[发明专利]跨音速可控涡气体除湿装置

说明书

技术领域

本发明涉及气体干燥处理技术领域，特别涉及天然气中水蒸气和重烃的 除湿技术领域。是一种多组分气体分离除湿装置，具体是一种去除混合气流 中一种或多种组分的跨音速可控涡气体除湿装置。

背景技术

跨音速可控涡气体除湿装置能应用许多工业技术领域，例如石油天然气 的脱水脱烃处理，环境、化工、建材等各个领域的气体处理。

高压气体的除湿是工业过程中经常遇到的任务。例如，从地层中开采出 来的天然气中常常混合了液态水及水蒸气、凝析液及重烃气体、固体颗粒等， 天然气外输前必须减少这些杂质的含量，以满足外输要求。通常，液体及固 体颗粒的分离较容易，对于水蒸气和重烃的分离难度最大。

目前，水蒸气和重烃的分离主要采用溶剂吸收、固体吸附、低温分离、 膜分离等。溶剂吸收法是利用溶剂吸收天然气中的水汽及液态水，然后再将 含水溶剂与天然气分离，缺点是溶剂的循环及其再生需要消耗能量，溶剂损 耗较大，对环境不友好，处理后的天然气水露点偏高。固体吸附法是利用某 些固体干燥剂表面孔隙吸附大量水分子的特点来进行脱水，缺点是切换操作 频繁，吸附剂再生干燥消耗大量能量，使用周期有限，经济性欠佳。低温分 离法采用低温冷却的方法脱水，常用方法的有节流、透平膨胀、热分离机、 气波制冷等多种方式。节流一般只能用于最低一级的降温措施；透平膨胀机 造价高，润滑系统复杂，加工维护及带液运行困难；热分离机效率低，应用 较少；气波制冷技术制冷效率较高，无三废污染，应用前景较好，但目前技 术还不成熟。膜分离技术设备简单、无再生、无二次污染、无额外试剂消耗， 但膜系统的渗透侧要损失一些甲烷，液态水对膜性的损害较大，甚至将膜完 全破坏。

利用气体的高压能量，采用超音速降压降温凝结与离心力气液分离实现 气体除湿是近年来的一个重要技术发展趋势。目前国内外已经有专利公开。

日本专利No.2-17921，在喷管前安装了一个旋涡发生器，使气体产生旋 涡获得离心力。该旋涡发生器是一个旋转部件，采用电机驱动方式。整个装 置不仅压损很大，而且固有安全性较低，难以应用到天然气处理等特殊领域。

美国专利US 355937，设计了壁面有螺旋升角的U型槽分离段，促使气流 产生旋转运动，并安装吸液板。气流在喷管扩张段后变为超音速，并且温度 降低，产生液滴，液滴的生长速率与U型槽旋转曲率的大小有关。产生的水 滴在吸液板处被吸收。不足之处是很容易产生激波；旋流产生难以获得大的 离心加速度。由于以上局限，气液分离效率低。

荷兰Shell公司在1997年购买了相关专利后，开始进行进一步的研究， 着力将其应用于天然气的处理，目前拥有的专利主要有：US 2003/0145754 A1< SUPERSONIC SEPRATOR APPARATUS AND METHOD>(Dec.26，2002)；WO 2004/020074 A1<CYCLONIC FLUID SEPRATOR>(Mar.11，2004)；WO 03/092850 A1<CYCLONIC FLUID SEPRATOR EQUIPPED WITH ADJUSTABLE VORTEX FINDER POSITION >(Nov.13，2003)；US6524368 B2<SUPERSONIC SEPRATOR APPARATUS AND METHOD>(Aug.17，2004)等。这些专利的核心技术雷同。含湿气流通过LAVAL 喷管，速度由亚音速变为超音速，压力减小，温度降低，产生小液滴；在气 流的超音速区域，通过一个有特定攻角的三角翼产生很强的旋涡流动，微小 液滴在离心力作用下被抛至外侧管子的内壁，形成一层液膜，之后气流从两 个流道排出，一个通道主要是含大量液滴的气流，另一个通道主要是干气及 其夹带的自由液滴。这种技术主要有以下技术缺点：(1)Laval喷管中由于 快速凝结会出现激波，不利于液滴的长大；(2)高速气流在三角翼边缘会产 生复杂的斜激波，致使旋流及分离过程的速度、温度、压力场分布很不均匀， 同时气流温度升高导致一部分冷凝的液滴重新蒸发，并且降低了装置出口的 总压。(3)某种组分首先凝结后，其他组分的分压力降低，需要降低气流静 温才有能使这些组分凝结，这只能通过提高Ma数来实现，导致气流的出口压 力降低很多。因此该方法的分离效率和总压恢复效率都较低。

发明内容