[发明专利]自引射循环回流超音速旋流分离器及其分离方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自引射循环回流超音速旋流分离器及其分离方法，属于超音速冷凝分离装置技术领域。

背景技术

超音速分离器具有无转动部件、耐高压、无需外部动力驱动、成本低及运行可靠等优点。在天然气脱水、脱重烃和轻烃回收领域有很强的适用性。目前，超音速脱水技术在国内、外都仍处于试验与初步现场应用阶段，尽管已有商业应用的实例，但是在超音速分离效率和操作弹性范围等方面仍存在一些局限性。超音速分离器主要有U型、旋流后置型和旋流前置型三类。Garret等为代表的U型超音速分离器，该装置由Laval喷管与一个截面为矩形的U型通道相连构成（US3528217）。该型设备结构过于复杂，而且部分需要辅助电磁场或注入抑制剂来解决水合物和冻堵问题。Twister BV公司研制的Twister™ Mark I为代表的旋流叶片后置型超音速分离器，该型设备建立的涡流模型在增加叶片迎角时，叶片的拦截效果和涡流不对称。而且当超音速气体与旋流叶片相碰时，会产生强烈的激波，这会造成很大的能量损失，甚至影响流场，破坏水蒸汽自发凝结时所需要的低温低压环境，从而使得凝结的液滴在分离段由于温度压力的升高发生二次挥发，最终导致压力损失较大和离效率的降低。Twister BV公司研制的Twister™ Mark II和Translang公司研制的3S为代表的旋流前置式超音速分离器（US6372019）虽然克服了旋流后置型分离器的缺点，但是由于流体在进入喷管前就已经开始旋转，旋转的强度虽高，但经过喷管和直管段到达气液分离出口时，旋转强度已经下降，会导致分离不够彻底，而且随着操作参数的不断变化，会导致此装置的激波发生位置的范围不断变化，很大几率会进入喷管内，会对的工作性能产生剧烈影响。此外，该型设备仍存在的无法适应实际不断变化的出入口压力条件的问题。此外，北京航空航天大学的一种双喉道自起动超音速旋流分离器及其分离方法（CN102274805B）采用双喷管串联的结构形式，同时在扩压器收缩段和扩压器扩张段之间通过多孔壁结构形成一个扩压器喉道流通截面积可调的气动调节结构，在扩压器收缩段和扩压器扩张段压差作用下实现气动可调性。但是该型设备带循环的超音速分离器的排液间隙均采用的是不同内外半径套管构成的环状排液间隙结构，达到排除凝析液的目的。在凝析液产量过大的情形下，需要增加这一环隙的大小时，会导致在超音速拉法尔管扩压段内产生激波，引起喷管内静温升高，凝析液蒸发，从而造成了分离效率的下降、压力能的损失较大。所以，排液的环隙结构是上述超音速旋流分离设备的一个缺陷。北京工业大学提出了一种湿气再循环超音速气体净化分离器（CN 201534048 U）。该结构利用排液口和拉法尔管扩压段出口处的压差，将排液腔内的湿气进行多次循环从而得到除去液体的干气，但是该装置采用的是旋流器后置的结构，从喷管出来的超音速气流撞击叶片会产生激波，且有较大压损，不适用于进口压力较低的工况。同时该设备也存在双喉道自起动超音速旋流分离器类似的排液环隙结构的缺陷。

因此，有必要开发出一种克服上述缺陷的新型超音速分离设备。

发明内容

本发明的目的在于克服以上技术的不足，提供一种结构简单、设计加工容易、运行稳定可靠、湿组分脱除率高、增强凝析液脱除能力，同时可以适应压力变化的、用于混合气体冷凝分离的制冷与分离一体化的自引射循环回流超音速旋流分离器及其分离方法。

本发明采用的技术方案是：一种自引射循环回流超音速旋流分离器，它包括进气腔旋流结构、拉法尔管、分液结构和压力恢复段，它还包括一个积液腔；所述进气腔旋流结构包含连接进气腔的进气管、位于进气腔中的旋流发生器和设置在进气腔端部的进气腔挡板；所述拉法尔管包含连接旋流发生器的拉法尔管渐缩段和拉法尔管扩压段；所述分液结构包含连接拉法尔管扩压段的稳定锥度段和出口连接压力恢复段的喷管降速直段；所述积液腔包含分离腔和位于分离腔内的过滤段，分离腔与稳定锥度段外侧的排液腔连接，过滤段的出口经回流管连接设置在拉法尔管渐缩段中的旋流发生器和导流锥的回流通道，导流锥的锥端设有多个导流锥侧向开口，导流锥侧向开口的中心线距锥尖距离为10-50mm；所述旋流发生器与导流锥连接后构成的整体通过法兰与回流管连接，回流管法兰采用焊接方式与回流管连接，回流管法兰与进气腔挡板之间设置金属垫片，采用连接螺钉调节间隙，在回流管法兰与进气腔挡板之间设置o型密封圈。

所述旋流发生器的出口处与导流锥的进口处采用螺纹连接，螺纹的长度为20-200 mm。

所述旋流发生器内的回流通道直径与回流管的内径相同，导流锥内的回流通道采用向出口方向渐缩的圆形截面通道。