CN106311490B - 一种固体涡离心分离设备及其进行溢油撇出物分离的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体涡离心分离设备及其进行溢油撇出物分离的方法，外支架、柱状转鼓、入口管线、预旋转导流叶片、格栅、中心固定轴、水相溢流堰、油相溢流堰、水相出口管、油相出口管和气相出口管，其中，入口管线与柱状转鼓同轴，入口管线末端设有预旋转导流叶片、柱状转鼓内被格栅划分为若干相互独立的扇形分离区。采用电动机驱动柱状转鼓旋转产生离心力进行水相和油相逐渐分离，分离后油相经溢流堰流入油相排出管排出至撇油船的储油舱；而达标水相则经水相溢流堰经水相出口管直接排出。该分离设备体积小、适用性强、运行稳定、分离效率高，可不添加任何药剂实现油与水的高效分离，分离效率可达到99％，满足撇油船用油水分离设备的要求。
Description
技术领域
本发明涉及溢油处理设备，特别是涉及一种固体涡离心分离设备及其进行溢油撇出物分离的方法，可广泛用于溢油应急处理领域。
背景技术
随着环保意识的增强，溢油事故的应急处理工作受到越来越多的关注。船上在线撇出物油水分离技术可以大幅度提高撇油船的收油率，是降低溢油后水体污染范围、保障饮用水安全、对回收的污染水体进行处理与再生利用的关键基础技术。受撇出物成分复杂、物性参数随时间不断变化、船上空间小、船上缺少专业操作人员以及外排水含油量要求严格等条件的限制，船用撇出物油水分离技术的研究进展一直较为缓慢。
目前，针对溢油撇出物特点常采用的分离设备有水力旋流器和轴向涡流分离器。1991年，美国康菲石油公司首先以Vortoil型水力旋流器为核心分离元件设计了世界上首套撇油船用油水分离工艺；2010年，美国EVTN公司设计了以轴向涡流分离器为核心分离元件的撇油船用油水分离工艺。水力旋流器和轴向涡流分离器工作过程中水力停留时间短(2S左右)、体积小，但其对待分离混合液物性参数敏感，对于物性参数不确定的溢油撇出物处理效果不佳，当入口含油量低时处理效果也更差，外排污水的含油量无法达到环保法规要求的15ppm。另外，这类设备在形成涡流过程中撇出物受到较大的剪切应力易造成油水进一步的乳化。2013年，Hoverspill公司首次针对撇出物成分复杂、物性参数随时间逐渐变化的特性，以及安装在撇油船上的分离设备需要满足体积小、水力停留时间短、操作简便等特殊条件，提出了一种适应性强的撇油船用Turbylec型离心分离机，并与2014年申请了美国专利《Device for Separating tow Immiscible Fluids of Different Densities byCentrifugation》专利号为：US 2014/0251145 A1。Turbylec型离心分离机转鼓采用电机直接驱动，转鼓转速可以根据物性参数进行调整，并通过增加水力停留时间的方法来提高动态离心分离机的稳定性，其设计水力停留时间为15S，远高于现用的强离心分离设备2S左右的水力停留时间。然而，其入口端流体由静止到形成涡旋过程的时间确非常短，较大的加速度造成的强剪应力和强湍流必将导致油滴的破碎。因此，即使在15S的水力停留时间下也无法去除因液滴破碎而形成的部分乳化油，现场试验也表明其水出口流体的含油量仍然无法降至15ppm以下。
发明内容
基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种固体涡离心分离设备及其进行溢油撇出物分离的方法，可以实现撇出物在线油水高效分离，其设备体积小、操作简单、适用性强。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施例提供一种固体涡离心分离设备，包括：
