CN109200629A - 一种油水旋流沉降一体化分离装置 - Google Patents

Abstract

一种油水旋流沉降一体化分离装置。整体为细长空心圆柱，包括顶面、底面以及侧面；空心圆柱的内部分为上、中、下三部分，上部内设有第一环形隔离体，将空心圆柱内部隔离成内、外两空间；中部设有第二环形隔离体；中部还存在一个连通管，中心连通管与下圆筒同心，通过下圆筒内部直至所述内旋流腔；副连通管延伸至环形沉降段的顶部；在空心圆柱中部内均匀分布厚度一致的圆形挡板，所述圆形挡板上开有若干圆孔；空心圆柱下部，其内空间无隔离体，所述空心圆柱下部与半椭圆封头所构成的内部空间为沉降圆柱段。本种装置在常规旋流器的基础上，整合聚结、沉降以及连通结构并形成一体，即可在一个装置中对待分离混合介质进行不同的工艺分离处理。

Description

一种油水旋流沉降一体化分离装置

技术领域

本发明涉及一种应用于石油、化工、环保等领域中的两相分离处理装置，具体的说，是涉及一种处理液-液、气-液、油-水等两相分离的两相聚结旋流沉降装置。

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，旋流分离技术虽起步较晚，却以技术与经济上可行、操作简便、小巧且高效、装置的紧凑度好、具有处理量大、良好的可操作性、检修维护方便、处理过程连续、分离时间短、无须反冲洗等优点，在化工、轻工、石油的开采与炼制、环保、医药、食品加工、船舶运输及海面溢油处理等行业广泛应用。但旋流分离器是无法完全分离的，为了将旋流分离器高效经济地运用到各行业进行分离，实际应用过程中，常常要将旋流分离器与其他分离设备结合使用，使其更充分的发挥不同分离器各自的优点，进而达到最佳的处理效果。随着化工设备向节能高效和多功能一体化方向发展，开展一机多能、多级一体化的化工新设备成为当今发展方向。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本申请从结构创新出发，在常规旋流器的基础上，引入聚结、沉降以及连通器原理，将多种分离整合于一体，即可在一个装置中对待分离混合介质进行不同的工艺分离处理，为两相分离设备的设计提供了一个新思路，促进了分离技术的发展。

本发明的技术方案是：该种油水旋流沉降一体化分离装置，整体结构外形为细长空心圆柱，其特征在于：所述空心圆柱包括顶面、底面以及侧面；所述空心圆柱底面为半椭圆形封头；所述空心圆柱的内部分为上、中、下三部分，其中，中部较长，上、下两部分相较于中部较短；在所述空心圆柱上部的底端侧面以切向接入一方型孔，此方形孔为流体的入口，为聚结入口14；在所述空心圆柱的顶面和采用半椭圆形封头的底面分别开有一圆孔，便于内部流体的流出，对应顶面的入口为溢流口13，对应底面的入口为底流口7，溢流口13与底流口7的直径相同，直径范围为所述空心圆柱外壁直径的0.1~0.5倍；

所述空心圆柱上部底面采用加厚处理，即空心圆柱上部与空心圆柱中部被厚壁隔开，由聚结入口14沿所述空心圆柱上部内底面进入其内部，在所述空心圆柱上部内设有第一环形隔离体，将空心圆柱内部隔离成内、外两空间；

所述内、外两空间由第一环形隔离体顶部四个轴向对称的方形口连通，所述方形口为二次切向入口12；所述第一环形隔离体由上圆筒连接下圆锥筒构成；

所述外空间由第一环形隔离体与空心圆柱上部共同构成上窄下宽的结构，其中，所述外空间中的上窄空间为聚结腔段1，所述外空间中的下宽空间为聚结锥段2；所述外空间底部与聚结入口14相通；

所述内空间为上宽下窄结构，其中，上宽部分的空间为旋流腔11，下窄部分的空间为大锥段10；

空心圆柱中部设有第二环形隔离体，第二环形隔离体为上圆锥筒连接下圆筒的结构，第二环形隔离体中的上圆锥筒与第一环形隔离体中的下圆锥筒相连接；由第二环形隔离体与空心圆柱中部所围成的外空间为环形沉降腔段5，由第二环形隔离体的上圆锥筒构成的内部空间为小锥段9，由第二环形隔离体的下圆筒构成的内部空间为直管段8；

所述空心圆柱中部还存在一个连通管，所述连通管由一个中心连通管3和两个副连通管4组成；所述中心连通管直径小于所述下圆筒直径，所述中心连通管与下圆筒同心，中心连通管通过下圆筒内部直至所述内旋流腔11；所述副连通管延伸至环形沉降段5的顶部；

