CN107262298A - 一种油水超重力聚结分离装置 - Google Patents

Abstract

一种油水超重力聚结分离装置。主要目的在于提供一种用于油水两相介质分离的新型分离装置。其特征在于：在聚结外筒内置有一级变螺距增压流道和变径聚结内芯；变径聚结内芯的主体为锥体；第二段溢流管贯穿所述变径聚结内芯；在变径分离筒内置有二级变螺距增压流道，变径分离筒内位于二级变螺距增压流道之下的腔室为介质主分离腔。该装置将水力聚结技术与旋流分离技术相结合，使离散相油滴在超重力作用下完成聚结，致使油相在进行旋流分离前，由小油滴变成大油滴，且保障油相处于径向上靠近溢流口位置，以此来提高油水分离效率及精度，弥补了旋流分离与聚结分离各自的不足。

Description

一种油水超重力聚结分离装置

技术领域

本发明涉及一种应用于石油、化工、环保等领域中的用于两相介质分离的超重力聚结分离装置。

背景技术

在多相介质分离技术研究发展过程中，为适应不同需求、不同场合的应用，形成了旋流分离、聚结分离、沉降分离、化学分离等多种分离方法及形式。其中旋流分离具有设备体积小、分离速度快等优点被广泛应用于多相流分离领域。传统的水力旋流器结构通常是由切向入口、大锥段、小锥段、底流口及溢流口组成。混合液从切向入口进入旋流腔，经过两个锥段进一步对流体介质加速，旋流的液体根据密度不同得到分离，轻质相从溢流口流出，重质相从底流口排出。这类的旋流器通常只能实现两相介质预分离，并不适用于介质间的高精度分离。同时聚结分离具有高精度分离的优点，但其分离速度较慢，一般需要一个较长的聚结时间，通常情况下聚结会与沉降分离方法并用，实现介质间分离，但分离速度较慢，无法保障快速的连续分离。聚结按照分离方法可分为水力聚结和材料聚结，水力聚结即增加液滴间的碰撞机率将小油滴变为大油滴进而加速分离效率及精度。但目前，以上这些现有技术还都处于各自独立运用的状态，未曾被有机的组合起来发挥更好的作用。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种将水力聚结技术与旋流分离技术有机的结合在一起的装置，使离散相油滴在超重力作用下完成聚结，致使油相在进行旋流分离前，由小油滴变成大油滴，且保障油相处于径向上靠近溢流口位置，以此来提高油水分离效率及精度。弥补了旋流分离与聚结分离各自的不足之处，使混合介质实现无外力增压条件下的连续高精度分离。

本发明的技术方案是：该种油水超重力聚结分离装置，包括顺次相连接的聚结外筒、导流外筒、变径分离筒以及底流管，底流管的底部为重质相出口，其独特之处在于：

在聚结外筒内置有一级变螺距增压流道和变径聚结内芯；

其中，一级变螺距增压流道由引流锥体、一级导流通道和一级增压流道顺次一体化连接后构成；第一段溢流管固定在引流锥体、一级导流通道和一级增压流道的内腔中。第一段溢流管的首端为轻质相出口，第一段溢流管的尾部开有一级定位螺纹孔，所述一级定位螺纹孔用于连接位于变径聚结内芯内的第二段溢流管；一级导流通道和一级增压流道上的流道螺旋方向相同，但一级导流通道与一级增压流道的螺旋升角不同，一级导流通道的升角由大变小，以此保障对来液导流后与一级增压流道的对接；一级导流通道与一级增压流道的螺距亦不同，一级导流通道螺距由大变小，一级增压流道螺距恒定；在一级导流通道与一级增压流道的螺旋连接处，采用平滑曲线过渡，以此来保障来液流动的稳定性，同时降低乳化。

变径聚结内芯的主体为锥体；所述第二段溢流管贯穿所述变径聚结内芯，所述第二段溢流管的尾端伸出变径聚结内芯的锥体外，在所述第二段溢流管的尾端上开有二级定位螺纹；所述第二段溢流管的尾端位于导流外筒内；变径聚结内芯的外壁与聚结外筒内壁之间形成的环形倒锥体形空腔为环形聚结通道。

