专利名称：一种分流芯管及具有该芯管的单管旋风分离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种气固分离设备，尤其是一种用于天然气和煤层气输送过程中对天然气、煤层气和高温烟气进行气固分离的分流芯管及具有该芯管的单管旋风分离器。
背景技术：
在天然气长输管道上，为了增压和分输的要求，需要在沿线设置多个工艺站场 (压气站、分输站、分输清管站和独立清管站等)。在工艺站场内装有多管旋风分离器和过滤器，其目的是除去由各气田来的天然气中含有的砂和铁锈等固体杂质以及一定量的游离水和轻烃等液滴，以保证管道上阀门的密封、流量计的测量精度和大型压缩机组的稳定运行。以西气东输、陕京线为代表的大型管道天然气来自多个不同气田、组成成分差别大，导致天然气中不但含有固体粉尘，还含有水和轻烃等液滴，尤其是当冬季输气温度低时，含液量甚至远高于含尘量。多管旋风分离器的内部核心分离元件是单管旋风分离器(或称旋风子)，通常天然气用的多管旋风分离器内部由几根到几十根单管旋风分离器并联组成，以适应不同处理气量的要求。因此要求构成多管旋风分离器的每个单管旋风分离器不但能高效分离氧化铁和石英砂等固体颗粒，而且还可以高效分离轻烃和水等液滴；每个单管旋风分离器应具有压降低、分离效率高和操作范围宽等特性。因为压降低可以降低能耗损失，从而达到节能的目的。此外随着运行年限和季节的改变，天然气输气量变化较大，因此通过优化单管旋风分离器的性能，通过组合不同台数的旋风分离器来满足不同输气量要求，以保证多管旋风分离器处于高效的操作范围。因此，对于构成多管旋风分离器的每个单管旋风分离器来说，针对天然气输送的特殊性质，要求单管旋风分离器具有很高气固分离效率的同时，还要具有较高的气液分离效率，另外，由于天然气输气是在高压条件下进行，所以要求单管旋风分离器的压降要比较低。目前公知的构成多管旋风分离器的单管旋风分离器主要有三种型式直流式旋风分离器，切向进口式(包括单、双切向进口)旋风分离器，以及轴流导向叶片进口式旋风分离器，其中旋风分离器的直径在50 250mm范围内变化。直流式旋风分离器尽管结构比较紧凑，但是分离效果低，所以一般很少在天然气输送过程中应用。双切向入口型旋风分离器结构特点为双切向入口，带有防返混锥排尘结构，该类型旋风分离器可以除去大于10 μ m 的微细粉尘，达到了较高的分离效果，而且由于其旋风分离器具有独特的“防返混锥”排尘结构，可以使其组合为多管旋风分离器之后的总分离效率基本保持不变，但是处理量较少， 压降较高，适合输气量不大的输气管线上应用。轴流导向叶片进口式旋风分离器，简称轴向入口型单管旋风分离器，如中国专利 CN1986073A公开的“一种多管式旋风分离器的分离单管”即为一种轴流导向叶片进口式旋风分离器，其由筒体、进气口、升气管、导向器、分流锥和排尘环等组成，筒体为不锈钢基管和陶瓷复合层构成的不锈钢-陶瓷复合层结构；下部设置了由锥体、中心孔和耐磨层构成的锥形排尘结构的反射锥，在分流锥的下口设置了扩散锥。该轴向入口型旋风分离器在升气管下口采用了分流型芯管(即分流锥)和扩散锥。该结构在保证除尘效率不变的情况下降低旋风分离器压降30%左右，底部采用了大尺寸泄料孔的泄料盘结构。这种旋风分离器的特点是入口面积较大，处理量较大，结构紧凑，由于采用了直缝型分流芯管，具有较高的分离效率和较低的压降。但该公知的轴向入口型单管旋风分离器仍然存在以下问题适用地区受限制，在高寒地区使用时气液分离性能相对较差。如在我国西部地区，冬季温度低， 导致天然气内含有轻烃和水等液体组分，液滴和固体颗粒会黏附在底部的排灰环位置，影响顺利排灰。有鉴于上述公知技术存在的缺陷，要求每个单管旋风分离器不但要满足气固分离效率和压降要求，还应使旋风分离器具有良好的气液分离性能，在设计中应考虑天然气同时含有固体颗粒和液滴时的排尘问题。