CN102600995B - 双导入层塔扩张腔式分离器 - Google Patents

Abstract

双导入层塔扩张腔式分离器，能适应生产负荷的大幅度变化，不会在高负荷下出现高速气液搅生泡沫而无法分离的现象。独有的双导入机制和多层渐扩的分离腔室，能保证即使分离介质的流量和物性大幅度地变化，分离器都能适应。借助于柯恩达效应即流体在扩展壁面处的附壁流动，使边界附近的流体向外偏转，能自然产生周边向下、中心向上的轴对称环流，从而克服纯圆柱腔中的内流与底部反射流对撞冲击而引起的自激振荡。该旋流沉降分离器可多个单元组合并用，能节省分离空间、分离效率高、运行稳定、有很好的变工况适应性能。可广泛适用于油气、水气、以及固液和除尘分离等场合。

Description

双导入层塔扩张腔式分离器

技术领域

本发明属于多相组分的离心旋流沉降分离技术领域，适合于含固体颗粒的气固相、液固相，含液滴的气液相介质，在其流量变化范围很大的工况下进行高效分离。 

背景技术

沉降式和离心旋流式分离器是工业应用量最大的多相分离器型式。沉降式依靠重力推动重、轻相的沉降与上浮，需要很大的沉降面。离心旋流式依靠离心力场进行强力分离，效率较高。一般沉降式分离器(罐)常伴有入口的离心分离，使重组分附向容器内壁沉降，轻组分向上浮升聚中到出口，再通过过滤装置除掉混入的颗粒或液滴。而离心旋流式分离器根据用途的不同，常称为旋风分离器、水力旋流器等。 

普通沉降式分离器，其罐内腔体中含有大量悬浮的重相，由于轻质相的上升流速不能吹升重相颗粒，因此其体积大、效率低、且流量不能超负荷。卧式沉降式稍好，但仍不能满足需求。 

离心旋流式分离器，借助于强大的离心力场，可使轻、重介质快速分层，具有较高的分离效率和生产能力。但是，由于无外力矩的加入，在遵从动量矩定理的前提下，介质各层之间的旋转角速度和压力不一致，产生的剪切紊流和涡流会使分离效果变差。在旋流剧烈的情况下，会导致大微团破碎，搅生出泡沫或产生乳化，使介质难以分离；而旋流太轻又无从效果。由于切向流速即旋流强度于流量的增减成正比，因此对应于高效分离的处理量范围一般很窄。 

对于油、气田的油气分离等负荷变化大、或使用场所变更的情况，常要求 处理设备具有尽可能大的操作弹性。采用多个设备并联的切断、投入操作不但麻烦，也增加成本，如果工况变化过于频繁，跟不上操作就会陷入失效状态。 

发明内容

本发明正是针对现有分离器的上述不足，而创新出的一种全新结构、和作用原理更加有效的“双导入层塔扩张腔式分离器”，可以克服现有分离器技术的不足，极大地提升分离器的变工况适应性能，并能大幅度地缩小分离器的体积。 

本发明提供了一种结构相对简单、高效、处理量变化的适应范围很大、介质物性适应性强、耐压高的分离器，满足油、气田开采和其他场合下，对于气液分离、气固和液固分离的需求。 

本发明所采取的创新技术解决方案为： 

1.层塔扩张腔式结构的分离室 

本发明将旋流沉降分离罐(16)的内室分成上、下两段，其主旋流段(18)完成介质的分层和重介质相的靠向内壁的流动。而多层扩张的旋流沉降段(17)，则是本发明的重点，它具有像层塔那样的多层扩张腔式的结构，通过逐渐扩张的圆锥腔结构，将一段圆柱腔连通到下一段直径扩大的圆柱腔，形成一层一层的锥柱腔——即一段扩张的圆锥腔再续接一段圆柱腔。锥柱腔的层数最少为一层，多则不限，下一层圆柱腔的直径大于上一层，各个腔均轴向贯通，最后一层锥柱腔的底端封闭。 

