一种循环式全旋流型超声速分离装置

1.本实用新型属于多组分混合气体的低温凝结与旋流分离技术领域，特别涉及一种循环式全旋流型超声速分离装置。


背景技术：

2.传统天然气净化处理装置存在塔器笨重，投资费用高昂，能耗高等问题，超声速旋流分离天然气是实现我国“碳达峰”和“碳中和”工作目标的重要清洁能源。
3.超声速旋流分离技术是天然气净化处理领域的一大创新。
4.超声速旋流分离器具有小型紧凑，性价比高，节能环保，支持无人值守等优点，符合天然气工业中安全，环保，低能耗的设备要求。
5.按照旋流部件安装位置的划分，目前已有的超声速旋流分离装置主要分为以下两种：
6.第一种是采用旋流后置的概念，将旋流部件安装在喷管扩张段处来产生旋流，这种结构的超声速旋流分离装置存在着以下技术问题：
7.气体在扩张段内速度已经达到超声速，当超声速的气体遇到旋流部件时，会在旋流叶片后面产生斜激波，破坏低温低压环境，造成已经凝结的液体二次蒸发，使得分离效率降低。
8.第二种是将旋流部件安装在喷管直管段入口处，气体进入喷管后首先经过旋流部件，膨胀降温，使得旋流叶片后面不会产生斜激波，有效避免了液滴的二次蒸发。
9.然而，该种结构形式在实际应用中依然存在着以下技术问题：
10.旋流部件只存在于超声速分离装置的前部，旋流能力弱，当气体经过旋流进入扩压段后，会受到装置内部摩擦阻力的影响，气体速度大幅降低，分离能力降低，且一部分已经凝结的液滴会未分离并随着干气排出，导致分离效率低。
11.综上，以上两种常用超声速旋流分离装置天然气损失明显，部分天然气会随凝液一起分离出去，由此可见，现有技术中的超声速旋流分离装置结构需要进一步改进。


