CN110882560B - 一种间歇式旋流分离装置 - Google Patents

Abstract

一种间歇式旋流分离装置。包括水相出口管、叶轮轴、小锥齿轮、大锥齿轮、大锥齿轮轴、间歇转动机构壳体、大锥齿轮轴密封结构、固定结构、切向入口、油相出口管、旋流腔、油相挡板、小锥齿轮轴、叶轮壳体、旁路管、切向出口、出口锥、入口锥、转速调节管、叶轮、旋转盘、导向槽、推动块、导向柱及十字块等。所述切向出口为弧形结构，切向出口在靠近旋流腔的一端与旋流腔的顶端相切，切向出口在远离旋流腔的一端分叉成为旁路管和转速调节管两个液流通道；叶轮壳体位于转速调节管上；叶轮位于叶轮壳体及转速调节管共同组成的腔室内；大锥齿轮位于间歇转动机构壳体的外部。本发明具有分离效率高、系统集成性强、结构紧凑及成本低的优点。

Description

一种间歇式旋流分离装置

技术领域

本发明涉及一种应用于石油、化工、环保等领域中的旋流分离装置，针对具有密度差的两相不互溶介质进行分离。

背景技术

相比于其他类型分离方法，采用离心分离方法进行不互溶介质间分离的水力旋流器具有结构紧凑且快速分离的优点。目前，水力旋流器在石油开采、化工及市政环保等领域均获得了一定应用。水力旋流器的分离原理是利用不互溶介质间的密度差进行离心分离，其分离效率的高低直接受到待分离多相介质的密度差及分散相粒径等物性参数的影响。但是，目前在油田开采领域，随着油田采出液的含油量逐年下降（部分油井采出液含油量低至5%以下），采用旋流分离方法获得高浓度富油相的难度逐渐增大。如何深度挖掘及提升水力旋流器分离性能及提高旋流分离效率，是本领域技术人员所重点关注的问题之一。对于目前应用较多的常规类型水力旋流器而言，油水两相液流在旋流腔内高速旋转过程中，密度较低的油相受向中心区域的径向迁移力作用，油滴将运移向旋流腔中心处，并在中心轴线区域形成油核，而后由位于中心区域的油相出口管持续流出。以上分离过程持续进行，实现油水两相的分离。然而在这个过程中，中心区域的油核为动态形成及持续排出，这将很大程度上造成油核的直径较小，使油相出口管内部除了油核之外，在油核与油相出口管内壁间形成的环形区域内存在较多的水相，这样将不可避免的造成油核与其周围的水相一同流出，很大程度上降低了旋流分离效率。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提出了一种间歇式旋流分离装置，利用该装置可以实现油相出口管内油相挡板开度的间隙式增大和减小。在油相挡板开度减小时，油核在油相出口管内逐渐富集并增大，同时油核与油相出口管内壁间形成的环形区域内的水相逐渐减少，待油核在油相出口管内累积到一定量后，油相挡板在较短的时间内快速开启，使油核流出，而后快速关小油相挡板。这种分离方式可以最大程度的避免油相流出过程中对水相的携带，从而大幅提高旋流分离效率。本种间歇式旋流分离装置具有分离效率高、结构紧凑及投资少等优点。

本发明的技术方案是：

该种间歇式旋流分离装置，包括旋流腔、切向入口、切向出口以及入口锥，其独特之处在于，所述分离装置还包括旁路管阀门、水相出口管、转速调节管阀门、叶轮密封结构、叶轮轴、小锥齿轮、大锥齿轮、大锥齿轮轴、间歇转动机构壳体、大锥齿轮轴密封结构、间歇机构密封结构、固定结构、油相出口管阀门、油相出口管、油相挡板、小锥齿轮轴密封结构、小锥齿轮轴、叶轮壳体、凸轮腔室、轴套、旁路管、出口锥、转速调节管、叶轮、滑道、弹簧、T形挡板、凸轮、旋转盘、导向槽、推动块、导向柱以及十字块。

其中，所述油相出口管穿过出口锥的中心并延伸至旋流腔的外侧；所述切向出口为弧形结构，切向出口在靠近旋流腔的一端与旋流腔的顶端相切；切向出口在远离旋流腔的一端分叉成为旁路管和转速调节管两个液流通道，而后，旁路管和转速调节管共同汇合成水相出口管。

