CN109806673A - 一种用于气体消泡的气液分离装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于气体消泡的气液分离装置，包括：旋流壳体、设置在所述旋流壳体内的离心消泡部件和二次化学消泡部件；所述离心消泡部件置于所述旋流壳体的下部，包括旋流内筒、设置在所述旋流内筒内的旋转叶片组件和排气管，所述旋转叶片组件套设于所述排气管的外侧；所述二次化学消泡部件置于所述旋流壳体的上部，包括置于装置内旋流内筒上方的消泡网及设置于消泡网上方的波纹板。合理地将离心场、惯性撞击和超疏水表面等消泡方法有效地匹配在一起，利用机械方法和化学消泡机理结合可实现快速消泡，相较于现有的化学消泡法，运行成本大幅降低的同时还能实现气液两相的预分离过程，这可有效减少二次泡沫的生成。

Description

一种用于气体消泡的气液分离装置

技术领域

本申请涉及多相流分离的技术领域，特别是指用于天然气泡沫排水采气工艺中的消泡作业和气液预分离过程。

背景技术

现有的泡沫排水采气工艺是天然气(包括页岩气)开采中后期清除井底积液的较佳技术。然而，在天然气进入输气管线之前，如不及时除去其所夹带的大量稳定的泡沫，则会对管道输送设备和计量仪器造成一定损害，同时还严重影响气液分离设备的除液效果，进而影响输气系统的安全运行。

一线站场通常采用化学消泡法来实施消泡作业，即通过撬装式注入装置将专用消泡剂液体或消泡棒定期投入输气管道或者专门用于消泡的罐体内进行消泡。虽然消泡剂有一定的消泡作用，但其通用性不强，不同地区气井需要使用不同种类的起泡剂和消泡剂，前期投资成本会相应增加。此外，消泡剂的消耗量比较大，实际运行中投入的消泡剂数量多达理论计算值的2～4倍，只有这样才能确保消泡剂跟泡沫充分接触，进而达到快速消泡的目的。而现行市场上消泡剂的价格约为3万元/吨，导致消泡作业运行成本大幅增加，这已成为天然气生产管理部门迫切希望彻底解决的一个重要技术性课题。

与此同时，完成消泡作业后的天然气通常会进入相应的气液分离设备以除去液滴杂质，进而保证天然气长输管道以及集输系统中压缩机组、计量仪器等核心设备安全可靠运行。而现场主要是通过气液聚结过滤器等设备对天然气进行深度气液分离，由于聚结过滤器的过滤精度较高(通常为0.3μm)，因此，聚结滤芯的滤材孔径需很小才能满足其过滤要求。而当气体中含液浓度较高，或上游消泡不完全(包括二次泡沫的产生)时，气体中携带的大量液滴杂质(尤其是泡沫)将会被拦截在滤芯内部并堵塞滤材内部孔隙，导致滤芯压降急速上升，此时必须暂停过滤器运行并及时更换滤芯，而频繁更换滤芯会进一步增加运行成本。

发明内容

本申请提供了一种用于气体消泡的气液分离装置，以至少解决现有技术中天然气夹带大量泡沫的问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种用于气体消泡的气液分离装置，包括：旋流壳体3、设置在所述旋流壳体3内的离心消泡部件和二次化学消泡部件；所述离心消泡部件置于所述旋流壳体3的下部，包括旋流内筒4、设置在所述旋流内筒4内的旋转叶片组件5和排气管7，所述旋转叶片组件5套设于所述排气管7的外侧；所述二次化学消泡部件置于所述旋流壳体3的上部，包括置于装置内旋流内筒4上方的消泡网10及设置于消泡网10上方的波纹板11。

在一个实施例中，所述离心部件还包括切向入口管路2，方向为水平向下倾斜，倾斜角度范围为10～60度，以此使气流获得向下的初速度，目的在于使气流快速完成冲击和离心消泡过程。

在一个实施例中，所述旋流内筒4为多层结构，包括内层筒41和外层筒3。

在一个实施例中，所述内层筒41的表面开设多孔结构，所述外层筒3为实心结构，在距离内层筒41内侧壁面20～50mm处，沿周向通过给水管路均匀布置雾化喷嘴。布置雾化喷嘴的目的在于：一方面可以清除壁面上残留的泡沫，另一方面注入的水滴可以通过降低泡沫中起泡剂的浓度来破坏泡沫的稳定性。

