CN117244324A - 消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器及分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器及分离方法，属于气液分离技术领域，分离器包括入口管、溢流管、底流管、分离器筒体及挡液环；所述入口管与分离器筒体的筒体上部区域连通；所述底流管与分离器筒体的筒体下部区域连通；所述溢流管从分离器筒体的顶盖壁面穿过到达分离器筒体的内部；所述分离器筒体内侧的顶盖壁面上设置挡液环，溢流管位于挡液环中。本发明在简化结构设计的同时，还能够消除气液旋流分离器顶盖壁面液膜短路流，显著减少溢流带液量。
Description
技术领域
本发明属于气液分离技术领域，具体涉及一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器及分离方法。
背景技术
旋流分离器利用流体密度差，通过切向入口混合物高速运动产生的离心力实现两相快速高效分离，在油气开采输送与计量、化工环保、航空航天等领域具有广泛应用。根据入口介质组合可分为气固、气液、固液、液液旋流分离器等多种类型。分离性能评价指标包括溢流次相(如固体、液体)携带量、压降等，其中溢流次相携带量与存在于分离器内顶盖壁面、溢流管之间的短路流现象密切相关。因此如何削弱或抑制短路流现象成为提高分离性能的必然要求。
现有技术中从优化溢流管外壁面形状结构、在溢流管内增加二次分离装置等角度进行改进，具体包括以下4个方面：
1)在溢流管外壁面布置螺旋导流片或类似结构，通过在溢流管外壁面处产生与短路流方向相反的轴向流动，从而削弱或抵消短路流，如授权公告号为CN101254489B、CN2522174Y、申请公布号为CN108380404A。
2)将溢流管外壁面设计为渐扩锥状或在溢流管外壁安装环形齿、凸面阻挡环等结构，将短路流引导至溢流管外侧主分离区，从而实现进一步分离，如授权公告号为CN2183824Y、CN205217164U、CN201470493U、CN200991661Y等。
3)采用中心溢流管和外侧溢流管组合的双层套管结构，利用外侧溢流管将短路流引导至入口实现循环分离或直接引流至底流口排出，或者引入二次流体填充外侧溢流管与中心溢流管组成的环形空间，避免短路流直接流入中心溢流管，如申请公布号为CN114226085A、CN114308420A、CN102688811A、授权公告为CN106493005B，但该类结构较为复杂，存在额外流动损失。
4)在溢流管壁面上进行开孔/开缝，或在溢流管内布置导叶进一步实现混合物旋流分离，并布置腔体收集分离后的重相介质，如申请公布号CN101822924A。通过在GLCC溢流管安装一个环状液膜抽吸装置拓宽了溢流不带液工况范围，但装置结构较为复杂，需要额外布置液体回流管，导致整体重量明显增加。
因此，现有技术中存在以下不足：1)由于液体和固体在流动特性上存在较大差别，特别是固体通常以离散颗粒或离散颗粒群形式出现，而液体能够以连续液膜形式润湿壁面并沿壁面流动，导致在短路流过程中固体与液体所受外力不同，因此已有抑制气固旋流分离器短路流的结构无法适用于气液旋流分离；2)已有抑制气液旋流分离器短路流的结构设计通常较为复杂，或无法完全消除液膜短路流。
发明内容
针对现有技术中存在的已有抑制气固旋流分离器短路流的结构设计复杂，以及无法适用于气液旋流分离的问题，本发明提供了一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器，在简化结构设计的同时，还能够消除气液旋流分离器顶盖壁面液膜短路流，显著减少溢流带液量。
为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器，包括入口管、溢流管、底流管、分离器筒体及挡液环；所述入口管与分离器筒体的筒体上部区域连通；所述底流管与分离器筒体的筒体下部区域连通；所述溢流管从分离器筒体的顶盖壁面穿过到达分离器筒体的内部；所述分离器筒体内侧的顶盖壁面上设置挡液环，溢流管位于挡液环中。
作为本发明的进一步改进，所述挡液环与溢流管同轴放置。
作为本发明的进一步改进，所述溢流管从顶盖壁面中心区域穿过。
作为本发明的进一步改进，所述挡液环的高度小于溢流管插入分离器筒体筒内的深度。
作为本发明的进一步改进，所述挡液环与溢流管外壁面之间的距离大于挡液环与溢流管外壁面之间液桥稳定存在的最大距离。
作为本发明的进一步改进，所述挡液环与溢流管外壁面之间的距离小于挡液环端面所在高度位置处空气核半径与溢流管外半径之差。
作为本发明的进一步改进，所述挡液环与溢流管外壁面之间的距离大于挡液环底端面处液滴掉落至溢流管入口高度位置过程中径向移动距离。
作为本发明的进一步改进，所述挡液环与分离器筒体内壁面之间的距离大于入口管的直径。
