CN105772238A - 紧凑型气液固三相分离器 - Google Patents

Abstract

一种紧凑型气液固三相分离器。主要目的在于提供一种分离效率高、结构简单紧凑的气液固三相分离装置。其特征在于：在圆筒状外壳体内，固定有隔离体,其顶端与圆筒状外壳体的顶端内表面相触并构成一体化连接；隔离体由上空心圆筒段、空心圆锥台段和下空心圆筒段由上至下顺次连接后构成；环绕隔离体中下空心圆筒段的下端，固定有下溢流管，下溢流管的内径大于下空心圆筒段的外径，下溢流管的内壁与下空心圆筒段的外壁之间形成环形空间；在圆筒状外壳体的底端开有双切向入口,在圆筒状外壳体内，开有二次分离液流入口；在圆筒状外壳体的顶端，连接一根垂向接入的上溢流管，上溢流管的底端开口位于圆筒形旋流腔内。

Description

紧凑型气液固三相分离器

技术领域

本发明涉及一种应用于石油、化工等领域中的气液固三相分离装置。

背景技术

目前，对于气液固三相分离器主要采用重力式沉降罐。这种重力沉降式设备体积较大，内部通常设置有堰板等组件，结构较为复杂。另外，由于是采用重力作用进行分离处理，因此具有处理时间长、工作不连续及占地面积庞大等突出的弊端。这种重力沉降式气液固三相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，分离效果相对就越好。但是，对于高度离散在液体中的气体很难分离。因此，如何改进气液固三相分离器的结构、改善气液固三相分离效果已成为油气田地面工程系统及相关行业实践中的一个亟待解决的问题。旋流器作为一种分离设备已经在我国获得了一定的应用，对气液固三相旋流分离器的发明专利，如（ZL201520519735.5、ZL201520520103.0、ZL201420185334.6 、ZL 201310582217.3、ZL201210292638.8等，东北石油大学（原大庆石油学院）先后也申请了多项发明专利，如（ZL201510366926.7、ZL201410675327.9、ZL201410658938.2、ZL201210345243.X、ZL201210346843.8、ZL201210196492.7等）。但是以上的这些发明在旋流分离器内部或外部增加部件，如增设螺旋导流片、增设内锥、开孔等，给加工带来难度，设备维修处理困难，若增设部件破损，则缩短了分离器的使用寿命。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种紧凑型气液固三相分离器，该种分离器具有分离效率高、结构简单紧凑、适用面广等许多突出的优点，同目前常用的分离器相比，这种新结构的分离器将完成两段分离，第一段先将气体从混合液中分离出来，第二段再进行固液分离，而两段分离在同一个旋流分离装置中实现。

本发明的技术方案是：该种紧凑型气液固三相分离器，包括一个圆筒状外壳体，其独特之处在于：

在所述圆筒状外壳体内，固定有隔离体；所述隔离体的顶端与所述圆筒状外壳体的顶端内表面相触并构成一体化连接；所述隔离体由上空心圆筒段、空心圆锥台段和下空心圆筒段由上至下顺次连接后构成，其中，所述上空心圆筒段的中心孔腔的直径大于所述下空心圆筒段的中心孔腔的直径，所述下空心圆筒段的中心孔腔的末端连接有一根垂向接入的底流管，所述底流管的出口端伸出所述圆筒状外壳体的底板；所述上空心圆筒段内的空腔为圆筒形旋流腔，所述空心圆锥台段内的空腔为锥台形旋流腔，所述空心圆锥台段外壁和所述圆筒状外壳体的内壁之间的环形腔为环形锥段旋流腔，所述上空心圆筒段的外壁和所述圆筒状外壳体的内壁之间的环形腔为环形底流腔，所述下空心圆筒段的外壁和所述圆筒状外壳体的内壁之间的环形腔为环形旋流腔；

穿过所述圆筒状外壳体的底板，环绕所述隔离体中下空心圆筒段的下端，固定有一个下溢流管，下溢流管的内径大于所述下空心圆筒段的外径，下溢流管的内壁与所述下空心圆筒段的外壁之间形成环形空间；所述隔离体的底端与所述溢流管的底端通过拉筋相连接；

