CN101380612B - 旋流分离器 - Google Patents

Abstract

分离器包含圆柱形分离器内腔(3)和与之同轴转动的叶轮(2)。叶轮包含芯部(27)、用于接收基本上为轴向的流体流的入口(25)、用于将流体注入分离器内腔的出口(26)、以及在芯部外围且在叶轮入口和出口之间形成的导槽(28)。芯部(27)包含直径(D27)等于或者大于分离器内腔(3)内径(D3)的部分。在所述部分中，导槽(28)纵向延伸，并继续延伸至叶轮的出口(26)，所述叶轮出口基本上呈圆柱形且直径等于分离器内腔(3)的内径。

Description

旋流分离器

本发明一般涉及一种旋流分离器，其用于分离形成流体介质的不同密度且不能混合的成份。

石油生产是该分离器的一个非排他的应用方式。发明人尤其关心该应用但不限于此，在该应用中，分离器放置在例如油井里。该分离器接收来自于生产储罐的包括水和油的流体，并且从中提取出水含量降低的油。从提取的油中分离出的水被重新注入一种级别的储罐，该级别可能与生产储罐的级别不同，而无需在地面装置中分离或者处理。一种变型是分离井中的流体并将二者上升至地面。

本发明的分离器可用于这种装置的其它各种已知用途中，例如气体除尘。

用于分离流体成份的内腔旋流条件对于通过重量进行成份分离尤其重要。在旋流分离器的内腔出口处，与较轻的成份相比，较重的成份从离中心较远的径向位置被提取。在理想的旋流中，从内腔的外围到半径位置，流体介质中微粒的切向速度以双曲线函数关系增大，其中在半径位置达到最大值，然后在所述半径位置和内腔中心之间以线性关系减小。所述切向速度尤其在分离器内腔的中心处为零。在双曲线区域中，这使得流体介质的粒子具有与半径的立方成反比的径向加速度。

文献FR-A-2 592 324描述了用于多相液体的分离器，所述分离器具有圆柱形分离器内腔和绕共有轴线转动的轴向叶轮。所述叶轮包括芯部，导槽绕着所述芯部将流体介质送入内腔以在该处产生旋流。与静态分离器相比，该旋转分离器因为在内腔壁和射入的介质之间存在速度差而具有降低摩擦的优势，而所述摩擦会干扰旋流条件。

实际上，在内腔长度上难以获得旋流条件。

本发明的目的是改进旋转型旋流分离器。尤其希望通过获得对旋流条件的良好控制以改进分离能力。

实施方式中的旋流分离器包括与叶轮同轴且共同被驱动转动的圆柱形分离器内腔。所述叶轮包括芯部、用于接收基本上为轴向的流体流的入口、用于将流体注入分离器内腔的出口、以及在所述芯部外围且在所述叶轮的入口和出口之间形成的多个导槽。所述芯部包括直径大致等于或者大于分离器内腔的直径的部分。在该部分中，导槽基本上呈直线状并平行于分离器内腔的轴线，并且这些导槽基本上以直线方式向叶轮的出口延伸。叶轮出口的端部基本上呈圆柱形，并且直径大致等于分离器内腔的内径。

这种布置接近理想条件，即设备中流体的切向速度的分布作为径向位置的函数符合理论的双曲线关系。于是分离器内腔的流体处于真正的旋流条件下或者非常接近旋流条件。因此分离器的性能得到了改善。

在分离器的实施方式中，对一个或多个以下布置可优选地进行调整：

·导槽在叶轮入口旁基本上呈螺旋形，并使流体逐渐与分离器内腔和叶轮一同转动；

·芯部的所述部分的直径大致等于分离器内腔的内径；

·导槽从芯部的所述部分开始向叶轮的出口方向被再分；并且

·在叶轮出口处导槽的数量大于十，并且典型地不小于二十。

本发明的另一个方面涉及石油生产方法，所述方法包括以下步骤：

·在石油设施中放置至少一个成份分离器，所述分离器包括圆柱形分离器内腔和与之同轴的叶轮，所述叶轮包括芯部、与分离器内腔相对的入口、指向分离器内腔的出口、以及在芯部外围及入口和出口之间形成的多个导槽，叶轮的芯部包括直径大致等于或者大于分离器内腔内径的部分，在所述部分中，导槽基本上呈直线状，且平行于分离器内腔的轴线，基本上呈直线状的导槽从所述部分向叶轮的出口延伸，叶轮的出口基本上呈圆柱形且其直径大致等于分离器内腔的内径，并且分离器内腔在与叶轮相对的端部至少具有同轴的第一和第二出口；