在变径分离筒内置有二级变螺距增压流道，所述二级变螺距增压流道由二级导流通道和二级增压通道一体化连接后构成；其中，二级导流通道和二级增压通道上的流道螺旋方向相同，但二级导流通道与二级增压流道的螺旋升角不同，二级导流通道的升角由大变小，以此保障对来液导流后与二级增压流道的对接；二级导流通道与二级增压流道的螺距亦不同，前者大于后者；在二级导流通道与二级增压流道的螺旋连接处，采用平滑曲线过渡。

二级增压流道的中央开有下液流通道，所述下液流通道的底端为溢流口；在二级导流通道的中央开有上液流通道；所述上液流通道与所述下液流通道连通；所述上液流通道的顶端开有二级定位螺纹孔，所述二级定位螺纹孔用来连接所述第二段溢流管尾端的二级定位螺纹。

变径分离筒内位于二级变螺距增压流道之下的腔室为介质主分离腔。

本发明具有如下有益效果：以油水两相混合介质为例，混合液由轴向入口进入装置内部，在一级变螺距增压通道的作用下产生切向加速度，致使混合液在装置前端的环形聚结通道内部，绕轴心做旋转运动。在离心力的作用下重质的水相向装置边壁运移，轻质油相向轴心运移，此时混合液中的细小油滴颗粒在轴心处碰撞聚结成大颗粒油滴，沿着轴心位置进入到分离腔室内部。油相经聚结后一方面粒径由小变大，另一方面油水在进入二级分离腔室内部时，油相已经处于靠近轴心位置，这两方面因素致使油水混合液在二级分离腔室内部更容易分离开，从而保障油水的高精度分离。分离后的油相沿溢流孔轴向向上运移直至由轻质相出口排出装置，水相在分离腔室内向下运移由底流管排出，以此实现两相介质分离。本装置将聚结技术与旋流分离技术相结合，分离性能好且分离精度高；采用的聚结内芯设计，增加离散相液滴碰撞机率，从而增大离散相粒径，提高分离精度；另外，通过设计变螺距增压流道，降低流场对液滴的剪切破碎，同时对介质进行增压；而且通过设计两级变螺距增压流道，既保证了流体介质的切向速度又使轻质相在分离前处于距轴心溢流口较近位置，进而实现高精度介质的分离。本装置处理工艺简单、能实现连续分离同时具有设备体积小、安装方便以及运行费用低等特点。本装置既可应用于石油化工行业，又可用于冶金、水处理等其它领域，具有可观的推广应用前景和发展趋势。

附图说明：

图1是本发明所述油水超重力聚结分离装置的外观图。

图2本发明所述油水超重力聚结分离装置的爆炸视图。

图3本发明所述油水超重力聚结分离装置的三维剖视图。

图4是本发明所述油水超重力聚结分离装置聚结部分的外观图。

图5是本发明所述油水超重力聚结分离装置聚结部分的三维剖视图。

图6是本发明所述油水超重力聚结分离装置中的一级变螺距增压流道的结构示意图。

图7是本发明所述油水超重力聚结分离装置中的一级变螺距增压流道结构底部视图。

图8是本发明所述油水超重力聚结分离装置中的变径聚结内芯结构图。

图9本发明所述油水超重力聚结分离装置中变径聚结内芯与一级变螺距增压流道连接方式示意图。

图10为本发明所述油水超重力聚结分离装置中变径聚结内芯与一级变螺距增压流道装配图。

图11为本发明所述油水超重力聚结分离装置中聚结部分安装剖视图。

图12为本发明所述油水超重力聚结分离装置中分离部分安装剖视图。

图13为本发明所述油水超重力聚结分离装置中二级变螺距增压流道结构示意图。

图14为本发明所述油水超重力聚结分离装置中二级变螺距增压流道底部结构视图。

图15为本发明所述油水超重力聚结分离装置中变径聚结内芯与二级变螺距增压流道连接示意图。

图16为本发明所述油水超重力聚结分离装置中变径聚结内芯与二级变螺距增压流道装配图。

图17为本发明所述油水超重力聚结分离装置中聚结部分结构剖视图。

图18为本发明所述油水超重力聚结分离装置中外筒爆炸视图。

图19为本发明所述油水超重力聚结分离装置中外筒连接图。

图20为本发明所述油水超重力聚结分离装置中整体线架图。

图21为一本发明所述油水超重力聚结分离装置中主要结构尺寸标注图。

图中1-混合液入口，2-聚结外筒；3-导流外筒；4-变径分离筒；5-底流管；6-重质相出口；7-轻质相出口；8-一级变螺距增压流道；9-变径聚结内芯；10-二级变螺距增压流道；11-环形聚结通道；12-第一段溢流管；13-引流锥体；14-一级导流通道；15-一级增压通道；16-一级定位螺纹孔；17-一级定位螺纹；18-二级定位螺纹；19-二级定位螺纹孔；20-二级导流通道，21-二级增压流道；22-溢流孔；23-介质主分离腔。

