CN107824346A - 一种内置螺旋杆式脉动旋流器 - Google Patents

Abstract

一种内置螺旋杆式脉动旋流器。主要目的在于提供一种分离效率高、设备尺寸小和操作维护方便的旋流分离设备。其特征在于：在旋流分离器的中心内置间断式螺旋杆，所述间断式螺旋杆为中空结构，由螺旋段、开孔段间隔分布后构成，螺旋段的螺旋旋向与液体进入旋流器后的旋流方向相反；在所述间断式螺旋杆的内部嵌套有反冲洗圆管，反冲洗圆管上的开孔段与所述间断式螺旋杆的开孔段相对应，间断式螺旋杆和反冲洗圆管的中空部分的顶端开口与旋流器的溢流口连接，通过螺旋杆和反冲洗圆管的开孔段，液体可进入内部中空部分，向上运移由溢流口排出旋流器。本种旋流器可有效解决两相介质密度差小、分离介质黏度高和分离精度低等技术难题。

Description

一种内置螺旋杆式脉动旋流器

技术领域

本发明涉及一种可应用于石油、化工、环保等领域中的两相分离处理装置，具体的说，是涉及一种两相旋流分离装置。

背景技术

目前，旋流分离技术广泛应用于石油、化工、市政环保等领域中的分离处理。现有的旋流分离技术装置中，水力旋流器的应用较为广泛，其分离原理是利用介质间的密度差而进行离心分离的，密度差越大，分散相的粒径越大，分离效果相对就越好；具有结构简单、分离效率高、设备体积小、易于运行维护等优点。

众所周知，水力旋流器内部的流体流动特性决定了其分离性能。尽管旋流器的结构和操作都较简单，但其内部分离过程行为却十分复杂。两相混合液（以油水两相为例进行说明）以一定的压力（或速度）从旋流器切向入口进入器内，混合液产生强烈的旋转运动，由于轻质相和重质相之间存在密度差，各自所受的离心力、向心浮力和流体曳力的大小不同，受离心沉降作用，重质相经旋流器底流口排出，而轻质相则由溢流口排出，从而达到分离分级的目的。其内部流场中，存在外旋流、内旋流、循环流、短路流和空气柱。由于这些固有的流体流动特性，其分离过程总是伴随着某些缺点，如分离效率和分离精度不够高等。具体在水处理技术领域中对细小油滴去除效果差等实际问题。尤其是在油田开发进入中高含水开采期后，随着聚驱规模不断扩大，含聚污水采出量逐年增多。由于含聚污水黏度大，油田地面工艺中沉降段除油效率低，增加了过滤段的负荷，造成滤料污染严重，过滤水质变差。而且，越来越多的水驱污水站也已见到聚合物，引起处理水质变差，难以满足注水要求。同时随着三元复合驱油技术的推广应用，可以预见水质形势将更加严峻。因此提供一种分离效率高、设备尺寸小、操作维护方便的并且适用于两相介质密度差小、分离介质黏度高的分离设备，已成为油田地面工程系统竞相研究的一个热点问题。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种内置螺旋杆式脉动旋流器，该种旋流器从结构创新出发，在常规旋流器的基础上，通过内置间断式螺旋杆，对旋流器内部流体进一步造旋并产生脉动流，在一定程度上消除空气柱和减小强制涡，具有较高的分离效率和分离精度。

本发明的技术方案是：该种内置螺旋杆式脉动旋流器，包括旋流器外筒，所述旋流器外筒具有双切向入口、旋流腔、大锥段、小锥段、尾管段以及切向底流口，其独特之处在于：

在所述旋流器外筒内置有一根间断式螺旋杆，所述间断式螺旋杆的内部中空，由上至下依次为溢流段、上开孔段、上螺旋段、中开孔段、下螺旋段和下开孔段；其中，在溢流段与上开孔段之间置有第一定位圆台和第二定位圆台，在上螺旋段和下螺旋段上分别外套有螺旋旋向相同的导向螺旋体，所述导向螺旋体的螺旋旋向与所述双切向入口进液旋转方向相反。在上开孔段、中开孔段和下开孔段上分别开有若干贯穿杆壁的通孔；在所述旋流器外筒内的顶端有一个弧形结构，在所述弧形结构内开有一个圆台形凹槽，所述圆台形凹槽与所述第二定位圆台相配合并通过橡胶密封连接以实现所述第二定位圆台可在所述圆台形凹槽内转动；溢流段和第一定位圆台位于旋流器外筒之外，所述第二定位圆台位于弧形结构的圆台形凹槽内；第一定位圆台上固定有定位块。在切向底流口的上方，位于所述旋流器外筒的下部，开有反冲洗入口。

