CN110787492A - 能源高效利用的惯性分离装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种能源高效利用的惯性分离装置，包括筒体和安装在所述筒体内的导流器，所述筒体具有与所述筒体内部连通的混合介质入口、出液端和气体输出通道，所述混合介质入口用于将气液固混合介质导入所述筒体内并经所述导流器进行分离，所述气体输出通道用于输出分离后的气体，所述出液端用于输出分离后的液体和固体颗粒物，所述惯性分离装置包括电机组件，所述电机组件包括转轴和驱动连接至所述转轴的电机，所述电机安装在所述导流器内，所述导流器构造成能够利用从所述混合介质入口导入的气液固混合介质的能量驱动所述转轴转动，进而驱动所述电机运转。

Description

能源高效利用的惯性分离装置

技术领域

本发明涉及一种气液固分离装置，特别涉及一种能源高效利用的惯性分离装置。

背景技术

现有的惯性分离器主要是通过两相(三相)流体的旋流产生的离心力来分离气液固流体，不同相的介质通过相应的出口排出，这样的惯性分离器往往需要多级分离才能达到比较高的分离效率，增加了惯性分离器的制造成本。而且通过惯性分离器的流体往往具有较大能量(动能或压能)，这部分能量通常直接被处理，造成了能量的浪费。

在实际应用过程中，惯性分离器的导流器通常为静叶，分离效率较低，可能达不到预定分离目标。且高速或高压流体直接排出，降低了能源利用率。因此，提高惯性分离器效率以及高效利用混合介质的能量很有必要。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种能源高效利用的惯性分离装置。

本申请提供一种能源高效利用的惯性分离装置，包括筒体和安装在所述筒体内的导流器，所述筒体具有与所述筒体内部连通的混合介质入口、出液端和气体输出通道，所述混合介质入口用于将气液固混合介质导入所述筒体内并经所述导流器进行分离，所述气体输出通道用于输出分离后的气体，所述出液端用于输出分离后的液体和固体颗粒物，所述惯性分离装置包括电机组件，所述电机组件包括转轴和驱动连接至所述转轴的电机，所述电机安装在所述导流器内，所述导流器构造成能够利用从所述混合介质入口导入的气液固混合介质的能量驱动所述转轴转动，进而驱动所述电机运转。

在一实施例中，所述惯性分离装置沿垂直方向放置，所述筒体包括沿垂直方向排布的进口部和集液部，所述导流器安装在所述进口部与所述集液部之间。

在一实施例中，所述导流器包括沿垂直方向排布的导流锥、安装筒和导向环，所述导流锥的横截面积沿流体流动方向逐渐增大，所述导向环的横截面积沿流体流动方向逐渐增大，所述电机安装在所述安装筒内，所述转轴连接在所述电机底部，所述导向环与所述转轴连接，且所述导向环与所述安装筒之间具有一间隙，所述安装筒的外侧壁上设置有若干导叶，所述导向环的外侧壁上设有若干动叶，且所述导叶的导向方向朝向所述动叶，使得气液固混合介质被所述导叶导向所述动叶并驱动所述动叶转动，所述动叶转动带动所述导向环转动，所述导向环转动带动所述转轴转动，进而驱动所述电机运转。

在一实施例中，所述进口部与所述集液部之间利用法兰连接固定，所述若干导叶安装在所述安装筒的底部，所述动叶安装在所述导向环的顶部，且所述若干导叶和若干动叶位于所述进口部与所述集液部的连接处，所述导流锥和安装筒位于所述进口部内，所述导向环位于所述集液部内。

在一实施例中，所述导向环包括基体部及自所述基体部的底部边缘朝向一侧延伸的环形部，所述转轴穿设于所述基体部，所述若干动叶安装在所述基体部的侧壁上。

在一实施例中，所述混合介质入口位于所述进口部的顶端端部，所述进口部为圆柱形，包括沿垂直方向排布的进口部第一部分和进口部第二部分，所述进口部第一部分与所述进口部第二部分之间利用法兰连接固定。