所述叶轮壳体位于转速调节管上，并与转速调节管连接并连通；所述叶轮位于由叶轮壳体及转速调节管共同组成的腔室内；所述间歇转动机构壳体通过固定结构固定于旋流腔的顶端；所述旋转盘、导向槽、推动块、十字块及导向柱位于间歇转动机构壳体内部；所述叶轮位于叶轮轴上并与叶轮轴同轴布置；所述叶轮轴的一端依次穿过叶轮壳体及间歇转动机构壳体，并与位于间歇转动机构壳体内部的旋转盘中心固定连接；所述叶轮轴的另一端穿过叶轮壳体及轴套进入与轴套连接并连通的凸轮腔室内，并与位于凸轮腔室内的凸轮相连接；所述凸轮腔室与旁路管连接及连通；所述滑道位于凸轮腔室内及旁路管的侧壁上；所述T形挡板的一端穿过滑道，并沿着滑道进入旁路管内；所述弹簧位于T形挡板上及滑道的外侧。

所述大锥齿轮位于间歇转动机构壳体的外部；所述大锥齿轮轴的一端与大锥齿轮的中心固定连接，另一端穿过间歇转动机构壳体，并与十字块的中心固定连接；所述油相挡板位于油相出口管内部；所述小锥齿轮轴的一端穿过油相出口管并与油相挡板固定连接，另一端与位于油相出口管外部的小锥齿轮中心固定连接。

所述小锥齿轮与大锥齿轮相互咬合，且大锥齿轮的分度圆周长为小锥齿轮的分度圆周长的2倍，即大锥齿轮旋转1/4周，将带动与其配合的小锥齿轮旋转1/2周。

本发明具有如下有益效果：效果之一，本发明通过实现油相出口管内油相挡板开度的间隙式增大和减小，使油核逐渐富集增大，待油核在油相出口管内累积到一定量后，油相挡板开度在较短的时间内快速增大，使油核流出，最大程度上避免了油核流出过程中对水相的携带，从而大幅提高了旋流分离效率。效果之二，本发明不依赖外界动力及自动控制装置，通过自身流体推力及装置结构实现油相挡板开度的间歇式增大及减小。结构简单且成本低，易于实现。效果之三，本发明所述的间歇式旋流分离结构，除了应用于本申请材料所述的同向出流（即油、水两相同侧排出）类型水力旋流器外，也可通过将非同向出流（即油、水两相由两侧排出）水力旋流器的出口管引至一侧后，应用本发明所述结构，因此具有适用范围广的优点。