在所述间断式螺旋杆内置有一根反冲洗圆管，所述反冲洗圆管的长度与所述间断式螺旋杆相同；所述反冲洗圆管的底端固定连接在所述旋流器外筒的底端；所述反冲洗圆管上亦具有三个开孔段，三个开孔段上所开的孔分别为上段圆形通孔、中段圆形通孔和下段圆形通孔，所述反冲洗圆管上的开孔段与所述间断式螺旋杆的开孔段位置相对应，从而实现液流依次通过所述间断式螺旋杆的开孔段和所述反冲洗圆管的开孔段进入所述反冲洗圆管的内部中空部分，向上运移由溢流口排出旋流器。

为实现在反冲洗阶段可通过旋转所述第一定位圆台上的定位块到不同角度，对不同部位的圆形通孔进行冲洗，可以按照下列优选方案构造间断式螺旋杆上各个开孔段的通孔：即上开孔段对称开有两列上圆弧槽作为所述上开孔段的通孔，上圆弧槽对应上段圆形通孔，上圆弧槽的圆弧槽开槽方向以上段圆形通孔的中心轴线为基准，逆时针开槽，开槽对应圆心角θ，θ范围为40度-70度；中开孔段上对称开有两列中圆弧槽作为所述中开孔段的通孔，中圆弧槽对应中段圆形通孔，圆弧槽开槽方向以中段圆形通孔的中心轴线为基准，顺时针开槽，开槽对应圆心角θ，θ范围为40度-70度；下开孔段上对称开有两列下圆形槽作为所述下开孔段的通孔，下圆形槽对应下段圆形通孔；所述上、中圆弧槽与下圆形槽的宽度均分别大于对应的上、中、下段圆形通孔所在圆的直径。

本发明具有如下有益效果：

1、本种内置螺旋杆式脉动旋流器从创新结构出发，通过中心内置间断式螺旋杆，引入了脉动变速流强化离心分离的新理念，为两相分离设备的设计提供一个新的思路，促进了分离技术的发展，螺旋的缠绕使杆壁周围流体加速旋转，切向速度的增大促进分离效率的提升。2、内置螺旋杆采用间断式螺旋结构，使旋流分离器内流体产生一定振幅波动的脉动变速流，当振幅和频率达到某一特定值时，两相分离的处理效率进一步提高。3、由螺旋段和开孔段构成的螺旋杆，其设置有效消除了旋流器内的空气柱及其不利影响，同时减小了中心强制涡区的径向范围，使速度梯度增加，有利于轻质相介质向中心区域的运移，从而两相分离效果增强。4、在旋流器外壁开有反冲洗入口，向旋流器内部注高压气体，不仅可以疏通圆形通孔，而且注入的气体会携带旋流器内混合介质中的一部分油滴以及螺旋杆开孔段中存留的油滴聚集到反冲洗圆管中空部分，从溢流口排出，进一步提高分离效率；即可通过旋转内置螺旋杆实现上、中两组圆形通孔的单独冲洗。整个过程在连续工作的情况下进行，无需开关泵。反冲洗一段时间后，即可关闭反冲洗阀门。

综上所述，本专利提出的一种内置螺旋杆式脉动旋流器将有效解决生产实际中面临的两相介质密度差小，分离介质黏度高，分离精度低等技术难题；此外，本专利提出的旋流器还具有结构新、分离效率高、设备尺寸小、操作维护方便等突出的优点，既可应用于油田生产，又可应用于市政环保等其它领域，具有可观的推广应用前景。

