CN106166414B - 一种超音速冷凝旋流分离器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超音速冷凝旋流分离器，包括旋流分离主体和切向旋流发生器；旋流分离主体的进气管段设置有初始分离腔，初始分离腔的底端具有初始分离物出口；切向旋流发生器设置在进气管段的进气端，切向旋流发生器的外周具有切向进气口，切向旋流发生器的出气口与初始分离腔连通。应用时，含湿天然气以一定的速度由切向旋流发生器的切向进气口进入，在切向旋流发生器的作用下产生一定的切向速度，受旋流作用，天然气中携带的液相和固态颗粒被分离出来，并由初始分离腔排出，从而达到了预分离，减轻了天然气后续处理的负担，也避免了大颗粒对于后续设备的冲蚀磨损，进而提高了工作稳定性和脱水分离效果。

Description

一种超音速冷凝旋流分离器

技术领域

本发明涉及天然气脱水技术领域，更具体地说，涉及一种超音速冷凝旋流分离器。

背景技术

井口开采出来的天然气是一种含有液态水、沙子、水蒸气、硫化物、二氧化碳等杂质的混合物，在管道输送过程中，水蒸气遇冷会发生凝结，液态水的存在不仅会降低管道的有效输送能力，严重时还会形成水合物，堵塞管道，发生重大事故。因此，天然气脱水是必须的。

为了避免化学原料的使用带来的污染，常采用超音速旋流分离技术进行天然气脱水。但是，目前的超音速冷凝旋流分离器应用时，天然气沿分离器流道轴向进入后直接进行旋流凝结，这样，天然气中携带的液相和固态颗粒较易对超音速旋流分离器流道造成冲蚀磨损，影响了工作稳定性和脱水分离效果。

综上所述，如何提高天然气脱水的工作稳定性和脱水分离效果，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超音速冷凝旋流分离器，以提高天然气脱水的工作稳定性和脱水分离效果。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超音速冷凝旋流分离器，包括：

旋流分离主体，所述旋流分离主体的进气管段设置有初始分离腔，所述初始分离腔的底端具有初始分离物出口；

设置在所述进气管段的进气端的切向旋流发生器，所述切向旋流发生器的外周具有切向进气口，所述切向旋流发生器的出气口与所述初始分离腔连通。

优选的，上述超音速冷凝旋流分离器中，所述旋流分离主体包括：

与所述进气管段出气端连接的超音速喷管；

用于产生与所述切向旋流发生器相同的旋流方向的叶片旋流器，所述叶片旋流器设置在所述进气管段内靠近所述超音速喷管的一端，所述叶片旋流器设置有周向分布的旋流叶片；

与所述超音速喷管的出气端连接的分离直管段，所述分离直管段具有液相排液口；

与所述分离直管段的出气端连接的二次喉道扩压器；

与所述二次喉道扩压器的出气端连接的出气管段。

优选的，上述超音速冷凝旋流分离器中，所述二次喉道扩压器沿气体的行进方向依次设置有渐缩段多孔板和渐扩段多孔板，所述渐缩段多孔板、所述渐扩段多孔板与所述二次喉道扩压器的内壁配合形成通气腔。

优选的，上述超音速冷凝旋流分离器中，所述旋流分离主体还包括：

外套在所述分离直管段的循环分离管，所述循环分离管设置有与所述分离直管段连通的循环分离腔，所述液相排液口设置在所述循环分离腔的底端。

优选的，上述超音速冷凝旋流分离器中，所述二次喉道扩压器的进气端外壁为沿着气体的行进方向渐扩的锥形并伸入所述循环分离腔内，所述分离直管段的进气端设置有所述循环分离腔的气体入口，所述分离直管段和所述二次喉道扩压器之间形成所述循环分离腔的气体出口。

优选的，上述超音速冷凝旋流分离器中，所述二次喉道扩压器的进气端外套有第一滑轨，所述循环分离管上设置有与所述第一滑轨滑动配合的第一滑套，所述第一滑套上设置有第一螺栓，所述第一滑轨上设置有与所述第一螺栓配合的第一条形孔；

