CN104815768B - 轴流式反转入口流道旋流器 - Google Patents

Abstract

一种轴流式反转入口流道旋流器。主要目的在于提供一种可实现轴向进液并且设备体积小、对微小油滴分离效率高的旋流分离装置。其特征在于：溢流管、空心圆锥管、空心圆柱管和富集管由上至下依次连接后位于入口管内，富集管穿入旋流腔固定；在入口管内，围绕空心圆锥管和空心圆柱管固定有连续环绕至所述入口管底端的螺旋片，螺旋片的外缘螺旋线与所述入口管的内壁相触，螺旋片的内缘螺旋线则分别与所述空心圆锥管和空心圆柱管的外壁相触；在所述螺旋片形成的导流通道与入口管底端的相交处开口，连接有反转螺旋通道，反转螺旋通道内流道中液流的旋转方向与螺旋片形成的导流通道内液流的旋转方向相反；反转螺旋通道的液流出口位于旋流腔内。

Description

轴流式反转入口流道旋流器

技术领域

本发明涉及一种应用于石油、化工、环保等领域中的两相非均相分离处理装置。

背景技术

目前，用于两相非均相分离处理的装置主要有旋流分离、气浮选、过滤和膜分离装置等。但是，这些已有装置却各有优缺点：旋流分离具有设备体积小等优点，但对于细小油滴的去除能力有限；气浮选则适应含油浓度变化的范围较小；过滤可以较好地实现油水两相的分离，但对于高含油污水却需要频繁的反冲洗来保证设备的长期稳定运行；膜分离设备成本较高，对介质条件要求又较为严格。目前的水力旋流器的分离原理是利用介质间的密度差而进行离心分离的，密度差越大，分散相的粒径越大，分离效果相对就越好。由此导致目前在水处理技术领域存在着对细小油滴去除效果差的实际问题。尤其是在油田开发进入中高含水开采期后，随着聚驱规模不断扩大，含聚污水采出量逐年增多，含聚污水粘度大，油田地面工艺中沉降段除油效率低，增加了过滤段的负荷，造成滤料污染严重，过滤水质变差。限制了目前常规的水力旋流分离器在原油采出液过滤分离领域的应用。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种轴流式反转入口流道旋流器，该种旋流器体积小可以提高油水两相旋流处理的高效性，特别是改善对小油滴颗粒的分离效果。

本发明的技术方案是：该种轴流式反转入口流道旋流器，由溢流管、入口管、螺旋片、空心圆锥管、空心圆柱管、反转螺旋通道、富集管、旋流腔、锥段以及底流管连接后组成。

其中，旋流腔为顶端封闭的圆筒，锥段的顶端与旋流腔的底端密封连接，底流管固定连接在锥段的底端；入口管为底端封闭的圆筒，溢流管、空心圆锥管、空心圆柱管和富集管由上至下依次连接后位于入口管内，空心圆柱管与富集管连接所形成的缩径台阶固定在入口管的封闭底端上，富集管伸出入口管的封闭底端后，穿入旋流腔而固定。

入口管、空心圆锥管、空心圆柱管、富集管、旋流腔、锥段以及底流管连接后具有相同的中心轴线。

在入口管内，围绕空心圆锥管和空心圆柱管固定有连续环绕至所述入口管底端的螺旋片，螺旋片的外缘螺旋线与所述入口管的内壁相触，螺旋片的内缘螺旋线则分别与所述空心圆锥管和空心圆柱管的外壁相触，以实现对流入液体的全封闭导流。

在所述螺旋片形成的导流通道与入口管底端的相交处开口，连接有反转螺旋通道，反转螺旋通道内流道中液流的旋转方向与所述螺旋片形成的导流通道内液流的旋转方向相反；反转螺旋通道的液流出口位于旋流腔内。

