一种内置多管式超音速凝结-旋流-聚结过滤器的制作方法

1.本实用新型涉及气液两相流分离、天然气净化处理装置，特别涉及一种用于天然气气液分离的专用设备。


背景技术：

2.在天然气开采与集输工艺过程中经常出现游离液滴及蒸汽态的水、润滑油或其他烃类物质，随着输送距离的增加，游离液滴会不断沉积，温度与压力的状态变化也会使蒸汽态的水、润滑油或其他烃类物质发生相变而凝析成雾滴并最终团聚成大液滴而沉积下来。随着输气量的增加，沉积在管道中的液相日积月累越来越多，很容易形成断塞流，使管道输送截面积、有效输送能力降低，还会造成管道的腐蚀破坏。因此，天然气在长距离输送之前应经过有效气液分离，有效脱除其中游离态的液滴及容易相变凝析的各种蒸汽态组分。
3.现阶段，传统的气液分离设备通常由多台分离设备组合而成，这些设备对气液比以及流量的变化比较敏感，具有很大的重量，而且会占用很大的面积。常见的天然气气液分离设备大多为单级旋流式或旋流与过滤组合式。其中单级旋流式气液分离器对高含液天然气分离效果较差，而旋流与过滤组合式气液分离器虽然分离效果好，但是存在压降大、占地空间大等缺点。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种分离精度高、适应性强且结构紧凑的内置多管式超音速凝结-旋流-聚结过滤器。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是这样实现的：
6.本实用新型的一种内置多管式超音速凝结-旋流-聚结过滤器，包括外壳，在所述的外壳内从下至上依次设置有旋流预分离模块、超音速喷管蒸汽凝结模块、多级导叶式雾滴旋流分离模块与聚结滤芯过滤模块，在所述的外壳内从下至上依次固定有下隔板、上隔板、第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板以及第四支撑板，所述的上隔板、下隔板、第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板以及第四支撑板的外壁与外壳的内壁形状吻合且沿圆周方向固定相连；
7.所述的旋流预分离模块包括一端和开在外壳底部的下排液口连通的排液通道，所述的上隔板和下隔板之间的外壳内的腔体构成积液腔，在与所述的积液腔下部对应的外壳上开有积液排出口，在与积液腔对应处的外壳上设置的液位计，在所述的积液腔内安装有多支沿竖直方向设置的旋流管，每一支旋流管包括上部固定在上隔板上的第一旋流管筒体，所述的第一旋流管筒体的顶部进口与上隔板上对应设置的开口连通，所述的第一旋流管筒体的底部出口位于下隔板上方；在所述的第一旋流管筒体内上部安装有旋流管导向器，所述的上隔板和第一支撑板之间的外壳内的腔体构成进气腔，沿竖直方向设置的下升气管的底部固定在所述的上隔板中间且与开在上隔板中间的下升气孔连通，所述的下升气管的顶部固定在第一支撑板的中间且与开在第一支撑板中间的上升气孔连通，在与进气腔
下部对应的外壳上开有进气入口，分离器入口通道与进气入口连通；
8.所述的第一支撑板与第二支撑板之间的外壳内的腔体构成喷管入口腔，所述的超音速喷管蒸汽凝结模块包括多个沿竖直方向设置的喷管，在所述的第二支撑板上开有与多个喷管一一对应设置的安装孔，所述的安装孔环套固定在喷管的中间部位，所述的多个喷管为拉瓦尔喷管形状，单个超音速喷管段从下至上依次由渐缩段、喉部、渐扩段和直线段构成；
9.所述的多级导叶式雾滴旋流分离模块包括顶部穿过开在第三支撑板顶部中间的连接孔设置的上升气管，所述的上升气管沿竖直方向设置且固定在第三支撑板上，一个环锥台形状的分离锥的开口小端的顶壁与上升气管的底部进口底壁固定相连，集液腔的顶壁与分离锥的底部开口大端的底壁固定相连，中间排液管穿过外壳且与进口开在集液腔底壁上的液体出口连通，所述的集液腔位于多个喷管上方；
