[实用新型]锥芯式超音速冷凝旋流分离装置

说明书

技术领域

本实用新型属于压力气体的膨胀制冷和冷凝分离技术领域，是一种使气体高速膨胀降温，再在其高速旋转流场中分离重组分凝液的静止式冷凝分离装置。

背景技术

利用压力气体压力能膨胀制冷，使其中的重组分冷凝成液体，然后进行气液分离，以实现混合气体中重组分的分离。这项技术可以广泛的应用于各种混合气体的分离场合，尤其是在天然气脱水净化和轻烃回收领域极具应用价值。常规的天然气深冷工艺常采用“布雷顿”循环，关键设备是膨胀制冷机，其中有透平膨胀机、气波制冷机或节流阀等。节流阀的结构简单，但其只是等焓降压，压力能利用率很低，制冷温度有限。透平膨胀机的效率较高，但操作、管理和维护繁杂，带液运行能力差。发展简易、耐用、易操作管理的新型一体化制冷加分离技术，对于天然气处理等领域的意义重大。壳牌公司(Shell)在1997年购买了超音速分离的相关专利后，进一步研发并着力将其应用于天然气处理，取得一些突破，先后对其Twister装置申请了多项国际专利(US 6513345B1，US2002/0194988 A1，US 2003/0145724 A1，WO 03/092850 A1，WO 2004/020074等)。并于2003年在马来西亚石油公司海上气田及尼日利亚气田开发中得到了验证与应用，目前仍在完善与改进中。壳牌公司的Twister装置主要用于高压气体的脱水，在压力为7～15MPa和烃冷凝压力超过5MPa条件下，在重量、机体积和成本方面有较大的节省，在海上应用有较大的优势。Twister装置具无活动部件和不需添加化学药剂等特点，且可无人操作。但该装置产生旋流的部件是大后掠角长三角翼，尽管具有旋流分离效率高的优点，但在该构件附近易产生激波，破坏低温低压环境，造成冷凝流场的不稳定。西安交通大学提出多进气道超音速旋流分离与回压装置(ZL200610043158.2)，其旋流发生采用多个渐缩或超音速喷嘴，使气流增速，温度降低到湿气凝结所需的过冷度以下，使重组分在过冷的氛围中凝结成核并长大，同时高速气流沿着一定的切向进入旋流分离管。但该装置喷嘴中产生的液滴在射入分离管时，易使已经凝结的液滴二次挥发，引起不必要的过冷度损失；喷嘴出口的气体速度过高(音速或超音速)，旋转强度过大，降低了总压效率。此外，Shell的Twister和西交大的多进气道超音速旋流分离与回压装置的超音速旋流分离部分，都是采用角度较小的渐扩管，加工这种光滑渐扩管的难度很大，而且渐扩管中旋流强度会随渐扩管直径的增加而减小，降低气液分离效果。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、加工容易、运行稳定可靠、压力转换效率较高、用于混合气体冷凝分离的制冷与分离一体化的锥芯式超音速冷凝旋流分离装置。

本实用新型锥芯式超音速冷凝旋流分离装置的技术解决方案为：采用向流道中插入锥芯的结构，遂使包括旋流发生器、渐缩旋转强化段和冷凝分离喷管的横截面，均是由一个锥芯占据中心位置而与外壳内壁围成的环形。

由于插入锥芯的直径可以在各处任意改变，因此环形流道就很容易形成截面渐缩、喉部相等段、截面渐扩的结构，特别是在超音速渐扩段，可以采用直径逐渐缩小的锥芯而喷管内径保持不变的策略，形成沿长度方向上外径不变、内径不断缩小的环截面扩锥流道，不但避免了加工渐扩流道内孔的困难和成本，而且流道的外径保持不变，内径缩小，内旋流场更加增强。这如同涡流管的作用，使在内径处的气流温度更低，露点更低且凝液充分外甩分离，更有利于提高出口气的干度。

本实用新型锥芯式超音速冷凝旋流分离装置中，分离作用的旋转流场是由周向均布的弯弧形叶片导流产生的，这些叶片使气体切向进入加速流道，在外孔和内芯均为缩锥的亚音速流道段，流道的半径缩减很快，根据动量矩守恒规律，流体的旋转角速度会大幅度提高，可以产生很强的离心力场。

本实用新型锥芯式超音速冷凝旋流分离装置，由外壳内孔和插入的锥芯围成通流截面渐缩、喉部和渐扩的流道，流体在流道中被加速到很高的超音速，静温则降到与马赫数相对应的低温，使其中的重组分过冷凝析，并伴随着气流的高速自旋被分离导流道的内壁，细小液滴不断地互相碰撞长大，并在气流的带动下向下游流动。