斜流压力交换气体冷凝分离装置与方法与流程

本发明属于气体膨胀制冷与冷凝分离技术领域，涉及一种斜流压力交换气体冷凝分离装置与方法。

背景技术：

常用的气体低温分离工艺是利用压力气体自身压力能膨胀制冷，使其中的重组分冷凝为液体，然后进行气液分离。该工艺广泛应用于天然气脱水和轻烃回收领域。

目前气液分离装置主要有两大类，一类是超音速气体旋流分离器，利用拉法尔管结构特点，先使压力气体膨胀产生低温，再利用旋流技术直接分离冷凝液滴，最后在拉法尔管扩压段中实现压力恢复。如专利超声速气体旋流冷凝分离装置(CN200910229905)、专利一种可变截面管式超音速冷凝旋流器(CN201220322346)、专利锥芯式超音速冷凝旋流分离器(CN200810011258.6)等。另一类是利用外部气体膨胀设备获得冷源，使气体重组分冷凝为液体，利用分离器结构特点进行液滴分离。如专利高效冷凝分离器(201420105350)、专利气液冷凝分离器(201520613095)等。外部气体膨胀制冷设备有很多种，气波膨胀制冷技术具有结构简单，带液运行能力强等特点，在该领域具有巨大的优势。如专利气波制冷机(89213744.4)、专利外循环耗散式气波制冷机(CN200810011257.1)、轴流式自增压气波制冷装置以及制冷方法(CN201310076628)、径流式自增压气波制冷装置以及制冷方法(CN201310078579)等。

第一类超音速气体旋流分离器具有结构简单，无转动件，制冷与分离一体的特点。但是该方法的制冷温降与制冷效率相对较低，拉法尔管内部产生低温冷源没有得到充分利用，而在拉法尔管扩压段被重新加热。

第二类分离器，外部气体膨胀制冷设备的温降与效率直接影响系统的冷凝效果。传统气波膨胀制冷技术，膨胀后脱湿气体的压力能不能恢复，轴流式自增压气波制冷装置以及制冷方法中间获得冷源也没有得到回收。除此以外，双开口振荡管槽道内存在气体冷凝组分液排液不净问题，严重影响气波制冷的效率。

技术实现要素：

本发明获得一种借助双开口振荡管自身进行压力交换增压，恢复脱湿干气压力能，利用脱湿干气具有的冷量预冷高压进气获得更低制冷温度的斜流压力交换气体冷凝分离装置与方法。它是将高压含湿气体射入双开口振荡管中进行膨胀，析出冷凝液，在分离装置中脱除冷凝液后进入换热器，将冷量传递给下一次入射的高压含湿气体后进入双开口振荡管的另一端，接受来自高压含湿气膨胀能量的气波压缩恢复压力能，排出双开口压力交换气波机。下一次入射的高压含湿气体通过换热器获得本次高压气体膨胀后的冷量，温度降低，膨胀后获得更低的冷凝温度。

利用转鼓倾斜槽道设计，解决了双开口振荡管槽道的排液问题，使制冷效率得到进一步的提升。

本发明的技术方案：

1.随着双开口振荡管的旋转，压力交换振荡管槽道左侧端口对位到左端固定的高压气喷嘴出口，槽道左开口接受高压射流，高压含湿气体在振荡管内膨胀降温，冷凝液析出，冷凝液在双开口压力交换气波机内部一次分离后进入外部分离器二次分离，分离后的低温气体进入换热器预冷下一次入射的高压含湿气体得到中温气体；双开口振荡管继续旋转，中温气体从双开口压力振荡管右侧进入，接受来自高压含湿气膨胀能量的气波压缩恢复压力能；双开口振荡管继续旋转，当压力交换振荡管槽道右端对位到右端固定的高温喷嘴出口时，压力恢复的脱湿干气排出系统；高压含湿气体经过换热器回收了上一次循环中高压气体膨胀产生的冷量，温度降低，膨胀后获得更低的制冷温度。随着双开口振荡管不断旋转，在其圆周排列的各个槽道中依次重复上述过程，在双开口振荡管各个槽道内顺序完成高压含湿气的膨胀做功制冷并排出，和换热后的中温干气被压缩恢复压力排出系统的过程。

