CN112371360A - 弯管聚结式三相旋流分离器 - Google Patents

Abstract

一种弯管聚结式三相旋流分离器。其特征在于：所述旋流分离器包括外筒、内筒、聚结弯管和导流口；外筒包括气相出口和大圆台，内筒包括双切向入口、旋流段、锥段、底流段、小圆台、环形油相出口、水相出口以及隔离体；所述内筒外壁与外筒内壁形成气液分离空间；所述聚结弯管采用渐变的弯径，所述导流口为弧线型所述聚结弯管内置在内筒隔离体内，隔离体下方侧面开孔，连接聚结弯管入口，所述聚结弯管入口、聚结弯管与导流口为一体化连接。所述弯管聚结式三相旋流分离器具有设备体积小、结构紧凑、流场稳定、分离效率高以及适用范围广的特点，可有效解决相关领域在生产实际中面临的三相分离设备效率低、占地大、处理过程不连续等问题。

Description

弯管聚结式三相旋流分离器

技术领域：

本发明涉及一种应用于石油、化工、水处理等领域中的多相介质分离装置。

背景技术：

目前，对于三相分离主要采用重力沉降法和旋流分离法。重力沉降法中，重力沉降罐内部通常设置有堰板等组件，结构较为复杂，还存在分离时间长、占地面积大等突出弊端。旋流分离法中的旋流分离器，是一种利用离心力场进行两相或多相分离的设备，其结构简单、处理量大、分离效率高，在石油、化工以及环保等行业应用越来越广泛，但旋流分离器多适用于两相分离且对分离粒径小的离散相较为困难。

东北石油大学(原大庆石油学院)先后针对旋流分离器申请了多项发明专利，如ZL201510366926.7、ZL201410675327.9、ZL201410658938.2、ZL201210345243.X、ZL201210346843.8、ZL201210196492.7、ZL201710185529.9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。但是以上的这些发明，都存在对粒径小的离散相分离效果差的问题，而且在气体含量大的情况下对气体分离效果较差。

现在，油田进入开发的中后期后，需要处理的含油污水量不断增加，污水成分复杂，含气量大，油的乳化程度也逐渐增大。乳化液中油滴的粒径小于100μm，由于油滴乳化，使破碎的小油滴未经分离而直接从分离器底流口排出，对分离效果造成一定的影响，而油田生产液高含气也导致油水分离的效率下降，增加了后续分离处理成本。如何改进相分离旋流器结构，实现油气水三相高效分离，已经成为油气田地面工程系统及相关行业中的一个亟需解决的难题。

发明内容：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种弯管聚结式三相旋流分离器，该种分离器具有分离效率高、结构简单紧凑、适用面广等许多突出的优点，同目前常用的分离器相比，这种新结构的分离器可以在混合介质分离前实现小粒径的离散相聚结成较大粒径离散相，使离散相与连续相更好分离，实现三相高效分离。

本发明的技术方案是：该种弯管聚结式三相旋流分离器，包括外筒12和内筒5，其独特之处在于：

所述外筒为空心的圆柱结构体，外筒12侧面中间部位开有孔，水相出口9从该孔伸出；外筒12上方内部连接大圆台13，所述大圆台为锥台结构体，与外筒具有相同的轴线，大圆台13中心处开有气相出口14；所述外筒的底部中央开有大孔并连接有短管。

所述内筒包括顺次连接的旋流段6、锥段7、底流段8和小圆台11。所述旋流段6与底流段8为空心的圆柱结构体，锥段7为上下两端未封闭的空心锥台结构体，小圆台11为上端封闭的空心锥台结构体；小圆台11连接在底流段8的上方；小圆台11的侧面开有孔，用于伸出聚结弯管导流管10；沿旋流段6底端的外壁切向接入双切向入口3；在底流段8侧面上方连接一根水平的水相出口管9。

所述内筒内固定有隔离体15，隔离体15的主体为空心管，所述隔离体的上端沿径向延伸至底流段8的内壁并作一体化密封连接，使得隔离体15的外壁和底流段8的内壁之间形成第一环形空间，所述第一环形空间与小圆台11的内部空间不连通；所述隔离体的底端封闭，在位于底端之上的位置，开有弯管引出孔；所述隔离体的底端位于所述外筒底部中央的短管内，所述短管的内壁与所述隔离体的底端外壁之间形成第二环形空间，所述第二环形空间是油相出口4。

所述旋流分离器还包括聚结弯管，所述聚结弯管为S形，内置在隔离体15内，在所述隔离体15内以S形向上不断延伸；所述聚结弯管的两端一体化连接有聚结弯管入口管1和聚结弯管导流管10；聚结弯管入口管1由所述弯管引出孔引出后置于所述外筒底部中央的短管外，聚结弯管导流管10经由小圆台11侧面开孔引出后置于外筒12的内腔中。

