CN106621581B - 一种基于管内相分隔技术的气液两相流体分离装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于管内相分隔技术的气液两相流体分离装置和方法，该装置包括竖直管，在竖直管内的下游依次连通设置有循环回引装置、旋流装置和分隔管，循环回引装置连通循环回路管的一端，循环回路管的另一端连通分离管，分隔管在分离管内部中心，分隔管内的下游安装有内隔管，内隔管的下游为分离装置的出口；所述分隔管的管壁上开有孔，开孔位置不得在内隔管的下游；本发明还公开了采用该装置的分离方法；通过本发明，可以大大减小分离管的体积，和一般管道的大小类似，避免了传统的大型压力容器进行分离，安全性、经济性大大提高了，分离后的气相和液相便于在线的实时监控和测量，动态跟随性大大提高。
Description
技术领域
本发明属于气液两相流体分离技术领域，具体涉及一种气液两相流体分离装置和方法。
技术背景
气液两相流体为了测量和检测流量或者干度由于气液两相流体的特性，都需要把气液两相流体分离开才能准确的测量，同时，在石油，化工领域，不同干度流体直接影响到了生产效率，所以气液两相流体的分离是一项十分重要的技术。传统分离技术主要依靠重力和离心分离，工业中较为常见的就是水力旋流分离器，通过切向入口使得两相流体在分离器中产生离心力，气液两相流体在分离器内部依靠离心力和重力使得液相和气相分离。竖直旋风分离器，结合切向入口产生的离心力和重力使得气液分离，同时分离器出口加溢流环进行水膜分离提高分离效率。但以上分离器的缺点也是明显的，体积庞大笨重，造价昂贵，属于压力容器，安全成本高，流体速度低，适应范围窄。美国塔尔萨大学的学者提出了一种气液分离装置GAS-LIQUID CYLINDRICAL CYCLONE简称GLCC，由于GLCC也同样是把来流气液两相流体全部进入分离器内进行分离，所以为了使得流速不至于太大，便于气液两相流体的分离，分离器的体积仍然需要做的较大，安全性和经济性低。
中国专利“一种高干度T型三通气液两相流分离装置”(201310204365.1)提出了一种气液两相流分离装置，但本发明专利中提出的是一种初步分离，可以使得管路中的气液两相流体的干度提高到0.9以上，并不能完全分离。
美国专利“gas particulate separator with scavenging gas separationdevice”(US4180391)提出一种分离装置，把初步分离的气体和液相小液滴直接旁路到旋流分离器，再把旋流分离器分离的气体和主路出口汇合。虽然只是分离了部分两相流体，并和下游完全分离的气相汇合，但是为了不影响下游出口整体的分离效率，对小型旋流分离器的分离效率要求是十分高的，否则将会严重影响整体分离设备的分离效率，所以小型旋流分离器体积仍然相对来说是较大的，安全性，经济性仍是比较差的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种基于管内相分隔技术的气液两相流体分离装置和方法，可以大大减小分离设备的体积，和一般管道大小类似，避免了使用压力容器，有效提高了经济性和安全性，同时实时性也有效提高了，便于后续的流量测量等工作，对生产效率也有效提高了。
为了达到上述的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于管内相分隔技术的气液两相流体分离装置，包括竖直管1，在竖直管1内的下游依次连通设置有循环回引装置2、旋流装置3和分隔管4，循环回引装置2连通循环回路管6的一端，循环回路管6的另一端连通分离管5，分隔管4在分离管5内部中心，分隔管4内的下游安装有内隔管8，内隔管8的下游为分离装置的出口；所述分隔管4的管壁上开有孔，开孔位置不得在内隔管8的下游。
