CN101518696A - 油水分离方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油水分离方法及装置，其包括以下内容：设置一螺旋管，螺旋管分为一体连通的等旋转半径的上部管和变旋转半径的下部管，下部管设置为倒锥形，在下部管的管壁内侧间隔设置若干孔洞，在下部管的中心设置一集油管，集油管通过若干个连接管连接对应的孔洞；利用油水之间的密度差以及油水混合液在螺旋管中旋转流动产生的离心力，使密度较大的水相液体向下部管管壁外侧移动，使油相液体在水相液体的压力作用下，向下部管管壁内侧聚集，同时利用逐渐减小下部管的旋转半径，使得油水混合液在流速逐步降低的情况下，离心加速度保持稳定，分离后的水相液体和油水液体，分别通过下部管底部的水相出液口和集油管底部的油相出液口流出。本发明可广泛应用在各种油气田分离系统中。

Description

油水分离方法及装置

技术领域

本发明涉及一种将油水两相混合液进行分离的方法，特别是关于一种应用在海洋生产平台、水下生产系统以及陆上油气田分离系统中的油水分离方法及装置。

背景技术

目前，在海上油气田和陆上油气田生产过程中，油水分离工艺占据着很重要的地位，螺旋管分离技术作为一项新的分离技术，目前还没有在工业中得到广泛的应用。中国科学院力学所的一项实用新型专利“一种复合式油水分离装置”(专利公开号：CN 201101907Y)中首次将螺旋管分离技术与其它分离技术结合应用在分离器中，它采用对螺旋管外壁进行开孔将水相放出的方法实现油水的分离。在较低的螺旋管入口流速下，重力加速度对螺旋管内油水分布情况起着重要的影响作用，当入口流速较大、重力加速度相对于离心加速度较小时，此时管内油水分布情况也不同于低流速下管内的油水分布。通过连接管将螺旋管内分离出的油输送到中心集液管后，等旋转半径螺旋管内流体流速会降低，分离效率会逐渐变差，并且螺旋管的开孔位置也影响螺旋管的整体分离效率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种将油气田中油水精确分离的油水分离方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种油水分离方法，其包括以下内容：1)设置一螺旋管，所述螺旋管分为一体连通的等旋转半径的上部管和变旋转半径的下部管，所述下部管设置为倒锥形，在所述下部管的管壁内侧间隔设置若干孔洞，在所述下部管的中心设置一集油管，所述集油管通过若干个连接管连接对应的所述孔洞；2)利用油水之间的密度差以及油水混合液在所述螺旋管中旋转流动产生的离心力，使密度较大的水相液体向下部管管壁外侧移动，使油相液体在水相液体的压力作用下，向下部管管壁内侧聚集，同时利用逐渐减小下部管的旋转半径，使得油水混合液在流速逐步降低的情况下，离心加速度保持稳定，分离后的水相液体和油水液体，分别通过下部管底部的水相出液口和集油管底部的油相出液口流出。

所述上部管的长度为： $L=\frac{18\mathrm{RD}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}}{d^2({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})u}$ ，根据所述上部管的长度得到所述上部管的圈数为： $n=L/2\mathrm{\πR}=\frac{{9\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}D}{\mathrm{\π}({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})d^{2}u}$ ，其中R为所述螺旋管的旋转半径；D为螺旋管内径；u_cont为油相的动力粘度；d为水相颗粒直径；ρ_disp为水相颗粒的密度；ρ_cont为油相密度；u为油水混合液在所述螺旋管入口的流速。

