CN101259348B

CN101259348B - 一种气液固三相分离器

Info

Publication number: CN101259348B
Application number: CN2008100940261A
Authority: CN
Inventors: 蒋明虎; 刘扬; 赵立新; 李枫; 张勇
Original assignee: Northeast Petroleum University
Current assignee: Northeast Petroleum University
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2028-04-28
Also published as: CN101259348A

Abstract

一种气、液、固三相分离器。主要解决现有技术中采用重力沉降式设备进行气、液、固三相分离时存在的分离器体积大、内部结构复杂以及对高度离散在液体中的气体分离效果差等问题。其特征在于：所述分离筒内侧面中心位置固定有一个槌形体，底端面封闭，开有一根排砂管及一根排液管，此分离筒内底端由下向上依次固定连接排液段、集液段以及脱气锥，排气管由脱气锥起，贯穿脱气锥、集液段以及排液段的中心部分后引出分离筒外，所述排液段的上端与集液段连通，下端与排液管连通；上述脱气锥、集液段以及排液段的中心轴线均与所述槌形体的中心轴线重合，且脱气锥的顶端面与折流板之间不相触。具有分离效果好、体积小、制造及操作成本低等突出优点。

Description

一种气液固三相分离器

技术领域：

本发明涉及一种应用于石油、化工等领域中可实现气、液、固三相间高效分离的装置，具体的说是涉及一种旋流式气液固三相分离器。

背景技术：

目前，现有技术中对于气、液、固三相分离主要采用重力式沉降罐。经过长期应用，发现这种重力沉降式设备存在如下缺陷：首先，其体积较大，内部通常设置有堰板等组件，结构较为复杂。其次，由于这种重力沉降式设备是采用重力作用进行分离处理，因此具有处理时间长、工作不连续及占地面积庞大等突出的弊端。另外，这种重力沉降式气液固三相分离器的分离原理是利用介质间的密度差而进行离心分离的，对于密度差较大的介质，其分离效果相对就较好，相应的也就导致了对于高度离散在液体中的气体则很难分离。因此，如何改进气液固三相分离器的结构、改善气液固三相分离效果已成为油气田地面工程系统一个亟待解决的问题。

发明内容：

为了解决现有技术中采用重力沉降式设备进行气、液、固三相分离时存在的分离器体积大、内部结构复杂以及对高度离散在液体中的气体分离效果差等问题，本发明提出了一种新的气液固三相分离器，该种气液固三相分离器具有分离效率高、设备体积小、分离速度快、结构简单紧凑、制造及操作成本低等突出优点。

本发明的技术方案是：该种旋流气液分离器，主体部分为顶端带有对称切向入口管的分离筒，所述分离筒顶端面封闭，其内顶面中心位置固定有一个槌形体，此槌形体上部为倒锥形圆台形状的置顶锥，作为与分离筒内顶面的连接端，下部则为空心的锥形圆台形状的扩张段，两部分之间以折流板分隔。所述分离筒底端面封闭，沿切线方向.开有一根排砂管，沿中心轴线方向开有一根排液管，此分离筒内底端由下向上依次固定连接空心圆柱状的排液段、开有集液孔的集液段以及脱气锥。其中，集液段与脱气锥均为锥形圆台形状，两者具有相同.的锥角，排气管由脱气锥起，贯穿脱气锥、集液段以及排液段的中心部分后引出分离筒外，所述排液段的上端与集液段连通，下端与排液管连通。上述脱气锥、集液段以及排液段的中心轴线均与所述槌形体的中心轴线重合，且脱气锥的顶端面与折流板之间不相触。

本发明具有如下有益效果：采取上述方案后，同目前常用的气液固三相分离装置相比，其分离筒内由置顶锥和扩张段构成的槌形体结构，可以使聚集在置顶锥外壁的气体在后续进入的混合液的携带下，沿置顶锥外壁面向下运移，而这部分气体通常情况下则很难从其它分离器中排出；此外，置顶锥下面的扩张段可使后续混合介质向分离筒方向运动，避免对分离器内部已分离出气体的干扰；再次，经旋流分离出的气体，会含有部分液体，将沿脱气锥向上运动，至折流板时，由于密度差的存在，液体惯性势必大于气体，因此气体含水率将得到进一步降低，这部分气体反向进入脱气锥中心的排气管，之后排出；与此同时，分离筒中脱气锥下的集液段用于分离后液体的收集，并且采用分离器底部排液的方式，不会破坏分离器内部的流场；另外，排液段外侧的环形空间用于分离后固相的排出，会有少部分液相随固相一同排出，本分离筒采用切向排出的方式可增加分离器有效分离段的长度，因而可获得更高的分离效率。概括的说，本种气液固三相分离器具有分离效率高、设备体积小、操作维护方便等优点，将有效地解决油田生产实际中面临的三相分离设备成本高、占地大、处理过程不连续等难题。同时该结构也可实现油-气-水三相介质的高效分离。