10.沿竖直方向设置的多支导叶式旋流管沿上升气管外圆周方向均布，每支导叶式旋流管包括第二旋流管筒体，在所述的第二旋流管筒体内顶部入口、下部出口处分别安装有第一级导向器、第二级导向器，所述的第二旋流管筒体底部固定在分离锥上并与分离锥相通，第二旋流管筒体的外壁通过支撑杆固定在上升气管外壁上；
11.所述的旋流管导向器、第一级导向器和第二级导向器均包括中间柱体，在所述的中间柱体的中间处的侧壁上沿圆周方向均匀连接有多个导向叶片，所述的多个导向叶片的上部为竖直板且下部为弧形板；
12.在所述的第三支撑板和第四支撑板之间的外壳内的腔体构成顶部排液腔，所述的聚结滤芯过滤模块包括多个下部与开在第四支撑板上的安装孔固定相连的聚结滤芯，所述的聚结滤芯沿竖直方向设置，在与所述的聚结滤芯上部出口对应位置处的外壳上开有顶部排气口，所述的第四支撑板至安装在外壳顶部的分离器的端盖之间的外壳内的腔体部分为排气腔；在与顶部排液腔下部对应的外壳上开有上排液口，在与排气腔对应的外壳上开有顶部排气口。
13.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
14.(1)分离精度高，对天然气处理量的适应范围宽，尤其是对高含液的入口条件，通过预处理模块，能够保证最后的聚结滤芯始终处于最佳的操作条件，实现整台设备的长周期运行；
15.(2)在一台设备内连续实现旋流分离、相变凝结与聚结过滤多个功能，对所处理的天然气含有的液相和气相组分组成分布适应性强；
16.(3)结构紧凑，四个模块沿高度方向合理布置在一台分离器内部空间，占地面积小，适合于海上油气生产平台应用。
附图说明
17.图1为本实用新型所提供的内置多管式超音速凝结-旋流-聚结过滤器的剖视结构示意图；
18.图2为本实用新型所提供的预分离模块直流导叶式旋流管结构图；
19.图3为本实用新型所提供的预分离模块直流导叶式旋流管导向器结构图；
20.图4为本实用新型所提供的超音速凝结模块喷管结构图；
21.图5
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1为本实用新型所提供的多级导叶式雾滴旋流分离模块结构图；
22.图5-2为图5-1所示的结构中的a-a剖视图；
23.图6为本实用新型所提供的多级导叶式雾滴旋流分离模块直流导叶式旋流管结构图；
24.图7为本实用新型所提供的多级导叶式雾滴旋流分离模块第一级导向器示意图；
25.图8为本实用新型所提供的多级导叶式雾滴旋流分离模块第二级导向器示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本实用新型具体实施方式作进一步说明。
27.如图1所示，根据本实用新型提出的内置多管式超音速凝结-旋流-聚结过滤器，包括外壳，在所述的外壳内从下至上依次设置有旋流预分离模块、超音速喷管蒸汽凝结模块、多级导叶式雾滴旋流分离模块与聚结滤芯过滤模块，在所述的外壳内从下至上依次固定有下隔板、上隔板、第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板以及第四支撑板，所述的上隔板、下隔板、第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板以及第四支撑板的外壁与外壳的内壁形状吻合且沿圆周方向固定相连。
