[发明专利]超音速旋流分离器及流体分离方法

说明书

本申请提供了一种超音速旋流分离器及流体分离方法，该超音速旋流分离器包括：顺次同轴连接的回流管、直管渐缩段、扩张流道和第一排液段；直管渐缩段包括：进气腔，该进气腔内设有旋流发生器和导流锥，该进气腔开设有进气口；进气腔靠近导流锥的一端与扩张流道连接，另一端与回流管连接；旋流发生器一端与导流锥连接，另一端与回流管连接；第一排液段包括：第一排液腔和设置在该第一排液腔内的第一扩压器，该第一排液腔开设有第一排液口和干气出口；第一扩压器的侧壁设有多个开口，用于增加该第一扩压器的排液面积，结构可靠，能够增加超音速旋流分离器的流通能力和流场稳定性，进而能够提高流体分离性能。

技术领域

本申请涉及超音速冷凝分离技术领域，尤其涉及一种超音速旋流分离器及流体分离方法。

背景技术

天然气是优质、高效且绿色清洁的低碳能源，并可与可再生能源发展形成良性互补。但是水的存在给天然气的开采和集输过程造成了严重的影响。常规的天然气脱水方法，如固态吸附法、溶剂吸收法和膜分离法等不仅投资相对较高，而且工艺及设备结构复杂。此时，超音速分离技术作为一种环保、节能、高效且低成本的新型分离技术引起了国内外科研人员的关注。

超音速分离器的理念形成于半世纪前，并且在随后的数十年里不断被改进。目前已在国外广泛应用的超音速分离器主要有两种，第一种超音速分离器是将起旋流作用的翼片放置于超音速区域内，这导致了当超音速流体与喷管内的旋流叶片相碰撞时，会产生较强烈的激波而导致较大能量损失。同时对喷管内流场产生较大的影响，破坏喷管内所形成的低温低压环境，使已经凝结的液滴发生二次挥发，最终降低了超音速分离器的分离性能。第二种超音速分离器主要改进是将旋流翼前置于入口处。在冷凝过程中由于流体的强旋流而提高了分离效率，能够有效地克服第一种超音速分离器的缺陷，但流体在第二种超音速分离器中是先经过旋流器而产生高速的旋转，然后流体进入喷管的渐缩段、喉部、渐扩段和直管段，由于粘性阻力损失使流体的旋转强度逐渐衰减，最终导致超音速分离器分离效率的下降。而且随着操作参数的不断改变，在喷管内产生激波的位置和强弱也随之不断变化，因此将会对超音速分离器的分离性能产生影响。其在进入到喷嘴前的亚音速的入口处具有一个旋流发生器，没有中间体。但是该设备仍存在无法适应实际不断变化的出入口压力条件的问题。

基于上述两种超音速分离器，相关研究机构提出了如下几种装置：

一种天然气超声速膨胀制冷与旋流分离器，该设备的旋流叶片位于喷管的收缩位置，但该位置处于流体加速区域所以不利于降低流动阻力。一套湿气再循环超音速分离管。流体可以通过装置的再循环口回流流入直管段内部，使含湿气体反复循环进入内置的旋流发生器，实现含湿气体的循环回流分离，因此可提高超音速分离器的分离效率。尽管上述新型设备均在结构上具有一定的改进，但是其旋流发生器位于喷管内的高速区，并没有从根源上解决流动损失大的问题。

一种双喉道自启动超音速旋流分离器。该设备的主要特点是在扩张器收缩段和扩张段采用了多孔壁结构。该设备由于在扩张段以远低于喷管马赫数的条件下形成正激波，因此具有激波损失小的优点。但是该设备的排液间隙采用的是不同内外半径套管构成的环状结构，在凝析液产量过大的情形下，需要增加这一环隙的大小时，会导致在超音速渐扩段内产生激波，引起喷管内静温升高，凝析液蒸发，从而造成了分离效率的下降、压力能的损失较大。所以，排液的环隙结构是上述超音速旋流分离设备的一个缺陷。

一种加工容易、液滴沉降距离短、压力损失小、超音速旋流分离器为圆环截面的锥芯式超音速旋流分离器。锥芯超音速分离器的工作区域是由套管和锥芯构成的先渐缩后渐扩的圆环截面通道。该装置可在小压比下工作，因此具有较高的工业应用价值。但是该结构由于内部具有锥心，而且旋流叶片采用径向布置而导致阻力增加。此外，对于高压系统该种结构的锥心易受设备内部流场的扰动而损坏。