·驱动分离器内腔和叶轮绕其轴线转动；

·将含有油和水的基本为轴向的流体流输送至叶轮的入口；

·从分离器内腔的第一出口收集水；

·从分离器内腔的第二出口提取出驻留水含量降低的石油，第二出口比第一出口更靠近分离器内腔的轴线。

通过下面以非限定性实施例方式并参考附图对本发明的实施方式的描述，可以了解本发明的其它特征和优点。

图1是用于分离流体介质中的成份的分离器的纵向剖面原理图；

图2是图1中分离器的分离器内腔的下游部分的放大图；

图3是本发明类型的分离器的叶轮的放大图；

图4是图3的在参考线IV-IV上横截面图；

图5是图4的在参考线V-V上横截面图；

图6是分离器中叶轮的侧视图，图中没有示出图1中分离器的任何其它元件；

图7是本发明的分离器的叶轮的另一个实施方式的更大放大比例的放大图。

图1是旋流分离器的一个具体实施方式的轴向截面视图。分离器1的该示例包含绕轴线6基本上呈圆柱形的静止外壳5、第一流体出口S1和第二流体出口S2。外壳5具有用于待分离的流体介质的入口E。在外壳5中，圆柱形分离器内腔3和与之同轴的叶轮2同轴地安装在外壳5中，并绕轴线6以枢轴方式转动。

内腔3和叶轮2同属于组件11，所述组件通过轴承12以枢轴方式安装于外壳5内。轴承的数量和位置可以与图1所示的不同。动态密封件13在运动的组件11和静止的外壳5之间提供密封。在图1的实施方式中，运动的组件11由电机4驱动的皮带14带动旋转。

处于待分离的流体介质压力下的流体通过轴向接头10流进分离器1上游端的入口E，所述待分离的流体介质例如为油-水乳状液。

在本实施方式中，第一出口S1由位于分离器1的外壳5上的侧向接头8形成。该第一出口S1的作用是输送具有相对高密度流体的第一成份，所述第一成份在离轴线6一定距离的分离器内腔3的出口，即远离叶轮2的一端被提取。本实施方式中的第二出口S2由以轴线6为轴心的管件7形成，所述管件与分离器内腔3的内部相通。第二出口S2能够输送密度低于第一成份的第二流体成份。

在石油生产的应用中，第一流体成份是水(其驻留油含量比从入口E进入的乳状液中的油含量低得多)，且第二流体成份是油(其驻留水含量比从入口E进入的乳状液中的水含量低得多)。

在通过入口E后，流体介质(油-水)穿入运动的组件11的上游端，进入上游内腔15，并穿过叶轮2，所述叶轮将流体的直线运动转变为绕轴线6且具有与组件11相同转速的旋转运动，所述流体介质以基本上与内腔3的壁相同的切线速度射入分离器内腔3的周边。

通往分离器内腔3的该类入口使得内腔3内流体的切向速度基本上与半径成反比变化，从而在接近中心，即接近轴线6时切向速度急剧增大。这会产生有利于分离流体的加速度，且尤其是随着流动继续时，将密度小于第一流体成份的第二流体成份向分离器内腔3的中心集中。

密度相对较大的第一流体成份(水)通过在内腔下游端的环形第一出口31从分离器内腔中排出，所述环形第一出口与分离器出口S1通过环形管道9相连通。这些元件可以更清晰地在图2中看出，其中图2是图1右手部分的放大视图。在石油生产的应用中，以该方式排出的驻留油含量非常低的水被重新注入到一种级别的储罐中，该级别可以不同于被送至分离器的入口E的乳状液混合物所被取出的储罐的级别。

具有相对较小密度的第二流体成份(油)通过分离器内腔3的第二出口被提取，在本实施方式中，所述第二出口由通向中心管7的微小进孔32形成。图1和图2的实施方式中的管7固定在分离器的外壳5上且不与分离器内腔一同旋转，因而简化了装置的构造。

