CN108031148A - 一种气液分离装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气液分离装置及段塞流捕集器，能够高效处理气液混合物。包括：沿纵向依次层叠水平间隔设置的排气管、进液管和排液管；所述进液管的出口端同时与位于同一方向的所述排气管和所述排液管的端口连通；在所述进液管、排气管和排液管的两端端口内分别水平安装有抑制气液混合物的扰动幅度以及分隔已经析出气体的波纹板；其中，所述进液管的出口端由波纹板隔开的上部与排气管端口的波纹板隔开的下部连通，而由波纹板隔开的下部与排液管端口的波纹板隔开的上部连通。

Description

一种气液分离装置及应用

技术领域

本发明涉及气液分离设备领域，具体涉及一种通过逐层处理气液混合液实现快速分离的气液分离装置及应用。

背景技术

随着多相流技术在现代石油工业中越来越普遍的应用，深入研究其流动规律对指导油田生产的意义也越来越重大。多相流是一种非常复杂的流动现象，其流动的不均匀性、状态的非平衡性和多值性增加了对它的研究难度。而大规模的陆地及海上油气田开发项目在长距离管道集输过程中典型地采用多相流混输技术；其中最为常见的就是气液混输工艺及对应的气液两相流。

一般地，在重力作用下，液体趋向于在管道底部流动；而气体则在管道顶部区域。在特定的操作条件下，气体和液体在管道中分布和流速不均匀，容易出现气体推动着液体像活塞一样交替流动的现象，称之为段塞流。段塞流是一种常见的不利于管道输送的流动状态，对于管道下游设备的压力波动影响十分严重：气液瞬时流量波动大，并伴有强烈结构振动，导致下游设备的运行不稳定，进而对系统安全产生破坏性的影响。

常见的段塞流捕集器分为容器(积)式和管(指)式两种形式。这两种形式的捕集器在结构形式上区别较大，实际应用中各有优势。

容器式段塞流捕集器结构及工作原理类似于两相分离器。当气液混合物进入捕集器后，通过缓冲挡板减速，分离出的气体进入上方集气室，液体进入下方集液室，达到气液分离的效果。常被用于易起泡的油气介质，因其有较大容积空间和停留时间，使气液分离和泡沫破碎，便于保温且能保持流体的流动性。容器式段塞流捕集器占地面积小，但由于安装和运输条件的限制，常用于段塞量小于100m³的小体积段塞流，多安装在具有狭小空间限制的海上平台。

管式段塞流捕集器由若干根下倾的平行管段构成，一般由分流器、段塞分离段、段塞收集段和段塞储液段、立管和沉(集)液管以及平衡管束等组成。在对于接收海上气液混输管线或路上管线较长、地形起伏变化复杂的工况下应用广泛，具有吸收段塞波动量大、处理量大的特点。缺点是占地面积较大，且对来液分配均匀性要求较高，不均匀的分配会导致分离效果显著降低。通常运用于段塞量大于100m³的段塞流，设置为海管终端的陆上处理厂入口的第一件设备。

然而，当海上平台面临日益增大的处理量时，面临的矛盾显而易见：占地面积小的容积式段塞流捕集器处理量较低，而管式段塞流捕集器占地面积超出海上平台的容许。因此亟需找到一种新型高效的段塞流捕集器，既能满足面积受限的海上平台，又能显著提升气液分离与段塞流的处理量。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种气液分离装置，能够高效处理气液混合物。

本发明的另一个目的在于提供所述气液分离装置在段塞流捕集中的应用。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种气液分离装置，包括：沿纵向依次层叠水平间隔设置的排气管、进液管和排液管；所述进液管的出口端同时与位于同一方向的所述排气管和所述排液管的端口连通；

在所述进液管、排气管和排液管的两端端口内分别水平安装有抑制气液混合物的扰动幅度以及分隔已经析出气体的波纹板；其中，所述进液管的出口端由波纹板隔开的上部与排气管端口的波纹板隔开的下部连通，而由波纹板隔开的下部与排液管端口的波纹板隔开的上部连通。