所述上部管的长度采用以下步骤得到：1)假设油水混合液在所述上部管中的流动为理想状态的层流，且油水两相液体之间不存在剪切作用，则水相颗粒受到的离心加速度为： $a=\sqrt{g^2+\frac{u^4}{R^2}}$ ，从而可得到水相颗粒的离心力为： $F=\mathrm{ma}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}V\×\sqrt{g^2+\frac{u^4}{R^2}},$ 其中u为油水混合液在所述螺旋管入口的流速，g为水相颗粒的重力加速度，R为所述螺旋管的旋转半径，ρ_disp为水相颗粒的密度，V为水相颗粒的体积；由于所述上部管内的流动为层流，将离心加速度的公式带入斯托克斯重力沉降公式 $v=\frac{d^{2}g({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})}{18{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}}$ 中，可得水相颗粒的沉降速度为： $v\′=d^2({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})\sqrt{g^2+u^4/R^2}/18{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}$ ，其中d为水相颗粒直径；ρ_cont为油相密度；μ_cont为油相的动力粘度；2)根据沉降速度和所述螺旋管的管内径确定水相颗粒在所述上部管内的沉降时间为：t＝D/υ′；3)根据水相颗粒的沉降时间和油水混合液在所述螺旋管入口的流速确定所述上部管的长度为： $L=t\×u=\frac{18\mathrm{RD}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}}{d^2({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})u}.$

所述下部管的螺旋线方程为： $\left.\begin{array}{c}x={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cos t\\ y={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\sin t\\ z={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right\}$ ，其中ρ₀为螺旋线上的一点到原点的长度；t为螺旋线上一点的旋转角度，其取值范围为0<t<2π；γ为锥面素线与中心线的夹角；α为第m圈螺旋线与锥面素线的夹角。

所述下部管的螺旋线采用以下步骤得到：1)根据所述下部管第m圈的入口处旋转半径与第m圈出口处的旋转半径之间的约束条件 $\left\{\begin{array}{c}{R}_1\&le;{(1-\frac{\mathrm{n\&Delta;q}}{Q})}^2\&CenterDot;R_0\\ R_1>\frac{d_{\mathrm{cen}}+D}{2}\end{array}\right.$ ，确定所述下部管第m圈的螺旋曲线为： $\mathrm{\&rho;}=\sqrt{R_1^2+\frac{R_1^2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;h}}^2}{{(R_0-R_1)}^2}}\&CenterDot;e^{\mathrm{\&tau;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}$ ，其中α为第m圈螺旋线与锥面素线的夹角；ρ为螺旋线上的一点到原点的长度；τ为螺旋线的旋转角；2)根据第m圈螺旋线方程得到所述下部管的螺旋线参数方程为： $\left.\begin{array}{c}x={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cos t\\ y={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\sin t\\ z={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right\}.$

所述螺旋管的螺距大于等于所述螺旋管的管外径的1倍、小于所述螺旋管的管外径的2倍。

实现上述方法的装置包括一螺旋管，所述螺旋管分为一体连通的等旋转半径的上部管和变旋转半径的下部管，所述下部管为倒锥形，在所述下部管的管壁内侧间隔设置若干孔洞，在所述下部管的中心设置一集油管，所述集油管通过若干个连接管连接对应的所述孔洞。

所述上部管的长度为： $L=\frac{18{\mathrm{RD\&mu;}}_{\mathrm{cont}}}{d^2({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})u}$ ，根据所述上部管的长度得到所述上部管的圈数为： $n=L/2\mathrm{\&pi;R}=\frac{{9\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}D}{\mathrm{\&pi;}({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})d^{2}u}$ ，其中R为所述螺旋管的旋转半径；D为螺旋管内径；u_cont为油相的动力粘度；d为水相颗粒直径；ρ_disp为水相颗粒的密度；ρ_cont为油相密度；u为油水混合液在所述螺旋管入口的流速。

所述下部管的螺旋线方程为： $\left.\begin{array}{c}x={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cos t\\ y={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\sin t\\ z={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right\},$ 其中ρ₀为螺旋线上的一点到原点的长度；t为螺旋线上一点的旋转角度，其取值范围为0<t<2π；γ为锥面素线与中心线的夹角；α为第m圈螺旋线与锥面素线的夹角。

