[發(fā)明專利]一種氣體超聲速凝結與旋流分離噴管

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110396865.0
• 申請日: 2011-12-02
• 公開（公告）號: CN102489081A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發(fā)明（設計）人: 文闖;曹學文;楊燕
• 申請（專利權）人: 文闖
• 主分類號: B01D45/16
• 分類號: B01D45/16;C10L3/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發(fā)明涉及一種氣體超聲速凝結與旋流分離噴管，主要應用于氣體凈化，特別是天然氣脫水和重烴分離等領域。

背景技術：

傳統(tǒng)的氣體脫水技術主要有冷卻法、吸收法、吸附法及膜分離法。冷卻法利用氣體的含水量隨著溫度的下降或壓力的升高而減小的原理來實現(xiàn)氣體脫水，主要包括直接冷卻法、加壓冷卻法、膨脹制冷法和蒸汽壓縮制冷法等。為了防止形成水合物，需要加熱系統(tǒng)或者需要加入水合物抑制劑及相應的回收系統(tǒng)。吸收法是利用氣體在液體中溶解度不同這一原理來實現(xiàn)氣體脫水，該類方法工藝流程復雜，設備多，系統(tǒng)龐大。吸附法是一種固體表面?zhèn)髻|(zhì)現(xiàn)象，它利用多孔性固體吸附劑使水分子在分子引力或化學鍵力的作用下被吸附在固體表面，從而達到氣體脫水的目的，其主要缺點是設備較多，投資和操作費用高。膜分離法的原理是在壓力驅(qū)動下，借助氣體中各組分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜內(nèi)不同的滲透率來進行氣體脫水，但將膜分離法大規(guī)模地應用在現(xiàn)有的工業(yè)中，存在一次性投資大等問題。

超聲速旋流分離技術是近年來應用于天然氣脫水的一項新技術，國外的殼牌石油公司和ENGO石油公司分別進行了相關的研究工作，主要開發(fā)了“TwisterI”第一代、“TwisterII”第二代和“3S”三種超聲速旋流分離裝置，并申請了多項專利。專利US?6513345B1、US?6524368B2、US?3773825B2、US?6962199B1，US?7261766B2，US?7318849B2、US?7494535B2、WO2003/092850A1、WO?2004/020074A1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?7357825B2、US?2008/0196581A1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?1131588B1、US?6372019B1和US?2010/0147023A1將旋流發(fā)生器安裝在Laval噴管之前，激波容易控制，但旋轉氣體進入Laval噴管后容易發(fā)生渦耗散，降低了分離效率。

國內(nèi)的中國石油大學(華東)、北京工業(yè)大學、大連理工大學、西安交通大學和北京航空航天大學對超聲速旋流分離技術進行了相關的研究工作。中國專利ZL?200410074338.8采用旋流裝置安裝在超聲速段的方式，易產(chǎn)生激波；申請?zhí)?00810224499.9專利和申請?zhí)?00910093744.1專利將旋流葉片安裝在高速流動區(qū)域，流體流動損失大；專利ZL200610043158.2、申請?zhí)?00610105199.X和ZL?200910023458.8等存在著旋轉氣體容易發(fā)生渦耗散的問題；專利ZL200810011258.6采取流體切向進入分離裝置的形式，壓力損失較大，降低了總壓恢復效率；申請?zhí)?00910081813.7的專利結構和“TwisterII”分離器類似，但其渦流控制體的對中更加困難，難以保證同軸旋流；西安交通大學的申請?zhí)?00910024347.9專利超聲速段后設有激波壓縮區(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；申請?zhí)?00910084262.X專利的本質(zhì)是將多個超音速分離管并聯(lián)以增大處理量；申請?zhí)?01010597341.3專利設計了多個出口的超音速旋流分離器，增加了液體出口的氣體夾帶量，而且多個出口也難以在現(xiàn)場應用。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提出一種結構緊湊、旋流能力強、運行穩(wěn)定可靠、并能有效控制超聲速擴張流道內(nèi)的膨脹波的氣體超聲速凝結與旋流分離噴管。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：包括直管段、中心體、旋流葉片、收縮段、擴張段、入口和出口，其特征在于：由收縮段、擴張段和中心體構成環(huán)形的收縮-擴張噴管；收縮段為漸縮結構，擴張段為漸擴結構；旋流葉片上端與直管段內(nèi)壁面固定聯(lián)接，下端與中心體表面固定聯(lián)接。

本發(fā)明所述氣體超聲速凝結與旋流分離噴管中，收縮段、擴張段和中心體構成環(huán)形的收縮-擴張噴管，形成亞聲速收縮流道、喉部和超聲速擴張流道；氣體在收縮流道中平穩(wěn)加速，在喉部達到聲速，在擴張流道中達到超聲速，形成低溫低壓，導致水和重烴組分的凝結。

本發(fā)明所述氣體超聲速凝結與旋流分離噴管中，收縮段為一漸縮結構，其輪廓曲線按照如下曲線方程來設計：