在分离器内腔3的出口的变体中，所述出口可以如文献FR-A-2771029中描述的那样呈环形且与内腔轴线同轴。旋流分离器出口处可以还有各种布置形式。一般地，当较轻的成份(油)通过更靠近轴线的出口被提取，而较重的成份(水)通过离轴线较远的出口被提取时，该两出口同轴。在这种情况下，除了油和水出口之外还可以设置气体出口(最轻的形态最靠近中心)。

图3是与图1类似的纵向截面图的放大视图，其中显示了本发明的分离器的实施方式中的叶轮2。叶轮2置于上游内腔12和分离器内腔3之间。叶轮2包含与上游内腔15连通的入口25，引导流体介质的导槽28，导向分离器内腔3的出口26，以及基本上以分离器轴线6为轴心的芯部27。芯部27呈非对称的子弹形，例如指向叶轮2的入口以将流体逐渐地导向叶轮2的周边，同时，芯部27朝向分离器内腔3的部分成形为锥形。

图4是图3在参考线IV-IV上的横截面视图。可以看到，导槽28由叶片30形成，叶片30例如为径向叶片，所述叶片从芯部27向组件11的壁延伸，从而形成如图4所示封闭在轮廓内的空腔。

图5是图3在参考线V-V上的横截面视图，即在出口26的区域内的横截面视图。在该区域内，限定导槽28的叶片30与芯部27分离，并保持连接在组件11的壁上，从而形成朝向分离器内腔3内部的空腔，所述空腔面对芯部27的锥形部分。

在出口区域26中，径向叶片30的内端沿着纵向边缘29延伸，所述边缘基本上呈直线并平行于分离器的轴线6。如图3所示，这些边缘29位于延伸分离器内腔3内表面16的圆柱形表面上，所述内表面的内径为D3。该圆柱形表面限定了叶轮2的出口26，以及进入分离器内腔3的入口。

在叶轮的入口25和出口26之间，芯部27包含直径为D27的部分，所述直径D27大于或者等于分离器内腔3的内径D3。图3显示出直径D3和D27相等。当进入分离器内腔3时，即在叶轮的出口26处，流体流必然具有切向速度分量。如果导槽28的外径和分离器内腔的内径D3的过渡如所示那样是渐进的，则其向心速度分量可以非常小。通过布置叶轮2的出口26的形式，注入到内腔3内的流体的切向速度实际上与所述内腔壁的速度相同，因此流体进入分离器内腔3时不会形成不利的摩擦或紊流。

图6是叶轮2的侧视图以显示叶轮上的芯部27和限定出导槽28的径向叶片30的形状。

图6示出的叶轮2包含靠近入口25的导槽28，所述导槽基本上呈螺旋形以使流体逐渐地以与组件11相同的速度转动。之后，导槽28呈直线状并一直到叶轮2的出口处与轴线6基本上平行。

如图6所示，在导槽28变成直线状且呈纵向排列的、直径为D27的部分中，所述导槽被再分成比靠近入口25的导槽数量多的导槽。

导槽28也可以在出口26之前再分成更大的数量，以进一步改善在流体进入分离器内腔3之前作用于其上的旋转驱动力。

在如图6所示的叶轮的实施方式中，在叶轮入口有五个导槽28，在中段有十个导槽28，而在从所述中段延伸一直到叶轮的出口26范围内有二十个导槽。

为了使流体流入分离器内腔3时相对不受到扰动，在叶轮2的出口26处具有相对较大数量的导槽28是有利的。因此，大于十的导槽28的数量是有利的。该数量优选地等于或者大于二十。

图7与图3相似，示出了叶轮2的变体，其中芯部27的中间段直径D27大于分离器内腔直径D3。

上述旋流分离器适合分离任何包含不同密度的无法混合成份的流体介质，而不仅仅是用于分离水和油形成的乳状液。

在以上描述中，流体介质仅包含两种流体成份。自然地，介质可以包含不同密度的多种成份。于是分离器内腔也可包含多于两个的出口以提取各种流体成份。流体介质中待分离的成份不只限于如油和水的液体；所述分离的成份也包含悬浮在流体介质中的气体和/或固体颗粒。

