CN110743253B - 一种管道式高流速气液分离装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道式高流速气液分离装置和方法，气液两相流体在主路管流经旋流装置后，液相受到离心力作用在管壁形成均匀厚度的旋流液膜，气芯在管道中心流动；当旋流液膜流经管壁上的切向窄流道时，由于切向窄流道布置方向和液膜运动的方向一致，阻力极小，大部分的旋流液膜通过自身的动能和惯性从切向窄流道中流出，在管道内即可完成气液分离；同时，在分离液膜的过程中，管壁切向窄流道对气芯的流动几乎没有任何影响；本发明管壁切向窄流道对液膜流动的阻力小，并对气芯的流动影响很小，降低了因为高气速造成气路的液相夹带，可以很好地提高分离器的入口气速范围，尤其适合入口高流速的情况，整个气液分离在管道内便可完成，缩小了分离器的体积。

Description

一种管道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，具体涉及一种管道式高流速气液分离装置和方法。

背景技术

气液两相流分离技术在电力、石油、化工、核工程等领域有着广泛的应用。传统的气液分离器主要是依靠重力和离心力来分离，比如工业中应用最广泛的旋风分离器，气液两相流体通过切向入口进入旋风分离器，流体在分离器内形成旋流流动。在重力和离心力的作用下，液相被推向壁面并向下流动，从底部液体出口排出；气相则集中在中心，从顶部气体出口排出。为防止液膜被上升的高速气流撕裂而引起严重的夹带，分离器的轴向上升气流速度在设计守则中都有明显限制，通常而言，高压时小于0.4米/秒，低压时小于1.1米/秒，所以旋风筒的直径是入口管径的好几倍。因此，传统的气液分离器往往体积大、重量大、造价高。近年来，为了降低成本，出现了很多紧凑型气液分离器，如GLCC和旋叶汽水分离器等。但是高速上升气流仍然容易夹带液相进入GLCC的气路出口，入口气速的运行范围十分有限，通常来说小于9.2m/s。Wang et al.(2003)(文献Wang S.,Gomez L.E.,Mohan R.S.,et al.Gas-Liquid Cylindrical Cyclone(GLCC)Compact Separators for Wet GasApplications[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，通过旋流作用来分离气路出口中的液相夹带，入口气相折算速度提高到了18m/s。旋叶汽水分离器通过在旋流叶片下游安装的中心管来分离液膜，液膜通过中心管外壁和分离筒内壁之间的环形空间排出，气芯从中心管流入下游。但在气芯和液膜分离过程中，气芯流入中心管时会发生突然的收缩，流速增加，很容易夹带液相进入气路，一般来说，在常温常压下，入口气相折算速度小于24m/s。

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。

美国专利US4909067和US4856461提出了一种气液分离装置，主要由一个圆柱壳与其内部包裹着与圆柱壳同轴的中心管构成，在中心管内部同轴安装有螺旋扰流子，中心管管壁上开有小孔。当气液两相流体流经螺旋扰流子时，流体产生旋转，液滴受到离心力的作用向管壁运动并穿过管壁上的小孔落到圆柱壳内的液体收集箱内，完成气液分离。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。与此同理类似还有美国专利US7381235，提出了一种管壁带槽的旋流分离器，在管道内安装有旋流装置，在旋流叶片的下游管壁上开有几个竖直的槽(或者一个螺旋的槽)，均匀布置在管壁圆周方向。

