CN107630818B - 一种组合型油气分离器及其油气分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种组合型油气分离器及其油气分离方法，在传统的油气分离器用旋风分离器进行粗分、用滤芯进行精分的基础上，增加了入口初分装置和惯性分离区域，将传统的油气分离器中的单个旋流器改为相互嵌套的内旋流器和外旋流器；在筒体内设置了防止二次夹带的多孔薄壁圆筒。入口初分装置和惯性分离区域有效的提高了油气分离器适应压缩机变工况运行的能力；内旋流器和外旋流器分别对油气混合物进行起旋，将离心分离的油滴运动至壁面的路径长度减小，提高了离心分离段的效率，间接增强了滤芯的分离效果，延长了滤芯的使用寿命；多孔薄壁圆筒与筒体间环形空间的存在，有效的避免了高速运动的气流冲击沿筒体表面向下运动的油膜，提高了分离效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种两相分离设备，具体涉及一种用于喷油压缩机中油气分离的组合型油气分离器及其油气分离方法。
背景技术
在喷油压缩机工作时，向其中喷入润滑油对压缩机进行降温、润滑和密封。经转子压缩之后，压缩空气与润滑油的两相混合物再经油气分离器分离。为提高压缩空气的品质，保证压缩机的安全运行，需要尽最大可能分离出液相油滴，这对油气分离器的分离效率提出了严格要求。压缩机是在额定工况下设计的，但实际运行时，进排气压力会根据实际使用要求发生变化，导致排气量出现波动。因此，油气分离器的分离效率需要在压缩机宽广的流量范围和整个工况内都满足要求。
目前普遍使用旋风分离器和滤芯对压缩机排气进行油气分离，旋风分离器对油气混合物进行粗分离，对直径25～50μm颗粒的分离效率在98％以上，对于20μm以下的小颗粒，通常以8μm为主，需要采用滤芯进行吸附和凝聚。在工艺设备应用中，旋风分离器结构简单紧凑，制造和维护成本低，在工况点范围附近分离效率比其他分离设备高(如袋式过滤器、静电除尘器等)。由于旋风分离器采用惯性分离的机理，其对于变工况的适应能力较差，当压缩机运行工况点偏离设计工况较远时，旋风分离器的分离效率就会大幅降低。而在旋风分离器之后是用于精分的滤芯，为提高分离效率和延长滤芯使用寿命，必须保证进入滤芯的油气混合物含油量低于1000mg/m3。
因此，当压缩机运行工况变动较大，旋风分离器适应变工况运行的能力有限，会降低粗分效率，导致进入滤芯的油气混合物含油量太高，从而降低精分过程的分离效率，增加滤芯的阻力，缩短滤芯使用寿命，影响压缩机节能运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有压缩机油气分离设备的不足，提供一种组合型油气分离器及其油气分离方法，可以提高油气分离器适应压缩机变工况运行的能力，保证在压缩机运行工况变动较大时，对油气混合物仍具有较高的分离效率。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种组合型油气分离器，包括筒体以及设置于筒体上的混合气体入口、排油口和洁净气体出口，所述筒体的内部设置有两级旋流器、中筒、与洁净气体出口相连的滤芯和位于排油口上方的塔形初分装置；所述塔形初分装置包括用于对经混合气体入口引入筒体内的油气混合物进行碰撞分离的多级挡板，两级旋流器包括嵌套设置的内旋流器和外旋流器，两级旋流器的进风端与塔形初分装置之间留有用于形成基于重力沉降的惯性分离区域的间隔，所述滤芯设置在两级旋流器的出风端，滤芯的下端与内旋流器的中空部分相对，中筒位于滤芯的外侧，中筒的上下两端为敞开状，中筒的下端设置于内、外旋流器之间的环隙状集液区域的外边沿处。
