CN105688449B - 一种内锥式变截面螺旋油水分离器 - Google Patents

一种内锥式变截面螺旋油水分离器 Download PDF

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

Abstract

一种内锥式变截面螺旋油水分离器。其特征在于：在壁筒内固定有一个功能单元，由截面逐渐减小的变截面螺旋片、等截面螺旋片、外径逐渐增大的内锥管、溢流管、内圆柱管以及稳流锥连接后构成；内锥管在内圆柱管的上部，变截面螺旋片固定在内锥管的外围，等截面螺旋片固定在内圆柱管的外围，变截面螺旋片与等截面螺旋片圆滑过渡连接；内锥管和内圆柱管形成的空腔内固定溢流管，溢流管的上端开口伸出液流入口外；在变截面螺旋片和等截面螺旋片的每个螺旋间隔内，在内锥管和内圆柱管的外壁上分别对应开有一个沿外壁圆周近似切向接入的分离液流入口，分离液流入口与溢流管连通。具有分离效率高、进液方式灵活、结构紧凑、操作维护方便等突出的优点。

Description

一种内锥式变截面螺旋油水分离器
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，用于油水两相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。现有技术中存在的问题是：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。
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，本发明提供了一种内锥式变截面螺旋油水分离器。
本发明的技术方案是：该种内锥式变截面螺旋油水分离器，具有壁筒，壁筒的上、下端均开口，上端开口为液流入口，下端开口为底流口，壁筒从液流入口之下的部分，为直管段；
在壁筒内固定有一个功能单元，所述功能单元由截面逐渐减小的变截面螺旋片、等截面螺旋片、外径逐渐增大的内锥管、溢流管、内圆柱管以及稳流锥连接后构成；
其中，内锥管连接在内圆柱管的上部，内锥管的底圆直径与内圆柱管的直径相同，变截面螺旋片固定在内锥管的外围，变截面螺旋片的锥管形内空腔恰与内锥管的外壁相吻合，以实现液体无泄漏，等截面螺旋片固定在内圆柱管的外围，等截面螺旋片的圆柱形内空腔恰与内圆柱管的外壁相吻合，以实现液体无泄漏；变截面螺旋片与等截面螺旋片圆滑过渡连接，变截面螺旋片与等截面螺旋片的外缘紧密接触壁筒的内壁以确保液流的无泄漏；
稳流锥为倒置的圆锥形，固定在内圆柱管的下端；在内锥管和内圆柱管形成的空腔内固定溢流管，溢流管的上端开口伸出液流入口外；在变截面螺旋片和等截面螺旋片的每个螺旋间隔内，在内锥管和内圆柱管的外壁上分别对应开有一个沿外壁圆周近似切向接入的分离液流入口，分离液流入口经内锥管和内圆柱管形成的空腔连接至溢流管上，实现溢流管的腔体与每个分离液流入口之间的连通。
本发明具有如下有益效果：油水混合液由轴向入口进入分离器内部，经过变截面螺旋流道形成高速旋转且转速逐渐增强的涡流流场。不同密度的油水两相受到的离心力作用不同，其中密度大的水相，受离心力作用较大被甩向壁筒内壁，密度小的油相，聚集在内锥管的外壁处，并沿着内锥管上的液流分离入口流入溢流管排出。经过变截面强旋流分离后，为稳定螺旋流场并将未分离彻底的少量油相进一步分离出来，设计了圆柱螺旋片和内圆柱管，二者与壁筒组成等截面螺旋流道，充分利用变截面螺旋流道已经形成的高强度螺旋涡流分离流场，从而将两相离心分离强度持续，并使得两相分离时间延长，最终将剩余的油相分离出来，分离出的油相通过内圆柱管上的液流分离入口流入溢流管排出，分离出的水相经过底流管排出。为使分离出的水相平缓过渡流入底流管排出，在内圆柱管下部设计稳流锥，使圆柱螺旋片和内圆柱管与壁筒形成的大半径截面的螺旋流道至底流管的环形流道逐渐增大，可起到缓冲流体冲击、减小压力损失的目的。