具体实施方式：

为进一步实现高效的多相介质分离，在东北石油大学研究生创新科研项目（项目编号：YJSCX2017-019NEPU）的资助下，通过反复研究不同分离方法及多种分离装置内部的流场特性、结构特性及分离原理，最终设计出本发明所述的设计方案。本发明的目的主要为：通过使油相在与水相分离前实现水力聚结，提高分离精度，解决现行旋流分离设备分离效率低的弊端；高精度脱油前增加离散相小粒径液滴碰撞几率，从而增大进入分离腔室内的离散相粒度分布，进而增强旋流分离的性能及精度。通过将水力聚结与旋流分离巧妙结合，实现同一装置内离散相的聚结分离。

本发明的基本工作原理为：通过油水超重力聚结，增大油相粒径进而提高分离性能。本装置是从轴向入口进液，混合液在一级变螺距增压流道作用下做切向的旋转运动，在此过程中油相向装置轴心处运动，绕着变径聚结内芯做旋转运动，从而增大油滴间的碰撞机率，使小颗粒油滴在此过程中碰撞聚结成大颗粒油滴，靠近轴心位置向底部的分离部分运动。聚结后的混合液以油相在内侧水相在外侧的状态进入二级变螺距增压流道内部，进行二次增压加速为分离在此提供能量。进入到变径分离管内，变径分离管管径由大变小，使做旋转运动的混合液有一个轴向向上的力，致使油相进入轴心出的溢流孔内，最后由轻质相出口排出装置，水相继续在外侧轴向向下运动至底流管内，最终由装置底端排出，完成分离。

现在以油水混合液为例，说明本装置的工作过程：当混合液由入口进入装置时，首先经过一级变螺距增压流道进行增压加速，使液体由轴向运动变为切向的旋转运动，在介质做旋转运动的过程中，在离心力的作用下，轻质油相会沿径向向聚结内芯方向运动，而重质水相会向聚结外筒方向运动，同时在入口进液压力的作用下使混合液流整体轴向向装置底部运动。在此过程中，油相由于集中在装置轴心位置，绕聚结内芯做旋转运动，从而增加了油相颗粒间的碰撞机率，进而使油相液滴粒径由小变大，完成聚结后大粒径油滴继续沿轴心与水相共同进入导流外筒内，完成聚结。

本装置的具体技术方案如下：

该种油水超重力聚结分离装置，包括顺次相连接的聚结外筒2、导流外筒3、变径分离筒4以及底流管5，底流管5的底部为重质相出口6。其独特之处在于：

在聚结外筒内置有一级变螺距增压流道和变径聚结内芯。

其中，一级变螺距增压流道由引流锥体13、一级导流通道14和一级增压流道15顺次一体化连接后构成；第一段溢流管12固定在引流锥体13、一级导流通道14和一级增压流道15的内腔中。第一段溢流管12的首端为轻质相出口7，第一段溢流管12的尾部开有一级定位螺纹孔16，所述一级定位螺纹孔用于连接位于变径聚结内芯9内的第二段溢流管；一级导流通道14和一级增压流道15上的流道螺旋方向相同，但一级导流通道14与一级增压流道15的螺旋升角不同，一级导流通道的升角由大变小，以此保障对来液导流后与一级增压流道的对接；一级导流通道14与一级增压流道15的螺距亦不同，一级导流通道螺距由大变小，一级增压流道螺距恒定；在一级导流通道14与一级增压流道15的螺旋连接处，采用平滑曲线过渡，以此来保障来液流动的稳定性，同时降低乳化。

变径聚结内芯9的主体为锥体；所述第二段溢流管贯穿所述变径聚结内芯，所述第二段溢流管的尾端伸出变径聚结内芯9的锥体外，在所述第二段溢流管的尾端上开有二级定位螺纹18；所述第二段溢流管的尾端位于导流外筒3内；变径聚结内芯9的外壁与聚结外筒2内壁之间形成的环形倒锥体形空腔为环形聚结通道11。

