CN114570118B - 一种多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，涉及陆上或海上油田油气集输处理设备技术领域，解决了现有的管式气液分离器仍存在分离过程单一、分离效果差、只能得到单一的纯净气相或液相的技术问题。本发明提供的多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，主要通过两次气液旋流分离和一次气液重力沉降分离的协同集成，在管式分离空间内对气液混合物实施多次梯级分离。本发明不仅能够同时得到较为纯净的气相和液相，而且还具有结构简单、体积小、分离效率高、易于设计安装等优点。

Description

一种多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器

技术领域

本发明涉及陆上或海上油田油气集输处理设备技术领域，尤其是涉及一种多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器。

背景技术

气液分离是油气田油气集输工艺中的重要环节，关系到后续设备的运行效果和处理流程的稳定性。另一方面，随着油气分离技术的进步和社会发展对低碳高效的要求，高效、简单、经济地进行气液分离处理越来越重要。因此，管式气液分离器因结构紧凑、分离效率高、承压能力强在油气集输处理中得到了广泛关注，有望在未来低碳高效的发展过程中发挥重要作用。按照结构形式可将现有的管式气液分离器分为水平放置式、竖直放置式和倾斜放置式，水平放置的管式气液分离器主要依靠离心力进行气液分离，竖直放置和倾斜放置的气液分离器主要依靠离心力和重力的协同作用进行气液分离。然而，现有的管式气液分离器仍存在分离过程单一、气液分离不彻底、只能得到单一的纯净气相或液相等问题。

具体来说，针对水平放置的管式气液分离器，如专利ZL201110245307.4中介绍的“轴流管道式气液分离器”采用一级旋流的方式实现气液分离；如专利ZL201710544206.4中提到的“一种两级管道式气液旋流分离器”，采用两级旋流分离的方式实现气液分离。依靠单级离心力作用进行气液分离的装置，由于气相和液相混合物空间位置的不断变化，分离过程存在一定的波动，导致气液分离不完全且往往只能得到纯净的气相或者液相。依靠两级离心力作用进行气液分离的装置，在一定程度上可以在一级分离的基础上进而二次分离，理论上得到较为理想的分离结果。但是，离心分离往往对入口流速或者压力具有一定的要求，由于二级旋流分离过程距离一级旋流分离过程较近，二级旋流分离往往难以发挥作用，甚至对一级旋流分离过程产生负面影响，因此在实际运行中，二级旋流分离器也存在分离效果不佳的问题。

对于竖直放置或倾斜放置的管式气液分离器，如专利ZL201381813Y中提到的“管柱式气液旋流分离器”，利用离心力和重力实现气液两相的分离。这种管式分离器尽管结合了离心分离和重力分离作用，但离心强度往往较弱，对重力的依赖较强，因此该类管式气液分离器竖直段的长度较长，影响了管式气液分离设备结构紧凑的特点。而且，这种管式气液分离器容易出现液膜沿分离器内壁面爬升过高和气核向下延伸过长等现象，致使分离后的气相中夹带较多的液滴、分离后的液相中夹带较多的气泡，难以得到较为纯净的气相或液相。如专利ZL201520332096.1中提到的“一种二次旋流气液分离器”，在利用离心力和重力进行分离的基础上，为了减少分离器的长度，设置了止旋片，考虑到气相和液相具有较强的流动性，这种方式难以有效阻挡流体，起到降低分离器长度的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，解决了现有的一些管式气液分离器仍存在分离过程单一、分离效果差、只能得到单一的纯净气相或液相的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，包括外筒、入口管和中心筒，其中，所述外筒的上下两端分别设置气相出口和液相出口，所述入口管从所述外筒的侧部插入所述外筒与所述中心筒相连接以使所述中心筒悬空在所述外筒内，所述入口管与所述外筒之间形成第一级气液分离结构，所述入口管的尾部与所述中心筒形成第二级气液分离结构，所述中心筒和所述外筒形成第三级气液分离结构。