在所述空心圆柱中部内均匀分布厚度一致的圆形挡板15，所述圆形挡板上开有若干圆孔；

在所述空心圆柱下部，其内空间无隔离体，所述空心圆柱下部与半椭圆封头所构成的内部空间为沉降圆柱段6。

本发明具有如下有益效果：1.油水旋流沉降一体化分离装置从结构创新出发，结合聚结、旋流以及沉降机理，将多种分离整合于一体，即可在一个装置中对待分离混合介质进行三种不同的工艺处理，且装置结构紧凑，为两相分离设备的设计提供了一个新思路，促进了分离技术的发展。

2.聚结段利用环形渐缩结构形式，使混合液中的油滴聚结，且将轻质相（油滴）重新分布，有利于其进入旋流腔中的分离。聚结段的设置结构简单，功效性强。

3.沉降段的设置及其结构形式，充分利用了连通段锥段所空余的空间，使整体结构的外表面为统一的圆柱壁面，增加了沉降段整体空间，且沉降段的设置弥补了连通段的不彻底分离问题，可使整体分离更为完全。

4.连通段的设置及其结构形式，提出了一种轻质相运输的内连通方式。利用连通段两端入口压力一致的特点，可使在环形沉降腔顶部的轻质相向旋流器中心流动，从而实现轻质相受压流动至溢流口。

5.整体结构新颖，设备尺寸小，相较现有旋流分离设备分离效果更加纯净，相较沉降设备，体积大大缩小，优点突出，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是油水旋流沉降一体化装置的三维结构整体外观示意图；

图2是油水旋流沉降一体化装置的聚结段与沉降段剖面展示图；

图3是油水旋流沉降一体化装置的整体结构半剖面图；

图4是整体结构剖面示意图；

图5是离心分离段示意图；

图6是聚结段三维结构示意图；

图7是聚结段的平面视图中的正视图；

图8是聚结段的平面视图中的左视图及其剖面图；

图9是离心分离段的二维剖面图；

图10是连通段二维结构示意图；

图11是连通段三维断裂视图；

图12是沉降段及连通段三维结构示意图。

图13是沉降段及连通段的二维剖面示意图及局部放大图；

图14是旋流器、连通段与沉降挡板组合三维断裂示意图；

图15是旋流器、连通段与沉降挡板组合三维以及挡板示意图；

图16是按序排列的挡板示意图；

图17是油水旋流沉降一体化分离装置的整体二维剖面图以及沉降挡板示意图；

图18是整体结构入口尺寸图；

图19是聚结段尺寸图；

图20是离心分离段尺寸图；

图21是沉降段以及连通段尺寸图。

图中1-聚结腔段；2-聚结锥段；3-中心连通管；4-副连通管，401-第一副连通管；402-第二副连通管；5-环形沉降腔段；6-圆柱沉降段；7-底流口；8-直管段；9-小锥段；10-大锥段；11-旋流腔；12-二次切向入口；13-溢流口，14-聚结入口。1501-多孔挡板；1502-缓流挡板；1503-辅助挡板

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

首先介绍本发明的发明目的如下：1.实现高效分离的同时实现完全分离，提升分离的多功能性。2.从创新结构出发，提出多功能一体化的设备构想，为两相分离设备的设计提供一个新的思路，促进分离技术的发展。

整体结构外形呈细长型空心圆柱状，空心圆柱由顶面、底面以及侧面组成。将空心圆柱底面改为半椭圆形封头。空心圆柱内部分为上、中、下三部分，其中中部较长，上、下两部分较短。在空心圆柱上部的底端侧面以切向切入一方型孔，此方形孔为流体的入口，命名为聚结入口14。在空心圆筒顶部和半椭圆形封头底部分别开有一圆孔，便于内部流体的流出，其中顶部入口命名为溢流口13，底部入口命名为底流口7，圆孔直径为圆筒外壁直径的0.1~0.5倍。

空心圆柱上部底面采用加厚处理，即空心圆柱上部与空心圆柱中部被厚壁隔开。由聚结入口14沿空心圆柱上部内底面进入其内部，在空心圆柱上部内设有一环形隔离体，将空心圆柱内部隔离成内、外两空间。内、外两空间由隔离体顶部四个轴向对称的方形口连通，命名此方形口为二次切向入口12。环形隔离体由上圆筒连接下圆锥筒构成。外空间由环形隔离体与空心圆柱上部共同构成上窄下宽的形式，外上窄空间命名为聚结腔段1，外下宽空间命名为聚结锥段2；外空间底部与聚结入口1相通。而由环形隔离体构成的内空间则为上宽下窄形式。内上宽空间命名为旋流腔11，内下窄空间命名为大锥段10。