所述二次喉道扩压器外侧设置有推拉把手。

优选的，上述超音速冷凝旋流分离器中，所述旋流分离主体还包括：

设置在所述二次喉道扩压器内出气端的整流阻涡器，所述整流阻涡器设置有周向分布的整流叶片；

与所述叶片旋流器共轴线的中心体，所述中心体的一端与所述叶片旋流器连接，另一端与所述整流阻涡器连接。

优选的，上述超音速冷凝旋流分离器中，所述整流阻涡器套设在所述中心体远离所述叶片旋流器的一端；

所述中心体外套有第二滑轨，所述整流阻涡器上设置有与所述第二滑轨滑动配合的第二滑套，所述第二滑套上设置有第二螺栓，所述第二滑轨上设置有与所述第二螺栓配合的第二条形孔。

优选的，上述超音速冷凝旋流分离器中，所述进气管段包括第一直管段和外套于所述第一直管段的第二直管段，所述第二直管段的内腔与所述第一直管段的内腔连通，且所述第一直管段和所述第二直管段围成所述初始分离腔。

优选的，上述超音速冷凝旋流分离器中，所述切向进气口的横截面为矩形并沿着气流的前进方向渐缩，且所述切向进气口为四个，沿所述切向旋流发生器均匀分布。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的超音速冷凝旋流分离器包括旋流分离主体和切向旋流发生器；旋流分离主体的进气管段设置有初始分离腔，初始分离腔的底端具有初始分离物出口；切向旋流发生器设置在进气管段的进气端，切向旋流发生器的外周具有切向进气口，切向旋流发生器的出气口与初始分离腔连通。

应用时，含湿天然气以一定的速度由切向旋流发生器的切向进气口进入，在切向旋流发生器的作用下产生一定的切向速度，受旋流作用，天然气中携带的液相和固态颗粒被分离出来，并由初始分离腔排出，从而达到了预分离，减轻了天然气后续处理的负担，也避免了大颗粒对于后续设备的冲蚀磨损，进而提高了工作稳定性和脱水分离效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的超音速冷凝旋流分离器的剖视图；

图2是本发明实施例提供的切向旋流发生器的侧视图；

图3是本发明实施例提供的二次喉道扩压器的局部放大图；

图4是本发明实施例提供的整流阻涡器的侧视图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种超音速冷凝旋流分离器，提高了天然气脱水的工作稳定性和脱水分离效果。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考附图1-4，本发明实施例提供的超音速冷凝旋流分离器包括旋流分离主体和切向旋流发生器2；旋流分离主体的进气管段设置有初始分离腔A，初始分离腔A的底端具有初始分离物出口41；切向旋流发生器2设置在进气管段的进气端，切向旋流发生器2的外周具有切向进气口1，切向旋流发生器2的出气口与初始分离腔A连通。

应用时，含湿天然气以一定的速度由切向旋流发生器2的切向进气口1进入，在切向旋流发生器2的作用下产生一定的切向速度，受旋流作用，天然气中携带的液相和固态颗粒被分离出来，并由初始分离腔A排出，从而达到了预分离，减轻了天然气后续处理的负担，也避免了大颗粒对于后续设备的冲蚀磨损，进而提高了工作稳定性和脱水分离效果，还提高了超音速冷凝旋流分离器的流道使用寿命。

此外，本发明的超音速冷凝旋流分离器具有体积小、效率高、无需其他化学药剂等优点，可以在各种恶劣环境下连续使用。

本发明一具体实施例中，旋流分离主体包括沿着气体的行进方向依次设置的进气管段、超音速喷管6、分离直管段8、二次喉道扩压器11和出气管段15；还包括用于产生与切向旋流发生器2相同的旋流方向的叶片旋流器5；其中，超音速喷管6与进气管段出气端连接；叶片旋流器5设置在进气管段内靠近超音速喷管6的一端，叶片旋流器5设置有周向分布的旋流叶片；分离直管段8与超音速喷管6的出气端连接，分离直管段8具有液相排液口91；二次喉道扩压器11与分离直管段8的出气端连接；出气管段15与二次喉道扩压器11的出气端连接。

