CN104338346B - 流体输配系统及其多相分离器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流体输配系统及其多相分离器，该多相分离器包括：壳体，为圆柱形的空腔结构，且壳体的顶部中心区域设有气体出口，壳体的底部中心区域设有液体出口；进口，位于壳体的中部，内壁为涡流型流道；倒锥，为圆锥台形的筒体结构，上端和气体出口连接，下端的位置高于进口的高度；多层塔锥，为柱状的空腔结构，设于液体出口上方，且与液体出口连通，且多层塔锥外侧面的顶部呈圆锥形、中部为上下层叠的多层圆锥台结构，进口的高度高于多层塔锥的顶部；排液孔，均布于多层塔锥的圆锥形顶部的底面边缘、中部的每一层圆锥台结构的底面边缘。本发明可以分离出低温液体中夹带的气体和固体颗粒，输出的是纯相的低温液体。

Description

流体输配系统及其多相分离器

技术领域

本发明涉及多相流体分离技术领域，特别涉及一种用于分离多相流体的多相分离器及具有该多相分离器的流体输配系统。

背景技术

随着科学技术的发展，低温技术的应用领域得到了大幅的拓展，其中，低温液体的输配是实现低温液体应用中必不可少的环节，其安全、高效运行对于整个低温应用系统至关重要。对于低温液体输配系统，由于输配的低温液体和周围环境存在较大的温差，尽管系统中的槽车、管路、阀门等所有管路和设备都做了相应的保温，但是仍然不可避免的存在漏热。这部分漏热传递给低温液体后，必然引起部分低温液体产生温升，使低温液体气化，导致低温液体输配系统中携带了气体；另外，当低温液体输配系统采用自增压或者充气增压方式输出低温液体时，系统中夹带的气体会大幅增加。低温液体输配系统中若夹带气体，必将使得低温液体的有效输送量大幅减小，输配效率降低，输配能耗增大；更为严重的是，系统中由于气体的存在，在输送过程中可能出现气塞现象，使得输配管路的液体段压力升高，从而给系统安全带来隐患；如果进入低温液体泵的是气液混合流，势必会发生气蚀现象，损坏低温液体泵。

在使用低温液体容器前，需排尽容器中的在工作温度下被冷冻的气体或有害气体。为了达到上述目的，常采用吹除和置换的方法。置换时也只是通过稀释空气，保证剩余空气的含量降至安全范围，故容器中仍然残留了一定量的空气。当容器中充入低温液体时，残留的在工作温度以下可被冷冻的气体将变为固体颗粒（如液氢容器中充入液氢以后残留的空气将变为空气固体颗粒，即固空颗粒）。这些固体颗粒存在于低温液体输配系统中时，随液体夹带进入管道、阀门、低温液体泵等，会在管路、阀门、低温液体泵等处沉积，造成系统压力不稳，严重时会堵塞管路、阀门、低温液体泵等设备，导致低温液体输配系统无法正常运行；另外，固体颗粒进入低温液体泵则会对泵体产生磨损，缩短液体泵的实用寿命。

为了保证低温液体输配系统能安全、可靠、高效运行，当低温液体中夹带气体、固体颗粒时需对其进行分离，把气体、固体颗粒从低温液体中分离出来。

目前，有关三相分离技术的应用多在原油开采领域中对油田伴生气及油砂的分离。常规的油田伴生气及油砂的分离设备为沉降式分离器，但该分离设备投资大、运行费用高。旋流分离器是一种高效的分离设备，它借助离心力的作用，将具有一定密度差的介质进行分离。旋流分离器具有结构简单、分离效率高、占地面积小、安装方便，运行费用低、使用方便灵活等优点，因此得到越来越多的关注。由于应用于原油开采工艺中的旋流分离设备是从原油中分离伴生气、泥沙等杂质，而原油、伴生气、泥沙三者的密度差大，三者在旋流场中产生的离心力大小差异大，因而便于分离。