通过对上述分析可以发现，利用离心方法可以使得两相流中的液相在管壁形成旋流液膜，但由于液膜和气芯之间仍然存在强烈的耦合作用(在气液界面上尤为突出)，所以很难直接单独地把液膜分离出来。对旋叶汽水分离器来说，在分离过程中将会对气芯的流动引入明显的干扰。美国专利US4909067，US4856461，US7381235中管壁上设置的孔或者槽都是垂直于管壁的，即沿管道的径向方向，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，但旋转的液相在离开管壁后，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，同时，由于管壁存在一定厚度，液膜在经径向孔或者槽流出管道时，非常容易撞击到孔壁，导致液滴无法顺利流出。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种管道式高流速气液分离装置和方法，气液两相流体在主路管流经旋流装置后，气液两相流体中的液相受到离心力作用在管壁形成均匀厚度的旋流液膜，气芯在管道中心流动。针对管壁旋流液膜的流动特点，在管壁上布置切向窄流道的方向和旋流液膜运动方向一致，使得旋流液膜流出的阻力极小，几乎所有的液膜都可以直接进入切向窄流道，并依靠自身的动能和惯性从管道中完全排出。由于是在管壁侧面去除液膜，所以在分离过程中对管道中心流动的气芯几乎不产生任何影响。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种管道式高流速气液分离装置，包括主路管1，主路管1中部外包覆有液相收集管4，在主路管1内同轴安装有旋流装置2，在旋流装置2下游位于液相收集管4内的主路管1的管壁上布置有至少一个切向窄流道3；所述液相收集管4的下部或者底部与液相排出管5相连通，液相收集管4除了通过切向窄通道3和主路管1相连通及连接液相排出管5的出口外，液相收集管4形成一个密闭的空间。

所述切向窄流道3在主路管1任意横截面上始终和主路管1内管壁相切，且布置方向和液膜流经旋流装置2后的旋转方向保持一致。

所述切向窄流道3的在管壁圆周方向上均匀或者不均匀分布在主路管1的管壁上。

所述切向窄流道3在管壁可以竖直即沿流体流动方向布置，也可以在管壁按照螺旋线布置。

所述液相排出管5上设有调节阀门6。

所述的管道式高流速气液分离装置的气液分离方法，气液两相流体在主路管1中流经旋流装置2后，气液两相流体在主路管1管内通过旋流装置2产生旋流，液相受到离心力的作用向主路管1管壁运动并形成均匀厚度的旋流液膜紧贴管壁流动，气体被迫向主路管1管道中心运动，形成气芯；当旋流液膜和气芯流经主路管1管壁的切向窄流道3时，由于切向窄流道3的布置方向和液膜运动方向一致，液膜流出阻力极小，几乎所有的液膜都可以直接进入切向窄流道3，并依靠自身的动能和惯性通过切向窄流道3进入液相收集管4，液相在重力和离心力的作用下从液相收集管4底部的液相排出管5排出，在液相排出管5上安装有调节阀门6，用来控制液相收集管4的液位高度；气体和管内残留的液体从主路管1的出口排出；至此，气液分离过程完成。

本发明与国内外现有技术相比具有以下特点：

(1)管壁切向窄流道布置方向和液膜的运动方向一致，使得其对液膜的流动的阻力很小，几乎所有的液膜都可以通过自身的动能和惯性流出切向窄流道。

(2)由于切向窄流道是从管道圆周外侧分离旋流液膜，在分离旋流液膜的过程中，对主路管中心气芯的流动引入的扰动非常小，气芯的流动几乎不受任何影响，可以有效提高分离装置的气速和液速的运行范围，避免了传统分离器中因上升气速过高引起的气路出口夹带液滴的现象。

(3)整个分离过程在管道内就可以完成，结构紧凑，分离器整体和普通管道类似小，体积小巧，无任何运动部件，维护方便，可以广泛应用于石油化工，天然气等领域。

附图说明

图1是本发明的剖视结构示意图。

图2是本发明实施例1切向窄通道结构示意图，其中：图2(a)为切向窄流道在主路管管壁上竖直布置示意图，图2(b)、图2(c)和图2(d)分别为图2(a)沿A-A向且切向窄流道在主路管圆周分布数量为两个、三个和五个的剖视图。

图3是本发明实施例2切向窄通道结构示意图，其中：图3(a)为切向窄流道在主路管管壁上按照螺旋线布置示意图，图3(b)为图3(a)沿B-B向的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做出进一步详细说明。

实施例1

参见图1，本发明的一种管道式高流速气液分离装置，包括主路管1，主路管1中部外包覆有液相收集管4，在主路管1内位于液相收集管4上方同轴安装有旋流装置2，在旋流装置2下游位于液相收集管4内的主路管1的管壁上布置有至少一个切向窄流道3；所述液相收集管4的下部或者底部与液相排出管5相连通，液相收集管4除了通过切向窄通道3和主路管1相连通及连接液相排出管5的出口外，液相收集管4形成一个密闭的空间。所述切向窄流道3在主路管1任意横截面上始终和主路管1内管壁相切，且布置方向和液膜流经旋流装置2后的旋转方向保持一致。所述液相排出管5上设有调节阀门6。

