一种超音速液化和螺旋流动分离装置的制作方法

本发明属于天然气加工领域，具体涉及一种超音速液化和螺旋流动分离装置。

背景技术：

天然气燃烧后污染小，是国家大力推广替代煤的绿色燃料，开采出的天然气中含有硫化氢、二氧化碳等杂质，容易造成设备和管道腐蚀，引起催化剂失效，影响最终产品的产量和质量；燃烧后会产生有毒的硫化物，污染环境，危害人体健康。现有脱硫多采用胺法/砜胺法脱硫脱碳，但胺法存在(1)脱硫剂氨价格较高，市价格一般在2500-3000元/吨，每小时用氨量在0.5-1吨之间。(2)电耗较高，一般每小时用电量在1200-1500度之间。(电价约为0.5元/度)(3)水耗较高，一般每小时用水量在20-40吨之间。(水价约为5元/吨)；砜胺法存在溶液吸收重烃严重，形成浪费和二次污染的缺点；本发明人在申请号2017201581398、名称：双喉道超声速低温螺旋流动气体分离装置的发明中公开了一种双喉道超声速低温螺旋流动气体分离装置，包括进口段、第一排涡轮型叶片、空段区、第二排涡轮型叶片、超音速喷管气流加速区、收集区段、干净气体超音速减速区、第一排压缩机型叶片、第二排压缩机型叶片、亚音速气流减速区、中心锥体和流道外壳，所述流道外壳的端部设置为所述进口段，所述第一排涡轮型叶片安装于所述进口段内，所述第二排涡轮型叶片安装于所述第一排涡轮型叶片的后方，所述第一排涡轮型叶片与所述第二排涡轮型叶片之间为所述空段区，所述第二排涡轮型叶片的后方为所述超音速喷管气流加速区所述收集区段设置于所述超音速喷管气流加速区的一侧，所述干净气体超音速减速区设置于所述收集区段的一侧，所述第一排压缩机型叶片位于所述干净气体超音速减速区的后方，所述第二排压缩机型叶片设置于所述第一排压缩机型叶片的后方，所述亚音速气流减速区设置于所述第二排压缩机型叶片的后方，所述流道外壳的管壁为中心锥体。由于水的熔点为0℃，只需在超音段形成超音速(1.0马赫数以上)即可使天然气温度降到零下，天然气中的水就会形成冰晶。而硫化氢的熔点-85.5℃，需要在超音段形成1.9马赫数以上(温度达到-90℃以下)的稳定超音流并保持足够长的时间，使形成的冰晶在到达收集区轴向位置前，能在离心力的作用下被甩到外壁面，从收集区流出。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种结构强度高、残留液滴少的超音速液化和螺旋流动分离装置。

本发明中的一种超音速液化和螺旋流动分离装置，包括内流道和外流道组成的环形管道，环形管道包括依次设有的入口段、第一缩放段、第一渐扩段、第二渐扩段、第二收缩段和扩张段，第一渐扩段和第二渐扩段之间设有第一分离口，第二渐扩段和第二收缩段之间设有第二分离口，入口段中设有涡轮型叶片，第二分离口后部设有压缩机型叶片，第一缩放段包括收缩段、第一喉道和扩张段；第二收缩段和扩张段之间设有第二喉道，

第一喉道面积计算公式：

其中qm1为入口质量流量，k1为杂质气体比热比，p1为入口静压，r为理想气体常数，t1为气体入口温度；

第二喉道面积计算公式：

其中qm2为出口质量流量，k2为天然气比热比，p2为第二收缩段静压，t2为第二收缩段气体温度，r为理想气体常数；

作为优选，压缩机型叶片设置在第二收缩段、第二喉道或扩张段上。压缩机型叶片设置在扩张段上，损失低；设置在第二收缩段上，效率高。

作为优选，扩张段的扩张角β满足5°≤β≤30°。

作为优选，第一渐扩段和第二渐扩段的扩张角a满足1°≤a≤15°。

作为优选，第一渐扩段和第二渐扩段的轴向长度l1满足10d＜l1＜30d，其中d为入口段的内径。

作为优选，第二收缩段轴向长度l2满足2d＜l2＜5d，其中d为入口段1的内径。

本发明有益效果：气流从进口段进入，在涡轮型叶片的作用下获得足够大的角动量矩，气流然后经由管道的第一缩放段加速到超音速，温度大幅度降低，混合气体中的重烃、水蒸气开始凝结；第一渐扩段为凝结核的长大和气液两相在离心力下分离提供了充足的时间，液相一(重烃和水)到达外流道壁面从第一分离口排出；分离后的气体继续扩压升速、降温到设定的温度二以下，在该设定温度下，所选定的成分二(二氧化碳、硫化氢)发生凝结或固化并从分离口排出，从而实现气体成分二的分离。主流区气体收缩降速，在压缩机型叶片中形成激波，速度降到亚声速，从扩张段排出。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明涡轮型叶片示意图。

图3是本发明压缩机型叶片示意图。

图中标记：1、进口段，2、涡轮型叶片，3、收缩段，4、喉道，5、扩张段，6、第一渐扩段，7、第一分离口，8、第二渐扩段，9、第二分离口，10、第二收缩段，11、压缩机型叶片，12、扩张段，13、内流道，14、外流道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，但不应将此理解为本发明的上述主题的范围仅限于上述实施例。

如图1-3所示，一种超音速液化和螺旋流动分离装置，包括内流道13和外流道14组成的环形管道，环形管道包括依次设有的入口段1、第一缩放段、第一渐扩段6、第二渐扩段8、第二收缩段10和扩张段12，第一渐扩段6和第二渐扩段8之间设有第一分离口7，第二渐扩段8和第二收缩段10之间设有第二分离口9，入口段中设有涡轮型叶片2，扩张段12上设有压缩机型叶片11，第一缩放段包括收缩段3、第一喉道4和扩张段5；第二收缩段10和扩张段12之间设有第二喉道，

第一喉道面积计算公式：

其中qm1为入口质量流量，k1为杂质气体比热比，p1为入口静压，r为理想气体常数，t1为气体入口温度；

第二喉道面积计算公式：

其中qm2为出口质量流量，k2为天然气比热比，p2为第二收缩段静压，t2为第二收缩段气体温度，r为理想气体常数；

扩张段5的扩张角β满足5°≤β≤30°；第一渐扩段6和第二渐扩段8的扩张角a满足1°≤a≤15°；第一渐扩段6和第二渐扩段8的轴向长度l1满足10d＜l1＜30d，第二收缩段10轴向长度l2满足2d＜l2＜5d，其中d为入口段1的内径。

气流从进口段1进入，在涡轮型叶片2的作用下获得足够大的角动量矩，气流然后经由管道的第一缩放段加速到超音速，温度大幅度降低，混合气体中的重烃和水蒸气开始凝结；第一渐扩段6为凝结核的长大和气液两相在离心力下分离提供了充足的时间，液相一(重烃和水)到达外流道壁面从第一分离口7排出；分离后的气体继续扩压升速、降温到设定的温度二以下，在该设定温度下，所选定的成分二(二氧化碳、硫化氢)发生凝结或固化并从分离口9排出，从而实现气体成分二的分离。主流区气体收缩降速，在压缩机型叶片中形成激波，速度降到亚声速，从扩张段12排出。