所述螺旋管的螺距大于等于所述螺旋管的管外径的1倍、小于所述螺旋管的管外径的2倍。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用了一螺旋管，并将螺旋管分为一体连通的等旋转半径的上部管和变旋转半径的下部管，当油水混合液经过上部等旋转半径螺旋管流动后，可以产生离心力，使密度较大的水相液体向下部管管壁外侧移动，同时油相液体在水相液体的压力作用下向下部管管壁内侧聚集，因此实现了油水分离的状态。2、本发明由于采用在下部管的管壁内侧间隔设置若干个孔洞，以及在下部管的中心设置有集油管，使集油管通过若干个连接管与对应的孔洞连接，从而使得聚集在下部管管壁内侧的油相液体可以通过连接管流入集油管，并由集油管底部油相出液口流出，水相液体则由下部管底部的水相出液口流出，因此实现了油水分离的目的。3、本发明由于采用倒锥形的下部管，使下部管的旋转半径逐渐减小，使得油水混合液在流速逐步降低的情况下，油水混合液在螺旋管出口处的离心加速度不小于在螺旋管入口处的离心加速度，提高了油水混合液的分离效果。4、本发明由于较精确地设计了上部等旋转半径螺旋管的长度和圈数，并确定螺旋管的螺距大于等于螺旋管管外径的1倍或小于螺旋管管外径的2倍，因此能有效地减小分离系统的体积，并有效地提高了油水混合液的分离效率，使油水分离更加精确。5、本发明由于精确地设计了下部管的螺旋线参数方程，因此进一步提高了油水混合液的分离效率。本发明可广泛应用在各种油气田分离系统中。

附图说明

图1是本发明的整体示意图

图2是图1的剖面示意图

图3是本发明的水相颗粒受力分析

图4是本发明的下部管段螺旋线示意图

图5是本发明在低流速下螺旋管内油水界面示意图

图6是本发明在高流速下螺旋管内油水界面示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明设置一螺旋管1，螺旋管1分为一体连通的圆筒形等旋转半径的上部管2和倒锥形变旋转半径的下部管3。在下部管3的管壁内侧间隔设置有若干个孔洞4，并在下部管3的中心设置一集油管5，集油管5通过若干个连接管6与下部管3内壁上对应的孔洞4连接。

本发明利用油水之间的密度差以及油水混合液在螺旋管1中旋转流动产生的离心力，使油水混合液在上部管2内逐渐产生分离，并进入下部管3中，利用下部管3的变旋转半径实现进一步精确的油水分离。密度较大的水相液体向下部管3的外侧移动，油相液体则在水相液体压力作用下沿径向向下部管3的管壁内侧逐渐聚集，并使聚集在下部管3内侧管壁的油相液体可通过连接管6流入集油管5内。此时，由于分离出的油相液体通过连接管6不断的流入集油管5，导致了螺旋管1内剩余的油水混合液整体流速降低，从而导致了油水混合液的离心加速度减小，因此本发明采用逐渐减小下部管3的旋转半径，从而使得油水混合液的离心加速度不会逐渐变小。最终实现了油水的分离，使下部管3内为体积份数较大的水相液体，并由下部管3底部的水相出液口7流出；集油管5内为体积份数较大的油相液体，并由集油管5底部的油相出液口8流出。

上述实施例中，可以采用以下步骤求出油水混合液基本分离时所需要的m-1圈上部管2的长度和圈数：

1)假设油水混合液在上部管2中的流动为理想状态的层流，水相颗粒直径为d，上部管2的螺旋半径为R，油水混合液的在入口流速为u，且油水两相液体之间不存在剪切作用，则体积为V的水相颗粒受到的离心加速度a为：

a＝u²/R            (1)

如图3所示，由于考虑到水相颗粒还受到重力加速度g的作用，实际上体积为V的水相颗粒受到离心加速度a的方向并不是水平向外的，而是与水平方向存在一定的夹角

由公式(1)可推得水相颗粒运移速度与水平方向夹角为而实际上水相颗粒的离心加速度a为：

$a=\sqrt{g^2+\frac{u^4}{R^2}}---\left(2\right)$

从而可得到水相颗粒的离心力F为：

$F=\mathrm{ma}={\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}V\&times;\sqrt{g^2+\frac{u^4}{R^2}}---\left(3\right)$

上述各公式中，u为油水混合液在螺旋管1的入口流速；g为水相颗粒的重力加速度；R为上部管2的旋转半径；ρ_disp为水相颗粒的密度，即分散相密度；

由于上部管2内的流动为层流，将离心加速度a的公式(2)带入Stokes(斯托克斯)重力沉降公式 $v=\frac{d_{\mathrm{disp}}^{2}g({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})}{{18\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}}$ 中，可得出油水混合液在螺旋管1入口的流速为u时水相颗粒的沉降速度υ′为：

