CN109205735A - 一种实现两次分离的切向入口及单级油-水旋流分离器 - Google Patents

Abstract

一种实现两次分离的切向入口及单级油‑水旋流分离器。其特征在于：在切向入口主体的内部固定有一块油相曲面聚结板，所述油相曲面聚结板为波浪线形状，所述油相曲面聚结板在切向入口主体内居中放置，在板上远离切向入口来液的一端固定有三块导流板；在位于油相曲面聚结板的上方，设置有一次分离管，管上连接有若干个汇管，所述汇管的开口分别位于所述油相曲面聚结板上各个曲面所划分出的区域的中心处；应用所述切向入口的单级油‑水旋流分离器，需将所述切向入口与旋流腔上部外壁切向连接并相通，且一次分离管经导引管连接后接入溢流管内。本方案使得单级油水分离旋流装置即可具备两次分离的功能，设备占用空间小、操作维护方便且分离效果好。

Description

一种实现两次分离的切向入口及单级油-水旋流分离器

技术领域

本发明涉及一种可应用于石油、化工及环保等领域中，可对小粒径油滴进行两次聚结及分离的单级旋流分离装置。

背景技术

目前，旋流器在石油、化工及环保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差小，油水乳状液的黏度大，传统的单级旋流分离器出现了分离效率低，油水不能够充分分离等问题。针对该问题，目前，人们设计出了两级串联旋流分离装置以及旋流器与沉降罐等设备相结合的分离系统，它们主要是通过对混合液进行两次分离来实现分离效率的提高，相比较于单级油水分离旋流器，分离效率虽然有所提高，但是它们均占用空间大，且前者还存在进入第二级分离器内的混合液速度过小以及后者存在沉降罐分离速度慢等问题。因此，如何设计出一种实现两次分离且装置占用空间小、流场稳定、操作维护方便的分离装置已经成为石油化工等相关领域所面临的一个亟待解决的问题。

旋流分离装置在我国相关行业已经获得了一定的应用，人们通过对旋流装置的结构进行改变或增加二次分离部分来提高旋流装置的整体分离效果，其中涉及到的发明专利，如ZL 201610326039.1，ZL 201310746224.2，CN 201710226452.5、ZL 201320185718.3、ZL201110252013.4、ZL 201220253954.X、CN201610902326.2等，但是以上的这些发明除了结构复杂、操作维护繁琐外，其整体装置占用空间也远远大于单级旋流器，尤其对于空间有限的海洋平台这些装置的局限性更为突出。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本申请提供了一种实现两次分离的单级油-水旋流分离装置，主要包括内部含有油相曲面聚结板、一次分离管及三块导流板的切向入口、位于切向入口及旋流腔内部的一次分离管以及双锥油水旋流器筒体等部分。其中，双锥油水旋流器筒由旋流腔、大锥段、小锥段、底流段等部分组成。切向入口与双锥旋流器的旋流腔上部外壁切向连接，一次分离管在位于切向入口内部的部分在4个油相聚结区处分别有对应的4个接口，其作用是将聚结后的油相引入到一次分离管内，该一次分离管沿着切向入口的顶部壁面、旋流腔顶部壁面、溢流管壁面，并伸入到溢流管内部。这就构成了一种实现两次分离的单级油-水旋流分离装置。

本装置通过对普通切向入口的创新设计实现了单级油水旋流分离器的两次高效分离。可有效的解决现有单级旋流器分离效率低以及多级分离装置占用空间庞大、操作维护复杂等系列问题。促进了石油、化工及环保等领域中多级快速分离装置朝向小型化设计的方向发展。

本申请的技术方案是：该种可实现两次分离的切向入口，包括一个切向入口主体4，其独特之处在于：在切向入口主体4的内部固定有一块油相曲面聚结板9，所述油相曲面聚结板为波浪线形状，所述油相曲面聚结板在切向入口主体4内居中放置，所述油相曲面聚结板上的波峰和波谷处均与切向入口主体4的内壁不相触，所述油相曲面聚结板垂直于切向入口主体4的底面放置；在所述油相曲面聚结板上远离切向入口来液的一端固定连接第三导流板12，与所述第三导流板处于平行关系的另两处位置分别放置第二导流板11和第一导流板10；在切向入口主体4的内部，位于所述油相曲面聚结板的上方，设置有一根一次分离管5，所述一次分离管上连接有若干个汇管，所述汇管的开口分别位于所述油相曲面聚结板上各个曲面所划分出的区域的中心处；在所述第三导流板12和第一导流板10的斜上方并紧贴切向入口侧壁面顶部分别设置有两根汇管，所述汇管接入所述一次分离管上；所述第三导流板12与切向入口主体4内壁之间的槽形空间构成第四导流槽16，所述第三导流板12与第二导流板11之间的槽形空间构成第三导流槽15，所述第二导流板11与第一导流板10之间的槽形空间构成第二导流槽14，所述第一导流板10与切向入口主体4内壁之间的槽形空间构成第一导流槽13。