在变径分离筒4内置有二级变螺距增压流道10，所述二级变螺距增压流道由二级导流通道20和二级增压通道21一体化连接后构成；其中，二级导流通道20和二级增压通道21上的流道螺旋方向相同，但二级导流通道20与二级增压流道21的螺旋升角不同，二级导流通道的升角由大变小，以此保障对来液导流后与二级增压流道的对接；二级导流通道20与二级增压流道21的螺距亦不同，前者大于后者；在二级导流通道20与二级增压流道21的螺旋连接处，采用平滑曲线过渡。

二级增压流道21的中央开有下液流通道，所述下液流通道的底端为溢流口22；在二级导流通道20的中央开有上液流通道；所述上液流通道与所述下液流通道连通；所述上液流通道的顶端开有二级定位螺纹孔19，所述二级定位螺纹孔用来连接所述第二段溢流管尾端的二级定位螺纹18。

变径分离筒4内位于二级变螺距增压流道10之下的腔室为介质主分离腔23。

下面结合附图对本发明再作进一步说明：

本种油水超重力聚结分离装置外观图如图1所示，外部整体可见混合液入口1、聚结外筒2、导流外筒3、变径分离管4、底流管5、重质相出口6以及轻质相出口7。图2为装置爆炸示图，装置内部由一级变螺距增压流道8、变径聚结内芯9及二级变螺距增压流道10构成。装置整体剖视图如图3所示。本装置轴向上整体分为两部分，一是上端的水力聚结部分，主要由聚结外筒2、变径聚结内芯9、一级变螺距增压流道8、导流外筒3构成，另一部分是由变径分离管4、底流管5以及二级变螺距增压流道10构成的分离部分。预分离液由混合液入口1进入装置内部，经一级变螺距增压流道8增压加速后进入环形聚结通道内部进行聚结，聚结后混合介质共同进入二级变螺距增压流道内进行分离前的增压加速，使混合介质在变径分离管内具有足够的切向速度做旋转运动，在离心力的作用下轻质液相进入溢流管内由轻质相出口排出，重质液相由重质相出口排出，实现两相介质间的分离。其中装置前端的聚结部分外观图如图4所示，图5为聚结部分结构剖视图，前端聚结部分整体由聚结外筒2包裹的一级变螺距增压流道8及变径聚结内芯9构成。

其中一级变螺距增压流道8结构如图6所示，流道轴心出设有通孔用来分离后的油相排出，结构具体由溢流管12、引流锥体13、一级导流通道14、一级增压流道15等构成。引流锥体13用来引导混合介质更为平缓的进入到流通到内部，降低油滴因装置突变导致的破碎。一级导流通道14一方面可以对混合介质的运动方向由轴向到切向的初步转换，同时也使混合介质平缓进入一级增压流道15内，减少因湍流及结构造成的液滴破碎，同时为混合液介质具有足够的切向加速度提供前期保障。

图7中一级定位螺纹孔16是用来完成流道与聚结内芯的连接与定位。图8为聚结内芯结构图，图中一级定位螺纹17用来连接变径聚结内芯9，二级定位螺纹用来与二级变螺距增压流道10连接，变径聚结内芯采用中空设计，与一级变螺距增压流道与二级变螺距增压流道连接后共同构成了油相的排出管道。变径聚结内芯9与一级变螺距增压流道的连接方式如图9所示，图10为装配图。图11为聚结部分剖视图展示，图中变径聚结内芯9与聚结外筒2形成了环形的聚结通道，油相在此区域内完成聚结。本发明的另一部分为分离装置，分离部分剖视图如图12所示，主要由二级变螺距增压流道10、变径分离管4及底流管5构成，其中二级变螺距增压流道10主要结构如图13所示，图中二级定位螺纹孔19用来连接变径聚结内芯9，一方面完成定位，另一方面中心的孔道与聚结内芯中心孔连通形成油相排出通道。二级引流锥体20用来降低已经完成聚结油滴的破碎几率，从而保障后续的分离效率。二级增压流道21用来对混合介质二次增压，为在变径分离管4内的介质分离提供保障。图14中溢流孔22为分离后的油相排出孔道。二级变螺距增压流道10与变径聚结内芯9的连接方式如图15所示，通过二级定位螺纹18与二级定位螺纹孔19螺纹连接，装配图如图16所示。图17为装置分离部分的整体剖视图，介质间的分离主要在分离腔室23内完成。本发明的外部筒体部分由聚结外筒2、导流外筒3、变径分离管4、底流管5构成，各部分按一定顺序法兰连接，外部筒体部分构成图如图18所示。图19为外部筒体连接示意图，以此来保障整个增压、聚结及分离过程均在一个密闭的环形空间内完成。图20为一种油水超重力聚结分离装置的线架图，由此图可清晰的看出装置的结构形式及连接方式。

