CN112125464A - 一种管式静电聚结旋流分离器及其分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气集输系统多相分离技术领域，具体涉及一种油水乳化液的分离效率高的管式静电聚结旋流分离器及其分离方法，包括机筒、内筒和内筒内杆；所述内筒嵌套在机筒内，内筒与机筒之间形成环形空间a；内筒内杆嵌套在内筒内，内筒内杆与内筒之间形成环形空间b；环形空间b底部与环形空间a连通；机筒侧面设有与环形空间a连通的入口，机筒侧面还设有油出口，机筒顶部为排气口，机筒底部为水出口；内筒顶部通过电极接入口与高压电极连接，机筒和内筒内杆与低压电极连接，内筒外侧面设有起旋叶片；本发明采取静电聚结与旋流分离相结合的方式，大幅提高分离性能，实现水出口含油量和油出口含水量的双向指标控制。

Description

一种管式静电聚结旋流分离器及其分离方法

技术领域

本发明属于油气集输系统多相分离技术领域，具体涉及一种管式静电聚结旋流分离器及其分离方法。

背景技术

油水分离工艺是将从油井开采出来的油水混合物进行油水沉降及油水分离等初步加工的过程。随着油田进入高含水期，采出液综合含水不断升高，产液量和污水处理量也逐年增加，大量污水采出与回注的循环，对现有的地面集输及处理系统产生了巨大的冲击。常规的分离设备体积庞大，一般置于油气处理场站中，依靠较长时间的重力沉降和聚结材料实现油气水三相分离，存在能耗大、脱水流程长、分离效率低、水质不达标的问题。随着油田采出液含水量的不断上升，对具有高效分离功能的小型分离装置的需求越来越迫切。

发明内容

本发明的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，提出设计一种油水乳化液的分离效率高的管式静电聚结旋流分离器及其分离方法，采取静电聚结与旋流分离相结合的方式，大幅提高分离性能，实现水出口含油量和油出口含水量的双向指标控制，同时缩短了脱水流程，降低了能耗。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种管式静电聚结旋流分离器，包括机筒、内筒和内筒内杆；所述内筒嵌套在机筒内，内筒与机筒之间形成环形空间a；所述内筒内杆嵌套在内筒内，内筒内杆与内筒之间形成环形空间b；所述环形空间b底部与环形空间a连通；所述机筒侧面设有与环形空间a连通的入口，机筒侧面还设有油出口，机筒顶部为排气口，机筒底部为水出口；所述内筒顶部通过电极接入口与高压电极连接，机筒和内筒内杆与低压电极连接，内筒外侧面设有为电场中聚结的液滴提供旋流强度的起旋叶片。内筒外圆柱面和机筒内圆柱面之间、内筒内圆柱面和内筒内杆之间形成环形电场，机筒和内筒之间的环形空间a形成弱旋流，起旋叶片安装在内筒上，为电场中聚结的液滴提供旋流强度。

进一步的，所述起旋叶片包括一次起旋叶片和二次起旋叶片，所述一次起旋叶片靠近内筒的上端，位于入口下方；所述二次起旋叶片靠近内筒的下端；同时使用一次起旋叶片和二次起旋叶片时，内筒下方的油相速度得到有效抑制，二次起旋叶片的设计使得管道内部的旋流强度逐级加强，强化后的油相更倾向于向中心轴汇集，历经更短的路径到达内筒之中，从而提高了管式静电聚结旋流分离器的分离效率。

进一步的，所述一次起旋叶片为等螺距螺旋叶片，所述二次起旋叶片为向前型母线椭圆形叶片。

进一步的，所述机筒包括上机筒和下机筒；所述上机筒或下机筒与低压电极连接；所述上机筒与下机筒通过法兰连接，便于拆装；所述机筒底部水出口与出水管一体式连接；所述油出口设置在上机筒上，上机筒顶部为排气口；所述入口设置在下机筒上，且位于起旋叶片上方。

