CN105664538B - 一种多级变径螺旋油水分离器 - Google Patents

一种多级变径螺旋油水分离器 Download PDF

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    • B01D17/0217—Separation of non-miscible liquids by centrifugal force

Abstract

一种多级变径螺旋油水分离器。可针对处于粘度高、颗粒小等状态下的分离介质进行高效分离。其特征在于：壁筒内至少包含二级分离单元；分离单元由螺旋片、内管以及分流体连接后构成，壁筒、螺旋片和内管围绕组成螺旋流道；各级螺旋片独立；在一级内管的上端固定稳流锥；分流体通过两个扇形连接体在中心固定有一个呈倒置的锥台形状的圆形管通道，直径沿轴向逐渐减小；内管的尾端亦呈倒置的锥台形状，与分流体内圆形管通道相配合，留有环空的过流空间，内管的外径逐级增加，对应级别的圆形管通道的内径亦同比例放大；最下级内管的尾端与溢流管的顶端相连接，溢流管与最下级内管的尾端相配合，两者之间形成直径逐渐缩小的环空过流空间。

Description

一种多级变径螺旋油水分离器
技术领域：
本发明涉及一种应用于石油、化工和环保等领域中的两相分离处理装置。
背景技术：
目前，用于两相(以油水两相为例进行说明)的快速分离方法主要有离心分离(如旋流分离、螺旋分离等)、气浮选、过滤和膜分离等。旋流分离具有设备体积小等优点，但对于细小油滴的去除能力有限，两相在旋流器内发生传质交换有效分离的空间较小，主要集中于入口射流及旋流腔内，并且随着旋流器沿程损失增加，有效分离速度逐渐减小、分离时间较短；气浮选则适应含油浓度变化的范围较小；过滤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；膜分离设备成本较高，对介质条件要求又较为严格。
螺旋分离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。其最早是作为气-液分离设备而产生的，目前作为一种分离设备也已在我国获得了一定的应用。目前在水处理技术领域还存在着对细小油滴去除效果差等实际问题。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。现有的分离设备对于处于粘度高、颗粒小等状态下的分离介质已经很难实现高效分离。
发明内容：
为了解决背景技术中所提到的技术问题，在国家863计划课题(2012AA061303)和国家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)的资助下，本发明提供一种多级变径螺旋油水分离器，该种多级变径螺旋油水分离器，具有针对粘度高、颗粒小等状态下的分离介质分离效率高、进液方式灵活、设备径向尺寸小、有效分离时间长、非均相介质多次分离等突出的优点。
本发明的技术方案是：该种多级变径螺旋油水分离器，具有壁筒和底流管，底流管切向接入壁筒的底端，其独特之处在于：壁筒的上端开口为入口；在壁筒内至少包含二级分离单元；以壁筒内包含三级分离单元为例，第一级分离单元由一级螺旋片、一级内管以及一级分流体连接后构成；第二级分离单元由二级螺旋片、二级内管以及二级分流体连接后构成，各级螺旋片独立，在一级内管的上端固定稳流锥；其中，一级分流体和二级分流体的结构相同，均通过两个扇形连接体在中心固定有一个呈倒置的锥台形状的圆形管通道，所述圆形管通道的直径沿轴向逐渐减小；一级内管和二级内管的尾端亦呈倒置的锥台形状，其尺寸分别与一级分流体和二级分流体内的圆形管通道相配合，一级内管和二级内管的尾端分别与对应的圆形管通道之间留有环空的过流空间，二级内管的外径大于一级内管的外径，对应级别的圆形管通道的内径亦同比例放大；
在二级分流体的下端固定有三级螺旋片和三级内管，三级内管的尾端与溢流管的顶端相连接，溢流管的顶端开口呈倒置的锥台形状，恰可与三级内管的尾端相配合，两者之间形成直径逐渐缩小的环空过流空间，溢流管的出口端引出封闭的壁筒的底端之外；壁筒的内壁、各级螺旋片和内管对应围绕组成螺旋流道。