在一个实施例中，所述消泡网10为多层丝网结构，网孔径从下到上依次增大，丝网表面做超疏水处理。消泡网的这种结构使气流均匀分布的同时还能利用网孔的挤压作用进行消泡，并且对小液滴有一定的聚结能力。此外，丝网结构可由多孔泡沫结构，如多孔泡沫镍等取代，多孔泡沫结构中的孔为三维立体孔。

在一个实施例中，所述波纹板11由多个间隔分布且并行排列的波纹叶片110及其构成的气流通道111，排液腔12和固定外壳13组成，波纹叶片110的前后部分区别在于有无疏水钩113，波纹叶片110的后半部有疏水钩113而前半部没有。

在一个实施例中，所述波纹板11的每个所述叶片110的表面通过改性处理制备成超疏水表面，超疏水表面可以进一步实现消泡并分离出天然气中夹带的液体。

现有天然气液体消泡器通常需要消耗大量的消泡剂才能满足消泡作业的要求，而目前市场上的消泡剂价格却高达每吨3万元左右。同时，目前尚未研究出具有普适性的消泡剂，前期必须投入一定资金以研究出合适的消泡剂，这将造成消泡工艺投资成本进一步增加。

较现有消泡技术，本申请合理运用离心力、惯性撞击等物理消泡方法和疏水表面可消泡的化学消泡机理来实现快速消泡，同时还可进行气液预分离。这不但可大幅降低消泡作业的成本，而且通过气液两相的有效分离可有效遏制二次泡沫的产生，进而可有效改善聚结滤芯的气液分离效果并延长其使用寿命。

现有的天然体液体消泡器通常为满足消泡作业的标准，一线站场一般采用消泡剂连续注入的方式来进行消泡作业。而当运行时间较长时，消泡剂输送管路中容易混有杂质，而给药喷嘴则会因其内部发生堵塞而使其喷出的消泡剂量有所减少，从而导致消泡不完全，少量泡沫则会通过排气管路进入下游设备，而残余的表面活性物质容易在管道阻力大的地方引起泡沫再生现象，不但积液现象严重而且容易造成管道腐蚀，从而影响输气安全。

较现有天然气液体消泡器，本申请巧妙地利用物理消泡方法和化学消泡机理来多次同时实现消泡和气液分离过程，不但可提高破泡率和气液分离效率，且可有效阻止二次泡沫的生成，减少管道积液现象。

现有的化学消泡法是通过消泡剂与表面活性物发生化学反应，从而破坏泡沫的稳定性使其发生溃灭，这会影响起泡剂的重复发泡能力，难以实现泡沫基液的循环利用。

较现有的化学消泡法，本申请巧妙地运用多种消泡机理来达到消泡剂的作用，即通过离心力、惯性撞击和超疏水表面等消泡方法来加快泡沫表面液膜的排液速度来破坏其稳定性并迫使泡沫快速破灭。此外，本申请未添加其他表面活性物质，分离出来的起泡基液可实现循环利用，进一步降低投资成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的结构示意图。

图2是切向入口管路示意图。

图3是旋转叶片组件示意图。

图4是旋流筒体示意图。

图5是旋流筒体剖视图。

图6是梯度孔径的消泡网示意图。

图7是波纹板安装示意图。

图8是波纹板等轴测示意图。

附图标号：

1、采气管；

2、切向入口管路；

3、旋流壳体；

4、旋流内筒；

5、旋转叶片组件；

51、旋转叶片；

52、轴套；

53、法兰；

6、集液腔；

7、排气管；

8、排液口；

9、导流罩；

10、消泡网；

101、丝网孔径；

11、波纹板；

12、排液腔；

13、出口管路；

14、固定外壳；

110、波纹叶片；

111、气流通道；

112、气流出口；

113、疏水钩；

15、分离隔板。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了解决现有技术中的问题，本申请提出了一种用于气体消泡的气液分离装置，如图1所示，该气液分离装置主要由旋流壳体3、设置在所述旋流壳体3内的离心消泡部件和二次化学消泡部件构成，离心消泡部件置于旋流壳体3的下部，二次化学消泡部件置于旋流壳体3的上部。

其中，离心消泡部件主要由旋流内筒4内置旋转叶片组件5和排气管7构成，旋转叶片组件5套设于所述排气管7的外侧。

二次化学消泡部件置于旋流壳体3的上部，包括置于装置内旋流内筒4上方的消泡网10及设置于消泡网10上方的波纹板11。

离心消泡部件还包括：水平向下倾斜设置的切向入口管路2，用于向旋流内筒4通入天然气。

一实施例中，如图2所示，切向入口管路2的倾斜角度范围为10～60度。这种入口结构设计的目的是使气流具有向下的初速度，使其快速完成剪切、冲击和离心消泡过程，同时可加快筒体壁面液膜的排液速度。