而低温流体输配系统中的气体、液体、固体颗粒之间的密度差较小，尤其是固体颗粒是微小细颗粒，和低温液体的密度差较小，单纯借助离心力难以有效分离，所以若把应用于原油开采工艺中的旋流分离器应用于低温流体输配系统中明显不合理、分离效率不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多相分离器，以解决目前单纯借助离心力难以有效分离低温流体中固体颗粒及气体的问题。

本发明的另一目的在于提供一种具有上述多相分离器的低温流体输配系统。

为了解决上述问题，本发明提供一种低温流体输送用的多相分离器，其技术方案如下：

一种多相分离器，其包括：壳体，为圆柱形的空腔结构，且所述壳体的顶部中心区域设有气体出口，所述壳体的底部中心区域设有液体出口；进口，位于所述壳体的中部，用于输入多相流体，且所述进口内壁为涡流型流道，以使多相流体在所述壳体内形成旋流场；倒锥，为圆锥台形的筒体结构，上端和所述气体出口连接，下端的位置高于所述进口的高度；多层塔锥，为柱状的空腔结构，设于所述液体出口上方，且与所述液体出口连通，且所述多层塔锥外侧面的顶部呈圆锥形、中部为上下层叠的多层圆锥台结构，所述进口的高度高于所述多层塔锥的顶部；排液孔，均布于所述多层塔锥的圆锥形顶部的底面边缘、中部的每一层圆锥台结构的底面边缘。

优选地，在上述多相分离器中，所述壳体内壁下部设有螺旋槽，且所述螺旋槽的旋转方向与多相流体在所述壳体内形成旋流场的旋流方向一致。

优选地，在上述多相分离器中，所述倒锥下端向下延伸形成一圆筒状的气体入口。

优选地，在上述多相分离器中，所述倒锥的中部或上部沿圆周方向设有多个出液孔。

优选地，在上述多相分离器中，所述壳体的底部设有用于排出固体颗粒的排污口，所述排污口上设有排污阀。

优选地，在上述多相分离器中，所述多层塔锥的下部形成有一个与所述液体出口相连通的倒锥台形部，进入所述多层塔锥的液体通过该倒锥台形部进入所述液体出口。

为了解决上述问题，本发明提供一种流体输配系统，其技术方案如下：

一种流体输配系统，其包括：槽车，用于存储流体；多相分离器，为上述任一多项分离器，所述多相分离器的进口和所述槽车的出口连接；低温液体泵，和所述多相分离器的液体出口连接。

优选地，在上述流体输配系统中，在所述多相分离器和所述低温液体泵之间连接有缓冲罐。

分析可知，本发明针对低温流体同时存在气体、液体、固体颗粒，且三者之间的密度差较小、液体和固体颗粒不易分离的特点，提出一种多相分离器，其利用三相在相同流速下具有的不同离心力和惯性力，可同步实现分液、除去固体颗粒、除去气体，从而输出纯相的低温液体，具有该多相分离器的流体输配系统则可以大大提高低温液体输配系统的安全性和输配效率。尤其适用于工业、航空航天等领域的低温液体安全、高效输配。

附图说明

图1为本发明的流体输配系统实施例的原理结构示意图；

图2为图1所示实施例的多相分离器的结构示意图；

图3a、图3b分别为图2所示多相分离器的入口及涡流型流道的结构示意图；

图4为图2所示多相分离器的内壁设有螺旋槽的壳体的结构示意图；

图5a、图5b分别为图2所示多相分离器的倒锥及其上的出液孔的结构示意图；

图6为图2所示多相分离器的多层塔锥底部及其上排液孔的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的流体输配系统实施例包括槽车1、低温液体泵2、多相分离器3、缓冲罐4、排气阀6、排污阀7，为了更清楚的描述该实施例，图1还示出了需液设备5。

