CN109236613B - 一种旋风式油气分离器及分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋风式油气分离器及分离方法，分离器的圆柱形旋风外筒的内壁面设有多组挡油翅片组，每组挡油翅片组包括多个沿圆柱形旋风外筒轴向自上而下依次排列分布的翅片，相邻的两个翅片之间形成有翅片槽道；所述多组挡油翅片组沿圆柱形旋风外筒的周向均匀分布；相邻挡油翅片组之间留有预设间距并形成纵向的导流槽道；沿油气混合物入口的进气方向，所述翅片槽道沿着圆柱形旋风外筒的圆周倾斜下行，翅片槽道的两端分别与相邻的液膜导流槽道连通。本发明能够有效实现对旋风筒壁面油膜的整流与疏导，加速壁面排液。翅片的存在能极大程度的扩展油滴碰撞面积，翅片向内微弯曲的形状也可阻挡油滴二次飞溅。本发明能有效提高分离器的分离效率。

Description

一种旋风式油气分离器及分离方法

技术领域

本发明属于油气处理设备领域，涉及一种用于喷油压缩机中油气分离的旋风式油气分离器及分离方法。

背景技术

对于喷油压缩机来说，在排气出口处设置高效的油气分离设备不仅能保证排出气体的纯净性，还能提高润滑油循环利用性，是喷油压缩机中必不可少的重要设备。旋风式油气分离器以其体积小、质量轻、分离效率高等优势被广泛应用于化工行业，也是喷油压缩机系统中最常使用的初级分离设备。

目前普遍使用的旋风式分离器，其结构主要包括混合气进口管，旋风外筒体、旋风内筒体、排油管和挡油板。油气混合物由进口管沿切向进入分离器筒体内部，在内筒和外筒之间形成的环形流场中做旋转运动，油滴由于受到更大的离心力运动在径向外侧，当其撞击到外筒内壁面时，会粘附在壁面上向下流动，到达底部后由排油管排出，而气体则从中心处的旋风内筒也即气体出口处旋转流出，实现油气分离。

对于传统结构的旋风式油气分离器，其实测分离效率已经达到了88％～92％之间，而目前影响其分离器效率进一步提高的主要因素在于，分离器工作一段时间后，成片的壁面油膜的存在。相比水滴，油粘性较大，附着于壁面后易于联结成成片的液膜附着于外筒体内壁面。旋转气流剐蹭油膜时，容易卷吸夹带油膜中飞溅出来的二次小油滴，这些小油滴混入气相流场中，随气体从顶部排出，将降低分离器的效率。因此，对旋风式油气分离器内壁面油膜的分解与导流对于提高油气分离效率有重要的意义。

在探索通过改进旋风筒内壁面结构而提高旋风式油气分离器效率方面，专利文献CN206587498.U提出了一种内部为升气管外筒内壁面有螺纹结构的气液分离器。混合物从升气管底部进入后，先在升气管顶盖板上碰撞分离，随后混合物沿升气管周向条缝进入外筒与升气管形成的环形空间。升气管的条缝外有切向导流板，受到气体力的作用，导流板带动升气管反向转动，继而推动混合物撞向外筒壁面。其外筒内壁面上有连续的螺纹结构，其内螺纹旋向与旋转气流方向相反，目的是增强刮面效应，从而提高分离效率。此结构中连续的螺纹使得分离出的液体聚集在条缝中，随后沿着螺纹通道旋转后流走，但由于液体在连续的螺纹通道中行走距离较长，则液体导流速度较慢。且外筒内壁面的螺纹与气体旋向相反，当液体在螺纹内聚集较多时的，无论采用何种螺纹结构，虽然碰撞面积铺展的更大，但是迎面正撞极易引起小液滴的飞溅。专利文献CN105588381.A提出了一种用于压缩机系统分离压缩机油与冷媒的立式分离器。其出气管朝上设置在分离器顶部，并连接有拉伐尔喷嘴，分离器内壁面上有螺纹状凸起微结构。凸起微结构极大地拓展了分离器筒体内壁面的碰撞面积，可以有效提高分离效率。由于该分离器不是旋风式分离器，因此筒体内不存在旋转流场，液体撞击筒体内壁面的力较小。且该凸起微结构仅铺展了液体附着面，并没有对附着后的液膜有疏导作用，当工作一段时间，壁面聚集了一层液膜之后，气流对液膜产生的卷吸夹带作用依然会影响分离器效率。因此，除了增加液体撞击面积，对分离器内壁面液膜的导流以及阻挡二次小油滴飞溅也十分重要。