本发明具有如下有益效果：利用本种分离器进行分离时，油水混合液由轴向入口进入分离器内部，首先经过稳流锥与分离器壁筒形成的逐渐缩小的环形空间，使得来液流的轴向速度逐渐稳定，而后进入由分离器壁筒、一级螺旋片和一级内管围绕组成的第一级螺旋流道，经过一级螺旋片与壁筒组成的螺旋流道将待处理介质的轴向流转化为螺旋流，并在螺旋流道内形成高速旋转的螺旋涡流。密度大的水相，受离心力的作用被甩向螺旋流道内临近壁筒的大半径区域，密度小的油相，聚集在螺旋流道临近一级内管外壁区域。经过初步分离后的油水两相进入第一级分流体，其中聚集在临近内管外壁的大部分油相流入一级分流体内圆形通道，一级分流体内圆形管通道直径较小且沿轴向逐渐减小，只可允许一部分最集中的油相流入，并随后进入下一级内管。剩余的油相和聚集在临近壁筒内壁区域的大部分水相沿一级分流体与壁筒围成的流道流入由分离器壁筒、下一级螺旋片和下一级内管围绕组成的下一级螺旋流道，该级螺旋流道的矩形截面宽度相对前一级螺旋分离螺旋流道的较小，从而使得流体流过截面面积减小，且足以使混合介质的旋转速度增大，由此进一步增强油水两相分离。经过该级螺旋分离后的集中度较高的油相进入该级分流体的内圆形通道，并与该级内管内前一级分离出的油相富集流汇合，继续一同进入再下一级内管。经过多级螺旋分离后的集中度很高的油相通过最后一级内管与溢流管组成的逐渐缩小的环形流道，并与最后一级内管中的油相富集留汇合后最终流入溢流管，而分离出的纯净水相则流入底流管。如此实现油水两相的多级螺旋离心分离，最终经多级分离出并汇集后的油相由溢流管流出，剩余水相由底流管流出。
在本种分离器中，一级内管、二级内管和三级内管的尾部为横截面逐渐减小的锥形或锥管形式，可有效缓冲该级分离出的油相流动冲击，使之稳定进入下一级内管，减小分流部件造成的紊流程度，且该形式与各级分流体及下一级内管形成类似文丘里管结构形状，从而形成低压环形流道区域，更有利于油相进入内管汇合。
在本种分离器中，采用多级变径螺旋分离器的结构，进一步的增强油水两相分离效果，使油水分离器溢流进一步浓缩或底流进一步净化，保证两相分离的处理效率；多级变径螺旋分离器分离长度增加、螺旋流道内分离速度各级逐渐增强，因此可有效增加两相分离空间与时间，从而增强两相分离效果；分离器将有效解决生产实际中面临的分离介质粘度高，分离介质颗粒小等技术难题；分离器可根据混合介质两相含量及处理流量自行采用四级或更多级、每一级含三个或多个螺旋片实现多头多级螺旋分离；设备径向体积相对较小，占地面积小，且应用于径向尺寸有限的空间，例如油田井下油水两相分离中更加有利；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是本发明的结构示意图。
图2是本发明的外观结构示意图。
图3是本发明内部流场示意图。
图4是本发明所述分离器A-A纵剖面结构示意图。
图5是本发明所述分离器B-B截面剖面图。
图6是本发明所述分离器C-C截面剖面图。
图7是本发明所述分离器D-D截面剖面图。
图8是本发明所述分离器第一级螺旋片及内管示意图。
图9是本发明所述分离器中分流体与壁筒组合后的示意图。
图10是本发明所述分离器中溢流管结构示意图。
图11是本发明所述分离器中由二级内管、二级分流体和三级内管的上端组合形成的类似文丘里管结构示意图。
图12是本发明所述分离器采用三角形截面形式的螺旋片示意图。
图13是本发明所述分离器采用梯形截面形式螺旋片示意图。
图14是本发明所述分离器具体实现时具体的尺寸关系示意图。
图中1-入口，直径为D；2-壁筒，高度为H2；3-稳流锥，高度为H3、锥底直径为D1；4-一级螺旋片，螺距为H4；5-一级内管，内径为D2；6-一级分流体，高度为H5；7-二级螺旋片，高度为H6；8-二级内管，内径为D5；9-二级分流体，高度为H7；10-三级螺旋片，螺距为H8；11-三级内管，内径为D8；12-底流管；13-溢流管，直径为D10。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
由图1至图10所示，该种多级变径螺旋油水分离器，具有壁筒2和底流管12，底流管12切向接入壁筒2的底端，其独特之处在于：壁筒2的上端开口为入口1；在壁筒2内至少包含二级分离单元。具体实施时，入口可以采用轴向式、倾斜式或切向入口，倾斜式或切向入口可以采用单入口或多入口结构，本专利以轴向入口、壁筒内包括三级分离单元为例。
第一级分离单元由一级螺旋片4、一级内管5以及一级分流体6连接后构成，壁筒2的内壁、一级螺旋片和一级内管围绕组成第一级螺旋流道；第二级分离单元由二级螺旋片7、二级内管8以及二级分流体9连接后构成，各级螺旋片独立；在一级内管5的上端固定稳流锥3；各级螺旋片独立，螺旋片纵截面可采用矩形、三角形、梯形等截面形式，如图12和图13所示。以下以矩形截面形式为例说明。
其中，一级分流体6和二级分流体9的结构相同，均通过两个扇形连接体在中心固定有一个呈倒置的锥台形状的圆形管通道，所述圆形管通道的直径沿轴向逐渐减小；一级内管5和二级内管8的尾端亦呈倒置的锥台形状，其尺寸分别与一级分流体6和二级分流体9内的圆形管通道相配合，一级内管5和二级内管8的尾端分别与对应的圆形管通道之间留有环空的过流空间，二级内管8的外径大于一级内管5的外径，对应级别的圆形管通道的内径亦同比例放大；
在二级分流体9的下端固定有三级螺旋片10和三级内管11；三级内管11的尾端与溢流管13的顶端相连接，溢流管13的顶端开口呈倒置的锥台形状，恰可与三级内管11的尾端相配合，两者之间形成直径逐渐缩小的环空过流空间；所述壁筒的内壁、各级螺旋片和内管对应围绕组成螺旋流道；溢流管13的出口端引出封闭的壁筒2的底端之外。
