[发明专利]一种高速涡旋流动气体分离装置

摘要

一种高速涡旋流动气体分离装置，包括依序一体构成的装置进口端(1)、装置喷管(3、4、5、6)、连接装置喷管的装置扩压段(7)和装置出口端(9)；所述的装置喷管(3、4、5、6)依序由收缩段(3)、喉部(4)、扩张段(5)和工作段(6)一体构成；所述的装置喷管(3、4、5、6)的横截面不是同轴心圆截面、为非同轴心变形截面，消除装置喷管的流道各横截面中心区域的涡旋滞止区；所述的高速涡旋流动气体分离装置获得干气的产气率达到98.5％‑99.5％；在原料气中，碳‑3以上的液烃总和占比为5.52％，通过所述的高速涡旋流动气体分离装置的分离后，碳‑3以上的液烃去除量为4.02％‑5.02％。

主权项

1.非同心变截面GWF装置，主要由装置进口端(1)、装置喷管(3、4、5、6)、连接装置喷管的装置扩压段(7)和装置出口端(9)依序一体构成，其中装置喷管依序由其收缩段(3)、喉部(4)、扩张段(5)和工作段(6)一体构成；装置进口端(1)连接高压气源，将具有一定压力、温度、流量和气体组份的原料气体输入装置进口端，在装置进口端(1)的圆管形流道上设置涡旋导流器(2)，使沿着流道轴向流动的原料气体转变为涡旋运动，成为具有轴向、圆周切向和径向离心运动的涡旋气流，进入装置喷管后气体在收缩段(3)和喉部(4)被迅速降压加速，再以高速甚至超音速进入扩张段(5)使气流快速绝热膨胀加速，同时压力及温度快速降低使其部分的组份冷凝成液滴，进入喷管工作段(6)后继续冷凝，液滴尺寸不断增大，含有液滴的涡旋气体在离心力作用下，将液滴抛向工作段(6)的壁面，并将分离出的液体由设置在喷管工作段(6)尾部壁面上的分离口(10)管路引出，分离出液体后的原料气进入装置的扩压段(7)，气流通过扩压段(7)速度降低，恢复了一部分原来进口端(1)的压力，通过设置在扩压段(7)末端的转向装置(8)，将气流的旋转流动恢复为轴向流动，最后由装置出口端(9)将分离后的气体输出至应用气体的管网，其特征在于：①装置进口端(1)与出口端(9)的气体压力比，决定喷管流道内的原料气体的冷凝速度，为在喷管流道(5、6)内形成足够大的液滴，要求喷管流道内原料气体的冷凝速度在‑40000℃/s到‑20000℃/s之间，这种冷凝速度可以使在喷管流道(5、6)内流动的原料气体同时脱水和脱烃(碳‑3以上的烴油)，依此数据合理设计装置进、出口两端的气体压力比；②喷管流道收缩段(3)的体积和气体密度以及喷管流道喉部(4)口径大小，决定了由喉部(4)进入喷管流道扩张段(5)和工作段(6)的气体速度是高速还是超音速，从而决定装置处理原料气体的效率；③涡旋导流器(2)，使气体涡旋流动产生的离心加速度不低于105m/s2，将在喷管流道扩张段(5)和工作段(6)内冷凝形成的液滴，加速抛向喷管流道扩张段(5)和工作段(6)的壁面，依此数据來设计所需涡旋导流器(2)的叶片数和叶片倾角；④对装置喷管流道(3、4、5、6)采用非同心变截面设计，使喷管流道各横截面每个区域产生附加的离心力，以控制涡旋动量在喷管横截面上的合理分布，从而消除各横截面中心区域的涡旋滞止区，将气体中冷凝的液滴被分离得更加彻底；装置喷管流道(3、4、5、6)变形截面的形状、大小，喷管流道(3、4、5、6)各段的几何尺寸，通过下述方法确定：第一步，依据原料进气站提供输入到装置进口端(1)的原料气体的初始条件及要求，包括：依据原料气的进站压力、进站温度、流量(处理量)、进入装置原料气的组份；装置出口端(9)的气体压力及其压力下的水和烃的露点，设定装置的设计参数：包括装置的进口流量、进口温度、进口压力；装置的出口压力、进出口压力比；以及设定装置喷管流道(3、4、5、6)的形状和几何尺寸，包括喷管流道的进口半径R1、喷管流道进口到喉部的距离L1、喷管喉部半径R0、喷管流道的出口半径R2、喷管流道出口到喉部的距离L2、以及分离口到喷管喉部的距离L3；第二步，依据气体热动力学状态方程算法，计算整个喷管流道(3、4、5、6)网格各点的气体压力、温度、速度、离心加速度及气体的组份，获取整个喷管流道(3、4、5、6)气体流场的立体分布；第三步，依据第一、第二步获取的数据，计算装置对原料气体的回收率，与预期的设计要求进行优化计算，达到要求终止计算；未达到要求，重新改变喷管流道(3、4、5、6)形状和几何尺寸，重复执行计算喷管流道气体流场立体分布的计算程序，和计算装置对原料气体回收率的计算程序，直到达到设计要求为止；计算获得的装置喷管流道(3、4、5、6)的气体流场立体分布构形，就是满足设计要求的非同心变形截面喷管流道构形，具有这种喷管流道构形的装置喷管，可以控制气体涡旋动量在其横截面上的合理分布，消除喷管流道(3、4、5、6)各横截面中心区域的涡旋滞止区，使在喷管流道(3、4、5、6)各横截面的每个区域都产生附加的离心力，增大增强的离心力加强了液滴的分离效率，大大提高了原料气的回收率。