附图说明：

图1为本发明的一种间歇式旋流分离装置的顶视图。

图2为本发明的一种间歇式旋流分离装置的A向剖视图。

图3为本发明的一种间歇式旋流分离装置的B向视图。

图4为本发明的一种间歇式旋流分离装置的立体图。

图5为本发明的一种间歇式旋流分离装置的局部立体图。

图6为本发明的一种间歇式旋流分离装置的叶轮立体图。

图7为本发明的一种间歇式旋流分离装置的凸轮腔室及其内部结构立体图。

图8为本发明的一种间歇式旋流分离装置的T形挡板立体图。

图9为本发明的一种间歇式旋流分离装置的间歇转动机构壳体立体图。

图10为本发明的一种间歇式旋流分离装置的间歇传动结构立体图1。

图11为本发明的一种间歇式旋流分离装置的间歇传动结构立体图2。

图12为本发明的一种间歇式旋流分离装置的十字块立体图。

图13为本发明的一种间歇式旋流分离装置的间歇传动结构侧视图。

图14为本发明的一种间歇式旋流分离装置的小锥齿轮立体图。

图15为本发明的一种间歇式旋流分离装置的小锥齿轮及油相挡板立体图。

图16为本发明的一种间歇式旋流分离装置的油相出口管可选结构。

图17为本发明的一种间歇式旋流分离装置的旋流分离原理图。

图18为本发明的一种间歇式旋流分离装置的间歇式旋流分离工艺图。

图19为本发明的一种间歇式旋流分离装置的油相挡板开度随时间变化图。

图20为本发明的一种间歇式旋流分离装置的间歇式分离原理图。

图中1-旁路管阀门；2-水相出口管；3-转速调节管阀门；4-叶轮密封结构；5-叶轮轴；6-小锥齿轮；7-大锥齿轮；8-大锥齿轮轴；9-间歇转动机构壳体；10-大锥齿轮轴密封结构；11-间歇机构密封结构；12-固定结构；13-切向入口；14-油相出口管阀门；15-油相出口管；16-旋流腔；17-油相挡板；18-小锥齿轮轴密封结构；19-小锥齿轮轴；20-叶轮壳体；21-凸轮腔室；22-轴套；23-旁路管；24-切向出口；25：出口锥；26-入口锥；27-转速调节管；28-叶轮；29-滑道；30-弹簧；31-T形挡板；32-凸轮；33-旋转盘；34-导向槽；35-推动块；36-导向柱；37-十字块。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1至图13所示，本发明实施例的一种高效间隙式旋流分离装置，包括旁路管阀门1、水相出口管2、转速调节管阀门3、叶轮密封结构4、叶轮轴5、小锥齿轮6、大锥齿轮7、大锥齿轮轴8、间歇转动机构壳体9、大锥齿轮轴密封结构10、间歇机构密封结构11、固定结构12、切向入口13、油相出口管阀门14、油相出口管15、旋流腔16、油相挡板17、小锥齿轮轴密封结构18、小锥齿轮轴19、叶轮壳体20、凸轮腔室21、轴套22、旁路管23、切向出口24、出口锥25、入口锥26、转速调节管27、叶轮28、滑道29、弹簧30、T形挡板31、凸轮32、旋转盘33、导向槽34、推动块35、导向柱36及十字块37。

如图1至图4所示，所述切向入口13为两个，分别轴对称切向布置于旋流腔16的底端；所述入口锥26位于旋流腔16的底部中心处；所述入口锥26的设置有利于避免高速旋转液流在入口处造成的紊流；所述出口锥25位于旋流腔16的顶部中心处；所述出口锥25的设置有利于补充液流在旋转过程中的能量损失，从而提高旋流速度及促进具有密度差的不互溶两相介质间的分离。入口锥的设置有利于避免高速旋转液流在入口处造成的紊流；所述出口锥位于旋流腔的顶部中心处；所述出口锥的设置有利于补充液流在旋转过程中的能量损失，从而提高旋流速度及促进具有密度差的不互溶两相介质间的分离。

如图1至图5所示，所述油相出口管15穿过出口锥25的中心并延伸至旋流腔16的外侧；所述切向出口24为弧形结构，切向出口24在靠近旋流腔16的一端与旋流腔16的顶端相切，切向出口24在远离旋流腔16的一端分叉成为旁路管23和转速调节管27两个液流通道。而后，旁路管23和转速调节管27共同汇合成水相出口管2。

如图4至图6所示，所述叶轮壳体20位于转速调节管27上，并与转速调节管27连接并连通；所述叶轮28位于由叶轮壳体20及转速调节管27共同组成的腔室内。

如图7至图11所示，所述间歇转动机构壳体9通过固定结构12固定于旋流腔16的顶端；所述旋转盘33、导向槽34、推动块35、十字块37及导向柱36位于间歇转动机构壳体9内部。

如图9及图10所示，所述导向柱36为四个，分别固定于十字块37的端部；所述推动块35固定于旋转盘33上，从而在推动块35的两侧分别形成了两个导向槽34；所述十字块37及导向柱36整体设置于旋转盘33上；所述位于间歇转动机构壳体9内部的间歇转动机构也可为其它能够实现间歇转动的结构装置。

如图2和图3所示，所述叶轮28位于叶轮轴5上并与叶轮轴5同轴布置；所述叶轮轴5的一端依次穿过叶轮壳体20及间歇转动机构壳体9，并与位于间歇转动机构壳体9内部的旋转盘33中心固定连接；所述叶轮密封结构4用于密封叶轮壳体20与叶轮轴5；所述间歇机构密封结构11用于密封间歇转动机构壳体9与叶轮轴5。

如图7及图8所示，所述叶轮轴5的另一端穿过叶轮壳体20及轴套22进入与轴套22连接并连通的凸轮腔室21内，并与位于凸轮腔室21内的凸轮32相连接；所述凸轮腔室21与旁路管23连接及连通；所述滑道29位于凸轮腔室21内及旁路管23的侧壁上；所述T形挡板31的一端穿过滑道29，并沿着滑道29进入旁路管23内；所述弹簧30位于T形挡板31上及滑道29的外侧。

如图1至图4所示，所述大锥齿轮7位于间歇转动机构壳体9的外部；所述大锥齿轮轴8的一端与大锥齿轮7的中心固定连接，另一端穿过间歇转动机构壳体9，并与十字块37的中心固定连接；大锥齿轮轴密封结构10用于密封大锥齿轮轴8及间歇转动机构壳体9。