因此，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出本发明的单管旋风分离器，以满足不同环境的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分流芯管，以及具有该分流芯管的单管旋风分离器， 通过改进分流型芯管的结构形状来降低单管旋风分离器的压降，提高分离效率，从而提高单管旋风分离器的处理量；通过改进单管旋风分离器的排尘结构来提高旋风分离器的分离效率，降低粉尘颗粒的返混量。为此，本发明提出一种分流芯管，其中，所述分流芯管呈渐缩的锥形，在所述分流芯管的管壁上开设有多个均布的螺旋型缝隙。如上所述的分流芯管，其中，所述螺旋型缝隙的宽度自所述分流芯管的大口径端向小口径端均勻减小。如上所述的分流芯管，其中，所述螺旋型缝隙的螺旋角为5° 75°。如上所述的分流芯管，其中，每个所述螺旋型缝隙的宽度在1 15mm之间。如上所述的分流芯管，其中，所述分流芯管的管壁上设置8 25个螺旋型缝隙。本发明还提出一种单管旋风分离器，其中，所述单管旋风分离器具有筒体，设有导向器的排气管，所述排气管的前端与分流芯管相连接，所述分流芯管的开口端连接一喇叭状回流锥，且所述导向器、分流芯管、回流锥容置在所述筒体的一端内，所述筒体的另一端构成排尘端，其中，所述分流芯管呈开口端渐缩的锥形，且所述分流芯管的管壁上开设有多个均布的螺旋型缝隙。如上所述的单管旋风分离器，其中，所述筒体的排尘端形成渐缩的第一锥体，所述第一锥体的开口端连接第二锥体，所述第二锥体的大直径底端与所述第一锥体的开口端相连接，其渐缩的小直径端构成排尘口。如上所述的单管旋风分离器，其中，所述导向器为由多个均布的螺旋叶片构成，所述螺旋叶片的旋转方向与所述螺旋型缝隙的螺旋方向相反。如上所述的单管旋风分离器，其中，所述螺旋型缝隙的螺旋角为5° 75°。如上所述的单管旋风分离器，其中，所述螺旋型缝隙沿所述分流芯管横截面的壁厚方向上斜切，使所述螺旋型缝隙的切口方向与分流芯管的管壁外周的切线方向之间的夹角大于90°，小于180° ；所述螺旋型缝隙的宽度沿所述分流芯管从上到下均勻减小；每个所述螺旋型缝隙的宽度在1 15mm之间；所述分流芯管的管壁上设置8 25个螺旋型缝隙。本发明的分流芯管和具有该分流芯管的单管旋风分离器的优点和特点是本发明的螺旋缝型分流芯管，与直缝型分流芯管相比，保留了直缝型分流芯管的优点，即能防止被分离的固体颗粒通过缝隙进入排气管逃逸，又降低了旋风分离器的压降； 另外，由于本发明的分流芯管上设置的螺旋型缝隙的长度大于公知的直缝型分流芯管上设置的直缝长度，从而使得外部气流进入本发明的分流芯管内部的气流量加大，并且外部进入的气体流动方向与分流芯管内部气流旋转的方向相反，这样更加有效地抑制了分流芯管内部气流的旋转。与直缝型分流芯管相比，在其他结构尺寸不变的条件下，相同操作条件下，采用本发明的螺旋缝型分流芯管的单管旋风分离器的压降比采用直缝型分流芯管的单管旋风分离器压降至少降低16%，同时能够有效地提高分离效率。本发明的单管旋风分离器，在采用具有螺旋型缝隙的分流芯管的同时，在筒体的排尘端设置了双锥型排尘结构，进一步提高了旋风分离器的效率，并能够有效的降低压降。本发明由于采用了螺旋缝型分流芯管和双锥形排尘结构，因此本发明的具有螺旋型缝隙分流芯管的单分离器处理量可提高15%左右；在相同处理量下，可比现有天然气净化用轴向入口型旋风分离器压降降低16%以上，比公知的具有直缝型分流芯管和排尘环结构的旋风分离器的分离效率提高3. 以上。
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，图1是本发明分流芯管的结构示意图，其上设螺旋型缝隙；图2是沿图1中A-A线的剖面示意图，螺旋型缝隙的切割方向；图3是本发明单管旋风分离器的结构示意图；图4是本发明单管旋风分离器的双锥型排尘结构示意图。