进一步地，所述进液管、排气管和排液管内部的中间位置间隔水平设有一个或多个所述波纹板。

进一步地，还包括分离直管，位于所述进液管和所述排液管之间，所述分离直管的两端端口内分别水平设有所述波纹板；

所述进液管的出口端由波纹板隔开的下部与位于同一方向的所述分离直管的端口由波纹板隔开的上部连通，所述分离直管的端口由波纹板隔开的下部与位于同一方向的所述排液管的端口由波纹板隔开的上部连通。

进一步地，所述分离直管包括一个或多个，多个所述分离直管上下对应间隔层叠设置，首尾依次连通，同一方向上，位于上层的所述分离直管的端口由波纹板隔开的下部与位于下层的所述分离直管的端口由波纹板隔开的上部连通；

所述分离直管内部中间位置水平间隔设有一个或多个所述波纹板。

进一步地，还包括联结管，所述联结管设在需要连通的两个所述端口之间；所述联结管的口径小于所述进液管、排气管和排液管的口径，所述联结管的进口端设有旋流板，促使来液产生旋流实现气液分离或液滴聚并。

进一步地，所述旋流板在所述联结管的内壁上沿周向间隔设置。

进一步地，还包括支撑部件，所述支撑部件设在上下相邻的两个管体之间。

进一步地，还包括气体阀门和液体阀门，所述气体阀门设在用于连通所述进液管的出口端和排气管的进口端的所述联结管上，所述液体阀门设有用于连通所述分离直管的出口端和排液管的进口端的所述联结管上。

进一步地，多个所述气液分离装置的排液管位于同一水平面，在水平方向上相邻的两个所述联结管通过平衡管连通；

和/或，

所述平衡管为直管或弯管，所述平衡管的两个端口位于同一水平面。

本发明还公开了所述气液分离装置在段塞流捕集中的应用。

本发明提供的气液分离装置可以达到良好的气液分离效果，无论对于预分离、粗分离或精细分离流程，均能够达到从管体底部排液管内排出液体中几乎不含气的效果。这部分排液通过分支管路可直接进入油水分离器进行进一步分离。而管体顶部排气管排出的气体达到100％分气率，其中可以针对细小液滴应用捕雾器等进一步分离出来，达到下游输气管道的入口含液要求。本装置占地空间小，在需要增大分离量时，通过叠加分离直管的数量即可实现，适用于有限占地面积内能够向空中延伸的工作场地。尤其对于海上平台面临日益增大的处理量时，可以通过向空中延伸增大处理设备的处理量。

附图说明

图1a是本发明实施例1所示的气液分离装置的主视图；

图1b为图1a的侧视图；

图1c为图1a的三维立体图；

图2a为本发明实施例2所述的多组气液分离装置的主视图；

图2b为图2a的侧视图；

图2c为图2a的三维立体图；

1.进液管，2.排气管，3.分离直管，4.联结管，5.波纹板，6.旋流板，7.平衡连通管，8.支撑部件，9.进液口，10.出液口，11.排液管。

具体实施方式

本发明一个实施方式的气液分离装置，在气液来流进液管1的上方设置排出气体的排气管2，进液管1的下方设置用于气液分离完成后液体排出的排液管11，为了防止气液混合物在管体出口端直上直下，在进液管1、排气管2和排液管11两端分别水平设有波纹板5，流出的气液混合物需要而是绕过波纹板5，增加流动行程，延长气液分离时间，提高气液分离效率。

管体中气体多的时候，相应地气体流速增大，此时会对气液界面产生较高的扰动效应，比如波浪，通过管体两端口设置的波纹板5抑制波浪上升的高度。另一方面，管体中气体少的时候，能够防止已经析出的气体随着流动液体卷入分离出的液体层中，影响气液分离效果，设置波纹板5能够增加流动距离延长气液分离时间，使得气体尽快析出。特别地对于气液混合液入口的管体，该管体既包括进液管1液包括排液管11，管体端口水平设置的波纹板5能够将来液一分为二，抑制上部分液体形成的气液界面对下层液体的震荡运动形成的波浪影响，也就是入口如果来液是波浪型式，一道水平设置的波纹板5把波浪平分为上下两层，从而削弱了波浪上层落下来对下层液面的拍打作用。所以，本实施方式中的波纹板5能够有效提升气液分离效率，达到快速气液分离的目的。