发明内容

针对传统分离器油滴附壁能力小，油膜飞溅等问题，本发明提供一种旋风式油气分离器及分离方法，本发明能够很好地解决现有分离器中存在的油滴附壁能力小，油膜飞溅的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种旋风式油气分离器，包括圆柱形旋风外筒、圆柱形旋风内筒、油气混合物入口和底部排油管，圆柱形旋风内筒与圆柱形旋风外筒同轴并设置在圆柱形旋风外筒的上部；圆柱形旋风内筒下端伸入圆柱形旋风外筒内，圆柱形旋风内筒下端与圆柱形旋风外筒的上端之间形成有环形腔体；圆柱形旋风内筒的上端处于圆柱形旋风外筒的外部并作为顶部气相出口，底部排油管与圆柱形旋风外筒的底部连通；油气混合物入口与圆柱形旋风外筒的上端连接并与所述环形腔体的上部连通，油气混合物入口用于沿圆柱形旋风外筒的切向向所述环形腔体内吹入油气混合物；

圆柱形旋风外筒的内壁面设有多组挡油翅片组，每组挡油翅片组包括多个沿圆柱形旋风外筒轴向自上而下依次排列分布的翅片，相邻的两个翅片之间形成有翅片槽道；所述多组挡油翅片组沿圆柱形旋风外筒的周向均匀分布；相邻挡油翅片组之间留有预设间距并形成纵向的导流槽道；

沿油气混合物入口的进气方向，所述翅片槽道沿着圆柱形旋风外筒的圆周倾斜下行，翅片槽道的两端分别与相邻的液膜导流槽道连通。

所述翅片沿圆柱形旋风外筒轴向的截面形状为类三角形形状；在该截面上，翅片与圆柱形旋风外筒内壁接触的一边为直线，其余两边为光滑的弧形边，上侧的弧形边在该弧形边与圆柱形旋风外筒内壁相交处的切面与圆柱形旋风外内壁面在相交处的切面之间的夹角为45°～55°；下侧的弧形边在该弧形边与圆柱形旋风外筒内壁相交处的切面与圆柱形旋风外筒内壁在相交处的切面之间的夹角为5°～15°；上侧的弧形边与下侧的弧形边均为上凸的弧形边。

上下相邻两个翅片之间，上部翅片下侧的弧形边的末端与下部翅片上侧的弧形边的末端相抵。

翅片上与圆柱形旋风外筒内壁的接触面为与圆柱形旋风外筒内壁相适配的圆柱面。

翅片槽道与圆柱形旋风外筒轴线之间的夹角为45°～60°。

所述翅片的高度为5～15mm，挡油翅片组的宽度为圆柱形旋风外筒内径的1/6～1/4。

导流槽道的宽度为圆柱形旋风外筒内径的1/15～1/12。

挡油翅片组的下端与圆柱形旋风外筒底部之间留有预设距离，该距离的大小为圆柱形旋风外筒高度的1/10～1/8。

一种旋风式油气分离方法，过程如下：

油气混合物由油气混合物入口沿圆柱形旋风外筒的切向进入圆柱形旋风内筒下端与圆柱形旋风外筒之间形成的环形腔体，油气混合物在圆柱形旋风外筒内做旋转运动；

油气混合物做旋转运动过程中，油气混合物中的油滴运动在旋转流场径向的外侧，油气混合物中气体运动在旋转流场的径向的内侧；

油滴与翅片上下表面接触，并粘附在翅片上，油滴粘附后沿着翅片的上下表面向翅片槽道中流动；同时，翅片表面飞溅反弹起的液滴弹至相邻翅片的表面，随后沿着翅片的表面流入翅片槽道中；