其中，由壁筒2、一级螺旋片4和一级内管5围绕组成一级螺旋流道，分离器壁筒2、二级螺旋片7和二级内管8围绕组成二级螺旋流道，二级螺旋流道的矩形截面宽度相对前一级螺旋分离螺旋流道的小，所述截面宽度即螺旋片外径与内径的差，各级螺旋片的外径一致，内径逐渐增大，从而形成后一级较前一级逐渐减小的宽度；分离器壁筒2、三级螺旋片10和二级内管11围绕组成三级螺旋流道，三级螺旋流道的矩形截面宽度相对二级螺旋分离螺旋流道的更小，以实现流体流过的截面面积进一步减小。
应用时，油水混合液由轴向入口进入分离器内部，首先经过稳流锥与壁筒形成的逐渐缩小的环形空间，使得来液流的轴向速度逐渐稳定，而后进入一级螺旋流道，经过一级螺旋片与壁筒组成的螺旋流道将处理介质的轴向流转化为螺旋流，并在一级螺旋流道内形成高速旋转的螺旋涡流。密度大的水相，受离心力的作用被甩向螺旋流道内临近壁筒的大半径区域，密度小的油相，聚集在螺旋流道临近一级内管外壁区域。经过初步分离后的油水两相进入一级分流体，聚集在临近内管外壁区域的大部分油相流入一级分流体内圆形通道，一级分流体内圆形管通道直径较小且沿轴向逐渐减小，只是允许一部分最集中的油相流入，并随后进入二级内管。剩余的油相和聚集在临近壁筒内壁区域的大部分水相沿一级分流体与壁筒围成的流道流入下一级螺旋流道，二级螺旋分离管螺旋流道的矩形截面宽度相对前一级螺旋分离螺旋流道的小，各级螺旋片的外径一致，内径逐渐增大，从而形成后一级较前一级逐渐减小的宽度，即流体流过的截面面积减小，且足以使得混合介质的旋转速度增大，由此进一步增强油水两相分离。经过二级螺旋分离后的集中度较高的油相进入二级分流体的内圆形通道与二级内管8的油相富集流汇合，并一同进入三级内管11。剩余的未分离油相和水相混合介质继续沿二级分流体9与壁筒2围成的流道流入三级螺旋流道，三级螺旋流道的矩形截面宽度相对二级螺旋分离螺旋流道的更小，即流体流过的截面面积进一步减小，且足以使得混合介质的旋转速度增大，由此进一步增强剩余较难分离的油相与水相分离。经过三级螺旋流道分离后的集中度较高的油相通过三级内管与溢流管组成的逐渐缩小的环形流道，并与三级内管11的油相富集留汇合后最终流入溢流管，而分离出的水相则流入底流管。如此实现油水两相的多级螺旋离心分离，最终经多级分离出的油相汇集至溢流管流出，剩余的水相由底流管流出。
一级内管、二级内管和三级内管尾为横截面逐渐减小的锥形或锥管形式，有效缓冲该级分离出的油相流动冲击，使之稳定进入下一级内管，减小分流部件的紊乱程度，且该部分与各级分流体及下一级内管形成类似文丘里管结构形状，如图11所示，从而形成低压环形流道区域，更有利于油相进入内管汇合。
螺旋片截面形式可采用矩形、三角形、梯形等截面形式，其中三角形和梯形截面形式螺旋片示意图分别如图12和13所示。
另外本种分离器可根据混合介质两相含量及处理流量自行采用每一级内含三个或多个螺旋片，也可采用四级或更多级螺旋片实现多级螺旋分离。
下面给出具体实施的优选尺寸关系为：
入口管直径为D；入口管高度为H1(0.8D<H1)；稳流锥高度为H3(0.4D<H1<2D)；稳流锥锥底直径为D1(0.2D<D1<0.5D)；壁筒高度为H2(6D<H2<30D)；一级螺旋片横截面宽度a1(0.3D<a1<0.45D)；一级螺旋片横截面外径高度b1(0.01D<b1<0.2D)；一级螺旋片横截面内径高度c1(c1<0.2D)；一级螺旋片螺距高度H4(0.5D<H4<2D)；一级螺旋片圈数N1(2<N1<10)；一级螺旋片头数U1(2<U1<8)；一级内管内径为D2(0.1D<D2<0.5D)；一级分流体高度为H5(0.1D<H5<0.8D)；一级分流体直径D3(0.3D<D3<0.6D)；二级螺旋片横截面宽度a2(a2<a1)；二级螺旋片横截面外径高度b2(0.01D<c2<0.2D)；二级螺旋片横截面内径高度c2(c2<0.2D)；二级螺旋片螺距高度H6(0.5D<H6<2D)；二级螺旋片圈数N2(2<N2<10)；二级螺旋片头数U2(2<U2<8)；二级内管外径为D4(0.2D<D4<0.6D)；二级内管内径为D5(0.15D<D5<0.55D)；二级分流体高度为H7(0.1D<H7<0.8D)；二级分流体直径D6(0.35D<D6<0.65D)；三级螺旋片横截面宽度a3(0<a3<a2)；三级螺旋片横截面外径高度b3(0.01D<c3<0.2D)；三级螺旋片横截面内径高度c3(c3<0.2D)；三级螺旋片螺距高度H8(0.5D<H8<2D)；三级螺旋片圈数N3(2<N3<10)；三级螺旋片头数U3(2<U3<8)；三级内管外径为D7(0.25D<D7<0.65D)；三级内管内径为D8(0.2D<D8<0.6D)；溢流管外径为D9(0.3D<D9<0.7D)；溢流管内径为D10(0.25D<D7<0.65D)。

