[实用新型]一种气体超声速凝结与旋流分离喷管

说明书

技术领域：

本发明涉及一种气体超声速凝结与旋流分离喷管，主要应用于气体净化，特别是天然气脱水和重烃分离等领域。

背景技术：

传统的气体脱水技术主要有冷却法、吸收法、吸附法及膜分离法。冷却法利用气体的含水量随着温度的下降或压力的升高而减小的原理来实现气体脱水，主要包括直接冷却法、加压冷却法、膨胀制冷法和蒸汽压缩制冷法等。为了防止形成水合物，需要加热系统或者需要加入水合物抑制剂及相应的回收系统。吸收法是利用气体在液体中溶解度不同这一原理来实现气体脱水，该类方法工艺流程复杂，设备多，系统庞大。吸附法是一种固体表面传质现象，它利用多孔性固体吸附剂使水分子在分子引力或化学键力的作用下被吸附在固体表面，从而达到气体脱水的目的，其主要缺点是设备较多，投资和操作费用高。膜分离法的原理是在压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜内不同的渗透率来进行气体脱水，但将膜分离法大规模地应用在现有的工业中，存在一次性投资大等问题。

超声速旋流分离技术是近年来应用于天然气脱水的一项新技术，国外的壳牌石油公司和ENGO石油公司分别进行了相关的研究工作，主要开发了“TwisterI”第一代、“TwisterII”第二代和“3S”三种超声速旋流分离装置，并申请了多项专利。专利US 6513345B1、US 6524368B2、US 3773825B2、US 6962199B1，US 7261766B2，US 7318849B2、US 7494535B2、WO2003/092850A1、WO 2004/020074A1等的核心是将翼型安装在超声速段来产生较强的旋流，但由于速度的转化发生在超声速条件下，翼型后容易产生激波，破坏低温低压环境，降低超声速分离器的分离效率。美国专利US 7357825B2、US 2008/0196581A1和US 2010/0147021A1将旋流装置布置在喷管之前，有利于取得较好的旋流场，但装置的加工和安装难度大，尤其是中心体与外壳的同轴心度难以保证，从而容易造成旋流场的不稳定。专利EP 1131588B1、US 6372019B1和US 2010/0147023A1将旋流发生器安装在Laval喷管之前，激波容易控制，但旋转气体进入Laval喷管后容易发生涡耗散，降低了分离效率。

国内的中国石油大学(华东)、北京工业大学、大连理工大学、西安交通大学和北京航空航天大学对超声速旋流分离技术进行了相关的研究工作。中国专利ZL 200410074338.8采用旋流装置安装在超声速段的方式，易产生激波；申请号200810224499.9专利和申请号200910093744.1专利将旋流叶片安装在高速流动区域，流体流动损失大；专利ZL200610043158.2、申请号200610105199.X和ZL 200910023458.8等存在着旋转气体容易发生涡耗散的问题；专利ZL200810011258.6采取流体切向进入分离装置的形式，压力损失较大，降低了总压恢复效率；申请号200910081813.7的专利结构和“TwisterII”分离器类似，但其涡流控制体的对中更加困难，难以保证同轴旋流；西安交通大学的申请号200910024347.9专利超声速段后设有激波压缩区，将超声速压缩减速到亚声速，但液滴在亚音速区容易发生再挥发，降低分离器的分离效率；申请号200910084262.X专利的本质是将多个超音速分离管并联以增大处理量；申请号201010597341.3专利设计了多个出口的超音速旋流分离器，增加了液体出口的气体夹带量，而且多个出口也难以在现场应用。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种结构紧凑、旋流能力强、运行稳定可靠、并能有效控制超声速扩张流道内的膨胀波的气体超声速凝结与旋流分离喷管。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括直管段、中心体、旋流叶片、收缩段、扩张段、入口和出口，其特征在于：由收缩段、扩张段和中心体构成环形的收缩-扩张喷管；收缩段为渐缩结构，扩张段为渐扩结构；旋流叶片上端与直管段内壁面固定联接，下端与中心体表面固定联接。

本发明所述气体超声速凝结与旋流分离喷管中，收缩段、扩张段和中心体构成环形的收缩-扩张喷管，形成亚声速收缩流道、喉部和超声速扩张流道；气体在收缩流道中平稳加速，在喉部达到声速，在扩张流道中达到超声速，形成低温低压，导致水和重烃组分的凝结。

本发明所述气体超声速凝结与旋流分离喷管中，收缩段为一渐缩结构，其轮廓曲线按照如下曲线方程来设计：