[发明专利]一种管道式高流速气液分离装置和方法

说明书

本发明公开了一种管道式高流速气液分离装置和方法，气液两相流体在主路管流经旋流装置后，液相受到离心力作用在管壁形成均匀厚度的旋流液膜，气芯在管道中心流动；当旋流液膜流经管壁上的切向窄流道时，由于切向窄流道布置方向和液膜运动的方向一致，阻力极小，大部分的旋流液膜通过自身的动能和惯性从切向窄流道中流出，在管道内即可完成气液分离；同时，在分离液膜的过程中，管壁切向窄流道对气芯的流动几乎没有任何影响；本发明管壁切向窄流道对液膜流动的阻力小，并对气芯的流动影响很小，降低了因为高气速造成气路的液相夹带，可以很好地提高分离器的入口气速范围，尤其适合入口高流速的情况，整个气液分离在管道内便可完成，缩小了分离器的体积。

技术领域

本发明涉及气液两相流体分离技术领域，具体涉及一种管道式高流速气液分离装置和方法。

背景技术

气液两相流分离技术在电力、石油、化工、核工程等领域有着广泛的应用。传统的气液分离器主要是依靠重力和离心力来分离，比如工业中应用最广泛的旋风分离器，气液两相流体通过切向入口进入旋风分离器，流体在分离器内形成旋流流动。在重力和离心力的作用下，液相被推向壁面并向下流动，从底部液体出口排出；气相则集中在中心，从顶部气体出口排出。为防止液膜被上升的高速气流撕裂而引起严重的夹带，分离器的轴向上升气流速度在设计守则中都有明显限制，通常而言，高压时小于0.4米/秒，低压时小于1.1米/秒，所以旋风筒的直径是入口管径的好几倍。因此，传统的气液分离器往往体积大、重量大、造价高。近年来，为了降低成本，出现了很多紧凑型气液分离器，如GLCC和旋叶汽水分离器等。但是高速上升气流仍然容易夹带液相进入GLCC的气路出口，入口气速的运行范围十分有限，通常来说小于9.2m/s。Wang et al.(2003)(文献Wang S.,Gomez L.E.,Mohan R.S.,et al.Gas-Liquid Cylindrical Cyclone(GLCC)Compact Separators for Wet GasApplications[J].Journal of Energy Resources Technology,2003,125(1).)提出了一种改进型的GLCC，通过在GLCC上部加装AFE，通过旋流作用来分离气路出口中的液相夹带，入口气相折算速度提高到了18m/s。旋叶汽水分离器通过在旋流叶片下游安装的中心管来分离液膜，液膜通过中心管外壁和分离筒内壁之间的环形空间排出，气芯从中心管流入下游。但在气芯和液膜分离过程中，气芯流入中心管时会发生突然的收缩，流速增加，很容易夹带液相进入气路，一般来说，在常温常压下，入口气相折算速度小于24m/s。

美国专利US3884660和US4180391提出了一种管式气液分离器。一个沉降室内包含着一个主路管道，在主路管内安装有一个旋流装置，该主路管在旋流装置的下游设置有一个或两个环形喷射口。气液两相流体流经旋流装置后，由于一部分液相没有足够的动能克服环形喷口的阻力，为了让全部液膜通过环形喷射口排出，所以一部分气体不得不同液膜一起通过环形喷射口喷射到沉降室中，最后在沉降室中依靠重力分离。然而，这使得它仍然是一个容器式分离器，体积很大。

美国专利US4909067和US4856461提出了一种气液分离装置，主要由一个圆柱壳与其内部包裹着与圆柱壳同轴的中心管构成，在中心管内部同轴安装有螺旋扰流子，中心管管壁上开有小孔。当气液两相流体流经螺旋扰流子时，流体产生旋转，液滴受到离心力的作用向管壁运动并穿过管壁上的小孔落到圆柱壳内的液体收集箱内，完成气液分离。但是，当气流速度超过4.9m/s时，液滴无法被完全去除。温以千(2009)(文献：温以千.多孔管气液分离器实验研究[D].西安：西安交通大学，2009)在此基础提出了一种改进型气液分离器，把直管段换成了管壁带孔的锥形管，同时在锥形管的入口中心安装一个旋流装置。实验结果表明，气相折算流速度可以达到30m/s。与此同理类似还有美国专利US7381235，提出了一种管壁带槽的旋流分离器，在管道内安装有旋流装置，在旋流叶片的下游管壁上开有几个竖直的槽(或者一个螺旋的槽)，均匀布置在管壁圆周方向。