本发明具有如下有益效果：应用本种旋流器进行油水分离时，油水混合液由轴向入口进入旋流器入口管内，经螺旋片导流作用，使得混合液的直线运动转变为圆周运动，其中入口管的内壁、螺旋片与圆锥管的外壁之间围合形成逐渐减小的环形螺旋流道空间，可使混合液获得逐渐增大的切向速度有助于油水两相分离，即轻质相油相向流道小半径内圈区域移动、重质相水相向流道外圈区域移动，同时渐缩的流道空间也有利于增加油滴之间的碰撞聚结机率，使得小油滴碰撞聚结成大油滴从而增强油水两相分离效果。在下半段，混合液进入由入口管内壁与圆柱管外壁以及螺旋片围合而形成的螺旋流道内，在这段内流道的截面积不发生变化，有助于稳定已经发生分离的油水两相流场，此时轻质相油相大油滴集中分布在螺旋流道内圈，而部分小油滴由于油滴粒径太小不足以形成使其移动到小半径内圈区域的径向力，则分布于流道外圈大半径区域。经过初步分离后的油水混合两相流进入反转螺旋流道内，此流道旋转方向与入口管内螺旋片旋转方向相反，因此混合液经反转螺旋流道后，会使原螺旋流道内圈的大油滴直接运移到旋流腔内近壁面区域，而外圈区域内较难分离的小油滴则直接被运移到旋流腔内邻近富集管小半径区域；近壁面区域的大油滴粒径最大，则其受到的径向力也最大，并且大油滴向中心处运移的过程中还会遇到小油滴，进而进一步增大油滴聚结的机会并增强油水两相分离效果，另外小油滴由于被反转螺旋流道直接运移到距离富集管较近的小半径区域，即使不被大油滴碰撞聚结，也由于距离富集管距离近从而相对减少了必要运移时间，也是有利于小油滴更容易的被运移到中心而进入富集管。旋流器锥段对旋转流体有一定的能量补偿作用，补偿分离过程中的速度损失，有利于两相的分离。本种旋流器采用轴向入口进液形式及螺旋流道结构造旋方法，可使设备径向尺寸进一步减小，设备占用空间小。采用反转螺旋流道结构，使分离器内油滴颗粒的分布流场改变，更利于油滴的聚结及油水两相分离。本种旋流器可用于密度不同的两相不互溶介质的分离，可以有效提高细小颗粒的分离效果。既可应用于油田生产，又可应用于市政环保等其它领域，具有可观的推广应用前景。

附图说明：

图1是本发明所述旋流器的A-A截面的剖面结构示意图。

图2是本发明所述旋流器的B-B截面的剖面结构示意图。

图3是本发明所述旋流器的立体结构示意图。

图4是本发明所述旋流器中螺旋片与空心圆锥管、空心圆柱管以及反转螺旋流道的连接结构示意图。

图5是本发明所述旋流器中反转螺旋流道的结构示意图。

图6是本发明所述溢流管、空心圆锥管、空心圆柱管和富集管连接后共同构成轻质相流出通道的结构剖视图。

图7是反转螺旋流道与入口管、螺旋片及旋流腔连接后的结构示意图。

图8是经过反转螺旋流道前后的油滴分布变化情况示意简图。

图9对图1标注了具体的尺寸关系。

图10是本发明锥段采用双锥形式的结构示意图。

图11是本发明锥段采用曲线锥形式的结构示意图。

图12是本发明锥段采用倒锥形式的结构示意图。

图中1-溢流管；2-入口管；3-螺旋片；4-空心圆锥管；5-空心圆柱管；6-反转螺旋流道；7-富集管；8-旋流腔；9-锥段；10-底流管。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1至图12所示，本发明所涉及的技术方案得到国家863计划课题（2012AA061303）的资助。本种轴流式反转入口流道旋流器，由溢流管1、入口管2、螺旋片3、空心圆锥管4、空心圆柱管5、反转螺旋通道6、富集管7、旋流腔8、锥段9以及底流管10连接后组成。

其中，旋流腔8为顶端封闭的圆筒，锥段9的顶端与旋流腔8的底端密封连接，底流管10固定连接在锥段9的底端；入口管2为底端封闭的圆筒，溢流管1、空心圆锥管4、空心圆柱管5和富集管7由上至下依次连接后位于入口管2内，空心圆柱管5与富集管7连接所形成的缩径台阶固定在入口管2的封闭底端上，富集管7伸出入口管2的封闭底端后，穿入旋流腔8而固定。

