一种自引射循环回流超音速旋流分离器的制作方法

本实用新型涉及一种自引射循环回流超音速旋流分离器，属于超音速冷凝分离装置技术领域，广泛应用于天然气、煤层气、页岩气和致密气等含水、含烃类气体的脱水、脱烃。

背景技术：

超音速分离器具有无转动部件、耐高压、无需外部动力驱动、成本低及运行可靠等优点。在天然气脱水、脱重烃和轻烃回收领域有很强的适用性。目前，超音速脱水技术在国内、外都仍处于试验与初步现场应用阶段，尽管已有商业应用的实例，但是在超音速分离效率和操作弹性范围等方面仍存在一些局限性。超音速分离器主要有U型、旋流后置型和旋流前置型三类。Garret等为代表的U型超音速分离器，该装置由Laval喷管与一个截面为矩形的U型通道相连构成（US3528217）。该型设备结构过于复杂，而且部分需要辅助电磁场或注入抑制剂来解决水合物和冻堵问题。Twister BV公司研制的Twister™ Mark I为代表的旋流叶片后置型超音速分离器，该型设备建立的涡流模型在增加叶片迎角时，叶片的拦截效果和涡流不对称。而且当超音速气体与旋流叶片相碰时，会产生强烈的激波，这会造成很大的能量损失，甚至影响流场，破坏水蒸汽自发凝结时所需要的低温低压环境，从而使得凝结的液滴在分离段由于温度压力的升高发生二次挥发，最终导致压力损失较大和离效率的降低。Twister BV公司研制的Twister™ Mark II和Translang公司研制的3S为代表的旋流前置式超音速分离器（US6372019）虽然克服了旋流后置型分离器的缺点，但是由于流体在进入喷管前就已经开始旋转，旋转的强度虽高，但经过喷管和直管段到达气液分离出口时，旋转强度已经下降，会导致分离不够彻底，而且随着操作参数的不断变化，会导致此装置的激波发生位置的范围不断变化，很大几率会进入喷管内，会对的工作性能产生剧烈影响。此外，该型设备仍存在的无法适应实际不断变化的出入口压力条件的问题。此外，北京航空航天大学的一种双喉道自起动超音速旋流分离器及其分离方法（CN102274805B）采用双喷管串联的结构形式，同时在扩压器收缩段和扩压器扩张段之间通过多孔壁结构形成一个扩压器喉道流通截面积可调的气动调节结构，在扩压器收缩段和扩压器扩张段压差作用下实现气动可调性。但是该型设备带循环的超音速分离器的排液间隙均采用的是不同内外半径套管构成的环状排液间隙结构，达到排除凝析液的目的。在凝析液产量过大的情形下，需要增加这一环隙的大小时，会导致在超音速拉法尔管扩压段内产生激波，引起喷管内静温升高，凝析液蒸发，从而造成了分离效率的下降、压力能的损失较大。所以，排液的环隙结构是上述超音速旋流分离设备的一个缺陷。北京工业大学提出了一种湿气再循环超音速气体净化分离装置（CN 201534048 U）。该结构利用排液口和拉法尔管扩压段出口处的压差，将排液腔内的湿气进行多次循环从而得到除去液体的干气，但是该装置采用的是旋流器后置的结构，从喷管出来的超音速气流撞击叶片会产生激波，且有较大压损，不适用于进口压力较低的工况。同时该设备也存在双喉道自起动超音速旋流分离器类似的排液环隙结构的缺陷。

因此，有必要开发出一种克服上述缺陷的新型超音速分离设备。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服以上技术的不足，提供一种结构简单、设计加工容易、运行稳定可靠、湿组分脱除率高、增强凝析液脱除能力，同时可以适应压力变化的、用于混合气体冷凝分离的制冷与分离一体化的自引射循环回流超音速旋流分离器。