变截面主要是通过外径逐渐增大的内锥管和截面逐渐减小的变截面螺旋片形成。另外，本发明稍加改进，即增加一个内圆柱套筒后，也可用于三相介质的螺旋分离。例如可进行油气水、气液固等三相分离，以进行气液固三相分离为例，气液固三相介质由轴向入口进入旋流管内，经变截面螺旋分离，由于密度差异，较轻的气体集中于内锥管和内圆柱管的外壁，较重的固体集中于壁筒的内壁区域，而密度值分布中间的液相集中于壁筒与内锥管和圆柱管之间的区域。其中气体通过内锥管和内圆柱管的液流分离入口流入溢流管排出，带有一定液相的固体通过内圆柱套筒和壁筒之间的环形管道进入固相出口排出，剩余的液相则进入内圆柱套筒管道流入液相出口排出。
本种技术方案已在现场试验性应用，所获得的实验数据证明，采用内锥式变截面螺旋油水分离器的结构，使螺旋油水分离器溢流和底流进一步净化，可进一步增强油水两相分离的效果，保证两相分离的处理效率；另外，这种多级变径螺旋分离的模式利用流体过流截面逐渐减小的螺旋流道，使得两相始终具有较高的螺旋分离速度，从而使得分离强度得以保持，因此可有效增强两相分离效果。此外，本种分离器体积小，占地面积小，可应用于径向尺寸有限的空间，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是本发明所述分离器的内部流场示意图。
图3是本发明所述分离器的A-A截面剖面结构示意图。
图4是本发明所述分离器的B-B截面剖面图。
图5是本发明所述分离器的C-C截面剖面图.
图6是本发明所述分离器螺旋片、内锥管及液流分离入口组合成的流体分离流场示意图.
图7是本发明所述分离器A-A截面具体的尺寸关系图。
图8是本发明所述分离器B-B截面具体的尺寸关系图。
图9是本发明所述分离器C-C截面具体的尺寸关系图。
图10是本发明所述分离器在改进结构下的A-A剖面示意图。
图11是本发明所述分离器在改进结构下的D-D截面剖面图。
图中1-液流入口，高度为H1；2-壁筒，直径为D；3-变截面螺旋片，内圈直径为Dx；4-内锥管，锥角为α；5-分离液流入口；6-等截面螺旋片，内圈直径为D2；7-内圆柱管，高度为H4；8-溢流管，直径为D1；9-稳流锥，锥高为H5；10-底流管；11-内圆柱套筒；12-固相出口；13-液相出口。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本种内锥式变截面螺旋油水分离器，以轴向入口、螺旋片数量等于2为例，其结构示意图如附图1所示，分离器内部流场示意图如附图2所示，分离器A-A截面剖面结构示意图如附图3所示，B-B截面剖面图如附图4所示，C-C截面剖面图如附图5所示，分离器螺旋片、内锥管及液流分离入口组合成的流体分离流场示意图如附图6所示。
如图所示，该分离器，具有壁筒2，壁筒2的上、下端均开口，上端开口为液流入口1，下端开口为底流口10，壁筒2从液流入口(1)之下的部分，为直管段。
在壁筒2内固定有一个功能单元，所述功能单元由截面逐渐减小的变截面螺旋片3、等截面螺旋片6、外径逐渐增大的内锥管4、溢流管8、内圆柱管7以及稳流锥9连接后构成。
其中，内锥管4连接在内圆柱管7的上部，内锥管4的底圆直径与内圆柱管7的直径相同，变截面螺旋片3固定在内锥管4的外围，变截面螺旋片3的锥管形内空腔恰与内锥管4的外壁相吻合，以实现液体无泄漏，等截面螺旋片6固定在内圆柱管7的外围，等截面螺旋片6的圆柱形内空腔恰与内圆柱管7的外壁相吻合，以实现液体无泄漏；变截面螺旋片3与等截面螺旋片6圆滑过渡连接，变截面螺旋片3与等截面螺旋片6的外缘紧密接触壁筒2的内壁以确保液流的无泄漏。
稳流锥9为倒置的圆锥形，固定在内圆柱管7的下端。在内锥管4和内圆柱管7形成的空腔内固定溢流管8，溢流管8的上端开口伸出液流入口1外；在变截面螺旋片3和等截面螺旋片6的每个螺旋间隔内，在内锥管4和内圆柱管7的外壁上分别对应开有一个沿外壁圆周近似切向接入的分离液流入口5，分离液流入口5经内锥管4和内圆柱管7形成的空腔连接至溢流管8上，实现溢流管8的腔体与每个分离液流入口5之间的连通。
