CN107596797B - 一种气液分离器和气液分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液分离器和气液分离方法。气液分离器设有柱状旋流分离器，柱状旋流分离器包括立管筒体(9)。立管筒体内设有隔板(402)，隔板的中部向上设有升气管(401)，靠近隔板的边缘向下设有一圈降液管(403)。气液分离器还设有管式预分离器，管式预分离器设有气相管(105)和液相管(106)。气相管和液相管均沿立管筒体的切向与立管筒体相连，气相管出口位于升气管顶部出口的上方，液相管出口位于降液管底部出口的下方。立管筒体内具有液滴沉降区(2)和气泡浮升区(5)。本发明公开了采用上述气液分离器进行气液分离的方法。本发明主要用于油气田油气处理技术领域的气液分离。

Description

一种气液分离器和气液分离方法

技术领域

本发明涉及油气田油气处理技术领域的一种用于气液分离的气液分离器和气液分离方法。

背景技术

气液柱状旋流分离器是结构简单、紧凑的气液分离设备，其作为油气井计量分离器、预分分离器、涤气器等在油气处理过程中得到了广泛应用。操作时，气液混合物经倾斜向下的气液入口管沿立管筒体的切向进入立管筒体并绕立管筒体旋转，依靠重力和离心力使气液分离。气液做剧烈的旋流运动，气液柱状旋流分离器内部各点的速度、压力呈现出强烈的波动特征。剧烈的旋流场以及狭小的分离空间致使分离器对气液来流波动的适应能力较差，气液分离效果对入口气液来流参数(流量、压力、气液比等)的变化高度敏感。

气液柱状旋流分离器主要分为入口分流区、漩涡区、液滴沉降区(气相空间)和气泡浮升区(液相空间)。气相空间和液相空间的气液界面在离心力作用下形成漩涡区，气相和液相直接接触导致了气相空间旋流场与液相空间旋流场相互影响和干扰，对气液柱状旋流分离器的分离效果造成不良影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种气液分离器和气液分离方法，以解决现有的气液柱状旋流分离器所存在的气液来流参数变化以及气相空间旋流场与液相空间旋流场相互影响和干扰容易对分离效果造成不良影响的问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种气液分离器，设有柱状旋流分离器，柱状旋流分离器包括立管筒体，立管筒体的顶部设有立管筒体顶板、出气管，立管筒体的底部设有立管筒体底板、出液管，其特征在于：立管筒体内设有隔板，隔板的中部向上设有升气管，靠近隔板的边缘向下设有一圈降液管，气液分离器还设有管式预分离器，管式预分离器设有气相管和液相管，气相管和液相管之间设有气相浮升管，气相管和液相管均沿立管筒体的切向与立管筒体相连，气相管出口位于升气管顶部出口的上方，液相管出口位于降液管底部出口的下方，液相管出口的下方设有止旋部件，隔板与立管筒体顶板之间的空间为液滴沉降区，隔板与止旋部件顶端之间的空间为气泡浮升区。

采用上述气液分离器进行气液分离的方法，其特征在于：气液混合物在管式预分离器进行预分离，分离出的气相由管式预分离器的气相管出口沿立管筒体的切向进入液滴沉降区，分离出的液相由管式预分离器的液相管出口沿立管筒体的切向进入气泡浮升区，由气相管出口进入液滴沉降区的气相在旋转上升的过程中，气相中的液滴在立管筒体内侧壁附近区域向下沉降，落到隔板上，再由靠近隔板边缘的降液管向下落入气泡浮升区，除去液滴的气相最后由出气管流出，由液相管出口进入气泡浮升区的液相与由降液管流下的液滴汇合，在旋转下降的过程中，液相中的气泡向立管筒体的轴心线区域聚集并向上流动，经隔板中部的升气管向上进入液滴沉降区，与液滴沉降区内的气相汇合，最后经出气管流出，气泡浮升区内除去气泡的液相向下流经止旋部件，最后经出液管流出。