进一步地，所述外筒的侧面上设置有连接管，所述入口管插入所述连接管且所述连接管与所述入口管之间的环形空间形成液腔，所述入口管位于所述液腔的区域上设置出液孔，所述入口管内设置起旋元件，所述起旋元件上设置有旋流叶片且所述起旋元件位于所述出液孔靠近所述入口管进口端的一侧。

进一步地，所述起旋元件包括前锥段、叶片段和后锥段，所述前锥段、所述叶片段和所述后锥段依次相连接，所述前锥段以及所述后锥段的横截面面积沿远离所述叶片段的方向逐渐减小，所述叶片段上设置所述旋流叶片。

进一步地，所述多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器还包括挡板结构，所述挡板结构设置在所述外筒内且与所述外筒的内侧壁相连接，所述挡板结构用以挡住所述液腔内的液相直接冲向所述中心筒。

进一步地，所述挡板结构包括竖向板、上封板和下封板，所述竖向板上设置入口管插入孔，所述竖向板朝向所述液腔，所述上封板和所述下封板分别设置在所述竖向板的上、下两端且所述上封板和所述下封板与所述外筒的内侧壁相连接，所述竖向板的左右两侧与所述外筒的内侧壁之间形成溢流口。

进一步地，所述中心筒上端面低于所述挡板结构的上端面，所述中心筒的下端面低于所述挡板结构的下端面。

进一步地，所述中心筒上设置周向缝，所述中心筒位于所述中心筒与所述入口管连接部位上方的区段上设置所述周向缝。

进一步地，所述中心筒为圆柱状结构；或者，所述中心筒包括柱形段和锥形段，所述柱形端设置在所述锥形段的上方且两者相连接，所述柱形段上设置所述周向缝，所述锥形段中心孔的横截面积沿远离所述柱形段的方向逐渐减小。

进一步地，所述锥形段的锥角范围为3°~5°。

进一步地，所述入口管的轴线与所述中心筒的轴线相垂直；或者，所述入口管包括主体段和倾斜段，所述倾斜段与所述主体段相连接，所述倾斜段与所述中心筒相切连接，所述倾斜段远离所述主体段的一侧向下倾斜。

本发明提供的多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，可实现三次气液分离，逐级分离出液相、防止液膜堆积、提高分离效率。通过第一级气液分离结构，在强离心力作用下实现第一次气液分离的同时实现第一次液膜分离；夹带液相的气核（经过第一级气液分离结构后的气相）以切向角度进入中心筒后产生旋转流动，在离心力作用下，气核中夹带的液相向中心筒内壁面迁移再次形成液膜，气相则向中心筒中心移动形成气核。在中心筒中心区域的气核同时向上和向下流动，在中心筒内壁面区域的液膜也同时向上和向下流动，这样就在弱离心力作用下实现气液的第二次分离和第二次液膜分离。外筒的上下两端分别设置气相出口和液相出口，两个出口与中心筒上下边缘保持有一定距离，在重力作用下实现第三次气液分离。三次气液分离过程的协同作用，可有效克服目前管式气液分离器分离过程单一、分离效果不佳的问题。两次液膜分离可逐级减少降低液膜在分离器中的堆积，降低液膜爬升和重力作用下液膜下流对分离过程的干扰，有助于得到较为纯净的气相。

另外本发明可降低气液波动对分离过程的影响，减小气核向下延伸深度，有效降低目前管式气液分离器竖直方向的高度，改善液相出口含气率较高的问题。第一次分离过程分出了较多的液相，降低了待分离气液混合物的动量，减小了气液混合物的湍流程度，使分离过程更加稳定；类似地，在中心筒内进行的第二次气液分离过程，减少了未分离气相和液相的流量，降低了中心筒内分离过程中气核形态的波动程度，利于稳定气液分离过程。另一方面，由于中心筒和管式分离器外筒的直径相差较大，中心筒内气核在惯性作用下流出中心筒后，流通截面积的突然增加，迫使气核的流速降低，大大减小气核在多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器液层中的延伸长度，防止气核从下部的液相出口管流出，有助于得到较为纯净的液相。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器的主视示意图；