具体实施例方式本发明提出的分流芯管呈渐缩的锥形，在所述分流芯管的管壁上开设有多个均布的螺旋型缝隙。采用具有螺旋型缝隙的分流芯管能有效分离输送体内的固体颗粒，又能起到降压作用。本发明还提出一种单管旋风分离器，其具有筒体，排气管上设有导向器，所述排气管的前端与分流芯管相连接，所述分流芯管的开口端连接一喇叭状回流锥，且所述导向器、 分流芯管、回流锥容置在所述筒体的一端内，所述筒体的另一端构成排尘端，所述分流芯管呈开口端渐缩的锥形，且所述分流芯管的管壁上开设有多个均布的螺旋型缝隙。与直缝型分流芯管相比，在其他结构尺寸不变的条件下，相同操作条件下，本发明的具有螺旋型缝隙分流芯管的旋风分离器的压降比采用直缝型分流芯管的旋风分离器压降至少降低16%，同时分离效率也大幅度提高。所述筒体的排尘端形成渐缩的第一锥体，所述第一锥体的开口端连接第二锥体， 所述第二锥体的大直径底端与所述第一锥体的开口端相连接，其渐缩的小直径端构成排尘口。本发明采用双锥形排尘端，能进一步提高旋风分离器的分离效率。
进一步地，所述导向器为由多个设置在所述排气管外周壁上且均布的螺旋叶片构成，所述螺旋叶片的旋转方向与所述螺旋型缝隙的螺旋方向相反。采用本发明的结构使固体颗粒由于惯性而不会随气流进入分流芯管的螺旋型缝隙内，同时还降低了旋风分离器的压降，有效降低了输送管道中的能耗损失。为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的分流芯管及具有该芯管的单管旋风分离器的具体实施方式
、结构、特征及功效，详细说明如后。另外，通过具体实施方式
的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。图1是本发明分流芯管的结构示意图，其上设螺旋型缝隙；图2是沿图1中A-A线的剖面示意图，螺旋型缝隙的切割方向。如图1、图2所示，本发明的分流芯管4为渐缩的截锥形圆管，在所述分流芯管4的管壁上开设有多个均布的螺旋型缝隙41。在一个可行的实施例中，所述螺旋型缝隙41的宽度沿所述分流芯管4从上到下均勻减小。即，螺旋型缝隙41的宽度自所述分流芯管4的大口径端向小口径端均勻减小。本发明的分流芯管4，所述螺旋型缝隙41沿所述分流芯管4横截面的壁厚方向上斜切，使所述螺旋型缝隙41的切口方向与分流芯管4的管壁外周切线方向之间的夹角Φ 大于90°，小于180°。优选，所述螺旋型缝隙41的螺旋角为5° 75°。进一步地，每个所述螺旋型缝隙41的宽度在1 15mm之间。根据管径的大小和实际工况需要，所述分流芯管4的管壁上可以设置8 25个螺旋型缝隙41。本发明的分流芯管4除保留了直缝型分流芯管的优点，能够防止被分离的固体颗粒通过缝隙进入排气管1逃逸外，由于采用了螺旋型缝隙41，从而使得外部气流进入分流芯管4内部的气流量加大，并且外部进入的方向与分流芯管4内部气流旋转的方向相反，这样更加有效地抑制了分流芯管4内部气流的旋转，提高了分离效率。图3是本发明单管旋风分离器的结构示意图；图4是本发明单管旋风分离器的双锥型排尘结构示意图。如图3、图4所示，本发明提出的单管旋风分离器，具有筒体3，设有导向器2的排气管1，所述排气管1的前端与分流芯管4相连接，所述分流芯管4的开口端42连接一喇叭状回流锥5，且所述导向器2、分流芯管4、回流锥5容置在所述筒体3的一端内，所述筒体3 的另一端构成排尘端30，其中，所述分流芯管4呈开口端42渐缩的锥形，且所述分流芯管4 的管壁上开设有多个均布的螺旋型缝隙41，形成螺旋缝型分流芯管。所述筒体的排尘端30形成渐缩的第一锥体301，所述第一锥体301的开口端3011 连接第二锥体302，所述第二锥体302的大直径底端3021与所述第一锥体301的开口端 3011相连接，其渐缩的小直径端构成排尘口 3022。所述导向器2为由多个设置在所述排气管1外周壁上且均布的螺旋叶片21构成， 所述螺旋叶片21的旋转方向与所述螺旋型缝隙41的螺旋方向相反。本发明的工作原理是本发明的分离器为一种轴向入口型单管旋风分离器，适用于天然气、煤层气和烟气的净化，特别适用于如西气东输、陕京线等大型天然气输送管道。 