CN106964502B

CN106964502B - 一种带螺旋结构的三相旋流分离器

Info

Publication number: CN106964502B
Application number: CN201710185529.9A
Authority: CN
Inventors: 赵立新; 王圆; 刘琳; 陈有斌; 徐保蕊; 蒋明虎
Original assignee: Northeast Petroleum University
Current assignee: Northeast Petroleum University
Priority date: 2017-03-26
Filing date: 2017-03-26
Publication date: 2018-11-02
Anticipated expiration: 2037-03-26
Also published as: CN106964502A

Abstract

一种带螺旋结构的三相旋流分离器。主要目的在于提供一种结构紧凑、设备体积小和分离效果好的三相旋流分离装置。其特征在于：内部具有类锥台结构体的内筒置于外圆筒内部，并且与外圆筒保持同轴；内筒的旋流段的内径大于水相出口段的内径，沿旋流段底端的外壁切向接入两个内部切向入口；在外圆筒的内壁，固定有若干个沿圆周排列的外螺旋结构体，所述外螺旋结构体从切向入口的下端开始分布；在所述内筒的小锥段的内壁面处，分布有内螺旋结构体；所述外螺旋结构体的旋向与经由切向入口所形成的外圆筒内液流旋转方向相同，内螺旋结构体的旋向与外螺旋结构体的旋向相反。

Description

一种带螺旋结构的三相旋流分离器

技术领域

本发明涉及一种应用于石油、化工、海洋工程、水处理和环保等领域中的用于进行多相介质分离的装置。

背景技术

当前，旋流器在石油、化工以及煤炭等行业应用越来越广泛。使用重力沉降罐和三相分离旋流器是目前人们对三相混合液进行分离的主要设备，其中重力沉降罐体积较大，内部通常设置有堰板等组件，结构较为复杂。另外，由于是采用重力作用进行分离处理，导致处理时间长、工作不连续及占地面积庞大等突出的弊端。而对于现有的三相分离旋流器，其在对混合相分离时，存在着流场不稳定以及液流到达远离入口的位置速度太小等问题。所以，如何设计出一种分离效率高、占用空间小、流场稳定、适用面广泛以及操作维护方便的分离旋流器已经成为石油化工等相关领域所面临的一个重要问题。

旋流器作为一种分离设备已经在我国获得了一定的应用，对于三相分离旋流器的发明专利也越来受到关注。东北石油大学（原大庆石油学院）先后申请了多项发明专利，如ZL201510366926.7、ZL201410675327.9、ZL201410658938.2、ZL201210345243.X、ZL201210346843.8、ZL201210196492.7等；其他单位或院校申请的专利如ZL201520519735.5、ZL201520520103.0、ZL201420185334.6 、ZL201310582217.3、ZL201210292638.8等。上面的这些专利主要是增加辅助分离的相关器件来进行分离，最具代表性的就是在旋流器中增设螺旋导流叶片。但是以上这些改进，仍然难以满足一些特殊工况下对分离效率高、占用空间小以及流场稳定的要求。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种带螺旋结构的三相旋流分离器，该种三相旋流分离器具有分离效率高、结构紧凑以及加工容易等诸多突出特点。

本发明的技术方案是：该种带螺旋结构的三相旋流分离器，包括一个外圆筒，外圆筒的上、下两端分别同轴线连接有上端盖和下端盖，沿所述外圆筒顶端的外壁切向接入两个切向入口，其独特之处在于：

所述上端盖的中心垂直连接有一根导气外筒，导气外筒的下端为呈喇叭口状的渐扩段，导气外筒与上端盖具有相同的中心轴线；

所述下端盖的中心垂直连接有一根油相出口管，环绕所述油相出口管，固定有一个采用内凹弧面的类锥台结构体，类锥台结构体的底端与下端盖相触，类锥台结构体的顶端与油相出口管的出口相平齐；类锥台结构体与油相出口管以及下端盖具有相同的中心轴线；