如图1至图4所示，所述油相挡板17位于油相出口管15内部；所述小锥齿轮轴19的一端穿过油相出口管15并与油相挡板17固定连接，另一端与位于油相出口管15外部的小锥齿轮6中心固定连接；所述小锥齿轮轴密封结构18用于密封油相出口管15及小锥齿轮轴19。

如图14所示，所述油相出口管15的结构可为直管型，也可为斜角型或缩颈型。

如图1所示，所述小锥齿轮6与大锥齿轮7相互咬合，且大锥齿轮7的分度圆周长为小锥齿轮6的分度圆周长的2倍，即大锥齿轮7旋转1/4周，将带动与其配合的小锥齿轮6旋转1/2周。

如图1至图5所示，所述旁路管阀门1、转速调节管阀门3及油相出口管阀门14分别安装于旁路管23、转速调节管27及油相出口管15上，用于调节液流流量。

如图17所示，给出了通过以上结构可实现的油相挡板开度随着时间变化情况示意图。在一个油相挡板旋转周期T内，油相挡板开度减小的持续时间约为油相挡板开度增大的持续时间的5-10倍。相应的，在该旋转周期内，T形挡板开度增大的持续时间约为T形挡板开度减小的持续时间的5-10倍。

下面介绍本发明的工作过程：处理液（以油水混合物为例）首先由位于底部的切向入口沿着切向方向高速流入旋流腔内部，并在旋流腔内部形成高速旋转流。油水两相在旋流腔内高速旋转流动过程中，密度较大的水相受较大的离心力作用，逐渐被甩向旋流腔的壁面区域，并沿着旋流腔的壁面向上流动，这部分液流（也称富水相）最终由位于旋流腔顶部的切向出口流出。而油相密度小，受到的离心力较小，从而形成使低密度油滴向中心处运移的径向迁移力，使油滴逐渐向中心区域聚集，这部分液流（也称富油相）向上流动，最终由位于旋流腔中心处的油相出口管流出。

富水相液流在流经切向出口后，被分成两股高速液流分别流入旁路管和转速调节管内，而后两股高速液流汇合后共同流入水相出口管，最终由水相出口管流出。由于叶轮位于转速调节管与叶轮壳体共同形成的腔室内，高速液流在流经转速调节管的过程中将推动叶轮进行旋转。与此同时，叶轮的旋转将带动叶轮轴、旋转盘及位于其上的导向槽和推动块进行旋转。在这个过程中，旋转盘、推动块和导向槽的旋转将进一步推动四个导向柱及与其固定连接的十字块实现间歇式转动。也就是旋转盘旋转一周将带动导向柱和十字块整体间歇旋转1/4周。进一步的，十字块在转动1/4周的过程中，将带动与其固定连接的大锥齿轮轴和大锥齿轮旋转1/4周。大锥齿轮的旋转将进一步带动与其咬合的小锥齿轮及与其固定连接的小锥齿轮轴和油相挡板进行旋转。由于本发明中，大锥齿轮的分度圆周长为小锥齿轮的分度圆周长的2倍，因此可以实现大锥齿轮旋转1/4周（对应90度）的同时，使小锥齿轮及油相挡板旋转1/2周（对应180度），从而通过上述结构最终实现位于油相出口管内部的油相挡板开度间歇式增大和减小。与此同时，叶轮轴的旋转将同时带动凸轮的转动，凸轮的转动进一步推动T形挡板进入旁路管内，从而减小旁路管内的过流面积，而后，随着凸轮的进一步旋转，在旋转到最小直径端后，T形挡板受弹簧的作用，将由旁路管内弹出，从而增大旁路管内的过流面积。通过该结构可以实现在油相出口管内的挡板开度减小时，旁路管内T形挡板的开度相应增大，而在油相出口管内的挡板开度增大时，旁路管内T形挡板的开度相应减小。最终通过该结构布置，实现液流在流出本发明过程中的阻力和流量恒定，从而稳定流入切向入口的整体液流流量，保持分离器的稳定运行。

在本发明中，在一个油相挡板旋转周期T内，油相挡板开度减小的持续时间约为油相挡板开度增大的持续时间的5-10倍。相应的，在该旋转周期内，T形挡板开度增大的持续时间约为T形挡板开度减小的持续时间的5-10倍。