$v\&prime;=d^2({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})\sqrt{g^2+u^4/R^2}/{18\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}---\left(4\right)$

式中，d为水相颗粒直径；ρ_cont为油相颗粒密度，即连续相密度；μ_cont为油相的动力粘度。由公式(4)可以看出，上部管2内水相颗粒在油相中的沉降速度υ′与水相颗粒直径d、油水混合液在螺旋管1入口的流速u成二次方关系，与水相和油相的两相液体之间密度差(ρ_disp-ρ_cont)成正比。

2)根据沉降速度υ′和螺旋管1的管径D确定沉降时间t：螺旋管1管径D的尺寸选择要综合考虑油水混合液在螺旋管1入口时的流速u、油水混合液的流量Q以及系统整体压降ΔP等因素，即D＝f(Q，u，ΔP，…)。在螺旋管1的管径为D时，水相颗粒在上部管2内的沉降时间t为：

t＝D/υ′　　　　(5)

3)根据沉降时间t和水相颗粒在螺旋管1入口的流速u确定使油水充分分离所需要的上部管2的长度L为：

$L=t\&times;u=\frac{18\mathrm{uD}{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}}{d^2({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})\sqrt{g^2+u^4/R^2}}---\left(6\right)$

由公式(6)可知，当水相颗粒受到水平方向的加速度比较大时，水相颗粒受到的重力加速度g可以忽略，则此式可简化为：

$L=\frac{18\mathrm{RD}{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}}{d^2({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})u}---\left(7\right)$

根据上部管2的长度L可确定为达到油水混合液充分分离所需要的上部管2的圈数m-1为：

$m-1=L/2\mathrm{\&pi;R}=\frac{{9\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}D}{\mathrm{\&pi;}({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})d^{2}u}---\left(8\right)$

由公式(8)可以计算出在流体流速与管径一定时，不同情况下的水相颗粒充分沉降所需要的上部管2的圈数。

由上述步骤1)中离心加速度a的公式(1)可知，若本发明采用等旋转半径的螺旋管，油水混合液在螺旋管1出口处的离心加速度a_out要小于在入口处的离心加速度a_in，即a_out<a_in。若要保证油水混合液有效地分离，则油水混合液在螺旋管1出口处的离心加速度a_out应不小于在入口处的离心加速度a_in，也就是a_out≥a_in，因此本发明采用了变旋转半径的下部管3，从而使油水混合液在螺旋管1出口处的离心加速度不会变小，保证了油水混合液的分离效果不会变差。

上述实施例中，可以根据公式(1)对油水混合液在螺旋管1出口处的离心加速度a_out和在入口处的离心加速度a_in进行求解。当油水混合液在第m-1圈上部管2分离后，进入第m圈下部管3内继续不断的分离。此时，设在螺旋管1入口的油水混合液流量为Q，在第m圈下部管3的管壁内侧开的孔洞4的数量为n，则从每一孔洞4通过连接管6流入集油管5的油相液体流量为Δq，螺旋管1的管径为D，集油管5的管径为d_cen。可得到油水混合液在螺旋管1入口处的流速u为：

u＝4Q/πD²             (9)

在第m圈末端出口处油水混合液的流速为：

u₁＝4(Q-nΔq)/πD²      (10)

设下部管3第m圈的入口处旋转半径为R₀，即m-1圈上部管2的旋转半径为R₀；下部管3第m圈的出口处旋转半径为R₁，则油水混合液在下部管3入口处的离心加速度为：

a_in＝u²/R₀＝16Q²/π²D⁴R₀            (11)

油水混合液在下部管3末端出口处的离心加速度为：

a_out＝u₁ ²/R₁＝16(Q-nΔq)²/π²D⁴R₁    (12)

因此，为保证油水混合液在螺旋管1出口处离心加速度不会变小，要逐渐减小螺旋管1的旋转半径。所以本发明采用了下部管3。下部管3第m圈的入口处旋转半径R₀与第m圈出口处的旋转半径R₁应满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1\&le;{(1-\frac{\mathrm{n\&Delta;q}}{Q})}^2\&CenterDot;R_0\\ R_1>\frac{d_{\mathrm{cen}}+D}{2}\end{array}\right.---\left(13\right)$

