專利名稱：一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，屬于多組分混合氣體的低溫凝結(jié)與旋流分離技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲速旋流分離技術(shù)是ー種應(yīng)用于天然氣集輸、加工與處理領(lǐng)域的新技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了氣體動(dòng)力學(xué)、工程熱力學(xué)和流體力學(xué)的理論，將膨脹降溫、旋流式氣/液分離、再壓縮等處理過(guò)程在一個(gè)密閉緊湊的裝置中完成，具有簡(jiǎn)單可靠、密閉無(wú)泄漏、無(wú)需化學(xué)藥劑和支持無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的加熱防凍和利用防凍劑防凍天然氣集輸エ藝相比，天然氣集輸系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用減少10 25%。國(guó)外的Twister BV公司和ENGO石油公司對(duì)超聲速旋流分離技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，Twister BV公司開(kāi)發(fā)了“ TwisterFIP“Twisterll”兩種型式的超聲速旋流分離器，ENGO公司分別開(kāi)發(fā)出了名為“3S”的超聲速旋流分離器，兩個(gè)公司的產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)推廣應(yīng)用階段。國(guó)內(nèi)的中國(guó)石油大學(xué)(華東)、北京エ業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、西安交通大學(xué)和北京航空航天大學(xué)對(duì)超聲速旋流分離技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。超聲速旋流分離裝置的主要結(jié)構(gòu)包括拉伐爾噴管、旋流裝置和擴(kuò)壓管等構(gòu)件，根據(jù)旋流裝置的安裝位置的不同，超聲速旋流分離器主要有兩種典型的結(jié)構(gòu)一種是將旋流裝置安裝在噴管后的超聲速段來(lái)產(chǎn)生旋流，故旋流裝置又稱作超聲速翼，在該種結(jié)構(gòu)種，由于速度的轉(zhuǎn)化發(fā)生在超聲速條件下，超聲速翼后容易產(chǎn)生激波，破壞低溫低壓環(huán)境，不利于液滴的生長(zhǎng)，降低超聲速分離器的分離效率，代表性的專利主要有國(guó)外的US6513345BU US 6524368B2、 US 3773825B2、 US 6962199B1, US 7261766B2, US 7318849B2、US 7494535B2, W02003/092850AU WO 2004/020074A1 和國(guó)內(nèi)的 ZL 200410074338. 8 等；另ー種是將旋流裝置安裝在噴管的入口，使氣體以旋流的形式進(jìn)入噴管進(jìn)行膨脹降溫，主要的專利有國(guó)外的 US7357825B2、US 2008/0196581AUUS 2010/0147021AUEP 1131588BUUS6372019B1、US 2010/0147023A1 和國(guó)內(nèi)的 ZL200810011258. 6、ZL 200910023458. 8 及申請(qǐng)?zhí)?200910024347. 9,200910081813. 7,200910093744. 1,201010597341. 3 等，不足之處是旋流裝置的旋流能力比超聲速翼要弱，降低了超聲速分離器的分離效果。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種易于加工和裝配、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)単、穩(wěn)定可靠的用于多組分混合氣體分離的ー種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，該裝置采用切向入口的方式使氣體切向進(jìn)入流道，產(chǎn)生較強(qiáng)的旋流，提高超聲速旋流分離器的分離效率。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是主要由切向入口段、穩(wěn)流段、收縮段、擴(kuò)張段、擴(kuò)壓管、排液管、干氣出口和液體出口組成，其特征在于收縮段形成面積逐漸變小的亞聲速收縮與旋流加強(qiáng)流道，擴(kuò)張段形成面積逐漸増大的超聲速旋流分離流道，超聲速旋流分離流道的擴(kuò)張角0.5° ^ Θ ^ 1.5°，亞聲速收縮與旋流加強(qiáng)流道和超聲速旋流分離流道的交界處構(gòu)成面積最小的喉部；擴(kuò)張段和擴(kuò)壓管之間的間隙構(gòu)成積液腔，積液腔、排液管和液體出口相互連通；擴(kuò)壓管形成面積增大的回壓流道，回壓流道和干氣出口相互連通。