在石油生产应用中，水-油乳状液(可能也包含溶在油中或从地面注入的气体)来自石油储罐并运送至分离器1的入口E中。包含叶轮2和分离器内腔3的运动组件11由例如井底泵输出轴或者靠近分离器的电机来驱动。如果分离器置于井中，通过出口S2提取的油上升至井口的地面设施，而通过出口S1提取的水能够被重新注入一种级别的储罐中，该级别可能不同于处于生产状态的储罐的级别。

可选方案是在井底将流体成份分离但将二者全部输送至地面。另一个可选方案是将乳状液输送至地面并在地面进行分离，比如在海上平台上的应用。再一个可选方案是将流体混合物输送至海底井口，并在海底进行分离。

Claims (12)

1.一种用于分离流体介质成份的分离器，所述分离器包括圆柱形分离器内腔(3)和与之同轴转动的叶轮(2)，其中，所述叶轮(2)包括芯部(27)、用于接收基本上为轴向的流体流的入口(25)、用于将所述流体注入所述分离器内腔中的出口(26)、以及在所述芯部外围且在所述叶轮的入口和出口之间形成的多个导槽(28)，所述分离器的特征在于，所述芯部(27)具有直径大致等于或者大于分离器内腔(3)内径的部分，在所述部分中，所述导槽(28)基本上呈直线状并平行于所述分离器内腔的轴线，基本上呈直线状的导槽从所述部分延伸至所述叶轮的出口(26)，并且所述叶轮的出口基本上呈圆柱形且直径大致等于所述分离器内腔的内径。

2.如权利要求1所述的分离器，其中，所述导槽(28)在所述叶轮(2)的入口(25)旁的部分基本上呈螺旋状，以使流体逐渐地与所述分离器内腔和叶轮一起旋转。

3.如权利要求1所述的分离器，其中，所述芯部(27)的所述部分的直径大致等于所述分离器内腔(3)的内径。

4.如权利要求1所述的分离器，其中，所述导槽(28)从所述芯部(27)的所述部分开始向所述叶轮的出口方向被再分。

5.如前述权利要求中任一项所述的分离器，其中，所述导槽(28)在所述叶轮(2)的出口(26)处的数量大于十。

6.如权利要求5所述的分离器，其中，所述导槽(28)在所述叶轮(2)的出口(26)处的数量不小于二十。

7.一种石油生产方法，包括以下步骤：

在石油设施中放置至少一个成份分离器(1)，所述分离器包括圆柱形分离器内腔(3)和与之同轴的叶轮(2)，所述叶轮包括芯部(27)、与所述分离器内腔(3)相对的入口(25)、指向所述分离器内腔的出口(26)、以及在所述芯部外围且在入口和出口之间形成的多个导槽(28)，所述分离器内腔在与所述叶轮相对的端部至少具有同轴的第一和第二出口(31，32)；

驱动所述分离器内腔(3)和所述叶轮(2)绕其轴线(6)转动；

将含有油和水的基本为轴向的流体流输送至所述叶轮的入口(25)；

从所述分离器内腔(3)的第一出口(31)收集水；

从所述分离器内腔(3)的第二出口(32)提取出驻留水含量降低的石油，所述第二出口比第一出口更靠近所述分离器内腔的轴线(6)；

所述方法的特征在于，所述叶轮(2)的芯部(27)包括直径大致等于或者大于所述分离器内腔(3)的内径的部分，在所述部分中，所述导槽(28)基本上呈直线状并平行于所述分离器内腔的轴线，基本上呈直线状的导槽从所述部分延伸至所述叶轮的出口(26)，并且所述叶轮的出口基本上呈圆柱形且直径大致等于所述分离器内腔(3)的内径。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述导槽(28)在所述叶轮(2)的入口(25)旁的部分基本上呈螺旋状，以使流体逐渐地与所述分离器内腔和叶轮一起旋转。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述芯部(27)的所述部分的直径大致等于所述分离器内腔(3)的内径。

10.如权利要求7所述的方法，其中，所述导槽(28)从所述芯部(27)的所述部分开始向所述叶轮的出口方向被再分。

11.如权利要求7到10中任一项权利要求所述的方法，其中，所述导槽(28)在所述叶轮(2)的出口(26)处的数量大于十。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述导槽(28)在所述叶轮(2)出口(26)处的数量不小于二十。

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