所述塔形初分装置具体包括与混合气体入口相连的向上弯折的入口管以及多个沿筒体的轴向设置且端面正对的套管，在套管上设置有环状挡板，最上一层套管的上方设置有盘状挡板，最下一层套管与入口管正对，按照自上而下的顺序各层套管以及相连接的环状挡板的直径逐渐增大，且所有套管的直径小于入口管的直径。
所述滤芯的底部留有用于收集凝聚液(油)的空间，该空间、环隙状集液区域与位于筒体底部的排油区域之间通过导油管相连通，排油口与排油区域相连通。
所述筒体的内部还设置有用于在筒体侧壁处形成夹层的多孔薄壁圆筒，外旋流器与多孔薄壁圆筒贴合。
所述夹层为环形空间，厚度为3～8mm。
上述组合型油气分离器的油气分离方法，包括以下步骤：
1)利用塔形初分装置对经混合气体入口进入筒体内的油气混合物进行分级多次碰撞分离，分离的油下落至排油口处；
2)经过步骤1)后，油气混合物均匀的向上进入惯性分离区域，并在流经惯性分离区域过程中利用重力沉降原理进行分离，分离的油下落至排油口处；
3)经过步骤2)后，油气混合物向上进入两级旋流器，两级旋流器的内、外旋流器对下方来流分别起旋，使下方来流经对应旋流器后开始离心运动，经外旋流器离心分离出的油滴运动至筒体内壁表面，然后沿筒体内壁向下运动至排油口处，经内旋流器离心分离出的油滴运动至中筒内壁表面，然后沿中筒内壁向下运动至环隙状集液区域；
4)油气混合物在经过离心运动分离出一部分油后进入所述滤芯，经滤芯分离后通过洁净气体出口排出筒体。
所述滤芯内以及环隙状集液区域聚集的油通过导油管引流至排油口处。
本发明的有益效果体现在：
本发明采用入口塔形初分装置和惯性分离区域有效的提高了油气分离器适应压缩机变工况运行的能力；采用内旋流器和外旋流器分别对油气混合物进行起旋，减小了离心分离的油滴运动到壁面的路径长度，提高了离心分离段的效率，间接增强了滤芯的分离效果，延长了滤芯的使用寿命；从而使本发明工作效率高、适用范围广且更容易操作和维护。
进一步的，多孔薄壁圆筒和环形空间的存在，有效的避免了高速运动的气流冲击沿筒体表面向下运动的油膜，避免了二次夹带，提高了分离效率。
附图说明
图1为本发明所述组合型油气分离器的主剖面视图；
图中：1.混合气体入口、2.塔形初分装置、3.第一导油管、4.滤芯、5.洁净气体出口、6.中筒、7.内旋流器、8.外旋流器、9.第二导油管、10.筒体、11.多孔薄壁圆筒、12.排油口、13.惯性分离区域、14.第一集液区、15.第二集液区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
现有的喷油压缩机用油气分离器通常采用旋风分离器和滤芯结合的方式进行分离，对工况范围变化较大的压缩机适应性较差，此外，还存在分离出的油滴被高速气流重新携带进入油气混合物中产生二次夹带的问题。为此，本发明提出了以下组合型油气分离器。
参见图1，本发明所述的组合型油气分离器包括圆柱形的筒体10，筒体10下部连接有混合气体入口1和排油口12，筒体上部连接有洁净气体出口5，筒体10内具有塔形初分装置2、相互嵌套布置的内旋流器7和外旋流器8、与内、外两个旋流器同轴布置的滤芯4以及沿筒体10侧壁布置的且与该侧壁存在间隙的多孔薄壁圆筒11(两端均为敞开状)，多孔薄壁圆筒11与筒体10形成了厚度约5mm的环形空间，排油口12连接的筒体10的底部形成排油区域，塔形初分装置2位于排油区域上方，与混合气体入口1相连，所述旋流器以及滤芯4位于塔形初分装置2上方，且之间间隔一定距离形成惯性分离区域13，滤芯4(用于精分)沿内旋流器7中心布置于内旋流器7出风端，洁净气体出口5连接于滤芯4中央，滤芯4外侧布置有中筒6，中筒6的内壁与内、外旋流器之间的环隙状空间(的外壁面)对齐，从而使该环隙状空间形成第一集液区14，外旋流器8与多孔薄壁圆筒11内壁贴合。滤芯4下方留有用于形成第二集液区15的空间，第一集液区14内的液体(分离的油)通过第一导油管3汇集至第二集液区15，第二集液区15内的液体通过第二导油管9可以引流至排油区域。