所述三相旋流分离器还包括一个内筒，所述内筒由上至下分别由具有同一中心轴线的水相出口段、小锥段、大锥段以及旋流段顺次连接后构成；水相出口段和旋流段为直管段，旋流段的内径大于水相出口段的内径；沿旋流段底端的外壁切向接入两个内部切向入口；

内筒位于外圆筒中；其中，水相出口段穿出导气外筒，两者之间形成的环形间隙为环空气相出口；旋流段的底端连接在下端盖上，类锥台结构体位于旋流段的内腔中，类锥台结构体与内筒具有相同的中心轴线；

在外圆筒的内壁，固定有若干个沿圆周排列的外螺旋结构体，所述外螺旋结构体从切向入口的下端开始分布；在所述内筒的小锥段的内壁面处，分布有内螺旋结构体；所述外螺旋结构体的旋向与经由切向入口所形成的外圆筒内液流旋转方向相同，内螺旋结构体的旋向与外螺旋结构体的旋向相反。

本发明具有如下有益效果：本种带螺旋结构的三相分离旋流器，将内筒颠倒后置于一个外圆筒内部，在内筒外壁开有内部切向入口，在旋流段底部设置了类锥台结构体，一方面消除了旋流腔内的低压区，减少了入口与溢流口压力差值，又减少进入旋流器未经分离而直接从溢流口排出产生的短路流，提高了分离效率。此外，增加的旋流器内外筒的双螺旋流道结构可以稳定流场，且对混合相有一定的造旋作用，可以提高流体旋转速度、导向流体流动，进而提高分离效率。另外，本种分离器不仅可实现油气水、气液固三相分离，还可通过改变相关结构的尺寸参数来实现两相（液-固、气-液和液-液）分离的二级精细处理，以气液分离为例，经过外部分离段进行初次气液分离后，再经过内筒将液体中残余的气体分离出去，从而提高分离效率。

综上所述，本种带螺旋结构的三相分离旋流器具有分离效率高、稳定流场、结构紧凑、加工容易、适用面广以及设备体积小和操作维护方便等优点，可有效地解决相关领域在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。

附图说明：

图1是本发明的俯视结构示意图。

图2为图1中A-A剖面结构示意图。

图3为图2中的B-B截面的剖面结构示意图。

图4是本发明的主要尺寸标注图。

图5是本发明所述三相分离旋流器去除部分外圆筒、内筒后的轴侧图。

图中1-切向入口，2-环空气相出口，3-外螺旋结构体，4-内部切向入口，5-下端盖，6-类锥台结构体，7-油相出口管，8-旋流段，9-大锥段，10-内筒，11-外圆筒，12-小锥段，13-内螺旋结构体，14-水相出口段， 15-上端盖，16-导气外筒。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1所示，该种带螺旋结构的三相旋流分离器，包括一个外圆筒11，外圆筒11的上、下两端分别同轴线连接有上端盖15和下端盖5，沿所述外圆筒顶端的外壁切向接入两个切向入口1，其独特之处在于：

所述上端盖15的中心垂直连接有一根导气外筒16，导气外筒16的下端为呈喇叭口状的渐扩段，导气外筒16与上端盖15具有相同的中心轴线。

所述下端盖5的中心垂直连接有一根油相出口管7，环绕所述油相出口管7，固定有一个采用内凹弧面的类锥台结构体6，类锥台结构体6的底端与下端盖5相触，类锥台结构体6的顶端与油相出口管7的出口相平齐；类锥台结构体6与油相出口管7以及下端盖5具有相同的中心轴线。

所述三相旋流分离器还包括一个内筒10，所述内筒10由上至下分别由具有同一中心轴线的水相出口段14、小锥段12、大锥段9以及旋流段8顺次连接后构成；水相出口段14和旋流段8为直管段，旋流段8的内径大于水相出口段14的内径；沿旋流段8底端的外壁切向接入两个内部切向入口4。

