CN107670857A

CN107670857A - 一种磁旋聚结分离回收综合系统

Info

Publication number: CN107670857A
Application number: CN201710942404.6A
Authority: CN
Inventors: 赵立新; 刘琳; 张津铭; 包娜; 徐保蕊; 蒋明虎
Original assignee: Northeast Petroleum University
Current assignee: Northeast Petroleum University
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2018-02-09
Anticipated expiration: 2037-10-11
Also published as: CN107670857B

Abstract

一种磁旋聚结分离回收综合系统。包括一个中心带有磁极组的单入口一级聚结装置、一个旋流腔中心安装有磁极组的二级旋流分离器、保证系统连续工作的回收装置及连接管线和控制阀；其中一级聚结装置用来实现小粒径油滴的聚结，旋流腔中心固定有磁极组的二级旋流分离器则用来实现油水的高效分离，回收装置不仅可用来收集已经分离好的油相，而且还可用来回收可重复使用的磁性颗粒。该系统实现了介质聚结‑分离‑回收的紧凑性设计，可有效解决传统旋流分离系统对于处理乳化严重的混合介质以及含聚等稠油时存在处理效果差、处理工艺复杂等问题，整个系统具有分离效率高、资源回收率高、回收过程无需停机及装置运行稳定的特点。

Description

一种磁旋聚结分离回收综合系统

技术领域

本发明涉及一种分离回收装置，该装置可应用于石油、化工等领域中，可对小粒径油滴进行聚结、分离、收集及对磁性颗粒进行回收重复利用。

背景技术

目前，旋流器在石油、化工以及煤炭等行业应用越来越广泛。但随着油田开采进入中后期阶段，稠油和含聚采出液的油水密度小，油水乳状液的黏度大，传统旋流分离系统出现了分离效率低，油水不能够充分分离等问题。因此，如何设计出一种分离效率高、流场稳定，操作维护方便的针对油水乳状液的旋流分离系统已经成为石油化工等相关领域所面临的一个重要问题。

旋流分离系统或装置在我国相关行业已经获得了一定的应用，对旋流分离系统或装置的发明专利，如（ZL201310063840.8、CN201610184831.8、CN201610157839.5、CN201610126588.4、ZL201410848654.X、CN201610901982.0）等，但是以上的这些发明对于处理乳化严重的混合介质以及含聚等稠油时，存在着处理效果差、处理工艺复杂等缺点。而且其中一些发明装置比较复杂，占用空间大，不便于操作和维护。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，在东北石油大学研究生创新项目（YJSCX2017-021NEPU）的资助下，研发成功了磁旋聚结分离回收综合系统。该系统包括一个中心带有磁极组的单入口一级聚结装置，一个旋流腔中心安装有旋流腔磁极组的二级旋流分离器、保证系统连续工作的回收装置以及连接管线和控制阀。其中一级聚结装置用来实现小粒径油滴（如乳化较严重的油滴）的聚结，安装有旋流腔磁极组的二级旋流分离器则用来实现油水的高效分离，回收装置不仅可用来收集已经分离好的油相，而且还可用来回收可重复使用的磁性颗粒。整个系统具有分离效率高，资源回收率高，回收过程无需停机及装置运行稳定，结构紧凑等优点。

该系统实现了介质聚结-分离-回收的紧凑性设计，可有效解决传统旋流分离系统对于处理乳化严重的混合介质以及含聚等稠油时存在处理效果差、处理工艺复杂等问题，为高效地处理油水乳化液及稠油等提供了一种创新的思路和方法。

本发明的技术方案是：该种磁旋聚结分离回收综合系统由一级聚结装置、二级旋流分离器以及回收装置、连接管线和控制阀构成；

其中，所述一级聚结装置由大直径圆筒状的聚结腔2、锥台筒状的聚结锥段3、小直径圆筒状的聚结底流段5以及连接口6由上至下顺次相连接后构成；其中，聚结腔2的顶端和聚结底流段5的底端均封闭，聚结腔2的顶端侧壁开有单切向入口1，连接口6切向接入聚结底流段5内，聚结腔2、聚结锥段3以及聚结底流段5的内壁共同构成所述一级聚结装置的内筒；在所述一级聚结装置内筒的中心垂向固定有磁极组4，所述磁极组4由若干组彼此独立的通电线圈由上至下间隔排布而成，当调节所述通电线圈中的电流大小时，通电线圈所产生的磁性力大小会发生变化；