采用本发明，具有如下的有益效果：(1)本发明采用管式预分离器和柱状旋流分离器相结合的气液分离方式。管式预分离器对气液混合物进行初步的气液粗分离，可以减轻柱状旋流分离器的分离负荷，提高柱状旋流分离器的分离效果。管式预分离器分离出的气相和液相分别经气相管和液相管进入柱状旋流分离器，气相和液相的参数变化可以得到一定程度的控制。(2)柱状旋流分离器立管筒体内的液滴沉降区和气泡浮升区由隔板隔开，气相空间旋流场与液相空间旋流场没有相互影响和干扰，液滴沉降与气泡浮升过程在两个区域分别单独进行。此外，气相管出口底部与升气管顶部出口之间只要保持一定的高度差，就可以减小从升气管顶部出口流出的气泡对气相管出口附近流场的干扰。由气相管出口进入液滴沉降区的气相在旋转上升的过程中，气相中的液滴在立管筒体内侧壁附近区域向下沉降、落到隔板上；而气泡浮升区分离出来的气泡是由设于隔板中部的出气管向上流入立管筒体的轴心线区域，与上述的液滴沉降之间没有多大相互影响。液相管出口顶部与降液管底部出口之间只要保持一定的高度差，就可以减小从降液管底部出口流下的液滴对液相管出口附近流场的干扰。由液相管出口进入气泡浮升区的液相在旋转下降的过程中，液相中的气泡向立管筒体的轴心线区域聚集并向上流动、进入升气管；而液滴沉降区沉降下来的液滴是由靠近隔板边缘(即立管筒体内侧壁)的降液管向下落入气泡浮升区，与上述的气泡流动之间没有多大相互影响。因此，本发明柱状旋流分离器的气液分离效果较好。

本发明主要用于油气田油气处理技术领域的气液分离。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明气液分离器的结构示意图。

图2是图1中的A—A剖视图(放大)。

图3是图1所示止旋部件的立体结构示意图(放大)。

图1至图3中，相同附图标记表示相同的技术特征。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本发明的气液分离器设有柱状旋流分离器。柱状旋流分离器包括圆筒形的立管筒体9，立管筒体9的顶部设有立管筒体顶板、出气管3，立管筒体9的底部设有立管筒体底板、出液管7。出气管3沿立管筒体9的切向与立管筒体9连接，出液管7的轴心线通过立管筒体9的轴心线。本发明所用的各种管道除说明的以外均为横截面呈圆形的直管。

立管筒体9内设有隔板402，隔板402为水平圆形平板，边缘连接于立管筒体9的内侧壁上。隔板402的中部(最好是正中心)向上设有升气管401，靠近隔板402的边缘向下设有一圈降液管403。升气管401的内直径一般为立管筒体9内直径的0.1～0.2倍，高度a一般为立管筒体9内直径的0.3～0.5倍。降液管403的内直径一般为升气管401内直径的0.5～0.8倍，高度b一般为立管筒体9内直径的0.3～0.5倍，根数一般为6～8根。

气液分离器还设有用于气液预分离的管式预分离器，管式预分离器在现有技术中有使用的。管式预分离器设有入口管101、立管103、气相管105和液相管106。入口管101垂直设置，其顶部出口通过扩径管102(圆锥面形)与立管103的底部入口相连，立管103的顶部出口通过弯头104与液相管106的入口相连，气相管105和液相管106之间设有气相浮升管107。为使气液混合物从立管103平缓地流入液相管106，弯头104中心线的曲率半径一般应为弯头104内直径的3倍以上(弯头104、立管103和液相管106的内直径一般相等)。

气相管105和液相管106均沿立管筒体9的切向与立管筒体9相连。气相管105出口(与立管筒体9的侧壁连接)位于升气管401顶部出口的上方，液相管106出口(与立管筒体9的侧壁连接)位于降液管403底部出口的下方。气相管105出口底部与升气管401顶部出口之间应保持一定的高度差(一般为气相管105内直径的1～2倍)，以减小从升气管401顶部出口流出的气泡对气相管105出口附近流场的干扰。液相管106出口顶部与降液管403底部出口之间应保持一定的高度差(一般为液相管106内直径的2～3倍)，以减小从降液管403底部出口流下的液滴对液相管106出口附近流场的干扰。