采用上述的结构，可以起到两方面的作用： 

第一作用是达到处理量的自适应。当流量增大时，结合介质导入的切换，能快速下降流到下一层锥柱腔中，由于直径的增大，能显著降低旋流强度，不会发生搅动泡沫和乳化，并继续分离和附壁沉降；而若流量继续增大，介质还会快速下降流到下一层直径更大的锥柱腔中，再降低旋流强度，继续分离和附 壁沉降，依次类推。如果处理量较小，介质在最上一层锥柱腔中就几乎完成分离，再沉降到下面的锥柱腔。 

第二作用是使分离器工作稳定。利用射流的附壁效应(Coanda效应)，在渐扩锥腔的内壁，介质的轴向流动会沿锥腔壁面向外偏转，从而避开轻介质相的上升排出流，产生沿壁面周边向下，沿中心向上的腔内环流，可使分离器工作稳定，避免像纯圆柱腔那样，腔中的介质内流与底部的反射流对撞冲击，引起自激振荡的恶劣情况。 

2.对应于不同流量的双导入机制 

本发明分离器采用两个独立的介质入口和入口腔。小流量下，混合介质大多从小流量入口(2)通过小流量缓冲室(6)、进到向心旋流发生器(20)中进行强预旋后，切向流入旋流沉降分离罐(16)内进行离心和沉降分离，由于流量不大，流入的切向速度是有限的，旋流强度也合适，不会搅生出泡沫或产生乳化。而当处理量增大时，通过外部的流路调节控制，混合介质大多从上部的大流量入口(1)通过大流量缓冲室(4)，进到轴向旋流发生器(22)中进行适当的预旋，再螺旋下流到旋流沉降分离罐(16)内进行离心和沉降分离，由于流量大，螺旋进入的切向速度仍然较高，足够旋流分离，并且螺旋流的轴向流速，能使介质较快地下降到下一层直径较大的锥柱腔中，避免时间长了搅生泡沫，和自动增加分离器的处理量。 

3.多单元的任意并联和部件的共用 

本发明分离器还采用将多个分离单元并联应用的结构布局，每个旋流沉降分离单元都由各自的旋流沉降分离罐(16)、预旋大流量混合介质的轴向旋流发生器(22)、预旋小流量混合介质的向心旋流发生器(20)、轻介质导出管(15)、重介质导出孔(14)等部分所组成，轴向旋流发生器(22)安装于上隔板(5)的上表面，上 隔板(5)在轴向旋流发生器(22)所覆盖的位置开上隔板开孔()，向心旋流发生器(20)装在上隔板(5)与中隔板(7)之间，中隔板在向心旋流发生器(20)的中空位置处对应开中隔板开孔(19)，轴向旋流发生器(22)、向心旋流发生器(20)、两隔板的开孔均与旋流沉降分离罐(16)对中圆心。如此结构，各个旋流沉降分离单元可以共用介质入口、出口、缓冲室、隔板支撑等部件，而且都不必承受介质压力，因此可节省大量的材料成本和空间，介质的压力依靠分离器的外壳(3)来承担。 

本发明的有益效果是： 

1.能大幅度提升分离器的流量变化适应范围，分离效率的高效区间宽阔，操作弹性大，不需要从外部频繁调节。 

2.分离器内不易搅生泡沫和乳化，分离器对介质物性的适应性强。 

3.阻力损失小，单位体积设备的处理量大。 

4.节省材料，制造容易，能承受高压介质，特别适应于高压油气的分离。 

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。 

附图说明

附图1是本发明双导入层塔扩张腔式分离器的总体结构图。 

附图2是本发明分离器各个旋流沉降分离单元中，预旋小流量混合介质的向心旋流发生器(20)的结构图。 

附图3是本发明分离器各个旋流沉降分离单元中，预旋大流量混合介质的轴向旋流发生器(22)的第一种结构形式——由轴向导流预旋叶片实现的轴向旋流发生器(22)的结构图。 

附图4是本发明分离器各个旋流沉降分离单元中，预旋大流量混合介质的轴向旋流发生器(22)的第二种结构形式——由螺旋沟槽轴段()实现的轴向旋流发生器(22)的结构图。 

