CN107365598A - 一种旋流静电聚结装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋流静电聚结装置，包括聚结主体、顶部封堵组件、底部封堵组件、电极组件、变压器组件；聚结主体包括筒体，筒体的上部左侧设有入口管，筒体的上部右侧设有排气管；顶部封堵组件与筒体的顶部固定连接，底部封堵组件与筒体的底部固定连接，底部封堵组件的中心处设有出口管；电极组件设置在筒体内部，变压器组件设置在筒体内部。本发明旋流静电聚结装置采用电场与旋流场的协同作用，电场促使油中水滴相互吸引、碰撞合并成大水滴；旋流场一方面提高油中水滴碰撞强度和频率，加速水滴聚并过程，另一方面使油中水滴在筒体内壁聚集形成水膜，进一步增加环形流道内电场强度，提高油中水滴聚结效率。

Description

一种旋流静电聚结装置

技术领域

本发明属于油气集输系统多相分离技术领域，具体涉及一种旋流静电聚结装置，通过旋流场和电场的协同作用，提高油中水滴的碰撞强度和频率，加速水滴聚并过程，实现油水乳状液的高效破乳。

背景技术

随着各大油田进入开发中后期以及表面活性剂、聚合物驱等强化采油方法的使用，从地下采出的原油往往含有大量的伴生水，形成稳定的原油乳状液。原油含水不仅会增加储运过程中设备的负荷和升温时的燃料消耗，同时水中含盐更会造成金属管道和设备的结垢与腐蚀，甚至在原油炼制过程中发生冲塔、超压爆炸等事故。因此，研究高效原油破乳技术，脱出原油中的水对保证集输系统的高效安全稳定运行具有重要的意义。

目前油田主要采用热化学沉降和电脱水两种方式进行原油脱水处理。热化学沉降法脱水效率低、能耗大，而且通常需要添加化学药剂，易对环境造成二次污染。电脱水法利用高压电场削弱水滴界面膜强度，提高水滴的碰撞强度和频率，促进水滴聚并，增加沉降速率。但常规电脱水器电极间距大，能耗高，且在处理水含率较高的原油乳状液时易产生电击穿问题，降低了电脱水器的运行稳定性。为解决这一现状，静电聚结技术近年来得到了发展。

美国专利US6136174公开了一种原油脱水静电聚结器，其电极部分是由绝缘电极和金属电极以立式同轴圆筒的形式交替排列，狭窄的电极间距产生高强电压，同时加快乳状液的流速，获得湍流流态，从而促进分散相水滴之间的相互碰撞，缩短相邻水滴间的迁移时间，提高原油脱水效率。中国专利CN105802660A公开了一种平板电极静电聚结器，其高压电输入段设有高压绝缘电线入口，静电聚结段由绝缘电极和裸电极组成，该装置通过降低流体流速，增加停留时间提高油水分离效率。中国专利CN205774344U公开了一种圆柱绝缘电极静电聚结器，具有圆柱型的外壳和内外电极，其中内外电极均包裹绝缘层，外壳设有高压绝缘电线入口，该装置同样通过降低流体流速，增加停留时间提高油水分离效率。上述专利所公开的静电聚结装置内部流动主要是层流或湍流，仅依靠电场和重力场的作用进行油水分离，当水滴距离较远时诱导偶极力弱，碰撞频率低，聚结效果差；且均设有高压接线接头，装置的操作安全性不高。

因此，现有技术需要进一步改进以实现油水乳状液的高效破乳并提升装置运行的稳定性和安全性。

发明内容

本发明目的是提供一种旋流静电聚结装置，通过旋流场和电场的协同作用，提高油中水滴的碰撞强度和频率，加速水滴聚并过程，实现油水乳状液的高效破乳。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种旋流静电聚结装置，包括聚结主体、顶部封堵组件、底部封堵组件、电极组件、变压器组件；

所述聚结主体包括筒体，所述筒体的上部左侧设有入口管，所述入口管的侧壁与筒体的侧壁相切，所述入口管内部设有喷嘴组件，所述喷嘴组件使入口管形成渐缩入口；所述筒体的上部右侧设有排气管；所述顶部封堵组件与筒体的顶部固定连接，所述底部封堵组件与筒体的底部固定连接，所述底部封堵组件的中心处设有出口管；

所述电极组件设置在筒体内部，所述电极组件包括电极、绝缘层、电极支架；所述电极呈圆筒形，所述绝缘层包覆在电极的外壁面上；所述电极支架支撑在电极的底端，所述电极支架与筒体的内壁面进行连接，所述电极与筒体进行同轴设置；

