CN102274660B - 气体叶片式气液旋转涡轮分离装置 - Google Patents

Abstract

气体叶片式气液旋转涡轮分离装置，包括安装在支架上的中空的壳体，经由密封及润滑装置而固定于壳体内的转轴，转轴的一端伸出壳体，并有位于壳体内腔中部的分离转子固定在转轴的另一端，且壳体的与分离转子相邻的一端设有气液两相喷嘴，所述分离转子包括固定在转轴上的、轴向上依次设有环形集液槽和环形集气腔的分离盘，集液槽连接有分离锥体并且连通有液体反作用喷嘴，集气腔底部的外周环绕有一圈与该集气腔相连通的气体叶片，且集液槽和集气腔之间设有环形分隔板。壳体的内腔中部在轴向上并排设有由隔板隔离的液体蜗壳和气体蜗壳。本发明结构合理，设计新颖，分离效率高，呈轴向积木式布置，便于拆卸维修；减小轴向的几何尺寸而减小了占地面积。

Description

气体叶片式气液旋转涡轮分离装置

技术领域

本发明涉及一种气液分离设备，具体涉及一种气体叶片式气液旋转涡轮分离装置，属于油气集输系统中的油气分离和天然气脱水技术领域。

背景技术

在石油工业中传统的气液两相分离技术有了很好的发展，但存在三个方面的主要问题：一是传统分离设备体积大、重量大；二是多相流体中的有用能量被部分或完全消耗；三是当泡沫和乳化产生时，分离不彻底。随着我国油气工业的不断发展，特别海洋油气田的开发对油气工业的发展要求，油气分离器从传统的重力式向高效、紧凑、节能的方向发展，国际上许多石油公司尤其对两相中可回收能量的小型分离器非常关注，并投入大量资金进行研究开发。

在“TWO-PHASE REACTION TURBINE”(US4298311，1981.11.3)等专利的基础上，1995年，Hays申请了“HYBRID TWO-PHASE TURBINE”的专利(US5385446，1995.1.31)，提出了旋转涡轮分离器的概念。

Hays专利中的混合两相涡轮中的压能转化装置——气液两相喷嘴，采用可调喉部截面积的不规则流道实现，虽然能够实现一定程度的流量调节，但不能够保证流体压能的高效利用；分离后的液膜一直与气体接触，不利于减小二次混合；分离器气体叶片采用轴向叶片，整体长度较大，占地面积较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种气体叶片式气液旋转涡轮分离装置，不但集气液分离、天然气脱水及轴功输出于一体，还通过对分离器结构进行改进以提高分离效率和对流体压能的利用率，以及减小占地面积，从而克服现有技术的不足。

本发明的气液旋转涡轮分离装置的基本原理，是利用两相喷嘴将高压两相流体转化为高速射流，该高速射流沿近切线方向冲击一分离转子并使其旋转，旋转产生的高离心力使多相流体分离并产生轴功，产生的轴功可以用于其它设备如泵，被分离的气体和液体通过各自的排出口排出分离器。

一种气体叶片式气液旋转涡轮分离器，包括安装在支架上的中空的壳体，经由密封及润滑装置而固定于壳体内的转轴，该转轴的一端伸出壳体，并有位于壳体内腔中部的分离转子固定在转轴的另一端，且壳体的与分离转子相邻的一端设有气液两相喷嘴，其特征在于上述分离转子包括固定在转轴上的、轴向上依次设有环形集液槽和环形集气腔的分离盘，所述集液槽连接有分离锥体并且连通有液体反作用喷嘴，所述集气腔底部的外周环绕有一圈与该集气腔相连通的径向气体叶片，且集液槽和集气腔之间设有环形的分隔板。

为了进一步减小分离后气液再混合，还可对上述壳体做进一步改进，具体是壳体的内腔中部在轴向上并排设有由隔板隔离的液体蜗壳和气体蜗壳，且所述的液体蜗壳和气体蜗壳分别环绕于集液槽和集气腔。

上述液体反作用喷嘴还连接有液体导管，从而确保了对液体反作用喷嘴喷出的液体残余动能的利用并减小再混合。

上述气体叶片彼此等间距地环绕于集气腔底部外周，且气体叶片数量在14～18片范围内。

本发明的分离转子经两相喷嘴的高速两相射流冲击分离转子的分离锥体的内表面后，分离转子旋转并且完成气液分离，在离心力的作用下，液体沿分离锥体的内表面流入分离轮中的集液槽，气体经进入分离轮的集气腔，集液槽和集气腔之间有环状隔板隔开。该结构最大程度减小了分离后气液两相的再混合，最小化了气体夹带和液体的携带，提高了分离效率。