翅片槽道中汇集的油液沿翅片槽道旋转下行流入导流槽道中，随后沿导流槽道自上而下垂直流入圆柱形旋风外筒的底部，再经底部排油管流走；

经油气分离后的气体沿圆柱形旋风内筒向上排出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的旋风式油气分离器在圆柱形旋风外筒的内壁面设置多组挡油翅片组，每组挡油翅片组包括多个沿圆柱形旋风外筒轴向自上而下依次排列分布的翅片，相邻的两个翅片之间形成有翅片槽道；设置挡油翅片组能使油滴更多的粘附在壁面上，每组挡油翅片组中的多个翅片能够使碰撞产生的二次小液滴困在翅片槽道内；相邻挡油翅片组之间留有预设间距并形成纵向的导流槽道，沿油气混合物入口的进气方向，翅片槽道沿着圆柱形旋风外筒的圆周倾斜下行，翅片槽道的两端分别与相邻的液膜导流槽道连通；因此从翅片槽道汇集的油液能够汇入导流槽道中并沿着导流槽道垂直下行，流入分离器底部的液相区，并从底部排油管流走。本发明的旋风式油气分离器在使用时，当油滴撞向圆柱形旋风外筒内壁面时，翅片所铺展开的表面都可以成为油滴碰撞附着的面积，无论油滴是附着在翅片的上表面还是下表面，都会顺着翅片表面流入翅片槽道中，之后在旋转气流的推动下，结合翅片槽道下行的趋势，流入相邻的导流槽道中；由于导流槽道垂直向下，因此油液会迅速被导入圆柱形旋风外筒的底部，随后从底部排油管排出。综上，本发明的旋风式油气分离器实现了分离器壁面油膜的整流与疏导，能加快排液，在分离过程中尽快且尽可能多的暴露油滴附着面积，增加油滴直接撞壁附着的可能性，且本发明的挡油翅片组能较好的将油滴困入相邻两翅片间形成的翅片槽道中，避免液滴的二次飞溅。因此本发明能较好的解决油膜的存在对分离器分离效果的影响。

由本发明旋风式油气分离器的有益效果可知，基于本发明旋风式油气分离器的油气分离方法对油气混合物的分离效果更好，分离效率高。

附图说明

图1为本发明旋风式油气分离器的第一立体外观视图；

图2为本发明旋风式油气分离器的从入口方向投影的结构示意图；

图3为本发明图2中的A-A截面的剖视图；

图4为本发明图3中C部放大示意图；

图5为本发明图2中的B-B截面的剖视图；

图6为本发明图5中的D部放大示意图；

图7为本发明挡油翅片组沿圆柱形旋风外筒轴向的截面示意图；

图8为本发明挡油翅片沿圆柱形旋风外筒内壁面倾斜角度第一视图；

图9为本发明挡油翅片沿圆柱形旋风外筒内壁面倾斜角度第二视图。

图中：1-圆柱形旋风外筒，2-圆柱形旋风内筒，3-油气混合物入口，4-顶部气相出口，5-底部排油管，6-导流槽道，7-挡油翅片组，7-1-弧形翅片，7-2-翅片槽道，8-油滴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。

参照图1～图3，本发明的旋风式油气分离器，包括圆柱形旋风外筒1、圆柱形旋风内筒2、油气混合物入口3和底部排油管5，圆柱形旋风内筒2与圆柱形旋风外筒1同轴并设置在圆柱形旋风外筒1的上部；圆柱形旋风内筒2下端伸入圆柱形旋风外筒1内，圆柱形旋风内筒2下端与圆柱形旋风外筒1的上端之间形成有环形腔体；圆柱形旋风内筒2的上端处于圆柱形旋风外筒1的外部并作为顶部气相出口4，底部排油管5与圆柱形旋风外筒1的底部连通；油气混合物入口3与圆柱形旋风外筒1的上端连接并与所述环形腔体的上部连通，油气混合物入口3用于沿圆柱形旋风外筒1的切向向所述环形腔体内吹入油气混合物；圆柱形旋风外筒1的内壁面设有多组挡油翅片组7，每组挡油翅片组7包括多个沿圆柱形旋风外筒1轴向自上而下依次排列分布的翅片，相邻的两个翅片之间形成有翅片槽道7-2；所述多组挡油翅片组7沿圆柱形旋风外筒1的周向均匀分布；相邻挡油翅片组7之间留有预设间距并形成纵向的导流槽道6；沿油气混合物入口3的进气方向，所述翅片槽道7-2沿着圆柱形旋风外筒1的圆周倾斜下行，翅片槽道7-2的两端分别与相邻的液膜导流槽道6连通。