一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器的分离方法，包括：
气液混合物经入口管进入分离器筒体内部后，在离心作用下气液两相逐渐分离，气液与分离器筒体的内壁面碰撞后，在顶盖壁面上形成铺展液膜，挡液环防止液膜径向流至溢流管；分离后气体从溢流管排出，液体从底流管流出。
作为本发明的进一步改进，所述液膜运动至挡液环后，在重力作用下沿挡液环的外壁面向下流动并在挡液环底端面处快速形成液滴并掉落。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过在分离器筒体内侧的顶盖壁面上设置挡液环结构，改变液膜短路流的流动方向，利用重力作用使其在挡液环端面处形成液滴并快速掉落，从而避免短路流运动至溢流管，有效缓减溢流带液现象。同时，本发明的结构形状简单，重量小，容易布置。由此可知，本发明能够消除气液旋流分离器顶盖壁面液膜短路流，显著减少溢流带液量，使得气液分离效果明显提高，同时由于本申请结构设计简单，机械加工安装方便，能够适用于传统管柱式气液分离器，拓宽其溢流不带液工况区间。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：
图1为本发明一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器的整体示意图；
图2为本发明一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器的气液界面示意图；
图3为本发明一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器的溢流带液量对比图。
图中，1为入口管；2为顶盖壁面；3为溢流管；4为底流管；5为分离器筒体；6为挡液环；71为第一连接气液界面；72第二连接气液界面。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本发明一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器包括入口管1、顶盖壁面2、溢流管3、底流管4、分离器筒体5及挡液环6。
入口管1设置在分离器筒体5上部区域的筒身上，并且入口管1与分离器筒体5贯通。底流管4设置在分离器筒体5下部区域的筒身上，并且底流管4与分离器筒体5贯通。分离器筒体5的上方的顶盖壁面2中间位置设置有溢流管3，溢流管3从分离器筒体5的外侧穿过顶盖壁面2到达分离器筒体5的内侧。位于分离器筒体5内的顶盖壁面2上设置有挡液环6，溢流管3位于挡液环6的中间位置。其中，溢流管3垂直贯穿顶盖壁面2，并朝分离器筒体5内部插入一定深度。挡液环6为环状结构，固定于顶盖壁面2且与溢流管3同轴布置。
根据作业需要，可以适当增加或减少入口管1的数量。
本发明利用挡液环6阻挡顶盖壁面2下液膜径向流动至溢流管外壁面，并促使其在挡液环6端面聚集形成液滴并掉落，从而有效抑制液膜短路流，提高气液分离效率。
挡液环6与溢流管3外壁面之间的距离大于挡液环6与溢流管3外避面之间液桥稳定存在的最大距离，并小于挡液环6端面所在高度位置处空气核半径与溢流管3外半径之差。同时，挡液环6与溢流管3外壁面之间的距离还需大于挡液环6端面处液滴掉落至溢流管3入口高度位置过程中径向移动距离。
如图2所示，当形成第一连接气液界面71时，挡液环6的高度应小于相应径向位置处分离器内第一连续气液界面71与顶盖壁面2之间的距离，同时挡液环6的高度还小于溢流管3插入分离器筒体5筒内的深度。
当形成第二连接气液界面72时，挡液环6与分离器筒体5的筒体内壁面的距离大于挡液环6与分离器筒体5的筒体内壁面之间液桥稳定存在的最大距离。挡液环6与分离器筒体5的筒体内壁面的距离还大于入口管1的直径。
挡液环6的厚度应在不影响其结构强度及安装焊接条件下取较小值，以促进液滴形成并掉落，并降低对旋流场干扰，同时减小结构重量。
一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器的分离方法包括：
气液混合物经入口管1进入分离器筒体5内部后，在离心作用下气液两相逐渐分离，气液与分离器筒体5的内壁面碰撞后，在顶盖壁面2上形成铺展液膜，挡液环6防止液膜径向流至溢流管3；分离后气体从溢流管3排出，液体从底流管4流出。液膜运动至挡液环6后，在重力作用下沿挡液环6的外壁面向下流动并在挡液环6底端面处快速形成液滴并掉落。
气液混合物经入口管1进入分离器筒体5筒内后，在离心作用下气液两相逐渐分离，并在分离器筒体5筒内形成空气核。分离后绝大部分气体从溢流管3排出，液体从底流管6流出。从入口管1进入的气液与分离器筒体5的内壁面碰撞后，在顶盖壁面2上形成铺展液膜。该部分液体运动至挡液环6后，在重力作用下沿挡液环6的外壁面向下流动并在挡液环6底端面处快速形成液滴并掉落，从而有效避免了液膜径向流至溢流管3。通过合理设计挡液环6结构尺寸，短路流现象能够得到完全抑制。
