CN105498987A - 三相分离旋流器 - Google Patents

Abstract

一种三相分离旋流器。主要解决现有的气液固三相旋流分离器在对含有伴生气和泥砂等杂质的油田采出液进行分离时分离效果不好的问题。其特征在于：旋流腔体段的顶端中央开孔，固定连接富集室套管，套管的内壁底端具有一个环绕的坡面缩径台阶；在富集室套管内的中央部分通过环形上封板固定连接有开有若干气孔的气相出口套管，气相出口套管的底端为环形坡面板，二者之间形成的折流通道为所述气体富集室的入口；在气相出口套管内，连接溢流管，管的底端具有凸缘；由锥管段开始，延及尾管段，在外壁上开有一条连续的且向外膨出的螺旋流道，螺旋流道的尾端通过过渡通道切向连接切向出口方形管。

Description

三相分离旋流器

技术领域

本发明涉及一种应用于石油、水处理、化工和环保工程等领域中的气液固三相分离装置。

背景技术

随着油田的逐渐开发，油田采出液中的伴生气和砂逐渐增多。原油中伴生气的存在影响着泵的工作效率和后期的油水分离。并且，伴生气的回收利用减少了能源的浪费，所以越来越受到人们的重视，部分国家已经出台了相关的法律来强制要求伴生气的分离及回收利用。原油中的砂对原油的集输系统造成许多危害，例如，对管路的磨损和堵塞，影响着沉降设备的分离效率等。目前，伴生气的分离方法主要包括惯性分离、重力沉降、离心分离等几种方法。惯性分离的原理是带有雾滴的气体急速转向或撞向折流板，由于气液之间存在密度差，在惯性的作用下，小雾滴在折流板的转折处脱离了气体流，在重力的作用下小液滴被捕集到装置底部，而气体则从折流板顺利通过。惯性分离由于制作简便，体积小，处理能力大等优点被广泛应用于石油化工等行业。但是，惯性分离一般适用于分离气体中小液滴体积分数较小的流体。重力沉降的原理是混合液进入沉降罐，由于液体和气体的密度不同，混合液中的气泡不断上浮，从而实现气液两相的分离。重力沉降对来液要求较低，操作简单，但体积相对较大，分离周期长。离心分离的原理是混合液从入口进入旋流器，在离心力的作用下密度较大的水相逐渐向边壁运动，密度较小的气相逐渐向中心处靠近，边运动小气泡边汇聚成大气泡，最终在旋流器中心处产生气柱从溢流口排出。而除砂的方法主要有重力沉降、过滤分离和离心分离。重力沉降除砂的原理与重力沉降脱气的原理和特点基本一致，这里不再赘述。过滤分离是利用介质的粒径不同而实现分离的，分离效率较高，但一般适用于分离固相体积分数较小的混合液，且过滤设备需要反冲洗，占地面积大。离心分离的原理是固液混合流体进入旋流器内，固相在离心力和重力的作用下被甩向壁面，并逐渐下滑最终由底流口排出，而大部分液相则从溢流口排出。气液固三相分离旋流器是利用介质间的密度差来实现三相分离的，密度差越大，离散相的粒径越大，分离效果越好，由此导致了目前的气液固三相分离旋流器在处理含有伴生气和泥砂等杂质的油田采出液分离效果不好，普遍存在循环流和短路流的问题。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种三相分离旋流器，该种三相分离旋流器不但体积小、操作方便，处理含有伴生气和泥砂等杂质的油田采出液时分离效果好，而且在一定程度上解决了循环流和短路流的问题。

本发明的技术方案是：该种三相分离旋流器，由旋流腔体段、锥管段以及尾管段依次连接后构成，其中，旋流腔体段为顶端封闭的圆筒形结构，带有一对切向接入的旋流入口管，尾管段的底端封闭，所述底端内垂向固定有内锥，其独特之处在于：