如图4所示，上述实施例中，油水混合液从上向下流入第m圈下部管3的管段时，可根据下部管3第m圈的入口处旋转半径R₀与第m圈出口处的旋转半径R₁之间的约束条件(13)确定下部管3的螺旋曲线，即确定变旋转半径，以进一步提高油水分离的效率，其步骤包括：

1)假设下部管3的管距为常数Δh，并保证Δh>D时，设在第m圈螺旋线终端处有一点M₀，M₀沿螺旋线即Z轴正向旋转一角度τ后到达点M₁，M₁再旋转一角度dτ后到达点M₂，其中点M₀和点A在一条锥面素线上，点M₂和点B在一条锥面素线上。如图4所示，由于在OM₂上存在一点N使得M₁N⊥OM₂，则在直角三角形M₁NM₂中有：M₁N＝ρ·dτ，NM₂＝OM₂-OM₁＝dρ。

则由 $\tan \mathrm{\&alpha;}=\frac{M_{1}N}{M_{2}N}=\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;\mathrm{d\&tau;}/\mathrm{d\&rho;}$ 可知cotα·dτ＝dρ/ρ，对此式两边积分有：

∫cotα·dτ＝∫dρ/ρ         (14)

由公式(14)可求得lnρ＝cotα·τ+c，即：

ρ＝c·e^τ·cotα              (15)

其中α下部管3第m圈上的螺旋线与锥面素线的夹角；ρ为OM₁的长度，c为积分常数，τ为OM₀与OM₁的夹角，α为第m圈螺旋线与锥面素线的夹角；

当τ＝0时，有 $\mathrm{\&rho;}={\mathrm{\&rho;}}_0=c\&CenterDot;e^0=\sqrt{{R_1}^2+\frac{{R_1}^2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;h}}^2}{{(R_0-R_1)}^2}},$ 因此可求出常数c的公式为：

$c=\sqrt{{R_1}^2+\frac{{R_1}^2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;h}}^2}{{(R_0-R_1)}^2}}---\left(16\right)$

将公式(16)带入公式(15)中可得下部管3的第m圈螺旋线方程为：

$\mathrm{\&rho;}=\sqrt{R_1^2+\frac{R_1^2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;h}}^2}{{(R_0-R_1)}^2}}\&CenterDot;e^{\mathrm{\&tau;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}---\left(17\right)$

2)确定下部管3的各圈螺旋线的方程：如图4所示，由弧长公式可知弧AB＝O₁A×t，同时弧AB＝OA×(τ+dτ)＝OA×τ，则有O₁A×t＝OA×τ，又因为 $\sin \mathrm{\&gamma;}=\frac{O_{1}A}{\mathrm{OA}},$ 因此可求得：

τ＝sinγ·t           (18)

上式式中γ为OA与中心线OO₁之间的夹角，t为点M₀的旋转角度，即O₁A与O₁B之间的夹角；

将式(18)带入式(17)中得：

$\mathrm{\&rho;}=\sqrt{R_1^2+\frac{R_1^2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;h}}^2}{{(R_0-R_1)}^2}}\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}---\left(19\right)$

将式(19)转变为参数方程后，可得到第m圈螺旋线的参数方程为：

$\left.\begin{array}{c}x={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cos t\\ y={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\sin t\\ z={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right\}---\left(20\right)$

其中 $\mathrm{\&gamma;}=\arcsin \frac{O_{1}A}{\mathrm{OA}}=\arcsin \frac{R_0-R_1}{\mathrm{\&Delta;h}};$ $\mathrm{\&alpha;}=\mathrm{arccot}\frac{\mathrm{\&Delta;h}}{{2\mathrm{\&pi;R}}_1};$ t为点M₀旋转角度，其取值范围为0<t<2π；Δh为下部管3的管距；

第m圈以后每圈的螺旋线参数方程依次类推，第m+1圈变螺旋管入口处的旋转半径为第m圈变螺旋管出口处的旋转半径，并且第m+1圈螺旋管出口处旋转半径要满足公式(13)的约束条件。