图3是图2中A-A向剖视示意图；

图4是本发明实施例提供的起旋元件的主视示意图；

图5是本发明实施例提供的挡板结构的主视示意图；

图6是本发明实施例提供的挡板结构的俯视示意图；

图7是本发明实施例提供的入口管与中心筒的主视示意图；

图8是本发明实施例提供的入口管与中心筒的另一主视示意图；

图9是本发明实施例提供的入口管与中心筒的另一主视示意图。

图中1-外筒；101-气相出口；102-液相出口；103-连接管；2-入口管；201-出液孔；202-主体段；203-倾斜段；3-中心筒；301-周向缝；302-柱形段；303-锥形段；4-液腔；5-起旋元件；501-前锥段；502-叶片段；503-后锥段；6-挡板结构；601-竖向板；602-上封板；603-下封板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供了一种多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，包括外筒1、入口管2和中心筒3，其中，外筒1的上下两端分别设置气相出口101和液相出口102，入口管2从外筒1的侧部插入外筒1与中心筒3相连接以使中心筒3悬空在外筒1内，入口管2与外筒1之间形成第一级气液分离结构，入口管2的尾部与中心筒3形成第二级气液分离结构，中心筒3和外筒1形成第三级气液分离结构。

中心筒3竖直设置，由于入口管2的末端与中心筒3相切，夹带液相的气核（经过第一级气液分离结构后的气相）进入中心筒3后旋转流动，气核中夹带的液相向中心筒3内壁面迁移形成液膜，气相则向中心筒3中心移动形成气核，并同时向上和向下流出中心筒3，液相聚集在内壁面也同时向上和向下流动，实现气液的第二次分离。

受入口管2和中心筒3连接方式的影响，一方面液膜受气流的带动沿着中心筒3壁面向上爬升，进入多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器外筒1和中心筒3构成的环形空间内；另一方面，液膜向下流动进入多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器下部空间。同样，中心筒内的气核同时向两个方向流动，一方面向上流动，进入多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器上部空间；另一方面向下流动，进入下部的液层中，由于中心筒3和管式分离器外筒1的直径相差较大，中心筒3内气核在惯性作用下流出中心筒3后，流通截面积的突然增加，迫使气核的流速降低，大大减小气核在多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器液层中的延伸长度，防止气核从下部的液相出口管流出。

外筒1的上下两端分别设置气相出口101和液相出口102，两个出口与中心筒3上下边缘保持有一定距离，在重力的作用下实现第三次气液分离，以得到纯净的气相和液相。

本发明提供了一种多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，可集成强离心作用（第一级气液分离结构）、弱离心作用（中心筒3与外筒1形成的二次气液分离）和重力作用，实现气液的三次分离，逐级分离出液膜。有效降低管式气液分离内液膜的厚度积累和爬升高度，减少中心筒3内气核向多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器液面以下液层的延伸长度，实现有效降低多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器高度方向的尺寸，并实现气液两相充分分离同时得到较为纯净的气相和液相的目的。

作为可选地实施方式，外筒1的侧面上设置有连接管103，入口管2插入连接管103且连接管103与入口管2之间的环形空间形成液腔4，液腔4与外筒1的内部连通，入口管2位于液腔4的区域上设置出液孔201，出液孔201沿入口管2轴线方向的长度约为入口管2直径的4倍，入口管2内设置起旋元件5，起旋元件5上设置有旋流叶片且起旋元件5位于出液孔201靠近入口管2进口端的一侧。气液混合物通过入口管2进入多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，在起旋元件5旋流叶片的作用下产生强离心力，气相向起旋元件5下游入口管的中心聚集形成气核，气核沿着入口管2继续流动进入中心筒3；液相向起旋元件5下游入口管2的内壁聚集形成液膜，液膜通过入口管2管壁上设置的出液孔201进入液腔4，然后沿着液腔4进入多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器的竖直外筒1。这样，就利用强离心力实现了气液第一次同向分离。气液分离过程具有不稳定性，上述气核中往往夹带较多的液相或者一部分未被分离的液膜，夹带液相的气核进入与入口管2相切的竖直设置的中心筒3，在“离心力+重力”的作用下，气核中夹带的液相向中心筒内壁面迁移再次形成液膜，气相则向中心筒中心移动形成气核。

