一种对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离的装置单元结构制造方法及图纸

一种对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离的装置单元结构，由进气管段、出气管段以及由复合体、旋转罩层、外排罩层组合的三层富集分离段构成。其中，内壁设有肋骨的旋转罩层，折片展开和收合使复合体在笼形体和水瓶体形态下进行切换的移动隔断，以及覆有选择性透过膜的底周孔外的羽扇结构，有利于混合组分气体在装置单元内部产生三维气体涡旋，且处于气旋中轴区域周围的非甲烷组分气体经羽扇结构被抽吸至装置单元结构的外部，而处于中轴区域被富集的甲烷气体被隔断构件圈闭后进入出气管段，进而实现对煤层气低浓度甲烷的初步富集与分离。该装置单元结构组件简单，无需进行化学处理，易于装配和实际应用，极具技术推广前景。极具技术推广前景。极具技术推广前景。

【技术实现步骤摘要】
一种对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离的装置单元结构


[0001]本专利技术涉及一种对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离的装置单元结构，即一种通过集旋转分离、分区隔断、中柱集采、底周羽扇释放与抽吸外排作用功能一体化的结构，对煤层气中的低浓度甲烷组分进行加强富集，并与空气和二氧化碳气体进行初步分离的装置单元体，属于非常规天然气勘探开发工程设备领域。

技术介绍

[0002]煤层气属于具有高热值的新型清洁能源。有效开发和利用煤层气，对于减少煤矿瓦斯灾害、缓解能源供需矛盾、改善能源结构需要、改善大气环境和促进社会经济协调可持续发展，具有重要的现实意义。
[0003]在我国经济高速发展，能源供应紧张，环境保护和煤矿生产安全压力不断加大的形势下，含有大量二氧化碳、氧气、氮气的煤层气中，对低浓度甲烷进行初步富集与分离是煤层气综合发展利用的核心问题，对煤层气低浓度甲烷进行富集和分离的设备、装置单元也是研究设计与开发者关注的焦点问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的问题是，提供对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离的装置单元结构，借助旋转构件和隔断构件，对煤层气中具有密度差的甲烷和非甲烷组分按分布区域实现隔断，同时借助覆有选择性透过膜的旋转构件底周孔外的羽扇结构，将隔断在外围的二氧化碳、氧气、氮气等重组分气体释放至抽吸外排区域，而在装置单元结构中轴区域的被隔断富集的甲烷气体经出口输出。
[0005]本专利技术解决其技术难题所采用的技术方案是：该装置单元结构的主体由三段组成，分别是进气管段、出气管段，以及由倒钵体与移动隔断复合体、渐扩收口旋转罩层、外排罩层构成的三层富集分离段。其中，三层富集分离段的三层结构同轴且一体化成型连接；三层富集分离段的层间作为隔段区域，由内向外依次为甲烷富集区、非甲烷组分富集与释放区、非甲烷组分外排区；甲烷富集区和非甲烷组分富集与释放区之间的隔断带是收叠式移动隔断；移动隔断的折片完全收合时，移动隔断与倒钵体、上口环组合成笼形体，甲烷与非甲烷组分气体处于待富集与分离的状态，在渐扩式收口旋转罩层内壁弧形肋骨的旋转作用下，甲烷与非甲烷组分气体产生三维气体涡旋，并且基于煤层气中各组分的密度差，甲烷在气体涡旋下处于旋转的中轴区域，而煤层气中非甲烷组分将处于中轴区域的外围；移动隔断的折片完全展开时，呈现为水瓶体，其圈闭区域内部即甲烷富集区，圈闭区域外部与渐扩式收口旋转罩层之间的区域即非甲烷组分富集与释放区；非甲烷组分富集与释放区的气体，下沉运行通过渐扩收口旋转罩层，经沿口底周孔处的选择性透过性膜，在羽扇结构展开状态下被释放至抽吸外排区域，并通过位于外排罩层与渐扩式底周收口旋转罩层之间抽吸外排区域侧壁上部的出口，被抽吸至装置单元结