所述变压器组件设置在筒体内部，所述变压器组件包括变压器、低压接线端，所述低压接线端设置在变压器顶部；所述变压器的底部与电极顶端连接，所述变压器的顶端与顶部封堵组件进行密封连接，所述低压接线端向上穿过顶部封堵组件。

优选的，所述入口管的横截面呈圆形结构。

优选的，所述顶部封堵组件包括密封法兰盖和绝缘橡胶垫，所述筒体的顶端设有顶端法兰，所述密封法兰盖与顶端法兰进行螺栓连接，所述绝缘橡胶垫设置在密封法兰盖与顶端法兰之间。

优选的，所述底部封堵组件包括椭圆形封头，所述椭圆形封头的顶端外围设有底部封堵法兰，所述筒体的底端设有底端法兰，所述底部封堵法兰与底端法兰进行螺栓连接，所述出口管设置在椭圆形封头的底部中心处。

优选的，所述电极支架包括若干根径向固定支腿，所述径向固定支腿沿圆周方向等角度分布，所述径向固定支腿的外侧面为弧面；所述径向固定支腿上表面中心处设有圆形支撑槽，所述支撑槽内安装电极；所述椭圆形封头上表面的内径小于筒体内径，所述椭圆形封头的内壁面与筒体内壁面之间形成支撑台阶，所述径向固定支腿的底面与支撑台阶的上表面接触，所述径向固定支腿的外侧面与筒体的内壁面接触。

优选的，所述径向固定支腿共有四根，所述径向固定支腿之间的角度为90°。

优选的，所述底部封堵组件下方设有底座，所述底座包括底板、支撑筒，所述底板与支撑筒固定连接；所述支撑筒与底部封堵组件固定连接，所述出口管弯折穿过支撑筒的侧壁。

优选的，所述支撑筒的侧壁上均匀设有若干加强筋。

优选的，所述入口管、排气管、出口管的端部均连接法兰片。

旋流静电聚结装置，其工作原理为：

进入装置的油水乳状液在筒体内部形成旋流场，在旋流场中，油水密度差导致油水两相所受离心力存在差异，密度较大的水滴径向运动至筒体内壁处，在此过程中，旋流离心力的存在增加了油中水滴的碰撞强度和频率。

而装置中的电场作用使油中水滴受高压电场的极化和静电感应，使水滴两端带上不同电性的电荷，形成诱导偶极，相邻水滴的正负偶极相互吸引，促进水滴相互靠近，进而发生聚结；与此同时，旋流场的作用使密度大的水滴径向运动至筒体内壁，水滴在筒体内壁聚并形成水膜，由上至下水膜厚度不断增加，电极间距不断减小，导致电场强度不断增加，进一步促进油中水滴发生聚并。

在电场和旋流场的协同作用下，实现油中水滴的高效聚结。

本发明的有益效果是：

(1)本发明旋流静电聚结装置采用电场与旋流场的协同作用，电场促使油中水滴相互吸引、碰撞合并成大水滴；旋流场一方面提高油中水滴碰撞强度和频率，加速水滴聚并过程，另一方面使油中水滴在筒体内壁聚集形成水膜，进一步增加环形流道内电场强度，提高油中水滴聚结效率。

(2)本发明旋流静电聚结装置的变压器组件内置，用低压接线端替换装置外高压电线，保证装置的操作安全性。

(3)本发明旋流静电聚结装置在入口管内设置喷嘴组件，喷嘴组件使入口管形成渐缩入口，能够保证旋流达到所需的的旋流强度和湍流强度；同时通过改变喷嘴组件右端面的面积实现不同的筒体入口面积，从而实现油水乳状液进入筒体的不同的入口速度，不同的入口速度形成的旋流场不同，从而找出旋流场与电场的最佳配合，实现油中水滴的最高效的聚并。

(4)本发明旋流静电聚结装置聚结效率高、能耗低、结构紧凑、安全稳定，能够对稳定油水乳状液进行高效破乳。

附图说明

图1为本发明旋流静电聚结装置的结构示意主视图；

图2为本发明旋流静电聚结装置的结构示意俯视图；

图3是图1的A-A剖面图；

图4是图2的B-B剖面图

图5是图4中C的局部放大图；

图6是聚结主体的结构示意主视图；

图7是聚结主体的结构示意左视图；

图8是电极支架的结构示意图；

图9为本发明的工作原理示意图；

其中，1—聚结主体，11—筒体，12—入口管，13—排气管，14—顶端法兰，15—底端法兰，16—喷嘴组件，2—顶部封堵组件，21—密封法兰盖，22—绝缘橡胶垫，3—底部封堵组件，31—椭圆形封头，32—底部封堵法兰，33—出口管，34—支撑台阶，4—电极组件，41—电极，42—电极支架，421—径向固定支腿，422—支撑槽，43—绝缘层，5—变压器组件，51—变压器，52—低压接线端，6—底座，61—底板，62—支撑筒，63—加强筋，7—法兰片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-5所示，一种旋流静电聚结装置，包括聚结主体1、顶部封堵组件2、底部封堵组件3、电极组件4、变压器组件5；