气体和液体分离后分别通过分离转子的气体叶片和液体反作用喷嘴排出，本发明将分离转子上的液体出口和气体出口通道做成与分离转子旋转方向相反的弧形槽。该结构可以利用由离心场产生的高压头给流体以与分离转子旋转方向相反的加速度，使入流流体的角动量减少，从而减少了离开转子时流体的绝对速度的值。其主要作用之一是增加了轴的扭矩，从而增加了输出轴功的可能性，作用之二是使得作用在分离外壳上的绝对冲击速度保持在很低的数值，最小化了对外壳的冲蚀。

在弧形流道的出口连接延长的液体延长喷管和气体延长喷管，使两相更深入各自的排出区域，减小了再混合。该结构的特点是将流体流动方向由轴向改为径向和周向，最大限度的减小了设备的轴向长度，减小了占地空间。

本发明结构合理，设计新颖，分离效率高，使用寿命长，占地面积小。本发明采用上述结构和布局，使分离器整体轴向“积木式”布置，便于拆卸维修；在满足分离器处理量的基础上，结构上最大的特点就是尽可能增大径向的几何尺寸和减小轴向的几何尺寸，减小了分离器占地面积。作为气液排出装置的分离器壳体，沿着轴向方向在壳体内部依次安装有两相喷嘴、分离转子、密封及润滑装置，形成一个封闭的结构。从分离器入口进入的气液两相流体经过两相喷嘴和分离转子分离后，被分离的气相和液相分别从安装在气液排出装置即壳体上部的气体出口和下部的液体出口流出。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图。

图2是本发明的分离转子的立体结构示意图。

图3是本发明的分离转子剖面结构示意图。

图4是本发明的图3的B-B剖面结构示意图。

图5是本发明的壳体的剖面结构示意图。

其中，1、壳体，2、气液两相喷嘴，3、分离转子，4、密封及润滑装置，5、分离器轴，6、支架，7、分离锥体，8、集液槽，9、气体叶片，10、集气腔，11、液体反作用喷嘴，12、轴座，13、液体导管，14液体蜗壳，15气体蜗壳，16、分离盘，17、分隔板，18、隔板。

具体实施方式

如图1～5所示，一种气体叶片式气液旋转涡轮分离器，包括安装在支架6上的中空的壳体1，经由密封及润滑装置4而固定于壳体1内的转轴5，该转轴5的一端伸出壳体(1)，并有位于壳体1内腔中部的分离转子3固定在转轴5的另一端，且壳体1的与分离转子3相邻的一端设有气液两相喷嘴2，其特征在于上述分离转子3包括固定在转轴5上的、轴向上依次设有环形集液槽8和环形集气腔10的分离盘16，所述集液槽8连接有分离锥体7并且连通有液体反作用喷嘴11，所述集气腔10底部的外周环绕有一圈与该集气腔10相连通的气体叶片9，且集液槽8和集气腔10之间设有环形的分隔板17。

如图5所示，为了更充分的利用气液分离时产生的残余动能，还可对上述壳体做进一步改进，具体是壳体1的内腔中部在轴向上并排设有由隔板18隔离的液体蜗壳14和气体蜗壳15，且所述的液体蜗壳14和气体蜗壳15分别环绕于集液槽8和集气腔10，以便分离出的气、液恰好经气体蜗壳15和液体蜗壳14排出本分离装置。

如图2所示，上述液体反作用喷嘴11还连接有液体导管13，从而确保了对液体反作用喷嘴11喷出的液体残余动能的利用并减小再混合。

如图2所示，上述气体叶片9彼此等间距地环绕于集气腔10底部外周，且气体叶片9数量在14～18片范围内，该数量范围既确保了本分离装置有足够多的用于推进旋转的叶片9，又能保证排出气体时的通畅，还不会因设置更多的叶片而增加成本。

实施例

如附图1、5所示，本发明主要包括作为气液排出装置的壳体1、气液两相喷嘴2、分离转子3、密封及润滑装置4、分离器轴5、分离器支架6。壳体1内的空腔为轴向水平的旋转对称结构，壳体1的空腔内从右往左依次设有经密封及润滑装置4而固定在腔内的分离器轴5，分离器轴5一端伸出壳体1，另一端固定有分离转子3且位于腔内的中部，位于分离转子3左侧有气液两相喷嘴2固定在壳体1的左端。发明整体为轴向的“积木式”安装，有利于分离器的维修和零件更换。