附图说明：

图1是本种内置螺旋杆式脉动旋流器的三维图；

图2是带有详细序号的本种内置螺旋杆式脉动旋流器的三维结构示意图；

图3为本发明所述反冲洗圆管三维结构示意图；

图4为本发明所述反冲洗圆管二维剖面图；

图5为本发明所述间断式螺旋杆三维结构示意图；

图6为本发明所述间断式螺旋杆二维剖面图；

图7为本发明所述间断式螺旋杆与反冲洗圆管的装配图；

图8为本发明所述间断式螺旋杆与反冲洗圆管装配后的二维剖面图；

图9为本发明所述旋流器外筒的三维结构剖开示意图；

图10为本发明所述旋流器外筒的二维剖面图；

图11为本发明所述旋流器外筒、内置螺旋杆与反冲洗圆管装配后的二维剖面图；

图12为本发明所述反冲洗圆管的尺寸图；

图13为本发明所述间断式螺旋杆的尺寸图；

图14为本发明所述旋流器外筒的尺寸图；

图15为显示本发明所述反冲洗圆管上圆形通孔与间断式螺旋杆上圆弧槽和圆形槽的对应关系的局部结构放大三维图。

图中1-双切向入口；2-旋流腔；3-弧形结构；4-大锥段；5-小锥段；6-尾管段；7-切向底流口；8-反冲洗入口；9-下开孔段；10-下螺旋段；11-中开孔段；12-上螺旋段；13-上开孔段；14-第二定位圆台；15-溢流段；16-第一定位圆台；17-上段圆形通孔；18-中段圆形通孔；19-下段圆形通孔；20-圆台形凹槽；21-上圆弧槽；22-中圆弧槽；23-下圆形槽 ；A-旋流器外筒；B-螺旋结构；C-反冲洗圆管。

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11所示，该种内置螺旋杆式脉动旋流器，包括旋流器外筒，所述旋流器外筒具有双切向入口1、旋流腔2、大锥段4、小锥段5、尾管段6以及切向底流口7这些常规结构，其独特之处在于：

在所述旋流器外筒内置有一根间断式螺旋杆，所述间断式螺旋杆的内部中空，由上至下依次为溢流段15、上开孔段13、上螺旋段12、中开孔段11、下螺旋段10和下开孔段9，开孔段光滑无螺旋。其中，在溢流段15与上开孔段13之间置有第一定位圆台16和第二定位圆台14，在上螺旋段12和下螺旋段10上分别外套有螺旋旋向相同的导向螺旋体，所述导向螺旋体的螺旋旋向与所述双切向入口进液旋转方向相反。在上开孔段13、中开孔段11和下开孔段9上分别开有若干贯穿杆壁的通孔；在所述旋流器外筒内的顶端有一个弧形结构3，此弧形结构的作用在于消除涡流，其位置在旋流腔顶部。在所述弧形结构内开有一个圆台形凹槽20，所述圆台形凹槽与所述第二定位圆台相配合并通过橡胶密封连接以实现所述第二定位圆台可在所述圆台形凹槽内转动。溢流段15和第一定位圆台16位于旋流器外筒之外，所述第二定位圆台位于弧形结构3的圆台形凹槽内；第一定位圆台16上固定有定位块。

在切向底流口7的上方，位于所述旋流器外筒的下部，开有反冲洗入口8。

在所述间断式螺旋杆内置有一根反冲洗圆管，所述反冲洗圆管的长度与所述间断式螺旋杆相同；所述反冲洗圆管的底端固定连接在所述旋流器外筒的底端；所述反冲洗圆管上亦具有三个开孔段，三个开孔段上所开的孔分别为上段圆形通孔17、中段圆形通孔18和下段圆形通孔19，所述反冲洗圆管上的开孔段与所述间断式螺旋杆的开孔段位置相对应，从而实现液流依次通过所述间断式螺旋杆的开孔段和所述反冲洗圆管的开孔段进入所述反冲洗圆管的内部中空部分，向上运移由溢流口排出旋流器。

为实现在反冲洗阶段可通过旋转所述第一定位圆台上的定位块到不同角度，对不同部位的圆形通孔进行冲洗，按照下列优选方案构造间断式螺旋杆上各个开孔段的通孔。如图15所示，即上开孔段13对称开有两列上圆弧槽21作为所述上开孔段的通孔，上圆弧槽21对应上段圆形通孔17，上圆弧槽21的圆弧槽开槽方向以上段圆形通孔17的中心轴线为基准，逆时针开槽，开槽对应圆心角θ，θ范围为40度-70度；中开孔段11上对称开有两列中圆弧槽22作为所述中开孔段的通孔，中圆弧槽22对应中段圆形通孔18，中圆弧槽22开槽方向以中段圆形通孔18的中心轴线为基准，顺时针开槽，开槽对应圆心角θ，θ范围为40度-70度；下开孔段9上对称开有两列下圆形槽23作为所述下开孔段的通孔，下圆形槽23对应下段圆形通孔19；所述上、中圆弧槽与下圆形槽的宽度均分别大于对应的上、中、下段圆形通孔所在圆的直径。