作为本发明优选的实施方案，如图4、图6～图9所示，本发明的翅片沿圆柱形旋风外筒1轴向的截面形状为类三角形形状；如图7所示，在该截面上，翅片与圆柱形旋风外筒1内壁接触的一边为直线，其余两边为光滑的弧形边，上侧的弧形边在该弧形边与圆柱形旋风外筒1内壁相交处的切面记为F1，圆柱形旋风外筒1内壁面在相交处的切面记为F2，F1与F2之间的夹角为45°～55°；下侧的弧形边在该弧形边与圆柱形旋风外筒1内壁相交处的切面记为F3，圆柱形旋风外筒1内壁面在相交处的切面记为F4，F3与F4之间的夹角为5°～15°；上侧的弧形边与下侧的弧形边均为上凸的弧形边。上下相邻两个翅片之间，上部翅片下侧的弧形边的末端与下部翅片上侧的弧形边的末端相抵。

作为本发明优选的实施方案，下侧的弧形边与上侧的弧形边可为圆弧。翅片上与圆柱形旋风外筒1内壁的接触面为与圆柱形旋风外筒1内壁相适配的圆柱面。如图8和图9所示，翅片槽道7-2与圆柱形旋风外筒1轴线之间的夹角为45°～60°。

作为本发明优选的实施方案，参照图5和图6，翅片的高度为5～15mm，挡油翅片组7的宽度为圆柱形旋风外筒1内径的1/6～1/4。导流槽道6的宽度为圆柱形旋风外筒1内径的1/15～1/12。参照图3，挡油翅片组7的下端与圆柱形旋风外筒1底部之间留有预设距离，该距离的大小为圆柱形旋风外筒1高度的1/10～1/8。

采用本发明的旋风式油气分离器进行旋风式油气分离方法，过程如下：

油气混合物由油气混合物入口3沿圆柱形旋风外筒1的切向进入圆柱形旋风内筒2下端与圆柱形旋风外筒1之间形成的环形腔体，油气混合物在圆柱形旋风外筒1内做旋转运动；

油气混合物做旋转运动过程中，油气混合物中的油滴运动在旋转流场径向的外侧，油气混合物中气体运动在旋转流场的径向的内侧；

油滴与翅片上下表面接触，并粘附在翅片上，油滴粘附后沿着翅片的上下表面向翅片槽道7-2中流动；同时，翅片表面飞溅反弹起的液滴弹至相邻翅片的表面，随后沿着翅片的表面流入翅片槽道7-2中；

翅片槽道7-2中汇集的油液沿翅片槽道7-2旋转下行流入导流槽道6中，随后沿导流槽道6自上而下垂直流入圆柱形旋风外筒1的底部，再经底部排油管5流走；

经油气分离后的气体沿圆柱形旋风内筒2向上排出。

实施例

如图3所示，本实施例中，圆柱形旋风外筒1内壁面上沿圆周依次排列着挡油翅片组7及液膜导流槽道6，挡油翅片组7从上至下整齐排列着沿气流方向倾斜下行的弧形翅片7-1，因为圆柱形旋风外筒1筒体的底部区域为储油区，不再需要翅片导流，因此翅片的分布从圆柱形旋风外筒1筒体顶部开始，一直向下延伸到距离筒体底部为1/10～1/8圆柱形旋风外筒1筒高的位置，便不再继续。如图5所示，挡油翅片组7与导流槽道6相间布置，但是由于圆柱形旋风外筒1壁面油膜厚度有限，导流槽道6若过宽，则不利于油膜的汇聚，因此导流槽道6的宽度基本上设置为仅有挡油翅片组7宽度的1/3左右，导流槽道6的宽度为圆柱形旋风外筒半径的1/15～1/12。挡油翅片组7的宽度通常控制在圆柱形旋风外筒半径的1/6～1/4，若挡油翅片组过宽，则油在翅片槽道7-2中旋转流下的距离过长，会减小导油速度。安装翅片后，在导油的同时，为了不给分离器带来过多阻力，翅片的高度应视圆柱形旋风外筒1筒体直径不同控制在5～15mm，圆柱形旋风外筒1的直径越大，翅片的高度相应越高。