上述各实施例中，螺旋管1的螺距应大于等于螺旋管1管外径的1倍或小于螺旋管1管外径的2倍，考虑到加工以及施工等其它因素，螺距还可适当增大。因此这样设计螺距能有效地减小分离系统的体积，并且提高了油水混合液的分离效率，这种分离系统尤其适合在海洋采油平台的分离系统中使用。

本发明在使用时，系统的运转完全依靠系统进出口压差进行工作，不需要外部动力输入，没有可移动部件。主要是利用油水之间的密度差以及通过旋转产生的离心力使油水混合液产生分离，使油相液体聚集在下部管3的管壁内侧，当油水混合液在螺旋管1入口流速u较低、油水混合物的离心加速度a相对于重力加速度g不大时，下部管3管壁内侧聚集的油相液体与水想液体之间的界面近似呈斜“C”型(如图5所示)；当油水混合液在螺旋管1入口流速u增大时，离心加速度a也会逐渐增大，螺旋管1内油水重力沉降分离作用相对于离心分离作用逐渐变得不明显，也就是当离心加速度a与重力加速度g的比值u²/Rg足够大，此时下部管3管壁内侧聚集的油相液体与水相液体之间的界面近似呈倒“V”字型(如图6所示)。由此可知，无论何种情况本发明都能实现将油相液体集中在螺旋管1管壁的内侧，不受限于油水混合液在螺旋管1入口的流速u。在不同工况下，在下部管3管壁内侧不同位置开孔以及选择合理的开孔数量，会给整个分离系统的总体分离效率造成影响，螺旋管1的变旋转半径的选取、开孔位置以及孔间距越合理，螺旋管1分离效率将会越高。

上述各实施例中，还可以在结构和连接上有其它变化，例如，集油管5与下部管3的管壁内侧上孔洞4的连接是可以变化的，凡是基于本发明技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1、一种油水分离方法，其包括以下内容：

1)设置一螺旋管，所述螺旋管分为一体连通的等旋转半径的上部管和变旋转半径的下部管，所述下部管设置为倒锥形，在所述下部管的管壁内侧间隔设置若干孔洞，在所述下部管的中心设置一集油管，所述集油管通过若干个连接管连接对应的所述孔洞；

2)利用油水之间的密度差以及油水混合液在所述螺旋管中旋转流动产生的离心力，使密度较大的水相液体向下部管管壁外侧移动，使油相液体在水相液体的压力作用下，向下部管管壁内侧聚集，同时利用逐渐减小下部管的旋转半径，使得油水混合液在流速逐步降低的情况下，离心加速度保持稳定，分离后的水相液体和油水液体，分别通过下部管底部的水相出液口和集油管底部的油相出液口流出。

2、如权利要求1所述的油水分离方法，其特征在于：所述上部管的长度为：

$L=\frac{18\mathrm{RD}{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}}{d^2({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})u}$

根据所述上部管的长度得到所述上部管的圈数为：

$n=L/2\mathrm{\&pi;R}=\frac{9{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}D}{\mathrm{\&pi;}({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})d^{2}u}$

其中R为所述螺旋管的旋转半径；D为螺旋管内径；u_cont为油相的动力粘度；d为水相颗粒直径；ρ_disp为水相颗粒的密度；ρ_cont为油相密度；u为油水混合液在所述螺旋管入口的流速。

3、如权利要求2所述的油水分离方法，其特征在于：所述上部管的长度采用以下步骤得到：

1)假设油水混合液在所述上部管中的流动为理想状态的层流，且油水两相液体之间不存在剪切作用，则水相颗粒受到的离心加速度为：

$a=\sqrt{g^2+\frac{u^4}{R^2}}$

从而可得到水相颗粒的离心力为：

$F=\mathrm{ma}={\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}V\&times;\sqrt{g^2+\frac{u^4}{R^2}}$

其中u为油水混合液在所述螺旋管入口的流速，g为水相颗粒的重力加速度，R为所述螺旋管的旋转半径，ρ_disp为水相颗粒的密度，V为水相颗粒的体积；

由于所述上部管内的流动为层流，将离心加速度的公式带入斯托克斯重力沉降公式 $v=\frac{d^{2}g({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})}{18{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}}$ 中，可得水相颗粒的沉降速度为：