所以，在上下管体连通时，由于端口水平设置的波纹板5将管口上下一分为二，所以需要将进液管1的出口端的上半部分端口与排气管2的入口端的下半部分端口连通，进液管1的出口端的下半部分端口与排液管11的入口端的上半部分端口连通。

根据中高直径不等的直管中的气液界面波动的剧烈程度不同，而且为了波纹板易于安装和结构强度考虑，在波纹板具体设置时，可以在小直径直管内直接用一字型设计，中等直径采用T字型结构设计，大直径则采用工字型设计，通常小直径的直管直径小于300毫米，中号直管的直径为300-600毫米，大号直管的直径大于600毫米。优选该波纹板为无穿孔水平波纹板，利用不透板吸收波浪或气液界面拍打载荷抑制界面波动。

本发明一个实施方式的气液分离装置，设置波纹板5时，需要在每个管体的端口分别设置一个，同时，根据实际需要或者管体的长度在管体中间位置至少间隔设置一个或者多个，用于抑制管体内部气液混合物的扰动，防止上层析出气体又再次卷入下层液体中。

本发明一个实施方式的气液分离装置，如图1a所示，在进液管1和排液管11之间增设了用于增加气液混合物流动行程，延长气液分离时间的分离直管3，在该分离直管3的两端端口内也分别水平设有波纹板5，该波纹板5的作用和分设在进液管1、排气管2以及排液管11内波纹板5的作用相同，可以根据需要在分离直管3内部中间位置水平间隔设有一个或多个波纹板5，实际根据波纹板5的长度设置波纹板5的个数，通常在中间位置至少会设置一个波纹板5用于抑制管体内部气液混合物的扰动，防止上层析出气体又再次卷入下层液体中。具体连通时，由于波纹板5将端口分为上下两部分，所以进液管1的出口端的下半部分端口与分离直管3的进口端的上半部分端口连通，分离直管3的出口端的下半部分端口与排液管11的入口端的上半部分端口连通。

分离直管3设置时，可以根据实际处理量大小以及气液分离的难易程度，设置一个或者多个，多个分离直管3上下对应间隔层叠设置，具体连通时将上层分离直管3的出口端的下半部分端口与下层分离直管3的入口端的上半部分端口连通，底层的分离直管3的出口端的下半部分与排液管11的入口端的上半部分端口连通。

由于端口被波纹板5分割成的上下两部分，在分离直管3中，其出口端的上半部分端口或者下半部分端口被利用，而未被利用的下半部分端口或者上半部分端口用于暂时存储分离气体或者液体，有助于其尽快排出而不会被再次卷入气液混合物中。

气液来流通过进液管1进入，在重力作用下，气体和液体沿着流动方向前行时逐渐分离。为了加快气液分离同时规划气体和液体的流动方向，在联结管4的入口端设有旋流板6，该旋流板6在联结管4的内部间隔排列，从进液管11流出的气体通过上侧联结管4内设置的旋流板6进一步进行气液分离后进入顶层排气管2，并最终经排气口排出。而其余的气液混合物则从进液管11的出液口10下侧的联结管4经旋流板6旋流后进入下一层分离直管33，在前行过程中继续进行气液的重力分层，直至底层排液管11储存的几乎为百分之百的液体，最终由排液管11排出。

本发明一个实施方式的气液分离装置，如图1b所示，根据实际的使用需求，在需要连通的两个端口之间设置联结管4，根据实际使用需求该联结管4的口径小于进液管1、排气管2和排液管11的口径。如果联结管4内径增大，意味着弯管弯曲半径增大内侧半径减小，加工困难，所以一般不建议设计成和直管等直径，否则水平直管层高间距就得加高，特别是海上平台不会被允许，所以设置联结管4的内径较小。在本实施方式中，为了平衡上下端口之间的流量和压力差，促使气液混合物流体流动平稳，优选设置联结管4的内径为直管内径的一半，此时，上下设置的两个端口口径相等，有助于联结管4内气液混合物的平稳流动。联结管4的设置可以根据实际需要和目的的不同设置成U形或者S形。在本气液分离装置中，由于特定的结构需要，联结管4为U形管，当然，根据实际需要，比如为了提升分离效果，可以对联结管4路加长设置，延长气液分离时间，此时，可以设置联结管4为S形管道，将直管首尾相连。或者也可以通过直管直接进行上下连接。同时，为了促使来液产生旋流实现气液分离或液滴聚并，在联结管4的进口端设置了旋流板6，该旋流板6在联结管4的内壁上沿周向间隔设置。通常根据需要或者联结管4内径的大小设置3-4块即可。