在所述圆筒状外壳体的底端开有双切向入口；在所述圆筒状外壳体内，穿过所述隔离体的外壁和内壁，开有二次分离液流入口；

在所述圆筒状外壳体的顶端，连接有一根垂向接入的上溢流管，所述上溢流管的底端开口位于圆筒形旋流腔内；

所述隔离体、上溢流管、底流管和下溢流管的中心轴线均于所述圆筒状外壳体的中心轴线相重合。

本发明具有如下有益效果：本种紧凑型气液固三相分离器的外观主体是由一个圆筒状外壳体组成，圆筒状外壳体内部设有一个隔离体，将圆筒状外壳体分为两部分：外部为倒立旋流分离一段，内部为正立旋流分离二段。如此上下颠倒的设计，可使整体结构更加紧凑。其中旋流分离一段由环形的下溢流管、切向入口、环形旋流腔、环形锥段和环形底流管组成；旋流分离二段由弧线形入口、上溢流管、旋流腔、锥段和底流管组成。本发明提出的这种紧凑型气液固三相分离器，为了完成更明确更高效的分离，将混合液的分离分两段完成。第一阶段：混合液由双切向入口进入旋流分离一段，在环形旋流腔及环形锥段内形成高速旋转涡流。后面连续流入的液体推动环形旋流腔内的液体边旋转边向环形锥段运动，其运动路线成螺旋形。因为气相密度最轻，向压力较低的轴心处流动，最终由下溢流管排出。其余的混合液便继续向旋流分离一段的底部运动。旋流分离一段的环形底流腔底部开有轴向对称的四个弧线形入口，这种特殊的设计形式可以避免破坏环形底流腔内的流场，减少压力损耗，同时还可以给固液混合介质的分离提供后续旋转动力。第二阶段：由旋流分离一段分离完气体的固液混合介质经过四个弧线形入口进入旋流分离二段后重新形成高速旋转的涡流，在旋流腔及锥段内进行离心分离，由于混合液中的固体密度大，借助于离心力的作用会分布在分离器的边壁周围，沿着旋流腔和锥段的器壁随液体向旋流分离二段的底流管方向流动，从旋流分离二段的底流口流出，而液体在旋转分离中向轴心处运动，形成内旋流，最终从旋流分离二段的上溢流口排出。这种采用两段分离的方式，在旋流分离一段最先分离出气体，气体的排出不会破坏分离器内部的流场，也提高了旋流分离二段中的固液分离效率。

本种紧凑型气液固三相分离器在同一个旋流分离装置中实现两段分离。具分离效率高、结构简单紧凑、适用面广、设备体积小、操作维护方便等优点，将有效地解决油田生产实际中面临的三相分离设备成本高、占地大、处理过程不连续等难题。此外，该种结构还可实现两相（液固、气液和液液）分离的二级精细处理，以气液分离为例，经过旋流一段进行初次气液分离后，再经过旋流分离二段将液体中残余的气体分离出去，从而提高分离效率。该结构也可实现油-气-水三相的高效分离。

附图说明：

图1是本发明的主视结构剖视图。

图2是图1的俯视图。

图3本发明的尺寸标注图。

图4为发明采用双锥形式的结构剖视图。

图5为图1和图4的B-B剖面图。

图6为二次分离液流入口为弧线形入口时的坐标尺寸图。

图中1-下溢流管；2-双切向入口；3-环形旋流腔；4-环形锥段旋流腔；5-底流管；6-锥台形旋流腔；7-圆筒形旋流腔；8-环形底流腔；9-二次分离液流入口；10-上溢流管；11-圆筒状外壳体；12-隔离体。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作具体说明：

本技术方案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、图2和图5所示，本种紧凑型气液固三相分离器，包括一个圆筒状外壳体11，在所述圆筒状外壳体内，固定有隔离体12；所述隔离体的顶端与所述圆筒状外壳体的顶端内表面相触并构成一体化连接；所述隔离体由上空心圆筒段、空心圆锥台段和下空心圆筒段由上至下顺次连接后构成，其中，所述上空心圆筒段的中心孔腔的直径大于所述下空心圆筒段的中心孔腔的直径，所述下空心圆筒段的中心孔腔的末端连接有一根垂向接入的底流管5，所述底流管的出口端伸出所述圆筒状外壳体的底板；所述上空心圆筒段内的空腔为圆筒形旋流腔7，所述空心圆锥台段内的空腔为锥台形旋流腔6，所述空心圆锥台段外壁和所述圆筒状外壳体的内壁之间的环形腔为环形锥段旋流腔4，所述上空心圆筒段的外壁和所述圆筒状外壳体的内壁之间的环形腔为环形底流腔8，所述下空心圆筒段的外壁和所述圆筒状外壳体的内壁之间的环形腔为环形旋流腔3；

穿过所述圆筒状外壳体的底板，环绕所述隔离体中下空心圆筒段的下端，固定有一个下溢流管1，下溢流管1的内径大于所述下空心圆筒段的外径，下溢流管1的内壁与所述下空心圆筒段的外壁之间形成环形空间；所述隔离体的底端与所述溢流管的底端通过拉筋相连接；

在所述圆筒状外壳体的底端开有双切向入口2；在所述圆筒状外壳体内，穿过所述隔离体的外壁和内壁，开有二次分离液流入口9；在所述圆筒状外壳体的顶端，连接有一根垂向接入的上溢流管10，所述上溢流管的底端开口位于圆筒形旋流腔7内；所述隔离体、上溢流管、底流管和下溢流管的中心轴线均于所述圆筒状外壳体的中心轴线相重合。

