CN100400171C - 多进气道超音速旋流分离与回压装置 - Google Patents

Abstract

一种多进气道超音速旋流分离与回压装置，包括导流腔以及与导流腔相连通的喷管和旋流分离段，旋流分离段的出口与回压器相连通，在旋流分离段与回压器之间还设置有环状排液口，回压器上设置有一可调节排液口间隙的定位器，所说的喷管的多个喷嘴均匀分布，且喷嘴与旋流分离段内表面的夹角为78-90度，喷嘴与旋流分离段的轴线夹角为40-62度。本发明利用多喷管进气实现含湿饱和气体超音速凝结分离，导流腔使气流均匀进入喷管；喷管使气流增速至高速度，温度降低到湿气凝结所需的过冷度以下；旋流分离段使气液两相流在分离腔内高速旋转，实现气液分离；排液口使壁面的液膜流动并离开旋流分离腔；回压器使干气经过进一步回压，实现降速、升温。

Description

多进气道超音速旋流分离与回压装置

技术领域

本发明涉及一种湿天然气分离系统，具体涉及一种去除天然气中不利于远距离管道输送的有害组分(水蒸气、C4、C5等)的多进气道超音速旋流分离与回压装置。

背景技术

在我国陆地及海洋气田开发中，如何实现天然气的高效、经济的脱水处理，并且满足环保的要求，使天然气中水的露点温度降到输气管沿线最低环境温度以下5-15℃，以避免形成水合物而发生管道堵塞重大事故，同时使得天然气中的重烃等组分含量降低到工艺流程要求的范围内，是天然气生产中迫切需要解决的重大课题。

目前天然气分离的方法有三种：油吸收法、冷凝分离法和吸附分离法。其中，油吸收法又分为常温吸收法及中、低温吸收法；冷凝法又分为深冷分离法及浅冷分离法。对于井口天然气脱水比较先进的技术是撬装式甘醇脱水装置，如中国专利《气波制冷天然气脱水橇装装置》(公开日1998年2月18日，公开号CN96225110.0，申请日1996年1月12日)是一种用于天然气冷析脱水的气波制冷脱水橇装式装置，由气波制冷机、甲醇雾化喷射泵或是微节流注醇器、干-湿气冷交换器、气液分离器等设备所组成。但是这些传统分离技术存在能源消耗高、凝析油回收率低、设备所占空间大、投资高、设备维护工作量大等缺点。为降低运行成本，提高分离效率，发展新型分离技术极其迫切。世界石油巨头壳牌公司(Shell)1997年在购买了超音速分离技术的相关专利后，开始进一步研发并着力将其应用于井口天然气处理，在理论和装置设计技术上取得一系列突破，先后对Twister装置申请了多项国际专利：WO 2004/020074 A1《CYCLONIC FLUIDSEPRATOR》(11 March 2004)；WO 03/092850 A1《CYCLONIC FLUID SEPRATOREQUIPPED WITH ADJUSTABLE VORTEX FINDER POSITION》(13 November2003)；US 6513345 B1《NOZZLE FOR SUPERSONIC GAS FLOW AND AN INERTIASEPRATOR》(Feb.4，2003)；US 2003/0145724 A1《SUPERSONIC SEPRATORAPPARATUS AND METHOD》(Aug.7，2003)；US 2002/0194988 A1《SUPERSONICSEPRATOR APPARATUS AND METHOD》(Dec.26，2002)；US 6524368 B2《SUPERSONIC SEPRATOR APPARATUS AND METHOD》(Aug.17，2004)。该公司于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了验证与应用，目前仍在完善与改进中。壳牌公司研发的Twister装置主要用于高压气体的脱水，特别是在脱水压力约为7～15MPa和烃露点压力超过5MPa的条件。其在重量、空间和成本上都有较大的节省，在海上应用方面有较大的优点，可以代替撬装式甘醇脱水装置。它还具有无人操作、无活动部件，不需要添加化学药剂等特点。但该装置产生旋流的部件是大后掠角细长三角翼，尽管其具有旋流分离效率高的优点，但同时也是装置中最薄弱的构件，是降低装置固有安全性、减少使用寿命、降低总压效率的主要因素。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种结构简，工作稳定，且能够实现井口天然气预处理分离有害于远距离管道输送组分的多进气道超音速旋流分离与回压装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括导流腔以及与导流腔相连通的喷管和旋流分离段，其特点是，旋流分离段的出口与回压器相连通，在旋流分离段与回压器之间还设置有环状排液口，回压器上设置有一可调节排液口间隙的定位器，所说的喷管的多个喷嘴沿周向均匀分布，且喷嘴与旋流分离段内表面的夹角为78-90度，喷嘴与旋流分离段的轴线夹角为40-62度。

本发明的喷嘴为渐缩式或超音速喷嘴；旋流分离段为一渐扩结构，其扩张角0°＜γ≤1°；旋流分离段的长度是其平均直径的5-10倍；回压器的扩张角为3-5度；排液口为一渐扩通道；回压器相对于排液口的轴向位置通过定位器可调。

本发明利用多喷管进气实现含湿饱和气体超音速凝结分离，导流腔使气流均匀进入喷管；喷管使气流增速至高速度，温度降低到湿气凝结所需的过冷度以下；旋流分离段使气液两相流在分离腔内高速旋转，实现气液分离；排液口使壁面的液膜流动并离开旋流分离腔；回压器使干气经过进一步回压，实现降速、升温。