构的外部。气体涡旋下，处于旋转中轴区域甲烷气体被富集，并经由折片处于完全展开状态下的移动隔断所形成的圈闭区域，进入该装置单元结构的出气管段，进而实现对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离。
[0006]上述进气管段由下扣环和进气管节组成，下扣环由锁面和锁圈构成，进气管节是具有柔性和压弹性的管带。下扣环锁圈为圆柱环，圆柱环的柱面内侧壁加工有螺纹；下扣环锁面为渐扩形弧面或斜平面圆环，锁面圆环内径与锁圈圆柱环内径一致，锁面圆环外径大于锁圈圆柱环；下扣环锁面大口端面，其圆环内周与下扣环锁圈圆柱环的一端一体化成型连接。进气管节为柔性圆管，圆管两端端口分别内嵌端口圆柱环和圆圈环；内嵌圆圈环的端口在下扣环锁面小端面一侧，与下扣环锁面圆环内周一体化成型连接；内嵌圆柱环的端口在圆柱环柱面外侧壁加工有螺纹，用以与其他具有互为匹配管径且加工有内螺纹的管段相连接。
[0007]上述三层富集分离段的主体构件，由内向外依次为复合体、旋转罩层及外排罩层，三层构件均与进气管段共轴。三层富集分离段主体构件的上方附属构件由上扣环及阀门A组成。
[0008]上扣环是实现三层富集分离段与进气管段对接的构件，由锁面和锁圈构成。上扣环锁圈为圆柱环，圆柱环的柱面外侧壁加工有与进气管段下扣环锁圈内螺纹相匹配的外螺纹；上扣环锁圈内径与三层富集分离段复合体的倒钵体端口外径相匹配，且其一端与三层富集分离段复合体一体化成型连接，另一端与上扣环锁面一体化成型连接。上扣环锁面为渐扩形弧面或斜平面圆环，且弧面曲率或斜平面斜率与进气管段下扣环的锁面保持一致，上扣环锁面圆环内径与锁圈圆柱环内径一致，锁面圆环外径大于锁圈圆柱环，以保证在三层富集分离段的上扣环与进气管段的下扣环在螺纹对接的过程中，上、下扣环的锁面能够将进气管段的柔性圆管压紧，进而实现进气管段与三层富集分离段之间的密封闭合；上扣环锁面大口端面一侧，其圆环内周与上扣环锁圈圆柱环的一端一体化成型连接。
[0009]阀门A装配于上扣环锁圈的圆柱环内部，阀门A的门芯为空或根据使用环境需要选择性加载滤水膜、附水膜。门芯为空，即装置单元内部对气体无特殊要求；滤水膜用以配合装置单元内部对气体干燥性的需求；附水膜用以配合装置单元内部在额外加载电流使潮湿气体荷电的需求。
[0010]复合体是呈倒扣碗状的倒钵体与环柱体的旋转移动式移动隔断两者进行上下组合的构件。
[0011]倒钵体碗口及碗底两端均无封面，由颈部和锥台部构成，颈部和锥台部同轴且均与进气管段共轴。颈部为环柱面，颈部环柱面的外径与上扣环锁圈的内径保持一致；颈部环柱面的柱高大于上扣环锁圈环柱面的柱高，且颈部环柱面的一个端口与上扣环锁圈环柱面内侧壁一体化成型连接；颈部环柱面的另一个端口与复合体倒椎体的锥台部小口端内径保持一致，且与锥台部小口端端口一体化成型连接；在颈部两个端面与其上、下游构件部位一体化连接前，进气管段的下扣环被套装在颈部外围，使得进气管段的下扣环在倒钵体颈部进行上下活动范围被定为，上限为下扣环的锁面和锁圈的连接线，下限为倒钵体颈部和锥台部的连接线。锥台部是一个圆台体的侧壁面，锥台部的小口端朝向颈部一侧，大口端朝向移动隔断，锥台部的渐扩形侧壁保证了气体在经由进气管段、复合体倒钵体的颈部，进入三层富集分离段主体的三层区域时，能够在区域内充分扩散。