参见附图1，本发明双导入层塔扩张腔式分离器包括外壳(3)、上隔板(5)、中隔板(7)、下隔板(9)、大流量入口(1)、上隔板与外壳上部围成的大流量缓冲室(4)、小流量入口(2)、上和中二隔板与外壳上侧部分围成的小流量缓冲室(6)、中和下二隔板与外壳中下侧部分围成的重介质汇流室(8)、重介质出口(10)、下隔板与外壳下部围成的轻介质汇流室(11)、轻介质出口(12)，和至少一个旋流沉降分离单元所。对于每一个旋流沉降分离单元，主要由各自的旋流沉降分离罐(16)、罐底封闭板(13)、预旋大流量混合介质的轴向旋流发生器(22)、预旋小流量混合介质的向心旋流发生器(20)、轻介质导出管(15)、重介质导出孔(14)等部分所组成。其中轴向旋流发生器(22)安装于上隔板(5)的上表面，上隔板(5)在轴向旋流发生器(22)所覆盖的位置开上隔板开孔()；而向心旋流发生器(20)安装在上隔板(5)和中隔板(7)之间，中隔板在向心旋流发生器(20)的中空位置处对应开中隔板开孔(19)。旋流沉降分离罐(16)的内室上、下分成主旋流段(18)和多层扩张的旋流沉降段(17)两部分，主旋流段(18)为圆柱腔，或是圆柱腔续接一段收缩圆锥腔然后再接圆柱腔，而多层扩张的旋流沉降段(17)为上小下大的层塔形，每一层的结构均为锥柱腔——即一段扩张的圆锥腔再续接一段圆柱腔，锥柱腔的层数最少为一层，多则不限；下一层圆柱腔的直径大于上一层，各个腔均轴向贯通，最后一层锥柱腔的底端由罐底封闭板(13)封闭，罐底封闭板(13)的中部竖直插装轻介质导出管(15)，导出分离后的轻介质到轻介质汇流室(11)；在罐底封闭板(13)的周边部、或是最后一层锥柱腔的圆周面下部开通重介质导出孔(14)，导出分离后的重介质到重介质汇流室(8)。 

参见附图2，预旋小流量混合介质的向心旋流发生器(20)，是由是一个由多片向心径流叶片(24)所组成的组件，叶片按辐射状排布，固装于径流叶片上环支板(23)和径流叶片下环支板(25)之间。 

该组件安装于上隔板(5)和中隔板(7)之间，叶片外缘处的圆周直径大于中隔板导流孔()径，叶片内边缘处的分布圆直径与叶片上环支板(23)内圆开口直径、径流叶片下环支板(25)内圆开口直径相近，三圆心对齐，叶片的形状为直片形，或弯曲、扭曲形。 

小流量混合介质从该组件即向心旋流发生器(20)的外圆周，向内进入向心径流叶片(24)之间的流道，受叶片的导流作用，变成旋转流，切向进入旋流沉降分离罐(16)内的次上部空间，开始旋流和沉降分离。 

参见附图3，预旋大流量混合介质的轴向旋流发生器(22)，其结构形式之一是由多片螺旋轴流叶片(27)所组成的组件，叶片按辐射状排布，固装于叶片套筒(26)内。 

该组件即轴向旋流发生器(22)安装于向心旋流发生器(20)的上面，即径流叶片上环支板(23)的上表面，并与之对齐圆心。叶片套筒(26)的直径大于等于叶片上环支板(23)的内圆开口直径，叶片的形状为扭曲或是直叶片，沿着叶片套筒(26)内圆的螺旋方向旋转倾斜安装。

大流量混合介质从叶片套筒(26)的上端口进入螺旋轴流叶片(27)之间的流道，受叶片的导流作用，变成轴向螺旋流，下流进入旋流沉降分离罐(16)内的上部空间，开始旋流和沉降分离。 

参见附图4，预旋大流量混合介质的轴向旋流发生器(22)，其结构形式之二是由螺杆套筒(28)，包套并固装一个其圆周表面加工有单螺旋沟槽或多螺旋沟槽的螺杆轴段(29)所组成的组件。 

该组件即轴向旋流发生器(22)安装于向心旋流发生器(20)的上面，即径流叶片上环支板(23)的上表面，并与之对齐圆心，螺杆套筒(28)的直径大于等于叶片上环支板(23)的内圆开口直径。 

大流量混合介质从螺杆套筒(28)的上端口进入螺杆轴段(29)的螺旋沟槽与套筒内壁所围成的螺旋流道，受其导流作用，变成轴向螺旋流，下流进入旋流沉降分离罐(16)内的上部空间，开始旋流和沉降分离。 