所述二级旋流分离器由溢流腔23、溢流口7、旋流腔磁极组8、旋流腔9、大锥段10、小锥段11和底流段12由上至下依次连接后构成；其中，旋流腔9的顶端通过连接口6实现与聚结底流段5之间的封闭连接；底流段12的底端封闭，切向接入切向出口13；在旋流腔9的中心安装有旋流腔磁极组8；在旋流腔9的上端，位于中央位置开有溢流口7，溢流口7的下端开口位于旋流腔9的上部，溢流口7的上端开口连接至溢流腔23，保证与溢流腔23相通；溢流腔23的上端远离聚结装置的一侧开口连接至法兰盘；

所述回收装置包括一个由上半筒和下半筒经由螺纹连接后构成的封闭筒体，在所述下半筒的底部开有一个切向接入的排油口18；在所述封闭筒体的顶端中心处开有液流入口管，在所述封闭筒体的内底面固定有圆柱台17，在圆柱台17的上平面固定有稳流锥16，且稳流锥16的底面直径小于圆柱台17的底面直径，稳流锥16的锥顶端位于所述液流入口管中；所述上半筒的内壁与稳流锥16的外壁之间形成的环形空腔为回收上腔19，所述下半筒的内壁和圆柱台17的外壁之间形成的环形腔为回收下腔15；在圆柱台17的上表面套有与稳流锥16同轴的第一环形电磁铁14，所述第一环形电磁铁的内环直径与稳流锥16的底面直径相同，使其能通过圆柱台17的上表面进行定位；在所述上半筒的顶部环绕所述液流入口管套有第二环形电磁铁20；

溢流腔23与所述液流入口管之间通过法兰盘、连接管线和控制阀相连接。

本发明具有如下有益效果：本发明提出的一种磁旋聚结分离回收综合系统，主要的优点可以概括如下：首先，本系统创新性地提出将电磁技术应用到聚结旋流系统中，并通过在油水混合相中加磁性颗粒来促进油水（尤其小粒径油相）两相的高效分离。其次，本系统中的一级聚结装置通过在其内筒中安装磁极组，使油-水-磁混合液中的油相在磁性颗粒的冲击和带动下从小粒径聚结成大粒径。再次，系统中的二级旋流分离器的旋流腔中心固定有旋流腔磁极组，当经过一级聚结的油水磁混合液进入二级旋流器进行离心分离时，磁性颗粒受到旋流腔磁极组对其的指向中心的磁性力，使磁性颗粒携带油滴向中心快速运动，并通过溢流口进入到溢流腔中，实现油水的高效分离。另外，与二级旋流器溢流腔相连的两套回收装置通过在其局部位置安装电磁铁实现对磁性固体颗粒的回收。回收装置中的稳流锥不仅对从溢流口流出的油相和磁性颗粒混合液具有稳流减速的作用，而且可以增加两环形电磁铁的对磁性颗粒的吸附时间和可吸附面积。系统在工作时，两套回收装置通过控制阀开启一套，关闭另一套，达到对油相进行收集及磁性颗粒回收的同时，保证整个系统连续工作的目的。此外，系统中的磁极组所产生的磁性力可通过调节其中线圈中的电流大小来适应不同工况下的油水混合液，扩大了该系统的适用面；此外整个装置系统结构紧凑，操作维护方便。

附图说明：

图1为磁旋聚结分离回收综合系统的结构示意图；

图2为系统中两回收装置及相关管道的排列分布图。

图3是一级聚结装置内筒中磁极组三维结构图。

图4为图1中A-A截面示意图。

图5 a为回收装置中的回收上腔的结构示意图。

图5 b为回收装置中的回收下腔的结构示意图。

图6为磁旋聚结分离回收综合系统主要结构尺寸标注图。

图中1-单切向入口；2-聚结腔；3-聚结锥段；4-磁极组；5-聚结底流段；6-连接口；7-溢流口；8-旋流腔磁极组；9-旋流腔；10-大锥段；11-小锥段；12-底流段；13-切向出口；14-第一环形电磁铁；15-回收下腔；16-稳流锥；17-圆柱台；18-油相出口；19-回收上腔；20-第二环形电磁铁；21-第一控制阀；22-第二控制阀；23-溢流腔；