外支架、柱状转鼓、入口管线、预旋转导流叶片、格栅、中心固定轴、水相溢流堰、油相溢流堰、水相出口管、油相出口管和气相出口管；其中，
所述柱状转鼓通过所述中心固定轴设在所述外支架内，所述柱状转鼓通过其内设置的若干格栅与所述中心固定轴固定连接，若干格栅将所述柱状转鼓与所述中心固定轴之间的环形空间分割成各自独立的若干扇形分离区，各扇形分离区的底端为入口，顶端为出口；
所述柱状转鼓与所述中心固定轴能在所述外支架内旋转；
所述柱状转鼓底端设有驱动装置连接轴，所述驱动装置连接轴处于所述外支架外部；
所述入口管线位于所述柱状转鼓的轴心位置，该入口管线的出口处于柱状转鼓内的底部，该入口管线的出口内设有所述预旋转导流叶片；
所述油相溢流堰设在所述柱状转鼓的顶端，所述油相溢流堰上端设置所述水相溢流堰，所述油相溢流堰的底板外环与所述柱状转鼓的内壁相连，该油相溢流堰的外缘设有流出水相的若干个矩形槽，各矩形槽与所述水相溢流堰连通，该油相溢流堰的中间设有流出油相的中空流道，所述中空流道连通至所述水相溢流堰上方的油气两相分离区；
所述水相出口管设在所述外支架上，与所述水相溢流堰顶部的环形空间连通；
所述油相出口管设在所述外支架上，与所述水相溢流堰上方的油气两相分离区连通；
所述气相出口管设在所述外支架上，与所述水相溢流堰上方的油气两相分离区连通。
本发明实施例还提供一种本发明所述的固体涡离心分离设备进行溢油撇出物的分离方法，包括：
使撇出物经分离设备的入口管线沿柱状转鼓的轴心流入该分离设备，入口管线末端设置的预旋转导流叶片将入口端流道分割成若干独立的扇形螺旋流道；扇形螺旋流道驱动流过的撇出物以涡流的形式进入所述柱状转鼓内被若干格栅分成若干独立扇形分离区；
由驱动装置驱动所述柱状转鼓旋转，所述柱状转鼓内每个独立扇形区内的撇出物按照固体涡形式旋转，在旋转离心作用下密度不同的油水两相迅速分离；
分离后水相和油相分别经水相溢流堰和油相溢流堰进入水相出口管和油相出口管排出；
含有气相的油相撇出物经油相溢流堰流入油气分离区进一步分离，分离后的气相通过设在油气分离区顶部的气相出口管排出，油相通过设在油气分离区底部的油相出口管排出。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的分离设备，通过在入口管线末端设置预旋导流叶片，撇出物经预旋转后进入柱状转鼓，加速过程在封闭的螺旋流道内完成，从而彻底消除了涡流形成过程的强剪切效应；由于柱状转鼓和中心固定轴之间采用若干格栅连接，由若干格栅将柱状转鼓与中心固定轴之间的环形区分割成若干各自独立的扇形分离区，进而实现流体以固体涡形式的分离过程，降低了分离过程中流体受到的剪应力。通过采用上述结构，该分离设备与现有的动态离心分离技术相比，可以大幅度降低油滴的破碎率，进而提高了设备的分离效率，降低外排水的含油量，可满足环保法规的要求。本发明的分离设备，可实现撇出物在线油、水高效分离，其设备体积小、操作方便、适用性强、稳定性高，适合长周期运转，从根本上避免了现有现有溢油撇出物油水分离设备分离效率低、涡形成过程剪应力大的缺点，具有较大的推广应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的固体涡离心分离设备示意图。
图2为图1中分离设备的A-A向的剖面视图；
图3为图1中分离设备的B-B向的剖面视图；
图中各标号对应的部件为：1-预旋转导流叶片、2-入口管线、3-柱状转鼓、4-格栅、5-中心固定轴、6-外支架、7-水相溢流堰、8-油相溢流堰、9-油相出口管、10-气相出口管、11-油气相分离区、12-水相出口管。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1至3所示，本发明实施例提供一种固体涡离心分离设备，可实现撇出物在线油、水及气的高效分离，包括：