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做详细说明，但不局限于本实施例。 

如图1所示，本发明双导入层塔扩张腔式分离器，是由外壳3、上隔板5、中隔板7、下隔板9、大流量入口1、上隔板与外壳上部围成的大流量缓冲室4、小流量入口2、上和中二隔板与外壳上侧部分围成的小流量缓冲室6、中和下二隔板与外壳中下侧部分围成的重介质汇流室8、重介质出口10、下隔板与外壳下部围成的轻介质汇流室11、轻介质出口12、和至少一个旋流沉降分离单元所组成的。其中：每个旋流沉降分离单元都是由各自的旋流沉降分离罐16、罐底封闭板13、预旋大流量混合介质的轴向旋流发生器22、预旋小流量混合介质的向心旋流发生器20、轻介质导出管15、重介质导出孔14等部分所组成；轴向旋流发生器22装于上隔板5的上表面，上隔板5在轴向旋流发生器22所覆盖的位置开上隔板开孔21，向心旋流发生器20装在上隔板5和中隔板7之间，中隔板在向心旋流发生器20的中空位置处对应开中隔板开孔19。旋流沉降分离罐16的内室上、下分成主旋流段18和多层扩张的旋流沉降段17两部分，主旋流段18为圆柱腔，或是圆柱腔续接一段收缩圆锥腔然后再接圆柱腔，而多层扩张的旋流沉降段17为上小下大的层塔形，每一层的结构均为锥柱腔——即一段扩张的圆锥腔再续接一段圆柱腔，锥柱腔的层数最少为一层，多则不限，下一层圆柱腔的直径大于上一层，各个腔都是轴向贯通的，最后一层锥柱腔的底端由罐底封闭板13进行封闭。罐底封闭板13的中部竖直插装轻介质导出管15，将旋流沉降分离罐16与轻介质汇流室11连通，在罐底封闭板13的周边或是最 后一层锥柱腔的圆周面下部开通重介质导出孔14，将最后一层锥柱腔与重介质汇流室8连通。 

每个旋流沉降分离单元中的轴向旋流发生器22、向心旋流发生器20、对应的上隔板开孔21、中隔板开孔19均与各自的旋流沉降分离罐16对中圆心。 

在小流量情况下，混合介质从小流量入口进到分离器，通过小流量缓冲室6，再同时进到一至多个向心旋流发生器20中，通过其中的向心径流叶片24之间的流道产生预旋，再进到对应的旋流沉降分离罐16的次上部空间，开始旋流和沉降分离。 

在大流量情况下，混合介质从大流量入口进到分离器，通过大流量缓冲室4，再同时进到一至多个轴向旋流发生器22中，通过其中的螺旋轴流叶片27之间的流道结构形式之一)，或是通过其中的螺杆轴段29的沟槽流道结构形式之二)，变成轴向螺旋流，下流进入对应的旋流沉降分离罐16内的上部空间，开始旋流和沉降分离。 

旋流沉降分离罐16内腔的各个不同内径的圆柱腔均由两端内径分别对应上下圆柱腔的圆锥腔连接过渡，各圆柱腔的内径范围在4～2500毫米之间，长径比范围为0.1～10，圆锥腔的内锥角在2～150°之间，两层相邻圆柱腔的内径之比在1∶1.02～1∶2之间，旋流沉降分离罐16壁的厚度在0.2～30毫米之间。 

罐底插装的轻介质导出管15将分离后的轻介质导入下隔板与外壳下部围成的轻介质汇流室11中，再从重介质出口10流出。重介质导出孔14将重介质导入中、下二隔板与外壳中下侧部分围成的重介质汇流室8中，再从重介质出口10流出。 

轻介质导出管15的高度在1～600毫米之间，直径在1～300毫米之间，高度在5～3000毫米之间。重介质导出孔14的直径在1～300毫米之间。 

如附图2所示，本发明层塔扩张腔式旋流沉降分离器，各个旋流沉降分离单元中，预旋小流量混合介质的向心旋流发生器20，是一个由多片向心径流叶片24，按辐射状排布，固装于径流叶片上环支板23和径流叶片下环支板25之间所组成的组件，该组件安装于上隔板5和中隔板7之间，叶片内边缘处的分布圆直径与叶片上环支板23内圆和径流叶片下环支板25内圆的开口直径相近，三圆心对齐，向心径流叶片24的数量为2～30片，厚度为0.1～20毫米，叶片的形状为直片形，或弯曲、扭曲形，叶片外缘处切线与排列圆径向的夹角α在-45°～+45°之间，内缘处切线与径向的夹角β在0°～90°之间。 