28.如图1、图2、图3所示，旋流预分离模块包括一端和开在外壳底部的下排液口连通的排液通道5，所述的上隔板和下隔板之间的外壳内的腔体构成积液腔4。在与所述的积液腔4下部对应的外壳上开有积液排出口，在与积液腔4对应处的外壳上设置的液位计，在所述的积液腔4内安装有多支沿竖直方向设置的旋流管，每一支旋流管包括上部固定在上隔板上的第一旋流管筒体3-1，所述的第一旋流管筒体的顶部进口与上隔板上对应设置的开口连通，所述的第一旋流管筒体的底部出口位于下隔板上方；在所述的第一旋流管筒体内上部安装有旋流管导向器3-2。所述的上隔板和第一支撑板之间的外壳内的腔体构成进气腔2，沿竖直方向设置的下升气管6的底部固定在所述的上隔板中间且与开在上隔板中间的下升气孔连通，所述的下升气管6的顶部固定在第一支撑板的中间且与开在第一支撑板中间的上升气孔连通，在与进气腔下部对应的外壳上开有进气入口，分离器入口通道1与进气入口连通。
29.需要处理的天然气由分离器入口通道进入到进气腔2内，平均分配到每一支旋流管内，由于旋流管导向器3-2的导向叶片所形成的转向流道，将直线流动的气流转向成强旋转气流，在离心力的作用下将天然气中所含的游离态液滴进行气液旋流分离。被分离出来的液滴在下行气流及重力的作用下沿旋流管筒体3-1内壁形成液膜向出口流动，最后排入积液腔4，根据液位计显示的液位高低进行排液操作。经各旋流管初步净化后的天然气汇集到下升气管6，由下升气管向上流出旋流预分离模块，进入超音速喷管蒸汽凝结模块的喷管入口腔7。
30.如图1、图4所示，所述的第一支撑板与第二支撑板之间的外壳内的腔体构成喷管入口腔7，所述的超音速喷管蒸汽凝结模块包括多个沿竖直方向设置的喷管8，在所述的第二支撑板上开有与多个喷管8一一对应设置的安装孔，所述的安装孔环套固定在喷管8的中间部位，所述的多个喷管8为拉瓦尔喷管形状，单个超音速喷管段从下至上依次由渐缩段ab、喉部bc、渐扩段cd和直线段de构成。图4中o点为拉瓦尔喷管入口端的中点，ox为拉瓦尔喷管的对称轴，oy为过o点垂直于ox的线段。
31.所述拉瓦尔喷管通过气流流通截面的减少来实现气流速度的升高，喉部为最小直径处，即气流速度达到最高的部位。从入口端收缩到喉部为渐缩段，优选的，所述渐缩段的边界线方程为：
[0032][0033]
式中：r
cr
为喉部半径，mm；r1为超音速喷管入口半径，mm，l为超音速喷管渐缩段长度，mm。所述渐扩段的设计曲线为最常见的特征线法。
[0034]
喷管入口腔内的气流分配到喷管内，由于经特殊设计的喷管流道截面变化，迫使气流速度急剧升高，温度降低，直至低于气相组分的凝点，将气相中的润滑油蒸汽、水及各类烃类组分蒸汽冷凝成雾滴后随气流一起排出。优选的多个喷管8沿同一圆周方向均布，可以保证每个喷管进气均匀，总体达到最佳的冷凝与分离性能。
[0035]
如图1、图5所示，多级导叶式雾滴旋流分离模块包括顶部穿过开在第三支撑板15顶部中间的连接孔设置的上升气管13，所述的上升气管13沿竖直方向设置且固定在第三支撑板上，一个环锥台形状的分离锥9的开口小端的顶壁与上升气管13的底部进口底壁固定相连，集液腔11的顶壁与分离锥9的底部开口大端的底壁固定相连，所述的集液腔11优选的为半球形，容积大，盛液量多，且下部气流的绕流阻力小，中间排液管12穿过外壳且与进口开在集液腔11底壁上的液体出口连通，所述的集液腔11位于多个喷管8上方。
[0036]
沿竖直方向设置的多支导叶式旋流管10沿上升气管13外圆周方向均布，每支导叶式旋流管包括第二旋流管筒体10-1，在所述的第二旋流管筒体内顶部入口、下部出口处分别安装有第一级导向器10-2、第二级导向器10-3，所述的第二旋流管筒体10-1底部固定在分离锥9上并与分离锥相通，第二旋流管筒体的外壁通过支撑杆14固定在上升气管13外壁上，这样多支旋流管与分离锥、集液腔及上升气管连接成一个整体，并通过上升气管固定在第三支撑板15上。从超音速喷管蒸汽凝结模块排出的上行气流继续向上流动，直到第三支撑板15后发生180
°
转向进入各旋流管10中，在旋流管中旋转气流顺重力场进行气液分离并入积液腔，达到一定液量后由中间排液管12排出分离器。气液分离后的天然气通过上升气管13排出多级导叶式雾滴旋流分离模块进入聚结滤芯过滤模块。
