一种可变截面管式超音速冷凝旋流器制造技术

一种可变截面管式超音速冷凝旋流器，属于压力气体的膨胀制冷和冷凝分离技术领域。采用向喷管加速流道的中轴区，插入一个位置可调的锥芯，可使喷管的喉部截面积发生改变，因此能适应分离器入口和出口压力的变化，而不会在流道的超音速离心分离段产生激波，加热蒸发已冷凝的液滴，变工况效率很高。在喷管的亚音速增速增旋段，轴心区被调节锥芯占据形成环形截面流道，其直径收缩比大，增旋更强，离心分离能力更高。该冷凝旋流器利用气体自身压力膨胀降温冷凝，缩径增强自旋，离心分离凝液，之后压力又等熵恢复。具有无运动件、耐高压、不需外部驱动、节省能源、体积小、成本低、运行可靠等优点，适用于混合气体，如天然气和石油气中重组分的分离。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于压力气体的膨胀制冷和冷凝分离
本技术可变截面管式超音速冷凝旋流器，是一种能使气体膨胀升速降温，同时产生高速旋转流场，离心分离重组分冷凝液的超小型高效静止式冷凝分离装置。
技术介绍
利用压力气体自身的压力能膨胀制冷，使其中的重组分冷凝成液体，然后进行气液分离，以实现混合气体中重组分的提取。该工艺过程广泛应用于各种混合气体的分离场合，尤其是在天然气脱水净化和轻烃回收等领域。压力气体膨胀制冷，可用设备有透平膨胀机、气波制冷机或节流阀等。节流阀结构 简单，但为等焓降压，压力能利用率极低，制冷温度有限。透平膨胀机效率较高，但操作、管理和维护繁杂，带液运转能力差。发展简易、耐用、易操作管理的新型一体化制冷加分离技术，对于天然气处理等领域的意义重大。壳牌(Shell)公司在1997年购买了超音速分离的专利后，进一步研发并将其应用于天然气处理，取得突破，先后对其Twister装置申请了多项国际专利(US 6513345 BI, US 2002/0194988 Al, US 2003/0145724 Al, WO 03/092850Al, WO 2004/020074等)。并于2003年在马来西亚石油公司海上气田及尼日利亚气田开发中得到验证与应用，目前仍在完善与改进中。壳牌的Twister装置主要用于高压气体的脱水，在压力为7 15MPa和冷凝压力超过5MPa条件下，重量、体积和成本方面有较大缩减，无活动部件，可无人操作，海上应用具有较大优势。但Twister装置产生旋流的部件，是大后掠角长三角翼，尽管具有分离效率高优点，但该构件附近易产生激波，破坏低温低压环境，造成冷凝流场不稳定。西安交通大学提出的多进气道超音速旋流分离与回压装置(ZL200610043158. 2)，发生旋流采用多个渐缩或超音速喷嘴，使气流增速，静温降低，重组分凝结成核并长大，同时高速气流沿切向进入旋流分离管。但该装置喷嘴中凝结的液滴，在射入分离管时，易二次挥发；喷嘴出口的气速过高，易生成激波，降低效率。大连理工大学获得的专利锥芯式超音速冷凝旋流分离器(ZL 200810011258. 6)，是使气流沿着分离管截面的切向进入管内而产生旋转流，同时在管内渐缩、渐扩的流道中逐渐加速到超音速，且由动量矩守恒关系，随着流道的收缩，气流加速旋转。其最大特点是在管内超音速段，不是靠内径逐渐增大而产生扩张流道。而是由在等径管中插入渐细的内锥芯，使流道截面积渐扩而产生超音速流，和产生更强的旋转以利于分离。从而避免了加工小锥角渐扩内孔的困难。但以上各种超音速冷凝旋流分离器，都有一个固定面积的喉部截面，当进、出口的压力比、特别是凝液排出压力偏离设计时，分离管内就产生激波，不仅造成了压力能的损失，而且激波的加热作用，会使已冷凝的雾化液滴重新蒸发，降低了气液分离的效果。因此，变工况适应能力差，是超音速冷凝旋流分离器的很大弱点。
技术实现思路
本技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、设计加工容易、运行稳定可靠、压力转换效率较高、特别是对压力变化的适应能力强的、用于混合气体冷凝分离的制冷与分离一体化的新型超音速分离装置一可变截面管式超音速冷凝旋流器。一种可变截面管式超音速冷凝旋流器，主要由调节手柄、螺旋进出单元、气体进口管、调节锥芯、喷管超音速段、稳定锥段、喷管降速直段、扩压器段、凝液出口管、凝液导出腔、喷管加速增旋段、进气缓冲腔、预旋单元和填料静密封组成；在喷管加速增旋段的中轴区域，放置一个其轴线与喷管的轴线重合、其位置可前进后退的调节锥芯；转动调节手柄，带动螺旋进出单元，使调节锥芯沿轴线向里或向外移动，喷管加速增旋段的环形流道截面积随之连续地改变，其最小截面的通流面积也随之改变；在喷管超音速段的扩张流道中，气体被加速到超音速，静温降低，气体中的重组分冷凝；气体进入分离器喷管流道的初始旋转，由预旋单元完成，其后因喷管加速增旋段流道半径减小，旋流的角速度增加，依靠其离心力场分尚出冷凝液。