一种耐磨固液分离旋流器的制作方法

本发明涉及一种应用于多相介质分离处理领域中的旋流分离装置。

背景技术：

油田进入高含水期后，长期的注水开发造成地层胶结变差，同时填砂压裂、聚合物驱油和三元复合驱油等新技术的应用，使得产液携砂能力增强，部分油井出砂日益严重，经常出现油层砂埋或抽油泵砂卡的现象。产液含砂已成为影响油田稳产增产的重要问题之一。产液进入采油泵之前将其中的砂高效地分离出来，对提高泵效、延长泵的寿命、提高原油开采和集输系统的稳定性，保证生产正常运行具有重要意义。

目前油田上应用的除砂方法主要有重力沉降、过滤除砂、离心除砂以及旋流器除砂等几种。重力沉降（罐）属于重力分离方法，是利用密度差进行分离。优点是设备结构、操作工艺简单，但占地面积大，适宜于陆上环境，空间足够大的场合；过滤（筛网）除砂具有高效的特点，但需要反复冲洗，设备占地面积大，适宜砂含量较少，砂粒粒径小等应用场合；离心分离是借助于离心力，使比重不同的物质进行分离的方法。由于离心机等设备可产生相当高的角速度，使离心力远大于重力，于是溶液中的悬浮物便易于沉淀析出：又由于比重不同的物质所受到的离心力不同，从而沉降速度不同，能使比重不同的物质达到分离；旋流分离是根据离心沉降和密度差分原理设计而成，使其内产生离心力场，根据物质间的密度差及离心力的作用，从而达到分离的效果，旋流器由于结构简单、安装方便、操作便捷等优点，被广泛的应用于各个工业领域。

但自从旋流器使用以来，磨损及短路流问题就一直受到人们的极大关：关于磨损问题虽然在耐磨材料方面进行了大量研究，但事实表明，耐磨材料虽然一定程度上减缓旋流器壁面磨损但是经济造价比较高而且旋流器磨损问题仍然存在；而对于短路流来说，由于旋流器本身结构特性，以致短路流成为现有水力旋流器内固有的流动特征，降低了旋流器分离效率。旋流器作为一种分离设备已经在我国获得了一定的应用。对固液两相旋流分离器的发明专利，如（ZL201420696269.3、ZL201210128843.0、ZL200920082610.5、ZL201220577030.5等），东北石油大学(原大庆石油学院)先后也申请了多项发明专利，如（ZL201510366926.7、ZL201510232863.6、ZL200920099307.6）等。但是以上这些发明主要通过改变旋流器结构形状或者串联并联旋流器等形式，如增设内锥、改变溢流口结构，如此设计，设备维修处理困难，若旋流器磨损，则直接影响旋流器使用寿命。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明在得到教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（博导类，20132322110002）和国家863计划课题（2012AA061303）的资助下，研究后提出了一种耐磨固液分离旋流器，该种耐磨固液分离旋流器结构简单、耐磨性能好、可以减少短路流的问题，便于维修更换，具有较高的实用价值。

本发明的技术方案是：该种耐磨固液分离旋流器，包括一个圆筒状的旋流腔，在旋流腔的上端侧壁沿切向接入两个液流入口，其独特之处在于：

旋流腔的上封闭端为弧形顶面，溢流口穿透所述弧形顶面后固定在其上，所述溢流口为一根直管；所述耐磨固液分离旋流器还包括外锥筒上段、外锥筒下段、底流口以及内衬小锥。

其中，底流口为直管状，连接在外锥筒下段的下端；外锥筒上段和外锥筒下段的锥角相同，外锥筒上段的底端带有外锥筒上段法兰，外锥筒下段的顶端带有外锥筒下段法兰，外锥筒上段法兰与外锥筒下段法兰之间通过螺栓相连接；外锥筒上段与旋流腔相连接。

