专利名称：紧凑型天然气离心脱水设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种气、液两相分离的设备，特别适用于含有微小分散液滴天然 气的净化处理方法。
背景技术：
随着国内外大型天然气气田的不断开发，天然气在工业领域和城市生活中扮演着 越来越重要的角色。刚从气井中开采出来的天然气必须经过脱水、脱硫、除尘等一系列净化 处理工序之后方能进入输气干线。常规工业脱水方法有低温冷凝脱水法、溶剂吸收法、固 体干燥剂吸附法、膜分离法、超音速分离、离心分离等，各种净化处理方法都有其优缺点和 特定的适用范围。相关研究人员通过测量、计算发现，从气井中开采出来的天然气压力在 600bar左右，温度在80-100°C之间，因此在对天然气进行处理和输送前必须要对其降压、 降温。传统的降压、降温方法主要是利用节流阀使气体膨胀，但气体膨胀降压后释放出 的大量能量在节流阀处被释放掉了，造成了浪费。低温冷凝脱水法是通过透平膨胀机把高 压天然气节流降压致冷，再用低温分离法从天然气中回收凝析液。这种方法工艺成熟、成本 低廉、处理量大，在国内不少油田应用较为普遍，其主要缺点是工作过程中容易生成水合 物，需要采取添加抑制剂等防止水合物生成的措施，以及相应配套的抑制剂回收系统；需要 深度脱水时需配备制冷设备，这样会引起工程投资和使用成本的提高；透平膨胀机有高速 运动部件，制造难度大、可靠性差。溶剂吸收法是利用溶剂(或溶液)对水蒸气的吸收能力，将天然气中的水蒸气吸 收下来，吸收水蒸气后的溶剂或溶液(生产上称为富液)经再生后可循环使用。甘醇类化 合物具有很强的吸水性，其溶液冰点较低，所以广泛应用于天然气脱水装置，20世纪30年 代最先用于天然气脱水的是二甘醇。由于三甘醇(TEC)相比的热稳定性好，易再生，蒸汽压 低，携带损失量更小，而且对相同质量浓度的甘醇溶液而言，三甘醇易获得更大的露点降， 因而20世纪50年代后三甘醇逐步取代二甘醇成为最主要的脱水溶剂。但这种脱水方法的 系统工艺流程比较复杂，三甘醇再生过程的能耗比较大，而且会有污染，需要净化，加大了 操作成本。固体干燥剂吸附法是利用固体干燥剂对水蒸气的吸附能力，将天然气中的水蒸气 吸附下来。固体干燥剂丧失能力后，用高温气流对干燥剂进行再生，再生的干燥剂可以重复 利用。常用的干燥剂主要有活性氧化铝、硅胶和分子筛，气体中的水蒸气吸附在分子筛、硅 胶等吸附剂上达到脱水的目的。与甘醇吸收法相比，吸附法脱水对进料气温度、压力和流量 变化不敏感，小流量脱水较经济。其主要缺点主要有对于大装置，设备投资和操作费用都 比较高，吸附剂容易中毒和破碎。气体膜分离技术是20世纪70年代开发成功的新一代气体分离技术，其原理是在 压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜内溶解-扩散上的 差异，即渗透速率差来进行分离。天然气膜法脱水是近年来发展起来的新技术，它克服了传统净化的许多不足，表现出较大的发展潜力。美国S印arex、Grace和Air Product等公司 相继研制开发出了适合市场需求的膜技术、膜产品及工艺装置，并进行了大量的工业性试 验，在美国、加拿大、日本等国家已进入工业应用。虽然膜分离法在天然气脱水应用中有其 内在的优点，潜力非常大，但存在的主要问题有烃的损失，膜的塑化和溶胀性，浓差极化以 及一次性投资较大，因此目前尚未在工业上被广泛采用，而且应用规模不大。