CN110732188A - 一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置和方法，该装置主要由主路管道、旋流装置、环形窗口、液体收集管和倾斜排液管组成；先通过采用管内相分隔技术把气液两相流体分隔为均匀的旋流液膜和气芯，当旋流液膜和气芯流经环形窗口的时候，流体分为两路流动：一路为大部分的气芯，仍然在主路管内流动并直接旁路至气路出口；另一路为旋流液膜和一小部分气体，经环状窗口的上半部分进入液体收集管，这一小部分气体在液体收集管中依靠离心力和重力与液膜分离后再通过环形窗口的下半部分返回主路管并从分离器气相出口流出；由于本分离装置把大部分气体都旁路了，只需要分离两相流来流中的一部分，结构更紧凑，体积大大减小，成本降低，相比传统分离器阻力更小。

Description

一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置和方法
技术领域
本发明涉及气液两相流体分离技术领域，具体涉及一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置和方法。
背景技术
气液两相流体分离技术广泛应用于石油化工、能源动力和天然气等领域中。传统气液分离器主要利用重力和离心力来分离液相，例如应用最为广泛的旋风分离器。但为了防止分离器中上升气流速度过高引起的液膜撕裂和气相出口的液相夹带，对分离筒体内上升气流速度都有明确的限制，根据设计经验，上升气速的范围一般为0.1m/s～4.0m/s，所以分离器筒体的直径是入口直径的好几倍，导致传统分离器大都属于压力容器式，体积大、笨重、造价贵，同时维护很不方便。为了降低成本，近年来出现了很多紧凑型气液分离器。
管柱式旋流分离器(GLCC)是由塔尔萨大学提出的一种紧凑型分离器，它是一种带有倾斜切向入口及气体、液体出口的垂直管，依靠旋流离心力实现气、液分离。上升气速过高会引起气路出口严重的液滴夹带，所以在常规GCLL中，通常入口气相折算速度小于9.2m/s。Wang et al.(2003)(文献Wang S.,Gomez L.E.,Mohan R.S.,et al.Gas-LiquidCylindrical Cyclone
Figure BDA0002241119520000011
Compact Separators for Wet Gas Applications[J].Journal of Energy Resources Technology,2003,125(1).)提出了一种改进型的GLCC，通过在GLCC上部加装AFE，利用旋流作用来分离气路出口中的液相夹带，入口气相折算流速提高到18m/s。
旋叶气液分离器被广泛应用在核电站中来提高蒸汽发生器出口蒸汽干度，采用轴流式叶片使得流体在分离器内产生旋转运动。在离心力的作用下，气液两相流体来流形成液膜和气芯流动，流经安装在叶片下游的孔板时，液膜通过下降管排出，气芯通过孔板流出。但在气芯和液膜分离的过程中，气芯在孔板处会发生一个突然的收缩和加速，极易夹带液相进入气路出口，所以对入口流速也有限制，常温常压下入口气相折算速度一般小于24m/s。与此类似的包括直流锅中使用的俄罗斯MOЦKTИ型分离器，与旋叶气水分离器不同的是蒸汽和水流动的方向是一致的，共同向下流动，但也是依靠离心力产生液膜后，通过在分离筒内同轴安装内径稍小的内筒，液膜从内筒外壁和外筒内壁之间的环形空间排出，气芯进入内筒流至下游出口。在液膜和气芯分离的过程中仍然存在气芯流入内筒发生收缩流动，流速过高容易夹带液滴的现象。另外，气液两相流体仍然在分离筒中进行分离，分离筒的直径是入口管径的好几倍，分离器体积很大，属于一种常规分离器。
美国专利US3884660和US4180391提出了一种管式气液分离器。一个沉降室内包含着一个主路管道，在主路管内安装有一个旋流装置，该主路管在旋流装置的下游设置有一个或两个环形喷射口。气液两相流体流经旋流装置后，由于一部分液相没有足够的动能克服环形喷口的阻力，为了让全部液膜通过环形喷射口排出，所以一部分气体不得不同液膜一起通过环形喷射口喷射到沉降室中，最后在沉降室中依靠重力分离。然而，这使得它仍然是一个容器式分离器，体积很大。