本发明具有如下有益效果：弯管聚结式三相旋流分离器是三相一体化分离装置，具有外筒、内筒、聚结弯管以及导流管，外筒与内筒之间的部分形成气液分离空间，外筒大圆台与内筒小圆台之间有较大的空间，可以保证气体含量大时，气液也能充分分离，且能有效地改善气相出口夹液情况。内筒是一个带小圆台的倒置油水分离旋流器，与外筒保持同轴，内筒中设置聚结弯管，因为整个聚结弯管的弯径比和弯曲方向是规律性变化的，使不同粒径的油滴在流向下一个弯管的过程中因移动时间、相对位置的差异，引起它们在相同方向上的速度却不同，使油滴间的碰撞机率变大，碰撞时的相互挤压会促使界面膜破裂，聚合成更大的油滴。随着油滴粒径的增大，当弯径比过小时容易使聚结的油滴发生挤压破碎，通过改变弯管的弯径比，使弯管更好地适用于不同粒径油滴的聚结，同时随着弯径比的增大，弯管中气液混合相受到的离心力作用时间增长，保证了聚结弯管导流管流出的气液混合相的速度。聚结弯管不仅可以使油滴聚结，导流口还有一定的导流作用，对气液混合相起到造旋的作用。气液混合相首先经弯管聚结后进入外筒发生气液分离，然后油水混合相通过双切向入口进入内筒内进行油水分离。该结构不仅可实现油气水三相分离，还可通过改变相关结构的尺寸参数来实现其他气液液、气液固三相分离以及两相(气-液、液-固和液-液)分离的二级精细处理。

综上所述，弯管聚结式三相分离旋流器具有设备体积小、结构紧凑、流场稳定、分离效率高、适用范围广等优点，增加弯管结构使分离效果更加理想，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效率低、占地大、处理过程不连续等难题。

附图说明：

图1是本发明所述弯管聚结式三相旋流分离器的结构示意图。

图2是本发明所述弯管聚结式三相旋流分离器的轴侧图。

图3本发明所述弯管聚结式三相旋流分离器之聚结弯管的原理图。

图4是本发明所述弯管聚结式三相旋流分离器中聚结弯管导流管的尺寸标注图。

图5是本发明所述弯管聚结式三相旋流分离器中聚结弯管的尺寸标注图。

图6是本发明所述弯管聚结式三相旋流分离器的尺寸标注图。

图中1-聚结弯管入口管；2-聚结弯管；3-双切向入口；4-油相出口；5-内筒；6-旋流段；7-锥段；8-底流段；9-水相出口；10-聚结弯管导流管；11-小圆台；12-外筒；13-大圆台；14-气相出口；15-隔离体。

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6所示，本种弯管聚结式三相旋流分离器是一个一体化分离装置，主要由外筒12、内筒5、聚结弯管2、聚结弯管导流管10组成。内筒主要由双切向入口3、旋流段6、锥段7、底流段8、小圆台11、环形油相出口4、水相出口9、隔离体15等部分组成，外筒主要由气相出口14、大圆台11组成，内筒外壁与外筒内壁形成气液分离空间。

所述外筒为圆柱结构体，外筒12侧面中间部位开有孔，水相出口9从该孔伸出；外筒12上方内部连接大圆台13，所述大圆台为锥台结构体，与外筒具有相同的轴线，大圆台13中心处开有气相出口14；

所述内筒包括顺次连接的旋流段6、锥段7、底流段8、小圆台11；所述旋流段6与底流段8为圆柱结构体，锥段7为锥台结构体；沿旋流段6底端的外壁切向接入双切向入口3；底流段上方连接一个小圆台11，所述小圆台11为锥台结构体，小圆台11侧面开孔，伸出导流口10，所述底流段8侧面上方连接水相出口9；所述内筒内固定有隔离体15，隔离体15为环形结构，在内筒5底部开有孔，所述孔内壁与隔离体外壁之间的环形空间为环形油相出4。

所述聚结弯管内置在内筒隔离体15内，隔离体下方侧面开孔，连接聚结弯管入口管1，所述聚结弯管入口管1、聚结弯管2与聚结弯管导流管10为一体化连接，所述聚结弯管2按照如下路径构建：

所述聚结弯管按照如下路径构建：

聚结弯管入口管1进入所述内筒前的长度为d₁，聚结弯管入口管1入口直径为d₃，所述聚结弯管的S形部分相对两侧圆弧面切线之间的垂直距离为d₂，S形部分的弯管半径为r_n、管心距为d_n，直线段长度为d₄，弯管个数为n。