为了克服传统脱水装置的不足，进一步提高天然气脱水的效率，人们不断对此类 设备进行改进和研究，取得了一些实质性的研究成果，其中超音速分离就是一种相对新颖 的方法。超音速分离技术利用天然气在超音速状态下的蒸汽冷凝现象进行天然气脱水，在 热力学原理和系统构成上与传统的天然气脱水方法有显著区别。天然气超音速脱水将膨 胀机、分离器和压缩机的功能集中到一个管道中，大大简化了脱水系统的结构，提高了系统 的可靠性，降低了脱水系统的投资、运行费用和环境污染，具有系统简单、体积小、无运动部 件、允许在苛刻的环境中使用、操作方便、运行费用低等优点。由英荷皇家Shell公司投 资创办的Twister公司、俄罗斯3S公司等都先后推出了超音速天然气脱水设备。例如， Twister公司为马来西亚的Sarawak气田设计了一套超音速分离天然气处理装置，该项目 已于2004年2月投入生产；2004年9月，第一套工业用3S装置在俄罗斯一座处理能力超 过4X108m7a的天然气厂的低温系统中成功投运，完成了从实验研制到工业化应用的整个 过程。虽然国内江汉石油机械研究所、胜利油田等单位联合相关高校开展了一些应用基础 研究，但因技术难度太大，迄今尚未有工业化的产品推出。从技术原理上来讲，离心分离也是实现天然气脱水的一种可行方法，其基本工作 原理是气液混合物在相同离心加速度的作用下，因气液两相密度的差别而致使其所受到 的离心力和偏离中心的程度不同，从而实现两相的分离。现有的气液离心分离装置体积庞 大，不太适合天然气脱水行业。鉴于上述原因，有必要进一步研制开发新型的紧凑型天然气离心脱水设备，以彻 底改变我国现有的天然气脱水系统复杂、体积大、操作复杂、污染大、运行费用高的不足。
发明内容本实用新型的目的在于避免上述不足，提供一种紧凑型的天然气离心脱水系统， 以高效地分离出天然气中混有的水分。为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案一种紧凑型天然气脱水设备，主要由左壳体(8)，右壳体(13)，左壳体端盖(5)，右 壳体端盖(18)，转动轴(1)，旋转叶轮(10)，预分离室(22)，旋转过滤单元(11)和后分离室 (14)组成，其中左壳体(8)与右壳体(13)通过螺栓(25)进行连接，左壳体端盖(5)通过 螺栓(6)与左壳体⑶连接，右壳体端盖(18)通过螺栓(19)与右壳体(13)连接，从而构 成一壳体结构的整体，设备的中心处设置有转动轴(1)，其上按序套装球轴承(7)，旋转叶 轮(10)，旋转过滤单元(11)和球轴承(21)，旋转叶轮(10)和旋转过渡单元(11)通过键 (24)、(28)与转动轴(1)连接，旋转叶轮(10)的前后设置弹性垫圈(26)和套筒(23)；旋转 叶轮(10)的候补与旋转过渡单元(11)的前部构成预分离室(22)，另有旋转过渡单元(11) 后部构成后分离室(14)，各室对应有燃气出口(15)、(29)，壳体结构整体的前部设置有气 体入口通道(3)，后部设置有干燥气体出口通道(20)，通过拆装螺钉(4)可安装机械密封件