应用前述切向入口所构成的单级油-水旋流分离器，包括溢流管1、旋流腔顶盖2以及依次相连的旋流腔3、大锥段6、小锥段7和底流段8，其独特之处在于：将所述切向入口与旋流腔3上部外壁切向连接并相通，所述切向入口内的一次分离管5经导引管连接后接入溢流管1内。

本发明具有如下有益效果：本发明提出的一种实现两次分离的单级油-水旋流分离装置，主要的优点可以概括如下：

1、提出了一种可对油水混合液进行分离的切向入口，使该单级油水分离旋流装置具备两次分离的功能，且该装置相比较于现有的多级油水分离装置具有设备占用空间小、操作维护方便及分离效果好等优点。

2、该装置切向入口内部的油相曲面聚结板可利用油水本身之间惯性力及黏度不同的特点来实现油水两相介质的分离，分离后的油相由一次分离管排入溢流管内。

3、该装置切向入口内部的导流板将切向入口沿流体流动方向分为4个导流槽，对于在第一次分离中未被分离出的剩余油相和大部分水相，其中三个导流槽可在它们进入旋流腔之前对其进行分层重构。使大部分的油相直接进入靠近旋流腔小半径位置附近，这种分重构层作用进一步促进了由离心力引起的第二次分离。

4、具备分离功能的切向入口可以根据实际情况对其内部的油相曲面聚结板、导流槽的个数以及导流槽之间的间距进行设计，使该种类型切向入口实现标准化及产品化，这对节省旋流器的加工材料、简化加工过程以及使旋流器进一步实现标准化具有重要意义。

附图说明：

图1为一种实现两次分离的单级油-水旋流分离装置的整体结构图。

图2为一种实现两次分离的单级油-水旋流分离装置的整体结构拆装图。

图3为切向入口与旋流腔连接结构的示意图。

图4为切向入口内部构件图。

图5为切向入口的俯视结构示意图。

图6为是切向入口油水两相分布示意图，内部空心圆代表水滴，带渐变色圆代表油滴。

1-溢流管；2-旋流腔顶盖；3-旋流腔；4-切向入口主体；5-一次分离管；6-大锥段；7-小锥段；8-底流段；9-油相曲面聚结板；10-第一导流板；11-第二导流板；12-第三导流板；13-第一导流槽；14-第二导流槽；15-第三导流槽；16-第四导流槽；17-小过流空间；18-油滴聚结区。

具体实施方式：

首先介绍本申请的发明目的，要可归纳为以下几点：

1、该装置中的切向入口利用安装于其中的油相曲面聚结板以及一次分离管实现混合液在进入旋流器筒体之前的第一次分离。

2、三块导流板将矩形截面的切向入口对应部分划分成4个导流槽，其目的是实现第一次未被分离的剩余油相和大部分水相分层次的进入旋流器旋流腔内部。通过该方式的进入能够达到在第二次分离中进一步提高油水分离效果的目的。