如图2所述，切向窄流道3在主路管1管壁上竖直布置，且沿圆周均匀分布。切向窄流道3在主路管1圆周分布数量至少为一个，本实例中分布数量分别以两个、三个和五个为举例，相对应的横截面剖视图分别如图2(b)、图2(c)和图2(d)所示，在管道任意横截面，切向窄流道3始终和主路管1内管壁相切，且布置方向和液膜流经旋流装置2后的旋转方向保持一致。

气液两相流体在主路管1中流经旋流装置2后，气液两相流体在主路管1管内通过旋流装置2产生旋流，液相受到离心力的作用向主路管1管壁运动并形成均匀厚度的旋流液膜紧贴管壁流动，气体被迫向主路管1管道中心运动，形成气芯。当旋流液膜和气芯流经主路管1管壁的切向窄流道3时，由于旋流液膜离开管壁时受惯性作用将沿着切向方向继续流动，且切向窄流道3的布置方向和液膜运动方向一致，液膜流动阻力极小，所以大部分旋流液膜依靠自身的动能通过切向窄流道3进入液相收集管4，液相在重力和离心力的作用下从液相收集管4底部的液相排出管5排出，在液相排出管5上安装有调节阀门6，用来控制液相收集管4的液位高度。气体和管内残留的液体从主路管1的出口排出。至此，气液分离过程完成。

实施例2

图3显示的是实施例2中的切向窄流道3的结构示意图，如图3(a)所示，有一个切向窄流道3布置在主路管1的管壁上，切向窄通道3在管壁成螺旋线方向布置。任意主路管1的横截面上切向窄流道3和主路管1的内管壁相切，且布置方向和旋流液膜的旋转方向保持一致，如图3(b)中横截面剖视图所示。实施例2的管道式高流速气液两相流体分离装置中的其它结构与实施例1完全相同。

Claims (5)

1.一种管道式高流速气液分离装置，其特征在于：包括主路管(1)，主路管(1)中部外包覆有液相收集管(4)，在主路管(1)内同轴安装有旋流装置(2)，在旋流装置(2)下游位于液相收集管(4)内的主路管(1)的管壁上布置有至少一个切向窄流道(3)；所述液相收集管(4)的下部或者底部与液相排出管(5)相连通，液相收集管(4)除了通过切向窄通道(3)和主路管(1)相连通及连接液相排出管(5)的出口外，液相收集管(4)形成一个密闭的空间；

所述切向窄流道(3)在主路管(1)任意横截面上始终和主路管(1)内管壁相切，且布置方向和液膜流经旋流装置(2)后的旋转方向保持一致。

2.根据权利要求1所述的管道式高流速气液分离装置，其特征在于：所述切向窄流道(3)的在管壁圆周方向上均匀或者不均匀分布在主路管(1)的管壁上。

3.根据权利要求1所述的管道式高流速气液分离装置，其特征在于：所述切向窄流道(3)在主路管(1)管壁竖直即沿流体流动方向布置，或在主路管(1)管壁按照螺旋线布置。

4.根据权利要求1所述的管道式高流速气液分离装置，其特征在于：所述液相排出管(5)上设有调节阀门(6)。

5.权利要求1至4任一项所述的管道式高流速气液分离装置的气液分离方法，其特征在于：气液两相流体在主路管(1)中流经旋流装置(2)后，气液两相流体在主路管(1)管内通过旋流装置(2)产生旋流，液相受到离心力的作用向主路管(1)管壁运动并形成均匀厚度的旋流液膜紧贴管壁流动，气体被迫向主路管(1)管道中心运动，形成气芯；当旋流液膜和气芯流经主路管(1)管壁的切向窄流道(3)时，由于切向窄流道(3)的布置方向和液膜运动方向一致，液膜流出阻力极小，几乎所有的液膜都直接进入切向窄流道(3)，并依靠自身的动能和惯性通过切向窄流道(3)进入液相收集管(4)，液相在重力和离心力的作用下从液相收集管(4)底部的液相排出管(5)排出，在液相排出管(5)上安装有调节阀门(6)，用来控制液相收集管(4)的液位高度；气体和管内残留的液体从主路管(1)的出口排出；至此，气液分离过程完成。

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