附图说明：

图1是本发明的整体纵剖面示意图；

图2是本发明工作原理图；

图3是本发明喷管2与旋流分离段3间的结构组合方式装配图，其中图3(a)是喷管2的左视图，图3(b)是喷管2的正视图，图3(c)是喷管2与旋流分离段3的安装图；

图4是本发明的旋流分离段3的结构示意图；

图5是本发明的旋流分离段3、排液口4与回压器5的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括导流腔1以及与导流腔1相连通的喷管2和旋流分离段3，旋流分离段3的出口与回压器5相连通，在旋流分离段3与回压器5之间还设置有排液口4，因为装置工作在高压且有腐蚀性的环境中，所以要求装置的材料耐高压，耐腐蚀和冲蚀。

参见图2，本发明的工作原理如下：湿气在导流腔1内整流并改变流动方向，保证高压气流沿周向进入喷管2，并且能起到一定的稳定来流压力作用；气流进入喷管2压力能转换为动能，速度达到超音速同时温度急剧下降，则来流中的高沸点成分(如天然气中的水蒸气，高碳烃等)在过冷的氛围中凝结成核并长大，由于夹带液滴的高速气流沿着一定的切向进入旋流分离管3，两相流在旋流分离段3内高速旋转前进，为保证激波面的位置在排液口附近，且距离越小越好，旋流分离段3的扩张角0°＜γ≤1°，液滴在离心力作用下向旋流分离段3的管壁面运动形成液膜，在前进气流的带动下流向下游，到达排液口4后分离出的液体和小部分气体沿排液口4流出，主流中的干气在回压管器5内升压、降速、升温达到输送要求。

参见图3，喷管2中喷嘴6选用型面为矩形超音速喷管，喷嘴6与旋流分离段3的内表面的夹角α为78-86度，且与旋流分离段3的轴线夹角β为40-62度。在喷嘴6内，天然气中的水汽及重烃组分发生凝结与液滴长大过程，形成气液两相流进入旋流分离段3，根据露点要求喷嘴6设计成渐缩结构的喷管或超音速喷管。

参见图4，旋流分离段3的流动机理综合了涡流管技术与旋风分离技术，即在旋流分离过程中，由于流体内部的相互剪切流动，处于中心部位的气流温度低，而处于外层部位的气流温度高，因此中心区凝结加剧，促使新的液滴形成，已有的液滴继续长大，这些液滴在超强离心力作用下沿螺旋线运动至旋流分离段3的壁面形成液膜，为了保证流通顺畅减薄边界层厚度，并且使外层温度降低，旋流分离段扩张角γ为3-7度之间；为了保证分离效率同时减小压力损失，并且使激波面靠近排液口4，其长度L为其平均直径d的5-10倍，由于旋流分离段3的流动机理的不同，一般粗糙度对分离没有根本的影响，可降低对其内表面的加工精度要求。

参见图5，回压器5上还设置有一可调节排液口4间隙的定位器7。旋流分离段3的内壁面的液膜和一小部分气体在气流带动下流入排液口4，通过调节定位器7的厚度改变回压器5轴向位置来改变排液口4间隙的大小，由此改变气液两相流排出的流量。图中8、9分别为定位管道和干气输送管道。

液滴分离后的干气若仍处于超音速，需要通过正激波获得更高的回压器入口压力，以提高回压器5的总压效率。回压器的结构特点有2个：(1)伸入分离器的前缘很锋利，对于超音速来流可在此形成激波，有利于回压，对亚音速来流，则起到导流作用；(2)回压器5可通过定位器7实现改变排液口4的大小以适应非设计工况流动。回压器5的扩张角θ在3-5度之间。由于旋流分离段3的长度较短，气流在进入回压器5前保持较高的旋流速度，不利于回压效率，回压器5能够降低气流的旋流速度。排液口4的流道同回压器5具有相同的升压、减速、升温的功能。

本发明以其在低质量、空间结构紧凑、造价低廉、保护环境、节约能源、无人操作、无活动部件、不需要添加化学药剂等特点具有很广阔的应用前景，尤其是在海洋油气田开发中，这种装置具有很大的优越性。与Twister装置结构相比，本发明摈弃三角翼结构，采用喷管组切向进气方式实现旋流，这样的优点有：调节手段方便，易于控制，可适应原料天然气组成等的较大变动；旋流段直径设计灵活，能够处理小气量；本发明装置更紧凑，加工、装配精度降低，占地面积更小。

Claims (7)

1.一种多进气道超音速旋流分离与回压装置，包括导流腔(1)以及与导流腔(1)相连通的喷管(2)和旋流分离段(3)，其特征在于：旋流分离段(3)的出口与回压器(5)相连通，在旋流分离段(3)与回压器(5)之间还设置有环状排液口(4)，回压器(5)上设置有一可调节排液口(4)间隙的定位器(7)，所说的喷管(2)的多个喷嘴(6)沿周向均匀分布，且喷嘴(6)与旋流分离段(3)内表面的夹角α为78-90度，喷嘴(6)与旋流分离段(3)的轴线夹角β为40-62度。

2.根据权利要求1所述的多进气道超音速旋流分离与回压装置，其特征在于：所说的喷嘴(6)为渐缩式或超音速喷嘴。

3.根据权利要求1所述的多进气道超音速旋流分离与回压装置，其特征在于：所说的旋流分离段(3)为一渐扩结构，其扩张角0°＜γ≤1°。

4.根据权利要求1所述的多进气道超音速旋流分离与回压装置，其特征在于：所说的旋流分离段(3)的长度是其平均直径的5-10倍。

5.根据权利要求1所述的多进气道超音速旋流分离与回压装置，其特征在于：所说的回压器(5)的扩张角为3-5度。

6.根据权利要求1所述的多进气道超音速旋流分离与回压装置，其特征在于：所说的排液口(4)为一渐扩通道。

7.根据权利要求1所述的多进气道超音速旋流分离与回压装置，其特征在于：所说的回压器(5)相对于排液口(4)的轴向位置通过定位器(7)可调。

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