所述分离管5安装位于旋流装置3的下游，分离管5包括两种结构，只含有一级分离管即分离管5或者包含有一级分离管51和二级分离管52的两级分离管结构；相应的，所述分隔管4也包括两种结构，只含有一级分隔管即分隔管4或者包含有一级分隔管41和二级分隔管42的两级分离管结构；所述一级分隔管41和二级分隔管42的管壁上开有孔，开孔位置不得在内隔管8的下游；
当只含有一级分离管即分离管5时，分离管5内部包含有一级分隔管即分隔管4，分离管5的内径大于分隔管4的外径，分离管5的上部与循环回路管6相连通，分离管5的下部或者底部和液相排出管7相连通，分离管5除了连接循环回路管6和液相排出管7的出口外，分离管5形成一个密闭的空间；
当含有两级分离管时，包括一级分离管51和安装在一级分离管51下游的二级分离管52，一级分离管51内包含一级分隔管41，二级分离管52内包含二级分隔管42，一级分离管51内径比一级分隔管41的外径大，二级分离管52的内径大于二级分隔管42的外径大，一级分离管51的下部或者底部和一级液相排出管71相连通，除此之外，一级分离管51构成一个密闭的空间；二级分离管52下部或者底部和二级液相排出管72相连通，二级分离管52上部或者顶部与循环回路管6相连通，除了这两处连接口，二级分离管52形成一个密闭的空间；一级分离管51和二级分离管52为紧密相连或相隔预设的距离分别布置。
所述分隔管4、一级分隔管41和二级分隔管42的管壁上开有圆形开孔或者环型开孔；分隔管4上的圆形开孔或者环型开孔间的间隙不小于3毫米，一级分隔管41和二级分隔管42上的圆形开孔或者环型开孔间的间隙不小于3毫米。
所述循环回引装置2由四个半椭圆夹层片2-1围绕中心圆柱2-2以及汇集管2-3构成；中心圆柱2-2的底部是半圆形的且封死，中间为空心的，和四个半椭圆夹层片2-1的中空夹层相连通，安装在竖直管1中心，中心圆柱2-2的管壁和四个半椭圆夹层片2-1连接固定，管壁对应的四个半椭圆夹层片2-1的中空夹层位置是打通的，在中心圆柱2-2的管壁外有汇集管2-3，汇集管2-3和循环回路管6连通，汇集管2-3、中心圆柱2-2的管壁上的和对应四个半椭圆夹层片2-1连通的槽孔、四个半椭圆夹层片2-1的中空夹层以及四个半椭圆夹层片2-1围绕的中心圆柱2-2的中空管构成一个流通通道，供循环回路管内的流体和主路流体汇合。
所述内隔管8安装在竖直管1的内部，内隔管8在最后一级分隔管的开孔的下游，内隔管8和竖直管1为同心安装，且管径小于竖直管1的内径，具体管径的大小和长度由气液两相流来流的流量决定，内隔管8的管壁是光滑的且无孔，顶端和竖直管1固定连接且顶端是不流通的。
所述循环回路管6通过连接循环回引装置2和主路来流相通，在循环回路管6上有阀门23。
所述的基于管内相分隔技术的气液两相流分离装置的分离方法：将该装置安装在气液两相流体需要分离的管路中，管路入口即竖直管1，竖直安装，当气液两相流体来流流经旋流装置3的时候，旋流装置3使得管路内的气液两相流体产生强烈的离心力，两相流体中密度较大的液相被甩至管壁附近，并在管壁附近汇聚成液膜，密度较小的气相被汇聚在管路的中心，经过旋流装置3后，把来流的气液两相流体转变成一种环状流型，即液膜和液滴被聚集在管壁附近流动，管路中心是单相气体；在流经下游分隔管4时，液膜和液滴受到离心力的作用，通