以下结合具体的实施例对本发明做出进一步解释说明：
实施例
挡液环6的壁厚为3.24mm，挡液环6高度为20.2mm，挡液环与溢流管外壁面的距离13.96mm，挡液环6与分离器筒体5筒体内壁面的距离为34.8mm。入口水流量50L/min，入口空气流量0～63L/min。经过充分混合发展的气液混合物进入分离器，待流动稳定后，对溢流管3的出口液体取样3min，重复3次并取均值作为该工况的溢流水流量。然后逐步增加入口空气流量，依次获得不同工况下溢流水流量。
实施例结果如图3所示，当未安装挡液环时，随着入口空气流量增加，溢流水流量逐渐增大。安装挡液环后，溢流水流量大幅减小，其结果基本为0，由此可知，在分离器筒体5中设置挡液环6，能够消除了分离器顶盖2壁面液膜短路流现象，使得气液分离性能得到显著改善。
通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。
Claims (10)
1.一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器，其特征在于，包括入口管(1)、溢流管(3)、底流管(4)、分离器筒体(5)及挡液环(6)；
所述入口管(1)与分离器筒体(5)的筒体上部区域连通；所述底流管(4)与分离器筒体(5)的筒体下部区域连通；
所述溢流管(3)从分离器筒体(5)的顶盖壁面(2)穿过到达分离器筒体(5)的内部；所述分离器筒体(5)内侧的顶盖壁面(2)上设置挡液环(6)，溢流管(3)位于挡液环(6)中。
2.根据权利要求1所述的一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器，其特征在于，所述挡液环(6)与溢流管(3)同轴放置。
3.根据权利要求1所述的一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器，其特征在于，所述溢流管(3)从顶盖壁面(2)中心区域穿过。
4.根据权利要求1所述的一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器，其特征在于，所述挡液环(6)的高度小于溢流管(3)插入分离器筒体(5)筒内的深度。
5.根据权利要求1所述的一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器，其特征在于，所述挡液环(6)与溢流管(3)外壁面之间的距离大于挡液环(6)与溢流管(3)外壁面之间液桥稳定存在的最大距离。
6.根据权利要求5所述的一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器，其特征在于，所述挡液环(6)与溢流管(3)外壁面之间的距离小于挡液环(6)端面所在高度位置处空气核半径与溢流管(3)外半径之差。
7.根据权利要求1所述的一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器，其特征在于，所述挡液环(6)与溢流管(3)外壁面之间的距离大于挡液环(6)底端面处液滴掉落至溢流管(6)入口高度位置过程中径向移动距离。
8.根据权利要求1所述的一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器，其特征在于，所述挡液环(6)与分离器筒体(5)内壁面之间的距离大于入口管(1)的直径。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器的分离方法，其特征在于，包括：
气液混合物经入口管(1)进入分离器筒体(5)内部后，在离心作用下气液两相逐渐分离，气液与分离器筒体(5)的内壁面碰撞后，在顶盖壁面(2)上形成铺展液膜，挡液环(6)防止液膜径向流至溢流管(3)；分离后气体从溢流管(3)排出，液体从底流管(4)流出。
10.根据权利要求9所述的一种消除顶盖壁面液膜短路流的气液旋流分离器的分离方法，其特征在于，所述液膜运动至挡液环(6)后，在重力作用下沿挡液环(6)的外壁面向下流动并在挡液环(6)底端面处快速形成液滴并掉落。
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| CN118045689A (zh) * | 2024-03-29 | 2024-05-17 | 青海师范大学 | 一种反浮选冷结晶钾肥生产工艺用水力旋流器 |
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