CN101983779B - 同向出流倒锥式旋流分离器 - Google Patents

Abstract

一种同向出流倒锥式旋流分离器。主要解决现有水力旋流分离器对细小油滴分离效果不好、体积大不便于安装的问题。其特征在于：在上、下封闭面之间，依次分布旋流腔段、大锥段、小锥段、尾管段以及出口段，上述组件依次连接后形成一个逐渐向中心轴线收敛的旋流腔体；在旋流腔体内，位于上封闭面的内侧面上固定有一个锥形顶针，锥形顶针的锥顶端指向下封闭面一侧；穿过下封闭面的中心，垂向固定接入一根出油管，此出油管的管口位于锥形顶针的锥顶端下方；位于出口段的底端，有一根沿圆周切向水平接入的出水管。该种旋流分离器，具有对细小油滴去除效果好的特点；并且，与传统的水力旋流器相比，流场稳定、分离效率高且便于进行工艺安装。

Description

同向出流倒锥式旋流分离器

技术领域

本发明涉及一种可应用于石油、化工以及环保等领域中的两相分离处理装置，具体地说，是涉及一种水力旋流分离装置。

背景技术

目前，对两相混合物进行快速分离的方法主要有旋流分离、气浮选、过滤和膜分离等方法。这些方法中，各有优缺点，例如：旋流分离法具有设备体积小等优点，但对于细小油滴的去除能力则很有限；气浮选法则仅适应于含油浓度变化范围较小的情况；过滤法虽然可以较好地实现油水两相的分离，但对于高含油污水却需要频繁的反冲洗来保证设备的长期稳定运行；膜分离法中所使用的设备成本较高，对介质条件要求又较为严格。总体来说，应用于旋流分离法的水力旋流器设备体积小、生产成本低，使用与日常维护都较为方便，因此，可以说是目前应用最为广泛的两相分离装置。

水力旋流器的分离原理是利用介质间的密度差而进行离心分离的，密度差越大，分散相的粒径越大，分离效果相对就越好。东北石油大学(原大庆石油学院)针对此类装置已经先后申请了多项专利，如专利号分别为ZL98 2 11681.0、ZL01 2 79933.5、ZL01 2 77425.1、ZL20062 0021175.1以及ZL2009 2 0099307.6等项专利。这些已有技术的应用，可以说能够解决大部分的实际需求，但是，还存在着以下方面的一些缺陷，详述如下：首先，现有水力旋流装置目前在水处理技术领域还存在着对细小油滴去除效果差的问题。尤其是在油田开发进入中高含水开采期后，随着聚驱规模不断扩大，含聚污水采出量逐年增多。由于含聚污水粘度大，油田地面工艺中沉降段除油效率低，增加了过滤段的负荷，造成滤料污染严重，过滤水质变差。而且，越来越多的水驱污水站也已见到聚合物，引起处理水质变差，难以满足注水要求。同时随着三元复合驱油技术的推广应用，可以预见水质形势将更加严峻。因此，如何改善水质已成为油田地面工程系统竞相研究的一个热点问题。其次，现有水力旋流装置多数采用出水口和出油口位于本装置上不同侧的结构，这样，在旋流器内部存在多个方向的旋流运动，从而导致流场不稳定、分离效率低。此外，这种出水口和出油口位于不同侧的结构在与相关配套工艺上的设备进行连接时有时会非常不方便，增加了施工难度。

发明内容

为了解决背景技术中指出的现有技术中存在的问题，本发明提供了一种同向出流倒锥式高效旋流分离器，该种同向出流倒锥式高效旋流分离器，具有对细小油滴去除效果好的特点；并且，与传统的水力旋流器相比，流场稳定、分离效率提高且便于进行工艺安装。本发明的技术方案是：该种同向出流倒锥式高效旋流分离器，包括位于同一水平面上的旋流1号入口管、旋流2号入口管，以及分别位于所述旋流分离器两端的上、下封闭面，其中在所述上、下封闭面之间，依次分布圆台状的旋流腔段、大锥段、小锥段、尾管段以及呈圆柱状的出口段，所述上封闭面、旋流腔段、大锥段、小锥段、尾管段、出口段以及下封闭面依次连接后形成一个逐渐向中心轴线收敛的旋流腔体；在所述旋流腔体内，位于所述上封闭面的内侧面上固定有一个锥形顶针，所述锥形顶针的锥顶端指向所述下封闭面一侧；穿过所述下封闭面的中心，垂向固定接入一根出油管，此出油管的管口位于所述锥形顶针的锥顶端下方，且管口与锥顶端不相触；位于所述出口段的底端，有一根沿圆周切向水平接入的出水管。