液相管106出口的下方设有止旋部件，止旋部件位于出液管7的上方。隔板402与立管筒体顶板之间的空间为液滴沉降区2(气相空间)，隔板402与止旋部件顶端之间的空间为气泡浮升区5(液相空间)。液滴沉降区2的高度一般为立管筒体9内直径的10～15倍，气泡浮升区5的高度一般为立管筒体9内直径的8～10倍。

参见图1，扩径管102的入口位于底部，出口位于顶部。扩径管2顶部出口面积(按顶部出口的内径计算)与底部入口面积(按底部入口的内径计算)的比值为扩径管102的扩径比，扩径管102的扩径比一般为3～5。气液混合物流经扩径管102时流速降低，所述的扩径比可以保证气液混合物流入液相管106后其流型位于水平管流型图上的分层流区域，为之后的气液预分离提供良好的条件。

气相管105水平设置或倾斜向上设置，与水平面之间的夹角为0～5度(0度时为水平设置)。液相管106倾斜向下设置，与水平面之间的夹角为-10～-15度(“-”号表示该夹角同上述气相管105与水平面之间的夹角的方向相反)。本发明所述的倾斜向上和倾斜向下，是按相应的气相和/或液相的流动方向而定。气相浮升管107最好是垂直设置，设置2～4根。

气相管105在靠近其出口的管段内一般应设置渐缩喷嘴，以使气相加速喷出。图1和图2所示的渐缩喷嘴是已有的，由堵头8和气相管105的内侧壁组成，堵头8固定于气相管105的内侧壁上。堵头8系用一个圆柱体从侧面斜切掉一部分而制成，斜切面与气相管105的内侧壁之间形成渐缩通道，渐缩通道的出口为渐缩喷嘴的喷口80。类似地，液相管106在靠近其出口的管段内也设置有堵头8、形成渐缩喷嘴。图2示出了气相管105与立管筒体9的连接情况以及堵头8、喷口80，液相管106的情况与此基本相同(图略)。

本发明所用的一种止旋部件由一根位于立管筒体9轴心线上的圆柱形立柱601和绕立柱601均匀设置的4～6块矩形立板602组成(图1和图3所示设置的是4块矩形立板602)。各块矩形立板602的一端固定于立柱601的侧壁上，另一端与立管筒体9的内侧壁相连。矩形立板602的高度c一般为立管筒体9内直径的0.3～0.8倍。立管筒体9的内直径主要根据气液混合物的气液比、流量等条件确定。

本发明各部件的材料一般为不锈钢(例如304不锈钢)，部件之间的连接或固定一般采用焊接。

下面结合附图说明采用本发明气液分离器进行气液分离的方法。气液混合物由入口管101的底部入口进入入口管101并向上流动，流经扩径管102减速后进入立管103并向上流动，经弯头104进入液相管106。气液混合物在液相管106内呈分层流流动，气相在上、液相在下。气相经气相浮升管107向上进入气相管105(气相仍含有大量液滴)，经渐缩喷嘴加速后由气相管105出口沿立管筒体9的切向进入液滴沉降区2，在液滴沉降区2旋转流动。液相管106内剩余的液相(仍含有大量气泡)经渐缩喷嘴加速后由液相管106出口沿立管筒体9的切向进入气泡浮升区5，在气泡浮升区5旋转流动。

由气相管105出口进入液滴沉降区2的气相在旋转上升的过程中，气相中的液滴在立管筒体9内侧壁附近区域向下沉降，落到隔板402上，再由靠近隔板402边缘的降液管403向下落入气泡浮升区5。除去液滴的气相最后由出气管3流向下游的气相处理设备。

由液相管106出口进入气泡浮升区5的液相与由降液管403流下的液滴汇合，在旋转下降的过程中，液相中的气泡向立管筒体9的轴心线区域聚集并向上流动，经隔板402中部的升气管401向上进入液滴沉降区2，与液滴沉降区2内的气相汇合，最后经出气管3流向下游的气相处理设备。气泡浮升区5内除去气泡的液相向下流动，流经止旋部件时被止旋(即停止旋转流动)。液相从止旋部件的底部流出，最后经出液管7流向下游的液相处理设备。本发明图1和图2中，未注附图标记的箭头表示气液混合物、气相或液相的流动方向。