内衬小锥位于外锥筒下段内，内衬小锥与外锥筒下段相接触的部位开有若干个对称的椭圆形排砂孔，所述内衬小锥与外锥筒下段的内壁之间形成锥间环空；内衬小锥通过销钉锁紧在外锥筒下段内。

外锥筒下段的内部对称固定有至少2块筋板，筋板沿外锥筒下段的轴向间隔分布以实现对内衬小锥的支撑，所述筋板将锥间环空分割成至少2个排砂通道；锥间环空与底流口相连通。

本发明具有如下有益效果：首先，本发明中的旋流腔顶端采用弧线形顶面设计，使旋流腔同一水平面压力保持一致，消除短路流影响；其次，.内衬小锥内椭圆形排砂孔的存在使得混合液体在旋流器内高速旋转时，固相和密度较大的液相能够通过排砂孔进入锥间环空内，密度较小的液相在内衬小锥内旋转分离，内衬小锥的设计一方面可以减缓对旋流器产生的严重磨损，另一方面也可使混合液体在外锥段下半部分再次发生离心分离，进一步提高分离效率；再次，内衬小锥设计成可替换形式，当磨损严重时可以从外锥段与内衬小锥相连部位拆除更换新的内衬小锥，从而降低了旋流器设备投资，同时提高旋流器整体的使用寿命。本发明既可应用于石油、化工、选矿等行业的不互溶两相介质的离心分离处理，同时也为旋流器工程设计提供一定的参考。

附图说明：

图1是本发明的A-A截面剖面结构示意图。

图2图1的B-B截面剖面结构示意图。

图3本发明的立体结构示意图。

图4本发明的纵剖面尺寸关系图。

图5本发明的上剖面尺寸关系图。

图6为本发明所述内衬小锥插入外锥筒下段后的内部结构示意图。

图7为本发明所述内衬小锥的俯视结构示意图。

图8为本发明所述外锥筒下段的内部结构示意图。

图9为本发明所述外锥筒下段的俯视结构示意图。

图10是本发明所述内衬小锥的主视结构示意图。

图中1-溢流口；2-液流入口；3—旋流腔；4-外锥筒上段；5-排砂孔；6-内衬小锥；7—外锥筒上段法兰；8-外锥筒下段法兰；9-螺栓；10-锥间环空；11-筋板；12-底流口，13-弧形顶面，14-外锥筒下段。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1至图10所示，该种耐磨固液分离旋流器，包括一个圆筒状的旋流腔3，在旋流腔3的上端侧壁沿切向接入两个液流入口2，其独特之处在于：

旋流腔3的上封闭端为弧形顶面13，溢流口1穿透所述弧形顶面后固定在其上，所述溢流口为一根直管；

所述耐磨固液分离旋流器还包括外锥筒上段4、外锥筒下段14、底流口12以及内衬小锥6；

其中，底流口12为直管状，连接在外锥筒下段14的下端；外锥筒上段4和外锥筒下段14的锥角相同，外锥筒上段4的底端带有外锥筒上段法兰7，外锥筒下段14的顶端带有外锥筒下段法兰8，外锥筒上段法兰7与外锥筒下段法兰8之间通过螺栓9相连接；外锥筒上段4与旋流腔3相连接；

内衬小锥6位于外锥筒下段14内，内衬小锥6与外锥筒下段14相接触的部位开有若干个对称的椭圆形排砂孔5，所述内衬小锥与外锥筒下段的内壁之间形成锥间环空10；内衬小锥6通过销钉锁紧在外锥筒下段14内；

外锥筒下段14的内部对称固定有至少2块筋板11，筋板11沿外锥筒下段14的轴向间隔分布以实现对内衬小锥6的支撑，所述筋板将锥间环空10分割成至少2个排砂通道；锥间环空10与底流口12相连通。