如附图2～4所示，本发明的分离转子3主要包括固定在转轴5上的、轴向上依次设有环形集液槽8和环形集气腔10的分离盘16，所述集液槽8连接有分离锥体7，所述的集液槽8连通有液体反作用喷嘴11，所述集气腔10底部的外周环绕有一圈与该集气腔10相连通的径向气体叶片9，且集液槽8和集气腔10之间设有环形的分隔板17。附图2～4所示的液体反作用喷嘴11及其液体导管13均为四个。如图3所示，分离盘16可通过带键槽的轴座12固定在转轴5上，轴座12外周环绕有环状的集气腔10，集气腔10底部的外周均布有与该集气腔10相通的径向气体叶片9，气体叶片9可以彼此等间距地设置多个，从而确保气体对分离转子3旋转推动的效果；环状的集液槽8经环形的分隔板17与集气腔10隔离，外周均布有四个与该集液槽8相通的液体反作用喷嘴11；同样为环状的分离锥体7与上述集液槽8的外边缘相连，以便分离出的液体顺利流入集液槽8。

该结构的形状减轻了其自身的重量，有利于提高分离器的转速和分离效率，上述集液槽和集气腔的分隔设计以及4个液体导管的延长作用，减少了被分离流体的二次混合。从两相喷嘴2中流出的高速两相射流首先冲击分离锥体7并使其旋转产生高离心力，液体在离心力的作用下沿着分离锥体7流入集液槽8，并进入液体反作用喷嘴11后流出分离转子3；气体通过集气腔10进入气体叶片9后流出。通过上述两个途径，完成气液两相的分离。

图4是本发明的反作用喷嘴剖面结构示意图，在分离转子3上设计了4个弧形槽，用于连接分离液两相流体的液体反作用喷嘴11，气液被喷出后对分离转子3产生与其旋转切向速度方向相同的加速力，从而使分离转子3的旋转速度增加，提高轴功输出能力和分离效率。

图5是本发明的作为气液排出装置的壳体1，该壳体1设有环形的液体涡壳14和环形的气体涡壳15，所述液体涡壳14和气体涡壳15之间由环形隔板18隔离。从分离转子3流出的已分离的液体通过液体导管13进入环形液体涡壳14，流入与本分离装置相连的液体容器。从分离转子流出的已分离的气体通过气体叶片9进入环形气体涡壳15流出。环形隔板主要的作用是将已分离的各相流体隔开，避免两相流体的二次混合。

本发明的工作过程为：气液两相流体经气液两相喷嘴2加速后，形成高速两相射流，该射流沿近切线方向冲击分离转子3的分离锥体7，并使其旋转，旋转产生的高离心力使得液体沿着分离锥体7的内表面流入集液槽8，液体在离心力的作用下，经液体反作用喷嘴11加速后，通过液体导管13进入液体涡壳14，排出分离装置。集气腔10中的气体经气体叶片9加速后，通过气体叶片9进入气体涡壳15，排出分离装置。分离器的轴功输出可以通过在分离器轴5上连接泵、压缩机等装置完成。

Claims (4)

1.一种气体叶片式气液旋转涡轮分离装置，包括安装在支架（6）上的中空的壳体（1），经由密封及润滑装置（4）而固定于壳体（1）内的转轴（5），该转轴（5）的一端伸出壳体（1），并有位于壳体（1）内腔中部的分离转子（3）固定在转轴（5）的另一端，且壳体（1）的与分离转子（3）相邻的一端设有气液两相喷嘴（2），其特征在于上述分离转子（3）包括固定在转轴（5）上的、轴向上依次设有环形集液槽（8）和环形集气腔（10）的分离盘（16）,所述环形集液槽（8）连接有分离锥体（7）并且连通有液体反作用喷嘴（11），所述环形集气腔（10）底部的外周环绕有一圈与该环形集气腔（10）相连通的径向气体叶片（9），且环形集液槽（8）和环形集气腔（10）之间设有环形的分隔板（17）。

2.如权利要求1所述的分离装置，其特征在于上述壳体（1）的内腔中部在轴向上并排设有由隔板（18）隔离的液体蜗壳（14）和气体蜗壳（15），且所述的液体蜗壳（14）和气体蜗壳（15）分别环绕于环形集液槽（8）和环形集气腔（10）。

3.如权利要求1所述的分离装置，其特征在于上述液体反作用喷嘴（11）还连接有液体导管（13）。

4.如权利要求1所述的分离装置，其特征在于上述气体叶片（9）彼此等间距地环绕于环形集气腔（10）底部外周，且气体叶片（9）数量在14～18片范围内。