应用过程中，经过切向旋流发生器2和初始分离腔A预处的天然气，经过与来流方向相匹配的叶片旋流器5，产生足够的旋流离心力，接着进入到超音速喷管6中，根据角动量守恒定律，离心加速的随着旋转半径的减小而增大，旋流强度前期不断增强；进入超音速喷管6后，含湿天然气绝热膨胀至超音速，气体温度和压力减小，动能进一步增强，形成低温低压环境；当温度低至使含湿天然气过饱和状态时，天然气中的水蒸气就会凝结出来，凝结出来的小液滴在离心力作用下被甩向壁面，由液相排液口91流出，带旋的干气则进入二次喉道扩压器11，一方面速度降低，压力和温度得到回升，通过出气管段15输出。

本实施例的旋流分离主体先旋流再凝结，能保证较好的天然气脱水效果；同时，叶片旋流器5安装于超音速喷管6入口之前，配合产生足够旋流强度周向分布的旋流叶片，避免了激波产生问题。当然，旋流分离主体也可以为其他结构，如使天然气先凝结再旋流的结构。上述叶片旋流器5也可以为其他旋流结构，如螺旋式旋流器等。

如图1和图3所示，二次喉道扩压器11沿气体的行进方向依次设置有渐缩段多孔板111和渐扩段多孔板112，渐缩段多孔板111、渐扩段多孔板112与二次喉道扩压器11的内壁配合形成通气腔C。

应用过程中，超音速喷管6形成的第一喉部前后压差增大，干气流的一部分会由渐缩段多孔板111进入先经过一小段扩压作用速度被降低，温度和压力得到一定回升，然后由渐扩段多孔板112流出与主气流汇合，干气流的分流效应会使二次喉道扩压器11的流量增加，避免流量变小影响性能；同时激波位置向后移动，出现在扩压段部分，通过使气体进入通气腔C在排出，实现了激波流的调节，当调节成功后，两孔板压差减小，流动又恢复正常，均从主气道通过。

本实施例的二次喉道扩压器11先渐缩再渐扩，形成第二喉部，配合超音速喷管6形成双喉道扩压，可以很好地削减激波强度，并且能够把激波位置由分离口之后的位置向后移动，移动至二次喉道扩压器11的渐扩段，减小了激波对流场的影响。

优选的，旋流分离主体还包括外套在分离直管段8的循环分离管9，循环分离管9设置有与分离直管段8连通的循环分离腔B，液相排液口91设置在循环分离腔B的底端。

天然气混合物中凝结出的小液滴在较大的离心力作用下被甩向分离直管段8的壁面，形成液膜，由液膜形成的液滴沿着管壁运动，最终流入循环分离腔B，通过液相排液口91排出，实现气液分离；少部分带小液滴的干气进入循环分离腔B，在重力作用下干气与液滴产生分离，分离出的少部分液滴也通过液相排液口91流出，分离后的少部分干气则再次进入主气流道，从而大大增强了分离效果。当然，本发明也可以不设置上述循环分离腔B，直接将液相排液口91设置在分离直管段8的底端。

上述实施例提供的超音速冷凝旋流分离器中，二次喉道扩压器11的进气端外壁为沿着气体的行进方向渐扩的锥形并伸入循环分离腔B内，这样一来，二次喉道扩压器11的进气端外壁能够对循环分离腔B内的气体出气进行导向，保证其出气效果。当然，二次喉道扩压器11的进气端外壁也可以为圆柱状等。

进一步的，分离直管段8的进气端设置有循环分离腔B的气体入口，分离直管段8和二次喉道扩压器11之间形成循环分离腔B的气体出口。本发明利用分离直管段8与二次喉道扩压器11之间的间隙形成循环分离腔B的气体出口，便于加工和装配。循环分离腔B的气体入口和气体出口也可以均设置在分离直管段8上。

优选的，二次喉道扩压器11的进气端外套有第一滑轨，循环分离管9上设置有与第一滑轨滑动配合的第一滑套10，第一滑套10上设置有第一螺栓，第一滑轨上设置有与第一螺栓配合的第一条形孔；本发明利用第一滑套10与第一滑轨的滑动配合实现二次喉道扩压器11伸入循环分离管9内的长度可调，进而实现循环分离腔B的气体出口大小可调，从而达到对变工况的适应调节，提高了通用性。当然，上述二次喉道扩压器11也可以固定不动。