如图1c所示，本发明一个实施方式的气液分离装置，当然，由于上下相邻的两个管体均为悬空状态，为了保持结构的稳定和强度，在二者之间通过支撑部件8固定支撑。该支撑部件8可以是支撑管，或者为“工”字形的部件，或者为支撑板，或者其他可以起到支撑作用的部件均可使用，根据两个管体之间的间距设置支撑部件8的高度或者厚度，使其稳定。

本发明一个实施方式的气液分离装置，在连通进液管1的出口端和排气管2的进口端的联结管4上设置了气体阀门，在连通分离直管3的出口端和排液管11的进口端的联结管4上设置了液体阀门。由于进液管1下方的几层分离直管3中气体量较少，且气体具有可压缩性以及气液密度相差足够大，当气体积累足够容积后，可以通过关闭底部设置的液体阀门，关闭了向下通道，此时分离气体在压力作用下通过分离直管3端部设置的联结管4向上层分离直管3流动，最终流至顶层的排气管2内完成气液分离的功能。当累积的气体排尽之后，再打开底层的液体阀门，将剩余液体从排液管11排出。或者当来流中混合的气体量较少，此时可以关闭气体阀门，关闭向上通道，增大进液管1向下的压力，促使来流尽快向下方的分离直管3中流动，加快分离效率。在分离的过程中，当管体中气体聚集量较多时，此时打开气体阀门，打开气体向上通道，排出分离的气体。

本发明一个实施方式的气液分离装置，在需要增大同一时间的处理量或者提高气液分离效率时，可以通过增设分离直管3的方法加大装置的处理量，同时也可以通过增设多个气液分离装置同时进行大量来流的分离。设置多个气液分离装置一起作业时，为了提高分离效率，可以将多个气液分离装置相互连通，构成连通管的形式。此时，通过将同一水平方向上相邻的联结管4通过平衡连通管7连通，该平衡连通管7将相邻气液分离装置内的压力连通平衡，提高气液分离的效率同时也增大了来流处理量。具体连通时可以通直管直接连通，或者通过U形管连通，或者通过其他均匀结构的弯管连通，此时要求平衡连通管7的两个端口在同一平面，才能平衡两端压力。设置平衡连通管7时，可以将其设在两个联结管4的端部或者其中部，只要达到平衡连通的效果即可。

该气液分离装置在段塞流捕集中的应用：

由于段塞流，液塞和气塞交替出现，通过对液塞的捕集和排出，实现段塞流捕集的目的，减小从排液管11排出的液体的压力变化进而减小对下游设备的冲击，起到保护作用。

由于在顶部进液管1和排气管2的气液分离口以及底部分离直管3排液口和排液管11的进液口9上的联结管4上分别设有气体阀门和液体阀门，当液塞来临时，关闭顶部设置的气体阀门，此时相当于控制了通往顶部排气管2的通道，液塞全部通过进液管1下侧的联结管4进入下一层分离直管3储存分离，并最终通过排液管11的排液口排出。由于气液密度差，气体从下层分离直管3中经由端部联结管4逐层向上运动，相当于液位逐渐上升。当液塞结束，气塞来临时，由于气体可压缩，当气压逐渐增大，将处于较高液位的液体逐层排出至最低分离直管3中，此时将液体阀门控制关闭，同时开启前述的气体阀门，直至气塞从排气出口排出。

