本發(fā)明涉及一種自引射循環(huán)回流超音速旋流分離器及其分離方法，屬于超音速冷凝分離裝置技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

超音速分離器具有無轉(zhuǎn)動(dòng)部件、耐高壓、無需外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、成本低及運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。在天然氣脫水、脫重?zé)N和輕烴回收領(lǐng)域有很強(qiáng)的適用性。目前，超音速脫水技術(shù)在國(guó)內(nèi)、外都仍處于試驗(yàn)與初步現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用階段，盡管已有商業(yè)應(yīng)用的實(shí)例，但是在超音速分離效率和操作彈性范圍等方面仍存在一些局限性。超音速分離器主要有u型、旋流后置型和旋流前置型三類。garret等為代表的u型超音速分離器，該裝置由laval噴管與一個(gè)截面為矩形的u型通道相連構(gòu)成（us3528217）。該型設(shè)備結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且部分需要輔助電磁場(chǎng)或注入抑制劑來解決水合物和凍堵問題。twisterbv公司研制的twister?marki為代表的旋流葉片后置型超音速分離器，該型設(shè)備建立的渦流模型在增加葉片迎角時(shí)，葉片的攔截效果和渦流不對(duì)稱。而且當(dāng)超音速氣體與旋流葉片相碰時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的激波，這會(huì)造成很大的能量損失，甚至影響流場(chǎng)，破壞水蒸汽自發(fā)凝結(jié)時(shí)所需要的低溫低壓環(huán)境，從而使得凝結(jié)的液滴在分離段由于溫度壓力的升高發(fā)生二次揮發(fā)，最終導(dǎo)致壓力損失較大和離效率的降低。twisterbv公司研制的twister?markii和translang公司研制的3s為代表的旋流前置式超音速分離器（us6372019）雖然克服了旋流后置型分離器的缺點(diǎn)，但是由于流體在進(jìn)入噴管前就已經(jīng)開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)度雖高，但經(jīng)過噴管和直管段到達(dá)氣液分離出口時(shí)，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度已經(jīng)下降，會(huì)導(dǎo)致分離不夠徹底，而且隨著操作參數(shù)的不斷變化，會(huì)導(dǎo)致此裝置的激波發(fā)生位置的范圍不斷變化，很大幾率會(huì)進(jìn)入噴管內(nèi)，會(huì)對(duì)的工作性能產(chǎn)生劇烈影響。此外，該型設(shè)備仍存在的無法適應(yīng)實(shí)際不斷變化的出入口壓力條件的問題。此外，北京航空航天大學(xué)的一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器及其分離方法（cn102274805b）采用雙噴管串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)在擴(kuò)壓器收縮段和擴(kuò)壓器擴(kuò)張段之間通過多孔壁結(jié)構(gòu)形成一個(gè)擴(kuò)壓器喉道流通截面積可調(diào)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，在擴(kuò)壓器收縮段和擴(kuò)壓器擴(kuò)張段壓差作用下實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)可調(diào)性。但是該型設(shè)備帶循環(huán)的超音速分離器的排液間隙均采用的是不同內(nèi)外半徑套管構(gòu)成的環(huán)狀排液間隙結(jié)構(gòu)，達(dá)到排除凝析液的目的。在凝析液產(chǎn)量過大的情形下，需要增加這一環(huán)隙的大小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致在超音速拉法爾管擴(kuò)壓段內(nèi)產(chǎn)生激波，引起噴管內(nèi)靜溫升高，凝析液蒸發(fā)，從而造成了分離效率的下降、壓力能的損失較大。所以，排液的環(huán)隙結(jié)構(gòu)是上述超音速旋流分離設(shè)備的一個(gè)缺陷。北京工業(yè)大學(xué)提出了一種濕氣再循環(huán)超音速氣體凈化分離器（cn201534048u）。該結(jié)構(gòu)利用排液口和拉法爾管擴(kuò)壓段出口處的壓差，將排液腔內(nèi)的濕氣進(jìn)行多次循環(huán)從而得到除去液體的干氣，但是該裝置采用的是旋流器后置的結(jié)構(gòu)，從噴管出來的超音速氣流撞擊葉片會(huì)產(chǎn)生激波，且有較大壓損，不適用于進(jìn)口壓力較低的工況。同時(shí)該設(shè)備也存在雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器類似的排液環(huán)隙結(jié)構(gòu)的缺陷。