如附图3所示，本发明层塔扩张腔式旋流沉降分离器，各个旋流沉降分离单元中，预旋大流量混合介质的轴向旋流发生器22，其结构形式之一是由多片螺旋轴流叶片27，按辐射状排布，固装于叶片套筒26内所组成的组件，该组件安装于向心旋流发生器20的上面，即径流叶片上环支板23的上表面，并与之对齐圆心。叶片套筒26的直径大于等于叶片上环支板23的内圆开口直径，在3～1500毫米之间，螺旋轴流叶片27数量2～30片，厚度0.2～20毫米，叶片的形状为扭曲或是直叶片，沿着叶片套筒26内圆的螺旋方向旋转倾斜安装，叶片外缘与套筒轴线的倾斜角γ在1°～88°之间。 

如附图4所示，本发明层塔扩张腔式旋流沉降分离器，各个旋流沉降分离单元中，预旋大流量混合介质的轴向旋流发生器22，其结构形式之二是由螺杆套筒28，包套并固装一个其圆周表面加工有单螺旋沟槽或多螺旋沟槽的螺杆轴段29所组成的组件，该组件安装于向心旋流发生器20的上面，即径流叶片上环支板23的上表面，并与之对齐圆心，螺杆套筒28的直径大于等于叶片上环支板23的内圆开口直径，在3～1500毫米之间，螺杆轴段的螺旋导程角在10°～80°之间，长度在4～1500毫米之间。 

Claims (10)

1.双导入层塔扩张腔式分离器，包括外壳(3)、上隔板(5)、中隔板(7)、下隔板(9)、大流量入口(1)、上隔板与外壳上部围成的大流量缓冲室(4)、小流量入口(2)、上和中二隔板与外壳上侧部分围成的小流量缓冲室(6)、中和下二隔板与外壳中下侧部分围成的重介质汇流室(8)、重介质出口(10)、下隔板与外壳下部围成的轻介质汇流室(11)、轻介质出口(12)，和至少一个旋流沉降分离单元，其特征在于：每个旋流沉降分离单元包括各自的旋流沉降分离罐(16)、罐底封闭板(13)、预旋大流量混合介质的轴向旋流发生器(22)、预旋小流量混合介质的向心旋流发生器(20)、轻介质导出管(15)、重介质导出孔(14)；轴向旋流发生器(22)安装于上隔板(5)的上表面，上隔板(5)在轴向旋流发生器(22)所覆盖的位置开上隔板开孔(21)，向心旋流发生器(20)安装在上隔板(5)与中隔板(7)之间，中隔板在向心旋流发生器(20)的中空位置处对应开中隔板开孔(19)，旋流沉降分离罐(16)的内室上、下分成主旋流段(18)和多层扩张的旋流沉降段(17)两部分，主旋流段(18)为圆柱腔或是圆柱腔续接一段收缩圆锥腔然后再接圆柱腔，而多层扩张的旋流沉降段(17)为上小下大的层塔形，每一层的结构均为锥柱腔——即一段扩张的圆锥腔再续接一段圆柱腔，锥柱腔的层数至少一层；下一层圆柱腔的直径大于上一层，各个腔均轴向贯通，最后一层锥柱腔的底端由罐底封闭板(13)封闭，罐底封闭板(13)的中部竖直插装轻介质导出管(15)，将旋流沉降分离罐(16)与轻介质汇流室(11)连通，在罐底封闭板(13)的周边部或是最后一层锥柱腔的圆周面下部开通重介质导出孔(14)，将最后一层锥柱腔与重介质汇流室(8)连通。