所述塔形初分装置2具有多层套管和挡板，可对来流气体分级进行碰撞分离。混合气体入口1与一段自筒体10中下部伸入筒体10内后继续向上弯折的入口管相连，入口管上端与一组沿筒体10的中心轴自下而上布置且端面正对的套管(例如，三层套管)相对。在套管上焊接有环状的挡板(略向下倾斜，方便碰撞分离后的油滴落入筒体的排油区域)，最上一层套管的上方设置有盘状的挡板(中心与套管正对)，按照自上而下的顺序三层套管(以及相连接的挡板)直径逐渐增大，且套管的直径小于入口管直径。最下一层套管上的挡板与入口管之间以及其他各层套管的挡板与下一层套管之间分别通过支撑架连接。
所述惯性分离区域13位于塔形初分装置2上方，惯性分离区域高度为筒体10直径的1.2～2.0倍，位于分离器筒体10中部，与现有重力沉降原理分离器相比，经塔形初分装置2后，惯性分离区域13内的气流分布更加均匀，提高了重力沉降分离效率。在此区域上方由内向外同轴布置滤芯4、内旋流器7和外旋流器8，与单一旋流器相比，内、外旋流器可以分别对来流混合气体进行起旋。来自惯性分离区域13的混合气流经内旋流器7和外旋流器8起旋，由沿轴向的运动转变为离心运动，油滴在离心力的作用下进一步从气体中分离出来。
内外嵌套布置的两旋流器，可对来流气体分级进行起旋，产生离心运动，速度较低的气流经内旋流器7进行起旋，起旋后的混合气流经离心运动分离出部分油后进入滤芯4，而来流速度较高的气流经外旋流器8进行起旋，起旋后的混合气流沿筒体向上运动。油气混合物经内、外旋流器起旋后进行离心分离，分离出的油滴从筒体中心运动到中筒6壁面、筒体10的内表面，油滴分别附着在中筒6壁面、分离器筒体10的内表面后，并受重力作用向下运动。中筒6是一个上下都可以流通气体的圆形筒，中筒的存在可以给内旋流器7分离出的油滴提供附着点。中筒的存在减小了油滴从分离器筒体内运动至壁面的距离，油滴更容易被分离。分离后的气体由滤芯4外向内运动，进行最后一步的精分，之后排出所述油气分离器。
所述滤芯4与内旋流器7、外旋流器8同轴布置，由于在滤芯4底部有液滴聚集，故滤芯4在竖直方向略高于内、外旋流器，从而留出空间形成第二集液区15。混合气流在滤芯4中经分离，从滤芯中央经洁净气体出口5排出所述油气分离器。
所述多孔薄壁圆筒11与筒体10同轴布置，与筒体10内表面形成厚度约为5mm的环形空间。分离出的油滴经过多孔薄壁圆筒11的孔隙运动至环形空间，从而附着在筒体10内表面，沿筒体10内表面向下流动至筒体10底部，经排油口12排出。由于多孔薄壁圆筒11的存在，筒体10内部的高速气流无法对环形空间中的油滴产生二次夹带，因而，分离出的油滴不会重新进入混合气流中，从而提高了整个分离过程的分离效率。
上述组合型油气分离器中，塔形初分装置2使来流气体产生第一步碰撞分离，惯性分离区域13使混合气流产生重力沉降，内旋流器7和外旋流器8使来流气体产生离心分离，滤芯4保证了排出油气分离器的气体的洁净度；而多孔薄壁圆筒11保证了附着在筒体10内表面的油膜完整形成，从而使分离出的油滴通过排油口12排出油气分离器。经组合型油气分离器分离出的油滴从筒体10底部的排油口12排出分离器，洁净气体从滤芯4中央排出油气分离器。
以下对上述组合型油气分离器的油气分离过程进行具体描述。