Claims (2)

1.一种多级变径螺旋油水分离器，具有壁筒(2)和底流管(12)，底流管(12)切向接入壁筒(2)的底端，其特征在于：壁筒(2)的上端开口为入口(1)；在壁筒(2)内至少包含二级分离单元；
第一级分离单元由一级螺旋片(4)、一级内管(5)以及一级分流体(6)连接后构成，壁筒(2)的内壁、一级螺旋片和一级内管围绕组成第一级螺旋流道；第二级分离单元由二级螺旋片(7)、二级内管(8)以及二级分流体(9)连接后构成，各级螺旋片独立；在一级内管(5)的上端固定稳流锥(3)；
其中，一级分流体(6)和二级分流体(9)的结构相同，均通过两个扇形连接体在中心固定有一个呈倒置的锥台形状的圆形管通道，所述圆形管通道的直径沿轴向逐渐减小；一级内管(5)和二级内管(8)的尾端亦呈倒置的锥台形状，其尺寸分别与一级分流体(6)和二级分流体(9)内的圆形管通道相配合，一级内管(5)和二级内管(8)的尾端分别与对应的圆形管通道之间留有环空的过流空间，二级内管(8)的外径大于一级内管(5)的外径，对应级别的圆形管通道的内径亦同比例放大；
在二级分流体(9)的下端固定有三级螺旋片(10)和三级内管(11)；三级内管(11)的尾端与溢流管(13)的顶端相连接，溢流管(13)的顶端开口呈倒置的锥台形状，恰可与三级内管(11)的尾端相配合，两者之间形成直径逐渐缩小的环空过流空间；所述壁筒的内壁、各级螺旋片和内管对应围绕组成螺旋流道；溢流管(13)的出口端引出封闭的壁筒(2)的底端之外。
2.根据权利要求1所述的一种多级变径螺旋油水分离器，其特征在于：由壁筒(2)、一级螺旋片(4)和一级内管(5)围绕组成一级螺旋流道，壁筒(2)、二级螺旋片(7)和二级内管(8)围绕组成二级螺旋流道，二级螺旋流道的矩形截面宽度相对前一级螺旋分离螺旋流道的小，所述截面宽度即螺旋片外径与内径的差，各级螺旋片的外径一致，内径逐渐增大，从而形成后一级较前一级逐渐减小的宽度；壁筒(2)、三级螺旋片(10)和三级内管(11)围绕组成三级螺旋流道，三级螺旋流道的矩形截面宽度相对二级螺旋分离螺旋流道的更小，以实现流体流过的截面面积进一步减小。
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