外支架6、柱状转鼓3、入口管线2、预旋转导流叶片1、格栅4、中心固定轴5、水相溢流堰7、油相溢流堰8、水相出口管12、油相出口管9和气相出口管10；其中，
柱状转鼓3通过中心固定轴5设在外支架6内，柱状转鼓3通过其内设置的若干格栅4与中心固定轴5固定连接，若干格栅4将柱状转鼓3与中心固定轴5之间的环形空间分割成各自独立的若干扇形分离区，各扇形分离区的底端为入口，顶端为出口；
柱状转鼓3与中心固定轴5能在外支架6内旋转；
柱状转鼓3底端设有驱动装置连接轴，驱动装置连接轴处于外支架6外部；
入口管线位于柱状转鼓的轴心位置，该入口管线的出口处于柱状转鼓3内的底部，该入口管线的出口内设有预旋转导流叶片1；
油相溢流堰8设在柱状转鼓3的顶端，油相溢流堰上端设置水相溢流堰7，油相溢流堰8的底板外环与柱状转鼓的内壁相连，该油相溢流堰的外缘设有流出水相的若干个矩形槽，各矩形槽与水相溢流堰7连通，该油相溢流堰8的中间设有流出油相的中空流道，中空流道连通至水相溢流堰7上方的油气两相分离区；
水相出口管12设在外支架6上，与水相溢流堰顶部的环形空间连通；
油相出口管9设在外支架6上，与水相溢流堰上方的油气两相分离区连通；
气相出口管10设在外支架6上，与水相溢流堰上方的油气两相分离区连通。
上述分离设备中，入口管线2与柱状转鼓3同轴。
上述分离设备中，预旋转导流叶片1活动设在入口管线2末端的出口处，能在入口管线2内旋转。
上述分离设备中，油相出口管9与油气两相分离区11底部连通。
上述分离设备中，气相出口管10与油气两相分离区11的顶部连通。
上述分离设备中，由水相溢流堰直径与扇形分离区的油水界面相匹配。
本发明实施例还提供一种固体涡离心分离设备进行溢油撇出物的分离方法，包括：
使撇出物经分离设备的入口管线沿柱状转鼓的轴心流入该分离设备，入口管线末端设置的预旋转导流叶片将入口端流道分割成若干独立的扇形螺旋流道；扇形螺旋流道驱动流过的撇出物以涡流的形式进入柱状转鼓内被若干格栅分成若干独立扇形分离区；
由驱动装置驱动柱状转鼓旋转，柱状转鼓内每个独立扇形区内的撇出物按照固体涡形式旋转，在旋转离心作用下密度不同的油水两相迅速分离；
分离后水相和油相分别经水相溢流堰和油相溢流堰进入水相出口管和油相出口管排出；
含有气相的油相撇出物经油相溢流堰流入油气分离区进一步分离，分离后的气相通过设在油气分离区顶部的气相出口管排出，油相通过设在油气分离区底部的油相出口管排出。
上述方法中，保持水相出口管和油相出口管的压力相等，能控制各扇形分离区的油水两相分界面维持在水相溢流堰所在的圆环的位置。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
图1至3所示为本发明所提供的固体涡离心分离设备，其中，图1为该分离设备的整体结构示意图，图2和图3为图1中该分离设备的A-A和B-B向剖面视图，该设备包括：预旋转导流叶片1、入口管线2、柱状转鼓3、格栅4、中心固定轴5、设备外支架6、水相溢流堰7、油相溢流堰8、油相出口管9、气相出口管10、油气相分离区11和水相出口管12等。其中，入口管线2安装在柱状转鼓的轴心处，入口管线2的末端设有预旋导流叶片；中心固定轴和柱状转鼓同心，格栅安装在中心固定轴和柱状转鼓之间，在柱状转鼓内与中心固定轴形成环形区内形成若干独立的扇形分离区；水相和油相溢流堰安装在柱状转鼓上侧，水相溢流堰的直径设置在油、水两相出口的中间位置，水相出口管设置在水相溢流堰顶部和油相溢流堰顶部密封板下方形成的环形空间处；油相溢流堰的顶部留有油气两相分离区，油相出口管设置在油气两相分离区的底部，气相出口管自设备顶部引出。