本发明的具有所述分流芯管4的单管旋风分离器的筒体3的直径可以在50 250mm范围内。如图所示，本发明的单管旋风分离器，在导向器2下面的排气管1的端部安装了具有螺旋型缝隙41的分流芯管4，这种芯管是一个锥形贯通圆管，在分流芯管4的周壁上开有均勻分布的螺旋型缝隙41。螺旋型缝隙41沿锥形分流芯管4横截面的壁厚方向上斜切， 使其与该处气流方向(图2中箭头B所指方向)之间的夹角Φ应大于90°，小于180°。 分流芯管4上所有的螺旋型缝隙41的流通面积与开口端42的圆形开口的面积之和，构成了螺旋缝型分流芯管4的总流通面积。含尘气体由筒体3与排气管1之间形成的环形进气口 6进入，经过导向器2后形成旋转气流，具有很大的切向速度，从而将大部分粉尘颗粒分离到筒体3的内壁上。经过导向器2后，气体分两路进入排气管1 一路是气流在筒体3内流到设置在分流芯管4的开口端42处设置的回流锥5时，由于回流锥5呈向外扩口的喇叭状结构，其外表面51起到节流作用，使得一部分气流回流，使气流经过分流芯管4的螺旋型缝隙41进入排气管1，由于螺旋型缝隙41的切口方向与分流芯管4的管壁外周的切线方向之间的夹角Φ大于90°，气流以较大的速度在很小范围内急剧转向，产生较强的离心力场，另外由于构成导向器2的多个螺旋叶片21的旋转方向与螺旋型缝隙41的螺旋方向相反，从而使螺旋型缝隙41的开缝方向与气流方向相反，因此固体颗粒由于惯性而不会随气流进入螺旋型缝隙41内；另一路是剩下的气流在旋风分离器的排尘端30处转变成上升气流，经回流锥5和分流芯管4的下部开口进入排气管1。如图3和图4所示，本发明的单管旋风分离器，排尘端30采用了双锥型结构，设置在筒体端的第一锥体301有利于排尘和排液；设置在第一锥体301端部的第二锥体302有利于限制被分离的固体颗粒和液滴的返混，从而提高旋风分离器的效率。与现有轴向入口型单管旋风分离器相比，本发明的单管旋风分离器的特点在于(1)采用了螺旋缝型分流芯管。与直缝型分流芯管相比，螺旋缝型分流芯管4保留了直缝型分流芯管的优点，即防止被分离的固体颗粒通过缝隙进入排气管1逃逸，又降低了旋风分离器的压降；另外，现在大量研究表明，由于气流在芯管处高速旋转，旋风分离器的芯管引起的压降占整个旋风分离器压降的70%以上，由于螺旋缝型分流芯管4的管壁上设置的缝隙为螺旋型缝隙41，在分流芯管长度相同的情况下，本发明的分流芯管4上设置的螺旋型缝隙41的长度大于公知的直缝型分流芯管上设置的直缝长度，从而使得外部气流进入本发明的分流芯管4内部的气流量加大，并且外部进入的气体流动方向与分流芯管 4内部气流旋转的方向相反，这样更加有效地抑制了分流芯管4内部气流的旋转；与直缝型分流芯管相比，在其他结构尺寸不变的条件下，相同操作条件下，采用螺旋缝型分流芯管4 的单管旋风分离器的压降比采用直缝型分流芯管的单管旋风分离器压降至少降低16%，同时分离效率也有效地提高。(2)采用了双锥型排尘结构。第一锥体301有利于排尘和排液，第二锥体302的内锥面3023有利于限制被分离的固体颗粒和液滴的返混，从而提高了旋风分离器的效率；由于本发明的单管旋风分离器采用了双锥型排尘端30结构，因此分离效率明显提高。当然，将该双锥型排尘结构用于目前公知的轴向入口型单管旋风分离器时，可有效提高其分离效率，但压降基本保持不变。在具有本发明的分流芯管的单管旋风分离器中设置双锥型排尘结构，对分离效率的提高和压降的降低具有更加显著的效果。表1 表5对比了三种单管旋风分离器的分离效率和压降，三种单管旋风分离器都为轴向入口型，筒体内径都为150mm，除了分流芯管和排尘结构不一样外，其他所有尺寸都一样。其中，第一种单管旋风分离器为中国专利CN1986073A介绍的结构，其具有直缝型分流芯管和排尘环结构，第二种单管旋风分离器为具有公知的直缝型分流芯管和双锥型排尘端30的结构(未图示)，第三种单管旋风分离器即为本发明的结构，具有螺旋缝型分流芯管4和双锥型排尘端30的结构，通过实验可以分别验证螺旋缝型分流芯管4和双锥型排尘端30的作用。