因此，有必要開發(fā)出一種克服上述缺陷的新型超音速分離設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服以上技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)加工容易、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、濕組分脫除率高、增強(qiáng)凝析液脫除能力，同時(shí)可以適應(yīng)壓力變化的、用于混合氣體冷凝分離的制冷與分離一體化的自引射循環(huán)回流超音速旋流分離器及其分離方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種自引射循環(huán)回流超音速旋流分離器，它包括進(jìn)氣腔旋流結(jié)構(gòu)、拉法爾管、分液結(jié)構(gòu)和壓力恢復(fù)段，它還包括一個(gè)積液腔；所述進(jìn)氣腔旋流結(jié)構(gòu)包含連接進(jìn)氣腔的進(jìn)氣管、位于進(jìn)氣腔中的旋流發(fā)生器和設(shè)置在進(jìn)氣腔端部的進(jìn)氣腔擋板；所述拉法爾管包含連接旋流發(fā)生器的拉法爾管漸縮段和拉法爾管擴(kuò)壓段；所述分液結(jié)構(gòu)包含連接拉法爾管擴(kuò)壓段的穩(wěn)定錐度段和出口連接壓力恢復(fù)段的噴管降速直段；所述積液腔包含分離腔和位于分離腔內(nèi)的過濾段，分離腔與穩(wěn)定錐度段外側(cè)的排液腔連接，過濾段的出口經(jīng)回流管連接設(shè)置在拉法爾管漸縮段中的旋流發(fā)生器和導(dǎo)流錐的回流通道，導(dǎo)流錐的錐端設(shè)有多個(gè)導(dǎo)流錐側(cè)向開口，導(dǎo)流錐側(cè)向開口的中心線距錐尖距離為10-50mm；所述旋流發(fā)生器與導(dǎo)流錐連接后構(gòu)成的整體通過法蘭與回流管連接，回流管法蘭采用焊接方式與回流管連接，回流管法蘭與進(jìn)氣腔擋板之間設(shè)置金屬墊片，采用連接螺釘調(diào)節(jié)間隙，在回流管法蘭與進(jìn)氣腔擋板之間設(shè)置o型密封圈。

所述旋流發(fā)生器的出口處與導(dǎo)流錐的進(jìn)口處采用螺紋連接，螺紋的長(zhǎng)度為20-200mm。

所述旋流發(fā)生器內(nèi)的回流通道直徑與回流管的內(nèi)徑相同，導(dǎo)流錐內(nèi)的回流通道采用向出口方向漸縮的圓形截面通道。

所述拉法爾管漸縮段的收縮角為10-60度角，長(zhǎng)度為6-1400mm，大頭直徑25-1000mm，導(dǎo)流錐的錐角在5-60度角之間，長(zhǎng)度為6-1400mm，大頭直徑為10-600mm。

所述旋流發(fā)生器設(shè)有4-28個(gè)周向均布的軸流式導(dǎo)向葉片，軸流式導(dǎo)向葉片的厚度在1-10mm之間，旋流器出口角在20-60度角之間。

所述的一種自引射循環(huán)回流超音速旋流分離器裝置的分離方法是：含濕氣體由進(jìn)氣管經(jīng)進(jìn)氣腔流過帶回流通道的旋流發(fā)生器，然后在拉法爾管漸縮段內(nèi)沿帶回流通道的導(dǎo)流錐向后流動(dòng)，在旋流發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生凝析液旋流分離的離心力，隨后在拉法爾管擴(kuò)壓段的擴(kuò)張流道中，含濕氣體被加速到超音速，靜溫降低，氣體中的重組分發(fā)生冷凝；在拉法爾管擴(kuò)壓段內(nèi)低溫冷凝形成的凝析液，脫除濕組分后的干氣經(jīng)穩(wěn)定錐度段和噴管降速直段進(jìn)入壓力恢復(fù)段，完成減速和壓力恢復(fù)過程，降低分離器的流動(dòng)壓力損失；一部分凝析液經(jīng)排液腔的排液口分離，另一部分凝析液隨外循環(huán)氣的流動(dòng)攜帶進(jìn)入分離腔，在分離腔內(nèi)的過濾段通過物理過濾完成部分凝析液的分離；在排液腔與帶回流通道的導(dǎo)流錐出口之間利用旋流及高速流動(dòng)產(chǎn)生的壓差，含濕氣體會(huì)自引射進(jìn)入回流管，經(jīng)帶回流通道的導(dǎo)流錐出口引射進(jìn)入拉法爾管擴(kuò)壓段而形成一個(gè)外部回流循環(huán)。