技术实现要素：

12.本实用新型的目的在于提出一种循环式全旋流型超声速分离装置，该装置采用在整个装置内设置旋流叶片，并在超声速段设置循环结构，以实现排出气的二次旋流分离，有效提高天然气中水分，酸气和重烃分离效率和分离强度，极大减少天然气随凝液的逸出量。
13.本实用新型为了实现上述目的，采用如下技术方案：
14.一种循环式全旋流型超声速分离装置，包括外壳以及中心旋流部件；
15.外壳包括稳流收缩段、扩压分离段以及循环段；其中，稳流收缩段、扩压分离段由前向后依次设置并连接；中心旋流部件位于稳流收缩段和扩压分离段内；
16.扩压分离段包括由前向后依次连接的laval喷管扩张段、集液凹槽以及二次扩压段；
17.循环段位于扩压分离段的下方；
18.其中，循环段的后侧与集液凹槽相连，循环段的前侧与laval喷管扩张段的中前部相连。
19.本实用新型具有如下优点：
20.如上所述，本实用新型述及了一种循环式全旋流型超声速分离装置，在整个装置内部设置旋流叶片，边旋流边凝结有效减小了液滴二次蒸发的影响，且旋流效果好，可同时脱除水分，酸气和重烃；经过旋流作用，其凝液沿着直管段流动，进入环形集液凹槽中，由于在laval喷管扩压段设置循环装置，使得随着液体排出的天然气和未凝结的轻组分杂质经过分子筛过滤，再次进入超声速分离段，使天然气得到二次分离，最终，纯净天然气在扩压段进行扩压，处理完毕。本实用新型极大地降低了天然气随凝液的逸出量，降低了经济损失。
附图说明
21.图1为本实用新型实施例中循环式全旋流型超声速分离装置的结构示意图。
22.图2为本实用新型实施例中循环式全旋流型超声速分离装置的内部结构剖视图。
23.图3为本实用新型实施例中循环式全旋流型超声速分离装置的壳体剖示图。
24.图4为图3中的a部放大图。
25.图5为本实用新型实施例中上挡板的结构示意图。
26.其中，1-气液出流道，2-气液进流道，3-分子筛网状空仓，4-排液口，5-直流稳流段，6-laval喷管渐缩段，7-laval喷管扩张段，8-集液凹槽，9-二次扩压段；
27.10-前端旋流叶片支撑体，11-前端旋流叶片，12-出流道法兰，13-进流道法兰，14-后端旋流叶片支撑体，15-后端旋流叶片，16-循环腔，17-上挡板，18-下挡板，19-转轴，20-卡扣。
具体实施方式
28.下面结合附图以及具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：
29.如图1至图3所示，本实施例述及了一种循环式全旋流型超声速分离装置，该循环式全旋流型超声速分离装置包括外壳以及中心旋流部件。
30.外壳包括稳流收缩段、扩压分离段以及循环段。其中，稳流收缩段、扩压分离段由前向后依次设置并连接；中心旋流部件位于稳流收缩段和扩压分离段内。
31.具体的，稳流收缩段包括直管稳流段5和laval喷管渐缩段6。
32.定义图2和图3中的左端为分离装置的前端，则直管稳流段5位于laval喷管渐缩段6的前端，且与laval喷管渐缩段6相连。直管稳流段5采用柱状结构。
33.laval喷管渐缩段6采用维托辛斯曲线结构，即laval喷管渐缩段6以与直管稳流段5的连接处为起点，朝向扩压分离段(由前向后)，按照维托辛斯曲线逐渐收缩。
34.通过以上laval喷管渐缩段6的结构设计，便于获得均匀的流场。
35.laval喷管渐缩段6的曲线满足如下方程：
[0036][0037]
式中，x表示由laval喷管渐缩段的入口处由前向后算起的轴向距离。
[0038]
laval喷管渐缩段入口处x＝0。
[0039]
r表示laval喷管渐缩段轴向距离x处的截面半径；l为laval喷管渐缩段的长度；r1为laval喷管渐缩段入口处截面半径；r
cr
为laval喷管渐缩段的后端出口处截面半径。
[0040]
扩压分离段包括由前向后依次连接的laval喷管扩张段7、集液凹槽8以及二次扩压段9，其中，laval喷管扩张段7与laval喷管渐缩段6相连。
[0041]
laval喷管渐缩段6的后端出口与laval喷管扩张段7的前端入口截面半径相同。
[0042]
laval喷管扩张段7的长度满足以下公式：
[0043][0044]
式中，为laval喷管扩张段的张角。
[0045]
r2表示laval喷管扩张段出口的截面半径；l2表示laval喷管扩张段的长度。
[0046]
集液凹槽8的前端与laval喷管扩张段7的后端相连，集液凹槽8的后端与二次扩压段9的前端相连，集液凹槽8的作用在于收集气液混合物分离后的液滴。
[0047]
本实施例中集液凹槽8为位于laval喷管扩张段7末端的三角形凹槽，如图3所示。三角形棱角位置能聚集液体，可有效发挥液体的毛细作用，使得液体不外溢处。
[0048]
中心旋流部件包括中心旋流部件前段以及中心旋流部件后段。
[0049]
其中，中心旋流部件前段位于直管稳流段5以及laval喷管渐缩段6内，中心旋流部件后段位于laval喷管扩张段7内，如图2所示。
[0050]
中心旋流部件前段包括前端旋流叶片支撑体10以及多个前端旋流叶片11。
[0051]
前端旋流叶片支撑体10的前部位于直管稳流段5内，且呈半椭球型，前端旋流叶片支撑体10的后部位于laval喷管渐缩段6内，且具有与laval喷管渐缩段相适应的形状。
[0052]
各个前端旋流叶片11分别安装于前端旋流叶片支撑体10的前部表面。前端旋流叶片11的最外侧点与直管稳流段5内表面接触，前端旋流叶片的最外侧卡在直管稳流段的内表面。
[0053]
中心旋流部件后段包括后端旋流叶片支撑体14以及多个后端旋流叶片15。
[0054]
后端旋流叶片支撑体14与前端旋流叶片支撑体10连接，后端旋流叶片支撑体14采用直杆/锥形杆结构，后端旋流叶片支撑体14的长度与laval喷管扩张段7的长度相等。