[0012]移动隔断是一个由环柱状框架、折片、磁封条和增件管组成的收叠式构件。呈环柱状的框架由上圈轨、下圈轨、立杆组成。上圈轨、下圈轨垂直正对，与进气管段共轴；上圈轨和下圈轨是大小相等的圆环形轨道，轨道大小与倒钵体锥台部大口端的端面保持一致，上圈轨和下圈轨的轨道牙口朝向分别是向下和向上，且轨道牙口的背部分别与倒钵体锥台部大口端的端面和三层富集分离段的外排罩层大口端的端面一体化成型连接。在垂直方向上，上圈轨和下圈轨通过立杆进行支撑连接，即立杆两个端头分别与上圈轨和下圈轨垂直连接，立杆数量大于等于2，立杆与圈轨的连接点将圈轨圆周均分；立杆呈圆柱形，以减小气体涡旋对框架的振动程度；立杆的高度需要保证，垂直高度方向上在立杆的侧壁面，移动隔断能够一体化连接有折片，即折片以立杆为起始端头，沿圈轨滑动进行展开和收合。移动隔断的折片个数与立杆数量保持一致，即从每个立杆侧部均可拉伸出一个折片并沿圈轨进行圆周运动；折片是波纹型材或其他折叠式型材，折片中的折骨为刚性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离的装置单元结构，由进气管段、出气管段以及由复合体、旋转罩层、外排罩层组合的三层富集分离段构成的一种对煤层气中低浓度的甲烷气体进行初步富集并与非甲烷组分气体进行初步分离的装置单元，其特征是：从进口端至出口端依次为进气管段、三层富集分离段和出气管段；进气管段由进气管节和下扣环组成，三层富集分离段的复合体由上扣环、阀门A、倒钵体以及移动隔断组成，三层富集分离段的旋转罩层由渐扩面、沿口、肋骨、上内圈轨、下内圈轨、和羽扇窗组成，三层富集分离段的外排罩层由罩体、上外圈轨、下外圈轨和阀门B组成，出气管段由环台B和芯管组成；三层富集分离段的单元结构由内向外依次是由倒钵体与移动隔断组成的复合体、渐扩式底周收口的旋转罩层、外排罩层，三层结构将装置单元由内内向外依次分为移动隔断圈闭内部区域、移动隔断圈闭与旋转罩层之间区域以及旋转罩层与外排罩层之间的区域，分别用以实现对低浓度甲烷气体的富集、对非甲烷组分的富集与释放以及对非甲烷组分的外排；装置单元结构各构件中，下扣环的下扣环锁面与下扣环锁圈一体化成型连接，下扣环锁面的圆环内口与进气管节端口一体化成型连接；上扣环的上扣环锁面与上扣环锁圈一体化成型连接；倒钵体的颈部与锥台部的小口端一体化成型连接；倒钵体锥台部的大口端与构成移动隔断框架的上轨圈轨道牙口背侧一体化成型连接；移动隔断框架的上轨圈和下轨圈轨道牙口相对且轨道平行，两个轨道垂直距离之间通过立杆一体化成型连接；移动隔断折片，一端的折骨与移动隔断的立杆侧壁一体化成型连接，另一端的折骨与磁封条一体化成型连接；移动隔断立杆底部的侧部与增件管侧壁一体化成型连接；移动隔断框架的下轨圈轨道牙口背侧与外排罩层的底面一体化成型连接；移动隔断折片内嵌折骨的两个端头分别与上轨芯和下轨芯一体化成型连接；旋转罩层沿口的上沿面大口端与沿口的下沿面大口端一体化成型连接；旋转罩层渐扩面的大口端和沿口上沿面的小口端一体化成型连接；旋转罩层渐扩面的小口端和沿口下沿面的小口端分别与上内圈轨和下内圈轨一体化成型连接；旋转罩层渐扩面的内侧壁与螺旋肋骨一体化成型连接；外排罩层罩体顶面的圆环外口与侧面小端口一体化成型连接；外排罩层罩体侧面的大端口与底面圆环外口一体化成型连接；复合体的倒钵体和移动隔断之间的连接线处，外排罩层顶面的圆环内口与复合体外侧壁一体化成型连接；外排罩层的底面与外排罩层出气管连接段环台A的端面一体化成型连接；外排罩层出气管连接段环台A的圆环外口与内螺纹圈口端口一体化成型连接；复合体的倒钵体和移动隔断之间的连接线与外排罩层的罩体顶面交线处的罩体内侧，外排罩层的上外圈轨轨道牙口背侧与罩体顶面一体化成型连接；外排罩层的下外圈轨轨道牙口背侧与罩体底面一体化成型连接；旋转罩层的羽扇窗窗骨与连轴一体化成型连接；出气管段芯管的外侧壁与出气管段环台B的圆环体内侧壁一体化成型连接；含低浓度甲烷的煤层气从进气管段的进气管节进入装置后，依次经过三层富集分离段的复合体上口环、阀门A、倒钵体和移动隔断，在三层富集分离段的旋转罩层被外接控制组件按照进气组成和富集分离要求进行控速旋转操作，并借助旋转罩层渐扩面内壁肋骨使得气体在旋转罩层的罩体内部产生三维气体涡旋，并且基于煤层气各组分之间的密度差，甲烷在气体涡旋下处于旋转的中轴区域，而煤层气中非甲烷组分将处于中轴区域的外围，折片完全展开时，移动隔断呈现为水瓶体，其圈闭区域内部即甲烷富集区，圈闭区域外部与渐扩式收口旋转罩层之间的区域即非甲烷组分富集与释放区；三层富集分离段的外排罩层存在两条流动支路，一条支路组件依次是外排罩层的罩体底面、侧壁带有覆膜外排孔口的罩体、罩体顶面，即旋转罩层的罩体内部产生