关于起旋元件5的结构，说明如下：起旋元件5包括前锥段501、叶片段502和后锥段503，前锥段501、叶片段502和后锥段503依次相连接，前锥段501以及后锥段503的横截面面积沿远离叶片段502的方向逐渐减小，叶片段502上设置旋流叶片。叶片段502包含一个基体圆柱，基体圆柱前端与前锥段501相连接，基体圆柱后端与后锥段503相连接，基体圆柱圆柱形表面上设置旋流叶片。基体圆柱的长度约为起旋元件5长度的1/3，基体圆柱上设置有翼型旋流叶片，旋流叶片的个数一般为6，出口角度一般为30~60°，叶片的长度与基体圆柱的长度相等，旋流叶片的高度约为基体圆柱直径的1/3。前锥段501采用流线型，最大程度上降低流体与起旋元件5相互碰撞时的能量损耗。后锥段503采用圆锥形。起旋元件5可使入口气液混合物的流动方向发生变化，并产生气液分离所需的强离心力，在离心力作用下，起旋元件5下游入口管2的壁面形成液膜，中心形成气核，实现气液第一次分离。

作为可选地实施方式，多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器还包括挡板结构6，挡板结构6设置在外筒1内且与外筒1的内侧壁相连接，挡板结构6用以挡住液腔4内的液相，防止直接冲向中心筒3。为了减少液腔4流出的流体与中心筒3上部和下部流出的流体发生干扰，影响分离过程，在外筒1的内侧壁上设置了挡板结构6。关于挡板结构6的具体结构，可以如下：参见图5-6，挡板结构6包括竖向板601、上封板602和下封板603，竖向板601上设置入口管插入孔，竖向板601朝向液腔4，上封板602和下封板603分别设置在竖向板601的上、下两端且上封板602和下封板603与外筒1的内侧壁相连接，竖向板601的左右两侧与外筒1的内侧壁之间形成溢流口。通过上封板602实现顶面封闭，可防止从中心筒3流出的流体对液腔4流出的流体的干扰，通过下封板603实现底面封闭，可减小外筒1中液位起伏对液腔4流出的流体的影响。

作为可选地实施方式，中心筒3上端面优选略低于挡板结构6的上端面，中心筒3的下端面优选低于挡板结构6的下端面。

关于中心筒3的结构，在一种较优选的实施方案中，参见图8，在中心筒3上设置周向缝301，中心筒3位于中心筒3与入口管2连接部位上方的区段上设置周向缝301。周向缝301一般为长矩形。在中心筒3内壁面聚集的液膜可通过周向缝301流出，减少液膜厚度积累对中心筒3内气液分离过程的影响。当然，参见图8，也可以不在中心筒3上设置周向缝301。

关于中心筒3的结构，在另一种较优选的实施方案中，参见图9，中心筒3包括柱形段302和锥形段303，柱形段302设置在锥形段303的上方且两者相连接，柱形段302上设置周向缝301，入口管2与柱形段302相切连接，锥形段303中心孔的横截面积沿远离柱形段302的方向逐渐减小，锥形段的锥角范围可以为3°~5°，锥形段303沿轴线方向上的长度约为柱形段302直径的四倍。锥形段303由于流通截面积的收缩，可有效聚集更多的液相，促使气相从中心筒3的上部出口流出。当然，参见图7和图8，中心筒3的整体也可以设置成为圆柱状结构。