$v\&prime;=d^2({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})\sqrt{g^2+u^4/R^2}/18{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}$

其中d为水相颗粒直径；ρ_cont为油相密度；μ_cont为油相的动力粘度；

2)根据沉降速度和所述螺旋管的管内径确定水相颗粒在所述上部管内的沉降时间为：

t＝D/v′

3)根据水相颗粒的沉降时间和油水混合液在所述螺旋管入口的流速确定所述上部管的长度为：

$L=t\&times;u=\frac{18\mathrm{RD}{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}}{d^2({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})u}.$

4、如权利要求1所述的油水分离方法，其特征在于：所述下部管的螺旋线方程为：

$\left.\begin{array}{c}x={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cos t\\ y={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\sin t\\ z={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right\}$

其中ρ₀为螺旋线上的一点到原点的长度；t为螺旋线上一点的旋转角度，其取值范围为0<t<2π；γ为锥面素线与中心线的夹角；α为第m圈螺旋线与锥面素线的夹角。

5、如权利要求4所述的油水分离方法，其特征在于：所述下部管的螺旋线采用以下步骤得到：

1)根据所述下部管第m圈的入口处旋转半径与第m圈出口处的旋转半径之间的约束条件 $\left\{\begin{array}{c}{R}_1\&le;{(1-\frac{\mathrm{n\&Delta;q}}{Q})}^2\&CenterDot;R_0\\ R_1>\frac{d_{\mathrm{cen}}+D}{2}\end{array}\right.,$ 确定所述下部管第m圈的螺旋曲线为：

$\mathrm{\&rho;}=\sqrt{R_1^2+\frac{R_1^2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{h}^2}{{(R_0-R_1)}^2}}\&CenterDot;e^{\mathrm{\&tau;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}$

其中α为第m圈螺旋线与锥面素线的夹角；ρ为螺旋线上的一点到原点的长度；τ为螺旋线的旋转角；

2)根据第m圈螺旋线方程得到所述下部管的螺旋线参数方程为：

$\left.\begin{array}{c}x={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cos t\\ y={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\sin t\\ z={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right\}.$

6、如权利要求1或2或3或4或5所述的油水分离方法，其特征在于：所述螺旋管的螺距大于等于所述螺旋管的管外径的1倍、小于所述螺旋管的管外径的2倍。

7、一种如权利要求1～6所述方法的油水分离装置，其特征在于：它包括一螺旋管，所述螺旋管分为一体连通的等旋转半径的上部管和变旋转半径的下部管，所述下部管为倒锥形，在所述下部管的管壁内侧间隔设置若干孔洞，在所述下部管的中心设置一集油管，所述集油管通过若干个连接管连接对应的所述孔洞。

8、如权利要求7所述的油水分离装置，其特征在于：所述上部管的长度为：

$L=\frac{18\mathrm{RD}{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}}{d^2({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})u}$

根据所述上部管的长度得到所述上部管的圈数为：

$n=L/2\mathrm{\&pi;R}=\frac{9{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{cont}}D}{\mathrm{\&pi;}({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{cont}})d^{2}u}$

其中R为所述螺旋管的旋转半径；D为螺旋管内径；u_cont为油相的动力粘度；d为水相颗粒直径；ρ_disp为水相颗粒的密度；ρ_cont为油相密度；u为油水混合液在所述螺旋管入口的流速。

9、如权利要求7所述的油水分离装置，其特征在于：所述下部管的螺旋线方程为：

$\left.\begin{array}{c}x={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cos t\\ y={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\sin t\\ z={\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;e^{t\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\cot \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right\}$

其中ρ₀为螺旋线上的一点到原点的长度；t为螺旋线上一点的旋转角度，其取值范围为0<t<2π；γ为锥面素线与中心线的夹角；α为第m圈螺旋线与锥面素线的夹角。

10、如权利要求7或8或9所述的油水分离装置，其特征在于：所述螺旋管的螺距大于等于所述螺旋管的管外径的1倍、小于所述螺旋管的管外径的2倍。

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