所述旋流腔体段的顶端中央开孔，固定连接有一个富集室套管，所述富集室套管的内壁底端具有一个环绕的坡面缩径台阶；在所述富集室套管内的中央部分通过环形上封板固定连接有开有若干气孔的气相出口套管，气相出口套管的底端为环形坡面板，气相出口套管的外壁与富集室套管的内壁之间形成的腔体为气体富集室；所述环形坡面板的坡度与坡面缩径台阶的坡度相同，二者之间形成的折流通道为所述气体富集室的入口；

在气相出口套管内，通过其底端的所述环形坡面板固定连接一根垂向插入的溢流管，溢流管顶端在垂向位置上高于环形上封板所在位置，溢流管底端在垂向位置上接近于旋流腔体段与锥管段的结合处；溢流管的底端具有一个呈圆弧过渡结构的向外扩张的凸缘；

由锥管段开始，延及尾管段，在外壁上开有一条连续的且向外膨出的螺旋流道，所述螺旋流道对应锥管段上的部分为流道横截面积逐渐增大的变直径螺旋流道，对应尾管段上的部分为流道横截面积不变的等直径螺旋流道，在所述等直径螺旋流道的尾端通过过渡通道切向连接切向出口方形管。

本发明具有如下有益效果：本种三相分离旋流器将气液固三相混合液从双切向入口进入旋流器，形成涡流，在离心力的作用下气相最先汇聚到旋流器的中心部分，进入富集室。富集室未伸入到旋流腔内是为了防止循环流，富集室入口靠近溢流管外壁，且采用折形流道为了防止短路流的产生；气相在富集室内继续边旋转边分离，进一步将气相浓度较低的流体被挤向外壁处，高浓度的气体分离到富集室内壁处，从小孔进入气相出口，并排出旋流器。由于混合液中气体的存在，液体并不是一进入旋流器立即汇集到旋流器中心处，而是汇集到入口下方的中心处，从伸入至旋流器内的溢流管排出，旋流器的溢流口伸入长度较长，且在内端面增加凸缘是为了减少气相进入溢流管，且为少量没有进入富集室的气相提供举升力。而混合液中的固相由于密度最大，在离心力的作用下被甩向壁面，进入螺旋流道，在螺旋流道内边旋转向下边汇集固相颗粒，螺旋流道的设计一方面是为了减小常规切向出口的应力集中和部分固相在靠近切向出口处且难以从切向出口排出的问题，另一方面是为了减少固相从溢流口排出的可能。综上所述，本种旋流分离器体积小、结构紧凑，在一定程度上解决了短路流和循环流的问题，此外，螺旋流道的设计减弱了液相出口易夹带固相的问题，可用于密度不同的三相互不相溶介质的一体化旋流分离，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是本发明的纵剖面示意图。

图2是图1中的A-A截面剖面结构示意图。

图3是本发明的三维立体结构示意图。

图4、图5是本发明具体实施时具体的尺寸关系示意图。

图中1-溢流管，2-气相出口套管，3-富集室套管，4-旋流入口管，5-旋流腔体段，6-凸缘，7-锥管段，8-螺旋流道（Ⅰ-变直径螺旋流道；Ⅱ-等直径螺旋流道；Ⅲ-过渡通道），9-切向出口，10-尾管段，11-内锥，12—气孔，13-坡面缩径台阶，14-环形上封板。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明得到教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（博导类，20132322110002）和国家863计划课题（2012AA061303）的资助。

由图1至图3所示，该种三相分离旋流器，由旋流腔体段5、锥管段7以及尾管段10依次连接后构成，其中，旋流腔体段5为顶端封闭的圆筒形结构，带有一对切向接入的旋流入口管4，尾管段10的底端封闭，所述底端内垂向固定有内锥11，其独特之处在于：