空心圆柱中部也设有环形隔离体，该环形隔离体为上圆锥筒连接下圆筒形式，所述上圆锥筒与空心圆柱上部的下圆锥筒相连（若材料为不锈钢，则可分别加工卷制后焊接一体）。由环形隔离体与空心圆柱中部所围成外空间命名为环形沉降腔段5，而上圆锥筒构成的内部空间命名为小锥段9，由下圆筒构成的内部空间命名为直管段8。

空心圆柱中部还存在一连通管，连通管由一个中心连通管3和两个副连通管4组成。中心管直径小于下圆筒直径，中心连通管较长并与下圆筒同心，中心连通管通过下圆筒内部直至空心圆柱上部内旋流腔11。副连通管则延伸至环形沉降段段5顶部。在空心圆柱中部内均匀分布厚度一致的圆形挡板15（若材料为不锈钢，则圆形挡板通过焊接形式固定在空心圆柱内壁上），圆形挡板上开有不同形式的圆孔。（若整体材料为不锈钢，连通管与空心圆柱中部内隔离体均通过焊接形式固定。）

空心圆柱下部，其内空间无隔离体，空心圆柱下部与半椭圆封头所构成的内部空间命名为沉降圆柱段6。

油水旋流沉降一体化分离装置其应用原理有：液滴碰撞聚结原理、离心分离原理、重力沉降以及受压流动原理。其结构示意图如附图1所示。

聚结由聚结入口14、聚结锥段2和聚结腔段1三部分共同实现，那么命名14、2和1这三个结构共同构成的部分为聚结段；离心分离由二次切向入口12、旋流腔11、溢流段13、大锥段10、小锥段9和直管段8共同实现，那么命名12、11、13、10、9和8这六个结构共同构成的部分为离心分离段；重力沉降由圆柱沉降段6、环形沉降腔5、底流口7和挡板15共同实现，那么命名6、5、7和15这六个结构共同构成的部分为沉降段；受压流动由中心连通管3和副连通管4共同实现，那么命名3和4这两个结构共同构成的部分为连通段。

聚结段利用聚结锥段的环空截面积渐缩结构，使混合相中的轻质相（油相）重新分布，大油滴靠近内壁，小油滴在边壁；经聚结、油滴重新分布后，油水两相混合液由二次切向入口进入到旋流分离器中进行离心分离；受离心分离作用，其中大部分的油相被分离开来流入到轻质相出口（溢流口），剩余含少部分油相混合液进入沉降段，利用油和水的密度差及油和水的不相溶性，混合液中剩余少部分轻质相油滴依靠油水两相的密度差浮升，通过连通段进入到溢流口；而重质相则在重力的作用下沉，并最终有重质相出口（底流口流出）。

连通段将环形沉降腔顶部与连通段旋流腔中心相连，利用连通器原理，浮在环形沉降腔顶部的轻质相将经连通管流动到连通段旋流腔的中心处，再由溢流口流出。由此混合液完成聚结、旋流、沉降以及受压倒流的多重分离任务。

应用时，油水混合介质由聚结入口14以一定初始速度流入到分离器内，先进入到聚结锥段2，聚结锥段内环空截面积为渐缩形式，由于环空截面积的减小，补偿了混合液的能量损失，使得混合液的切向速度进一步增加，混合液受离心力作用高速旋转并不断发生碰撞，液滴间频繁地碰撞从而提高相互聚结的机率，使小油滴聚结成大油滴，混合液中的轻质相开始向分离器的中心聚集至聚结锥段内壁及其邻近区域。混合液中的油滴在聚结腔段1内重新分布，大油滴靠近内壁，小油滴在边壁。已经聚结的大油滴和含有大量水的小油滴一起由二次切向入口12进入旋流腔进行离心分离，经重新分布后的混合液再进行离心分离时，由于大油滴邻近边壁区域，其较大的粒度促使其具有较大的离心力差，更容易运移到中心处；而小油滴处于邻近中心处，虽离心力差较小，但其缩短了由边壁运移达到中心的距离，即流入至中心甚至溢流口的运移时间缩短，从而也会提高分离器对小油滴的分离效果。

经聚结油滴重新分布后的混合液由聚结腔通过二次切向入口12进入到旋流腔11中，此处二次切向入口设置为弧形切向入口，即靠近聚结腔附近的入口截面积大于靠近旋流器入口处的截面积，由于入口面积由大缩小，可是混合液再次加速，二次切向入口的结构设计可强制流体造旋，柱状的旋流腔11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。旋转着的液体向下进入大锥段10后，旋流器主体内径逐渐减小，如果忽略摩擦作用，根据角动量守恒，旋转速度将不断加大，经过较短的大锥段后，迅速地过渡到长度较大、锥角较小的小锥段9，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）向旋流器中心运动，受背压作用形成上行流，由溢流口13排出。密度较大相（水）向边壁运动，在后续流的推动下，形成下行流，通过直管段8排出旋流器。