入口管2、空心圆锥管4、空心圆柱管5、富集管7、旋流腔8、锥段9以及底流管10连接后具有相同的中心轴线。

在入口管2内，围绕空心圆锥管4和空心圆柱管5固定有连续环绕至所述入口管底端的螺旋片3，螺旋片3的外缘螺旋线与所述入口管的内壁相触，螺旋片3的内缘螺旋线则分别与所述空心圆锥管4和空心圆柱管5的外壁相触，以实现对流入液体的全封闭导流。

在所述螺旋片形成的导流通道与入口管2底端的相交处开口，连接有反转螺旋通道6，反转螺旋通道6内流道中液流的旋转方向与所述螺旋片形成的导流通道内液流的旋转方向相反；反转螺旋通道6的液流出口位于旋流腔8内。

在以上基础方案上，得到如下优化方案：

方案1，围绕在空心圆锥管4和空心圆柱管5外的螺旋片3数量为2条，对应的反转螺旋通道亦为2个，反转螺旋通道的液流出口对称固定在旋流腔内。

方案2，将所述旋流腔直径设定为D，将所述溢流管直径设定为D₁，将所述入口管直径设定为D₂，将所述入口管长度设定为H₁，将所述空心圆锥管的锥角设定为α，将所述空心圆锥管高度设定为H₂，将所述空心圆柱管直径设定为D₃，将所述空心圆柱管高度设定为H₃，将所述螺旋片升角设定为β，将所述螺旋片圈数设定为m，将所述螺旋片头数设定为n，将所述富集管直径设定为D₅，将所述富集管伸入旋流腔的长度设定为H₄，将所述反转螺旋流道的外圈直径设定为D₄，将所述反转螺旋流道的螺旋升角设定为θ，将所述旋流腔的长度设定为H₅，将所述锥段的锥角设定为γ，将所述底流管的直径设定为D₆，将所述底流管的高度设定为H₆，按照如下条件1至条件17构造所述轴流式反转入口流道旋流器，这样所得到的旋流器分离效果最好。

条件1为0.15D< D₁<0.35D；条件2为0.45D< D₂<0.75D；条件3为D< H₁<3D；条件4为0.5D< H₂<2D；条件5为0.2D< D₃<0.5D；条件6为0.1D< H₃<0.6D；条件7为0°<β<60°；条件8为2<m＜10；条件9为2≤n≤16；条件10为0.15D<D₅<0.35D；条件11为0.2D< H₃<0.5D；条件12为0.5D<D₄<0.7D；条件13为0°<θ<30°；条件14为0.8D<H₅<1.6D；条件15为2°<γ<45°；条件16为0.05D< D₆<0.3D；条件17为0.1D<H₆<3D。

具体应用时，油水混合液由轴向进入旋流器入口管2内，经螺旋片3导流作用，使得混合液的直线运动转变为圆周运动，其中入口管2、螺旋片3与空心圆锥管4之间形成逐渐减小的环形及螺旋流道空间，可使混合液获得逐渐增大的切向速度有助于油水两相分离，即轻质相油相向流道内圈小半径区域移动、重质相水相向流道外圈区域移动，同时渐缩的流道空间也有利于增加油滴之间的碰撞聚结机率，使得小油滴聚结成大油滴从而增强两相分离效果；混合液进入由入口管2与空心圆柱管5形成的螺旋流道内，该流道截面不发生变化，有助于稳定已经发生分离的油水两相流场，此时轻质相油相大油滴集中分布在螺旋流道内圈，而部分小油滴由于油滴粒径太小不足以形成使其移动到小半径内圈区域的径向力，则分布于流道外圈大半径区域；经过初步分离后的油水混合两相流进入反转螺旋流道6内，此流道旋转方向与入口管2内螺旋片3旋转方向相反，因此混合液经反转螺旋流道6后，会使原螺旋流道内圈的大油滴直接运移到旋流腔8内近壁面区域，而外圈区域内较难分离的小油滴则直接被运移到旋流腔8内邻近富集管7小半径区域；近旋流腔8壁面区域的大油滴粒径最大，则其受到的径向力也最大，并且大油滴向旋流腔8中心处运移的过程中还会遇到小油滴，进而进一步增大油滴聚结的机会并增强两相分离程度，另外小油滴由于被反转螺旋流道6直接运移到距离富集管7较近的小半径区域，即使不被大油滴碰撞聚结，也由于距离富集管7距离近从而相对减少了必要运移时间，也有利于小油滴被运移到中心而进入富集管7。对旋流器锥段9可以采用单锥、双锥、曲线锥和倒锥等其他的型式，本专利以单锥为例进行说明，附图10、11和12则分别显示采用其他类型锥段的结构。锥段的设计对旋转流体有一定的能量补偿作用，可以补偿分离过程中的速度损失，有利于两相的分离。最后经过分离，轻质相油核进入中心处的富集管7并由溢流管1流出，重质相水相进入底流管10排出。