如图2a所示，为本发明一个实施方式的多组气液分离装置组合结构主视图，图2b为其侧视图，图2c为多组气液分离装置的立体图，该多组气液分离装置是由前述的多组位于同一水平面上的气液分离装置并列组合而成。在同一平面内将相邻的两个联结管4通过平衡连通管7连通，此时各个气液分离装置之间相互形成连通器的结构和效果，每个进液管1中进入的气液来流压力不同时，通过平衡连通管7进行压力平衡，之后再进一步进行气液分离，向上下分离流动。当下方分离直管3中的压力不均时，通过平衡连通管7将相邻组内的压力平衡，提高气液分离的效率。

本实施方式可以根据现场具体环境和气液分离要求或段塞流捕集要求，设计恰当的管体长度和直径、垂向并列直管根数、联接管直径、旋流板6尺寸和起旋强度，也就是旋流板6沿流动方向的扭曲程度和自身高度以及设置分离装置并联的组数。一般地，增大管体直径，延长管体长度，增加横向并联组数，气液分离效果越好。在海上平台空间容许高度条件下，尽量增加垂向高度并联的直管根数，则不仅气液分离效果能提高，也能扩大处理量。本本发明提供的气液分离装置可以达到良好的气液分离效果，特别是作为段塞流捕集器使用时，可以达到从管体分别排出几乎100％的液体和100％的气体。

本实施方式也可以根据现场具体环境和油水分离要求，设计恰当的管体长度和直径等，改变端部联接管的联接方式，实现油水预分离或粗分离。

以上，虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、及变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨中的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。

Claims (10)

1.一种气液分离装置，其特征在于，包括：沿纵向依次层叠水平间隔设置的排气管、进液管和排液管；所述进液管的出口端同时与位于同一方向的所述排气管和所述排液管的端口连通；

在所述进液管、排气管和排液管的两端端口内分别水平安装有抑制气液混合物的扰动幅度以及分隔已经析出气体的波纹板；其中，所述进液管的出口端由波纹板隔开的上部与排气管端口的波纹板隔开的下部连通，而由波纹板隔开的下部与排液管端口的波纹板隔开的上部连通。

2.根据权利要求1所述的气液分离装置，其特征在于，所述进液管、排气管和排液管内部的中间位置间隔水平设有一个或多个所述波纹板。

3.根据权利要求1或2所述的气液分离装置，其特征在于，还包括分离直管，位于所述进液管和所述排液管之间，所述分离直管的两端端口内分别水平设有所述波纹板；

所述进液管的出口端由波纹板隔开的下部与位于同一方向的所述分离直管的端口由波纹板隔开的上部连通，所述分离直管的端口由波纹板隔开的下部与位于同一方向的所述排液管的端口由波纹板隔开的上部连通。

4.根据权利要求3所述的气液分离装置，其特征在于，所述分离直管包括一个或多个，多个所述分离直管上下对应间隔层叠设置，首尾依次连通，同一方向上，位于上层的所述分离直管的端口由波纹板隔开的下部与位于下层的所述分离直管的端口由波纹板隔开的上部连通；

所述分离直管内部中间位置水平间隔设有一个或多个所述波纹板。

5.根据权利要求1或2所述的气液分离装置，其特征在于，还包括联结管，所述联结管设在需要连通的两个所述端口之间；所述联结管的口径小于所述进液管、排气管和排液管的口径，所述联结管的进口端设有旋流板，促使来液产生旋流实现气液分离或液滴聚并。

6.根据权利要求5所述的气液分离装置，其特征在于，所述旋流板在所述联结管的内壁上沿周向间隔设置。

7.根据权利要求3所述的气液分离装置，其特征在于，还包括支撑部件，所述支撑部件设在上下相邻的两个管体之间。

8.根据权利要求3所述的气液分离装置，其特征在于，还包括气体阀门和液体阀门，所述气体阀门设在用于连通所述进液管的出口端和排气管的进口端的所述联结管上，所述液体阀门设有用于连通所述分离直管的出口端和排液管的进口端的所述联结管上。

9.根据权利要求1所述的气液分离装置，其特征在于，多个所述气液分离装置的排液管位于同一水平面，在水平方向上相邻的两个所述联结管通过平衡管连通；

和/或，

所述平衡管为直管或弯管，所述平衡管的两个端口位于同一水平面。

10.根据权利要求1所述的气液分离装置在段塞流捕集中的应用。