4⑵、(17)。首先利用外部动力设备将含有杂质的天然气从气体入口(3)进入到分离器中，预 分离室(22)进行粗分离，在电动机的带动下，旋转叶轮和过滤单元开始转动，在旋转叶轮 的带动下，气体获得一定的角动量，开始做离心运动，在离心力的作用下，密度大的液滴开 始向远离旋转轴的方向运动，粒径较大的液滴从预分离室出口被分离出去，剩下的气体和 粒径较小的液滴继续向前运动，做离心运动的天然气进入到旋转过滤单元(11)后，开始在 旋转过滤单元的圆形管道内继续做离心运动，在离心力的作用下，密度大的液滴被甩到外 管壁上，聚集形成液膜，沿着外管壁向前运动。当运动到过滤单元末端时，液膜在流出过滤 单元时破碎形成粒径较大的液滴，在后分离室出口被分离出。本实用新型所提出的紧凑型离心分离装置的优点在于(1)本实用新型整个分离过程完全是根据工程热物理的原理进行的，因此分离过 程不会造成污染。(2)本实用新型的装置结构紧凑，设备投资及运行成本较低，发生故障概率较低。(3)本实用新型采用双向机械密封结构，很好的保证了设备的密封效果，将壳体设 计成左右两部分，使安装更加简便。(4)本实用新型有效利用了离心的原理，通过旋转叶轮带动气体转动，在保证分离 效率的同时还使操作更加方便。
图1为本实用新型总体结构示意图。图2为本实用新型图1的A向示意图。
具体实施方式由图1和图2示出，一种紧凑型天然气离心脱水设备，主要由左壳体8，右壳体13， 左壳体端盖5，右壳体端盖18，转动轴1，旋转叶轮10，预分离室22，旋转过滤单元11和后 分离室14组成，其中左壳体8与右壳体13通过螺栓25进行连接，中间采用橡胶密封垫圈 9密封，左壳体端盖5通过螺栓6与左壳体8连接，中间采用密封垫圈27进行密封，垫圈的 材料一般为橡胶。右壳体端盖18通过螺栓19与右壳体13连接，从而构成一壳体结构的整 体，设备的中心处设置有转动轴1，其上按序套装球轴承7，旋转叶轮10，旋转过滤单元11和 球轴承21，旋转叶轮10和旋转过渡单元11通过键24、28与转动轴1连接，旋转叶轮10的 前后设置弹性垫圈26和套筒23 ；旋转叶轮10的候补与旋转过渡单元11的前部构成预分 离室22，另有旋转过渡单元11后部构成后分离室14，各室对应有燃气出口 15、29，壳体结构 整体的前部设置有气体入口通道3，后部设置有干燥气体出口通道20，通过拆装螺钉4可安 装机械密封件2、17。 首先利用外部动力设备将含有杂质的天然气从气体入口 3进入到分离器中，预分 离室22进行粗分离，在电动机的带动下，旋转叶轮10和过滤单元开始转动，在旋转叶轮10 的带动下，气体获得一定的角动量，开始做离心运动，在离心力的作用下，密度大的液滴开 始向远离旋转轴的方向运动，运动到预分离室22后，粒径较大的液滴从预分离室出口被分 离出去，剩下的气体和粒径较小的液滴继续向前运动，做离心运动的天然气进入到旋转过滤单元11后，为方便测得旋转过滤单元处气体的压力，在右壳体上开一个测压孔12，开始 在旋转过滤单元的圆形管道内继续做离心运动，在离心力的作用下，密度大的液滴被甩到 外管壁上，聚集形成液膜，沿着外管壁向前运动。当运动到过滤单元末端时，液膜在流出过 滤单元时破碎形成粒径较大的液滴，在离心力的作用下液滴从后分离室出口 14被分离出， 剩下的干燥气体从出口 20排出。旋转叶轮的轴向方向上左侧通过轴用弹性挡圈26固定，右侧通过套筒23与旋转 过滤单元连接。旋转过滤单元的轴向方向上右侧通过轴肩固定。为保证有较高的分离效 率，在后分离室处安装一个挡液环16，这有效地阻止了已分离出的液滴再次进入到干燥气 体中。同样，右壳体与机械密封结构以及有端盖也是通过螺钉惊醒连接的。考虑到与外部 结构的连接，气体入口、出口，以及预分离室和后分离室的出口均设计成螺纹口。左右端盖上面都开有进、出气孔，气体入口 3和干燥燃气出口 20，为保证设备有良 好的密封效果，采用机械密封结构2、17，通过动、静密封环之间的运动贴合达到密封的效 果。左壳体8与右壳体13之间以及左壳体端盖5与右壳体端盖18之间均设置密封垫圈27 密封，动密封环与轴之间采用0型圈密封。考虑到从气井中开采出来的天然气中常含有H2S等腐蚀性气体，因此气体入口管 道的壁面、旋转叶轮10表面、旋转过滤单元11管道壁面、左、右壳体8、13内壁面以及其他 能与气体直接接触的表面均进行防腐处理。旋转组件采用电动机主动驱动，或利用天然气中的压能自行驱动。