按照以上方案获得的分离器的外观主体是一个圆筒状外壳体，圆筒状外壳体内部的隔离体，将圆筒状外壳体分为两部分：外部为倒立旋流分离一段，内部为正立旋流分离二段。如此上下颠倒的设计，可使整体结构更加紧凑。其中旋流分离一段由环形溢流管、切向入口、环形旋流腔、环形锥段和环形底流腔组成；旋流分离二段由弧线形入口、溢流管、旋流腔、锥段和底流管组成。

本种紧凑型气液固三相分离器的分离原理是利用不互溶介质的密度差而进行离心分离的。气液固三相混合介质由双切向入口2进入旋流分离一段。在压力作用下，介质在环形旋流腔3内部高速旋转，形成高速运动的涡流。混合介质沿分离器下行的过程中，在离心力作用下，密度较重相——固液混合相被甩至旋流分离一段的外壁。同时，密度较轻相——气体被挤至中心处，气体从环形的下溢流口中分离出来，其余混合液在离心力的作用下沿环形锥段4运动至环形底流腔部分，环形底流腔底部开有四个二次分离液流入口，经过旋流分离一段分离出气体后，混合相中的液相和固相由二次分离液流入口进入旋流分离二段后，在旋流腔形成高速旋转的涡流，后面连续流入的混合液推动旋流腔内的混合液边旋转边向锥段运动，这些旋转的液体中，密度较轻相——液相向压力较低的轴心处运动，形成内旋流，从溢流管排出， 密度较重相——固体由于离心作用则被甩到旋流分离二段的器壁处，随着液体旋转，从底流管排出。至此，紧凑型气液固三项分离器完成分离任务，以往的旋流分离器都是在一个设备中将气液固三相混合介质同时分离出来，而紧凑型气液固三项分离器先从混合相中分离出气体，再分离固液两相，如此获得更高的分离效率，同时也实现了分离后气、液、固三相的单独连续排出。

在具体实施时，所述二次分离液流入口的数量为四个，所述四个二次分离液流入口沿轴向对称，其形状为弧线形入口。采用轴对称式，目的是保证混合相进入旋流分离二段时的不但可以造旋使其有较大的进口速度，还可以稳定旋流分离二段的内部流场。二次分离液流入口由第一弧线和第二弧线围成，以图6所示坐标轴为例，所述第一弧线的解析式为：

x ² +(y+D ₂/2)² = D ₂ ²

第二弧线是将第一弧线所对应的圆以O点为旋转中心进行顺时针旋转，旋转圆圆心的运动轨迹为：

x ²+y ²=(D ₂/2)²

其中，D ₂为旋流腔直径，旋转角θ满足15°<θ<70°。

弧线形入口可以有很多种形式，其表达公式也不唯一。以上确定了弧线形入口的形状以及位置，但在实际应用中，可将入口处的局部位置进行圆角或倒角处理，这样更加有利于混合液进入旋流腔后迅速形成较为稳定的液流，也可适当减轻混合液对弧线形入口的冲击，延长旋流器的寿命。