为了便于操作，上述二次喉道扩压器11外侧设置有推拉把手12，本发明利用拖拉把手对二次喉道扩压器11施加作用力，便于滑动二次喉道扩压器11。可以理解的是，本发明也可以不设置上述推拉把手12，或者利用推拉凹槽替换上述推拉把手12。

旋流分离主体还包括设置在二次喉道扩压器11内出气端的整流阻涡器13，整流阻涡器13设置有周向分布的整流叶片。具体的，阻涡整流器由四个整流叶片构成，当然，也可以为三个或其他个数的整流叶片。整流叶片也可以做成曲面叶栅，这样能够降低整流损失。本发明通过整流阻涡器13的整流叶片的整流作用，有利于温度和压力的回升，使干气出口输出的干气变得平稳，温度和压力达到管道的输送要求。

旋流分离主体还包括与叶片旋流器5共轴线的中心体7，中心体7的一端与叶片旋流器5连接，另一端与整流阻涡器13连接。本发明通过插入中心体7，使得装置在超音速喷管6、分离直管段8和二次喉道扩压器11的流道均形成了环形通流流道，在等截面积的情况下，由于中心体7的占位，使得气流旋转直径大幅减小，旋转角度大幅增加，进一步增强了分离器的性能。

应用过程中，天然气中在进入超音速喷管6之后，流道半径逐减小，根据动量守恒定律，旋流的角速度自动增加，同时通过中心体7的插入，使得在等截面积的情况下，气流旋转直径大幅减小，旋转角度进一步增加，产生可达300000-500000倍的重力加速度，这样就充分保证了凝结出来的小液滴可以被旋流排出。相对于水合物较低的形成速度来说，天然气含湿混合物在其中的停留时间极短，因此不会形成水合物，整个过程不需要添加化学药剂。

为了便于加工和制造，整流阻涡器13套设在中心体7远离叶片旋流器5的一端；中心体7外套有第二滑轨16，整流阻涡器13上设置有与第二滑轨16滑动配合的第二滑套14，第二滑套14上设置有第二螺栓，第二滑轨16上设置有与第二螺栓配合的第二条形孔。如图4所示，整流叶片固定在第二滑套14上，第二滑轨16固定套设在中心体7上，在使用前可以根据不同的处理量和进口条件任意调节整流叶片的位置。本发明利用第二滑套14与第二滑轨16滑动配合，使整流阻涡器13在中心体7的轴向位置可调，通过对阻涡整流器的调节使得旋流干气得到最好的整流效果，从而达到对变工况的适应调节，大大加强了装置的可用性。当然，也可以通过滑动整流阻涡器13取下阻涡整流器。

本发明的超音速冷凝旋流分离器，是一种能够对天然气进行预处理，进而使水蒸气在超音速状态下凝结，同时利用旋流产生的离心力分离液态水，并通过循环腔与滑动轨道来调控，最后通过整流阻涡器13的作用使天然气达到平稳输送要求的小型分离装置。

具体的，进气管段包括第一直管段3和外套于第一直管段3的第二直管段4，第二直管段4的内腔与第一直管段3的内腔连通，且第一直管段3和第二直管段4围成初始分离腔A。本发明利用外部的腔体形成初始分离腔A，便于分离。进气管段也可以仅包括第一直管段3。

为了进一步优化上述技术方案，切向进气口1的横截面为矩形并沿着气流的前进方向渐缩，且切向进气口1为四个，沿切向旋流发生器2均匀分布。本实施例中，切向进气口1截面采用矩形，为使气流有较高的切向速度，气流流入流道采用减缩形流道，为了使切向进气口1方便加工又可以实现与预分离直管平稳过渡，采用圆弧型线。