权利要求一种紧凑型天然气离心脱水设备，主要由左壳体(8)，右壳体(13)，左壳体端盖(5)，右壳体端盖(18)，转动轴(1)，旋转叶轮(10)，预分离室(22)，旋转过滤单元(11)和后分离室(14)组成，其特征在于左壳体(8)与右壳体(13)通过螺栓(25)进行连接，左壳体端盖(5)通过螺栓(6)与左壳体(8)连接，右壳体端盖(18)通过螺栓(19)与右壳体(13)连接，从而构成一壳体结构的整体，设备的中心处设置有转动轴(1)，其上按序套装球轴承(7)，旋转叶轮(10)，旋转过滤单元(11)和球轴承(21)，旋转叶轮(10)和旋转过渡单元(11)通过键(24)、(28)与转动轴(1)连接，旋转叶轮(10)的前后设置弹性垫圈(26)和套筒(23)；旋转叶轮(10)的候补与旋转过渡单元(11)的前部构成预分离室(22)，另有旋转过渡单元(11)后部构成后分离室(14)，各室对应有燃气出口(15)、(29)，壳体结构整体的前部设置有气体入口通道(3)，后部设置有干燥气体出口通道(20)，通过拆装螺钉(4)可安装机械密封件(2)、(17)。
2.根据权利要求1所述的紧凑型天然气离心脱水设备，其特征在于后分离室(14)的 下游处，右壳体(13)的尾部设置有挡液环(16)。
3.根据权利要求1所述的紧凑型天然气离心脱水设备，其特征在于转动轴(1)的材 料为合金钢。
4.根据权利要求1所述的紧凑型天然气离心脱水设备，其特征在于左壳体端盖(5)， 右壳体端盖(18)上面开有进、出气孔。
5.根据权利要求1所述的紧凑型天然气离心脱水设备，其特征在于左壳体(8)与右 壳体(13)之间以及左壳体端盖(5)与右壳体端盖(18)之间均设置密封垫圈(27)密封，动 密封环与轴之间采用0型圈密封。
6.根据权利要求1所述的紧凑型天然气离心脱水设备，其特征在于气体入口管道的 壁面、旋转叶轮表面、旋转过滤单元管道壁面、壳体内壁面以及其他能与气体直接接触的表 面均进行防腐处理。
7.根据权利要求1所述的紧凑型天然气离心脱水设备，其特征在于旋转组件采用电 动机主动驱动，或利用天然气中的压能自行驱动。
专利摘要一种紧凑型天然气离心脱水设备，主要由沿轴向串联安装的预分离室、旋转叶轮、旋转过滤单元和后分离室组成。从天然气气井中开采出来的天然气通过管线输送到紧凑型天然气离心脱水设备中，在外部动力设备的带动下，分离器中的旋转叶轮和旋转过滤单元开始旋转，从而使得气体开始做旋转离心运动，在离心力的作用下，密度大的液滴开始向远离转动轴的方向运动，从而实现气-液两相的分离。本实用新型的工作过程是一个纯粹的物理分离过程，因此不存在污染的问题；另外，紧凑的结构使得该设备的运行成本和发生故障的概率均较低。
文档编号C10L3/10GK201643882SQ201020144308
公开日2010年11月24日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者彭晶莹, 陈家庆 申请人:北京石油化工学院