进一步的，所述内筒顶部与下机筒顶部齐平，内筒顶部通过绝缘杆与下机筒、内筒内杆连接；内筒底部至下机筒底部之间为沉降段。

进一步的，所述内筒的长度不低于1000mm，如1100mm、1150mm、1200mm、1250mm等；所述下机筒的长度不低于2200mm，如2300mm、2350mm、2400mm等，所述沉降段的长度不低于1000mm，如1100mm、1200mm等；所述内筒内径为50-70mm，如50mm、60mm、65mm等；所述机筒内径为90-110mm，如98mm、100mm等。

进一步的，所述入口至一次起旋叶片之间的距离为80-110mm，如85mm、90mm、105mm、110mm等；所述入口至二次起旋叶片之间的距离为900-1100mm，如950mm、1000mm、1050mm等。

进一步的，所述入口的入口管公称直径为DN60-70mm，如DN62mm、DN65mm、DN68mm等；所述出水管的公称直径为DN45-55mm，如DN48mm、DN50mm、DN52mm等；所述油出口的出口管公称直径为DN35-45mm，如DN38mm、DN40mm、DN42mm等。

进一步的，所述括机筒和内筒均为金属圆筒。

本发明还提供另一种技术方案：

一种管式静电聚结旋流分离方法，采用所述的管式静电聚结旋流分离器，包括以下步骤：

（1）将管式静电聚结旋流分离器的内筒顶部与高压电极连接，机筒和内筒内杆与低压电极连接；

（2）含水油液滴通过入口旋流进入分离器机筒与内筒的环形空间a后，首先通过分离器排气口排出分离器内的空气；此时的液滴包括浮油、分散油和溶解油等成份，液滴粒径从微米级到毫米级不等；

（3）对管式静电聚结旋流分离器通电，形成两个电场：一是分离器机筒与内筒之间的电场，二是内筒与内筒内杆之间的电场；

（4）液滴进入分离器机筒与内筒的环形空间a，产生弱旋流，与内筒外壁产生多次碰撞，使大粒径的原油液滴分离出来，经过一定距离后到达一次起旋叶片；

（5）液滴通过一次起旋叶片增强旋流强度后，向下旋流进入第一次高频聚结过程；

（6）液滴在第一次高频聚结过程中，经过耦合、变形、聚结等使粒径逐渐变大；

（7）粒径变大后的液滴在二次起旋叶片作用下增强旋流强度后，进入沉降段中进行沉降分离过程；

（8）油液从水中分离后进入内筒内腔向上运动，而达到合格标准水从水出口排出；

（9）分离后的油滴进入内筒后，进行第二次电场聚结分离后，进入油出口排出。

进一步的，在步骤（5）中，所述一次起旋叶片的进入角度为30-40度；在步骤（7）中，所述二次起旋叶片的进入角度为40-45度。

进一步的，在步骤（4）中，所述大粒径的原油液滴分离出来后，经过80-110mm后到达一次起旋叶片；在步骤（7）中，所述二次起旋叶片至入口之间的距离为900-1100mm，所述沉降段的长度不低于1000mm。

如此循环，含水原油不断的进行油水分离。需要说明的是，井口采出的原油经过除气后才能进入分离器入口。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明静电聚结和旋流分离相互促进，协同作用，使水出口含油率降低，大大提高了分离效率，油出口的含水率也得到进一步降低，提高了脱水率。本发明管式静电聚结旋流分离器内的电场聚结时间与各参数配合设计，保证了分离效率，同时，两个起旋叶片的设计使得管道内部的旋流强度逐级加强，强化后的油相更倾向于向中心轴汇集，历经更短的路径到达内筒之中，从而提高了管式旋流分离器的分离效率，本发明整体结构设计合理，具有体积小、脱水流程短的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1的整体结构原理示意图；