一实施例中，如图1所示，旋流壳体3可以由分离隔板15分为上下两部分。

如图3所示，旋转叶片组件5包括：轴套52及均匀固定设置在轴套上的多个旋转叶片51，通过该轴套52与排气管7外侧套接，而排气管7则是通过法兰53与上下腔体的分离隔板15固定在一起。具体实施时，当高速气流沿切向入口管路2进入旋流内筒4时，与旋转叶片组件5发生碰撞从而带动其发生转动，可以减少惯性碰撞造成的动量损失，而旋转叶片的转动还可以迫使气流做高速旋转流动，通过气液两相较大的密度差而使其所受离心力不同，促使泡沫表面液膜排液加快，进而破坏泡沫的稳定性使其快速破灭。

一实施例中，旋转叶片组件5与排气管7外侧轮毂的夹角范围为30～90度。旋转叶片的形状可以为弧线型，本申请不限于此。另外，旋转叶片弯曲角度、旋转叶片的数量以及旋转叶片长度等具体参数可根据实际工况进行优选。

如图4和图5所示，所述旋流内筒4的表面开设多孔结构，其孔径大小可根据实际泡沫的大小来优选，而孔的形状可以为菱形、圆形等常见孔型，本申请不限于此。

一实施例中，开孔方向为水平或斜向下。利用孔对泡沫产生的挤压作用而使其内外压差增大直至发生破灭的消泡机理，可以实现进一步消泡，同时被其壁面捕获的液体可穿过多孔结构进入旋流壳体3的内壁与旋流内筒4的外壁之间，并在旋流壳体3的内壁形成液膜向下排出，可有效减小液滴的二次夹带。

另外，在一个实施例中，本申请可以设置多个雾化喷嘴，雾化喷嘴可以设置在距离旋流内筒4的内侧壁面20～50mm处，同时贴近上下腔体的隔板。通过给水管路(图中未示出)为雾化喷嘴注入雾化水滴，一方面，可以清除壁面上残留的泡沫，尤其是表面活性物质的结晶体；另一方面注入的水滴可降低泡沫中起泡剂的浓度，从而破坏泡沫的稳定性(表面张力增大)，进而缩短其破灭时间。其中，雾化喷嘴的加液量可根据气液分离装置的分离能力进行确定，一般不能超过其所能允许的气体最大含液量的90％。

具体地，旋流壳体3为实心结构，其表面进行了防腐和疏油疏水处理，以加快排液。

具体实施时，所述排气管的管径、长度等参数需要根据整个设备筒体的内径来选择最优参数，以更好地调节气流速度，实现快速消泡的同时提高气液分离效率。

如图6所示，所述消泡网10为5～15层丝网结构，不同孔径大小的丝网固定在一起，以使气流分布均匀的同时还可利用小孔的挤压作用所产生的大压差和其超疏水表面实现消泡，另外该结构对小液滴还有一定的聚结能力。在一个实施例中，孔径从下到上呈梯度布置(即孔径依次增大)的丝网结构阻力小，其内部不容易发生堵塞；丝网表面做超疏水处理，可加快泡沫表面液膜排液速度从而使其快速破裂，液体经导液管102排出。

如图7和图8所示，所述波纹板11由多个间隔分布且并行排列的波纹叶片110、排液腔12和固定外壳14组成。排液腔12设置在波纹板11的下方。相邻的波纹叶片110形成气流通道111，通过消泡网10的气体经过气流通道111，利用惯性冲击和表面的超疏水涂层进行深度消泡。波纹叶片110拦截下来的液滴会在其表面形成一层薄液膜，在重力的作用下向下流入排液腔12。

在一个实施例中，如图8所示，所述波纹叶片110的后部设置有疏水钩113，以加快排液，从而有效减少液滴的二次夹带；同时每个叶片表面通过改性处理制备成超疏水表面，当气泡与叶片表面发生碰撞时，其表面涂层的疏水固体颗粒会吸引表面活性剂的疏水端而使其产生亲水性并进入水相，从而达到消泡的作用。其中，波纹板的形状可以为三角形、梯形以及弧线型等形状，其材质也不局限于不锈钢、玻璃钢、聚丙烯等常用材料。