本發(fā)明的切向入口段的入口內(nèi)表面與穩(wěn)流段內(nèi)表面相切，數(shù)目為I 6個(gè)，均勻分布，且切向入口段與穩(wěn)流段的軸線夾角65° < α <90° ;擴(kuò)壓管的錐角3° ^ β ^ 6° ；排液管向干氣出口(6)的方向傾斜，且排液管與擴(kuò)壓管的軸線夾角30° < Y <90°。本發(fā)明一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置所達(dá)到的有益效果是本發(fā)明在穩(wěn)流段之前安裝切向入口段，使氣體以切向的方式進(jìn)入穩(wěn)流段，產(chǎn)生旋流，通過(guò)調(diào)節(jié)切向入口段與中心體的軸線夾角和切向入口段的數(shù)目，來(lái)改變氣流的旋流強(qiáng)度。在亞聲速收縮與旋流加強(qiáng)流道內(nèi)，由于流道面積和旋轉(zhuǎn)半徑的減小，根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，旋流得到加強(qiáng)，在喉部達(dá)到聲速；在超聲速旋流分離流道內(nèi)，氣流將繼續(xù)膨脹至超聲速，形成低溫低壓，使氣體中的水分或者天然氣中的水和重?zé)N組分發(fā)生凝結(jié)，同時(shí)，氣流旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的巨大離心力將凝結(jié)液滴甩向壁面，高效地實(shí)現(xiàn)氣液分離。擴(kuò)壓管的錐角3° ^ β ^6°，可以有效地 抑制邊界層分離現(xiàn)象，降低能量損失，提高壓力恢復(fù)能力；排液管向干氣出口的方向傾斜，有利于凝液的收集與排出，有利于超聲速旋流分離裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖I是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明切向入口段的裝配特征示意圖，其中圖2(a)是切向入口段與穩(wěn)流段的裝配正視圖，圖2(b)是單個(gè)切向入口段的裝配特征示意圖，圖2(c)是2個(gè)切向入口段的裝配特征示意圖，圖2(d)是3 6個(gè)切向入口段的裝配特征示意圖。圖3是本發(fā)明擴(kuò)壓管示意圖。圖中1、切向入口段，2、穩(wěn)流段，3、收縮段，4、擴(kuò)張段，5、擴(kuò)壓管，6、干氣出口，7、回壓流道，8、排液管，9、液體出口，10、積液腔，11、超聲速旋流分離流道，12、喉部，13、亞聲速收縮與旋流加強(qiáng)流道。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理作進(jìn)一步說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明主要由切向入口段I、穩(wěn)流段2、收縮段3、擴(kuò)張段4、擴(kuò)壓管5、排液管8、干氣出口 6和液體出口 9組成；收縮段3形成面積逐漸變小的亞聲速收縮與旋流加強(qiáng)流道13，擴(kuò)張段4形成面積逐漸增大的超聲速旋流分離流道11，超聲速旋流分離流道11的擴(kuò)張角O. 5° ^ Θ ^ 1.5°，亞聲速收縮與旋流加強(qiáng)流道13和超聲速旋流分離流道11的交界處構(gòu)成面積最小的喉部12 ;擴(kuò)張段4和擴(kuò)壓管5之間的間隙構(gòu)成積液腔10，積液腔10、排液管8和液體出口 9相互連通；擴(kuò)壓管5形成面積增大的回壓流道7，回壓流道7和干氣出口 6相互連通。參見(jiàn)圖1，2，本發(fā)明的切向入口段I的入口內(nèi)表面與穩(wěn)流段2內(nèi)表面相切，數(shù)目為I 6個(gè)，均勻分布，且切向入口段I與穩(wěn)流段2的軸線夾角65° < α <90° ;氣體從切向入口段I進(jìn)入穩(wěn)流段2，以切向的方式進(jìn)入流道，產(chǎn)生旋流，調(diào)節(jié)切向入口段I與穩(wěn)流段2的軸線夾角和切向入口段I的數(shù)目，可以改變氣流的旋流強(qiáng)度。根據(jù)切向入口段I的數(shù)目的不同，切向入口段I與穩(wěn)流段2的裝配特征略有區(qū)別，圖2(b)是單個(gè)切向入口段I與穩(wěn)流段2的裝配特征示意圖，圖2(c)是2個(gè)切向入口段I與穩(wěn)流段2的裝配特征示意圖，圖2(d)是3 6個(gè)切向入口段I與穩(wěn)流段2的裝配特征示意圖。參見(jiàn)圖1，3，本發(fā)明的擴(kuò)壓管5的錐角3°彡β彡6°。