本种内置螺旋杆式脉动旋流器的分离原理是利用不互溶介质的密度差而进行离心分离的。混合介质由双切向入口以一定的速度进入旋流器，在旋流器内高速旋转，在柱状的旋流腔形成强烈的涡旋，柱状的旋流腔体很好地稳定了流场，后续不断进入旋流器的液体推动着旋流腔内的液体边旋转边向下运动，其运动呈螺旋形。顶部设置的弧形结构可以减少以至消除涡流的存在，同时还可引导水平液流向下运动，在一定程度上减少能量损耗。旋转着的混合介质继续向下运动至很短的大锥段4，旋流器体的内径逐渐减小，如果忽略摩擦作用，根据角动量守恒，旋转速度将不断加大。经大锥段缩径获得速度补偿后，混合液流经到锥角很小、长度较长的小锥段，在这里，内径变化缓慢，旋转加速度趋于缓和。由于液体高速旋转，产生很大的离心加速度，受离心力的作用，密度较小相（油）向轴中心迁移，受锥段及底流口背压作用，其轴向流动方向指向溢流口，旋转方向与密度较大相（水）相同，形成上行流，通过螺旋杆的开孔段，以及反冲洗圆管的圆形通孔进入内部中空部分，向上运移至溢流口排出旋流器体；密度较大相（水）向边壁运动，在后续流的推动下，形成下行流，通过尾管段的单切向底流口排出旋流器，至此两相分离完成。其中，底流口采用单切向出口形式，方向与双切向入口进液旋转方向相同，极大地减少了能量损失，提升了旋流器处理量。

本种内置螺旋杆式脉动旋流器的内置间断式螺旋结构使旋流器内流体的横向流通截面积呈现间断变化，不考虑旋流器壁面摩擦损失的影响（在进口流量恒定不变的情况下），流体在流通截面积减小处速度增大，在流通截面积增大处速度减小，如此产生有序的脉动变速流，一定振幅和频率波动的脉动流有利于混合介质的分离。其中，螺旋旋向与双切向入口进液旋转方向相反，使旋转着向上运动的流体经螺旋段加速运移，促进分离。在螺旋杆所在圆柱的侧面，对称开有两列角度不同的三段孔，每列孔为13个，可根据实际应用情况进行调整。螺旋结构顶部附有定位装置，分别为第二定位圆台与带有导向结构的第一定位圆台，第一定位圆台在反冲洗阶段可通过旋转不同角度，带动内置螺旋杆转动，从而对螺旋杆上不同部位的圆形通孔进行冲洗。

考虑到旋流分离器在稳定运行一段时间后，圆形通孔逐渐堵塞致使无法实现油滴运移至内部中空部分。为此，在旋流器外壁对应小锥段增设一反冲洗入口，螺旋杆中空部分内置反冲洗圆管，反冲洗圆管所在圆柱侧面，对称开有三段半径一致的圆形通孔，分别为上段圆形通孔、中段圆形通孔和下段圆形通孔，其中圆形通孔段中空，反冲洗圆管下部则为实心结构，反冲洗圆管底部与旋流器底部通过焊接固定。打开反冲洗入口阀门，通过反冲洗入口向旋流器内部注高压气体，不仅可以疏通圆形通孔，而且注入的气体会携带旋流器内混合介质中的一部分油滴以及开孔段存留的油滴聚集到反冲洗圆管中空部分，从溢流口排出，进一步提高分离效率。整个过程在连续工作的情况下进行，无需开关泵。反冲洗一段时间后，即可关闭反冲洗阀门。

具体应用时，在反冲洗阶段，带有导向结构的第一定位圆台16在初始位置时，三段圆形通孔分别与三段开孔段重合，此时可实现三个圆形通孔段的同时反冲洗。将第一定位圆台16顺时针旋转θ，即将内置螺旋杆顺时针旋转θ，螺旋杆外部上开孔段13上的上圆弧槽21与反冲洗圆管的上段圆形通孔17开孔部分相重合，其余两段圆形通孔均被遮挡，此时实现上圆形通孔的单独反冲洗；将带有导向结构的第一定位圆台逆时针旋转θ，即将内置螺旋杆逆时针旋转θ，螺旋杆中开孔段11上的中圆弧槽22与反冲洗圆管的中段圆形通孔18开孔部分相重合，其余两段圆形通孔均被遮挡，此时实现中圆形通孔的单独反冲洗。

具体实施时，螺旋杆上螺旋的间距与个数可根据实际应用旋流分离器的大小进行调整，螺旋段可采用变径组合形式，即在大锥段、小锥段内的螺旋段直径可变；当应用于固液两相分离或者天然气脱水时，开孔段可采用微孔材料做成，或采用简单的钻孔形式，能够对固体颗粒或液滴起到很好的过滤作用。