附图说明：

图1是本种气液固三相分离器的结构示意图。

图2是本种气液固三相分离器的结构及工作原理示意图。

图3是图2的A-A剖面图。

图4是图2的B-B剖面图。

图5为带有渐缩面的本种气液固三相分离器的结构示意图。

图中1-入口管，2-分离筒，3-脱气锥，4-集液段，5-集液孔，6-排液段，7-渐缩面，8-排液管，9-排气管，10-排砂管，11-扩张段，12-折流板，13-置顶锥。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明中所述气、液、固三相分离器，其结构如图1所示，主体是一个顶端带有对称切向入口管1的分离筒2，所述分离筒2的顶端面封闭，其内顶面中心位置固定有一个槌形体，此槌形休上部为倒锥形圆台形状的置顶锥13，作为与分离筒内顶面的连接端，下部则为空心的锥形圆台形状的扩张段11，两部分之间以折流板12分隔。所述分离筒2底端面封闭，沿切线方向开有一根排砂管10，沿中心轴线方向开有一根排液管8，此分离筒2内底端由下向上依次固定连接空心圆柱状的排液段6、开有集液孔5的集液段4以及脱气锥3，其中，集液段4与脱气锥3均为锥形圆台形状，两者具有相同的锥角，排气管9由脱气锥3起，贯穿脱气锥3、集液段4以及排液段6的中心部分后引出分离筒外，所述排液段6的上端与集液段4连通，下端与排液管8连通。上述脱气锥3、集液段4以及排液段6的中心轴线均与所述槌形体的中心轴线重合，且脱气锥3的顶端面与折流板12之间不相触。

本种气液固三相分离器的分离原理是利用不互溶介质的密度差而进行离心分离的。气液固三相混合介质由双向的入口管1进入分离筒内，在压力作用下，介质在设备内部高速旋转，形成高速运动的涡流。分离器筒的置顶锥结构，可以使聚集在置顶锥外壁的气体在后续进入的混合介质的携带下，沿置顶锥的外壁面向下运移。置顶锥底端的扩张段可使后续混合介质向分离筒的方向运动，避免对分离筒内部已分离出气体的干扰。混合介质沿分离器下行的过程中，在离心力作用下，密度较重相——固液混合相被甩至分离筒的内壁。同时，密度较轻相——气体被挤至中心处，分离筒中的特殊内锥结构，使混合介质中的气体与脱气锥接触，有利于气体的析出与聚集，形成气体富集区。这部分气体，可能会含有部分液体，将沿脱气锥向上运动，至折流板时，由于密度差的存在，液体惯性势必大于气体，因此在折返时气体含水率得到进一步降低，这部分气体反向进入脱气锥中心的排气管，最终由分离器底部排出。固液混合相在向底部运动的过程中也存在固相和液相间的离心分离作用，液相靠内，即沿分离器中的脱气锥和集液段运动，固相则靠外，沿分离筒内壁运动。脱气锥下的集液段通过集液孔用于分离后液体的收集。集液段4上的集液孔5可以采用轴向上的两边孔径大、中间孔径小的方式。这是基于优化方案的考虑，具体理由为：在稍上端靠近脱气锥处，介质分离过程刚刚开始，如果孔径过大，可能会导致未被分离的部分固体介质进入；在下部如果孔径过大，会致使排液段外围附近被分离的固体介质由集液孔进入。因而为实现有效集液和防止固体介质的过量进入，采用中部孔径偏大、两端偏小的设计。本方案采用分离筒底部排液的方式，不会破坏分离筒内部的流场，使液体由排液管排出。排液段外侧的环形空间可用于分离后固相的运动，并最终由排砂管排出。排砂管的设计可采用切向通道的型式，目的在于可增加分离器有效分离段的长度，因而可获得更高的分离效率。本方案实现了分离后气、液、固三相的单独连续排出。

在分离器的内部结构设计中，除排气管以外，脱气锥可设计成环形空腔结构形式并和集液段之间采用隔板的形式隔开，或将脱气锥设计成中间穿过排气管的实体结构。集液段在圆柱形排液段上方，目的是保证排液段外围环形空间内流场的稳定性，保证固相的稳定运动和排出。排液段采用空腔结构设计，用于被分离和收集的液体的排出；另外排液段采用圆柱外形结构，利于保证外围环形空间内流场的相对稳定性。此外，排液段内的底部可设计成渐缩面7的结构形式，目的是与排液管的尺寸相适应。

