[发明专利]一种渐扩旋流型超声速喷管

说明书

技术领域

本发明涉及一种渐扩旋流型超声速喷管，主要应用于天然气中水和重烃组分的脱除，属于天然气加工与处理技术领域。

背景技术

随着社会经济的迅速发展，对天然气的需求量与日俱增。在天然气外输和使用之前，需要进行脱水、脱重烃等工艺。超声速旋流分离技术是今年来新兴的天然气加工处理技术，被广泛应用于天然气脱水、脱重烃等领域，具有无需化学药剂、支持无人值守、密闭无泄漏等优势，对海上气田气源的开发利用有重要意义。

国外，荷兰壳牌石油公司发展了天然气超声速脱离技术的研究，包括基础基础理论研究、数值模拟、实验室研究和现场试验研究，代表性专利有US 6513345B1、US 6524368B2、US 3773825B2、US 6962199B1、US 7261766B2、US 7318849B2、US 7494535B2等。荷兰的埃因霍恩科技大学、Stork Product Engineering公司和Shell公司的研究机构中进行，发展了一些描述分离器内部复杂流动的分析和数值模拟工具。TwisterBV公司安装了一套试验设备，用于研究富天然气的处理，并在尼日利亚的试验装置开始运转，成功地将85万立方米/天的天然气脱水到管线要求的标准。

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，具有代表性的结构有ZL 200810011258.6、ZL200910023458.8及申请号200910024347.9、200910081813.7、200910093744.1、201010597341.3等。

超声速旋流分离器在天然气脱水、脱重烃方面具有良好的技术应用，但是也存在一定的缺陷，例如结构较为复杂，加工存在难度，同时，由于结构复杂，容易产生激波效应，导致水蒸气和重组分在凝结后极易出现二次蒸发现象，使水、重组分的脱除效率明显下降。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种结构简单、工作稳定的用于天然气处理的渐扩旋流型超声速喷管，其具体采用的技术方案如下：

本发明提出一种渐扩旋流型超声速喷管，主要包括喷管入口、喷管渐缩段、喷管喉部、喷管渐扩段、喷管出口、位于喷管渐扩段的旋流器等。

上述喷管渐缩段采用双三次曲线法设计，该方法使得流场过度自然，涡流较小，可在收缩段出口处获得均匀气流，其曲线方程满足：

上述方程式中，x为喷管轴向距离；r_cr为喷管喉部截面半径；r为喷管任意轴向距离x处的截面半径；L为喷管渐缩段长度；X_m为前后两段曲线连接点的相对坐标。

上述喷管喉部直径的选取受到气流流量的限制，喷管喉部直径尺寸采用真实气体状态BWRS方程进行计算，喉部曲线变化不能太快，故选用一段圆弧作为喷管渐缩段与喷管渐扩段的圆滑过渡。

上述喷管渐扩段采用锥形管设计，扩张角为1～10度，保证流经旋流器气流均匀。

上述旋流器由2～8部分结构相同的风扇形叶片组成，该结构可以使气体产生高速旋流，旋流产生的巨大离心力将液滴甩至超声速喷管壁面。

含有水蒸气、重烃组分的天然气经气体入口进入超声速喷管膨胀加速，经过喉部之后加速至超声速，在喷管内低温低压的环境下，其中的水蒸气和重烃组分凝成液滴，再流经喷管渐扩段的旋流器，在超声速条件下实现高速旋流，旋流产生的巨大离心力将液滴甩至超声速喷管壁面，在后续工序中被分离或吸收，从而实现天然气中水和重烃组分的脱除。

本发明提供的天然气超声速旋流分离系统有益效果是：相较于结构复杂超声速旋流分离器加工十分方便，容易实现水、重烃的凝结与旋流分离，同时避免了激波效应与凝结液滴的二次蒸发现象，可代替传统的超声速分离器实现天然气的脱水、脱重烃等复杂工艺。

附图说明

图1：本发明提出的一种渐扩旋流型超声速喷管整体结构示意图。

图2：本发明提出的一种渐扩旋流型超声速喷管所采用的喷管线型示意图。

图3：本发明提出的一种渐扩旋流型超声速喷管所采用的旋流器整体结构示意图。

图4：本发明提出的一种渐扩旋流型超声速喷管所采用的旋流器侧视图。

1-喷管入口、2-喷管渐缩段、3-喷管喉部、4-喷管渐扩段、5-喷管出口、6-旋流器。

具体实施方式

现结合附图对作本发明进一步描述：