三维气体涡旋，处于中轴区域外围的非甲烷组分富集与释放区的气体将下沉，并经由渐扩收口旋转罩层沿口底周孔处的选择性透过性膜，在羽扇结构展开状态下被释放至抽吸外排区域，并通过位于外排罩层与渐扩式底周收口旋转罩层之间的抽吸外排区域的侧壁上部的出口被抽吸至装置单元结构的外部；另一条支路组件依次是由环台A和内螺纹圈口构成的出气管连接段、阀门B，出气管段的组件依次是芯管和带有外螺纹的环台B，旋转罩层的罩体内部产生三维气体涡旋下，处于旋转中轴区域甲烷气体被富集并通过折片完全展开的移动隔断所形成的圈闭区域内部，进入该装置单元结构的出气管段，进而实现对煤层气低浓度甲烷的初步富集与分离。2.根据权利要求1所述的一种对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离的装置单元结构，其特征是：所述的倒钵体呈倒扣碗状；倒钵体碗口及碗底两端均无封面，由颈部和锥台部构成，颈部和锥台部同轴，且均与进气管段共轴；颈部为环柱面，颈部环柱面的外径与上扣环锁圈的内径保持一致；颈部环柱面的柱高大于上扣环锁圈环柱面的柱高，且颈部的环柱面的一个端口与上扣环锁圈环柱面的内侧壁一体化成型连接；颈部环柱面的另一个端口与复合体倒椎体锥台部的小口端内径保持一致，且与锥台部小口端的端口一体化成型连接；在颈部两个端面与其上、下游构件部位一体化连接前，进气管段的下扣环被套装在颈部外围，使得进气管段的下扣环在倒钵体颈部进行上下活动的范围，其上限为下扣环的锁面和锁圈的连接线，下限为倒钵体颈部和锥台部的连接线。锥台部是一个圆台体的侧壁面，锥台部的小口端朝向颈部一侧，大口端朝向移动隔断，锥台部渐扩形的侧壁保证了气体经由进气管段、复合体倒钵体的颈部进入三层富集分离段主体的三层区域时，能够在区域内充分扩散。3.根据权利要求1所述的一种对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离的装置单元结构，其特征是：所述的移动隔断由环柱状框架、折片、磁封条和增件管组成；呈环柱状的框架由上圈轨、下圈轨、立杆组成；上圈轨、下圈轨垂直正对，与进气管段共轴；上圈轨和下圈轨是大小相等的圆环形轨道，轨道大小与倒钵体锥台部的大口端端面保持一致，上圈轨和下圈轨的轨道牙口朝向分别为向下和向上，轨道牙口的背部分别与倒钵体锥台部大口端的端面和三层富集分离段外排罩层大口端的端面一体化成型连接；垂直方向上，上圈轨和下圈轨通过立杆进行支撑连接，即立杆两个端头分别与上圈轨和下圈轨垂直连接，立杆数量大于等于2，立杆与圈轨的连接点将圈轨圆周均分；立杆呈圆柱形，以减小气体涡旋对框架的振动程度；立杆的高度需要保证，垂直高度方向上在立杆的侧壁面，移动隔断能够一体化连接有折片，即折片以立杆为起始端头，即折片以立杆为起始端头，沿圈轨滑动进行展开和收合；移动隔断的折片个数与立杆数量保持一致，即从每个立杆侧部均可拉伸出一个折片沿圈轨进行圆周运动；折片是波纹型材或其他折叠式型材，折片中的折骨为刚性材料，若干个平行排列的折骨内嵌于折片中，且折骨与折片的拉方向相垂直；刚性折骨的两个端头各装配有1个刚性轨芯，轨芯形状不受限，但在外接控制设备的控制下，需要轨芯在上、下圈轨的轨道牙口中做同向同步顺滑运动，运动过程中折页的折骨始终平行于移动隔断的立杆；轨芯与圈轨之间采用半固化态油封方式，在一定程度上避免气体通过轨芯与圈轨之间的缝隙；最大展开状态下的折片长度，至少满足沿圈轨轨道运行形成的环柱面侧壁面上相邻两个立杆间的弧面长度，即所有折片被最大展开时，折片与立柱将移动隔断的环柱状框架变...

【专利技术属性】
技术研发人员：李剑虹，李存磊，张明昕，李柯，张重阳，张颜，李雨晴，杨留栓，李雪晴，陈雪，田洛，
申请(专利权)人：辽宁石油化工大学，
类型：发明
国别省市：