本发明具有如下有益效果：

本种同向出流倒锥式高效旋流分离器的主要分离原理以油水两相分离为例，是利用两种不互溶液体介质的密度差而进行离心分离。油与水的混合液由入口管进入旋流腔段，在压力的作用下，在设备内部产生高速旋转，形成高速旋转的涡流。液流沿旋流腔段及锥段下行的过程中，在离心力的作用下，密度较重的水被甩至器壁；同时，密度较轻的油则被迫运移至中心处。在此过程中，由于在旋流器的顶部中心处设计有一个锥型顶针结构，这样做可以使油滴在顶针附近聚集，并在内旋流场的作用下沿顶针向下运移，有利于油水两相的分离，可以提高对细小油滴的分离效率。

此外，该装置中将出水口设计成侧切向出口，与旋流方向相同，这样做既不破坏旋流器内部的流场，又可以增加旋流器有效分离段的长度，可以使除油的效率进一步提高。并且，还缩短了水力旋流器的长度，使得水力旋流器对含油污水的处理效果有很大的改善，这对于水力旋流器的进一步小型化具有重要的指导作用。

本装置中采用同向出流倒锥式设计，使出水口和出油口都位于旋流分离器的一侧，这样在旋流器内部只有向底部出口一个方向的旋流运动存在，使得紊流减少，流场稳定，分离效率提高，同时改变了传统的设计观念。对于某些应用场合，这种结构设计在工艺安装等方面是非常灵活方便的。

本装置中，内部锥段的设计也是为了结合外旋流体整体结构以实现类似常规旋流器结构中的旋流腔段、大锥段、小锥段和尾管段的结构设计，分别起到对混合介质缓冲、快加速、慢加速和稳流的作用；出油管采用内伸结构设计，也可进一步提高脱油效率。

本种同向出流倒锥式高效旋流分离器同其他同类水处理设备相比，具有设备体积小、工艺简单以及占地面积小等突出的优点。既可应用于油田生产，又可应用于市政环保等其它领域，具有可观的推广应用前景。

附图说明：

图1是本发明中所述旋流分离器的三维结构示意图。

图2是本发明中所述旋流分离器的平面剖视结构示意图。

图3是本发明中所述旋流分离器显示液流旋流方向的三维结构示意图。

图中1-旋流1号入口管；2-旋流腔段，3-旋流2号入口管，4-小锥段，5-尾管段，6-下封闭面，7-出水管，8-出油管，9-出口段，10-锥形顶针，11-大锥段，12-上封闭面。

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所示，本种同向出流倒锥式高效旋流分离器，包括位于同一水平面上的旋流1号入口管1、旋流2号入口管3，以及分别位于所述旋流分离器两端的上封闭面12和下封闭面6等一般的水力旋流器结构，而独特之处在于，本种旋流分离器弃用了常规的圆柱形旋流腔体，而采用在所述上、下封闭面之间，依次分布圆台状的旋流腔段2、大锥段11、小锥段4、尾管段5以及呈圆柱状的出口段9这样的结构。在这种新结构中，所述上封闭面12、旋流腔段2、大锥段11、小锥段4、尾管段5、出口段9以及下封闭面6依次连接后形成一个逐渐向中心轴线收敛的旋流腔体，在所述旋流腔体内，位于所述上封闭面12的内侧面上固定有一个锥形顶针10，所述锥形顶针10的锥顶端指向所述下封闭面6一侧。此外，穿过所述下封闭面6的中心，垂向固定接入一根出油管8，此出油管的管口位于所述锥形顶针10的锥顶端下方，且管口与锥顶端不相触，而位于所述出口段9的底端，有一根沿圆周切向水平接入的出水管7。

本发明所做出的结构改进能够带来的有益效果已经在本文的有益效果处加以描述，不再赘述。下面，给出本发明的两个优化实施方案。

方案1，将所述锥形顶针10的母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为夹角α₀，所述旋流腔段2的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为夹角α₁，所述大锥段11的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为α₂，所述小锥段4的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为α₃，所述尾管段5的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为α₄；

其中，夹角α₀～夹角α₄需要同时满足以下6项条件，即

(1)α₀的角度范围在2度～15度之间；

(2)α₁＝α₀+ρ，3度≥ρ≥0度；

(3)α₂＝α₀+θ，15度≥θ≥2度；

(4)α₃＝α₀+ψ，3度≥Ψ≥1度；

(5)α₄＝α₀+γ，2度≥γ≥0度；

(6)α₂＞α₃＞α₁。

上述条件(2)的作用为，限定在旋流腔段，任一环空截面面积保持不变，或者缓慢减小；上述条件(3)的作用为，与条件(6)共同限定在大锥段，自上至下，环空截面面积快速减小；