所述聚结弯管在向上延伸过程中，d₂和d₃的数值保持不变，d₂＝d₄+2r_n，弯管半径r_n在所述聚结弯管向上延伸的过程中成倍数增大，r_n＝x·r_n-1，其中1＜n＜30，1≤x≤2，管心距d_n＝1/2(r_n+r_n+1)。从而使得本种旋流三相分离器相对于现有分离器具有一个弯径比渐变的聚结弯管和弧线型导流口。

所述外筒内部连接内筒5和聚结弯管2，所述外筒12与内筒5具有相同的中心轴线，内筒5连接在外筒12底部，内筒5的环形油相出口4从外筒12底部伸出。

本种弯管聚结式三相分离旋流器的分离原理是利用互不相溶介质的密度差在离心力作用下进行分离的。以油气水三相混合介质为例，首先气液混合相通过入口1进入聚结弯管2，气液混合相流经弯管2时油滴的速度分布变得不均匀，油滴由于速度梯度发生不同位置上的聚结，聚结弯管2弯径比逐渐增大，避免了聚结后的油滴发生挤压破碎，提高了聚结效率。聚结后的气液混合相通过导流口10进入外筒12的气液分离空间，导流口10呈弧形分布且倾斜向下，将气液混合相的直线运动变成圆周运动，对气液混合相起到导流和造旋的作用，同时降低压力损失，使流场更加稳定。气液混合相从导流口10进入到外筒12的中上部，由于液相密度大，主要向下流动，导流口10在外筒12中上部可以减少气相出口14中液相的含量，提高气相纯度。气液混合相边旋转边向下运动，由于内筒5存在使外部的气液分离空间的横截面积逐渐减小。密度小的气相在离心力的作用下向内筒5结构外壁附近运移，不断向上运移最终从顶部的气相出口14排出，内筒带有的小圆台结构11，增大了气相所受的举升力，使气相更好地向上运移，进而提高气相分离效率，顶部的大圆台结构13降低了气相出口压力损失，同时改善了短路流的现象。而密度较大的油水混合相则被甩向边壁，逐渐运移到外筒底部通过双切向入口3进入内筒中，后面连续流入的油水混合相推动旋流腔6内的油水混合相边旋转边向锥段7运动。密度较小的油滴边旋转边向中间聚集最终由置于底部的环形油相出口4排出，而密度较大的水相被甩到边壁后由底流段8的水相出口9排出。经过聚结弯管2聚结后的油滴粒径增大，使油相和水相更容易分离，最终实现油气水三相的高效分离。

优选地，具体实施时，聚结弯管导流管为弧线形，由I段和II段弧线围成，坐标轴如图4中所示，所述I段弧线的解析式为：

定义域：x∈[-r,0],y∈[0,rcosθ],z∈[-rsinθ，0]

II段弧线的解析式为：

定义域：

x∈[0,r],y∈[-rsin(λ-90°)cosθ,rcosθ],z∈[-[rsin(λ-90°)+2r]sinθ,-rsinθ]

其中：

r-弧线半径，I段和II段弧线半径，

r₁-导圆角半径，

θ-II段弧面与水平面夹角，I段弧面与水平面夹角为-θ，10°≤θ≤45°；

δ-I段弧线度数，δ＝90°；

λ-II段弧线度数，90°≤λ≤180°。

弧线形导流口可以有很多种形式，其表达公式也不唯一。以上确定了弧线形入口的形状以及位置，但在实际应用中，可将入口处的局部位置进行圆角或倒角处理，这样更加有利于混合液进入气液分离空间后迅速形成较为稳定的液流。