本发明通过实现油相出口管内油相挡板开度的间隙式增大和减小，使油相挡板在减小时，高速旋转液流使密度较低的油相不断的向旋流腔中心轴线区域聚集，油相在中心轴线处逐渐富集并形成油核，同时油核在油相出口管内逐渐富集并增大，使油核与油相出口管内壁间形成的环形区域内的水相逐渐减少，待油核在油相出口管内累积到一定量后，油相挡板在较短的时间内快速开启，使油核流出，而后快速减小油相挡板开度，继续重复上述旋流分离过程。通过以上间歇式旋流分离方式，最大程度上避免了油相流出过程中对水相的携带，从而大幅提高旋流分离效率。

此外，可对位于油相出口管内油相挡板开度的增大和减小周期进行灵活调节，从而实现对具有不同分离难度的两相介质的高效分离。具体的，可分别通过调整位于旁路管和转速调节管上的阀门开度，调整旁路管和转速调节管间的液流流量分配，从而起到调整旁路管内液流流速的作用，液流流速的变化将进一步起到调整叶轮转速的作用，最终实现对油相挡板开度增大和减小周期的调节。

Claims (1)

1.一种间歇式旋流分离装置，包括旋流腔（16）、切向入口（13）、切向出口（24）以及入口锥（26），其特征在于，所述分离装置还包括旁路管阀门（1）、水相出口管（2）、转速调节管阀门（3）、叶轮密封结构（4）、叶轮轴（5）、小锥齿轮（6）、大锥齿轮（7）、大锥齿轮轴（8）、间歇转动机构壳体（9）、大锥齿轮轴密封结构（10）、间歇机构密封结构（11）、固定结构（12）、油相出口管阀门（14）、油相出口管（15）、油相挡板（17）、小锥齿轮轴密封结构（18）、小锥齿轮轴（19）、叶轮壳体（20）、凸轮腔室（21）、轴套（22）、旁路管（23）、出口锥（25）、转速调节管（27）、叶轮（28）、滑道（29）、弹簧（30）、T形挡板（31）、凸轮（32）、旋转盘（33）、导向槽（34）、推动块（35）、导向柱（36）以及十字块（37）；

其中，所述油相出口管（15）穿过出口锥（25）的中心并延伸至旋流腔（16）的外侧；所述切向出口（24）为弧形结构，切向出口（24）在靠近旋流腔（16）的一端与旋流腔（16）的顶端相切；切向出口（24）在远离旋流腔（16）的一端分叉成为旁路管（23）和转速调节管（27）两个液流通道，而后，旁路管（23）和转速调节管（27）共同汇合成水相出口管（2）；

所述叶轮壳体（20）位于转速调节管（27）上，并与转速调节管（27）连接并连通；所述叶轮（28）位于由叶轮壳体（20）及转速调节管（27）共同组成的腔室内；

所述间歇转动机构壳体（9）通过固定结构（12）固定于旋流腔（16）的顶端；所述旋转盘（33）、导向槽（34）、推动块（35）、十字块（37）及导向柱（36）位于间歇转动机构壳体（9）内部；

所述叶轮（28）位于叶轮轴（5）上并与叶轮轴（5）同轴布置；所述叶轮轴（5）的一端依次穿过叶轮壳体（20）及间歇转动机构壳体（9），并与位于间歇转动机构壳体（9）内部的旋转盘（33）中心固定连接；

所述叶轮轴（5）的另一端穿过叶轮壳体（20）及轴套（22）进入与轴套（22）连接并连通的凸轮腔室（21）内，并与位于凸轮腔室（21）内的凸轮（32）相连接；所述凸轮腔室（21）与旁路管（23）连接及连通；所述滑道（29）位于凸轮腔室（21）内及旁路管（23）的侧壁上；所述T形挡板（31）的一端穿过滑道（29），并沿着滑道（29）进入旁路管（23）内；所述弹簧（30）位于T形挡板（31）上及滑道（29）的外侧；

所述大锥齿轮（7）位于间歇转动机构壳体（9）的外部；所述大锥齿轮轴（8）的一端与大锥齿轮（7）的中心固定连接，另一端穿过间歇转动机构壳体（9），并与十字块（37）的中心固定连接；

所述油相挡板（17）位于油相出口管（15）内部；所述小锥齿轮轴（19）的一端穿过油相出口管（15）并与油相挡板（17）固定连接，另一端与位于油相出口管（15）外部的小锥齿轮（6）中心固定连接；

所述小锥齿轮（6）与大锥齿轮（7）相互咬合，且大锥齿轮（7）的分度圆周长为小锥齿轮（6）的分度圆周长的2倍，即大锥齿轮（7）旋转1/4周，将带动与其配合的小锥齿轮（6）旋转1/2周。

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