24-第三控制阀；25-第四控制阀。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1至图5a和图5b所示，该种磁旋聚结分离回收综合系统由一级聚结装置、二级旋流分离器以及回收装置、连接管线和控制阀构成；

一级聚结装置通过在其内筒中安装磁极组（由通电线圈排布而成），实现油-水-磁混合液（磁性颗粒的密度与粒径和油相相同或相近）中的油相从小粒径聚结成大粒径的目的。通过调节磁极组中线圈的电流大小可实现处理不同类型的油水混合液，扩大该系统的适用面。

所述二级旋流分离器由溢流腔23、溢流口7、旋流腔磁极组8、旋流腔9、大锥段10、小锥段11和底流段12由上至下依次连接后构成；其中，旋流腔9的顶端通过连接口6实现与聚结底流段5之间的封闭连接；底流段12的底端封闭，切向接入切向出口13；在旋流腔9的中心固定有旋流腔磁极组8；所述旋流腔磁极组8由若干组彼此独立的通电线圈由上至下间隔排布而成，当调节所述通电线圈中的电流大小时，通电线圈所产生的磁性力大小会发生变化；在旋流腔9的上端，位于中央位置开有溢流口7，溢流口7的下端开口位于旋流腔9的上部，溢流口7的上端开口连接至溢流腔23，保证与溢流腔23相通，溢流腔23的上端远离聚结装置的一侧开口连接至法兰盘。系统中的二级旋流分离器的旋流腔中心安装有旋流腔磁极组，当经过一级聚结的油水磁混合液进入二级旋流器进行离心分离时，磁性颗粒受到旋流腔磁极组对其施加的指向中心的磁性力，使磁性颗粒携带油滴向中心快速运动，并通过溢流口进入到溢流腔中，实现油水的高效分离。

另外，具体实现时可以使所述回收装置的数量为两台，分别为第一回收装置和第二回收装置。其中，所述第一回收装置的液流入口管与溢流腔23之间通过管线实现连通，通过第一控制阀21控制管线的开和关；所述第二回收装置的液流入口管与溢流腔23之间通过管线实现连通，通过第二控制阀22控制管线的开和关；所述第一回收装置和第二回收装置的排油口分别通过第三控制阀24和第四控制阀25与回收汇管相连通。

与二级旋流器溢流腔相连的两套回收装置通过在其局部位置安装电磁铁实现对磁性固体颗粒的回收。系统在工作时，两套回收装置通过控制阀开启一套，关闭另一套，达到对油相进行收集及磁性颗粒回收的同时，保证整个系统连续工作的目的。具体的说，两套回收装置其中一套为从属，只要一套就可以解决基本的使用问题。两套回收装置的功能：在整个系统运行的过程中，打开其中一套回收装置的控制阀，如先打开控制阀21和24，此时22和25处于关闭状态。待系统工作一段时间，回收上腔19顶部以及两环形电磁铁14和20附近的壁面吸附有足够多的磁性颗粒时，开启与另一回收装置相连管道上的控制阀22、25后关闭控制阀21、24，随后关闭第一回收装置中两环形电磁铁的电源，并将第一回收装置中的回收下腔拆卸下来，对其中的磁性颗粒进行回收利用。同理，当第二回收装置的两环形电磁铁附近也吸附足够多的磁性颗粒时，重复以上工作，这样可以避免在回收磁性颗粒的过程中停机，以此来保证该系统的连续运行，提高分离效率。

本种磁旋聚结分离回收综合系统的分离原理是利用磁力和离心力来实现油水的高效分离，其中一级聚结装置将小油滴聚结成大油滴，然后经过在旋流腔中心安装有旋流腔磁极组的二级旋流分离器进行高效分离。在分离之前，在油水混合液中根据油的含量加入适量的密度和粒径与油相相同或相近的固体磁性颗粒，形成三相混合液。油水磁三相混合液以一定的速度从单切向入口1进入聚结装置中，此时，密度较小的油相和磁性颗粒在离心力的作用向聚结装置中心运动并聚结，但磁性颗粒由于同时受到磁性力和离心力，使其以更快速度往中心运动，在快速运动的过程中将携带油相使油相也以更快的速度往中心聚结，同时磁性颗粒会冲击油水界面膜，更有利油滴聚结。在该过程中，通过将接入磁极组4线圈中的电流设置为周期性变化，来实现磁性颗粒的充磁、反向充磁及退磁过程，使磁性固体颗粒能够随着聚结后的油相及水相通过连接口6进入双锥旋流器中，其中一级聚结装置和二级旋流分离器的连接方式如图4所示，这种连接方式可以使未能聚结的小油滴通过连接口进入旋流器靠近中心的位置，更利于其聚结分离。