上述条件(4)的作用为，与条件(6)共同限定在小锥段，自上至下，环空截面面积相对大锥段而言，缓慢减小；

上述条件(5)的作用为，限定在尾管段，任一环空截面面积保持不变，或缓慢减小。

本方案中所给出的角度限定，是对于本方案应用于油、水两相分离时的优选设计方案，能够较好的达到本发明所提出的有益效果。下面的一个方案则是本发明应用于气、液两相分离或固、液两相分离时的优选设计方案。

方案2，将所述锥形顶针10的母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为夹角α₀，所述旋流腔段2的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为夹角α₁，所述大锥段11的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为α₂，所述小锥段4的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为α₃，所述尾管段5的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为α₄；

其中，夹角α₀～夹角α₄需要同时满足以下6项条件，即

(1)α₀的角度范围在2度～15度之间；

(2)α₁＝α₀+ρ，3度≥ρ≥0度；

(3)α₂＝α₁+θ，5度≥θ≥0度；

(4)α₃＝α₀+ψ，5度≥Ψ≥0度；

(5)α₄＝α₃+γ，5度≥γ≥0度；

(6)α₂≥α₃≥α₁。

根据本方案中的角度范围限定可知，在本发明应用于气、液两相分离或固、液两相分离时，可以不设大锥段和尾管段，基本不会影响分离效果，能够降低制造时的工艺难度，降低生产成本。

Claims (3)

1.一种同向出流倒锥式旋流分离器，包括位于同一水平面上的旋流1号入口管（1）、旋流2号入口管（3），以及分别位于所述旋流分离器两端的上、下封闭面（12,6），其特征在于：

在所述上、下封闭面（12,6）之间，依次分布圆台状的旋流腔段（2）、大锥段（11）、小锥段（4）、圆台状的尾管段（5）以及呈圆柱状的出口段（9），所述上封闭面（12）、旋流腔段（2）、大锥段（11）、小锥段（4）、尾管段（5）、出口段（9）以及下封闭面（6）依次连接后形成一个逐渐向中心轴线收敛的旋流腔体；在所述旋流腔体内，位于所述上封闭面（12）的内侧面上固定有一个锥形顶针（10），所述锥形顶针（10）的锥顶端指向所述下封闭面（6）一侧；

穿过所述下封闭面（6）的中心，垂向固定接入一根出油管（8），此出油管的管口位于所述锥形顶针（10）的锥顶端下方，且管口与锥顶端不相触；

位于所述出口段（9）的底端，有一根沿圆周切向水平接入的出水管（7）。

2.根据权利要求1所述的一种同向出流倒锥式旋流分离器，其特征在于：

将所述锥形顶针（10）的母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为夹角α₀，所述旋流腔段（2）的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为夹角α₁，所述大锥段（11）的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为α₂，所述小锥段（4）的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为α₃，所述尾管段（5）的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为α₄；

其中，夹角α₀～夹角α₄需要同时满足以下6项条件，即

(1)α₀的角度范围在2度～15度之间；

(2) α₁ =α₀ +ρ， 3度≥ρ≥0度；

(3) α₂ =α₀ +θ， 15度≥θ≥2度；

(4) α₃ =α₀ +ψ， 3度≥ψ≥1度；

(5) α₄ =α₀ +γ， 2度≥γ≥0度；

(6) α₂＞α₃＞α₁。

3.根据权利要求1所述的一种同向出流倒锥式旋流分离器，其特征在于：

将所述锥形顶针（10）的母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为夹角α₀，所述旋流腔段（2）的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为夹角α₁，所述大锥段（11）的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为α₂，所述小锥段（4）的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为α₃，所述尾管段（5）的外廓母线与所述旋流分离器中心轴线之间所形成的夹角定义为α₄；

其中，夹角α₀～夹角α₄需要同时满足以下6项条件，即

(1)α₀的角度范围在2度～15度之间；

(2) α₁ =α₀ +ρ， 3度≥ρ≥0度；

(3) α₂ =α₁+θ， 5度≥θ≥0度；

(4) α₃ =α₀ +ψ， 5度≥ψ≥0度；

(5) α₄ =α₃  +γ， 5度≥γ≥0度；

(6) α₂≥α₃≥α₁。

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