上述技術(shù)方案的指導(dǎo)思想是：為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壓力損失大、排液環(huán)隙結(jié)構(gòu)引起激波、分離效率低、適應(yīng)工況范圍小等不足。本裝置利用lava噴管喉部區(qū)域由于旋流和超音速產(chǎn)生的靜壓值低于拉法爾管擴(kuò)壓段出口處的靜壓值將氣體從laval拉法爾管擴(kuò)壓段出口處引射到噴管喉部及擴(kuò)張段內(nèi)而使含濕氣體自引射進(jìn)入回流管，形成外部回流循環(huán)，保證拉法爾管擴(kuò)壓段內(nèi)有較穩(wěn)定和均勻的流動(dòng)狀態(tài)。通過該回流可實(shí)現(xiàn)被分離的流體進(jìn)行二次旋流分離，而且回流的含濕氣體中含有部分小液滴可以作為凝結(jié)核心，實(shí)現(xiàn)了非均質(zhì)成核而縮短了成核時(shí)間而提高了液滴分離時(shí)間，從而進(jìn)一步提高了凝液的分離效率?；亓鹘Y(jié)構(gòu)同時(shí)也減小了進(jìn)入壓力恢復(fù)段的的流體流量，從而降低了形成激波的可能或降低了由于激波而造成的壓力損失。帶回流通道的軸流旋流發(fā)生器、帶回流通道的導(dǎo)流錐、回流管、以及回流管上的法蘭構(gòu)成一個(gè)整體，而且旋流發(fā)生器布置在漸縮段前的直管段上，不僅避免了布置在漸縮段內(nèi)壓力損失的缺點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于拆卸的目的。此外，本裝置的導(dǎo)流錐可沿軸線前后移動(dòng)，從而可以改變噴管喉部流通截面積和回流管的位置，從而適應(yīng)不同的操作工況，提高了設(shè)備的適用范圍。本裝置采用等徑環(huán)形排液間隙，在間隙需要較大的情況下避免了超音速拉法爾管擴(kuò)壓段內(nèi)激波的產(chǎn)生所引起的噴管內(nèi)靜溫升高，凝析液蒸發(fā)的現(xiàn)象，可以有效提高分離效率。高壓下，當(dāng)原料氣含水量較低時(shí)（水露點(diǎn)較低）而導(dǎo)致采用該設(shè)備得到的溫降使液體收率較低時(shí)，可以通過去除分離腔內(nèi)的過濾段或去除分離腔的方法來增加回流濕氣的含液量來提高設(shè)備的凝液收率；低壓下可以將分離腔內(nèi)的部分液體通過泵及霧化器打入回流管內(nèi)來增加進(jìn)料原料氣的含液量來提高設(shè)備的凝液收率，從而提高了該設(shè)備的適用范圍。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)在于：

1.本裝置利用含濕氣體在排液腔與帶回流通道的導(dǎo)流錐出口處間的壓差，使含濕氣體自引射進(jìn)入回流管，形成外部回流循環(huán)。該回流氣可以促進(jìn)拉法爾管擴(kuò)壓段內(nèi)的凝析過程并且可實(shí)現(xiàn)二次旋流分離，提高了超音速分離器的分離效率。

2.本裝置自引射回流至拉法爾管擴(kuò)壓段內(nèi)的含濕氣體中含有部分小液滴，其可以作為凝液成核所用的凝結(jié)核心，含濕氣體的冷凝相變可以發(fā)生在小液滴的表面，實(shí)現(xiàn)了非均質(zhì)成核，即凝結(jié)成液滴的過程在較低過飽和度下進(jìn)行。非均質(zhì)成核不僅縮短了成核時(shí)間而提高了液滴分離時(shí)間，而且得到的液滴尺寸一般大于均質(zhì)成核的液滴尺寸，從而進(jìn)一步提高了凝液的分離效率。

3.本裝置由于利用在排液腔與帶回流通道的導(dǎo)流錐出口處間的壓差，使含濕氣體自引射進(jìn)入回流管，實(shí)現(xiàn)了減小進(jìn)入壓力恢復(fù)段的的流體流量，從而降低了形成激波的可能或降低了由于激波而造成的壓力損失。

4.本裝置采用等徑環(huán)形排液間隙，在間隙需要較大的情況下避免了超音速拉法爾管擴(kuò)壓段內(nèi)激波的產(chǎn)生所引起的噴管內(nèi)靜溫升高，凝析液蒸發(fā)的現(xiàn)象，可以有效提高分離效率。

5.本裝置通過兩種方式將冷凝出來的液滴進(jìn)行分離：一是直接利用排液腔的排液口分離，二是隨著外循環(huán)氣的流動(dòng)攜帶進(jìn)入回流循環(huán)結(jié)構(gòu)中的分離腔，在分離腔的過濾段通過物理過濾完成部分凝析液的分離。這兩種方式的結(jié)合可以有效地提高分離效果。