如图3和图4所示，弧形翅片7-1顶部(即弧形翅片7-1上向圆柱形旋风外筒1中心延伸的一端)稍向旋风筒体底部及中心弯曲，弧形翅片7-1为两边有一定弧度的类三角形形状，如图7所示，该图为弧形翅片7-1沿圆柱形旋风外筒1轴向方向的截面图，翅片的上下底边与圆柱形旋风外筒1内壁相交的切面与圆柱形旋风外筒内壁面在相交处的切面之间的夹角分别为45°～55°及5°～15°。两个相邻弧形翅片间自然形成翅片槽道7-2，翅片槽道7-2沿圆柱形旋风外筒1轴向方向的截面也为两边有弧度的类三角形形状，由翅片形状及下行方向的决定，每一条翅片槽道也沿着圆柱形旋风外筒1壁面圆周倾斜下行，如图8和图9所示，翅片槽道7-2与圆柱形旋风外筒1的轴线方向的夹角为45°～60°，如图3和图4所示，翅片槽道7-2的两端分别与相邻的导流槽道6相通。

如图2～图4所示，油气混合物由油气混合物入口3进入分离器，油气混合物沿圆柱形旋风外筒1的切向方向进入圆柱形旋风外筒1与圆柱形旋风内筒2之间形成的环形空间，油气混合物做旋转运动，在离心力的作用下，油气混合物中的油滴运动在旋转流场径向的外侧，油气混合物中的气体运动在旋转流场径向的内侧。油滴首先被甩向圆柱形旋风外筒1内壁面的弧形翅片7-1下侧的表面，油滴粘附后会沿着翅片7-1的弧度向翅片槽道7-2中流动。撞击弧形翅片7-1下侧表面飞溅反弹起的液滴会向下弹到与该弧形翅片7-1相邻的下方的弧形翅片7-1的上侧表面，随后也沿着翅片的弧度流入翅片槽道7-2中。从上至下各个翅片槽道7-2内汇聚的油液旋转下行流入导流槽道6中，随后沿着导流槽道6垂直流入旋风外筒1底部，再经底部排油管5流走。

当运行一段时间后，即使所有挡油翅片组7上都布满了油膜，由于弧形翅片7-1的向下弯曲的内弧形形状，旋转气流撞击翅片上的油膜时，飞溅出的小液滴仍然会被困在翅片槽道7-2中，而不会进入主流场中。且由于油膜导流槽道6较之挡油翅片组7，在圆柱形旋风外筒的径向方向更深，因此即使导流槽道间汇聚有油膜，由于有前方挡油翅片组阻挡，也难以受到气流的剐蹭。

综上所述，本发明由于在旋风式外筒内壁面增加了这样一种特殊的结构布置，因此油滴撞向壁面时，挡油翅片所铺展开的表面都可以成为油滴碰撞附着的面积，且由于翅片弧度的存在，无论油滴是附着在翅片的上表面还是下表面，都会顺着表面弧度流入翅片槽道中，之后在旋转气流的推动下，结合翅片槽道弯曲下行的趋势，流入相邻的油膜导流槽道中。由于导流槽道垂直向下，因此油会迅速被导入旋风筒底部，随后从底部排油管排出。本发明实现了分离器壁面油膜的整流与疏导，能加快排液，在分离过程中尽快且尽可能多的暴露油滴附着面积，增加油滴直接撞壁附着的可能性。且顶部微弧形的挡油翅片能较好的将油滴困入相邻两翅片间形成的类三角形槽道中，避免液滴的二次飞溅。因此本发明能较好的解决油膜存在对分离器效果的影响。