所述旋流腔体段的顶端中央开孔，固定连接有一个富集室套管3，所述富集室套管的内壁底端具有一个环绕的坡面缩径台阶13；在所述富集室套管内的中央部分通过环形上封板14固定连接有开有若干气孔12的气相出口套管2，气相出口套管2的底端为环形坡面板，气相出口套管2的外壁与富集室套管3的内壁之间形成的腔体为气体富集室；所述环形坡面板的坡度与坡面缩径台阶13的坡度相同，二者之间形成的折流通道为所述气体富集室的入口；

在气相出口套管2内，通过其底端的所述环形坡面板固定连接一根垂向插入的溢流管1，溢流管1顶端在垂向位置上高于环形上封板14所在位置，溢流管1底端在垂向位置上接近于旋流腔体段5与锥管段7的结合处；溢流管1的底端具有一个呈圆弧过渡结构的向外扩张的凸缘6；

由锥管段7开始，延及尾管段10，在外壁上开有一条连续的且向外膨出的螺旋流道8，所述螺旋流道对应锥管段7上的部分为流道横截面积逐渐增大的变直径螺旋流道，对应尾管段10上的部分为流道横截面积不变的等直径螺旋流道，在所述等直径螺旋流道的尾端通过过渡通道切向连接切向出口方形管9。

之所以确定了以上的方案是由于下面的考虑：选用双切向入口使旋流器内流场对称稳定，利于气液固三相的分离。首先，混合介质在圆柱段旋流腔内旋转，由于气体密度远小于其余两相，气体较其他两相更快的汇集到旋流器的中心部分，进入富集室，在离心力的作用下，气体在旋流器内的体积分数随径向位置的减小而增大，所以在富集室内，靠近内边壁的气相浓度较高的流体由小孔进入气相出口。富集室和气相出口在切向入口以上是为了防止循环流的出现，富集室入口的设计主要为了减少短路流的产生。其次，考虑到有气相的存在，液体并不是一进入就汇集在旋流器的中心部分，而是汇集在相对偏下的中心部位，所以溢流口的设计位置偏下。混合液在旋流腔内边旋转边向下，最终由溢流口排出。在溢流口处增加凸缘是为了对未成功进入富集室的气体提供举升的力。最后，固相颗粒在旋流器内的离心力作用下逐渐向边壁靠近，进入螺旋流道，一边螺旋向下运动，一边继续汇集固体颗粒，最终由切向出口排出。由于固相颗粒边螺旋向下边汇集而逐渐增多，所以螺旋流道设计为逐渐加宽。螺旋流道的旋向和切向入口的旋向一致。

工作过程:

旋流器工作时，混合液从切向入口4进入旋流器，将混合液的直线运动变成切向运动，由于混合液的密度不同，在离心力的作用下发生旋转分层，实现三相介质的分离。由于气相的密度最小，气相最先汇集到旋流器的中心处，从富集室的折流入口进入富集室3内，在富集室内气相继续边旋转边分离，靠近内壁处的气相由于进一步的分离体积分数较外壁大，经由小孔12进入气相出口2，排出旋流器；小部分没有进入富集室而随外旋流向下运动的气相运动至凸缘6处，凸缘6为这些气相提供举升力，使其向上运动，进入富集室3。混合介质在下行的过程中，继续进行旋转分离，在离心力的作用下，固相（含部分液相）逐渐移向边壁处，进入螺旋流道8内，在后续来液的推动力作用下，最终由切向出口9排出旋流器；这样，没有进入富集室和螺旋流道的介质大部分是液相，这些流体则在内锥11的补偿力的作用下经过溢流口1排出旋流器。从而实现了气液固三相介质的分离。