另一种分离气液两相流体的方法是在管壁上开孔或者槽。美国专利US4856461、US4909067和US7381235都是利用这一方法。美国专利US4856461和US4909067提出了一种气液两相流体分离装置。气液两相流体流经安装在管内的同轴螺旋纽带产生旋流运动。在离心力的作用下，液滴通过管壁上的孔分离出管路，落在液体收集器中。但是，当气流速度超过4.9m/s时，液滴无法被完全去除。温以千(2009)(文献：温以千.多孔管气液分离器实验研究[D].西安：西安交通大学，2009)在此基础提出了一种改进型气液分离器，把直管段换成了管壁带孔的锥形管，同时在锥形管的入口中心安装一个旋流装置，实验结果表明，气相折算流速度可以达到30m/s。美国专利US7381235与此类似，是在管壁上开槽，通过结合离心力的方法分离液相。这些方法都是试图通过在径向方向(即离心力的方向)分离液相，但液相在离开管壁后由于惯性的作用，将继续沿着离开壁面时的切向方向运动，因此，该方法使得液相通过管壁径向的孔或者槽的阻力大大增加，不利于液相分离。
综上所述，通过离心方法使得气液两相流形成液膜和气芯并不难，但一起流动的液膜和气芯之间仍然存在着强烈的耦合，所以最后一步分离气芯和液膜都是在低流速的情况下进行的，因此分离器的体积较大，造价昂贵。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提出了一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置和方法。
本发明中的“相”是指多相流体中物理性质相同的各部分，如气相，液相、油相、水相等。其中气相和液相既可以是单组分物质，也可以是多组分物质的均匀混合物，如空气，原油等。管内相分隔是指把各相分别汇聚隔离到管道内一个特定的区域流动，各相之间有明显清晰的相界面。本发明方法先通过管内相分隔技术，将气液两相流体转变为特殊的环状流型，即管壁附近形成均匀厚度的液膜，气芯在管道中心流动，气芯中间几乎没有小液滴。当液膜和气芯流经环形窗口时分为两路流动：一路为大部分气芯，仍然在管道中流动并直接旁路至出口；另一路为旋流液膜和一小部分气体，经环形窗口的上部进入液体收集管，这一小部分气体在液体收集管内受到离心力和重力的作用与液相分离后再通过环形窗口的下部返回主路管并从分离器出口流出，液相通过液体收集管底部排出。由于大部分的气芯被直接旁路了，液体收集管只需要分离来流中的一小部分流体，大大减小了分离器的体积，降低了成本，相比传统分离器阻力更小，可以广泛应用于石油化工，海上平台，天然气管道去除积液，气液两相流体在线测量等领域。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置，包括相分隔的上游主路管道1和下游主路管道8，上游主路管道1和下游主路管道8通过外面包裹的液体收集管4相固结并连通，在上游主路管道1内位于液体收集管4上方安装有旋流装置2，上游主路管道1和下游主路管道8的分隔段在液体收集管4内形成一个环形窗口3；上游主路管道1和液相收集管4之间通过液膜导向椎管7相连接；所述液体收集管4的下部或者底部与向下倾斜排液管5相连通，液体收集管4除了与上游主路管道1相连接的环形窗口3和向下倾斜排液管5的出口外，液体收集管4形成一个密闭的空间；向下倾斜排液管5的下游安装有调节阀门6。
所述上游主路管道1和下游主路管道8在液相收集管4内形成的环形窗口3的长度通过机械结构调节，环形窗口3的长度是上游主路管道1直径的0.1倍～4倍。
所述上游主路管道1和液相收集管4的连接处液膜导向椎管7为一圆锥管，其入口直径等于上游主路管道1，出口直径大于入口直径，内壁与上游主路管道1轴线的夹角为0°～60°。
所述下游主路管道8入口没有外倒角或有外倒角。
所述下游主路管道8位于液相收集管4内的部分设置有一段紧密连接的外套管9或者内套管10，外套管9或者内套管10能够自由调节超出下主路管道8的高度；或者下游主路管道8在液相收集管4内的部分没有任何套管。
所述液相收集管4由一个单独的整体构成；或者液相收集管由液相收集上管12和液相收集下管11通过套接在液相收集上管12和液相收集下管11外部的连接套管13相连接构成，连接套管13的安装位置完全包覆环形窗口3或者包覆一部分环形窗口3，通过连接套管13调节环形窗口3的长度。
所述上游主路管道1和下游主路管道8及液体收集管4、旋流装置2、液膜导向椎管7、液相收集上管12、液相收集下管11、大套管13均为同轴布置。
所述向下倾斜排液管5的轴线与液相收集管4轴线的夹角为小于50°。