具体而言，在应用时，来自槽车1的流体，例如低温液体，夹带气体与固体颗粒，进入多相分离器3，在离心力和惯性力共同作用下，低温液体、气体、固体颗粒得以同步分离，分离出的气体从排气阀6排走，固体颗粒则通过排污阀7排走，分离出的纯相液体流入缓冲罐4，流速和压力得以稳定，再进入低温液体泵2，输配给需液设备5，从而完成了低温液体的输配过程。如槽车中没有固体颗粒或者无需除去固体颗粒，只需关闭排污阀7，多相分离器3即可做气液两相分离器使用。

为了能提供动力并保证多相分离器3进口流体所需的流速，保证分离效果，图1所示实施例配置了低温流体泵2，由于多相分离器3的液体出口16输出的低温流体流速较高，因此，多相分离器3与低温流体泵2之间设置有缓冲罐4，以保证稳定的为需液设备5输送低温液体。

图2示出了多相分离器3的结构，该多相分离器3包括壳体30、进口8、气体出口9、倒锥入口10、出液孔11、倒锥12、多层塔锥13、排液孔14、排污口15、液体出口16。

如图2、图4所示，壳体30为圆柱形的空腔结构，且壳体30的顶部中心区域设有气体出口9，壳体30的底部中心区域设有液体出口16，内壁的中下部则设有螺旋槽17。

如图2、图3a、图3b所示，进口8位于壳体30的中部，用于输入多相流体，且进口8内壁为涡流型流道，以使多相流体在壳体30内形成旋流场。进口8的入口流道采用涡流型流道，能使入口混合流体迅速形成稳定的旋流，导流能力强，使得多相分离器3内流场分布更加有序合理，提高了分离效率。

多相分离器3的混合液体进口8位于壳体30中下部，这样，混合液通过进口8初步分离形成旋涡后，部分液体以液滴的形式随气流向上运动产生气相夹带液滴的现象，进口8以上的高度足够高，可以借助重力把气体从液体与固体颗粒的混合液中分离出来，避免气相夹带液滴的现象，并且可以消除混合液的短路流和循环流。

如图2、图5a、图5b所示，倒锥12为圆锥台形的筒体结构，上端和气体出口9连接，下端向下延伸形成一圆筒状的倒锥入口10，且倒锥入口10的底端位置高于进口8的高度。

如图2、图6所示，多层塔锥13为柱状的空腔结构，设于液体出口16上方，且与液体出口16连通，且多层塔锥13外侧面的顶部呈圆锥形、中部为上下层叠的多层圆锥台结构，进口8的高度高于多层塔锥13的顶部。排液孔14均布于多层塔锥13的圆锥形顶部的底面边缘、中部的每一层圆锥台结构的底面边缘。

应用时，混合有固体颗粒、气体的低温气体从进口8经涡流型流道进入壳体30内，并形成旋流场。由于低温液体、气体、固体颗粒密度不同，使得各相所受离心力不同。固体颗粒、低温液体密度较大，所受离心力也大，被抛至壳体30内壁附近并在靠近壳体30内壁处边旋转边向下运动；气体则在壳体30中形成稳定的气核，并进入内涡流反向流中，沿轴线向上从倒锥入口10进入倒锥12内，气体中夹带的液滴在离心力作用下贴近倒锥12内壁，从出液孔11流出和由进口8输入的入口混合液混合，气体从气体出口9排走。固体颗粒和低温液体沿着螺旋槽17的流向旋转继续向下，多相分离器3下段为固体颗粒和低温液体的混合液，二者密度差引起的离心力使得固液逐渐分离，低温液体向中部流动，由于此固体颗粒是微小细颗粒，低温液体和固体颗粒密度差较小，因此分离并不彻底，液相中会夹带部分固体颗粒。在多层塔锥13的每层底部设有排液孔14，由于液体和固体颗粒以相同的流速沿着径向向多相分离器3的壳体30中心移动时，液体的惯性力小于固体颗粒的惯性力，因此液体的运动轨迹容易发生改变，液体改变流向后从每层塔锥底部的排液孔14排出；固体颗粒则和多层塔锥13的器壁碰撞后沿器壁下滑，再从侧下方的切向排污口15排出，从而完成低温液体和固体颗粒的充分分离。液体出口16则流出单相的纯液体，从而完成低温液体、气体、固体颗粒三相的同步分离。