Claims (7)

1.一种旋风式油气分离器，其特征在于，包括圆柱形旋风外筒（1）、圆柱形旋风内筒（2）、油气混合物入口（3）和底部排油管（5）；

圆柱形旋风外筒（1）的内壁面设有多组挡油翅片组（7），每组挡油翅片组（7）包括多个沿圆柱形旋风外筒（1）轴向自上而下依次排列分布的翅片，相邻的两个翅片之间形成有翅片槽道（7-2）；所述多组挡油翅片组（7）沿圆柱形旋风外筒（1）的周向均匀分布；相邻挡油翅片组（7）之间留有预设间距并形成纵向的导流槽道（6）；

沿油气混合物入口（3）的进气方向，所述翅片槽道（7-2）沿着圆柱形旋风外筒（1）的圆周倾斜下行，翅片槽道（7-2）的两端分别与相邻的液膜导流槽道（6）连通；

翅片上与圆柱形旋风外筒（1）内壁的接触面为与圆柱形旋风外筒（1）内壁相适配的圆柱面；

翅片槽道（7-2）与圆柱形旋风外筒（1）轴线之间的夹角为45°～60°。

2.根据权利要求1所述的一种旋风式油气分离器，其特征在于，所述翅片沿圆柱形旋风外筒（1）轴向的截面形状为类三角形形状；在该截面上，翅片与圆柱形旋风外筒（1）内壁接触的一边为直线，其余两边为光滑的弧形边；

上侧的弧形边在该弧形边与圆柱形旋风外筒（1）内壁相交处的切面与圆柱形旋风外筒（1）内壁在相交处的切面之间的夹角为45°～55°；

下侧的弧形边在该弧形边与圆柱形旋风外筒（1）内壁相交处的切面与圆柱形旋风外筒（1）内壁在相交处的切面之间的夹角为5°～15°；上侧的弧形边与下侧的弧形边均为上凸的弧形边。

3.根据权利要求2所述的一种旋风式油气分离器，其特征在于，上下相邻两个翅片之间，上部翅片下侧的弧形边的末端与下部翅片上侧的弧形边的末端相抵。

4.根据权利要求1所述的一种旋风式油气分离器，其特征在于，所述翅片的高度为5～15mm，挡油翅片组（7）的宽度为圆柱形旋风外筒（1）内径的1/6～1/4。

5.根据权利要求1所述的一种旋风式油气分离器，其特征在于，导流槽道（6）的宽度为圆柱形旋风外筒（1）内径的1/15～1/12。

6.根据权利要求1所述的一种旋风式油气分离器，其特征在于，挡油翅片组（7）的下端与圆柱形旋风外筒（1）底部之间留有预设距离，该距离的大小为圆柱形旋风外筒（1）高度的1/10～1/8。

7.一种旋风式油气分离方法，其特征在于，通过权利要求1-6任意一项所述的旋风式油气分离器进行，所述旋风式油气分离方法过程如下：

油气混合物由油气混合物入口（3）沿圆柱形旋风外筒（1）的切向进入圆柱形旋风内筒（2）下端与圆柱形旋风外筒（1）之间形成的环形腔体，油气混合物在圆柱形旋风外筒（1）内做旋转运动；

油气混合物做旋转运动过程中，油气混合物中的油滴运动在旋转流场径向的外侧，油气混合物中气体运动在旋转流场的径向的内侧；

油滴与翅片上下表面接触，并粘附在翅片上，油滴粘附后沿着翅片的上下表面向翅片槽道（7-2）中流动；同时，翅片表面飞溅反弹起的液滴弹至相邻翅片的表面，随后沿着翅片的表面流入翅片槽道（7-2）中；

翅片槽道（7-2）中汇集的油液沿翅片槽道（7-2）旋转下行流入导流槽道（6）中，随后沿导流槽道（6）自上而下垂直流入圆柱形旋风外筒（1）的底部，再经底部排油管（5）流走；

经油气分离后的气体沿圆柱形旋风内筒（2）向上排出。

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