所述的一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置的两相流体分离方法：当高速气液两相流体在上游主路管道1内流经旋流装置2后，在离心力的作用下，气液两相流体在上游主路管道1内被分隔为紧贴管壁的均匀的旋流液膜和在管道中心流动的气芯；当旋流液膜和气芯在上游主路管道1内流经下游的环形窗口3时，分为两路流动：一路为大部分的气芯，仍然在上游主路管道1中流动并被直接旁路至气路出口即下游主路管道8出口；另一路为旋流液膜和一小部分气体，经环形窗口3的上部进入液体收集管4，这一小部分气体在液体收集管4内经重力和离心力的作用下分离后再经过环形窗口3的下部返回至下游主路管道8并从气相出口排出，液相经液体收集管4下部或者底部的向下倾斜排液管5排出。
和现有技术相比，本发明具有以下特点：
(1)大部分的来流气体被直接旁路至气路出口，分离器只需要分离来流的一部分，大大缩小的了分离器的体积，结构更加紧凑，成本较低。
(2)分离器体积小，可以根据来流流量和分离需要通过调节环形窗口的长度来调节分离效率，维护简单方便，使用相分隔技术可以广泛适用于多种流型。
(3)分离器只需要分离来流的一部分，分离器的阻力也相应减小了，提高了经济性。
附图说明
图1是本发明的管内相分隔分流式高流速气液两相流体分离装置的结构示意图。
图2是本发明下游主路管道的另一种结构示意图；其中图2(a)为下游主路管道连接外套管的示意图，图2(b)为下游主路管道连接内套管的示意图。
图3是液体收集管另一种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细的说明。
实例1
如图1所示，一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置，主要由上游主路管道1、下游主路管道8、液相收集管4、旋流装置2、环形窗口3组成。具体连接方式如下：上游主路管道1下游主路管道8通过外面包裹的液体收集管4相固结并连通，在上游主路管道1内位于液体收集管4上方安装有旋流装置2，上游主路管道1和下游主路管道8在液体收集管4内形成一个环形窗口3；上游主路管道1和液相收集管4之间通过液膜导向椎管7相连接；所述液体收集管4的下部或者底部与向下倾斜排液管5相连通，液体收集管4除了与上游主路管1相连接的环形窗口3和向下倾斜排液管5的出口外，液体收集管4形成一个密闭的空间；向下倾斜排液管5的下游安装有调节阀门6。
上游主路管道1和下游主路管道8在液相收集管4内形成的环形窗口3的长度可以通过机械结构调节，环形窗口3的长度一般是主路管1直径的0.1倍～4倍。
上游主路管道1和液相收集管4的连接处液膜导向椎管7为一圆锥管，其入口直径等于上游主路管道1，出口直径大于入口直径，内壁与轴线的夹角为0°～60°。
下游主路管道8入口可以没有外倒角，也可以有外倒角。
如图2所示，为下游主路管道8在液相收集管4内的部分另一种结构图。在下游主路管道8外设置有一段紧密连接的外套管9，如图2(a)所示，或者在下游主路管道8内是指有紧密连接的内套管10，如图2(b)所示，外套管9或者内套管10都可以自由调节超出下游主路管道8的入口的高度从而来调节环形窗口3的长度。
向下倾斜排液管5的轴线与液相收集管4的轴线的夹角为小于50°。向下倾斜排液管5可以更好的防止气体进入液体出口。
实例2
如图3所示，下游主路管道8没有设置套管。液相收集管由液相收集上管12、液相收集下管11和连接套管13组成，液相收集上管12和下管11通过套接在液相收集上管12和液相收集下管11外部的连接套管13连接，连接套管13通过机械装置结构(如齿轮传动或者螺纹连接)可以调节液相收集管的长度，从而达到调节环形窗口3长度的目的。实例2中管内相分隔分流式高速气液分离装置的其他结构和实例1中完全相同。
所述主路管道1和8及液体收集管4、旋流装置2、液膜导向椎管7、液相收集上管12、液相收集下管11、大套管13都为同轴布置。
本发明管内相分隔分流式高流速气液两相流体分离方法：当高速气液两相流体在上游主路管道1内流经旋流装置2后，在离心力的作用下，气液两相流体在上游主路管道1内被分隔为紧贴管壁的均匀的旋流液膜和在管道中心流动的气芯。当旋流液膜和气芯流经上游主路管道1下游的环形窗口3时，流体分为两路流动：一路为大部分的气芯，仍然在上游主路管道1中流动并被直接旁路至气路出口；另一路为旋流液膜和一小部分气体，经环形窗口3的上部分进入液体收集管，这一小部分气体在液体收集管4内经重力和离心力的作用下分离后再经过环形窗口3的下部返回至下游主路管道8并从气路出口排出，液相经液体收集管4下部或者底部的向下倾斜排液管5排出。其中，环形窗口3的长度是可以调节的。在流经环形窗口3时，第二路分支，即进入液体收集管4的气体和液相的流量随着环形窗口3的长度的增加而增加。但环形窗口3长度过小时，进入液体收集管4内的气体过早返回上游主路管道1极易造成在液相收集管4内未被分离液体的二次夹带；环形窗口3长度过大时，将会造成流动阻力增加，针对不同的入口流量和实际需要的分离效率，可以调节选择合适的环形窗口3长度。