气液分离装置的工作流程如下：高压天然气首先从采气管1经切向入口管路2进入旋流内筒4，气流在旋转叶片组件5的导流作用下形成向下的高速旋转流，在旋流内筒4内部形成一个离心场。由于气液两相存在较大的密度差，其所受离心力大小不同，所以较重的液相会被甩向旋流内筒4的内侧壁面，而轻相的气体则会不断向筒体中心运动并形成气核。

离心场的存在使得泡沫内外受力不均，其表面的液膜所受离心力较大而促使排液速率加快，局部表面液膜变薄，而泡沫内部的气泡由于内外压差越来越大，气体不断透过液膜向外扩散，使泡沫的稳定性遭到严重破坏，因此可达到消泡的目的。

另外，旋流内筒4表面的开孔结构可通过惯性撞击来实现进一步消泡，同时还可拦截部分小泡沫以及表面活性物质等固体杂质，可有效遏制“二次起泡”现象。

然后，从排气管7出来的气体先经过消泡网10，一方面可使气流分布较为均匀，另一方面利用多层消泡网可进行二次消泡，同时消泡网对小液滴还有一定的聚结作用。

最后，气流进入波纹板11，利用惯性冲击和表面的超疏水涂层进行深度消泡，同时还可分离掉气体中夹带的大液滴，拦截下来的液滴会在其叶片表面形成一层薄液膜，在重力的作用下向下流入排液腔12。而细小的液滴杂质则随气体通过出口管路13进入下游的聚结过滤器进行除液。本申请推荐适合用于泡沫排水采气工艺中的消泡作业和气液预分离过程，利用多种消泡方法以加快泡沫表面液膜的排液速度从而破坏其稳定性，促使泡沫快速破灭的同时进行气液预分离过程，实现气液两相的有效分离，进而可有效遏止“二次起泡”现象。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

虽然本申请提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本申请中应用了具体实施例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (12)

1.一种用于气体消泡的气液分离装置，其特征在于，包括：旋流壳体(3)、设置在所述旋流壳体(3)内的离心消泡部件和二次化学消泡部件；

所述离心消泡部件置于所述旋流壳体(3)的下部，包括旋流内筒(4)、设置在所述旋流内筒(4)内的旋转叶片组件(5)和排气管(7)，所述旋转叶片组件(5)套设于所述排气管(7)的外侧；

所述二次化学消泡部件置于所述旋流壳体(3)的上部，包括置于装置内旋流内筒(4)上方的消泡网(10)及设置于消泡网(10)上方的波纹板(11)。

2.根据权利要求1所述的气液分离装置，其特征在于，所述离心部件还包括：水平向下倾斜设置的切向入口管路(2)，用于向所述旋流内筒(4)通入天然气。

3.根据权利要求2所述的气液分离装置，其特征在于，所述切向入口管路(2)的倾斜角度范围为10～60度。

4.根据权利要求1所述的气液分离装置，其特征在于，所述旋流内筒(4)的侧壁开设多个孔，所述多个孔的方向为水平或斜向下。

5.根据权利要求1所述的气液分离装置，其特征在于，所述旋流壳体(3)分为上下两部分，通过一分离隔板(15)隔开。

6.根据权利要求4所述的气液分离装置，其特征在于，在距离所述旋流内筒(4)内侧壁面20～50mm处沿周向均匀布置多个雾化喷嘴，所述雾化喷嘴与所述分离隔板(15)的下表面接触。

7.根据权利要求1所述的气液分离装置，其特征在于，所述消泡网(10)为多层丝网或者多孔泡沫结构，每层丝网或多孔泡沫的孔径从下到上依次增大，多层丝网和多孔泡沫的表面为超疏水表面。

8.根据权利要求1所述的气液分离装置，其特征在于，所述波纹板(11)包括：多个间隔分布的波纹叶片(110)、固定外壳(14)及设置在所述波纹板(11)下方的排液腔(12)。

9.根据权利要求8所述的气液分离装置，其特征在于，所述波纹叶片(110)的后部设置有疏水钩(113)。

10.根据权利要求1所述的气液分离装置，其特征在于，所述波纹板(11)的每个所述波纹叶片(110)的表面为通过改性处理而成的超疏水表面。

11.根据权利要求1所述的气液分离装置，其特征在于，旋转叶片组件(5)包括：轴套(52)及均匀固定设置在所述轴套(52)上的多个旋转叶片(51)。

12.根据权利要求11所述的气液分离装置，其特征在于，所述旋转叶片(51)与所述排气管(7)的外侧轮毂的夹角为30～90度。