2.为解决双开口振荡管内排液问题，进一步提高制冷效率，本发明斜流压力交换气体冷凝分离装置与方法中，采用了将双开口振荡管槽道倾斜加工的方法，即沿右端口向左端口的旋转半径逐渐增大，使得槽道中的凝液在离心力作用下，不断被甩向旋转半径大的左端口。保证了双开口振荡管内脱湿干气压力恢复过程中不会有液滴夹带。

本发明有益效果：本发明斜流压力交换气体冷凝分离装置与方法，由于利用双开口振荡管压力交换的特性，高效回收了高压含湿气体压力能，恢复了脱湿干气的压力能，克服了传统气波机将高压气体膨胀功耗散的缺陷，提高了高压含湿气体压力量的利用率，进而降低了系统膨胀压比，提高了双开口压力交换气波机制冷效率。

本发明采用倾斜双开口振荡管，可利用转鼓旋转时的离心力，连续地进行将振荡管槽道中不断冷凝的液滴甩向冷端口的分离脱出，提高了槽道中激波的压缩效率，进一步提高了双开口振荡管系统的压缩能效和制冷效率，同时保证了双开口振荡管内脱湿干气压力恢复过程中不会有液滴夹带。

本发明充分回收了高压含湿气体膨胀获得的低温，预冷下一循环入射的高压含湿气体，降低其温度，获得更低的中间膨胀冷凝温度。

附图说明

图1是本发明斜流压力交换气体冷凝分离装置与方法，其各个部件的连接关系流程图。

图2是本发明斜流压力交换气体冷凝分离装置与方法中，核心部件—双开口压力交换气波机结构简图。

图3是双开口压力交换气波机内部倾斜转鼓截面图。

图4是双开口压力交换气波机内部各个端口位置投影图。

图1中：1高压进气阀；2换热器；3高压进气喷嘴；

4双开口压力交换气波机；5干气排气腔；6干气排气阀；7中温回气腔；

8低温排气腔；9气液分离器；10排液阀；11驱动电机；12联轴器；

13主轴；14高压支撑板；15分离叶片；16斜通道双开口转鼓；

17高温喷嘴调节板；18高温喷嘴；19高温支撑板；20引风扩压器；

21引风叶轮；22引风通道；23一次分离排液口；24高压喷嘴调节板；

25轴承；26倾斜槽道；27分隔板。

具体实施方式

本发明斜流压力交换气体冷凝分离装置与方法，其一是种典型的实施方式描述如下，但不只局限于此种实施方式：

斜流压力交换气体冷凝分离装置与方法，该斜流压力交换气体冷凝分离装置包括高压进气阀1、换热器2、高压进气喷嘴3、双开口压力交换气波机4、干气排气腔5、干气排气阀6、中温回气腔7、低温排气腔8、气液分离器9、排液阀10；双开口压力交换气波机4右端有两个接口，分别为干气排气腔5和中温回气腔7，左端有两个接口，分别为高压进气喷嘴3和低温排气腔8；换热器2管层左端连接高压进气阀，右端连接高压进气喷嘴3；低温排气腔8依次经过气液分离器9、换热器2壳层后与中温回气腔7连接；干气排气腔5与干气排气阀6连接；气液分离器9与排液阀10连接；

双开口压力交换气波机4是整套装置的核心部件，包括高压进气喷嘴3、高压支撑板14、分离叶片15、斜通道双开口转鼓16、高温喷嘴调节板17、高温喷嘴18、高温支撑板19、引风扩压器20、引风叶轮21、引风通道22、一次分离排液口23、高压喷嘴调节板24；其中，高压支撑板14上安装固定高压进气喷嘴3，高压进气喷嘴3上安装固定高压喷嘴调节板24；高温支撑板19上安装固定高温喷嘴18，高温喷嘴18上安装固定高温喷嘴调节板17；