在一实施例中，所述集液部内形成集液腔，所述出液端设置在所述集液部的底部，所述气体输出通道一端连通至所述集液腔内，另一端连通至外部，所述集液部包括沿垂直方向排布的集液部第一部分和集液部第二部分，所述集液部第一部分内形成第一腔体，所述第一腔体的横截面积沿流体流动方向逐渐增大，所述集液部第二部分内形成第二腔体，所述第二腔体的横截面积沿流体流动方向逐渐缩小，所述第一腔体和第二腔体连通并共同形成所述集液腔。

在一些实施例中，所述电机包括电机主轴，所述电机主轴与所述转轴通过联轴器驱动连接，或者所述电机主轴与所述转轴共轴。

在一些实施例中，所述电机连接一负载。

在一些实施例中，所述电机为发电机。

综上所述，本发明提供一种垂直向进气液固混合介质，且附加发电功能的能源高效利用的惯性分离装置。该惯性分离装置沿垂直方向排布放置，气液固混合介质从顶部进入筒体，由导流锥引入导叶，导叶可以设置成导向角度可调，通过导叶开度控制进入气液固混合介质的流量及速度方向，以适应不同的流量工况。气液固混合介质由导叶进入到动叶，气液固混合介质中的液体和细微颗粒物经过动叶时产生较大惯性力，使得动叶旋转，并形成湍流凝聚，使得液固流体与气体分离，液固流体被动叶导向流向筒体内壁面上，壁面上设有非光滑面，有利于产生湍流凝聚，促进分离。气液固混合介质中的液体部分和细微颗粒物由于其自身重力沿内壁向下流动并经出液管从出液端流出，气体部分被挤压从进气端进入气体输出通道排出。与此同时，动叶旋转带动转轴转动，进而驱动上端电机运转，电机可连接一负载或者直接发电。本发明设计的惯性分离装置结构紧凑，分离效率高，适用性广，能源利用率高，适合在工业上推广应用。

附图说明

图1是本发明的能源高效利用的惯性分离装置的立体示意图。

图2是图1中惯性分离装置的侧面剖视图。

图3是图1中惯性分离装置的立体剖视图。

图4是导流器的侧视图。

图5是导流器的立体剖视图。

具体实施方式

在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。

另外，本申请说明书及权利要求中是以能源高效利用的惯性分离装置的竖直，即垂直放置(正常使用状态)时进行说明的，所以文中大量使用竖直方向和水平方向的方向用语是参照其垂直放置状态进行说明的。

如图1-3所示，本申请提供一种能源高效利用的惯性分离装置10，该惯性分离装置10包括筒体12、导流器14和电机组件，导流器14安装在筒体12内，筒体12沿垂直方向放置。筒体12具有与筒体12内部连通的混合介质入口18、出液端20以及气体输出通道22。其中，混合介质入口18用于将气液固混合介质，例如石油的气液固混合介质导入筒体12内并经导流器14进行分离，导流器14将气液固混合介质旋流分散至筒体12内壁面，以将气体和液固流体分离，出液端20用于将分离出的液固流体部分排出，分离出的气体部分经气体输出通道22排出。

筒体12包括沿竖直方向布置的进口部24和集液部26，进口部24与集液部26的连接端均设有法兰28，两法兰28之间利用螺栓固定。导流器14安装在进口部24与集液部26之间。更具体地，在所示的实施例中，进口部24为圆柱形，包括沿竖直方向排布的进口部第一部分24a和进口部第二部分24b，进口部第一部分24a与进口部第二部分24b之间利用法兰30连接固定。进口部24内形成柱状空腔，混合介质入口18位于进口部24的顶端端部，也就是进口部第一部分24a的顶端端部。

集液部26内形成集液腔16。集液部26包括沿竖直方向排布的集液部第一部分26a和集液部第二部分26b，集液部第一部分26a和集液部第二部分26b之间利用法兰31连接固定。集液部第一部分26a内形成第一腔体32，集液部第二部分26b内形成第二腔体34，第一腔体32和第二腔体34连通并共同形成集液腔16。在所示的实施例中，集液部第一部分26a与进口部24连接的一端的内径与进口部24的内径相同，集液部第一部分26a的横截面沿流体流动的方向上渐扩，且第一腔体32的横截面积沿流体流动的方向上逐渐增大，集液部第一部分26a的侧壁壁厚均匀。集液部第二部分26b与集液部第一部分26a连接端的内径相同，以保证集液腔16内壁的流畅性，集液部第二部分26b为圆柱形，第二腔体34的横截面积沿流体流动的方向上逐渐减小，也就是说，集液部第二部分26b的侧壁壁厚沿流体流动的方向上逐渐增厚。这样设置可以加快被导流器14分散至集液腔16内壁面上的液固流体的流动，提高惯性分离效率。