如图2所示，切向旋流发生器2有四个切向进气口1，可以根据天然气处理量的大小选择切向进气口1的使用个数，有利于变工况处理，最后把预处理与脱水装置结合为一体，优化了整体装置的结构。当然，切向进气口1的横截面也可以为正方形、椭圆形或者菱形等。切向进气口1也可以为其他个数，如三个等。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，包括：

旋流分离主体，所述旋流分离主体的进气管段设置有初始分离腔(A)，所述初始分离腔(A)的底端具有初始分离物出口(41)；

设置在所述进气管段的进气端的切向旋流发生器(2)，所述切向旋流发生器(2)的外周具有切向进气口(1)，所述切向旋流发生器(2)的出气口与所述初始分离腔(A)连通；

其中，所述旋流分离主体包括：

与所述进气管段出气端连接的超音速喷管(6)；

用于产生与所述切向旋流发生器(2)相同的旋流方向的叶片旋流器(5)，所述叶片旋流器(5)设置在所述进气管段内靠近所述超音速喷管(6)的一端，所述叶片旋流器(5)设置有周向分布的旋流叶片；

与所述超音速喷管(6)的出气端连接的分离直管段(8)，所述分离直管段(8)具有液相排液口(91)；

与所述分离直管段(8)的出气端连接的二次喉道扩压器(11)；

与所述二次喉道扩压器(11)的出气端连接的出气管段(15)。

2.根据权利要求1所述的超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，所述二次喉道扩压器(11)沿气体的行进方向依次设置有渐缩段多孔板(111)和渐扩段多孔板(112)，所述渐缩段多孔板(111)、所述渐扩段多孔板(112)与所述二次喉道扩压器(11)的内壁配合形成通气腔(C)。

3.根据权利要求2所述的超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，所述旋流分离主体还包括：

外套在所述分离直管段(8)的循环分离管(9)，所述循环分离管(9)设置有与所述分离直管段(8)连通的循环分离腔(B)，所述液相排液口(91)设置在所述循环分离腔(B)的底端。

4.根据权利要求3所述的超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，所述二次喉道扩压器(11)的进气端外壁为沿着气体的行进方向渐扩的锥形并伸入所述循环分离腔(B)内，所述分离直管段(8)的进气端设置有所述循环分离腔(B)的气体入口，所述分离直管段(8)和所述二次喉道扩压器(11)之间形成所述循环分离腔(B)的气体出口。

5.根据权利要求4所述的超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，所述二次喉道扩压器(11)的进气端外套有第一滑轨，所述循环分离管(9)上设置有与所述第一滑轨滑动配合的第一滑套(10)，所述第一滑套(10)上设置有第一螺栓，所述第一滑轨上设置有与所述第一螺栓配合的第一条形孔；

所述二次喉道扩压器(11)外侧设置有推拉把手(12)。

6.根据权利要求1所述的超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，所述旋流分离主体还包括：

设置在所述二次喉道扩压器(11)内出气端的整流阻涡器(13)，所述整流阻涡器(13)设置有周向分布的整流叶片；

与所述叶片旋流器(5)共轴线的中心体(7)，所述中心体(7)的一端与所述叶片旋流器(5)连接，另一端与所述整流阻涡器(13)连接。

7.根据权利要求6所述的超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，所述整流阻涡器(13)套设在所述中心体(7)远离所述叶片旋流器(5)的一端；

所述中心体(7)外套有第二滑轨(16)，所述整流阻涡器(13)上设置有与所述第二滑轨(16)滑动配合的第二滑套(14)，所述第二滑套(14)上设置有第二螺栓，所述第二滑轨(16)上设置有与所述第二螺栓配合的第二条形孔。

8.根据权利要求1所述的超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，所述进气管段包括第一直管段(3)和外套于所述第一直管段(3)的第二直管段(4)，所述第二直管段(4)的内腔与所述第一直管段(3)的内腔连通，且所述第一直管段(3)和所述第二直管段(4)围成所述初始分离腔(A)。

9.根据权利要求1-8任一项所述的超音速冷凝旋流分离器，其特征在于，所述切向进气口(1)的横截面为矩形并沿着气流的前进方向渐缩，且所述切向进气口(1)为四个，沿所述切向旋流发生器(2)均匀分布。