[0037]
所述的旋流管导向器3-2、第一级导向器10-2和第二级导向器10-3均包括中间柱体，在所述的中间柱体的中间处的侧壁上沿圆周方向均匀连接有多个导向叶片，所述的多个导向叶片的上部为竖直板且下部为弧形板，优选的旋流管导向器3-2包括6个导向叶片，每个导向叶片的弧形板的出口角(如图示，即导向叶片出口外缘曲线的切线与导向叶片入口直边的夹角)为42
°
，第一级导向器和第二级导向器均包括8个导向叶片，其中第一级导向器的导向叶片的弧形板的出口角为42
°
，第二级导向器的导向叶片的弧形板的出口角为55
°
。第一级导向器的底部和第二级导向器顶部之间的距离d为旋流管总长l的1/2，这样在整个旋流管的长度范围内保证含液气流能够持续、稳定的被导向器被加速旋转，有利于液滴的离心分离。
[0038]
优选的中间柱体的顶部和底部为子弹头形，可以降低流动阻力。
[0039]
如图5、图6、图7及图8所示：通过第一级导向器10-2的作用产生强旋流将雾滴甩向壁面形成液膜，在旋转气流与重力的联合作用下通过第二级导向器10-3形成大液滴，再被分离到底部的分离锥与集液腔中。
[0040]
如图1所示，在所述的第三支撑板和第四支撑板之间的外壳内的腔体构成顶部排液腔，所述的聚结滤芯过滤模块包括多个下部与开在第四支撑板上的安装孔固定相连的聚结滤芯16，所述的聚结滤芯沿竖直方向设置，所述的聚结滤芯16市场有售(聚结滤芯16选用当前工业应用的成型产品)，在与所述的聚结滤芯16上部出口对应位置处的外壳上开有顶部排气口，所述的第四支撑板至安装在外壳顶部的分离器的端盖之间的外壳内的腔体部分为排气腔19，图1最上部是分离器的端盖，采用快开盲板，工业定型产品。
[0041]
在与顶部排液腔下部对应的外壳上开有上排液口17。在与排气腔19对应的外壳上开有顶部排气口18。
[0042]
从多级导叶式雾滴旋流分离模块排出的天然气中仍会夹带少量微小液滴，采用多支并联的聚结滤芯16聚结滤芯进行捕集分离。捕集下来的液体由上排液口17上排液口排出分离器，净化达标后的天然气汇集到排气腔19，最后通过顶部排气口18排出分离器。

技术特征：
1.一种内置多管式超音速凝结-旋流-聚结过滤器，包括外壳，其特征在于：在所述的外壳内从下至上依次设置有旋流预分离模块、超音速喷管蒸汽凝结模块、多级导叶式雾滴旋流分离模块与聚结滤芯过滤模块，在所述的外壳内从下至上依次固定有下隔板、上隔板、第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板以及第四支撑板，所述的上隔板、下隔板、第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板以及第四支撑板的外壁与外壳的内壁形状吻合且沿圆周方向固定相连；所述的旋流预分离模块包括一端和开在外壳底部的下排液口连通的排液通道(5)，所述的上隔板和下隔板之间的外壳内的腔体构成积液腔(4)，在与所述的积液腔下部对应的外壳上开有积液排出口，在与积液腔对应处的外壳上设置的液位计，在所述的积液腔内安装有多支沿竖直方向设置的旋流管，每一支旋流管包括上部固定在上隔板上的第一旋流管筒体(3-1)，所述的第一旋流管筒体的顶部进口与上隔板上对应设置的开口连通，所述的第一旋流管筒体的底部出口位于下隔板上方；在所述的第一旋流管筒体内上部安装有旋流管导向器(3-2)，所述的上隔板和第一支撑板之间的外壳内的腔体构成进气腔(2)，沿竖直方向设置的下升气管(6)的底部固定在所述的上隔板中间且与开在上隔板中间的下升气孔连通，所述的下升气管的顶部固定在第一支撑板的中间且与开在第一支撑板中间的上升气孔连通，在与进气腔下部对应的外壳上开