參見(jiàn)圖I，本發(fā)明的排液管8向干氣出ロ 6的方向傾斜，且排液管8與擴(kuò)壓管5的軸線夾角30° < Y < 90°。本發(fā)明的具體工作流程為氣體由切向入口段I以切向的方式進(jìn)入穩(wěn)流段2，形成穩(wěn)定的旋流，然后氣流以旋流的形式依次進(jìn)入亞聲速收縮與旋流加強(qiáng)流道13、喉部12和超聲速旋流分離流道11 ;在亞聲速收縮與旋流加強(qiáng)流道13內(nèi)，氣流平穩(wěn)加速，在喉部12處達(dá)到聲速，此時(shí)，由于流道面積和旋轉(zhuǎn)半徑逐漸減小，根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，旋流得到加強(qiáng)；在超聲速旋流分離流道11內(nèi)，氣流將繼續(xù)膨脹至超聲速，形成低溫低壓，使氣體中的水分或者天然氣中的水和重?zé)N組分發(fā)生凝結(jié)，同吋，氣流旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的巨大離心カ將凝結(jié)液滴甩向壁面，實(shí)現(xiàn)氣液分離；被分離的液滴和部分滑脫氣進(jìn)入積液腔10，匯集后經(jīng)排液管8由液體出口 9排出；干氣居于管道的中心，進(jìn)入回壓流道7內(nèi)產(chǎn)生激波，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓カ能，實(shí)現(xiàn)壓能的恢復(fù)，然后從干氣出口 6進(jìn)入主管道。權(quán)利要求1.一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，主要由切向入口段(I)、穩(wěn)流段(2)、收縮段(3)、擴(kuò)張段(4)、擴(kuò)壓管(5)、排液管(8)、干氣出口(6)和液體出口(9)組成，其特征在于收縮段(3)形成面積逐漸變小的亞聲速收縮與旋流加強(qiáng)流道(13)，擴(kuò)張段(4)形成面積逐漸增大的超聲速旋流分離流道(11)，超聲速旋流分離流道(11)的擴(kuò)張角0.5° ≤ θ ≤1.5°，亞聲速收縮與旋流加強(qiáng)流道(13)和超聲速旋流分離流道(11)的交界處構(gòu)成面積最小的喉部(12);擴(kuò)張段(4)和擴(kuò)壓管(5)之間的間隙構(gòu)成積液腔(10)，積液腔(10)、排液管(8)和液體出口(9)相互連通；擴(kuò)壓管(5)形成面積增大的回壓流道(7)，回壓流道(7)和干氣出口(6)相互連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，其特征在于切向入口段(I)的入口內(nèi)表面與穩(wěn)流段⑵內(nèi)表面相切，數(shù)目為I 6個(gè)，均勻分布，且切向入口段(I)與穩(wěn)流段⑵的軸線夾角65°彡α彡90°。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，其特征在于擴(kuò)壓管(5)的錐角3°≤β≤6°。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，其特征在于排液管⑶向干氣出口(6)的方向傾斜，且排液管⑶與擴(kuò)壓管(5)的軸線夾角30° ≤ Y ≤ 90°。
專利摘要本實(shí)用新型是一種切向入口式氣體超聲速旋流分離裝置，主要由切向入口段、收縮段、擴(kuò)張段和擴(kuò)壓管組成，應(yīng)用于多組分混合氣體分離等領(lǐng)域。切向入口段使氣體以切向的方式進(jìn)入流道，形成穩(wěn)定的旋流，進(jìn)入收縮段后氣流平穩(wěn)加速，在喉部達(dá)到聲速，且由于流道面積和旋轉(zhuǎn)半徑的減小，根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，旋流得到加強(qiáng)；在擴(kuò)張段氣流膨脹至超聲速，形成低溫低壓，使氣體中的水分或者天然氣中的水和重?zé)N組分發(fā)生凝結(jié)，同時(shí)，氣流旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的巨大離心力將凝結(jié)液滴甩向壁面，高效地實(shí)現(xiàn)氣液分離；液體進(jìn)入積液腔，干氣居于管道中心，經(jīng)擴(kuò)壓管回壓后流出。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工和裝配精度高，無(wú)需添加化學(xué)藥劑，支持無(wú)人操作，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號(hào)E21B43/34GK202376860SQ20112052997
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者文闖, 曹學(xué)文, 楊燕 申請(qǐng)人:文闖