内筒10位于外圆筒11中；其中，水相出口段14穿出导气外筒16，两者之间形成的环形间隙为环空气相出口2；旋流段8的底端连接在下端盖5上，类锥台结构体6位于旋流段8的内腔中，类锥台结构体6与内筒10具有相同的中心轴线。

在外圆筒11的内壁，固定有若干个沿圆周排列的外螺旋结构体3，所述外螺旋结构体3从切向入口1的下端开始分布；在所述内筒10的小锥段12的内壁面处，分布有内螺旋结构体13；所述外螺旋结构体3的旋向与经由切向入口1所形成的外圆筒11内液流旋转方向相同，内螺旋结构体13的旋向与外螺旋结构体3的旋向相反。

具体实施时，螺旋结构体的棱横截面可为梯形、椭圆形或圆形等，其中外螺旋结构体从入口下端开始，旋向为左旋，而内螺旋结构体旋向为右旋。

以油气水三相混合介质为例，混合流体由双切向入口进入旋流器内，将混合介质的直线运动变成圆周运动，流体边旋转边向下运动，由于内筒存在使外部的气液分离空间的横截面积逐渐减小。同时，流体沿外圆筒内壁上的外螺旋结构流动，外螺旋结构形成的螺旋流道对流体具有一定的导流和造旋作用，密度较大的液相在离心场的作用下被甩向边壁，而密度小的气相则向内筒结构外壁附近运移，最终从顶部的环空气相出口排出。大部分的液体和未被分离的极少部分的气体则由内部切向入口进入内筒内，混合介质在带有类锥台结构体（母线为弧线）的旋流段的内腔内旋转，类锥台结构体的设计消除了旋流腔顶部的低压区，既减少了入口与油相出口之间的压力差值，又减少了进入旋流器未经分离而直接从油相出口排出产生的短路流，提高分离效率。后面连续流入的混合介质推动旋流腔内的混合介质边旋转边向内筒上的大锥段和小锥段运动，同时锥段壁面的内螺旋结构不仅能提高流体的旋转速度，而且还对流体具有一定的引导作用，从而使得流场更加稳定，利于油水的分离。密度较小的油滴边旋转边向中间聚集最终由置于底部的油相出口排出，而密度较大的水相被甩到边壁后由水相出口排出。最终实现油气水的三相分离。

下面结合图4，给出具体实施时，本发明的一个优选实施例，在该例中。对本种分离器的主要参数及尺寸进行了必要的限定：

如图所示，a₁和b₁分别是旋流器外圆筒入口当量高度和宽度； v₁是旋流器外圆筒入口速度； a₂和b₂分别是旋流器内筒入口当量高度和宽度；v₂是旋流器内筒入口速度；l ₁为外螺旋结构体棱的径向高度，l₂是内螺旋结构体棱的径向高度，l₃是旋流器小锥段的高度；P₁为外螺旋结构体的导程，P₂为内螺旋结构体的导程；Q是分离器的处理量；D₁是旋流器外圆筒主直径，D₂是旋流器内筒主直径，D₃是旋流器水相出口段直径；t是旋流器的壁厚；

则所述三相旋流分离器需要满足如下条件（1）至条件（8）：

条件（1）：b₁=Q/(2v₁×a₁)，且v₁的范围在8 m/s ~15m/s 之间；

条件（2）： b₂=Q/(2v₂×a₂)，且v₂的范围在4 m/s ~10m/s之间；

条件（3）：；

条件（4）：；

条件（5）：D₃=0.5D₂；

条件（6）：0.5D₁<D₂<0.75D₁；

条件（7）： 0<P₁<l₀-a₁-a₂；

条件（8）：0<P₂<l₃。

之所以进行以上限定，其原因在于：该旋流器有两个筒，螺旋结构的棱处在两筒之间，如果棱的径向尺寸过长，则不仅影响流场，而且会导致棱与旋流器内筒发生结构干涉，导致旋流器无法正常使用；棱的径向尺寸太短，则起不到造旋以及稳定流场的作用。故需要对螺旋结构棱的径向尺寸进行限定。