筒体12的侧壁底部，即集液部第二部分26b的侧壁底部向外水平延伸形成一出液管36，出液管36利用法兰固定连接至筒体12侧壁上，出液管36一端通过侧壁与集液腔16连通，并且内壁为相切形式，另一端连通至外部。出液端20设置在出液管36位于外部的端部，经导流器14分散至集液腔16内壁面的流体利用其自身重力流向集液腔16的底部，并经出液管36从出液端20流出。在第二腔体34横截面积逐渐收缩的状态下，集液部第二部分26b的侧壁壁厚呈一斜率逐渐加厚，容深加深，并呈一定角度与出液口38连通，加快液固流体的排放速度，进而提高分离效率。气体输出通道22包括气体输出管40，本实施例中，气体输出管40为沿竖直方向设置的直管，气体输出管40具有相反的进气端40a和出气端40b。气体输出管40从筒体12的集液部第二部分26b的底部穿设于集液腔16内，使得气体输出管40的进气端40a位于第一腔体32内，气体输出管40的出气端40b位于筒体12外部。气体输出管40利用一法兰固定连接至筒体12的底部。随着气液固混合介质的不断输入，集液腔16内的液体不断增多，集液腔16内压力上升，压迫气体从进气端40a进入气体输出管40，以将分离气体排出。

电机组件包括转轴42和驱动连接至转轴42的电机44，电机44安装在导流器14内，且导流器14构造成能够利用从混合介质入口18导入的气液固混合介质的能量驱动转轴42转动，进而驱动电机44运转。

更具体地，如图4-5，导流器14包括沿垂直方向排布的导流锥46、安装筒48、导向环50、若干导叶52和若干动叶54。其中导流锥46和安装筒48位于进口部24内，导向环50位于集液部26内，更具体地，导流锥46位于进口部第一部分24a与进口部第二部分24b之间，安装筒48位于进口部第二部分24b内，导向环50位于集液部第一部分26a内。导流锥46的尖部朝上，即导流锥46的横截面积沿流体流动方向逐渐增大。电机44安装在安装筒48内，转轴42连接在电机44底部，导向环50与转轴42固定连接。其中，导流锥46和安装筒48为固定不动的部分，二者之间可以分体连接，也可以一体成型。本实施例中，导流锥46与安装筒48为一体成型。

若干导叶52沿周向设置在安装筒48的外侧壁上，导叶52的叶尖临近筒体内壁面；若干动叶54沿周向设置在导向环50的外侧壁上，且导叶52的导向方向朝向动叶54上，动叶54的叶尖临近筒体内壁面。在所示的实施例中，若干导叶52与若干动叶54靠近设置，例如，若干导叶52设置在安装筒48的底部，若干动叶54设置在导向环50的顶部，便于导叶52将气液固混合介质导向动叶54。气液固混合介质从混合介质入口18进来后先被导流锥46导向分流，然后进入导叶52，导叶52将气液固混合介质导向动叶54冲击动叶叶片以驱动动叶54旋转，动叶54旋转带动导向环50转动，导向环50转动带动转轴42转动，转轴42转动驱动电机44运转。与此同时，流体被动叶54高速旋转离心到集液部内壁面上，以将气体与液固流体分离。分离出的气体从进气端40a进入气体输出管40排出，分离出的液固流体因其自身重力沿集液部内壁面流至集液腔底部从出液口38流入出液管36从出液端20流出。

