體向前流動經(jīng)分液口 23流入積液腔13，經(jīng)排液管11后由液體出口 12排出。其中，分液口 23的距離Ad為0. OlDS Ad^O. 15D, D為外殼直管2的內(nèi)直徑。干氣進(jìn)入由擴(kuò)壓管9和中心體4構(gòu)成環(huán)形干氣擴(kuò)壓流道14，在擴(kuò)壓流道14內(nèi)產(chǎn)生激波，速度由超聲速降到亞聲速，壓力和溫度回升，經(jīng)阻渦葉片6導(dǎo)流后從干氣出口 10排出。參見圖1、2，本發(fā)明的靜態(tài)旋流葉片3周向均勻安裝在半橢球體29表面，不得進(jìn)入超聲速擴(kuò)張流道15，葉片數(shù)目為3 12片。參見圖1，本發(fā)明的靜態(tài)旋流葉片3和阻渦葉片6還對中心體4起對中定位作用， 阻渦葉片6還起支撐防振作用。參見圖1，外殼擴(kuò)張管5和擴(kuò)壓管9通過法蘭7和法蘭8固定連接，排液管11通過焊接和外殼直管2固定，從而保證本發(fā)明的天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置穩(wěn)定可靠運行。參見圖1，本發(fā)明的具體工作流程為飽和來氣由飽和濕氣入口 18進(jìn)入本裝置，經(jīng)靜態(tài)旋流葉片3旋流后依次進(jìn)入亞聲速收縮流道17、噴管喉部16、超聲速擴(kuò)張流道15，氣體膨脹至超聲速，形成低溫低壓，使天然氣中的水和重?zé)N發(fā)生凝結(jié)；凝結(jié)的液體在強烈的旋流離心場作用下被甩向管壁并隨氣體向前流動經(jīng)分液口 23流入積液腔13，經(jīng)排液管11后由液體出口 12排出；干氣進(jìn)入由擴(kuò)壓管9和中心體4構(gòu)成環(huán)形干氣擴(kuò)壓流道14，在擴(kuò)壓流道 14內(nèi)產(chǎn)生激波，速度由超聲速降到亞聲速，壓力和溫度回升，經(jīng)阻渦葉片6導(dǎo)流后從干氣出口 10排出。
權(quán)利要求
1.一種天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置，其特征在于包括法蘭(1)、外殼直管(2)、靜態(tài)旋流葉片(3)、中心體(4)、外殼擴(kuò)張管(5)、阻渦葉片(6)、擴(kuò)壓管(9)、排液管 (11)；外殼直管(2)左端為飽和濕氣入口(18)，擴(kuò)壓管(9)右端為干氣出口(10)，排液管 (11)下端為液體出口(12)；由外殼直管(2)和中心體(4)構(gòu)成環(huán)形的收縮-擴(kuò)張噴管，其中(17)為亞聲速收縮流道、(16)為噴管喉部、(15)為超聲速擴(kuò)張流道；由擴(kuò)壓管(9)和中心體(4)構(gòu)成環(huán)形干氣擴(kuò)壓流道(14)；外殼擴(kuò)張管(5)和擴(kuò)壓管(9)組成分液口(23)和積液腔(13)；積液腔(13)與排液管(11)相連通，形成液體出口 (12)；外殼擴(kuò)張管(5)和擴(kuò)壓管(9)通過法蘭(7)和法蘭⑶固定連接；靜態(tài)旋流葉片(3)上端與外殼直管(2)內(nèi)壁面固定聯(lián)接，下端與中心體(4)表面固定聯(lián)接；阻渦葉片(6)上端與擴(kuò)壓管(9)固定連接， 下端與中心體(4)固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置，其特征在于 等直徑的外殼直管(2)和中心體(4)構(gòu)成截面變化的環(huán)形收縮-擴(kuò)張噴管，形成亞聲速收縮流道(17)、噴管喉部(16)和超聲速擴(kuò)張流道(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置，其特征在于 中心體(4)由半橢球體(19)、收縮段(20)、直段(21)和尾段(22)組成；其中半橢球體(19) 的長半軸半徑R2與短半軸半徑Rl之比滿足2 ^ R2/R1 ^ 10 ；收縮段(20)的收縮角α為 1° 4° ;直段(21)進(jìn)入擴(kuò)壓流道(14)，直段長度1^為1.501<1^<1001，01為直段直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置，其特征在于 由外殼擴(kuò)張管(5)和擴(kuò)壓管(9)構(gòu)成的分液口(23)的距離Ad為0. OlD彡Ad彡0. 15D， D為外殼直管(2)的內(nèi)直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置，其特征在于 靜態(tài)旋流葉片⑶周向均勻安裝在半橢球體(29)表面，葉片數(shù)目為3 12片。
全文摘要
本發(fā)明是一種天然氣超聲速膨脹制冷與旋流分離裝置，天然氣經(jīng)旋流葉片產(chǎn)生旋流后進(jìn)入環(huán)形收縮-擴(kuò)張噴管膨脹至超聲速，低溫低壓使天然氣中的水和重?zé)N發(fā)生凝結(jié)；巨大的離心力將凝結(jié)液滴從氣相中分離出來，進(jìn)入積液腔后從液體出口排出，干氣進(jìn)入擴(kuò)壓管經(jīng)壓能恢復(fù)后由干氣出口排出。本裝置中的收縮-擴(kuò)張噴管由等直徑的外管和中心體構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工安裝，中心體和外管的同軸心度高；邊旋流邊膨脹原理有效減少液滴的再蒸發(fā)，提高分離效率；旋流葉片均勻安裝在亞聲速收縮段，葉片后不會產(chǎn)生激波，減少能量損失。具有結(jié)構(gòu)緊湊、加工安裝精度高、密閉無泄漏、無需化學(xué)藥劑、支持無人值守等優(yōu)點，在天然氣脫水和重?zé)N分離等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。
文檔編號C10G5/00GK102167988SQ201110046300
公開日2011年8月31日 申請日期2011年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月27日
發(fā)明者文闖, 曹學(xué)文, 楊燕, 蔣文明 申請人:文闖