本实用新型采用的技术方案是：一种自引射循环回流超音速旋流分离器，它包括进气腔旋流结构、拉法尔管、分液结构和压力恢复段，它还包括一个积液腔；所述进气腔旋流结构包含连接进气腔的进气管、位于进气腔中的旋流发生器和设置在进气腔端部的进气腔挡板；所述拉法尔管包含连接旋流发生器的拉法尔管渐缩段和拉法尔管扩压段；所述分液结构包含连接拉法尔管扩压段的稳定锥度段和出口连接压力恢复段的喷管降速直段；所述积液腔包含分离腔和位于分离腔内的过滤段，分离腔与稳定锥度段外侧的排液腔连接，过滤段的出口经回流管连接设置在拉法尔管渐缩段中的旋流发生器和导流锥的回流通道，导流锥的锥端设有多个导流锥侧向开口，导流锥侧向开口的中心线距锥尖距离为10-50mm；所述旋流发生器与导流锥连接后构成的整体通过法兰与回流管连接，回流管法兰采用焊接方式与回流管连接，回流管法兰与进气腔挡板之间设置金属垫片，采用连接螺钉调节间隙，在回流管法兰与进气腔挡板之间设置o型密封圈。

所述旋流发生器的出口处与导流锥的进口处采用螺纹连接，螺纹的长度为20-200 mm。

所述旋流发生器内的回流通道直径与回流管的内径相同，导流锥内的回流通道采用向出口方向渐缩的圆形截面通道。

所述拉法尔管渐缩段的收缩角为10-60度角，长度为6-1400 mm，大头直径25-1000 mm，导流锥的锥角在5-60度角之间，长度为6-1400 mm，大头直径为10-600 mm。

所述旋流发生器设有4-28个周向均布的轴流式导向叶片，轴流式导向叶片的厚度在1-10 mm之间，旋流器出口角在20-60度角之间。

上述技术方案的指导思想是：为解决现有技术中存在的结构复杂、压力损失大、排液环隙结构引起激波、分离效率低、适应工况范围小等不足。本装置利用Lava喷管喉部区域由于旋流和超音速产生的静压值低于拉法尔管扩压段出口处的静压值将气体从Laval拉法尔管扩压段出口处引射到喷管喉部及扩张段内而使含湿气体自引射进入回流管，形成外部回流循环，保证拉法尔管扩压段内有较稳定和均匀的流动状态。通过该回流可实现被分离的流体进行二次旋流分离，而且回流的含湿气体中含有部分小液滴可以作为凝结核心，实现了非均质成核而缩短了成核时间而提高了液滴分离时间，从而进一步提高了凝液的分离效率。回流结构同时也减小了进入压力恢复段的的流体流量，从而降低了形成激波的可能或降低了由于激波而造成的压力损失。带回流通道的轴流旋流发生器、带回流通道的导流锥、回流管、以及回流管上的法兰构成一个整体，而且旋流发生器布置在渐缩段前的直管段上，不仅避免了布置在渐缩段内压力损失的缺点，而且实现了结构简单，便于拆卸的目的。此外，本装置的导流锥可沿轴线前后移动，从而可以改变喷管喉部流通截面积和回流管的位置，从而适应不同的操作工况，提高了设备的适用范围。本装置采用等径环形排液间隙，在间隙需要较大的情况下避免了超音速拉法尔管扩压段内激波的产生所引起的喷管内静温升高，凝析液蒸发的现象，可以有效提高分离效率。高压下，当原料气含水量较低时（水露点较低）而导致采用该设备得到的温降使液体收率较低时，可以通过去除分离腔内的过滤段或去除分离腔的方法来增加回流湿气的含液量来提高设备的凝液收率；低压下可以将分离腔内的部分液体通过泵及雾化器打入回流管内来增加进料原料气的含液量来提高设备的凝液收率，从而提高了该设备的适用范围。

本实用新型具有的优点在于：

1.本装置利用含湿气体在排液腔与带回流通道的导流锥出口处间的压差，使含湿气体自引射进入回流管，形成外部回流循环。该回流气可以促进拉法尔管扩压段内的凝析过程并且可实现二次旋流分离，提高了超音速分离器的分离效率。