可变截面管式超音速冷凝旋流器，喷管加速增旋段的收缩角为10 60°，长度为10 1000毫米，大头直径为10 1000毫米；调节锥芯的锥角在5 60°之间，长度10 1000毫米，大头直径为8 800毫米。喷管超音速段的扩张锥角在I 20°之间，长度15 1000毫米，小头直径5 500毫米，稳定锥段的扩张角也在I 20°之间，其小头内径与喷管超音速段大头内径的差值在土 10晕米之内，长度在3 300晕米之间。喷管降速直段的直径与稳定锥段的大头直径相等，在6 500毫米之间，长度在3 300毫米之间，扩压器段的扩张锥角在2 30°之间，大头直径为10 1000毫米，长度为20 2000毫米。预旋单元的一种实施结构是，由切向导流叶片，将径向进气导流成沿着圆周切向进入分离器中，切向导流叶片的厚度在O. 5 10毫米之间，数量为4 32片，沿着圆周均匀排布。预旋单元的另一种实施结构是，由切向导流喷嘴，将径向进气导流成沿着圆周切向进入分离器中，在内圆周壁的约束下自动产生旋转；切向导流喷嘴为渐缩直流道或弯曲流道，数量为I 12个，沿着圆周均匀排布。当进口压力高于设计值时，根据可压缩流体力学理论，喷管喉部的临界压力与进口压力之比保持不变，因此临界压力随着进口压力的升高也升高，喷管超音速段各截面的压力也随之升高。如果凝液排出口的压力没有随之上升，超音速段流道内必定会产生激波，损失压力以适应。而当凝液排出口的压力低于设计值时也是如此。为消除上述激波的产生，唯一的措施就是增大喷管在凝液出口位置处的截面积与喉部截面积之比，增加前者很难实施，而相应地减小喉部截面积是最好的选择。而当进口压力低于设计值，或是凝液排出口的压力高于设计值时，也会在超音速段流道的始端产生激波，这时欲消除激波，就需要减小喷管在凝液出口位置处的截面积与喉部截面积之比，相应地增加喉部截面积就能满足。本技术可变截面管式超音速冷凝旋流器，就是一种能够在工作状态下，随意调节其喉部截面积的可调式压力自适应型分离器，其调节喉部截面积、适应压力变化的技术解决方案为采用向锥孔型流道的内部中心，嵌插入一个其位置可以进退调节的锥形芯，将通流流道截面变成一个环形，且通过该锥芯的连续调节伸入，环形的内径连续增加一环形流道的截面积则连续地减小，如此可使流道的最小截面(喉部)面积发生连续的改变。本技术可变截面管式超音速冷凝旋流器，其入口有一个能使进入喷管流道的气体产生预旋转的机构，即气流是一边旋转、一边沿着喷管的轴向向前流动。喷管的流道截面积是先缩小再增大一即拉瓦尔喷管，气体在管中被连续加速到超音速。同时由于遵循动量矩守恒，在喷管的亚音速段，随着流道直径的收缩减小，旋转的角速度迅速增大，会产生很强的离心力场。由于在喷管的渐缩、渐扩流道中，气体的焓大部分转化成为动能(超音速流动)，因此混合气体的静温会明显降低(由压力比而定，可降温30 70°C )，其中的易凝析组分在过冷温度下，逐渐生成重的雾滴。受到高速旋转离心力场的作用，这些雾滴被外甩到喷管流道的内壁，再由喷管内壁的导流环隙引流出来进行回收。如此，降温冷凝和离心分离两个过程，就能在一体化的喷管流道中连续地完成。 分离后的干气需要恢复压力，因此在喷管的后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可变截面管式超音速冷凝旋流器，主要由调节手柄(1)、螺旋进出单元(2)、气体进口管(3)、调节锥芯(4)、喷管超音速段(5)、稳定锥段(6)、喷管降速直段(7)、扩压器段(8)、凝液出口管(9)、凝液导出腔(10)、喷管加速增旋段(11)、进气缓冲腔(12)、预旋单元(13)和填料静密封(14)组成；其特征在于，在喷管加速增旋段(11)的中轴区域，放置一个其轴线与喷管的轴线重合、其位置可前进后退的调节锥芯(4)；转动调节手柄(1)，带动螺旋进出单元(2)，使调节锥芯(4)沿轴线向里或向外移动，喷管加速增旋段(11)的环形流道截面积随之连续地改变，其最小截面的通流面积也随之改变；在喷管超音速段(5)的扩张流道中，气体被加速到超音速，静温降低，气体中的重组分冷凝；气体进入分离器喷管流道的初始旋转，由预旋单元(13)完成，其后因喷管加速增旋段(11)流道半径减小，旋流的角速度增加，依靠其离心力场分离出冷凝液。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡大鹏，邹久朋，刘培启，朱彻，代玉强，刘凤霞，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：实用新型
国别省市：