气液在液滴沉降区2和气泡浮升区5旋转流动的过程中，液相趋于在立管筒体9内侧壁附近的区域流动，气相趋于向立管筒体9的轴心线区域流动。

本发明，气液混合物在管式预分离器只进行预分离，柱状旋流分离器仍然是主分离设备。

气液混合物在入口管101底部入口处的流速(混合流速)一般为3～6米/秒，气液比一般为6～15(气液比是气相与液相的体积比)。由气相管105出口流出的气相的流速一般为1～2米/秒，气相在液滴沉降区2内的停留时间一般为15～30秒。由液相管106出口流出的液相的流速一般为0.5～1.5米/秒，液相在气泡浮升区5内的停留时间一般为20～30秒。

气液混合物中的气相一般是天然气，液相一般是原油。

由出气管3流出的气相，所含液滴的直径一般不大于10微米。由出液管7流出的液相，所含气泡的直径一般不大于300微米。

Claims (4)

1.一种气液分离器，设有柱状旋流分离器，柱状旋流分离器包括立管筒体(9)，立管筒体(9)的顶部设有立管筒体顶板、出气管(3)，立管筒体(9)的底部设有立管筒体底板、出液管(7)，其特征在于：立管筒体(9)内设有隔板(402)，隔板(402)的中部向上设有升气管(401)，靠近隔板(402)的边缘向下设有一圈降液管(403)，气液分离器还设有管式预分离器，管式预分离器设有气相管(105)和液相管(106)，气相管(105)和液相管(106)之间设有气相浮升管(107)，气相管(105)和液相管(106)均沿立管筒体(9)的切向与立管筒体(9)相连，气相管(105)倾斜向上设置，气相管(105)出口位于升气管(401)顶部出口的上方，液相管(106)出口位于降液管(403)底部出口的下方，液相管(106)出口的下方设有止旋部件，隔板(402)与立管筒体顶板之间的空间为液滴沉降区(2)，隔板(402)与止旋部件顶端之间的空间为气泡浮升区(5)，液相管(106)出口顶部与降液管(403)底部出口之间的高度差为液相管(106)内直径的2～3倍。

2.根据权利要求1所述的气液分离器，其特征在于：升气管(401)的内直径为立管筒体(9)内直径的0.1～0.2倍，高度a为立管筒体(9)内直径的0.3～0.5倍，降液管(403)的内直径为升气管(401)内直径的0.5～0.8倍，高度b为立管筒体(9)内直径的0.3～0.5倍，降液管(403)的根数为6～8根。

3.根据权利要求1所述的气液分离器，其特征在于：管式预分离器设有入口管(101)，入口管(101)的顶部出口通过扩径管(102)与立管(103)的底部入口相连，立管(103)的顶部出口通过弯头(104)与液相管(106)的入口相连，扩径管(102)的扩径比为3～5。

4.一种采用权利要求1所述气液分离器进行气液分离的方法，其特征在于：气液混合物在管式预分离器进行预分离，分离出的气相由管式预分离器的气相管(105)出口沿立管筒体(9)的切向进入液滴沉降区(2)，分离出的液相由管式预分离器的液相管(106)出口沿立管筒体(9)的切向进入气泡浮升区(5)，由气相管(105)出口进入液滴沉降区(2)的气相在旋转上升的过程中，气相中的液滴在立管筒体(9)内侧壁附近区域向下沉降，落到隔板(402)上，再由靠近隔板(402)边缘的降液管(403)向下落入气泡浮升区(5)，除去液滴的气相最后由出气管(3)流出，由液相管(106)出口进入气泡浮升区(5)的液相与由降液管(403)流下的液滴汇合，在旋转下降的过程中，液相中的气泡向立管筒体(9)的轴心线区域聚集并向上流动，经隔板(402)中部的升气管(401)向上进入液滴沉降区(2)，与液滴沉降区(2)内的气相汇合，最后经出气管(3)流出，气泡浮升区(5)内除去气泡的液相向下流经止旋部件，最后经出液管(7)流出。

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