2.本装置自引射回流至拉法尔管扩压段内的含湿气体中含有部分小液滴，其可以作为凝液成核所用的凝结核心，含湿气体的冷凝相变可以发生在小液滴的表面，实现了非均质成核，即凝结成液滴的过程在较低过饱和度下进行。非均质成核不仅缩短了成核时间而提高了液滴分离时间，而且得到的液滴尺寸一般大于均质成核的液滴尺寸，从而进一步提高了凝液的分离效率。

3.本装置由于利用在排液腔与带回流通道的导流锥出口处间的压差，使含湿气体自引射进入回流管，实现了减小进入压力恢复段的的流体流量，从而降低了形成激波的可能或降低了由于激波而造成的压力损失。

4.本装置采用等径环形排液间隙，在间隙需要较大的情况下避免了超音速拉法尔管扩压段内激波的产生所引起的喷管内静温升高，凝析液蒸发的现象，可以有效提高分离效率。

5.本装置通过两种方式将冷凝出来的液滴进行分离：一是直接利用排液腔的排液口分离，二是随着外循环气的流动携带进入回流循环结构中的分离腔，在分离腔的过滤段通过物理过滤完成部分凝析液的分离。这两种方式的结合可以有效地提高分离效果。

6.带回流通道的轴流旋流发生器、带回流通道的导流锥、回流管、以及回流管上的法兰构成一个整体，而且旋流发生器布置在渐缩段前的直管段上，不仅避免了布置在渐缩段内压力损失的缺点，而且实现了结构简单，便于拆卸的目的。

7.本装置的导流锥可沿轴线前后移动，从而可以改变喷管喉部流通截面积和回流管的位置，从而适应不同的操作工况，提高了设备的适用范围。

8.高压下，当原料气含水量较低时（水露点较低）而导致采用该设备得到的温降使液体收率较低时，可以通过去除分离腔内的过滤段或去除分离腔的方法来增加回流湿气的含液量来提高设备的凝液收率；低压下可以将分离腔内的部分液体通过泵及雾化器打入回流管内来增加进料原料气的含液量来提高设备的凝液收率，从而提高了该设备的适用范围。

9.本装置设计了带有切向开口和不带切向开口的两种导流锥。带有切向开口的导流锥可以使回流至拉法尔管扩压段的流体切向进入拉法尔管扩压段，从而降低了由于轴向进入而导致的较大的阻力损失，该导流锥适用于低压系统。而不带切向开口的导流锥结构简单，便于加工，适用于高压系统。

10.本装置具有结构紧凑、体积小、易加工、成本低、免维护、可迅速开停车和环保的特点。不仅适用于常规天然气的水露点和烃露点的控制，而且适用于非常规气田（页岩气、煤层气、致密气）等气田的脱水脱烃。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明。

图1是一种自引射循环回流超音速旋流分离器的结构图。

图2是图1中的B放大图。

图3是图1中的A-A剖视图。

图4是图1中的C放大图。

图5是图1中的D放大图。

图中：1、回流管，1a、回流通道，2、进气腔挡板，3、进气管，4、进气腔，5、旋流发生器，6、导流锥，7、拉法尔管渐缩段，8、拉法尔管扩压段，9、稳定锥度段，10、喷管降速直段，11、压力恢复段，12、排液腔，13、分离腔，14、过滤段，15、回流管法兰，16、金属垫片，17、连接螺钉，18、o型密封圈，19、轴流式导向叶片，20、金属垫片，21、导流锥侧向开口。