关于中心筒3的结构，在另一种较优选的实施方案中，参见图9，入口管2包括主体段202和倾斜段203，倾斜段203与主体段202相连接，倾斜段203与中心筒3相切连接，倾斜段203远离主体段202的一侧向下倾斜，倾斜段203的倾斜角度约为30°左右。当然，参见图7和图8，入口管2也可以设置成圆柱状结构，入口管2的轴线与中心筒3的轴线相垂直。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，其特征在于，包括外筒（1）、入口管（2）和中心筒（3），其中，

所述外筒（1）的上下两端分别设置气相出口（101）和液相出口（102），所述外筒（1）呈圆柱的管道式结构，所述入口管（2）从所述外筒（1）的侧部插入所述外筒（1）与所述中心筒（3）相连接以使所述中心筒（3）悬空在所述外筒（1）内，所述入口管（2）与所述外筒（1）之间形成第一级气液分离结构，所述入口管（2）的尾部与所述中心筒（3）形成第二级气液分离结构，所述中心筒（3）和所述外筒（1）形成第三级气液分离结构；

所述外筒（1）的侧面上设置有连接管（103），所述入口管（2）插入所述连接管（103）且所述连接管（103）与所述入口管（2）之间的环形空间形成液腔（4），所述入口管（2）位于所述液腔（4）的区域上设置出液孔（201），所述入口管（2）内设置起旋元件（5），所述起旋元件（5）上设置有旋流叶片且所述起旋元件（5）位于所述出液孔（201）靠近所述入口管（2）进口端的一侧；

所述中心筒（3）包括柱形段（302）和锥形段（303），所述柱形段（302）设置在所述锥形段（303）的上方且两者相连接，所述柱形段（302）上设置周向缝（301），所述锥形段（303）中心孔的横截面积沿远离所述柱形段（302）的方向逐渐减小；

所述管式气液分离器还包括挡板结构（6），所述挡板结构（6）设置在所述外筒（1）内且与所述外筒（1）的内侧壁相连接，所述挡板结构（6）用以挡住所述液腔（4）内的液相直接冲向所述中心筒（3）。

2.根据权利要求1所述的多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，其特征在于，所述起旋元件（5）包括前锥段（501）、叶片段（502）和后锥段（503），所述前锥段（501）、所述叶片段（502）和所述后锥段（503）依次相连接，所述前锥段（501）以及所述后锥段（503）的横截面面积沿远离所述叶片段（502）的方向逐渐减小，所述叶片段（502）上设置所述旋流叶片。

3.根据权利要求1所述的多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，其特征在于，所述挡板结构（6）包括竖向板（601）、上封板（602）和下封板（603），所述竖向板（601）上设置入口管插入孔，所述竖向板（601）朝向所述液腔（4），所述上封板（602）和所述下封板（603）分别设置在所述竖向板（601）的上、下两端且所述上封板（602）和所述下封板（603）与所述外筒（1）的内侧壁相连接，所述竖向板（601）的左右两侧与所述外筒（1）的内侧壁之间形成溢流口。

4.根据权利要求1所述的多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，其特征在于，所述中心筒（3）上端面低于所述挡板结构（6）的上端面，所述中心筒（3）的下端面低于所述挡板结构（6）的下端面。

5.根据权利要求1所述的多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，其特征在于，所述锥形段的锥角范围为3°~5°。

6.根据权利要求1所述的多级多段分离作用协同集成的管式气液分离器，其特征在于，所述入口管（2）的轴线与所述中心筒（3）的轴线相垂直；或者，所述入口管（2）包括主体段（202）和倾斜段（203），所述倾斜段（203）与所述主体段（202）相连接，所述倾斜段（203）与所述中心筒（3）相切连接，所述倾斜段（203）远离所述主体段（202）的一侧向下倾斜。

Images