另外，还可以如图4所示，所述隔离体内的空心圆锥台段由至少两个锥角不同的空心圆锥台顺次连接后构成。

下面给出本技术方案实施的优选参数及尺寸,如图3所示：

l ₀ ——环形溢流腔尺寸，l ₀=0.1-0.25 D ₄；

l ₁ ——环形切向入口长度，根据入口速度和流量来确定，一般保证速度在8~15m/s；

l ₂ ——环形切向入口宽度，l ₂=0.2-0.3 l ₁；

l ₃ ——弧线形入口长度；根据入口速度和流量来确定，一般保证速度在8~15m/s；

l ₄ ——弧线形入口宽度；l ₄=0.2-0.3 l ₃；

l ₅ ——环形旋流腔长度，l ₅=0.2-0.35 D ₄；

l ₆ ——环形锥段长度，l ₆=(0.2-0.7)l，l为分离器总长，根据分离器圆筒状外壳体外直径D ₄确定，一般l=(3~5) D ₄；

l ₇ ——环形底流腔长度，l ₇=0.5-1.2 l ₅；

l ₈ ——旋流腔长度，l ₈=0.5-1.2 D ₂；

l ₉ ——环形底流腔当量直径，l ₉=0.1-0.3 D ₄；

l ₁₀——环形旋流腔当量直径，l ₁₀=0.2~0.4 D ₄；

l ₁₁——底流管长度，l ₁₁=0.8-1.5 l ₅；

l ₁₂——溢流管长度，l ₁₂=0.5-1.2 l ₈；

l ₁₃——溢流管伸入长度，l ₁₃=0.6-0.8 l ₁₂；

D ₁——溢流管直径，D ₁=(0.25-0.5)D ₂；

D ₂——旋流腔直径，D ₂=(0.4-0.7)D ₄；

D ₃——底流管直径，D ₃=(0.25-0.5)D ₂；

D ₄——圆筒状外壳体的外部直径，根据所分离介质的物性参数及入口流量确定；

α ——旋流分离二段锥角，一般为0-150度；

ß ——旋流分离一段锥角，一般为0-75度。

本技术方案已经进行了实验性应用，通过应用实例已经证明了本种装置具有分离效率高、结构简单紧凑、适用面广、设备体积小、操作维护方便等许多突出的优点。两段分离在同一个旋流分离装置中实现，提高了分离精度和分离效率。同时四个弧线形入口的设计，可使混合相进入旋流二段后迅速形成高速旋转的涡流。固液混合相再一次在离心的作用下，液相集中于轴心处由旋流分离二段的溢流管排出，固相则被甩到旋流分离二段的器壁处，最终由底流管排出，三相分别有自己的固定流道，不会破坏分离器内部流场，因而获得了更高的分离效率。同时，本装置设备体积小。同其他气液固三相分离工艺及设备相比，具有设备体积小、占地面积小、工艺及操作简单、内部无运动部件等突出的优点。此外，本装置的应用范围广，既可应用于化工行业及油田生产，又可应用于医药等其它领域，具有广阔的推广应用前景。

另外，本装置还可实现两相（液-固、气-液和液-液）分离的二级精细处理，以气液分离为例，经过旋流一段进行初次气液分离后，再经过旋流分离二段将液体中残余的气体分离出去，从而提高分离效率。该结构也可实现油-气-水三相的高效分离。

Claims (4)

1.一种紧凑型气液固三相分离器，包括一个圆筒状外壳体（11），其特征在于：

在所述圆筒状外壳体内，固定有隔离体（12）；所述隔离体的顶端与所述圆筒状外壳体的顶端内表面相触并构成一体化连接；所述隔离体由上空心圆筒段、空心圆锥台段和下空心圆筒段由上至下顺次连接后构成，其中，所述上空心圆筒段的中心孔腔的直径大于所述下空心圆筒段的中心孔腔的直径，所述下空心圆筒段的中心孔腔的末端连接有一根垂向接入的底流管（5），所述底流管的出口端伸出所述圆筒状外壳体的底板；所述上空心圆筒段内的空腔为圆筒形旋流腔（7），所述空心圆锥台段内的空腔为锥台形旋流腔（6），所述空心圆锥台段外壁和所述圆筒状外壳体的内壁之间的环形腔为环形锥段旋流腔（4），所述上空心圆筒段的外壁和所述圆筒状外壳体的内壁之间的环形腔为环形底流腔（8），所述下空心圆筒段的外壁和所述圆筒状外壳体的内壁之间的环形腔为环形旋流腔（3）；

穿过所述圆筒状外壳体的底板，环绕所述隔离体中下空心圆筒段的下端，固定有一个下溢流管（1），下溢流管（1）的内径大于所述下空心圆筒段的外径，下溢流管（1）的内壁与所述下空心圆筒段的外壁之间形成环形空间；所述隔离体的底端与所述溢流管的底端通过拉筋相连接；

在所述圆筒状外壳体的底端开有双切向入口（2）；

在所述圆筒状外壳体内，穿过所述隔离体的外壁和内壁，开有二次分离液流入口（9）；

在所述圆筒状外壳体的顶端，连接有一根垂向接入的上溢流管（10），所述上溢流管的底端开口位于圆筒形旋流腔（7）内；

所述隔离体、上溢流管、底流管和下溢流管的中心轴线均于所述圆筒状外壳体的中心轴线相重合。

2.根据权利要求1所述的紧凑型气液固三相分离器，其特征在于：所述二次分离液流入口的数量为四个，所述四个二次分离液流入口沿周向对称，其形状为弧线形入口。

3.根据权利要求2所述的紧凑型气液固三相分离器，其特征在于：所述隔离体内的空心圆锥台段由一个或两个不同锥角的空心圆锥台顺次连接后构成。

4.根据权利要求2所述的紧凑型气液固三相分离器，其特征在于：二次分离液流入口由第一弧线和第二弧线围成，以图6所示坐标轴为例，所述第一弧线的解析式为：

x ² +(y+D ₂/2)² = D ₂ ²

第二弧线是将第一弧线所对应的圆以O点为旋转中心进行顺时针旋转，旋转圆圆心的运动轨迹为：

x ²+y ²=(D ₂/2)²

其中，D ₂为旋流腔直径，旋转角θ满足15°<θ<70°。