实验采用负压操作，气体直接由风机抽出放空，由安装在旋风分离器进气管道上的皮托管来测定气速。实验使用的粉尘为800目滑石粉，其中位粒径为9. 86μπι，最大粒径约为40 μ m。从表1中可以看出，第二种单管旋风分离器的压降与第一种单管旋风分离器的压降基本上相同，即说明把排尘环结构改为双锥型结构不增加旋风分离器的压降，但是采用螺旋缝型分流芯管4后，单管旋风分离器的压降至少下降16.2%。从表2 表5中可以看出，双锥型排尘结构明显能提高单管旋风分离器的效果， 在实验条件下，效率提高百分比在2% 6%范围内；另外，对比本发明的单管旋风分离器与第二种单管旋风分离器的分离效率会发现，把直缝型分流芯管改为螺旋缝型分流芯管4 后，除了入口气速在8m/s外，其他气速下分离效率都要提高1. 5% 2. 9 %，分离效率提高比较明显。因此，从表1 表5中可以发现，本发明的旋风分离器与第一种旋风分离器相比， 压降要降低16. 2%以上，分离效率提高3. 7.9%。表1不同结构旋风分离器压降对比
权利要求
1.一种分流芯管，其特征在于，所述分流芯管呈渐缩的锥形，在所述分流芯管的管壁上开设有多个均布的螺旋型缝隙。
2.如权利要求1所述的分流芯管，其特征在于，所述螺旋型缝隙的宽度自所述分流芯管的大口径端向小口径端均勻减小。
3.如权利要求1所述的分流芯管，其特征在于，所述螺旋型缝隙的螺旋角为5° 75°。
4.如权利要求1至3任一项所述的分流芯管，其特征在于，每个所述螺旋型缝隙的宽度在1 15mm之间。
5.如权利要求1至3任一项所述的分流芯管，其特征在于，所述分流芯管的管壁上设置 8 25个螺旋型缝隙。
6.一种单管旋风分离器，其特征在于，所述单管旋风分离器具有筒体，设有导向器的排气管，所述排气管的前端与分流芯管相连接，所述分流芯管的开口端连接一喇叭状回流锥， 且所述导向器、分流芯管、回流锥容置在所述筒体的一端内，所述筒体的另一端构成排尘端，其中，所述分流芯管呈开口端渐缩的锥形，且所述分流芯管的管壁上开设有多个均布的螺旋型缝隙。
7.如权利要求6所述的单管旋风分离器，其特征在于，所述筒体的排尘端形成渐缩的第一锥体，所述第一锥体的开口端连接第二锥体，所述第二锥体的大直径底端与所述第一锥体的开口端相连接，其渐缩的小直径端构成排尘口。
8.如权利要求6或7所述的单管旋风分离器，其特征在于，所述导向器为由多个均布的螺旋叶片构成，所述螺旋叶片的旋转方向与所述螺旋型缝隙的螺旋方向相反。
9.如权利要求8所述的单管旋风分离器，其特征在于，所述螺旋型缝隙的螺旋角为 5° 75°。
10.如权利要求8所述的单管旋风分离器，其特征在于，所述螺旋型缝隙沿所述分流芯管横截面的壁厚方向上斜切，使所述螺旋型缝隙的切口方向与分流芯管的管壁外周的切线方向之间的夹角大于90°，小于180° ；所述螺旋型缝隙的宽度沿所述分流芯管从上到下均勻减小；每个所述螺旋型缝隙的宽度在1 15mm之间；所述分流芯管的管壁上设置8 25 个螺旋型缝隙。
全文摘要
本发明涉及到种分流芯管及具有该芯管的单管旋风分离器，其中分流芯管呈渐缩的锥形，在分流芯管的管壁上开设有多个均布的螺旋型缝隙。单管旋风分离器具有筒体，设有导向器的排气管，排气管的前端与分流芯管相连接，分流芯管的开口端连接一喇叭状回流锥，且导向器、分流芯管、回流锥容置在筒体的一端内，筒体的另一端构成排尘端，其中，分流芯管呈开口端渐缩的锥形，且分流芯管的管壁上开设有多个均布的螺旋型缝隙。本发明由于采用了螺旋缝型分流芯管和双锥形排尘结构，因此本发明的分离器处理量可提高15％左右；在相同处理量下，比公知的轴向入口型旋风分离器压降降低16％以上，比具有直缝型分流芯管和排尘环结构的旋风分离器的分离效率至少提高3.1％。
文档编号B04C5/107GK102343310SQ20111023675
公开日2012年2月8日 申请日期2011年8月17日 优先权日2011年8月17日
发明者吴小林, 姬忠礼, 熊至宜, 陈鸿海 申请人:中国石油大学(北京)