有进气入口，分离器入口通道(1)与进气入口连通；所述的第一支撑板与第二支撑板之间的外壳内的腔体构成喷管入口腔(7)，所述的超音速喷管蒸汽凝结模块包括多个沿竖直方向设置的喷管(8)，在所述的第二支撑板上开有与多个喷管一一对应设置的安装孔，所述的安装孔环套固定在喷管的中间部位，所述的多个喷管为拉瓦尔喷管形状，单个超音速喷管段从下至上依次由渐缩段、喉部、渐扩段和直线段构成；所述的多级导叶式雾滴旋流分离模块包括顶部穿过开在第三支撑板(15)顶部中间的连接孔设置的上升气管(13)，所述的上升气管沿竖直方向设置且固定在第三支撑板上，一个环锥台形状的分离锥(9)的开口小端的顶壁与上升气管的底部进口底壁固定相连，集液腔(11)的顶壁与分离锥的底部开口大端的底壁固定相连，中间排液管(12)穿过外壳且与进口开在集液腔底壁上的液体出口连通，所述的集液腔位于多个喷管上方；沿竖直方向设置的多支导叶式旋流管(10)沿上升气管(13)外圆周方向均布，每支导叶式旋流管包括第二旋流管筒体(10-1)，在所述的第二旋流管筒体内顶部入口、下部出口处分别安装有第一级导向器(10-2)、第二级导向器(10-3)，所述的第二旋流管筒体底部固定在分离锥上并与分离锥相通，第二旋流管筒体的外壁通过支撑杆(14)固定在上升气管外壁上；所述的旋流管导向器、第一级导向器和第二级导向器均包括中间柱体，在所述的中间柱体的中间处的侧壁上沿圆周方向均匀连接有多个导向叶片，所述的多个导向叶片的上部为竖直板且下部为弧形板；在所述的第三支撑板和第四支撑板之间的外壳内的腔体构成顶部排液腔，所述的聚结滤芯过滤模块包括多个下部与开在第四支撑板上的安装孔固定相连的聚结滤芯(16)，所述的聚结滤芯沿竖直方向设置，在与所述的聚结滤芯上部出口对应位置处的外壳上开有顶部排气口，所述的第四支撑板至安装在外壳顶部的分离器的端盖之间的外壳内的腔体部分为排气腔(19)；在与顶部排液腔下部对应的外壳上开有上排液口(17)，在与排气腔对应的外
壳上开有顶部排气口(18)。2.根据权利要求1所述的内置多管式超音速凝结-旋流-聚结过滤器，其特征在于：所述渐缩段的边界线方程为：式中：r
cr
为喉部半径；r1为超音速喷管入口半径，l为超音速喷管渐缩段长度。3.根据权利要求1或者2所述的内置多管式超音速凝结-旋流-聚结过滤器，其特征在于：多个喷管沿同一圆周方向均布。4.根据权利要求3所述的内置多管式超音速凝结-旋流-聚结过滤器，其特征在于：所述的集液腔为半球形。5.根据权利要求4所述的内置多管式超音速凝结-旋流-聚结过滤器，其特征在于：所述的旋流管导向器包括6个导向叶片，每个导向叶片的弧形板的出口角为42
°
，第一级导向器和第二级导向器均包括8个导向叶片，其中第一级导向器的导向叶片的弧形板的出口角为42
°
，第二级导向器的导向叶片的弧形板的出口角为55
°
，第一级导向器的底部和第二级导向器顶部之间的距离d为旋流管总长l的1/2。6.根据权利要求5所述的内置多管式超音速凝结-旋流-聚结过滤器，其特征在于：所述的中间柱体的顶部和底部为子弹头形。

技术总结
本实用新型公开了一种内置多管式超音速凝结-旋流-聚结过滤器，包括外壳，在所述的外壳内从下至上依次设置有旋流预分离模块、超音速喷管蒸汽凝结模块、多级导叶式雾滴旋流分离模块与聚结滤芯过滤模块；本过滤器不仅可以分离天然气中携带的游离态液滴，还可以通过相变凝结的方式将天然气中所含润滑油蒸汽、烃类及水蒸汽进行深度脱除，采用多管并联方式，具有操作弹性大，分离效率高的特点。分离效率高的特点。分离效率高的特点。


技术研发人员：谢云霞 王英 李成志 贺海龙 王冠 庞日敏 苟志勇 刘维康 王海潮 赖彦 蒲海燕
受保护的技术使用者：中海油能源发展股份有限公司
技术研发日：2022.12.27
技术公布日：2023/8/17