一种全旋流超声速分离装置
技术领域
本发明属于低温凝结与旋流分离技术领域，特别涉及一种全旋流超声速分离装置，该装置尤其适用于天然气的水蒸气、酸气以及重烃等杂质组分低温凝结与旋流分离。
背景技术
在天然气开采领域，目前开采出的天然气往往被水蒸气所饱和，并含有一些重烃组分，为了满足天然气外输和使用的要求，必须将水蒸气、酸气以及重烃组分分离出来。
传统的天然气分离工艺有冷却法、化学吸收法、吸附法以及膜分离法。然而，这些分离工艺在天然气分离过程中都会存在各种各样的弊端，亟需提出一种新的天然气分离方式。
超声速旋流分离技术是天然气加工处理领域的一大创新。
超声速旋流分离技术结合了气体动力学、工程热力学和流体力学理论，将膨胀降温、旋流式气/液分离以及再压缩等处理过程放在一个密闭紧凑的装置中完成。
该分离技术具有简单可靠、密闭无泄漏、无需药剂以及支持无人值守等优点。
按照旋流部件的安装位置划分，传统的超声速旋流分离装置主要分为以下两种：
第一种是将旋流部件安装在喷管后的超声速段来产生旋流，此种结构形式的超声速旋流分离装置在进行天然气分离时，存在如下技术问题：
由于速度的转化发生在超声速条件下，当气流遇到旋流部件时，由于流通面积的突变容易产生激波，破坏低温低压环境，造成已经凝结液滴的二次蒸发，降低装置的分离效率；
第二种是将旋流部件安装在喷管的入口，使气体以旋流的形式进入喷管进行膨胀降温，尽管这种结构可有效避免液滴的二次蒸发，但在实际使用中还存在如下技术问题：
由于超声速分离装置内部摩擦阻力的影响，随着气体的流动其旋流速度显著减小，降低了超声速分离装置的分离效果，导致已经凝结的液滴来不及分离而随着干气排出。
此外，以上两种超声速旋流分离装置，其装置的外壳均是一体加工的。这种一体加工的超声速旋流分离装置在实际使用时，存在如下缺陷：
(1)加工困难；(2)超声速旋流分离装置的收缩段与扩压段是固定连接的，因而无法实现不同型号的收缩段与扩压段的自由搭配，使得装置的适应工况范围较窄。
发明内容
本发明的目的在于提出一种全旋流超声速分离装置，以便有效提高天然气的水蒸气、酸气以及重烃等杂质组分的低温凝结与旋流的分离效果，同时提升装置的分离效率。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种全旋流超声速分离装置，包括外壳以及中心旋流部件；
外壳包括由前向后依次连接的稳流收缩段以及扩压分离段；
稳流收缩段包括直管稳流段以及Laval喷管渐缩段；
直管稳流段位于Laval喷管渐缩段的前侧，且与Laval喷管渐缩段相连；
直管稳流段采用柱状结构；Laval喷管渐缩段采用维托辛斯曲线结构，即Laval喷管渐缩段以与直管稳流段的连接处为起点，朝向扩压分离段按照维托辛斯曲线逐渐收缩；
扩压分离段包括Laval喷管扩张段、环形集液槽以及二次扩压段；
Laval喷管扩张段与Laval喷管渐缩段相连；
Laval喷管扩张段采用锥形结构，即由前向后逐渐成扩张趋势；
环形集液槽与二次扩压段嵌套为一体，且环形集液槽位于二次扩压段的外侧；
环形集液槽与二次扩压段为同轴连接；
由环形集液槽和二次扩压段组成的整体位于Laval喷管扩张段位于的后侧，且Laval喷管扩张段与由环形集液槽和二次扩压段组成的整体连接；
直管稳流段、Laval喷管渐缩段、Laval喷管扩张段以及环形集液槽同轴连接；
中心旋流部件包括前中心旋流部件以及后中心旋流部件；其中，前中心旋流部件位于直管稳流段以及Laval喷管渐缩段内，后中心旋流部件位于Laval喷管扩张段内；
前中心旋流部件包括前端旋流叶片支撑体以及多个前端旋流叶片；
前端旋流叶片支撑体的前部位于直管稳流段内，且呈半椭球型；前端旋流叶片支撑体的后部位于Laval喷管渐缩段内，且具有与Laval喷管渐缩段相适应的形状；
各个前端旋流叶片分别安装于前端旋流叶片支撑体的前部表面；其中，前端旋流叶片的最外侧点与直管稳流段内表面接触，前端旋流叶片的最外侧卡在直管稳流段的内表面；
后中心旋流部件包括后端旋流叶片支撑体以及多个后端旋流叶片；