过分隔管上的开孔被甩人分离管5内，在分离管5内，流通横截面积突然增大，液膜和液滴的流速会降低，同时液膜和液滴受到重力的作用，在分离管5内沉降聚集在分离管5的下部，气相和小而轻的液相小液滴汇聚在分离管5的顶部，夹带出来的气相称为伴随气体，循环回引装置2由于能够产生一个低压区，循环回路管6把分离管5和循环回引装置2连通，分离管5顶部的气相和小液滴受到循环回引装置2低压区的抽吸作用，气相和小液滴通过循环回路管6和主路来流流体汇合，再次通过旋流装置进行流型转换，把小液滴和气相分离开，进入分离管5通过分隔管4分离气相和液相，如此往复循环工作，实现气液两相流分离。
采用本发明有效节省了分离设备的体积，提高了分离效率，经济性和安全性也有效提高了。
附图说明
图1为本发明实例1分离装置示意图。
图2为本发明实例2分离装置示意图。
图3为循环回引装置示意图
图4为循环回引装置内部三维图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如附图所示，本发明一种基于管内相分隔技术的管内循环分离装置，主要由竖直管1、循环回引装置2、旋流装置3、分离管5、分隔管4、内隔管8、循环回路管6以及液相排出管7组成。气液两相流流体通过旋流装置3把来流变为均匀的环状流，利用分隔管4和内隔管8把来流分成两部分，一部分为单相气体，另一部分为液相和含有小液滴的伴随气体，前一部分直接通过内隔管8进入下游，成为分离器出口合格的单相气体，另一部分液相和含有小液滴的伴随气体进入分离管5内，并在分离管5内进行分离，由于只是气液两相流体来流中的一小部分进入分离管5分离，大大减小了分离器的体积，在高干度的情况下(干度>0.5)，分离器的体积和普通管道的体积相似，同时避免了分离器使用压力容器，安全性大大提高了。
实例一
如图1所示为本发明的第一个实例，本装置包括竖直管1，以及竖直管1内下游依次安装有循环回引装置2(本实例选择的是文丘里管)、旋流装置3、分离管5、分隔管4、内隔管8、循环回路管6以及液相排出管7组成。所述循环回引装置2布置在旋流装置3的上游，循环回引装置2连接有循环回路管6，且循环回路管6通过循环回引装置2和主路竖直管1相连通。分离管5安装位于旋流装置3的下游，分离管5内部包含有分隔管4，分离管5的内径大于分隔管4的外径，分离管5的上部与循环回路管6相连通，分离管5的下部或者底部和液相排出管7相连通，分离管5除了连接循环回路管6和液相排出管7的出口外，分离管5形成一个密闭的空间，液相排出管7上设置有阀门24。分隔管4安装在旋流装置3的下游，且在内隔管8的上游；在分隔管4的管壁上有环型开孔19，分隔管4安装在分离管5的内部，一般来说位于分离管5的中心，分隔管4安装在旋流装置3的下游，且在内隔管8的上游，分隔管4管壁上的开口位置不得在内隔管8的下游；内隔管8安装在竖直管1的内部，内隔管8的终点位于最后一级分隔管的开口的下游，内隔管8和竖直管1是同心安装，且管径小于竖直管1的内径，具体管径的大小由气液两相流来流的流量决定，内隔管8的管壁是光滑的且无孔，顶端和竖直管1固定连接且是顶端是不流通的；循环回路管6一端分离管5，另一端和循环回引装置2连通，通过连接循环回引装置2和主路来流相通，在循环回路管6上有阀门23。