普通结构旋流分离器的底部由于采用轴向出口设计，因而基本不起分离作用。而本种结构的分离器将固相出口置于底部，并采用切向排出的方式，这样既不破坏分离器内部的流场，又可以增加分离器有效分离段的长度，可以使气液固三相分离的效率得到提高。图2中标注了一些主要参数及尺寸，分别解释如下：

D_i——入口管当量直径，根据入口速度和流量来确定，一般保证速度在8～15m/s；

D_g—排气管直径，D_g＝(0.5～1.0)D_i；

D_s——排砂管直径，为避免排砂管处发生堵塞现象，D_s＝(1.2～1.5)D_i；

D_l——排液管直径，D_l＝(0.7～1.0)D_i；

D——分离筒主直径，根据所分离介质的物性参数及入口流量确定；

D_c——排液段直径，一般应D_c＝(0.2～0.6)D，且应保证(D-D_c)/2足够大，避免发生堵塞；

D——排液孔直径，一般为2～4mm左右，也可根据固体颗粒的大小适当加大d值，以防未被分离的固体颗粒进入时而发生堵塞。同时采用轴向上中部孔径偏大、两端孔径偏小的设计；

n——排液孔数，根据入口液体含量确定，各孔尽量交错均布排列。

l_o——置顶锥及扩张段总体长度，l_o＝(2～4)D_i，其中置顶锥和扩张段长度各占一半左右；

l_g——脱气锥长度，l_g＝(0.2～0.4)l，l为分离器总长，根据分离器主直径D确定，一般l＝(3～5)D；

l_l——集液段长度，l_l＝(0.2～0.3)l；

l_s——(3～5)D_s；

α——锥角，脱气锥与集液段锥角大小一致，一般为5～30度。

同目前常用的气液固三相分离器相比，本分离器中的脱气锥可以增加不易分离的气体的析出几率，提高脱气效率；这部分气体沿脱气锥向上运动，至折流板时，由于液体惯性势必大于气体，因此在折返时气体含水率得到进一步降低；分离器顶部的置顶锥结构有助于排除死角内的气体；置顶锥下部扩张段结构，可使后续不断进入的三相混合介质向分离筒方向运动，不对气体的运动造成干扰，同时可使被分离气体由折流板折返后而脱出的液体也向分离筒方向运动；脱气锥下部集液段用于被分离出的液体介质的收集，采用中部集液孔径偏大、两端孔径偏小的设计，可有效实现集液并防止固体介质过量进入的目的，并且采用分离器底部排液的方式，不会破坏分离器内部的流场；与此同时，底部的固相切向出口可以增加分离器有效分离段的长度，因而可获得更高的分离效率。此外，本分离器同其他气液固三相分离工艺及设备相比，具有设备体积小、占地面积小、工艺及操作简单、内部无运动部件等突出的优点。本分离器的应用范围很广，既可应用于化工行业及油田生产，又可应用于医药等其它领域，具有广阔的推广应用前景，并且本分离器也可实现油-气-水三相的高效分离。

总之，本方案自提出后，已通过大量试验证明了本种分离器具有分离效率高、设备体积小、分离速度快、结构简单紧凑等突出的优点，较好的解决了油气田地面工程系统中气液固三相分离的问题。

Claims

1.一种气液固三相分离器，包括顶端带有对称切向入口管(1)的分离筒(2)，其特征在于：

所述分离筒(2)顶端面封闭，其内顶面中心位置固定有一个槌形体，此槌形体上部为倒锥形圆台形状的置顶锥(13)，作为与分离筒内顶面的连接端，下部则为空心的锥形圆台形状的扩张段(11)，两部分之间以折流板(12)分隔；

所述分离筒(2)底端面封闭，沿切线方向开有一根排砂管(10)，沿中心轴线方向开有一根排液管(8)，此分离筒(2)内底端由下向上依次固定连接空心圆柱状的排液段(6)、开有集液孔(5)的集液段(4)以及脱气锥(3)，其中，集液段(4)与脱气锥(3)均为锥形圆台形状，两者具有相同的锥角，排气管(9)由脱气锥(3)起，贯穿脱气锥(3)、集液段(4)以及排液段(6)的中心部分后引出分离筒外，所述排液段(6)的上端与集液段(4)连通，下端与排液管(8)连通；

上述脱气锥(3)、集液段(4)以及排液段(6)的中心轴线均与所述槌形体的中心轴线重合，且脱气锥(3)的顶端面与折流板(12)之间不相触。

2.根据权利要求1所述的一种气液固三相分离器，其特征在于：所述集液孔(5)在集液段(4)上的分布方式为轴向上的中部孔径大，两端孔径小。

3.根据权利要求1或2所述的一种气液固三相分离器，其特征在于：排液段(6)内与排液管(8)连通的部分采用一个渐缩面(7)。