下面给出本技术方案实施的优选参数及尺寸,如图6所示：

d₃-弯管入口直径，d₃＝(0.1～0.3)l₁；

D₁-外筒主直径；根据所分离介质的物性参数及入口流量确定；

D₂-内筒旋流腔直径；D₂＝(0.5～0.75)D₁；

D₃-环形油相出口直径；D₃＝(0.4～0.6)D₂；

D₄-底流段直径；D₄＝(0.25～0.6)D₁；

D₅-小圆台上部直径；D₅＝(0.1～0.5)D₄；

D₆-大圆台上部直径；D₆＝(0.2～0.4)D₁；

D₇-气相出口直径；D₇＝(0.1～0.3)D₁；

D₈-水相出口直径；D₈＝(0.1～0.3)D₄；

r_n-弯管半径；r_n＝x·r_n-1，其中1＜n＜30，1≤x≤2；

α-锥段锥角；一般为0～30°；

β-小圆台锥角；一般为0～90°；

γ-大圆台锥角；一般为0～60°；

t-旋流器壁厚；t＝2～5mm；

a-双切向入口高度；9～14mm；

b-双切向入口宽度；b＝Q/(2v×a)，Q是旋流器的处理量，v是旋流器外圆筒入口速度，入口速度在8～15m/s；

l₀-外筒总长度；l₀＝(3～10)D₁；

l₁-环形溢流口长度；l₁＝(0.2～0.4)D₂；

l₂-旋流段长度；l₂＝(0.7～1.2)D₂；

l₃-底流段长度；l₃＝(0.8～3)D₄；

l₄-气相出口伸入气液分离腔长度；l₄＝(0.2～0.5)D₁。

Claims (3)

1.一种弯管聚结式三相旋流分离器，包括外筒(12)和内筒(5)，其特征在于：

所述外筒为空心的圆柱结构体，外筒(12)侧面中间部位开有孔，水相出口(9)从该孔伸出；外筒(12)上方内部连接大圆台(13)，所述大圆台为锥台结构体，与外筒具有相同的轴线，大圆台(13)中心处开有气相出口(14)；所述外筒的底部中央开有大孔并连接有短管；

所述内筒包括顺次连接的旋流段(6)、锥段(7)、底流段(8)和小圆台(11)；所述旋流段(6)与底流段(8)为空心的圆柱结构体，锥段(7)为上下两端未封闭的空心锥台结构体，小圆台(11)为上端封闭的空心锥台结构体；小圆台(11)连接在底流段(8)的上方；小圆台(11)的侧面开有孔，用于伸出聚结弯管导流管(10)；沿旋流段(6)底端的外壁切向接入双切向入口(3)；在底流段(8)侧面上方连接一根水平的水相出口管(9)；

所述内筒内固定有隔离体(15)，隔离体(15)的主体为空心管，所述隔离体的上端沿径向延伸至底流段(8)的内壁并作一体化密封连接，使得隔离体(15)的外壁和底流段(8)的内壁之间形成第一环形空间，所述第一环形空间与小圆台(11)的内部空间不连通；所述隔离体的底端封闭，在位于底端之上的位置，开有弯管引出孔；所述隔离体的底端位于所述外筒底部中央的短管内，所述短管的内壁与所述隔离体的底端外壁之间形成第二环形空间，所述第二环形空间是油相出口(4)；

所述旋流分离器还包括聚结弯管，所述聚结弯管为S形，内置在隔离体(15)内，在所述隔离体(15)内以S形向上不断延伸；所述聚结弯管的两端一体化连接有聚结弯管入口管(1)和聚结弯管导流管(10)；聚结弯管入口管(1)由所述弯管引出孔引出后置于所述外筒底部中央的短管外，聚结弯管导流管(10)经由小圆台(11)侧面开孔引出后置于外筒(12)的内腔中。

2.根据权利要求1所述的弯管聚结式三相旋流分离器，其特征在于，所述聚结弯管按照如下路径构建：

聚结弯管入口管(1)进入所述内筒前的长度为d₁，聚结弯管入口管(1)入口直径为d₃，所述聚结弯管的S形部分相对两侧圆弧面切线之间的垂直距离为d₂，S形部分的弯管半径为r_n、管心距为d_n，直线段长度为d₄，弯管个数为n；

所述聚结弯管在向上延伸过程中，d₂和d₃的数值保持不变，d₂＝d₄+2r_n，弯管半径r_n在所述聚结弯管向上延伸的过程中成倍数增大，r_n＝x·r_n-1，其中1＜n＜30，1≤x≤2，管心距d_n＝1/2(r_n+r_n+1)。

3.根据权利要求1或2所述的弯管聚结式三相旋流分离器，其特征在于：聚结弯管导流管(10)为弧线形，由I段弧线管和II段弧线管围成；

所述I段弧线管的弧线解析式为：

定义域：x∈[-r,0],y∈[0,rcosθ],z∈[-rsinθ，0]

所述II段弧线管的弧线解析式为：

定义域：x∈[0,r],y∈[-rsin(λ-90°)cosθ,rcosθ],z∈[-[rsin(λ-90°)+2r]sinθ,-rsinθ]

其中：

r-弧线半径，

r₁-导圆角半径，

θ-I段弧面与水平面夹角，I段弧面与水平面夹角为-θ，10°≤θ≤45°；

δ-I段弧线度数，δ＝90°；

λ-I段弧线度数，90°≤λ≤180°；

d₃-聚结弯管入口管入口直径；

D₁-外筒主直径，根据所分离介质的物性参数及入口流量确定；

D₄-内筒底流段直径，D₄＝(0.25～0.6)D₁。

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