该气液两相流流体分离装置的分离方法：气液两相流流体通过旋流装置3把来流变为均匀的环状流，利用分隔管4和内隔管8把来流分成两部分，一部分为单相气体，另一部分为液相和含有小液滴的伴随气体，前一部分直接通过内隔管8进入下游，成为分离器出口合格的单相气体，另一部分液相和含有小液滴的伴随气体通过分隔管4管壁的上环型开孔进入分离管5内，进入分离管5的流体由于流通横截面积变大，流速降低，同时受到重力的作用，液相沉降聚集在分离管5的底部，小而轻的小液滴和气相聚集在分离管5的顶部，循环回引装置2可以在流动中产生低压区，对高压区可以进行抽吸作用，本实例选择文丘里管，气相和小而轻的液相小液滴汇聚在分离管5的顶部，夹带出来的气相称为伴随气，循环回引装置2由于可以产生一个低压区，循环回路管6把分离管5和循环回引装置2连通，分离管5顶部的气相和小液滴受到循环回引装置2低压区的抽吸作用，气相和小液滴通过循环回路管6和主路来流流体汇合，再次通过旋流装置进行流型转换，把小液滴和气相分离开，进入分离管5通过分隔管4分离气相和液相，如此往复循环工作，大大节省了分离设备的体积，提高了分离效率。
实例二
如图2所示为本发明的第二个实例，本装置包括竖直管1，以及竖直管1内下游依次安装有循环回引装置2(本实例选择的是文丘里管)、旋流装置3、分离管5、分隔管4、内隔管8、循环回路管6以及液相排出管7组成。循环回引装置2布置在旋流装置3的上游，循环回引装置2连接有循环回路管6，且循环回路管6通过循环回引装置2和主路竖直管1相连通。分离管分为一级分离管51和二级分离管52的两级分离管结构。一级分离管51内包含一级分隔管41，二级分离管52内包含二级分隔管42，一级分离管51内径比一级分隔管41的外径大，二级分离管52的内径大于二级分隔管42的外径大，一级分离管51的下部或者底部有一级液相排出管71相连接，除此之外，一级分离管51构成一个密闭的空间，一级液相排出管71上设置有一级阀门25；二级分离管52下部或者底部有二级液相排出管72相连接，二级分离管52上部或者顶部和循环回路管6相连通，除了这两处连接口，二级分离管52形成一个密闭的空间，二级液相排出管72上设置有二级阀门26，一级分离管51和二级分离管52可以紧密相连，也可以相隔一定的距离分别布置。分隔管4安装在旋流装置3的下游，且在内隔管8的上游；分隔管也有两级，对应不同分离管的为一级分隔管41和二级分隔管42；一级分隔管41在一级分离管51的内部，一级分隔管41的管壁上开有环型开口21，一级分隔管41和竖直管1、二级分隔管42相通；二级分隔管42在二级分离管52的内部，二级分隔管42的管壁上开有圆形开孔20，二级分隔管42管壁的开口位置不得在内隔管8的下游。内隔管8安装在竖直管1的内部，内隔管8的终点位于最后一级分隔管的开口的下游，内隔管8竖直管1是同心安装，且管径小于竖直管1的内径，具体管径的大小由气液两相流来流的流量决定，内隔管8的管壁是光滑的且无孔，顶端和竖直管1固定连接且顶端是不流通的。循环回路管6一端和一级分离管5或者二级分离管51连通，另一端和循环回引装置2连通，通过连接循环回引装置2和主路来流相通，在循环回路管6上有阀门23。
该气液两相流流体分离装置的分离方法：气液两相流流体通过旋流装置3把来流变为均匀的环状流，气液两相流体通过一级分隔管41时大部分液相通过一级分隔管41管壁上的环型开孔21进入一级分离管51，液相进入一级分离管51后，速度减小，受到重力的作用，沉降聚集在一级分离管51的底部，液相最终通过液相排出管71排出；剩余气液两相流体通过二级分隔管42和内隔管8把来流分成两部分，一部分为单相气体，另一部分为液相和含有小液滴的伴随气体，前一部分直接通过内隔管8进入下游，成为分离装置出口合格的单相气体，另一部分液相和含有小液滴的伴随气体通过二级分隔管42管壁的上圆形开孔20进入二级分离管52内，进入二级分离管