3、该分离装置的设计旨在解决现有的单级旋流器分离效果差以及两级旋流器占用空间大等问题。

4、根据不同的实际工况，可以设计出多种类型和尺寸油相曲面聚结板，其曲面也可设计成折线的形状，同时导流板可根据实际情况设计成合适的数量。通过将具有分离功能的切向入口与旋流器筒体进行焊接或粘接，以期实现切向入口的标准化及产品化的目的。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本种实现两次分离的单级油-水旋流分离装置，主要包括内部具有分离功能的切向入口主体4、一次分离管5以及双锥油水旋流器筒体等部分。切向入口主体4内部安装有油相曲面聚结板9，导流板10、11及12，其中，一次分离管5的部分也安装于切向入口主体4内部；双锥油水旋流器由旋流腔顶盖2、旋流腔3、大锥段6、小锥段7、底流段8等部分依次连接而成。切向入口主体4与双锥旋流器的旋流腔3上部外壁切向连接。一次分离管5在位于切向入口主体4内部的部分在4个油相聚结区处分别有对应的4个接口，其作用是将聚结后的油相引入到一次分离管5内，该一次分离管5沿着切向入口主体4的顶部壁面、旋流腔3顶部壁面、溢流管1壁面，并伸入到溢流管1内部。切向入口主体4内部油相曲面聚结板9的作用是通过4次减小切向入口主体4在流体流动方向上的截面积，利用油滴和水滴经过油相曲面聚结板9后的惯性力以及它们与该板之间黏性力不同的特点来实现油水两相的第一次快速分离。油相曲面聚结板9可根据实际情况设计结构和尺寸不同的形式。另外，在油相曲面聚结板9靠近筒体部分与旋流腔3之间同时位于切向入口主体4内的三块导流板10、11及12将切向入口主体4的对应部分空间分成四个与流体方向一致的导流槽13、14、15及16，三块导流板10、11及12均焊接或粘接在切向入口主体4顶面的一侧和其对侧。导流槽13、14、15及16的作用是将没有分离掉的剩余油相及大部分的水相进行分层重构，被分层重构后油相和水相进入旋流器后相比较于常规旋流器分离效果能够实现进一步的提高。

常规单级油水分离旋流器的分离原理是利用油水两相的密度差在离心力的作用下来进行分离的。一种实现两次分离的单级油-水旋流分离装置的第一次油水分离是利用油水的惯性力及它们与油相曲面聚结板9之间黏性力不同的特点来实现两相的分离，而第二次分离的原理与常规单级油水分离旋流器类似。对于切向入口主体4内部油相曲面聚结板9的形状选择方面，曲面设计具有突变性小的特点有助于减缓此处的压力损失，此外，导流板也采用渐变的形式，从而降低紊流现象。

油水混合液以一定的速度流入切向入口主体4并依次通过油相曲面聚结板9以及导流槽13、14、15及16最后进入旋流腔筒体。第一次分离位于切向入口主体4内部，第二次分离位于旋流器筒体。

第一次分离过程及原理：油相曲面聚结板9的4个局部位置与矩形入口形成了4个较小的流体过流空间（该空间截面积小于切向入口的矩形截面），该小过流空间17（以其中一个为例进行说明）的前后分别为曲面渐缩段和渐扩段。当油水两相经过渐缩段过程中，其速度不断增大，并以最大的速度从小过流空间17冲出，由于油水之间密度与黏性不同，导致它们冲出时的惯性力以及与油相曲面聚结板9壁面的黏着力的不同，大部分水相继续以较快的速度冲向油相曲面聚结板9的下一个小过流空间，而大部分的油相由于惯性力小，且由于水相占据下一个小过流空间，因此油相则会在渐扩段的空间内产生回流现象，此时，回流的油滴会彼此接触碰撞并在该渐扩段空间内产生聚结现象，形成底面形状不规则的柱状油相聚结区18。同理，该曲面聚结板与切向入口形成的另外3个渐扩段空间内也会分别形成3个底面形状不规则大小不同的柱状油相聚结区。为了能够将4个油相聚结区的油相分离出去，设计了一种一次分离管5，该管开有4个分流接口，焊接于切向入口主体4、旋流腔3顶部以及溢流管1壁面。4个油相聚结区的油相将分别进入对应其上端的一次分离管5的不同接口中，一次分离管5沿着切向入口主体4顶部壁面、旋流腔3顶部壁面以及溢流管1壁面布置，最终伸入溢流管1内，在压力差的作用下，聚结的油相通过一次分离管5直接排入溢流管1内，实现第一次分离。针对不同含油浓度的混合液，通过改变油相曲面聚结板9的结构，油相聚结区18可以设计成不同的数量。