2.如权利要求1所述的双导入层塔扩张腔式分离器，其特征在于：预旋小流量混合介质的向心旋流发生器(20)，是一个由多片向心径流叶片(24)所组成的组件，叶片按辐射状排布，固装于径流叶片上环支板(23)和径流叶片下环支板(25)之间；该组件安装于上隔板(5)和中隔板(7)之间，叶片内边缘处的分布圆直径与叶片上环支板(23)内圆开口直径、径流叶片下环支板(25)内圆开口直径相近，三圆心对齐，向心径流叶片(24)的数量为2～30片，厚度为0.1～20毫米，叶片的形状为直片形，或弯曲、扭曲形，叶片外缘处切线与排列圆径向的夹角α在-45°～+45°之间，内缘处切线与径向的夹角β在0°～90°之间。

3.如权利要求1所述的双导入层塔扩张腔式分离器，其特征在于：预旋大流量混合介质的轴向旋流发生器(22)，其结构形式之一是由多片螺旋轴流叶片(27)所组成的组件，叶片按辐射状排布，固装于叶片套筒(26)内；该组件安装于向心旋流发生器(20)的上面，即径流叶片上环支板(23)的上表面，并与之对齐圆心，叶片套筒(26)的直径大于等于叶片上环支板(23)的内圆开口直径，在3～1500毫米之间，螺旋轴流叶片(27)数量2～30片，厚度0.2～20毫米，叶片的形状为扭曲或是直叶片，沿着叶片套筒(26)内圆的螺旋方向旋转倾斜安装，叶片外缘与套筒轴线的倾斜角γ在1°～88°之间。

4.如权利要求1所述的双导入层塔扩张腔式分离器，其特征在于：预旋大流量混合介质的轴向旋流发生器(22)，其结构形式之二是由螺杆套筒(28)，包套并固装一个其圆周表面加工有单螺旋沟槽或多螺旋沟槽的螺杆轴段(29)所组成的组件，该组件安装于向心旋流发生器(20)的上面，即径流叶片上环支板(23)的上表面，并与之对齐圆心，螺杆套筒(28)的直径大于等于叶片上环支板(23)的内圆开口直径，在3～1500毫米之间，螺杆轴段(29)的螺旋导程角在10°～80°之间，长度在4～1500毫米之间。

5.如权利要求1所述的双导入层塔扩张腔式分离器，其特征在于：每个旋流沉降分离单元中的轴向旋流发生器(22)、向心旋流发生器(20)、对应的上隔板开孔(21)、中隔板开孔(19)均与各自的旋流沉降分离罐(16)对中圆心。

6.如权利要求1或2所述的双导入层塔扩张腔式分离器，其特征在于：小流量下，混合介质从小流量入口(2)进到分离器，通过小流量缓冲室(6)，再同时进到向心旋流发生器(20)中，通过其中的向心径流叶片(24)之间的流道产生预旋，再进到对应的旋流沉降分离罐(16)的次上部空间。

7.如权利要求3所述的双导入层塔扩张腔式分离器，其特征在于：大流量下，混合介质从大流量入口(1)进到分离器，通过大流量缓冲室(4)，再同时进到轴向旋流发生器(22)中，通过螺旋轴流叶片(27)之间的流道，变成轴向螺旋流，下流进入对应的旋流沉降分离罐(16)内的上部空间。

8.如权利要求4所述的双导入层塔扩张腔式分离器，其特征在于：大流量下，混合介质从大流量入口(1)进到分离器，通过大流量缓冲室(4)，再同时进到轴向旋流发生器(22)中，通过螺杆轴段(29)的沟槽流道，变成轴向螺旋流，下流进入对应的旋流沉降分离罐(16)内的上部空间。

9.如权利要求1所述的双导入层塔扩张腔式分离器，其特征在于：旋流沉降分离罐(16)内腔的各个不同内径的圆柱腔均由两端内径分别对应上下圆柱腔的圆锥腔连接过渡，各圆柱腔的内径范围在4～2500毫米之间，长径比范围为0.1～10，圆锥腔的内锥角在2～150°之间，两层相邻圆柱腔的内径之比在1：1.02～1：2之间，旋流沉降分离罐(16)壁的厚度在0.2～30毫米之间。

10.如权利要求1所述的双导入层塔扩张腔式分离器，其特征在于：轻介质导出管(15)的直径在1～300毫米之间，高度在5～3000毫米之间；重介质导出孔(14)的直径在1～300毫米之间。

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