图2为本发明实验例1中分流比对分离性能的影响图；

图3为本发明实验例1中分流比对脱水性能的影响图；

图4为本发明实验例2中入口流速对分离性能的影响图；

图5为本发明实验例2中入口流速对脱水性能的影响图；

图6为本发明实验例3中水滴粒径对分离性能的影响图；

图7为本发明实验例3中水滴粒径对脱水性能的影响图。

图中，上机筒101、下机筒102、内筒2、内筒内杆3、环形空间a4、环形空间b5、入口6、排气口7、油出口8、电极接入口9、一次起旋叶片10、二次起旋叶片11、出水管12、法兰13、绝缘杆14、沉降段15、高频高压电源16。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

如图1所示，本实施例所述的管式静电聚结旋流分离器，包括机筒、内筒2和内筒内杆3；所述内筒2嵌套在机筒内，内筒2与机筒之间形成环形空间a4；所述内筒内杆3嵌套在内筒2内，内筒内杆3与内筒2之间形成环形空间b5；所述环形空间b5底部与环形空间a4连通；所述机筒侧面设有与环形空间a4连通的入口6，机筒侧面还设有油出口8，机筒顶部为排气口7，机筒底部为水出口；所述内筒2顶部通过电极接入口9与高压电极连接，机筒和内筒内杆3与低压电极连接，内筒2外侧面设有为电场中聚结的液滴提供旋流强度的起旋叶片。内筒2外圆柱面和机筒内圆柱面之间、内筒2内圆柱面和内筒内杆3之间形成环形电场，机筒和内筒2之间的环形空间a4形成弱旋流，起旋叶片安装在内筒2上，为电场中聚结的液滴提供旋流强度。

本实施例所述起旋叶片包括一次起旋叶片10和二次起旋叶片11，所述一次起旋叶片10靠近内筒2的上端，位于入口6下方；所述二次起旋叶片11靠近内筒2的下端；同时使用一次起旋叶片10和二次起旋叶片11时，内筒2下方的油相速度得到有效抑制，二次起旋叶片11的设计使得管道内部的旋流强度逐级加强，强化后的油相更倾向于向中心轴汇集，历经更短的路径到达内筒2之中，从而提高了管式静电聚结旋流分离器的分离效率。

所述一次起旋叶片10为等螺距螺旋叶片，所述二次起旋叶片11为向前型母线椭圆形叶片。

所述机筒包括上机筒101和下机筒102；所述上机筒101与低压电极连接；所述上机筒101与下机筒102通过法兰13连接，便于拆装；所述下机筒102底部水出口与出水管12一体式连接；所述油出口8设置在上机筒101上，上机筒101顶部为排气口7；所述入口6设置在下机筒102上，且位于起旋叶片上方。

所述内筒2顶部与下机筒102顶部齐平，内筒2顶部通过绝缘杆14与下机筒102、内筒内杆3连接；内筒2底部至下机筒102底部之间为沉降段15。

所述内筒2的长度为1200mm；所述下机筒102的长度为2300mm，所述沉降段15的长度为1100mm；所述内筒2内径为60mm；所述机筒内径为100mm。

所述入口6至一次起旋叶片10之间的距离为90mm；所述入口6至二次起旋叶片11之间的距离为1000mm。

所述入口6的入口管公称直径为DN65mm；所述出水管12的公称直径为DN50mm；所述油出口8的出口管公称直径为DN38mm。

所述机筒和内筒2均为金属圆筒。

实施例2：

本实施例采用实施例1所述的管式静电聚结旋流分离器，实现管式静电聚结旋流分离的方法包括：

（1）将管式静电聚结旋流分离器的管路与高频高压电源16连接，即内筒2顶部与高压电极连接，机筒和内筒内杆3与低压电极连接；

（2）井口采出的原油经过除气后进入分离器入口6，含水油液滴通过入口6旋流进入分离器机筒与内筒2的环形空间a4后，首先通过分离器排气口7排出分离器内的空气；此时的液滴包括浮油、分散油和溶解油等成份，液滴粒径从微米级到毫米级不等；