另外，多层塔锥的层数可以根据要分离的液体的种类加以调整，而且，为了便于从液体出口16排出液体，在多层塔锥13的下部形成有一个内部中空的倒锥台形部（上部直径大于下部），倒锥台形部的内部空腔与液体出口16相接，而且为了增加倒锥台形部的强度，优选在该倒锥台形部的外侧形成有加强肋部（即图2中液体出口16上方的阴影线部）。

由于旋流场的边界层对细颗粒有较强的屏蔽作用，因此在壳体30内壁设置螺旋槽17，且螺旋槽17的旋转方向与旋流场旋流方向一致，以此来破坏边界层对细颗粒的屏蔽作用，进而提高分离效率。

再如图2、图5a、图5b所示，倒锥入口10直径比反向内涡流的外径稍大，以有效地排走分离出的气体。旋转气液混合流进入倒锥12的内腔后，使得旋流强度加强，在离心力作用下气液得以进一步分离，因液体所受离心力大，贴近倒锥12的锥壁，因此，倒锥12的中上部设有一圈出液孔11，分离出的液体从出液孔11流出，分离后的气体从与倒锥12顶端连接的气体出口9排出。

综上，本发明提出一种安全、高效的低温液体输配系统，特别提出一种多相分离器，分离出低温液体中夹带的气体和固体颗粒，从而使得系统输出的是纯相的低温液体，大大提高低温液体输配的安全性和输配效率。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (6)

1.一种多相分离器，其特征在于，包括：

壳体，为圆柱形的空腔结构，且所述壳体的顶部中心区域设有气体出口，所述壳体的底部中心区域设有液体出口；所述壳体内壁下部设有螺旋槽，且所述螺旋槽的旋转方向与多相流体在所述壳体内形成旋流场的旋流方向一致；所述壳体的底部设有用于排出固体颗粒的排污口，所述排污口上设有排污阀；

进口，位于所述壳体的中部，用于输入多相流体，且所述进口内壁为涡流型流道，以使多相流体在所述壳体内形成旋流场；

倒锥，为上小下大的圆锥台形的筒体结构，上端和所述气体出口连接，下端的位置高于所述进口的高度；

多层塔锥，为柱状的空腔结构，设于所述液体出口上方，且与所述液体出口连通，且所述多层塔锥外侧面的顶部呈圆锥形、中部为上下层叠的多层圆锥台结构，所述进口的高度高于所述多层塔锥的顶部；

排液孔，均布于所述多层塔锥的圆锥形顶部的底面边缘以及所述多层塔锥中部的每一层圆锥台结构的底面边缘。

2.根据权利要求1所述的多相分离器，其特征在于，所述倒锥下端向下延伸形成一圆筒状的气体入口。

3.根据权利要求1所述的多相分离器，其特征在于，所述倒锥的中部或上部沿圆周方向设有多个出液孔。

4.根据权利要求1所述的多相分离器，其特征在于，所述多层塔锥的下部形成有一个与所述液体出口相连通的倒锥台形部，进入所述多层塔锥的液体通过该倒锥台形部进入所述液体出口。

5.一种流体输配系统，其特征在于，包括：

槽车，用于存储流体；

多相分离器，为权利要求1-4任一所述的多相分离器，所述多相分离器的进口和所述槽车的出口连接；

低温液体泵，和所述多相分离器的液体出口连接。

6.根据权利要求5所述的流体输配系统，其特征在于，在所述多相分离器和所述低温液体泵之间连接有缓冲罐。