本发明的分离设备分离溢油撇出物的过程为：溢油撇出物自处于柱状转鼓3轴心的入口管线2进入该分离设备，撇出物在入口管线2末端的预旋转叶片1的作用下加速形成涡旋，预旋转导流叶片1的出口角和转鼓转速相匹配，使预旋后撇出物的旋转角速度和转鼓转速一致；预旋后的撇出物在很小的相对切向速度差的条件下流入柱状转鼓3内的各扇形分离区，并同柱状转鼓3一同按照固体涡形成旋转，在旋转离心力作用下各扇形分离区内密度不同的油水两相快速实现分离；分离后水相经水相溢流堰排入水相出口管12，油相和撇出物中含有的部分气体则通过油相溢流堰流入油气分离区11再次分离后分别排入油相出口管9和气相出口管10；在保持水、油两相出口压力相同的情况下，分离过程中油、水两相间的分界面将控制在水相溢流堰所处的圆环位置处，因此设备的分离特性不受操作条件和撇出物物性参数的影响，具有较高的稳定性。
本发明实际使用时，可根据撇油器的处理量选择合适的本发明分离设备，将分离设备的入口管线与撇油器的出口管线连接，根据撇油器出口含油量，选择安装一级分离设备或两级分离设备串联，若采用两件分离设备串联，则最后一级分离设备的水相出口管的出水直接外排，油相出口管和撇油船储油舱连接；具体分离时，检查分离设备前后阀门，确认开启后打开来液阀，使撇出物顺畅的流过分离设备，启动驱动电机。
本发明的分离设备具有以下优点：
(1)离心加速高，可调性好：分离设备中的柱状转鼓3直接由电动机驱动，因此可以根据分离物料的性质及处理量进行调整，离心加速度可达1000个g以上。较高的离心加速度使具有较小密度差的油水两相迅速分离，与水力旋流器和轴向涡流分离器相比，分离过程在转鼓内完成，离心加速度始终保持不变，因此可以分离出更小颗粒的油滴，分离效率也得到了大大的提高，最高分离效率可达99％以上。
(2)涡流形成过程稳定，油滴不发生破碎：入口管线2和柱状转鼓3同轴，入口管线2末端安装有预旋导流叶片1，撇出物在预旋导流叶片1片形成的独立螺旋流道中逐渐形成涡流，并以和柱状转鼓3转速相同的切向速度进入分离区，涡流形成过程稳定，剪应力低、无局部涡流，因此从根本上减小了造成油滴破碎的物理条件。与Turbylec型离心分离机相比，涡流形成过程稳定，油滴发生破碎的概率更低。
(3)分离过程流体保持固体涡的形态，无剪切：分离区被格栅分隔成若干独立的扇形区域，分离过程中各扇形区内流体始终保持和转鼓一致角速度旋转，形成严格的固体涡形态，避免了流体惯性对流态的影响，分离过程中无剪切效应。
(4)稳定性高、操作简单：利用溢流堰直径控制分离后水相和油相分界面的措施，可以大幅度降低操作参数和撇出物物性参数对设备分离特性的影响，具有较高的工作稳定性。分离后水相和油相经溢流堰流入各自的排出管线，工作时无需精确的控制各操作工艺参数，操作简单，可以在无专业操作人员的工作环境下使用。
(5)可实现水、油、气三相分离：油相溢流堰上部留有油、气两相分离区，对于含有气体的撇出物，其不仅可以完成油、水两相的分离，还可以将气相分离出，因此不仅可以用于处理溢油撇出物，还可以用于处理高含水油田的采出液。
在实际操作中，本发明的固体涡离心分离设备和方法主要用于溢油撇出物的在线分离，针对水面溢油应急处理中撇出物含水率高(平均含水率90％左右)，撇油船频繁往返溢油发生地和应急码头而导致撇油效率低的问题，将该设备直接安装在撇油船上，运行时只需启动驱动电机即可，对撇出物进行油水分离，处理后达标水相直接排出，浓缩后油相排入船上储油舱，从而大幅度减少撇油船往返次数，增加撇油船工作效率，提高溢油应急处理能力。该撇出物油水分离设备和方法操作方便、稳定性能好、效率高，可以适用撇出物中含油量、含气量的大范围变化，满足撇油船的特殊运行情况。操作时，温度控制在-20～80℃，入口压力低于1.0Mpa，停留时间小于20S，操作参数无需精确控制，满足缺少专业操作人员的溢油应急工作条件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种固体涡离心分离设备，其特征在于，包括：