如图11至图14所示，下面给出构成本发明所述的各个部件的主要参数及尺寸，按照以下限定条件构造的旋流器具有较好的实施效果：

主要参数及尺寸：

D——旋流器主直径；

a×b——切向入口尺寸，根据入口速度和流量来确定；

c×d——反冲洗入口尺寸；

e×f——切向底流口尺寸；

L——旋流腔长度，0.8D<L<1.5D；

L₁——上螺旋段长度，0.5D<L₁<2.25D；

L₂——下螺旋段长度，D<L₂<4.5D；

L₃——（单列内置螺旋杆上、中）开孔段弧长，πD₆/6；

L₄——定位圆台高度，0.85L₅<L₄<0.95 L₅；

L₅——定位圆槽深度，0.1D<L₅<0.3D；

D₁——旋流腔内径；

D₂——尾管段内径，0.2D<D₂<0.4D；

D₃——溢流管槽内径，0.15D<D₃<0.25D；

D₄——定位圆槽内径，0.6D<D₄<0.8D；

D₅——定位圆台外径，0.85D₄<D₅<0.95D₄；

D₆——（内置螺旋杆）溢流口外径，0.14D<D₆<0.24D且D₆ D₃；

R——反冲洗圆管直径；

α ——大锥角，一般为15～20度；

ß ——小锥角，一般为0～3度。

Claims (2)

1.一种内置螺旋杆式脉动旋流器，包括旋流器外筒，所述旋流器外筒具有双切向入口（1）、旋流腔（2）、大锥段（4）、小锥段（5）、尾管段（6）以及切向底流口（7），其特征在于：

在所述旋流器外筒内置有一根间断式螺旋杆，所述间断式螺旋杆的内部中空，由上至下依次为溢流段（15）、上开孔段（13）、上螺旋段（12）、中开孔段（11）、下螺旋段（10）和下开孔段（9）；其中，在溢流段（15）与上开孔段（13）之间置有第一定位圆台（16）和第二定位圆台（14），在上螺旋段（12）和下螺旋段（10）上分别外套有螺旋旋向相同的导向螺旋体，所述导向螺旋体的螺旋旋向与所述双切向入口进液旋转方向相反；在上开孔段（13）、中开孔段（11）和下开孔段（9）上分别开有若干贯穿杆壁的通孔；在所述旋流器外筒内的顶端有一个弧形结构（3），在所述弧形结构内开有一个圆台形凹槽（20），所述圆台形凹槽与所述第二定位圆台相配合并通过橡胶密封连接以实现所述第二定位圆台可在所述圆台形凹槽内转动；溢流段（15）和第一定位圆台（16）位于旋流器外筒之外，所述第二定位圆台位于弧形结构（3）的圆台形凹槽内；第一定位圆台（16）上固定有定位块；

在切向底流口（7）的上方，位于所述旋流器外筒的下部，开有反冲洗入口（8）；

在所述间断式螺旋杆内置有一根反冲洗圆管，所述反冲洗圆管的长度与所述间断式螺旋杆相同；所述反冲洗圆管的底端固定连接在所述旋流器外筒的底端；所述反冲洗圆管上亦具有三个开孔段，三个开孔段上所开的孔分别为上段圆形通孔（17）、中段圆形通孔（18）和下段圆形通孔（19），所述反冲洗圆管上的开孔段与所述间断式螺旋杆的开孔段位置相对应，从而实现液流依次通过所述间断式螺旋杆的开孔段和所述反冲洗圆管的开孔段进入所述反冲洗圆管的内部中空部分，向上运移由溢流口排出旋流器。

2.根据权利要求1所述的一种内置螺旋杆式脉动旋流器，其特征在于：上开孔段（13）对称开有两列上圆弧槽（21）作为所述上开孔段的通孔，上圆弧槽（21）对应上段圆形通孔（17），上圆弧槽（21）的圆弧槽开槽方向以上段圆形通孔（17）的中心轴线为基准，逆时针开槽，开槽对应圆心角（θ），所述圆心角范围为40度～70度；中开孔段（11）上对称开有两列中圆弧槽（22）作为所述中开孔段的通孔，中圆弧槽（22）对应中段圆形通孔（18），圆弧槽开槽方向以中段圆形通孔（18）的中心轴线为基准，顺时针开槽，开槽对应圆心角（θ），所述圆心角范围为40度-70度；下开孔段（9）上对称开有两列下圆形槽（23）作为所述下开孔段的通孔，下圆形槽（23）对应下段圆形通孔（19）；所述上、中圆弧槽与下圆形槽的宽度均分别大于对应的上、中、下段圆形通孔所在圆的直径。