图4、图5是本发明具体实施时具体的尺寸关系示意图。具体尺寸关系为：溢流管直径D₁(0.15D<D₁<0.25D)；气相出口外径D₂(0.25D<D₂<0.5D)；富集室外径D₃(0.5D<D₃<0.75D)；小孔直径d(0.01D<d<0.15D)；旋流腔直径为D；富集室入口倾角β(15°<β<75°)；富集室入口直径D₅(0.25D<D₅<0.5D)；旋流腔高度L(0.8D<L<1.4D)；溢流管伸入长度L₁(0.7D<L₁<1.3D)；凸缘直径D₆(0.2D<D₆<0.3D)；螺旋流道螺距P(0.2D<P<D)；锥段锥角α(0.5°<α<60°)；尾管直径D₄(0.15D<D₄<0.25D)；内锥直径D₇(0.1D<D₇<0.2D)；内锥锥角γ(0.5°<γ<60°)；过渡通道与等直径螺旋流道的过渡圆角半径R₁(0mm<R₁<2D)；过渡通道与切向出口的过渡圆角半径R₂(0mm<R₂<2D)；切向出口长a(0.05D<a<0.4D);切向出口宽b(0.705D<b<0.4D);变直径螺旋流道的流道截面长c(c=2h/(D-D₄)*tan(α/2)*a);变直径螺旋流道的流道截面宽e(e=2h/(D-D₄)*tan(α/2)*b)。

通过具体试验后发现，气液固混合液由切向入口4进入旋流器内，混合介质的直线运动变成圆周运动，在旋流腔5及锥段7内形成高速旋转的涡流，采用外锥的形式对旋流器内的流体具有一定的能量补偿作用，进而补偿分离过程中的速度损失，有利于三相的分离。而此旋流器富集室入口设计为折流通道可以减少流体的短路流，富集室在入口上方可以减少循环流，气相进入富集室3在其内部进一步分离，小孔12的设计使靠近内壁处气相浓度较高的流体进入气相出口2，从而排出旋流器。凸缘6设计为圆弧过渡，且直径略大于溢流管，能够对未进入富集室的气相产生一定的举升作用，利于气体的排出，而螺旋流道8的设计，可以使其在离心力作用下被甩向壁面的固相沿着螺旋流道边旋转边向下运动，并且设计螺旋流道的流道面积逐渐增加，是考虑到流体边运动边汇集固相，即螺旋流道内的固相逐渐增加。切向出口9与螺旋流道相切减少了常规切向出口的应力集中现象，进一步提高固相分离效率，合理有效地解决三相分离的问题。

Claims (1)

1.一种三相分离旋流器，由旋流腔体段（5）、锥管段（7）以及尾管段（10）依次连接后构成，其中，旋流腔体段（5）为顶端封闭的圆筒形结构，带有一对切向接入的旋流入口管（4），尾管段（10）的底端封闭，所述底端内垂向固定有内锥（11），其特征在于：

所述旋流腔体段的顶端中央开孔，固定连接有一个富集室套管（3），所述富集室套管的内壁底端具有一个环绕的坡面缩径台阶（13）；在所述富集室套管内的中央部分通过环形上封板（14）固定连接有开有若干气孔（12）的气相出口套管（2），气相出口套管（2）的底端为环形坡面板，气相出口套管（2）的外壁与富集室套管（3）的内壁之间形成的腔体为气体富集室；所述环形坡面板的坡度与坡面缩径台阶（13）的坡度相同，二者之间形成的折流通道为所述气体富集室的入口；

在气相出口套管（2）内，通过其底端的所述环形坡面板固定连接一根垂向插入的溢流管（1），溢流管（1）顶端在垂向位置上高于环形上封板（14）所在位置，溢流管（1）底端在垂向位置上接近于旋流腔体段（5）与锥管段（7）的结合处；溢流管（1）的底端具有一个呈圆弧过渡结构的向外扩张的凸缘（6）；

由锥管段（7）开始，延及尾管段（10），在外壁上开有一条连续的且向外膨出的螺旋流道（8），所述螺旋流道对应锥管段（7）上的部分为流道横截面积逐渐增大的变直径螺旋流道，对应尾管段（10）上的部分为流道横截面积不变的等直径螺旋流道，在所述等直径螺旋流道的尾端通过过渡通道切向连接切向出口方形管（9）。