52的流体由于流通横截面积变大，流速降低，同时受到重力的作用，液相沉降聚集在二级分离管52的底部，小而轻的小液滴和气相聚集在二级分离管52的顶部，循环回引装置2可以在流动中产生低压区，对高压区可以进行抽吸作用，本实例选择文丘里管，气相和小而轻的液相小液滴汇聚在二级分离管52的顶部，夹带出来的气相称为伴随气体，循环回引装置2由于可以产生一个低压区，循环回路管6把二级分离管52和循环回引装置2连通，二级分离管52顶部的气相和小液滴受到循环回引装置2低压区的抽吸作用，气相和小液滴通过循环回路管6和主路来流流体汇合，再次通过旋流装置进行流型转换，把小液滴和气相分离开，依次进入一级分隔管41、一级分离管51和二级分隔管42、二级分离管52及内隔管8最终完成气相和液相的分离，如此往复循环工作，大大节省了分离设备的体积，提高了分离效率。
如图3和图4所示，所述循环回引装置2由四个半椭圆夹层片2-1围绕中心圆柱2-2以及汇集管2-3构成；中心圆柱2-2的底部是半圆形的且封死，中间为空心的，和四个半椭圆夹层片2-1的中空夹层相连通，安装在竖直管1中心，中心圆柱2-2的管壁和四个半椭圆夹层片2-1连接固定，管壁对应的四个半椭圆夹层片2-1的中空夹层位置是打通的，在中心圆柱2-2的管壁外有汇集管2-3，汇集管2-3和循环回路管6连通，汇集管2-3、中心圆柱2-2的管壁上的和对应四个半椭圆夹层片2-1连通的槽孔、四个半椭圆夹层片2-1的中空夹层以及四个半椭圆夹层片2-1围绕的中心圆柱2-2的中空管构成一个流通通道，供循环回路管内的流体和主路流体汇合。
Claims (6)
1.一种基于管内相分隔技术的气液两相流体分离装置，其特征在于：包括竖直管(1)，在竖直管(1)内的下游依次连通设置有循环回引装置(2)、旋流装置(3)和分隔管(4)，循环回引装置(2)连通循环回路管(6)的一端，循环回路管(6)的另一端连通分离管(5)，分隔管(4)在分离管(5)内部中心，分隔管(4)内的下游安装有内隔管(8)，内隔管(8)的下游为分离装置的出口；所述分隔管(4)的管壁上开有孔，开孔位置不得在内隔管(8)的下游；
所述循环回引装置(2)由四个半椭圆夹层片(2-1)围绕中心圆柱(2-2)以及汇集管(2-3)构成；中心圆柱(2-2)的底部是半圆形的且封死，中间为空心的，和四个半椭圆夹层片(2-1)的中空夹层相连通，安装在竖直管(1)中心，中心圆柱(2-2)的管壁和四个半椭圆夹层片(2-1)连接固定，管壁对应的四个半椭圆夹层片(2-1)的中空夹层位置是打通的，在中心圆柱(2-2)的管壁外有汇集管(2-3)，汇集管(2-3)和循环回路管(6)连通，汇集管(2-3)、中心圆柱(2-2)的管壁上的和对应四个半椭圆夹层片(2-1)连通的槽孔、四个半椭圆夹层片(2-1)的中空夹层以及四个半椭圆夹层片(2-1)围绕的中心圆柱(2-2)的中空管构成一个流通通道，供循环回路管内的流体和主路流体汇合。
2.根据权利要求1所述的一种基于管内相分隔技术的气液两相流体分离装置，其特征在于：所述分离管(5)安装位于旋流装置(3)的下游，分离管(5)包括两种结构，只含有一级分离管即分离管(5)或者包含有一级分离管(51)和二级分离管(52)的两级分离管结构；相应的，所述分隔管(4)也包括两种结构，只含有一级分隔管即分隔管(4)或者包含有一级分隔管(41)和二级分隔管(42)的两级分离管结构；所述一级分隔管(41)和二级分隔管(42)的管壁上开有孔，开孔位置不得在内隔管(8)的下游；