后端旋流叶片支撑体与前端旋流叶片支撑体连接；
后端旋流叶片支撑体的长度与Laval喷管扩张段的长度相等；
各个后端旋流叶片沿后端旋流叶片支撑体的长度方向依次安装，且沿着后端旋流叶片支撑体的长度方向，各个后端旋流叶片的尺寸由前向后依次增大。
优选地，稳流收缩段的后端与扩压分离段的前端通过法兰连接。
优选地，Laval喷管渐缩段的后端出口与Laval喷管扩张段的前端入口截面半径相同。
优选地，环形集液槽包括环形集液槽外侧壁和环形集液槽内侧壁；环形集液槽外侧壁的前端与Laval喷管扩张段的后端相连；环形集液槽内侧壁的前端与二次扩压段的前端相连。
优选地，二次扩压段为圆台形，且二次扩压段的张角与Laval喷管扩张段的张角相同。
优选地，Laval喷管渐缩段的曲线满足如下方程：
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；
其中，Laval喷管渐缩段入口处x＝0；
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；rcr为Laval喷管渐缩段的后端出口处截面半径。
优选地，Laval喷管扩张段的长度满足以下公式：
式中，
r2表示Laval喷管扩张段出口的截面半径；l2为Laval喷管扩张段长度。
本发明具有如下优点：
如上所述，本发明述及了一种全旋流超声速分离装置，其包括外壳以及中心旋流部件。其中，外壳包括直流稳流段、Laval喷管渐缩段以及Laval喷管扩张段等部分。中心旋流部件包括前中心旋流部件和后中心旋流部件；其中，前中心旋流部件位于直流稳流段、Laval喷管渐缩段内；后中心旋流部件位于Laval喷管扩张段内。当气体进入直流稳流段以及Laval喷管渐缩段后，气流在旋流状态下膨胀，并在到达Laval喷管扩张段5后达到超声速，温度压力进一步降低，气体开始发生凝结，这种边旋流边凝结的过程能够有效地减小液滴再蒸发的影响；在Laval喷管扩张段内也设置旋流部件，其旋流能力强且持久，保证了装置的分离效果和分离效率。本发明有效提高了天然气的水蒸气、酸气以及重烃等杂质组分的低温凝结与旋流的分离效果。另外，本发明中稳流收缩段、扩压分离段以及中心旋流部件分别加工、装配连接，使得加工容易，组装方便，增强了全旋流超声速分离装置对不同现场工况的适应性。
附图说明
图1为本发明实施例中全旋流超声速分离装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中全旋流超声速分离装置的外壳的结构示意图。
图3为本发明实施例中全旋流超声速分离装置的内部剖视图。
图4为本发明实施例中全旋流超声速分离装置的中心旋流部件的结构示意图。
其中，1-稳流收缩段，2-扩压分离段，3-直流稳流段，4-Laval喷管渐缩段，5-Laval喷管扩张段，6-环形集液槽，7-二次扩压段，8-法兰，9-前端旋流叶片的最外侧点；
10-环形集液槽外侧壁，11-环形集液槽内侧壁，12-前中心旋流部件，13-后中心旋流部件，14-前端旋流叶片支撑体，15-前端旋流叶片，16-后端旋流叶片支撑体，17-后端旋流叶片。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，一种全旋流超声速分离装置，包括外壳以及中心旋流部件等。其中，外壳包括依次连接的稳流收缩段1以及扩压分离段2，如图2所示。
定义图1中的左端为分离装置的前端，则稳流收缩段1位于扩压分离段2前侧。
中心旋流部件位于外壳内，即位于稳流收缩段1以及扩压分离段2内。
稳流收缩段1包括直管稳流段3以及Laval喷管渐缩段4。
直管稳流段3位于Laval喷管渐缩段的前侧，且与Laval喷管渐缩段4相连。
直管稳流段3采用柱状结构，如图1所示。
Laval喷管渐缩段4采用维托辛斯曲线结构，即Laval喷管渐缩段4以与直管稳流段3的连接处为起点，朝向扩压分离段2(即由前向后)按照维托辛斯曲线逐渐收缩。
通过以上Laval喷管渐缩段4结构设计，便于获得均匀的流场。
Laval喷管渐缩段4的曲线满足如下方程：
