[发明专利]调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器

说明书

技术领域

本发明属于压力气体的膨胀制冷和冷凝分离技术领域。本发明的调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器，是一种能使气体膨胀升速降温，同时产生高速旋转流场，离心分离重组分冷凝液的超小型高效静止式冷凝分离装置。

背景技术

利用压力气体自身的压力能膨胀制冷，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提取。该工艺过程广泛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等领域。

压力气体膨胀制冷，可用设备有透平膨胀机、气波制冷机或节流阀等。节流阀结构简单，但为等焓降压，压力能利用率极低，制冷温度有限。透平膨胀机效率较高，但操作、管理和维护繁杂，带液运转能力差。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（Shell）公司在1997年购买了超音速分离的专利后，进一步研发并将其应用于天然气处理，取得突破，先后对其Twister装置申请了多项国际专利（US 6513345 B1, US 2002/0194988 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验证与应用，目前仍在完善与改进中。壳牌的Twister装置主要用于高压气体的脱水，在压力为7～15MPa和冷凝压力超过5MPa条件下，重量、体积和成本方面有较大缩减，无活动部件，可无人操作，海上应用具有较大优势。但Twister装置产生旋流的部件，是大后掠角长三角翼，尽管具有分离效率高优点，但该构件附近易产生激波，破坏低温低压环境，造成冷凝流场不稳定。西安交通大学提出的多进气道超音速旋流分离与回压装置（ZL200610043158. 2），发生旋流采用多个渐缩或超音速喷嘴，使气流增速，静温降低，重组分凝结成核并长大，同时高速气流沿切向进入旋流分离管。但该装置喷嘴中凝结的液滴，在射入分离管时，易二次挥发；喷嘴出口的气速过高，易生成激波，降低效率。大连理工大学获得的专利：锥芯式超音速冷凝旋流分离器（ZL 200810011258.6），是使气流沿着分离管截面的切向进入管内而产生旋转流，同时在管内渐缩、渐扩的流道中逐渐加速到超音速，且由动量矩守恒关系，随着流道的收缩，气流加速旋转。其最大特点是：在管内超音速段，不是靠内径逐渐增大而产生扩张流道。而是由在等径管中插入渐细的内锥芯，使流道截面积渐扩而产生超音速流，和产生更强的旋转以利于分离。从而避免了加工小锥角渐扩内孔的困难。

但以上各种超音速冷凝旋流分离器，都有一个固定面积的喉部截面，当进、出口的压力比、特别是凝液排出压力偏离设计时，分离管内就产生激波，不仅造成了压力能的损失，而且激波的加热作用，会使已冷凝的雾化液滴重新蒸发，降低了气液分离的效果。因此，变工况适应能力差，是超音速冷凝旋流分离器的很大弱点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、设计加工容易、运行稳定可靠、压力转换效率较高、特别是对压力变化的适应能力强的、用于混合气体冷凝分离的制冷与分离一体化的新型超音速分离装置——调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器。

当进口压力高于设计值时，根据可压缩流体力学理论，喷管喉部的临界压力与进口压力之比保持不变，因此临界压力随着进口压力的升高也升高，喷管超音速段各截面的压力也随之升高。如果凝液排出口的压力没有随之上升，超音速段流道内必定会产生激波，损失压力以适应。而当凝液排出口的压力低于设计值时也是如此。

为消除上述激波的产生，唯一的措施就是增大喷管在凝液出口位置处的截面积与喉部截面积之比，增加前者很难实施，而相应地减小喉部截面积是最好的选择。

而当进口压力低于设计值，或是凝液排出口的压力高于设计值时，也会在超音速段流道的始端产生激波，这时欲消除激波，就需要减小喷管在凝液出口位置处的截面积与喉部截面积之比，相应地增加喉部截面积就能满足。

本发明调芯式变截面管超音速冷凝旋流分离器，就是一种能够在工作状态下，随意调节其喉部截面积的可调式压力自适应型分离器，其调节喉部截面积、适应压力变化的技术解决方案为：采用向锥孔型流道的内部中心，嵌插入一个其位置可以进退调节的锥形芯，将通流流道截面变成一个环形，且通过该锥芯的连续调节伸入，环形的内径连续增加——环形流道的截面积则连续地减小，如此可使流道的最小截面（喉部）面积发生连续的改变。