6.帶回流通道的軸流旋流發(fā)生器、帶回流通道的導(dǎo)流錐、回流管、以及回流管上的法蘭構(gòu)成一個(gè)整體，而且旋流發(fā)生器布置在漸縮段前的直管段上，不僅避免了布置在漸縮段內(nèi)壓力損失的缺點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于拆卸的目的。

7.本裝置的導(dǎo)流錐可沿軸線前后移動(dòng)，從而可以改變噴管喉部流通截面積和回流管的位置，從而適應(yīng)不同的操作工況，提高了設(shè)備的適用范圍。

8.高壓下，當(dāng)原料氣含水量較低時(shí)（水露點(diǎn)較低）而導(dǎo)致采用該設(shè)備得到的溫降使液體收率較低時(shí)，可以通過去除分離腔內(nèi)的過濾段或去除分離腔的方法來增加回流濕氣的含液量來提高設(shè)備的凝液收率；低壓下可以將分離腔內(nèi)的部分液體通過泵及霧化器打入回流管內(nèi)來增加進(jìn)料原料氣的含液量來提高設(shè)備的凝液收率，從而提高了該設(shè)備的適用范圍。

9.本裝置設(shè)計(jì)了帶有切向開口和不帶切向開口的兩種導(dǎo)流錐。帶有切向開口的導(dǎo)流錐可以使回流至拉法爾管擴(kuò)壓段的流體切向進(jìn)入拉法爾管擴(kuò)壓段，從而降低了由于軸向進(jìn)入而導(dǎo)致的較大的阻力損失，該導(dǎo)流錐適用于低壓系統(tǒng)。而不帶切向開口的導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工，適用于高壓系統(tǒng)。

10.本裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易加工、成本低、免維護(hù)、可迅速開停車和環(huán)保的特點(diǎn)。不僅適用于常規(guī)天然氣的水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)的控制，而且適用于非常規(guī)氣田（頁(yè)巖氣、煤層氣、致密氣）等氣田的脫水脫烴。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

圖1是一種自引射循環(huán)回流超音速旋流分離器的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是圖1中的b放大圖。

圖3是圖1中的a-a剖視圖。

圖4是圖1中的c放大圖。

圖5是圖1中的d放大圖。

圖中：1、回流管，1a、回流通道，2、進(jìn)氣腔擋板，3、進(jìn)氣管，4、進(jìn)氣腔，5、旋流發(fā)生器，6、導(dǎo)流錐，7、拉法爾管漸縮段，8、拉法爾管擴(kuò)壓段，9、穩(wěn)定錐度段，10、噴管降速直段，11、壓力恢復(fù)段，12、排液腔，13、分離腔，14、過濾段，15、回流管法蘭，16、金屬墊片，17、連接螺釘，18、o型密封圈，19、軸流式導(dǎo)向葉片，20、金屬墊片，21、導(dǎo)流錐側(cè)向開口。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施方式如下，但不止這一種實(shí)施方式。

本發(fā)明自引射循環(huán)回流超音速旋流分離器包括回流管1、進(jìn)氣腔擋板2、進(jìn)氣管3、進(jìn)氣腔4、帶回流通道的軸流旋流發(fā)生器5、拉法爾管漸縮段7、拉法爾管擴(kuò)壓段8、穩(wěn)定錐度段9、噴管降速直段10、壓力恢復(fù)段11、排液腔12、分離腔13和過濾段14等主要部件組成。氣源供氣管和進(jìn)氣管3之間、進(jìn)氣腔擋板2和進(jìn)氣腔4之間、回流管1與旋流發(fā)生器5之間、拉法爾管漸縮段7和拉法爾管擴(kuò)壓段8之間、拉法爾管擴(kuò)壓段8和排液腔12之間、排液腔12和噴管降速直段10之間、噴管降速直段10和壓力恢復(fù)段11之間依次采用法蘭連接。其中焊接在回流管上的回流管法蘭15和進(jìn)氣腔擋板2通過連接螺釘17和金屬墊片16連接和固定在一起；帶回流通道的旋流發(fā)生器5放置在進(jìn)氣腔4內(nèi)，并與進(jìn)氣腔4之間采用間隙配合；帶回流通道的旋流發(fā)生器5與帶漸縮回流通道的導(dǎo)流錐6之間采用螺紋連接，且在螺紋連接結(jié)束的位置設(shè)置凸臺(tái)，用于導(dǎo)流錐6和旋流發(fā)生器5之間的徑向定位；噴管的穩(wěn)定錐度段9采用套筒的方式固定在排液腔12內(nèi)部，在排液腔12內(nèi)設(shè)置有固定擋板，用來固定和調(diào)節(jié)穩(wěn)定錐度段9的軸向位置。