Claims (3)

1.一种轴流式反转入口流道旋流器，由溢流管(1)、入口管(2)、螺旋片(3)、空心圆锥管(4)、空心圆柱管(5)、反转螺旋通道(6)、富集管(7)、旋流腔(8)、锥段(9)以及底流管(10)连接后组成；

其中，旋流腔(8)为顶端封闭的圆筒，锥段(9)的顶端与旋流腔(8)的底端密封连接，底流管(10)固定连接在锥段(9)的底端；入口管(2)为底端封闭的圆筒，溢流管(1)、空心圆锥管(4)、空心圆柱管(5)和富集管(7)由上至下依次连接后位于入口管(2)内，空心圆柱管(5)与富集管(7)连接所形成的缩径台阶固定在入口管(2)的封闭底端上，富集管(7)伸出入口管(2)的封闭底端后，穿入旋流腔(8)而固定；

入口管(2)、空心圆锥管(4)、空心圆柱管(5)、富集管(7)、旋流腔(8)、锥段(9)以及底流管(10)连接后具有相同的中心轴线；

在入口管(2)内，围绕空心圆锥管(4)和空心圆柱管(5)固定有连续环绕至所述入口管底端的螺旋片(3)，螺旋片(3)的外缘螺旋线与所述入口管的内壁相触，螺旋片(3)的内缘螺旋线则分别与所述空心圆锥管(4)和空心圆柱管(5)的外壁相触，以实现对流入液体的全封闭导流；

在所述螺旋片形成的导流通道与入口管(2)底端的相交处开口，连接有反转螺旋通道(6)，反转螺旋通道(6)内流道中液流的旋转方向与所述螺旋片形成的导流通道内液流的旋转方向相反；反转螺旋通道(6)的液流出口位于旋流腔(8)内。

2.根据权利要求1所述的轴流式反转入口流道旋流器，其特征在于：围绕在空心圆锥管(4)和空心圆柱管(5)外的螺旋片(3)数量为2条，对应的反转螺旋通道(6)亦为2个，反转螺旋通道(6)的液流出口对称固定在旋流腔(8)内。

3.根据权利要求1所述的轴流式反转入口流道旋流器，其特征在于：

将所述旋流腔直径设定为D，将所述溢流管直径设定为D₁，将所述入口管直径设定为D₂，将所述入口管长度设定为H₁，将所述空心圆锥管的锥角设定为α，将所述空心圆锥管高度设定为H₂，将所述空心圆柱管直径设定为D₃，将所述空心圆柱管高度设定为H₃，将所述螺旋片升角设定为β，将所述螺旋片圈数设定为m，将所述螺旋片头数设定为n，将所述富集管直径设定为D₅，将所述富集管伸入旋流腔的长度设定为H₄，将所述反转螺旋流道的外圈直径设定为D₄，将所述反转螺旋流道的螺旋升角设定为θ，将所述旋流腔的长度设定为H₅，将所述锥段的锥角设定为γ，将所述底流管的直径设定为D₆，将所述底流管的高度设定为H₆，按照如下条件1至条件16构造所述轴流式反转入口流道旋流器：

条件1为0.15D<D₁<0.35D；条件2为0.45D<D₂<0.75D；条件3为D<H₁<3D；条件4为0.5D<H₂<2D；条件5为0.2D<D₃<0.5D；条件6为0.2D<H₃<0.5D；条件7为0°<β<60°；条件8为2<m＜10；条件9为2≤n≤16；条件10为0.15D<D₅<0.35D；条件11为0.5D<D₄<0.7D；条件12为0°<θ<30°；条件13为0.8D<H₅<1.6D；条件14为2°<γ<45°；条件15为0.05D<D₆<0.3D；条件16为0.1D<H₆<3D；

条件1至条件16之间的关系为和的关系。