如图6-7所示，所述聚结主体1包括筒体11，所述筒体11的上部左侧设有入口管12，所述入口管12的侧壁与筒体11的侧壁相切，所述入口管12内部设有喷嘴组件16，所述喷嘴组件16使入口管12形成渐缩入口，油水乳状液经入口管12切向进入筒体11，在筒体11内部形成旋流场，而喷嘴组件16的设置能够保证旋流达到所需的的旋流强度和湍流强度；所述筒体11的上部右侧设有排气管13，排气管13将挥发的轻组分及时从排出，防止装置发生气阻；所述顶部封堵组件2与筒体11的顶部固定连接，所述底部封堵组件3与筒体11的底部固定连接，所述底部封堵组件3的中心处设有出口管33，出口管33将经电场与旋流场协同作用后水滴粒径显著增大的乳状液从排出进入后续油水分离设备中；

如图4所示，所述电极组件4设置在筒体11内部，从而在筒体11与电极41之间形成环形通道；所述电极组件4包括电极41、绝缘层43、电极支架42；所述电极41呈圆筒形，所述绝缘层43包覆在电极41的外壁面上；所述电极支架42支撑在电极41的底端，所述电极支架42与筒体11的内壁面进行连接，所述电极41与筒体11进行同轴设置；其中绝缘层以及电极41与筒体11的同轴设置保证装置内电场分布均匀且在处理含水率较高的原油乳状液时不发生电击穿；

如图4所示，所述变压器组件5设置在筒体11内部，所述变压器组件5包括变压器51、低压接线端52，所述低压接线端52设置在变压器51顶部；所述变压器51的底部与电极41顶端连接，所述变压器51的顶端与顶部封堵组件2进行密封连接，所述低压接线端52向上穿过顶部封堵组件2；使用时筒体11接地作为低压电极，外部低压交流电通过低压接线端52接入变压器51，经变压器51转换为高压交流电后施加在电极41上，在筒体11与电极41之间的环形通道中形成高压电场；其中变压器组件5的内置，及用低压接线端52替换装置外高压电线，保证装置的操作安全性。

优选的，如图7所示，所述入口管12的横截面呈圆形结构。

优选的，如图4所示，所述顶部封堵组件2包括密封法兰盖21和绝缘橡胶垫22，所述筒体11的顶端设有顶端法兰14，所述密封法兰盖21与顶端法兰14进行螺栓连接，所述绝缘橡胶垫22设置在密封法兰盖21与顶端法兰14之间。

优选的，如图4所示，所述底部封堵组件3包括椭圆形封头31，所述椭圆形封头31的顶端外围设有底部封堵法兰32，所述筒体11的底端设有底端法兰15，所述底部封堵法兰32与底端法兰15进行螺栓连接，所述出口管33设置在椭圆形封头31的底部中心处。

优选的，如图8所示，所述电极支架42包括若干根径向固定支腿421，所述径向固定支腿421沿圆周方向等角度分布，所述径向固定支腿421的外侧面为弧面；所述径向固定支腿421上表面中心处设有圆形支撑槽422，所述支撑槽422内安装电极41；所述椭圆形封头31上表面的内径小于筒体11内径，所述椭圆形封头31的内壁面与筒体11内壁面之间形成支撑台阶34，所述径向固定支腿421的底面与支撑台阶34的上表面接触，所述径向固定支腿421的外侧面与筒体11的内壁面接触。

优选的，所述径向固定支腿421共有四根，所述径向固定支腿421之间的角度为90°；四根径向固定支腿421的设置能够最大程度的保证乳状液中碰撞聚结的水滴不被破坏，保证聚结效果。

优选的，如图1所示，所述底部封堵组件3下方设有底座6，所述底座6包括底板61、支撑筒62，所述底板61与支撑筒62固定连接；所述支撑筒62与底部封堵组件3固定连接，所述出口管33弯折穿过支撑筒62的侧壁。