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；
其中，Laval喷管渐缩段入口处x＝0；
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；rcr为Laval喷管渐缩段的后端出口处截面半径。
如图2所示，扩压分离段2包括Laval喷管扩张段5、环形集液槽6以及二次扩压段7。
Laval喷管扩张段5与Laval喷管渐缩段4相连。
Laval喷管渐缩段4的后端出口与Laval喷管扩张段5的前端入口截面半径相同。
为了便于加工和装配，稳流收缩段1的后端(即Laval喷管渐缩段4的后端出口)与扩压分离段2的前端(即Laval喷管扩张段5的前端入口)采用法兰8连接。
稳流收缩段1、扩压分离段2以及中心旋流部件三部分能够分别加工和装配使用，因此可实现不同型号的稳流收缩段1、扩压分离段2以及中心旋流部件的自由搭配。
此外，以上装配式组合方式，还能够同时能够实现制冷、旋流、扩压的自主调节。
下面对装配式组合方式结构带来的技术效果进行原理分析：
①制冷
稳流收缩段1和扩压分离段2能够共同实现制冷功能；
当改变它们的半径、长度等参数时，则对应的制冷性能，即气体能够实现的温降则不同，表现在半径越大、长度越短，线型越陡峭，即收缩扩张越迅速，气体温降越快。
②旋流
不同的螺距对应不同的旋流强度，旋流强度越大，则液滴分离会更加彻底。
③扩压
扩压的功能主要是恢复一部分压力，作为分离装置下游管道气体输送的动力来源。
例如：通常处理的气体中含有的杂质包括水蒸气、酸性气体以及重烃，但是不通气田开采出的天然气组分差异较大，而实际上酸性气体比水蒸气凝结需要的温度低许多。
如果需要处理的气体酸气含量大，则需要选取制冷性能强的喷管；
如果凝结的液滴半径不够大，则需要旋流强度大的中心旋流部件，使其提供更大的离心分离能力；
如果分离装置下游要求的压力高，则需要压力恢复能力大的扩压段。
因此，针对以上不同的需求，需要对稳流收缩段1、扩压分离段2以及中心旋流部件三者进行选型，本实施例中的装配式结构可实现三者不同型号的自由搭配。
对于Laval喷管扩张段5，为简化其设计过程，且能够同时实现膨胀与整流，本实施例采用直线法取其形状为锥形，即由前向后逐渐成扩张趋势。
Laval喷管扩张段5的长度满足以下公式：
式中，
r2表示Laval喷管扩张段出口的截面半径；l2为Laval喷管扩张段长度。
Laval喷管原理：气体进入Laval喷管渐缩段4后流速不断增大(一直处于亚声速)，温度、压力降低，在Laval喷管渐缩段4出口处达到声速；
气体进入Laval喷管扩张段5后达到超声速，温度压力进一步降低，气体开始发生凝结。
环形集液槽6与二次扩压段7嵌套为一体，且环形集液槽6位于二次扩压段7的外侧，如图2所示，环形集液槽6与二次扩压段7为同轴连接。
由环形集液槽6和二次扩压段7组成的整体位于Laval喷管扩张段5位于的后侧，且Laval喷管扩张段5与由环形集液槽6和二次扩压段7组成的整体连接。
具体的，环形集液槽6包括环形集液槽外侧壁10和环形集液槽内侧壁11，如图3所示。其中，环形集液槽外侧壁10的前端与Laval喷管扩张段5的后端相连。
环形集液槽内侧壁11的前端与二次扩压段7的前端相连。
以上结构设计，实现了环形集液槽6、二次扩压段7以及Laval喷管扩张段5的连接。
环形集液槽6的作用在于收集气液混合物分离后的液滴。
直管稳流段3、Laval喷管渐缩段4、Laval喷管扩张段5以及环形集液槽6同轴连接。
如图4所示，中心旋流部件包括前中心旋流部件12以及后中心旋流部件13。
其中，前中心旋流部件12位于直管稳流段3以及Laval喷管渐缩段4内，而后中心旋流部件13位于Laval喷管扩张段5内，如图3所示。
前中心旋流部件12包括前端旋流叶片支撑体14以及多个前端旋流叶片15。
如图3所示，前端旋流叶片支撑体14的前部位于直管稳流段3内，且呈半椭球型。前端旋流叶片支撑体14的后部位于Laval喷管渐缩段4内。