本发明整体外观结构及关键位置主要尺寸标注如图21所示，按照如下关系式所构造的本发明具有较好的实施效果。

其中入口直径D与变径聚结内芯顶部直径满足如下关系式：

=（0.2～0.8）D

同时变径聚结内芯角度与聚结外筒角度满足如下关系式：

变径分离管主直径d₁与底流管直径d₂满足如下关系式：

d₁=（1.1～1.3）d₂

装置一级变螺距增压流道L₂与聚结部分总长度L₁满足如下关系式：

L₂=（0.1～0.5）L₁

导流筒体内径d与入口直径D及聚结内芯顶部直径满足如下关系式：

。

Claims (1)

1.一种油水超重力聚结分离装置，包括顺次相连接的聚结外筒（2）、导流外筒（3）、变径分离筒（4）以及底流管（5），底流管（5）的底部为重质相出口（6），其特征在于：

在聚结外筒（2）内置有一级变螺距增压流道（8）和变径聚结内芯（9）；

其中，一级变螺距增压流道（8）由引流锥体（13）、一级导流通道（14）和一级增压流道（15）顺次一体化连接后构成；第一段溢流管（12）固定在引流锥体（13）、一级导流通道（14）和一级增压流道（15）的内腔中；第一段溢流管（12）的首端为轻质相出口（7），第一段溢流管（12）的尾部开有一级定位螺纹孔（16），所述一级定位螺纹孔用于连接位于变径聚结内芯（9）内的第二段溢流管；一级导流通道（14）和一级增压流道（15）上的流道螺旋方向相同，但一级导流通道（14）与一级增压流道（15）的螺旋升角不同，一级导流通道的升角由大变小，以此保障对来液导流后与一级增压流道的对接；一级导流通道（14）与一级增压流道（15）的螺距亦不同，一级导流通道螺距由大变小，一级增压流道螺距恒定；在一级导流通道（14）与一级增压流道（15）的螺旋连接处，采用平滑曲线过渡，以此来保障来液流动的稳定性，同时降低乳化；

变径聚结内芯（9）的主体为锥体；所述第二段溢流管贯穿所述变径聚结内芯，所述第二段溢流管的尾端伸出变径聚结内芯（9）的锥体外，在所述第二段溢流管的尾端上开有二级定位螺纹（18）；所述第二段溢流管的尾端位于导流外筒（3）内；变径聚结内芯（9）的外壁与聚结外筒（2）内壁之间形成的环形倒锥体形空腔为环形聚结通道（11）；

在变径分离筒（4）内置有二级变螺距增压流道（10），所述二级变螺距增压流道由二级导流通道（20）和二级增压通道（21）一体化连接后构成；其中，二级导流通道（20）和二级增压通道（21）上的流道螺旋方向相同，但二级导流通道（20）与二级增压流道（21）的螺旋升角不同，二级导流通道的升角由大变小，以此保障对来液导流后与二级增压流道的对接；二级导流通道（20）与二级增压流道（21）的螺距亦不同，前者大于后者；在二级导流通道（20）与二级增压流道（21）的螺旋连接处，采用平滑曲线过渡；

二级增压流道（21）的中央开有下液流通道，所述下液流通道的底端为溢流口（22）；在二级导流通道（20）的中央开有上液流通道；所述上液流通道与所述下液流通道连通；所述上液流通道的顶端开有二级定位螺纹孔（19），所述二级定位螺纹孔用来连接所述第二段溢流管尾端的二级定位螺纹（18）；

变径分离筒（4）内位于二级变螺距增压流道（10）之下的腔室为介质主分离腔（23）。