进入二级旋流分离器后，混合液中经过聚结的大油滴在离心力的作用快速运移到旋流器中心，经过溢流口7从溢流腔23进入回收装置中；同时，固体磁性颗粒受到旋流腔磁极组8施加的指向旋流器中心的磁力及离心力的双重作用，使其快速的往旋流器中心运动（旋流腔磁极组8中线圈的电流同样设置为周期变化），在运动过程中磁性颗粒再次携带少部分未能聚结粒径较小的油滴往旋流器中心聚结，使进入二级旋流器中的小油滴在离心力和磁性颗粒的“携带力”作用下也能快速并高效的通过溢流口7，进入到溢流腔23分离出去，而重质水相则沿着旋流器壁面向下运动经过大锥段10、小锥段11及底流段12从切向出口13排出。

从溢流腔23排出的油相和磁性颗粒将通过管道、控制阀进入其中一套回收装置中，与另一回收装置连接的控制阀此时处于关闭状态，其中固定在回收下腔15底面圆柱台17上的稳流锥16不仅对油相和磁性颗粒混合液具有稳流减速的作用，而且可以使混合相中的磁性颗粒与安装在圆柱台17上表面的第一环形电磁铁14有充分接触面积和接触时间，同时也使回收上腔19的第二环形电磁铁20有充足的时间对磁性颗粒产生吸引力。在两个位置环形电磁铁14和20的吸引下，磁性颗粒被吸附到回收上腔19的壁面和第一环形磁铁14的壁面上，这就实现了磁性颗粒的回收，剩余的油相则从第一环形电磁铁14与回收装置内壁面之间形成的环形槽流入回收下腔15从油相出口18排出。待系统工作一段时间，回收上腔19以及两环形电磁铁附近的壁面吸附有足够多的磁性颗粒时，开启与另一回收装置相连管道上的控制阀22、25后关闭控制阀21、24，随后关闭吸附足够多磁性颗粒的两环形电磁铁的电源，并将对应的回收下腔15拆卸下来，对其中的磁性颗粒进行回收利用。同理，当另一回收装置的两环形电磁铁上也吸附足够多的磁性颗粒时，重复以上工作，以此来保证该系统的连续运行，提高分离效率。整个过程实现了两次聚结作用使小油滴聚结成大油滴，最后通过回收装置对油相进行收集及对磁性颗粒进行回收利用。