动叶54安装在导向环50上，因此，导向环50设置为至少部分可转动，动叶54安装在导向环可转动的部分上。因此，导向环50可以设计为分体式、固定式或旋转式。本实施例中，导向环50为旋转式，即导向环50为整体转动。由于导向环50整体转动，因此，安装时导向环50与安装筒48之间具有一间隙56。更具体地，导向环50包括基体部50a及自基体部50a的底部边缘向下延伸的环形部50b，转轴42穿设于基体部50a的中心位置并与基体部50a固定连接，使得转轴42能够随导向环50转动而转动。若干动叶54安装在基体部50a的侧壁上，例如一体成型。

环形部50b沿流体流动方向渐扩，流体被动叶高速旋转离心到集液部内壁面上，经过环形部50b的导向及截面积的改变，使得内部的气流压缩，能让流体更好的贴附在集液部内壁面上。

由于导流锥46主要抵御气液固混合介质的冲刷及导向分流作用，容易损坏，因此，在一些实施例中，导流锥46可以采用耐磨钢材料，导流锥46可以设置为可单独拆卸的部件，即导流锥46可拆卸地连接至安装筒48，可有效缩短维护维修时间。

导叶52可以设置成导向固定型和导向可调型。本实施例中，导叶52为导向可调型。导流器14包括控制器(图未示出)，控制器与若干导叶52连接用于控制导叶52的导向角度调节。控制器收集了气液固混合介质的进气压及流量之后计算出导叶52合适的设置角度，并控制导叶52转动至该角度。本实施例中，导叶52的可调角度为40°至70°，导叶52的可调角度是指导叶52与动叶54之间形成的角度，由于导叶52沿安装筒48周向均匀排布，因此，每一导叶52的导向角度均相同。导叶52的导向角度可调节，使得不同流量下，转子能够维持相同转速。气液固混合介质中的颗粒物越细小，导叶52的角度开度越小，可调节至40°左右，使得流体沿更水平的切线旋转，有效增加了在集液腔16内的停留时间，增强旋流离心的作用。遇到颗粒物较大的情况下，可调节开度至70°的切向角。在保证颗粒物顺利通过的同时也能保留其在集液腔16内的停留时间。导叶52导向可调的设计使得惯性分离装置10的使用工况范围扩大。

电机44包括电机主轴，电机44与转轴42驱动连接，例如，转轴42与电机44的电机主轴共轴，或者，转轴42与电机主轴之间连接一联轴器，通过该联轴器驱动连接。本实施例中，转轴42与电机44的电机主轴共轴。

本实施例中，电机44为发电机，转轴42驱动电机44运转可直接输出电能。在一些实施例中，电机44也可以连接一负载，利用输出扭矩驱动其他旋转机械，电机44与负载之间可以通过联轴器连接传动，或者共轴连接。

电机44安装在安装筒48内。更具体地，转轴42穿过安装筒48底部与导向环50连接，转轴42位于安装筒48内的上下两端分别设置一轴承58，例如滚动轴承，上下两轴承58与转轴42之间设有主轴密封，主轴密封与转轴42过盈配合。

虽然本申请中描述惯性分离装置是为了分离混合介质中的气体与液体，但实际混合介质中有可能含有气相、液相和固相，一般固相会连同液相一起从液体通道排出。本申请实施例及权利要求中为了描述简化，仅描述为气液固混合介质，并将排出液相和固相的通道统称为出液端20、出液管36，但应当了解的是，视乎混合介质内的物质组成，液体通道也可能排出固相物质，或者液体中可夹杂固相物质。

综上所述，本发明提供一种垂直向进气液固混合介质，且附加发电功能的能源高效利用的惯性分离装置。该惯性分离装置沿垂直方向排布放置，气液固混合介质从顶部进入筒体，由导流锥引入导叶，导叶可以设置成导向角度可调，通过导叶开度控制进入气液固混合介质的流量及速度方向，以适应不同的流量工况。气液固混合介质由导叶进入到动叶，气液固混合介质中的液体和细微颗粒物经过动叶时产生较大惯性力，使得动叶旋转，并形成湍流凝聚，使得液固流体与气体分离，液固流体被动叶导向流向筒体内壁面上，壁面上设有非光滑面，有利于产生湍流凝聚，促进分离。气液固混合介质中的液体部分和细微颗粒物由于其自身重力沿内壁向下流动并经出液管从出液端流出，气体部分被挤压从进气端进入气体输出通道排出。与此同时，动叶旋转带动转轴转动，进而驱动上端电机运转，电机可连接一负载或者直接发电。本发明设计的惯性分离装置结构紧凑，分离效率高，适用性广，能源利用率高，适合在工业上推广应用。