当只含有一级分离管即分离管(5)时，分离管(5)内部包含有一级分隔管即分隔管(4)，分离管(5)的内径大于分隔管(4)的外径，分离管(5)的上部与循环回路管(6)相连通，分离管(5)的下部或者底部和液相排出管(7)相连通，分离管(5)除了连接循环回路管(6)和液相排出管(7)的出口外，分离管(5)形成一个密闭的空间；
当含有两级分离管时，包括一级分离管(51)和安装在一级分离管(51)下游的二级分离管(52)，一级分离管(51)内包含一级分隔管(41)，二级分离管(52)内包含二级分隔管(42)，一级分离管(51)内径比一级分隔管(41)的外径大，二级分离管(52)的内径大于二级分隔管(42)的外径大，一级分离管(51)的下部或者底部和一级液相排出管(71)相连通，除此之外，一级分离管(51)构成一个密闭的空间；二级分离管(52)下部或者底部和二级液相排出管(72)相连通，二级分离管(52)上部或者顶部与循环回路管(6)相连通，除了这两处连接口，二级分离管(52)形成一个密闭的空间；一级分离管(51)和二级分离管(52)为紧密相连或相隔预设的距离分别布置。
3.根据权利要求2所述的一种基于管内相分隔技术的气液两相流体分离装置，其特征在于：所述分隔管(4)、一级分隔管(41)和二级分隔管(42)的管壁上开有圆形开孔或者环型开孔；分隔管(4)上的圆形开孔或者环型开孔间的间隙不小于3毫米，一级分隔管(41)和二级分隔管(42)上的圆形开孔或者环型开孔间的间隙不小于3毫米。
4.根据权利要求1所述的一种基于管内相分隔技术的气液两相流体分离装置，其特征在于：内隔管(8)安装在竖直管(1)的内部，内隔管(8)在最后一级分隔管的开孔的下游，内隔管(8)和竖直管(1)为同心安装，且管径小于竖直管(1)的内径，具体管径的大小和长度由气液两相流来流的流量决定，内隔管(8)的管壁是光滑的且无孔，顶端和竖直管(1)固定连接且顶端是不流通的。
5.根据权利要求1所述的一种基于管内相分隔技术的气液两相流体分离装置，其特征在于：所述循环回路管(6)通过连接循环回引装置(2)和主路来流相通，在循环回路管(6)上有阀门(23)。
6.一种采用权利要求1所述的基于管内相分隔技术的气液两相流体分离装置的分离方法：其特征在于：将该装置安装在气液两相流体需要分离的管路中，管路入口即竖直管(1)，竖直安装，当气液两相流体来流流经旋流装置(3)的时候，旋流装置(3)使得管路内的气液两相流体产生强烈的离心力，两相流体中密度较大的液相被甩至管壁附近，并在管壁附近汇聚成液膜，密度较小的气相被汇聚在管路的中心，经过旋流装置(3)后，把来流的气液两相流体转变成一种环状流型，即液膜和液滴被聚集在管壁附近流动，管路中心是单相气体；在流经下游分隔管(4)时，液膜和液滴受到离心力的作用，通过分隔管上的开孔被甩入分离管(5)内，在分离管(5)内，流通横截面积突然增大，液膜和液滴的流速会降低，同时液膜和液滴受到重力的作用，在分离管(5)内沉降聚集在分离管(5)的下部，气相和小而轻的液相小液滴汇聚在分离管(5)的顶部，夹带出来的气相称为伴随气体，循环回引装置(2)由于能够产生一个低压区，循环回路管(6)把分离管(5)和循环回引装置(2)连通，分离管(5)顶部的气相和小液滴受到循环回引装置(2)低压区的抽吸作用，气相和小液滴通过循环回路管(6)和主路来流流体汇合，再次通过旋流装置进行流型转换，把小液滴和气相分离开，进入分离管(5)通过分隔管(4)分离气相和液相，如此往复循环工作，实现气液两相流分离。
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