外支架(6)、柱状转鼓(3)、入口管线(2)、预旋转导流叶片(1)、格栅(4)、中心固定轴(5)、水相溢流堰(7)、油相溢流堰(8)、水相出口管(12)、油相出口管(9)和气相出口管(10)；其中，
所述柱状转鼓(3)通过所述中心固定轴(5)设在所述外支架(6)内，所述柱状转鼓(3)通过其内设置的若干格栅(4)与所述中心固定轴(5)固定连接，若干格栅(4)将所述柱状转鼓(3)与所述中心固定轴(5)之间的环形空间分割成各自独立的若干扇形分离区，各扇形分离区的底端为入口，顶端为出口；
所述柱状转鼓(3)与所述中心固定轴(5)能在所述外支架(6)内旋转；
所述柱状转鼓(3)底端设有驱动装置连接轴，所述驱动装置连接轴处于所述外支架(6)外部；
所述入口管线位于所述柱状转鼓的轴心位置，该入口管线的出口处于柱状转鼓(3)内的底部，该入口管线的出口内设有所述预旋转导流叶片(1)；
所述油相溢流堰(8)设在所述柱状转鼓(3)的顶端，所述油相溢流堰上端设置所述水相溢流堰(7)，所述油相溢流堰(8)的底板外环与所述柱状转鼓的内壁相连，该油相溢流堰的外缘设有流出水相的若干个矩形槽，各矩形槽与所述水相溢流堰(7)连通，该油相溢流堰(8)的中间设有流出油相的中空流道，所述中空流道连通至所述水相溢流堰(7)上方的油气两相分离区；
所述水相出口管(12)设在所述外支架(6)上，与所述水相溢流堰顶部的环形空间连通；
所述油相出口管(9)设在所述外支架(6)上，与所述水相溢流堰上方的油气两相分离区连通；
所述气相出口管(10)设在所述外支架(6)上，与所述水相溢流堰上方的油气两相分离区连通。
2.根据权利要求1所述的一种固体涡离心分离设备，其特征在于，所述入口管线(2)与所述柱状转鼓(3)同轴。
3.根据权利要求1所述的一种固体涡离心分离设备，其特征在于，所述预旋转导流叶片(1)活动设在所述入口管线(2)末端的出口处，能在所述入口管线(2)内旋转。
4.根据权利要求1所述的一种固体涡离心分离设备，其特征在于，所述油相出口管(9)与所述油气两相分离区(11)底部连通。
5.根据权利要求1所述的一种固体涡离心分离设备，其特征在于，所述气相出口管(10)与所述油气两相分离区(11)的顶部连通。
6.根据权利要求1所述的一种固体涡离心分离设备，其特征在于，所述水相溢流堰直径与所述扇形分离区的油水界面相匹配。
7.一种权利要求1至6任一项所述的固体涡离心分离设备进行溢油撇出物分离的方法，其特征在于，包括：
使撇出物经分离设备的入口管线沿柱状转鼓的轴心流入该分离设备，入口管线末端设置的预旋转导流叶片将入口端流道分割成若干独立的扇形螺旋流道；扇形螺旋流道驱动流过的撇出物以涡流的形式进入所述柱状转鼓内被若干格栅分成若干独立扇形分离区；
由驱动装置驱动所述柱状转鼓旋转，所述柱状转鼓内每个独立扇形区内的撇出物按照固体涡形式旋转，在旋转离心作用下密度不同的油水两相迅速分离；
分离后水相和油相分别经水相溢流堰和油相溢流堰进入水相出口管和油相出口管排出；
含有气相的油相撇出物经油相溢流堰流入油气分离区进一步分离，分离后的气相通过设在油气分离区顶部的气相出口管排出，油相通过设在油气分离区底部的油相出口管排出。
8.根据权利要求7所述的固体涡离心分离设备进行溢油撇出物分离的方法，其特征在于，所述方法中，保持水相出口管和油相出口管的压力相等，能控制各扇形分离区的油水两相分界面维持在水相溢流堰所在的圆环的位置。
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