参见图1，油气混合物从混合气体入口1进入所述油气分离器，在塔形初分装置2处进行初步碰撞分离(第一步分离，粗分)。塔形初分装置2的存在，最主要的是使来自入口管的高速气流有效分流，油气混合物瞬间充满整个分离器筒体的横截面(使气流均匀充满整个分离器筒体的惯性分离区域)，从而充分利用筒体内部的空间，保证后续分离过程有效进行，对于后续环节分离效率的提高具有重要作用。其次，塔形初分装置2具有的多层套管和挡板，可以对进入筒体10的油气混合物进行分级的多次碰撞分离，避免了传统分离器入口只有单一挡板时，气流不能充分与挡板碰撞导致的初步分离效率低的问题，也防止入口高速气流对后续惯性分离产生冲击；同时，竖直向上运动的气流碰撞到挡板之后先转变为向下运动、随后又向上运动，气流的运动方向连续两次发生变化，也有利于初步分离效率的提高。
经过初步碰撞分离的混合气流向上运动进入惯性分离区域13，混合气流在惯性分离区域13进行重力式分离(基于重力沉降原理)，为第二步分离(油气分离)，并充分发挥重力式分离具有适应较大工况范围的能力。高速气流经塔形初分装置2后，在筒体10内部分布更均匀，满足了进行重力式分离的客观要求，故经过初步碰撞分离和重力沉降分离(即第一、二步分离)可有效提高油气分离器适应压缩机变工况运行的能力。
气流在惯性分离区域13进行重力沉降后，继续向上运动进入内、外两级旋流器，气流从轴向运动转变为沿轴向的离心运动。内旋流器7、中筒6内表面和滤芯4的外表面形成内旋流器7的分离区域，对于经过内旋流器7起旋的气流，由中筒6下端进入中筒6内，分离出的油滴附着在中筒6的内壁面，并沿中筒6的内壁面向下运动至第一集液区14，经第一导油管3到达第二集液区15。外旋流器8和筒体10内壁面、中筒6的外表面形成外旋流器8的分离区域，对于经过外旋流器8起旋的气流，分离后的气体由中筒6上端进入中筒6内，分离出的油滴穿过多孔薄壁圆筒11的孔隙，附着在筒体10的内表面(即内壁面)，沿筒体10内表面向下运动至筒体10底部，从排油口12排出油气分离器。
气流经内旋流器7和外旋流器8起旋进行离心分离(第三步分离)后，通过滤芯4外侧进入内侧，进行第四步分离(精分)，分离出混合物中残存的雾状油滴。分离出的油滴聚集在第二集液区15，通过第二导油管9导流至筒体10底部，通过排油口12排出油气分离器。洁净气体从滤芯中央经洁净气体出口5排出油气分离器。
气流在筒体10内侧进行分离时，附着在筒体10内壁面的油滴逐渐形成油膜，向下运动至筒体10底部，从排油口12排出油气分离器。由于多孔薄壁圆筒11的存在，筒体10内侧高速运动的气流不会对附着在筒体10内壁面的油膜产生冲击，有效避免了二次夹带，保证了四步分离过程中分离效率的提高。
Claims (7)
1.一种组合型油气分离器，其特征在于：包括筒体(10)以及设置于筒体(10)上的混合气体入口(1)、排油口(12)和洁净气体出口(5)，所述筒体(10)的内部设置有两级旋流器、中筒(6)、与洁净气体出口(5)相连的滤芯(4)和位于排油口(12)上方的塔形初分装置(2)；所述塔形初分装置(2)包括用于对经混合气体入口(1)引入筒体(10)内的油气混合物进行碰撞分离的多级挡板，两级旋流器包括嵌套设置的内旋流器(7)和外旋流器(8)，两级旋流器的进风端与塔形初分装置(2)之间留有用于形成惯性分离区域(13)的间隔，所述滤芯(4)设置在两级旋流器的出风端并与内旋流器(7)的中空部分相对，中筒(6)位于滤芯(4)的外侧，中筒(6)的上下两端为敞开状，中筒的下端设置于内、外旋流器之间的环隙状集液区域的外边沿处。
2.根据权利要求1所述一种组合型油气分离器，其特征在于：所述塔形初分装置(1)包括与混合气体入口(1)相连的向上弯折的入口管以及多个沿筒体(10)的轴向设置且端面正对的套管，在套管上设置有环状挡板，最上一层套管的上方设置有盘状挡板，最下一层套管与入口管正对，按照自上而下的顺序各层套管以及相连接的环状挡板的直径逐渐增大，且所有套管的直径小于入口管的直径。