图6为本种磁旋聚结分离回收综合系统主要结构尺寸标注图。其中，主要参数及尺寸如下：

D ₁——聚结腔主直径，一般根据该系统的处理量来确定，遵循处理量越大D ₁越大的原则。

D ₂——聚结底流段直径，0.4D ₁≤D ₂≤0.7D ₁；

D ₃——聚结装置内筒直径，根据磁极组的尺寸而定，且满足D ₃<0.4D ₁；

L ₁——聚结腔长度，0.8D ₁≤L ₁≤1.5D ₁；

L ₂——聚结锥段长度，2L ₁≤L ₂≤5L ₁；

L ₃——聚结底流段长度，0.5L ₁≤L ₃≤L ₁；

A、B——一级聚结装置切向入口尺寸，满足1/5≤A/B≤1/3，且B≤0.3L ₁；

d ₁——旋流腔主直径，一般根据该系统的处理量来确定，遵循处理量越大d ₁越大的原则。

d ₂——旋流器两锥段连接部分外壁直径，0.4d ₁≤d ₂≤0.7d ₁；

d ₃——溢流口直径，0.05d ₁≤d ₃≤0.5d _1，且满足d ₄大于安装有旋流腔磁极组的圆柱形内筒外壁直径；

l ₁——旋流腔长度，0.8d ₁≤l ₁≤1.5d ₁；

l ₂ ——溢流管伸入长度，0.3l ₁≤l ₂≤0.5l ₁；

l ₃ ——底流段伸入长度；

a、b——连接口尺寸，满足1/5≤a/b≤1/3，且b<l ₂；

本发明设计的一种磁旋聚结分离回收综合系统，包括一个中心带有磁极组的单入口一级聚结装置，一个旋流腔安装有旋流腔磁极组的二级旋流分离器、保证系统连续工作的回收装置及连接管线和控制阀等部分组成。其中一级聚结装置用来实现小粒径油滴（如乳化较严重的油滴）的聚结，安装有旋流腔磁极组的二级旋流分离器则用来实现油水的高效分离，回收装置不仅可用来收集已经分离好的油相，而且还可用来回收可重复使用的磁性颗粒。整个系统具有分离效率高，资源回收率高，回收过程无需停机及装置运行稳定，结构紧凑等优点。

Claims

1.一种磁旋聚结分离回收综合系统由一级聚结装置、二级旋流分离器以及回收装置、连接管线和控制阀构成；

其中，所述一级聚结装置由大直径圆筒状的聚结腔（2）、锥台筒状的聚结锥段（3）、小直径圆筒状的聚结底流段（5）以及连接口（6）由上至下顺次相连接后构成；其中，聚结腔（2）的顶端和聚结底流段（5）的底端均封闭，聚结腔（2）的顶端侧壁开有单切向入口（1），连接口（6）切向接入聚结底流段（5）内，聚结腔（2）、聚结锥段（3）以及聚结底流段（5）的内壁共同构成所述一级聚结装置的内筒；在所述一级聚结装置内筒的中心垂向固定有磁极组（4），所述磁极组由若干组彼此独立的通电线圈由上至下间隔排布而成，当调节所述通电线圈中的电流大小时，通电线圈所产生的磁性力大小会发生变化；

所述二级旋流分离器由溢流腔（23）、溢流口（7）、旋流腔磁极组（8）、旋流腔（9）、大锥段（10）、小锥段（11）和底流段（12）由上至下依次连接后构成；其中，旋流腔（9）的顶端通过连接口（6）实现与聚结底流段（5）之间的封闭连接；底流段（12）的底端封闭，切向接入切向出口（13）；在旋流腔（9）的中心内筒中安装有旋流腔磁极组（8）；在旋流腔（9）的上端，位于中央位置开有溢流口（7），溢流口（7）的下端开口位于旋流腔（9）的上部，溢流口（7）的上端开口连接至溢流腔（23），保证与溢流腔（23）相通；溢流腔（23）的上端远离聚结装置的一侧开口连接至法兰盘；

所述回收装置包括一个由上半筒和下半筒经由螺纹连接后构成的封闭筒体，在所述下半筒的底部开有一个排油口（18）；在所述封闭筒体的顶端中心处开有液流入口管，在所述封闭筒体的内底面固定有圆柱台（17），在圆柱台（17）的上平面固定有稳流锥（16），且稳流锥（16）的底面直径小于圆柱台（17）的底面直径，稳流锥（16）的锥顶端位于所述液流入口管中；所述上半筒的内壁与稳流锥（16）的外壁之间形成的环形空腔为回收上腔（19），所述下半筒的内壁和圆柱台（17）的外壁之间形成的环形腔为回收下腔（15）；在圆柱台（17）的上表面套有与稳流锥（16）同轴的第一环形电磁铁（14），所述第一环形电磁铁的内环直径与稳流锥（16）的底面直径相同，使其能通过圆柱台（17）的上表面进行定位；在所述上半筒的顶部环绕所述液流入口管套有第二环形电磁铁（20）；

溢流腔（23）与所述液流入口管之间通过法兰盘、连接管线和控制阀相连接。

2.根据权利要求1所述的一种磁旋聚结分离回收综合系统，其特征在于：所述回收装置的数量为两台，分别为第一回收装置和第二回收装置；其中，所述第一回收装置的液流入口管与溢流腔（23）之间通过管线实现连通，通过第一控制阀（21）控制管线的开和关；所述第二回收装置的液流入口管与溢流腔（23）之间通过管线实现连通，通过第二控制阀（22）控制管线的开和关；所述第一回收装置和第二回收装置的排油口分别通过第三控制阀（24）和第四控制阀（25）与回收汇管相连通。