由直管段8排出的含有少量油相的剩余混合液流入圆柱沉降段6，利用油水两相密度差及油水不相溶性，混合液中的轻质相油滴依靠油水两相的密度差浮升至环形沉降腔5顶部，轻质相油滴在浮升时，会受到多层挡板15的影响，其中挡板的设置为多孔挡板1501与缓流挡板1502交替设置，交替设置可增加油滴间的相互碰撞和聚结，形成为粒径更大的油滴，从而加快浮升速度，可以进一步提高分离效率，辅助挡板1503设置在圆柱沉降段，连通段、旋流直管段以及沉降外壁筒通过辅助挡板连接在一起，辅助挡板起稳定作用。而重质相则在重力的作用下向圆柱沉降段6底部运动。经重力沉降后，重质相最终由底流口7排出。

中心连通管401连接连通段旋流腔中心处，副连通管402连接环形沉降腔顶部。利用连通器原理，由于连通段的溢流口以及旋流腔中心处为低压区，其压力要小于环形沉降腔顶部的压力，受压力作用，浮在环形沉降腔顶部的轻质相将经中心连通管401流动到副连通管402顶部即连通段旋流腔的中心处，再由溢流口流出。

由此混合液完成聚结、旋流、沉降以及受压倒流的多重分离过程，从而使得油水两相的分离更加完全、纯净。（以油水两相为例，不局限于油水两相）。本专利提出的一种油水旋流沉降一体化分离装置将多种分离方法整合于一体，结合聚结、旋流、沉降以及连通器原理，即可在一个装置中对待分离混合介质进行四种不同的工艺处理，为两相分离设备的设计提供了一个新思路，促进了分离技术的发展。本发明将使多功能一体化的聚结旋流沉降技术提高到一个新的水平。该设备可应用于石油、化工、市政环保等行业中不互溶两相介质的离心分离处理，如污水脱油、污水脱气等。

Claims (1)

1.一种油水旋流沉降一体化分离装置，整体结构外形为细长空心圆柱，其特征在于：所述空心圆柱包括顶面、底面以及侧面；所述空心圆柱底面为半椭圆形封头；所述空心圆柱的内部分为上、中、下三部分，其中，中部较长，上、下两部分相较于中部较短；在所述空心圆柱上部的底端侧面以切向接入一方型孔，此方形孔为流体的入口，为聚结入口（14）；在所述空心圆柱的顶面和采用半椭圆形封头的底面分别开有一圆孔，便于内部流体的流出，对应顶面的入口为溢流口（13），对应底面的入口为底流口（7），溢流口（13）与底流口（7）的直径相同，直径范围为所述空心圆柱外壁直径的0.1-0.5倍；

所述空心圆柱上部底面采用加厚处理，即空心圆柱上部与空心圆柱中部被厚壁隔开，由聚结入口（14）沿所述空心圆柱上部内底面进入其内部，在所述空心圆柱上部内设有第一环形隔离体，将空心圆柱内部隔离成内、外两空间；

所述内、外两空间由第一环形隔离体顶部四个轴向对称的方形口连通，所述方形口为二次切向入口（12）；所述第一环形隔离体由上圆筒连接下圆锥筒构成；

所述外空间由第一环形隔离体与空心圆柱上部共同构成上窄下宽的结构，其中，所述外空间中的上窄空间为聚结腔段（1），所述外空间中的下宽空间为聚结锥段（2）；所述外空间底部与聚结入口（14）相通；

所述内空间为上宽下窄结构，其中，上宽部分的空间为旋流腔（11），下窄部分的空间为大锥段（10）；

空心圆柱中部设有第二环形隔离体，第二环形隔离体为上圆锥筒连接下圆筒的结构，第二环形隔离体中的上圆锥筒与第一环形隔离体中的下圆锥筒相连接；由第二环形隔离体与空心圆柱中部所围成的外空间为环形沉降腔段（5），由第二环形隔离体的上圆锥筒构成的内部空间为小锥段（9），由第二环形隔离体的下圆筒构成的内部空间为直管段（8）；

所述空心圆柱中部还存在一个连通管，所述连通管由一个中心连通管（3）和两个副连通管（4）组成；所述中心连通管直径小于所述下圆筒直径，所述中心连通管与下圆筒同心，中心连通管通过下圆筒内部直至所述内旋流腔（11）；所述副连通管延伸至环形沉降段（5）的顶部；

在所述空心圆柱中部内均匀分布厚度一致的圆形挡板（15），所述圆形挡板上开有若干圆孔；

在所述空心圆柱下部，其内空间无隔离体，所述空心圆柱下部与半椭圆封头所构成的内部空间为沉降圆柱段（6）。