其中液流入口1可以为轴向入口，也可为切向入口，所述切向入口的数量至少为一个。
本种分离器的主要功效为旋流分离，其分离原理是利用两种不互溶液体介质的密度差而进行离心分离的。油水混合液由液流入口1进入分离器内部，经过由分离器壁筒2、变截面螺旋片3和内锥管4组成的变截面螺旋流道形成高速旋转且转速逐渐增强的涡流流场。所述液流入口可以采用轴向或切向入口，切向入口可以采用单入口或多入口结构。不同密度的油水两相受离心作用力不同，其中密度大的水相，受离心力的作用较大被甩向壁筒2的内壁，密度小的油相，聚集在内锥管4的外壁处，并沿着内锥管4上的液流分离入口组5流入溢流管8排出。经过变截面强旋流分离后，为稳定螺旋流场并将未分离彻底的少量油相进一步分离出来，设计了圆柱螺旋片6和内圆柱管7，二者与壁筒2组成等截面螺旋流道，前端连接的变截面螺旋流道已经形成的高强度螺旋涡流分离流场，而该等截面螺旋流道可延续该高强度螺旋流场，所述等截面螺旋流道由等截面螺旋片6、内圆柱管7和壁筒2组成，从而不仅使得两相离心分离速度保持较高旋转强度，还使得两相分离时间延长，最终将剩余难分离的油相分离出来。
继续分离出的油相通过内圆柱管6上的液流分离入口组5流入溢流管8排出，分离出的水相经过底流管10排出。为使分离出的水相平缓过渡流入底流管10排出，在内圆柱管7下部设计稳流锥9，使圆柱螺旋片6和内圆柱管7与壁筒2形成的等截面螺旋流道至底流管10的环形流道逐渐增大，可起到缓冲流体冲击、减小压力损失的目的。在本方案中，变截面主要是通过外径逐渐增大的内锥管4和截面逐渐减小的变截面螺旋片3形成。
本发明稍加改进也可用于三相介质的螺旋分离。如图9和图10所述，即在壁筒2内，位于底端固定有一个内圆柱套筒11，内圆柱套筒11与壁筒2之间有环形空腔，所述环形空腔的底端环形出口为固相出口12。改进后可进行油气水、气液固等三相分离，以进行气液固三相分离为例，气液固三相介质由轴向入口1进入分离器内，经变截面螺旋流道分离，所述变截面螺旋流道由分离器壁筒2、变截面螺旋片3和内锥管4组成。由于密度差异，较轻的气体集中于内锥管4和内圆柱管6的外壁，较重的固体集中于壁筒2的内壁区域，而密度值分布中间的液相集中于壁筒2与内锥管4、壁筒2与圆柱管6之间的区域。其中气体通过内锥管4和内圆柱管6的液流分离入口组5流入溢流管8排出，带有一定液相的固体通过内圆柱套筒10和壁筒2之间的环形管道进入固相出口11排出，剩余的液相则进入内圆柱套筒10管道流入液相出口11排出，从而实现气液固三相分离。
下面给出本发明实施时，优选的具体尺寸关系和范围：
壁筒直径为D；溢流管直径D1(0.2D<D1<0.65D)；溢流管壁厚a(0.01D a<0.2D)；轴向入口高度为H1(0.4D<H1<2D)；内锥管锥角α(5°<α<60°)；内锥管高度H3(D<H3<16D)；内锥管壁厚与溢流管壁厚一致；变截面螺旋片内圈直径为Dx，以螺旋片开始位置的中心点为原点，分离器轴向方向为y轴，径向方向为x轴，则螺旋片剖视图截面上最小直径点位置的直径为Dx＝2·x＝D1+2y·tan(α/2)；螺旋片外圈直径与壁筒直径D一致；变截面螺旋片螺距高度为H2(0.4D<H2<2D)；变截面螺旋片高度与内锥管高度H3一致；变截面螺旋片与内锥管接触厚度b(0.01D<b<0.2D)；变截面螺旋片与壁筒接触厚度c(c<0.2D)；液流分离入口开口数量为n(4＜n＜16)；液流分离入口开口横截面为d×e(0.01D<d<0.2D，0.02D<e<0.4D)；液流分离入口开口方向与垂直于内椎管或内圆柱管壁面法相方向的夹角为β(5°<β<75°)；内圆柱管高度为H4(0.5D<H4<5D)；内圆柱管外径为D2(0.4D<D2<D)；内圆柱管壁厚与内锥管壁厚一致；稳流锥高度H5(0.8D<H5<2D)。