本實(shí)施例中的回流管1、分離腔13以及過濾絲網(wǎng)，有效地將排液腔內(nèi)的液滴分離出來，同時(shí)將排液腔內(nèi)的濕氣過濾后再次進(jìn)入到拉法爾管擴(kuò)壓段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)濕氣的循環(huán)，很好地平衡了拉法爾管擴(kuò)壓段內(nèi)的壓力，避免在拉法爾管擴(kuò)壓段內(nèi)產(chǎn)生激波，適用于更加廣泛的操作條件，提高分離效率，降低壓力能的損失。

本裝置導(dǎo)流錐6的軸向左右移動(dòng)通過調(diào)節(jié)回流管上的法蘭15和進(jìn)氣腔擋板2之間的距離實(shí)現(xiàn)，在回流管法蘭15和進(jìn)氣腔擋板2的連接螺釘17上增加（或減少）金屬墊片16實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流錐向左（或向右）移動(dòng)，進(jìn)而改變噴管喉部截面積，使其適用于更加廣泛的工況條件。焊接在回流管1上的回流管法蘭15和進(jìn)氣腔擋板2之間采用徑向填料密封壁面氣體泄漏。

本裝置的穩(wěn)定錐度段9和噴管降速直段10加工成一個(gè)整體，排液間隙通過調(diào)節(jié)排液腔12和噴管降速直段10之間的軸向相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)，在排液腔12的內(nèi)部設(shè)置有帶通孔的擋板，在擋板與噴管降速直段10之間添加或減少金屬墊片20，實(shí)現(xiàn)排液間隙的增大或減少。

具體工作流程如下：首先含濕氣體通過裝置進(jìn)氣管3進(jìn)入到進(jìn)氣腔4內(nèi)，在旋流發(fā)生器5的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下進(jìn)入到旋流發(fā)生器的軸流式導(dǎo)向葉片19之間的流道內(nèi)，在軸流式導(dǎo)向葉片19的作用下，氣流產(chǎn)生一定切向速度和軸向速度，從旋流發(fā)生器5流出后進(jìn)入到拉法爾管漸縮段7和拉法爾管擴(kuò)壓段8內(nèi)，在拉法爾管擴(kuò)壓段8內(nèi)的低溫環(huán)境下，含濕氣體中的可凝組分開始冷凝，形成的液滴在強(qiáng)大的離心力作用下向噴管內(nèi)壁面運(yùn)動(dòng)；然后凝結(jié)液滴和部分氣體從排液口中流出，經(jīng)過排液腔12進(jìn)入到分離腔13內(nèi)，在分離腔13內(nèi)，部分液滴在重力作用下落到分離腔底部，其他液滴和氣體經(jīng)過過濾段14過濾后，通過回流管1和回流通道1a進(jìn)入到拉法爾管擴(kuò)壓段8內(nèi)，實(shí)現(xiàn)再次凈化和分離；最后，除去液滴的干氣經(jīng)過穩(wěn)定錐度段9和噴管降速直段10后進(jìn)入到壓力恢復(fù)段11內(nèi)，速度降低，溫度和壓力升高，最終從壓力恢復(fù)段11出口流出。

本發(fā)明裝置能夠?qū)崿F(xiàn)含濕氣體自引射循環(huán)分離的理論依據(jù)：本裝置主要是利用lava噴管喉部低壓將氣體從laval拉法爾管擴(kuò)壓段出口處引射到噴管喉部及擴(kuò)張段內(nèi)，其中噴管喉部區(qū)域的低壓主要由兩個(gè)因素引起的，其一是旋流產(chǎn)生的中心低壓；其二是超音速低壓，兩者相結(jié)合導(dǎo)致噴管喉部區(qū)域的靜壓值低于拉法爾管擴(kuò)壓段出口處的靜壓值。對(duì)于拉法爾管擴(kuò)壓段內(nèi)產(chǎn)生激波的情況，本發(fā)生裝置也能很好避免，自引射循環(huán)回路很好地均衡了拉法爾管擴(kuò)壓段出口處和喉部的壓力，保證拉法爾管擴(kuò)壓段內(nèi)有較穩(wěn)定和均勻的流動(dòng)狀態(tài)。