本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种能源高效利用的惯性分离装置，包括筒体和安装在所述筒体内的导流器，所述筒体具有与所述筒体内部连通的混合介质入口、出液端和气体输出通道，所述混合介质入口用于将气液固混合介质导入所述筒体内并经所述导流器进行分离，所述气体输出通道用于输出分离后的气体，所述出液端用于输出分离后的液体和固体颗粒物，其特征在于，所述惯性分离装置包括电机组件，所述电机组件包括转轴和驱动连接至所述转轴的电机，所述电机安装在所述导流器内，所述导流器构造成能够利用从所述混合介质入口导入的气液固混合介质的能量驱动所述转轴转动，进而驱动所述电机运转。

2.如权利要求1所述的能源高效利用的惯性分离装置，其特征在于，所述惯性分离装置沿垂直方向放置，所述筒体包括沿垂直方向排布的进口部和集液部，所述导流器安装在所述进口部与所述集液部之间。

3.如权利要求2所述的能源高效利用的惯性分离装置，其特征在于，所述导流器包括沿垂直方向排布的导流锥、安装筒和导向环，所述导流锥的横截面积沿流体流动方向逐渐增大，所述导向环的横截面积沿流体流动方向逐渐增大，所述电机安装在所述安装筒内，所述转轴连接在所述电机底部，所述导向环与所述转轴连接，且所述导向环与所述安装筒之间具有一间隙，所述安装筒的外侧壁上设置有若干导叶，所述导向环的外侧壁上设有若干动叶，且所述导叶的导向方向朝向所述动叶，使得气液固混合介质被所述导叶导向所述动叶并驱动所述动叶转动，所述动叶转动带动所述导向环转动，所述导向环转动带动所述转轴转动，进而驱动所述电机运转。

4.如权利要求3所述的能源高效利用的惯性分离装置，其特征在于，所述进口部与所述集液部之间利用法兰连接固定，所述若干导叶安装在所述安装筒的底部，所述动叶安装在所述导向环的顶部，且所述若干导叶和若干动叶位于所述进口部与所述集液部的连接处，所述导流锥和安装筒位于所述进口部内，所述导向环位于所述集液部内。

5.如权利要求3所述的能源高效利用的惯性分离装置，其特征在于，所述导向环包括基体部及自所述基体部的底部边缘朝向一侧延伸的环形部，所述转轴穿设于所述基体部，所述若干动叶安装在所述基体部的侧壁上。

6.如权利要求3所述的能源高效利用的惯性分离装置，其特征在于，所述混合介质入口位于所述进口部的顶端端部，所述进口部为圆柱形，包括沿垂直方向排布的进口部第一部分和进口部第二部分，所述进口部第一部分与所述进口部第二部分之间利用法兰连接固定。

7.如权利要求3所述的能源高效利用的惯性分离装置，其特征在于，所述集液部内形成集液腔，所述出液端设置在所述集液部的底部，所述气体输出通道一端连通至所述集液腔内，另一端连通至外部，所述集液部包括沿垂直方向排布的集液部第一部分和集液部第二部分，所述集液部第一部分内形成第一腔体，所述第一腔体的横截面积沿流体流动方向逐渐增大，所述集液部第二部分内形成第二腔体，所述第二腔体的横截面积沿流体流动方向逐渐缩小，所述第一腔体和第二腔体连通并共同形成所述集液腔。

8.如权利要求1-7任一项所述的能源高效利用的惯性分离装置，其特征在于，所述电机包括电机主轴，所述电机主轴与所述转轴通过联轴器驱动连接，或者所述电机主轴与所述转轴共轴。

9.如权利要求1-7任一项所述的能源高效利用的惯性分离装置，其特征在于，所述电机连接一负载。

10.如权利要求1-7任一项所述的能源高效利用的惯性分离装置，其特征在于，所述电机为发电机。

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