Claims (4)

1.一种内锥式变截面螺旋油水分离器，具有壁筒(2)，其特征在于：壁筒(2)的上、下端均开口，上端开口为液流入口(1)，下端开口为底流口(10)，壁筒(2)从液流入口(1)之下的部分，为直管段；
在壁筒(2)内固定有一个功能单元，所述功能单元由截面逐渐减小的变截面螺旋片(3)、等截面螺旋片(6)、外径逐渐增大的内锥管(4)、溢流管(8)、内圆柱管(7)以及稳流锥(9)连接后构成；
其中，内锥管(4)连接在内圆柱管(7)的上部，内锥管(4)的底圆直径与内圆柱管(7)的直径相同，变截面螺旋片(3)固定在内锥管(4)的外围，变截面螺旋片(3)的锥管形内空腔恰与内锥管(4)的外壁相吻合，以实现液体无泄漏，等截面螺旋片(6)固定在内圆柱管(7)的外围，等截面螺旋片(6)的圆柱形内空腔恰与内圆柱管(7)的外壁相吻合，以实现液体无泄漏；变截面螺旋片(3)与等截面螺旋片(6)圆滑过渡连接，变截面螺旋片(3)与等截面螺旋片(6)的外缘紧密接触壁筒(2)的内壁以确保液流的无泄漏；
稳流锥(9)为倒置的圆锥形，固定在内圆柱管(7)的下端；
在内锥管(4)和内圆柱管(7)形成的空腔内固定溢流管(8)，溢流管(8)的上端开口伸出液流入口(1)外；在变截面螺旋片(3)和等截面螺旋片(6)的每个螺旋间隔内，在内锥管(4)和内圆柱管(7)的外壁上分别对应开有一个沿外壁圆周近似切向接入的分离液流入口(5)，分离液流入口(5)经内锥管(4)和内圆柱管(7)形成的空腔连接至溢流管(8)上，实现溢流管(8)的腔体与每个分离液流入口(5)之间的连通。
2.根据权利要求1所述的一种内锥式变截面螺旋油水分离器，其特征在于：液流入口(1)为轴向入口。
3.根据权利要求1所述的一种内锥式变截面螺旋油水分离器，其特征在于：液流入口(1)为切向入口，所述切向入口的数量至少为一个。
4.根据权利要求2或3所述的一种内锥式变截面螺旋油水分离器，其特征在于：当用于气液固三相分离时，在壁筒(2)内，位于底端固定有一个内圆柱套筒(11)，内圆柱套筒(11)与壁筒(2)之间有环形空腔，所述环形空腔的底端环形出口为固相出口(12)。
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