具体实施方式

本实用新型的具体实施方式如下，但不止这一种实施方式。

本实用新型自引射循环回流超音速旋流分离器包括回流管1、进气腔挡板2、进气管3、进气腔4、带回流通道的轴流旋流发生器5、拉法尔管渐缩段7、拉法尔管扩压段8、稳定锥度段9、喷管降速直段10、压力恢复段11、排液腔12、分离腔13和过滤段14等主要部件组成。气源供气管和进气管3之间、进气腔挡板2和进气腔4之间、回流管1与旋流发生器5之间、拉法尔管渐缩段7和拉法尔管扩压段8之间、拉法尔管扩压段8和排液腔12之间、排液腔12和喷管降速直段10之间、喷管降速直段10和压力恢复段11之间依次采用法兰连接。其中焊接在回流管上的回流管法兰15和进气腔挡板2通过连接螺钉17和金属垫片16连接和固定在一起；带回流通道的旋流发生器5放置在进气腔4内，并与进气腔4之间采用间隙配合；带回流通道的旋流发生器5与带渐缩回流通道的导流锥6之间采用螺纹连接，且在螺纹连接结束的位置设置凸台，用于导流锥6和旋流发生器5之间的径向定位；喷管的稳定锥度段9采用套筒的方式固定在排液腔12内部，在排液腔12内设置有固定挡板，用来固定和调节稳定锥度段9的轴向位置。

本实施例中的回流管1、分离腔13以及过滤丝网，有效地将排液腔内的液滴分离出来，同时将排液腔内的湿气过滤后再次进入到拉法尔管扩压段内，实现湿气的循环，很好地平衡了拉法尔管扩压段内的压力，避免在拉法尔管扩压段内产生激波，适用于更加广泛的操作条件，提高分离效率，降低压力能的损失。

本装置导流锥6的轴向左右移动通过调节回流管上的法兰15和进气腔挡板2之间的距离实现，在回流管法兰15和进气腔挡板2的连接螺钉17上增加（或减少）金属垫片16实现导流锥向左（或向右）移动，进而改变喷管喉部截面积，使其适用于更加广泛的工况条件。焊接在回流管1上的回流管法兰15和进气腔挡板2之间采用径向填料密封壁面气体泄漏。

本装置的稳定锥度段9和喷管降速直段10加工成一个整体，排液间隙通过调节排液腔12和喷管降速直段10之间的轴向相对位置实现，在排液腔12的内部设置有带通孔的挡板，在挡板与喷管降速直段10之间添加或减少金属垫片20，实现排液间隙的增大或减少。

具体工作流程如下：首先含湿气体通过装置进气管3进入到进气腔4内，在旋流发生器5的导流结构下进入到旋流发生器的轴流式导向叶片19之间的流道内，在轴流式导向叶片19的作用下，气流产生一定切向速度和轴向速度，从旋流发生器5流出后进入到拉法尔管渐缩段7和拉法尔管扩压段8内，在拉法尔管扩压段8内的低温环境下，含湿气体中的可凝组分开始冷凝，形成的液滴在强大的离心力作用下向喷管内壁面运动；然后凝结液滴和部分气体从排液口中流出，经过排液腔12进入到分离腔13内，在分离腔13内，部分液滴在重力作用下落到分离腔底部，其他液滴和气体经过过滤段14过滤后，通过回流管1和回流通道1a进入到拉法尔管扩压段8内，实现再次净化和分离；最后，除去液滴的干气经过稳定锥度段9和喷管降速直段10后进入到压力恢复段11内，速度降低，温度和压力升高，最终从压力恢复段11出口流出。

本实用新型能够实现含湿气体自引射循环分离的理论依据：本装置主要是利用Lava喷管喉部低压将气体从Laval拉法尔管扩压段出口处引射到喷管喉部及扩张段内，其中喷管喉部区域的低压主要由两个因素引起的，其一是旋流产生的中心低压；其二是超音速低压，两者相结合导致喷管喉部区域的静压值低于拉法尔管扩压段出口处的静压值。对于拉法尔管扩压段内产生激波的情况，本发生装置也能很好避免，自引射循环回路很好地均衡了拉法尔管扩压段出口处和喉部的压力，保证拉法尔管扩压段内有较稳定和均匀的流动状态。