[发明专利]一种组合式超音速气体冷凝分离装置

说明书

本发明涉及一种组合式超音速气体冷凝分离装置，包括超音速分离器和凝液收集装置，超音速分离器包括旋流发生器扩张段、拉伐尔喷管扩张段、分离段扩张段和扩压器，旋流发生器与拉伐尔喷管扩张段相连，旋流发生器的外周设置有可以更换的插入式旋流叶片扩张段，待处理气体流经旋流发生器扩张段产生旋转流场；再流经拉伐尔喷管扩张段的收缩部分达到超音速状态，发生凝结现象；分离段扩张段的前部设置在拉伐尔喷管扩张段的喉部，分离段设置有湿气出口扩张段，内壁凝结的凝液从湿气出口排出；干燥气体经过扩压器恢复压力后，从干气出口扩张段排出，扩压器设置在拉伐尔喷管扩张段的扩张部分。

技术领域

本发明涉及的组合式超音速气体冷凝分离装置属于冷凝分离技术领域。本发明是一种通过气体加速降温，在旋流场中实现多组分气体分离的冷凝分离装置。

背景技术

混合气体的分离广泛地存在于各个领域，比如食品、天然气、化工和石油等领域。从天然气的气田中开采出的混合天然气中含有水蒸气、二氧化碳和硫化物等混合气体，并且湿蒸汽一般都处在高饱和的状态，所以容易对运输管道造成堵塞或者腐蚀等破坏。因此，脱除水和液泾是天然气生产中的必要环节。

天然气脱水的主要方法吸收法、温降法、吸附法以及膜分离法等。溶剂吸收法存在工艺技术复杂、设备设置繁多、系统庞大并且投资费用高等缺点。温降法采用的制冷设备主要是节流阀及透平膨胀机，节流阀的不可逆性会造成能量损失，透平膨胀机的制造难度较大、可靠性差，因为其有高速运动部件。固体吸附法的吸附剂易中毒和破碎粉化，再生时耗热量高；对于大型设备，其投资和操作费用高。膜法天然气脱水存在着渗透过程中烃损失相对较大，水汽对聚合物膜会产生塑化与溶胀作用等缺陷。

超音速分离器是基于气体动力学以及热力学的研究而开发出的新型利用超音速产生低温环境的一种冷凝分离技术。超音速旋流分离器是采用低温冷凝方法的一种静设备，其优点是无需昂贵的添加物，设备工艺及结构简单，等熵效率高且压降较小等。但该技术的研究历史还不长，此技术具有很好的研究前景，但是我国对此项技术的研究才刚起步，依然处于初期阶段，尚停留在气体超音速流体过程中的流动特性和装置雏形结构研究上。目前仍存在诸多问题尚待解决，如：中心体与外部套筒固定方式比较复杂，加工难度大；湿气出口会有大量气体被带出导致分离效率较低等。

发明内容

本发明的目的是为了弥补目前超音速分离器现有技术的不足，提供一种轻量型、结构简单、性能优良的超音速分离器，为进一步轻量化现有超音速分离器结构、降低加工难度提供一种可行方案。在此基础上，凝液收集装置的设计，为进一步提升现有超音速分离器分离效率低的问题提供一种可行方案。技术方案如下：

一种组合式超音速气体冷凝分离装置，包括超音速分离器和凝液收集装置，其特征在于，超音速分离器包括旋流发生器扩张段、拉伐尔喷管扩张段、分离段扩张段和扩压器，旋流发生器与拉伐尔喷管扩张段相连，旋流发生器的外周设置有可以更换的插入式旋流叶片扩张段，待处理气体流经旋流发生器扩张段产生旋转流场；再流经拉伐尔喷管扩张段的收缩部分达到超音速状态，发生凝结现象；分离段扩张段的前部设置在拉伐尔喷管扩张段的喉部，分离段设置有湿气出口扩张段，内壁凝结的凝液从湿气出口排出；干燥气体经过扩压器恢复压力后，从干气出口扩张段排出，扩压器设置在拉伐尔喷管扩张段的扩张部分；从湿气出口扩张段排出的气体经过凝液收集装置对凝液进行吸附后与干气出口扩张段的干燥气体汇集到一起。

优选地，凝液收集装置包括进气口、排污口、孔板和导流板，其流道里填充有吸附球，用以填充并吸收更多的凝液，流道里设置有导流板，使得气体可以更长时间的停留在凝液收集装置中，在液滴收集装置的出口处设有网状结构的孔板，网孔直径小于吸附球直径，仅让气体流过而防止干燥剂也被气体夹带出去。

旋流发生器扩张段0的旋流叶片扩张段，入口锥角为0°，出口锥角为50°至80°。

拉伐尔喷管的收缩段扩张段入口等效截面积为喉部扩张段等效截面积的2至4倍，扩张段扩张段3出口等效截面积为喉部扩张段等效截面的1.5至2倍。