第二次分离原理：大部分的水相以及第一次未被分离的油相在通过油相曲面聚结板9靠近筒体的小过流空间时，根据第一次分离的原理可知由于油水惯性力及黏性力的不同，在经过该小过流空间后，油相会在后续的渐扩段空间内聚结，聚结后部分的油相进入一次分离管5的对应接口，从一次分离管5流入溢流管1。但是该位置油相聚结区中未来得及进入一次分离管的油相以及大部分水相则会流入后续的导流槽13、14、15中，且由于水相惯性力大直接冲入了靠近该小过流空间的导流槽13内，从而进入靠近旋流腔3大半径位置附近，而大部分油相则会进入远离小过流空间的导流槽14和15内并进入靠近旋流腔3小半径处。另外，导流槽16内部油水两相虽然没有被分层重构，且其水相浓度较高，但该导流槽16内的流体流量小，对后续的油水分离影响较低。导流槽13、14、15实现了油水两相进入旋流器筒体之前的分层重构作用，使得大部分水相进入旋流腔3后进入了大半径位置，大部分油相进入小半径位置附近，然后油水两相在旋流器筒体内利用其密度差在离心力的作用下实现了分离，水相沿着旋流器壁面经过旋流腔3、大锥段6、小锥段7从底流段8排出，油相在离心力作用下向旋流器中心运动，并向上从溢流管1排出，其中，导流槽13、14、15对油水两相的分层重构作用有利于促进旋流器筒体内的油水两相的离心分离（第二次分离）效果。

综上所述，本装置主要是在常规双锥旋流器的切向入口内增加了一个油相曲面聚结板、一次分离管及三块导流板，导流板将切向入口对应部分划分成四个导流槽。由于曲面聚结板的作用，从切向入口进入的油水混合液将在该板的4处位置发生油相聚结现象，该聚结现象归因于曲面聚结板的结构以及油水两相经过该板后的不同惯性力及黏性力。4个位置处的油相聚结区均呈现出底面形状不规则且不同大小的柱状。工作过程中，4个油相聚结区的油相将分别进入对应其上端的一次分离管的不同接口中，一次分离管沿着入口顶部壁面、旋流腔顶部壁面以及溢流管壁面布置，最终伸入溢流管内，经过入口被第一次分离的油相通过一次分离管排入溢流管内，实现第一次分离。而水相以及未被分离的油相在通过曲面聚结板靠近旋流腔位置处，由于油水惯性力及黏性力的不同，也会产生一定的分离，在导流板的作用下，油相和水相分别进入不同的导流槽，该方式更有利于提高后续旋流器离心分离（第二次分离）的效率。该装置具有结构简单紧凑、分离效率高及分离方法先进等诸多优点。相比较于现有的两次分离装置，其占用空间相对小，为多级快速分离装置的小型化设计提供了新的方法及思路。

Claims (2)

1.一种可实现两次分离的切向入口，包括一个切向入口主体（4），其特征在于：在切向入口主体（4）的内部固定有一块油相曲面聚结板（9），所述油相曲面聚结板为波浪线形状，所述油相曲面聚结板在切向入口主体（4）内居中放置，所述油相曲面聚结板上的波峰和波谷处均与切向入口主体（4）的内壁不相触，所述油相曲面聚结板垂直于切向入口主体（4）的底面放置；在所述油相曲面聚结板上远离切向入口来液的一端固定连接第三导流板（12），与所述第三导流板处于平行关系的另两处位置分别放置第二导流板（11）和第一导流板（10）；在切向入口主体（4）的内部，位于所述油相曲面聚结板的上方，设置有一根一次分离管（5），所述一次分离管上连接有若干个汇管，所述汇管的开口分别位于所述油相曲面聚结板上各个曲面所划分出的区域的中心处；在所述第三导流板（12）和第一导流板（10）的斜上方并紧贴切向入口侧壁面顶部分别设置有两根汇管，所述汇管接入所述一次分离管上；所述第三导流板（12）与切向入口主体（4）内壁之间的槽形空间构成第四导流槽（16），所述第三导流板（12）与第二导流板（11）之间的槽形空间构成第三导流槽（15），所述第二导流板（11）与第一导流板（10）之间的槽形空间构成第二导流槽（14），所述第一导流板（10）与切向入口主体（4）内壁之间的槽形空间构成第一导流槽（13）。

2.一种应用权利要求1所述切向入口的单级油-水旋流分离器，包括溢流管（1）、旋流腔顶盖（2）以及依次相连的旋流腔（3）、大锥段（6）、小锥段（7）和底流段（8），其特征在于：权利要求1所述切向入口与旋流腔（3）上部外壁切向连接并相通，所述切向入口内的一次分离管（5）经导引管连接后接入溢流管（1）内。