3.根据权利要求1所述一种组合型油气分离器，其特征在于：所述滤芯(4)的底部留有用于收集凝聚液的空间，该空间、环隙状集液区域与位于筒体底部的排油区域之间通过导油管相连通，排油口(12)与排油区域相连通。
4.根据权利要求1所述一种组合型油气分离器，其特征在于：所述筒体(10)的内部还设置有用于在筒体(10)侧壁处形成夹层的多孔薄壁圆筒(11)，外旋流器(8)与多孔薄壁圆筒(11)贴合。
5.根据权利要求4所述一种组合型油气分离器，其特征在于：所述夹层为环形空间，厚度为3～8mm。
6.如权利要求1所述的组合型油气分离器的油气分离方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)利用塔形初分装置(2)对经混合气体入口(1)进入筒体(10)内的油气混合物进行分级多次碰撞分离，分离的油下落至排油口(12)处；
2)经过步骤1)后，油气混合物均匀的向上进入惯性分离区域(13)，并在流经惯性分离区域(13)过程中利用重力沉降进行分离，分离的油下落至排油口(12)处；
3)经过步骤2)后，油气混合物向上进入两级旋流器，内、外旋流器对下方来流分别起旋，使下方来流经对应旋流器后开始离心运动，经外旋流器(8)离心分离出的油滴运动至筒体(10)内壁表面，然后沿筒体(10)内壁向下运动至排油口(12)处，经内旋流器(7)离心分离出的油滴运动至中筒(6)内壁表面，然后沿中筒(6)内壁向下运动至环隙状集液区域；
4)油气混合物在经过离心运动分离出一部分油后进入所述滤芯(4)，经滤芯(4)分离后通过洁净气体出口(5)排出筒体(10)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述滤芯(4)的底部留有用于收集凝聚液的空间，该空间内以及环隙状集液区域聚集的油通过导油管引流至排油口(12)处。
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Effective date of registration: 20221129 Address after: No. 19, Xinye Road, Wuping Industrial Park, Wuping County, Longyan City, Fujian Province, 364399 Patentee after: Fujian ipsi Industry Co.,Ltd. Address before: Beilin District Xianning West Road 710049, Shaanxi city of Xi'an province No. 28 Patentee before: XI'AN JIAOTONG University |
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Denomination of invention: A Combined Oil Gas Seperator and Its Oil Gas Separation Method Effective date of registration: 20230516 Granted publication date: 20190301 Pledgee: China Wuping of Longyan Branch Bank of Limited by Share Ltd. Pledgor: Fujian ipsi Industry Co.,Ltd. Registration number: Y2023980040691 |