Claims (9)

1.一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置，其特征在于：包括相分隔的上游主路管道(1)和下游主路管道(8)，上游主路管道(1)和下游主路管道(8)通过外面包裹的液体收集管(4)相固结并连通，在上游主路管道(1)内位于液体收集管(4)上方安装有旋流装置(2)，上游主路管道(1)和下游主路管道(8)的分隔段在液体收集管(4)内形成一个环形窗口(3)；上游主路管道(1)和液相收集管(4)之间通过液膜导向椎管(7)相连接；所述液体收集管(4)的下部或者底部与向下倾斜排液管(5)相连通，液体收集管(4)除了与上游主路管道(1)相连接的环形窗口(3)和向下倾斜排液管(5)的出口外，液体收集管(4)形成一个密闭的空间；向下倾斜排液管(5)的下游安装有调节阀门(6)。
2.根据权利要求1所述的一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置，其特征在于：所述上游主路管道(1)和下游主路管道(8)在液相收集管(4)内形成的环形窗口(3)的长度通过机械结构调节，环形窗口(3)的长度是上游主路管道(1)直径的0.1倍～4倍。
3.根据权利要求1所述的一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置，其特征在于：所述上游主路管道(1)和液相收集管(4)的连接处液膜导向椎管(7)为一圆锥管，其入口直径等于上游主路管道(1)，出口直径大于入口直径，内壁与上游主路管道(1)轴线的夹角为0°～60°。
4.根据权利要求1所述的一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置，其特征在于：所述下游主路管道(8)入口没有外倒角或有外倒角。
5.根据权利要求1所述的一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置，其特征在于：所述下游主路管道(8)位于液相收集管(4)内的部分设置有一段紧密连接的外套管(9)或者内套管(10)，外套管(9)或者内套管(10)能够自由调节超出下主路管道(8)的高度；或者下游主路管道(8)在液相收集管(4)内的部分没有任何套管。
6.根据权利要求1所述的一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置，其特征在于：所述液相收集管(4)由一个单独的整体构成；或者液相收集管由液相收集上管(12)和液相收集下管(11)通过套接在液相收集上管(12)和液相收集下管(11)外部的连接套管(13)相连接构成，连接套管(13)的安装位置完全包覆环形窗口(3)或者包覆一部分环形窗口(3)，通过连接套管(13)调节环形窗口(3)的长度。
7.根据权利要求1所述的一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置，其特征在于：所述上游主路管道(1)和下游主路管道(8)及液体收集管(4)、旋流装置(2)、液膜导向椎管(7)、液相收集上管(12)、液相收集下管(11)、大套管(13)均为同轴布置。
8.根据权利要求1所述的一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置，其特征在于：所述向下倾斜排液管(5)的轴线与液相收集管(4)轴线的夹角为小于50°。
9.权利要求1至8任一项所述的一种管内相分隔分流式高流速气液分离装置的两相流体分离方法，其特征在于：当高速气液两相流体在上游主路管道(1)内流经旋流装置(2)后，在离心力的作用下，气液两相流体在上游主路管道(1)内被分隔为紧贴管壁的均匀的旋流液膜和在管道中心流动的气芯；当旋流液膜和气芯在上游主路管道(1)内流经下游的环形窗口(3)时，分为两路流动：一路为大部分的气芯，仍然在上游主路管道(1)中流动并被直接旁路至气路出口即下游主路管道(8)出口；另一路为旋流液膜和一小部分气体，经环形窗口(3)的上部进入液体收集管(4)，这一小部分气体在液体收集管(4)内经重力和离心力的作用下分离后再经过环形窗口(3)的下部返回至下游主路管道(8)并从气相出口排出，液相经液体收集管(4)下部或者底部的向下倾斜排液管(5)排出。
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