驱动电机11驱动联轴器12带动主轴13、斜通道双开口转鼓16与分离叶片15以固定速度旋转；斜通道双开口转鼓16内部具有多个与轴向固定夹角、四周封闭两端开口的倾斜槽道26；当斜通道双开口转鼓16左侧与高压喷嘴调节板24右侧接通时，从高压进气喷嘴3出来的高压含湿气体通过高压调节板24进入斜通道双开口转鼓16的倾斜槽道26内膨胀，膨胀后的带液低温气体经过分离叶片15后，大部分冷凝液滴从一次分离排液口23排出，低温气体夹带少量液滴从低温排气腔8排出双开口压力交换气波机4后进入外部气液分离器9再一次分离，冷凝液从排液阀10排出；脱湿的冷气进入换热器2将冷量传递给高压含湿进气，即预冷高压含湿气体。脱湿冷气换热后成为中温气体从中温回气腔7重新进入双开口压力交换气波机4。

斜通道双开口振荡管转鼓15继续旋转，当中温回气腔7与斜通道双开口转鼓16右侧接通时，通过内置引风装置，采用引风扩压器20、引风叶轮21组合方式，在双开口压力交换气波机4内部实现引风；引风扩压器20、引风叶轮21将中温气体从中温回气腔7引入引风通道22，同时提供推动力将槽道26中上一次循环的低温气体从低温排气腔8排出；斜通道双开口振荡管转鼓15继续旋转，当中温气体充满槽道25后，斜通道双开口转鼓16左侧与高压喷嘴调节板24右侧再次接通，将预冷的高压含湿气体射入至槽道25，中温干气接受来自高压含湿气膨胀能量的气波压缩恢复压力能；斜通道双开口转鼓16继续旋转，当斜通道双开口转鼓16右侧与高温喷嘴调节板17接通时，压力恢复的干气通过高温喷嘴调节板17、高温喷嘴18以及干气排气腔5排出系统。至此完成斜流压力交换气体冷凝分离过程。

所述的槽道26从右端口向左端口的旋转半径逐渐增大，使得槽道26中的凝液在离心力作用下，不断被甩向旋转半径大的左端口，连续地将槽道26中不断冷凝的液滴甩向冷端口并分离脱出；每条槽道26都与主轴13呈相同的倾角，倾角角度为0°～90°。

所述的槽道26周边封闭，两端开口，通道截面呈楔形、扇形或圆形；各槽道26在斜通道双开口振荡管转鼓16内通过分隔板27分隔，分隔板27厚度0.1mm-10mm。

将所述的内置引风装置替换为外置引风装置，在中温气体进入双开口压力交换气波机4中温回气腔7之前增加风机装置实现外置引风。

为满足高压含湿气体按照一定时差进入斜通道双开口转鼓16、恢复压力的干气按照一定时差从高温喷嘴调节板17、高温喷嘴18排出以及低温带液气体无温度损失的排出低温排气腔8，高压喷嘴调节板24、高压进气喷嘴3组合件与高温调节板17、高温喷嘴18组合件在斜通道双开口转鼓16各自一侧中径处满足五个关系，即高压进气喷嘴3的弧长a与其所在斜通道双开口转鼓16中径周长比0.1～0.5；低温排出腔8的开口弧长d与其所在斜通道双开口转鼓16中径周长之比0.5～0.9；高温喷嘴18的弧长b与其所在斜通道双开口转鼓16中径周长之比0.1～0.5；中温回气腔7的开口弧长c与其所在斜通道双开口振荡管转鼓16中径周长比0.5～0.9；高压进气喷嘴3中心线与高温喷嘴18中心线在环向最小夹角Θ为0°～180°。