图4和图5分别为本发明的纵剖面和上剖面尺寸关系图。按照如下的规则确定相应尺寸为宜。即旋流腔直径为D；溢流管直径D₁（0.1D< D₁ <0.5D）；内衬小锥直径D₃（0.1D< D₃<0.9D）；排砂孔直径D₃（0.01D< D₃<0.2D）；内衬小锥直径D₄（0.2D< D₄<0.9D）；底流圆柱段直径D₅（0.2D< D₅<0.9D）；旋流腔高度H（D< H<5D）；入口管高度H₁（0.2D< H₁<0.5D）；外锥段高度H₂（D< H₂<10D）；筋板高度H₃（0.5D< H₃<5D）；内衬小锥高度H₄（D< H₄<5D）；溢流管伸入长度L（0.05H< L<0.5H）；入口管厚度L₁（0.05H< L₁<0.5H）；入口管长度L₂（0.05H< L₂<0.5H）；外锥段锥角α（0.5°< α <60°）；外锥段锥角β（2α<β<4α）；旋流腔圆弧段L₃（0.2 H < L₃<0.9 H）。

本种分离旋流器工作时，混合物料通过切向液流入口2进入分离器内，将混合介质的直线运动变成圆周运动，在密度差的作用下，依靠离心力完成分离过程。首先混合来液在弧形顶面的旋流腔3内旋转，运动路线呈螺旋形，由于旋流腔3的顶面弧线设计消除了旋流腔3顶部的低压区，既减少了入口2与溢流口1压力差值，又减少进入旋流器未经分离而直接从溢流口1排出产生的短路流，提高分离效率。后面连续流入的混合介质推动旋流腔3内的混合介质边旋转边先向外锥段运动，由于旋流器的内径逐渐缩小，使液体的旋转速度加快，液体产生旋流运动，沿径向的压力不等，靠近轴线附近的压力最低，形成低压区，而在旋流器边壁处的压力最高，这就使得密度较小的液体边旋转边向上运动，密度较大的液体边向边壁旋转边向下运动，旋转的混合液体运动到外锥筒下段与内衬小锥相连部位时，由于内衬小锥在与外锥筒下段相贯的部位开有4-8个对称的椭圆形排砂孔5，通过排砂孔5可将分离出的含砂介质排到内衬小锥6的外侧，即外锥段的下部。筋板位于椭圆形排砂孔下方，防止堵塞排砂孔，它将内衬小锥6固定在旋流器内部，使内衬小锥6与旋流器器壁之间形成一个环形空间，即锥间环空10，同时筋板11又将该锥间环空7分割成4个通道。一部分经过分离后的大颗粒介质通过排砂孔5进入锥间环空10内，在锥间环空10内竖直下落，避免了旋转运动对壁面的磨损，还有部分混合介质进入内衬小锥6，进一步产生旋流分离，密度较小的液体边旋转边向上运行，密度较大的固体颗粒及部分液体介质边向下旋转边向边壁运行，使在外锥筒上段未经分离的固体颗粒杂质进一步加速分离，促进了旋流器的二次分离。最终该部分重质相沿内衬小锥6底部随部分液体介质流出，与环形空间的重质相在底流口12汇合一起。而轻质液相在内衬小锥6边旋转边向上运动，最终从溢流口1排出，完成两相介质的分离。

运行中定期打开法兰，观察内衬小锥磨损情况，若内衬小锥磨损不严重，则重新安装回去，若内衬小锥磨损严重及时更换。

本种结构的旋流器克服旋流器自身短路流特性；提高旋流器耐磨性能，延长旋流器使用寿命降低设备投资，稳定其结构参数，更重要的是能保证其技术性能的稳定和满足生产工艺的要求，降低生产成本和提高企业经济效益，同时也促进分离技术的发展。

该发明可应用于石油、化工、选矿等行业的不互溶两相介质的离心分离处理，如液体的除砂、澄清、浓缩、颗粒分级、矿粒分选等等。对于液-固分离器的研究也提供了有益的参考。