P决定着旋流器螺旋结构的升角、高度以及圈数等，如果对P不进行限制，该旋流器的螺旋结构可能造成旋流器入口堵塞，影响旋流器的正常使用，且对流场也有较大的影响，导致该结构旋流器不能有效发挥作用。

Claims

1.一种带螺旋结构的三相旋流分离器，包括一个外圆筒(11)，外圆筒(11)的上、下两端分别同轴线连接有上端盖(15)和下端盖(5)，沿所述外圆筒(11)顶端的外壁切向接入两个切向入口(1)，其特征在于：

所述上端盖(15)的中心垂直连接有一根导气外筒(16)，导气外筒(16)的下端为呈喇叭口状的渐扩段，导气外筒(16)与上端盖(15)具有相同的中心轴线；

所述下端盖(5)的中心垂直连接有一根油相出口管(7)，环绕所述油相出口管(7)，固定有一个采用内凹弧面的类锥台结构体(6)，类锥台结构体(6)的底端与下端盖(5)相触，类锥台结构体(6)的顶端与油相出口管(7)的出口相平齐；类锥台结构体(6)与油相出口管(7)以及下端盖(5)具有相同的中心轴线；

所述三相旋流分离器还包括一个内筒(10)，所述内筒(10)由上至下分别由具有同一中心轴线的水相出口段(14)、小锥段(12)、大锥段(9)以及旋流段(8)顺次连接后构成；水相出口段(14)和旋流段(8)为直管段，旋流段(8)的内径大于水相出口段(14)的内径；沿旋流段(8)底端的外壁切向接入两个内部切向入口(4)；

内筒(10)位于外圆筒(11)中；其中，水相出口段(14)穿出导气外筒(16)，两者之间形成的环形间隙为环空气相出口(2)；旋流段(8)的底端连接在下端盖(5)上，类锥台结构体(6)位于旋流段(8)的内腔中，类锥台结构体(6)与内筒(10)具有相同的中心轴线；

在外圆筒(11)的内壁，固定有若干个沿圆周排列的外螺旋结构体(3)，所述外螺旋结构体(3)从切向入口(1)的下端开始分布；在所述内筒(10)的小锥段(12)的内壁面处，分布有内螺旋结构体(13)；所述外螺旋结构体(3)的旋向与经由切向入口(1)所形成的外圆筒(11)内液流旋转方向相同，内螺旋结构体(13)的旋向与外螺旋结构体(3)的旋向相反。

2.根据权利要求1所述的一种带螺旋结构的三相旋流分离器，其特征在于：

l₀是旋流器外圆筒的高度，a₁和b₁分别是旋流器外圆筒入口当量高度和宽度；v₁是旋流器外圆筒入口速度；a₂和b₂分别是旋流器内筒入口当量高度和宽度；v₂是旋流器内筒入口速度；l₁为外螺旋结构体棱的径向高度，l₂是内螺旋结构体棱的径向高度，l₃是旋流器小锥段的高度；P₁为外螺旋结构体的导程，P₂为内螺旋结构体的导程；Q是分离器的处理量；D₁是旋流器外圆筒主直径，D₂是旋流器内筒主直径，D₃是旋流器水相出口段直径；t是旋流器的壁厚；

则所述三相旋流分离器需要满足如下条件(1)至条件(8)：

条件(1)：b₁＝Q/(2v₁×a₁)，且v₁的范围在8m/s～15m/s之间；

条件(2)：b₂＝Q/(2v₂×a₂)，且v₂的范围在4m/s～10m/s之间；

条件(3)：

条件(4)：

条件(5)：D₃＝0.5D₂；

条件(6)：0.5D₁<D₂<0.75D₁；

条件(7)：0<P₁<l₀-a₁-a₂；

条件(8)：0<P₂<l₃。