（3）接通高频高压电源16，形成两个电场：一是分离器机筒与内筒2之间的电场，二是内筒2与内筒内杆3之间的电场；

（4）液滴进入分离器机筒与内筒2的环形空间a4，产生弱旋流，与内筒2外壁产生多次碰撞，使大粒径的原油液滴分离出来，经过90mm后到达一次起旋叶片10；

（5）一次起旋叶片10的进入角度为30-40度，液滴通过一次起旋叶片10增强旋流强度后，向下旋流进入第一次高频聚结过程；

（6）液滴在长度为910mm的第一次高频聚结过程中，经过耦合、变形、聚结等使粒径逐渐变大；

（7）粒径变大后的液滴在二次起旋叶片11作用下增强旋流强度后，进入长度为1100mm的沉降段15中进行沉降分离过程，二次起旋叶片11的进入角度为40-45度；

（8）油液从水中分离后进入内筒2内腔向上运动，而达到合格标准水从水出口排出；

（9）分离后的油滴进入内筒2后，进行第二次电场聚结分离后，进入油出口8排出。

如此循环，含水原油不断的进行油水分离。

本实施例聚结后粒径和电场停留时间的对应值如表1所示：

表1

停留时间（s）	4	8	13	16	20
						聚结后粒径（μm）	150	220	320	340	345

由表1可以看出，本实施例分散相水滴粒径达到150μm以上需要的电场停留时间至少为4s。本实施例当流量为4m³/h时，为保证管式静电聚结旋流分离器内的电场聚结时间不小于4s，当取内筒2的内径为60mm时，内筒2长度不低于1000mm。

实验例1：

本实验例采用实施例1所述的管式静电聚结旋流分离器和实施例2所述的管式静电聚结旋流分离的方法，本实验例条件设置如下：

入口6油水混合物的含水率为30%、流量为4.5m³/h时，入口6分散相水滴粒径分别为50μm和100μm，分流比分别为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3时，分流比对分离性能的影响如图2所示，分流比对脱水性能的影响如图3所示。从图2和图3中可以看出，入口6分散相水滴粒径为100μm的分离效率远高于粒径为50μm的分离效率；在分流比为0.3时，液滴粒径为100μm时，油出口8含水率由30%降至5%，脱水效率达60%。

实验例2：

本实验例采用实施例1所述的管式静电聚结旋流分离器和实施例2所述的管式静电聚结旋流分离的方法，本实验例条件设置如下：

入口6油水混合物的含水率为30%、分流比为0.1，入口6分散相水滴粒径分别为50μm和100μm，流量分别为2.7m³/h、3.6m³/h、4.5m³/h、5.4m³/h、6.3m³/h时，入口流速对分离性能的影响如图4所示，入口流速对脱水性能的影响如图5所示。从图4和图5中可以看出，随着流速的增加，旋流强度随之增加，分离效果更好；在入口6分散相水滴粒径为100μm的分离效率和脱水效率在任何入口流量下都远高于50μm，最大3倍。

实验例3：

本实验例采用实施例1所述的管式静电聚结旋流分离器和实施例2所述的管式静电聚结旋流分离的方法，本实验例条件设置如下：

入口6油水混合物的流量为4.5m³/h、分流比为0.1，水滴粒径从50μm增加至150μm，水滴粒径对分离性能的影响如图6所示，水滴粒径对脱水性能的影响如图7所示。从图6和图7中可以看出，水出口含油率可由57%降至0.1%，分离效率达99.7%，油出口8含水率为22%，脱水率为27%。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本发明权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (12)

1.一种管式静电聚结旋流分离器，其特征在于：包括机筒、内筒和内筒内杆；所述内筒嵌套在机筒内，内筒与机筒之间形成环形空间a；所述内筒内杆嵌套在内筒内，内筒内杆与内筒之间形成环形空间b；所述环形空间b底部与环形空间a连通；所述机筒侧面设有与环形空间a连通的入口，机筒侧面还设有油出口，机筒顶部为排气口，机筒底部为水出口；所述内筒顶部通过电极接入口与高压电极连接，机筒和内筒内杆与低压电极连接，内筒外侧面设有为电场中聚结的液滴提供旋流强度的起旋叶片。