优选的，所述支撑筒62的侧壁上均匀设有若干加强筋63。

优选的，所述入口管12、排气管13、出口管33的端部均连接法兰片7，便于与其他设备或管道连接。

本发明通过电场与旋流场的协同作用实现油中水滴的高效聚并，如图9所示：进入装置的油水乳状液在筒体内部形成旋流场，在旋流场中，油水密度差导致油水两相所受离心力存在差异，密度较大的水滴径向运动至筒体内壁处，在此过程中，旋流离心力的存在增加了油中水滴的碰撞强度和频率；而装置中的电场作用使油中水滴受高压电场的极化和静电感应，使水滴两端带上不同电性的电荷，形成诱导偶极，相邻水滴的正负偶极相互吸引，促进水滴相互靠近，进而发生聚结；与此同时，旋流场的作用使密度大的水滴径向运动至筒体内壁，水滴在筒体内壁聚并形成水膜，由上至下水膜厚度不断增加，电极间距不断减小，导致电场强度不断增加，进一步促进油中水滴发生聚并。

一种旋流静电聚结装置，其具体实施方式为：

筒体11接地作为低压电极，外部低压交流电通过低压接线端52接入内置变压器51，经变压器51转换为高压交流电后施加在电极41上，在筒体11与电极41之间的环形通道中形成高压电场。油水乳状液从切向入口管12经喷嘴组件16进入环形流道形成旋流；油中水滴在旋流场和电场的协同作用下发生碰撞、聚结形成大水滴，同时，在离心力作用下，水滴逐渐聚集到筒体内壁并聚并形成水膜，由上至下水膜厚度不断增加，电极间距不断减小，导致电场强度不断增加，进一步促进油中水滴发生聚并。最后水滴粒径显著增大的油水乳状液从出口管33排出进入后续油水分离设备中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种旋流静电聚结装置，其特征是，包括聚结主体、顶部封堵组件、底部封堵组件、电极组件、变压器组件；

所述聚结主体包括筒体，所述筒体的上部左侧设有入口管，所述入口管的侧壁与筒体的侧壁相切，所述入口管内部设有喷嘴组件，所述喷嘴组件使入口管形成渐缩入口；所述筒体的上部右侧设有排气管；所述顶部封堵组件与筒体的顶部固定连接，所述底部封堵组件与筒体的底部固定连接，所述底部封堵组件的中心处设有出口管；

所述电极组件设置在筒体内部，所述电极组件包括电极、绝缘层、电极支架；所述电极呈圆筒形，所述绝缘层包覆在电极的外壁面上；所述电极支架支撑在电极的底端，所述电极支架与筒体的内壁面进行连接，所述电极与筒体进行同轴设置；

所述变压器组件设置在筒体内部，所述变压器组件包括变压器、低压接线端，所述低压接线端设置在变压器顶部；所述变压器的底部与电极顶端连接，所述变压器的顶端与顶部封堵组件进行密封连接，所述低压接线端向上穿过顶部封堵组件。

2.如权利要求1所述的一种旋流静电聚结装置，其特征是，所述入口管的横截面呈圆形结构。

3.如权利要求1所述的一种旋流静电聚结装置，其特征是，所述顶部封堵组件包括密封法兰盖和绝缘橡胶垫，所述筒体的顶端设有顶端法兰，所述密封法兰盖与顶端法兰进行螺栓连接，所述绝缘橡胶垫设置在密封法兰盖与顶端法兰之间。

4.如权利要求1所述的一种旋流静电聚结装置，其特征是，所述底部封堵组件包括椭圆形封头，所述椭圆形封头的顶端外围设有底部封堵法兰，所述筒体的底端设有底端法兰，所述底部封堵法兰与底端法兰进行螺栓连接，所述出口管设置在椭圆形封头的底部中心处。

5.如权利要求4所述的一种旋流静电聚结装置，其特征是，所述电极支架包括若干根径向固定支腿，所述径向固定支腿沿圆周方向等角度分布，所述径向固定支腿的外侧面为弧面；所述径向固定支腿上表面中心处设有圆形支撑槽，所述支撑槽内安装电极；所述椭圆形封头上表面的内径小于筒体内径，所述椭圆形封头的内壁面与筒体内壁面之间形成支撑台阶，所述径向固定支腿的底面与支撑台阶的上表面接触，所述径向固定支腿的外侧面与筒体的内壁面接触。

6.如权利要求5所述的一种旋流静电聚结装置，其特征是，所述径向固定支腿共有四根，所述径向固定支腿之间的角度为90°。

7.如权利要求1所述的一种旋流静电聚结装置，其特征是，所述底部封堵组件下方设有底座，所述底座包括底板、支撑筒，所述底板与支撑筒固定连接；所述支撑筒与底部封堵组件固定连接，所述出口管弯折穿过支撑筒的侧壁。

8.如权利要求7所述的一种旋流静电聚结装置，其特征是，所述支撑筒的侧壁上均匀设有若干加强筋。

9.如权利要求1所述的一种旋流静电聚结装置，其特征是，所述入口管、排气管、出口管的端部均连接法兰片。