[0055]
各个后端旋流叶片15沿后端旋流叶片支撑体14的长度方向依次安装，且沿着后端旋流叶片支撑体14的长度方向，各个后端旋流叶片15的尺寸由前向后依次增大。
[0056]
循环段位于扩压分离段的下方，其中，循环段的后侧与集液凹槽8相连。
[0057]
循环段的前侧与laval喷管扩张段7的中前部相连。
[0058]
通过在laval喷管扩压段7设置循环段，使得随着液体排出的天然气和未凝结的轻
组分杂质经过分子筛过滤，再次进入超声速分离段，使天然气得到二次分离，最终，纯净天然气在扩压段进行扩压，极大地降低了天然气随凝液的逸出量，降低了经济损失。
[0059]
如图3所示，循环段包括气液进流道2、循环腔16、分子筛网状空仓3和气液出流道1。其中，气液进流道2的一端与集液凹槽8的底部平滑连接。
[0060]
气液进流道2的另一端与循环腔16的进口相连。
[0061]
循环腔16的底部表面呈中间低四周高的结构，在循环腔16的底部表面中间位置最低处连接有柱状的排液口4，便于液体从排液口4流出，减少循环腔重液体的堆积。
[0062]
排液口4竖直朝下，在排液口4连接外部用于收集液体的容器。
[0063]
分子筛网状空仓3设置于循环腔16内，分子筛网状空仓3内用于放置分子筛，其中，分子筛网状空仓3与循环腔16的侧壁采用焊接固定的方式连接。
[0064]
循环腔16的出口与气液出流道1的一端平滑相连。气液出流道1的另一端与laval喷管扩张段7连接，二者的连接位置位于laval喷管扩张段7的中前部。
[0065]
本实施例中壳体的主体部分(稳流收缩段和扩压分离段)部分可对半剖开，在内部安装中间旋流部件，通过螺丝封闭两部分壳体，实现装置整体的安装。
[0066]
另外，循环腔16的气液进出流道则与壳体的主体部分均采用法兰连接，即气液进流道2与集液凹槽8、以及气液出流道1与laval喷管扩张段7之间均采用法兰连接。
[0067]
例如在图3中示出的标注12的位置代表出流道法兰，标注13的位置代表进流道法兰。
[0068]
另外，本实施例还对气液进流道2以及气液出流道1的角度进行了设计。
[0069]
气液进流道2向前方倾斜，且倾斜角度为α，该倾斜角度α满足以气液进流道入口为原点建立空间坐标系，气液进流道的矢量方向应与流体的速度矢量方向处于同一直线。
[0070]
该倾斜角度α，能够使得气体的动能抵消压差影响。
[0071]
气液出流道1向后方倾斜，且倾斜角度为β，该倾斜角度β满足以气液出流道出口为原点建立空间坐标系，气液出流道的矢量方向应与流体的速度矢量方向处于同一直线。
[0072]
该倾斜角度β，有利于减少来流气体运动过程中的能量损耗。
[0073]
当气体进入直流稳流段5以及laval喷管渐缩段6后，气流在旋流状态下膨胀，并在到达laval喷管扩张段7后达到超声速，随后当温度压力进一步降低，气体开始发生凝结，边旋流边凝结的过程能够有效地减小液滴再蒸发的影响。
[0074]
在laval喷管扩张段7末端设置集液凹槽8和气液进流道2，通过集液凹槽8后的循环腔16实现了气体的再循环，大大减少了气体浪费，提高了分离效率。
[0075]
本实施例中分子筛网状空仓3有两个，其中，两个分子筛网状空仓3可交替投入使用，为更换分子筛提供便利，且两个分子筛网状空仓3均设置于排液口4的前侧。
[0076]
当然，分子筛网状空仓3也并不局限于上述两个，例如还可以仅仅设置一个。
[0077]
分子筛网状空仓3的顶部以及底部均开口，用于填充和更换分子筛。在分子筛网状空仓3的顶部以及底部分别安装有能够开合的上挡板17以及下挡板18，如图4所示。
[0078]
填充时只需关闭下挡板18，打开上挡板17，更换时只需打开下挡板18清除仓内物质即可。在更换分子筛时需停止天然气的净化工作，以达到旋流净化的最大的净化效率。
[0079]
此外，在上挡板17以及下挡板18的内侧均设有橡胶垫圈，以保证良好的密封性。
[0080]
本实施例中上挡板17以及下挡板18的结构相同，如图5提供了一种简化的上挡板
结构示意图，该上挡板17的一侧边沿通过转轴19安装于分子筛网状空仓3的顶部边沿处。
[0081]
上挡板17的另一侧相对边沿与分子筛网状空仓3的顶部另一侧相对边沿之间设置卡扣20，并通过卡扣20连接，需要说明的是，本实施例并不对卡扣的具体结构做限制。
[0082]
图5中只是示意了卡扣20的具体安装位置，并不作为对卡扣20具体结构的限制。
[0083]
同理，在分子筛网状空仓3的底部均开口处设置相同结构的下挡板18。
[0084]
为了方便填充和更换分子筛，本实施例中上挡板17位于循环腔16的外侧上方，同理，下挡板18位于循环腔16的外侧下方，分子筛网状空仓3位于循环腔16的内部。
[0085]
本实用新型中循环式全旋流超声速分离装置的工作过程如下：
[0086]
如图2所示，在laval喷管扩张段7的后部连接集液凹槽8，旋流分离出的水分、酸气和重烃凝结成液体以及部分湿气从与集液凹槽8连接的气液进流道2进入循环段。
[0087]
由于流体动能会抵消压差的影响，部分气体会伴随液滴通过气液进流道2进入循环腔16，湿气通过分子筛网状空仓3，湿气中的杂质再次被过滤。
[0088]
由于扩压分离段压力低于循环腔16内的压力，经过分离后的气体通过气液出流道1再次被吸入扩压分离段再次进行分离；净化处理后的干天然气进入二次扩压段9，恢复一部分压力，作为分离装置下游管道气体输送的动力来源。
[0089]
本实用新型无需额外提供动力便可实现中心旋流部件的转动，达到再循环离心分离的效果，特别适用于天然气的水分、酸气和重烃等杂质组分的旋流分离和天然气回收。
[0090]
当然，以上说明仅仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本实用新型的保护。