2.根据权利要求1所述的管式静电聚结旋流分离器，其特征在于：所述起旋叶片包括一次起旋叶片和二次起旋叶片，所述一次起旋叶片靠近内筒的上端，位于入口下方；所述二次起旋叶片靠近内筒的下端。

3.根据权利要求2所述的管式静电聚结旋流分离器，其特征在于：所述一次起旋叶片为等螺距螺旋叶片，所述二次起旋叶片为向前型母线椭圆形叶片。

4.根据权利要求2或3所述的管式静电聚结旋流分离器，其特征在于：所述机筒包括上机筒和下机筒，所述上机筒或下机筒与低压电极连接；所述上机筒与下机筒通过法兰连接；所述机筒底部水出口与出水管一体式连接；所述油出口设置在上机筒上，上机筒顶部为排气口；所述入口设置在下机筒上，且位于起旋叶片上方。

5.根据权利要求4所述的管式静电聚结旋流分离器，其特征在于：所述内筒顶部与下机筒顶部齐平，内筒顶部通过绝缘杆与下机筒、内筒内杆连接；内筒底部至下机筒底部之间为沉降段。

6.根据权利要求5所述的管式静电聚结旋流分离器，其特征在于：所述内筒的长度不低于1000mm；所述下机筒的长度不低于2200mm，所述沉降段的长度不低于1000mm；所述内筒内径为50-70mm；所述机筒内径为90-110mm。

7.根据权利要求2或3所述的管式静电聚结旋流分离器，其特征在于：所述入口至一次起旋叶片之间的距离为80-110mm；所述入口至二次起旋叶片之间的距离为900-1100mm。

8.根据权利要求5或6所述的管式静电聚结旋流分离器，其特征在于：所述入口的入口管公称直径为DN60-70mm；所述出水管的公称直径为DN45-55mm；所述油出口的出口管公称直径为DN35-45mm。

9.根据权利要求1、2、3、5、6任一项所述的管式静电聚结旋流分离器，其特征在于：所述机筒和内筒均为金属圆筒。

10.一种管式静电聚结旋流分离方法，其特征在于：采用如权利要求2、3、6任一项所述的管式静电聚结旋流分离器，包括以下步骤：

（1）将管式静电聚结旋流分离器的内筒顶部与高压电极连接，机筒和内筒内杆与低压电极连接；

（2）含水油液滴通过入口旋流进入分离器机筒与内筒的环形空间a后，首先通过分离器排气口排出分离器内的空气；

（3）对管式静电聚结旋流分离器通电，形成两个电场：一是分离器机筒与内筒之间的电场，二是内筒与内筒内杆之间的电场；

（4）液滴进入分离器机筒与内筒的环形空间a，产生弱旋流，与内筒外壁产生多次碰撞，使大粒径的原油液滴分离出来，经过一定距离后到达一次起旋叶片；

（5）液滴通过一次起旋叶片增强旋流强度后，向下旋流进入第一次高频聚结过程；

（6）液滴在第一次高频聚结过程中，经过耦合、变形、聚结等使粒径逐渐变大；

（7）粒径变大后的液滴在二次起旋叶片作用下增强旋流强度后，进入沉降段中进行沉降分离过程；

（8）油液从水中分离后进入内筒内腔向上运动，而达到合格标准水从水出口排出；

（9）分离后的油滴进入内筒后，进行第二次电场聚结分离后，进入油出口排出。

11.根据权利要求10所述的管式静电聚结旋流分离方法，其特征在于：在步骤（5）中，所述一次起旋叶片的进入角度为30-40度；在步骤（7）中，所述二次起旋叶片的进入角度为40-45度。

12.根据权利要求10或11所述的管式静电聚结旋流分离方法，其特征在于：在步骤（4）中，所述大粒径的原油液滴分离出来后，经过80-110mm后到达一次起旋叶片；在步骤（7）中，所述二次起旋叶片至入口之间的距离为900-1100mm，所述沉降段的长度不低于1000mm。

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