前端旋流叶片支撑体14的后部具有与Laval喷管渐缩段4相适应的形状。
各个前端旋流叶片15分别安装于前端旋流叶片支撑体14的前部(即半椭球)表面。
以其中一个前端旋流叶片15为例：前端旋流叶片的最外侧点9与直管稳流段3内表面接触，前端旋流叶片15的最外侧卡在直管稳流段3的内表面。
此处的内外侧是相对于前端旋流叶片而言，其中，前端旋流叶片的安装侧为内侧。
通过将前端旋流叶片15卡在直管稳流段3内表面，利于实现整个中心旋流部件的安装。
后中心旋流部件13包括后端旋流叶片支撑体16以及多个后端旋流叶片17。
后端旋流叶片支撑体16与前端旋流叶片支撑体14(的后端)连接。
本实施例中后端旋流叶片支撑体16优选采用直杆结构，后端旋流叶片支撑体16的长度与Laval喷管扩张段5的长度相等。
各个后端旋流叶片17沿后端旋流叶片支撑体16的长度方向依次安装，且沿着后端旋流叶片支撑体16的长度方向，各个后端旋流叶片17的尺寸由前向后依次增大。
由于在本实施例分离装置内沿其长度方向设有连续的旋流叶片，便于在直管稳流段3、Laval喷管渐缩段4、以及Laval喷管扩张段5内形成连续、稳定、持久的旋流场，使得凝结液滴在旋流的作用下更好地实现与主流气体的分离，提高其分离效果。
通过设置不同大小和螺距的后端旋流叶片17，可获得不同的旋流强度，具体体现在：
叶片大小即叶片尺寸的大小(图4中单个叶片沿垂直于轴向方向上高度的大小)，叶片越大，即在垂直于后中心旋流部件13轴向上方的高度越高，则旋流能力越强；
叶片螺距即两个相邻叶片之间的距离(即图4中两个相邻叶片在轴向方向上的距离)，两个相邻叶片之间的螺距越小，即叶片旋流扭曲越厉害，气体获得的旋流场越强。
二次扩压段7为圆台形，且二次扩压段7的张角与Laval喷管扩张段5的张角相同。二次扩压段7的作用在于，使得分离后的干气能够恢复一部分压力后从出口排出。
本实施例中分离装置的安装过程如下：
首先将中心旋流部件从稳流收缩段1的前侧插入(即从图3中左侧插入)，然后将扩压分离段2由后向前(即从图3中由右往左)套在中心旋流部件上；
最后，利用法兰8将稳流收缩段1与扩压分离段2的连接处连接起来。
以上三者结构简单、装配方便，且可根据需要实现三者不同型号之间的自由搭配。
本实施例中全旋流超声速分离装置的工作原理为：
含杂质的天然气进入分离装置后，首先经直管稳流段3稳流，然后进入Laval喷管渐缩段4后产生高速流动，压力和温度降低，同时在前端旋流叶片15的作用下产生旋流流动，然后进入Laval喷管扩张段5经膨胀后到达超声速，形成超低温环境，气体中的可凝结组分凝结为液滴，这种边旋流边凝结的过程有效地减小液滴再蒸发的影响；此外，由于在Laval喷管扩张段5内也设置后端旋流叶片17，因此凝结的液滴由于后端旋流叶片17的旋流作用，会受到强烈的离心力被甩至Laval喷管扩张段5壁面形成液膜，并流入环形集液槽6，而干气则经过二次扩压段7恢复一部分压力后从分离装置的出口排出，保证了超声速分离装置的分离效果。经过以上步骤后，能够有效实现天然气脱水、脱重烃、脱酸气等目的。
本实施例通过前端旋流叶片15和后端旋流叶片17，能够保证气体进入分离装置后形成旋流并一直维持一定的旋流强度，从而保证了旋流分离效果和分离效率；具体体现在：
传统的两类超声速旋流分离装置，其旋流叶片或者安装在分离装置的前端、或者安装在分离装置的后端，使得分离能力不持久，只能维持分离装置内某一段的旋流强度。
而本发明提出的全旋流型分离装置，其在整个分离装置内部都设置旋流叶片，通过前端旋流叶片15和后端旋流叶片17的组合使用，使得分离装置的旋流能力强且持久。
旋流能力强能够保证气体中的液滴受到的离心力更大，更容易被甩至分离装置壳体的(即Laval喷管扩张段5)壁面并被收集，因此有效提高了装置的分离效果和分离效率。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明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，理应受到本发明的保护。
