两种不同密度介质的同向旋流分离器的制作方法

本发明涉及液体分离领域，特别是涉及一种针对两种不同密度的混合介质进行分离的同向旋流分离器。

背景技术：

旋流分离器是一种常用的分离装置，当具有密度差异的两相进入旋流分离器后，通过入口的导流作用形成旋流场，在旋流场中，因密度不同，两相受到的离心力不同，在径向方向上迁移方向不同，密度小的轻质相向管道中心区域运动，密度大的重质相向管道壁面运动，两者分别从不同的口流出从而实现两相旋流分离。这种分离装置相对于传统的重力沉降分离设备而言具有结构简单、没有运动部件、占地面积小、生产能力大等优点，被广泛应用于各个行业如石油行业、市政污水处理等。

现有的旋流分离器，共同点是具有密度差异的两相在旋流场中实现径向上分离之后，在轴向运动方向相反，这种轴向运动反向的两相流动会在交界面互相干扰，分离性能不稳定，而且分离效果较差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够提高两相混合液分离效果的分离器。

特别地，本发明的两种不同密度介质的同向旋流分离器，包括依次连接的：

入口管，用于接收待分离的混合液；

旋流管，通过一端与所述入口管连通，用于对进入的所述混合液进行旋转分离；

溢流管，安装在所述旋流管另一端的轴心线上，用于排出分离后的轻质相液体；

重质相出口管，其一端以与所述旋流管相切的方式安装在所述旋流管的另一端，用于排出分离后的重质相液体；

旋流转换器，安装在所述旋流管内靠近所述入口管一端，包括棒体，和安装在所述棒体外圆周的导向叶片，所述导向叶片将流经的混合液体由轴向流动 变为圆周向的旋转流动。

进一步地，所述旋流转换器的棒体为实心结构，包括中部的圆柱体，和设置在所述圆柱体两端对称的半椭圆端，所述半椭圆端为一概率曲线函数旋转一周所成，所述概率曲线的高度为所述圆柱体半径的2.5倍。

进一步地，所述导向叶片围绕所述棒体的圆柱体在圆周上均匀分布，包括与所述混合液行进方向相对且与所述旋流管的轴心线平行的第一直线段，与所述第一直线段远离所述混合液行进方向一端相切连接的圆弧段，与所述弧形段另一端相切连接的第二直线段。

进一步地，所述导向叶片的数量至少为三片，所述圆弧段的半径为所述圆柱体周长的一半，所述第二直线段与所述旋流管的横截面的夹角α为0～30°。

进一步地，所述棒体的长度与所述旋流管的长度比为1：7。

进一步地，所述入口管与所述旋流管通过渐扩管道连接，所述渐扩管道根据所述入口管的直径与其产生旋流时的所述旋流管管径差异，为渐扩结构或渐缩结构。

进一步地，所述旋流管安装所述旋流转换器处的截面通道面积与所述入口管的截面通道面积比为1：3～4。

进一步地，所述溢流管和所述重质相出口管的管径，由所述入口管处流入的所述混合液的轻重质比例确定。

进一步地，所述溢流管与所述旋流管的连接端插入所述旋流管内，且位于所述旋流管内的长度不超过所述重质相出口管与所述旋流管的连接点。

进一步地，所述入口管和所述溢流管上分别安装有流量计和控制阀。

本发明利用流线型导流片的除水结构，使两相介质在管道中沿着相同的轴向向前旋转运动，从而可减少双反向旋流运动带来的掺混问题。本发明结构紧凑，易于维护，尤其可应用于环境比较苛刻的地方如井筒中，也可以应用在未来深水水下油田开采系统中，并可与其它工艺设备配套，制造成体积小功能强的成套分离设备，有良好的应用前景。

本发明工艺简单，无运动部件，维护方便，运行费用低，结构紧凑，分离性能优良。能够克服水力旋流器空间结构不紧凑的问题，尤其可应用于井下油水分离、未来深水水下气-液分离、液-液分离等领域，具有广泛的应用价值。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的同向旋流分离器的结构示意图；

图2为图1中旋流转换器结构示意图；

图3为图1中导向叶片的结构示意图；

图中：10-入口管、11-入口管计量计、20-旋流管、30-溢流管、31-溢流管计量计、32-阀门、40-重质相出口管、50-旋流转换器、51-棒体、511-圆柱体、512-半椭圆端、52-导向叶片、521-第一直线段、522-圆弧段、523-第二直线段、60-渐扩管道、100-同向旋流分离器。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例的同向旋流分离器100一般性地包括依次连接的入口管10、旋流管20、溢流管30和重质相出口管40，以及安装在旋流管20中的旋流转换器50。

该入口管10通过一端与待分离的混合液的出口连接。这里的混合液可以是气—固、液—固、液—液或气—液的混合物。

该旋流管20通过一端与入口管10的另一端连通，旋流管20用于为进入的混合液进行旋转分离提供空间。

该旋流转换器50安装在旋流管20内靠近入口管10的一端，其包括棒体51，和安装在棒体51外圆周的导向叶片52，该导向叶片52将流经的混合液体由轴向流动变为圆周向的旋转流动。

该溢流管30安装在旋流管20另一端的轴心线上，用于排出分离后的轻质相液体。

该重质相出口管40的一端以与旋流管20相切的方式安装在旋流管20安装溢流管30的一端，用于排出分离后的重质相液体。

工作时，整个同向旋流分离器100垂直地安装在混合液的排出口上，混合液由入口管10进入旋流管20，进入旋流管20的混合液在旋流转换器50处被改变流向，由轴向的流动变为绕轴心线的圆周旋转流动，混合液在旋转流动过程中，重质相液体在离心力的作用下逐渐被甩到旋流管20的圆周侧壁处，而轻质相液体则聚于旋流管20的轴心线处。在旋流管20的另一端，轻质相液体由位于旋流管20轴心线上的溢流管30流出，而重质相液体则由与旋流管20侧壁相切的重质相出口管40流出。

本实施例中，分离后的轻质相液体和重质相液体由同一端流出，两相在旋流管道中沿着相同的轴向向前旋转运动，从而减少双反向旋流运动带来的掺混问题。具体的应用场所可以是井下油水分离、未来深水水下气-液分离、液-液 分离等。旋流转换器50可以利用重力自然落在旋流管20的下端，也可以利用相应的固定装置将其固定在旋流管20的指定位置。

在本实施例中，溢流管30和重质相出口管40的管径，可以由入口管10处流入的混合液的轻重质比例确定。基本保证重质相出口管40的径向截面面积与旋流管20的径向截面面积之比等于入口管10处重质相的含率。

为避免液体流出，旋流管20安装溢流管30的一端为封闭端，而溢流管30插入地安装在该端内，溢流管30插入旋流管20内的长度一般不超过重质相出口管40与旋流管20的连接点，且位于重质相出口管40与旋流管20相交线的最下端附近。

重质相出口管40与旋流管20相切的位置应与旋流管20中的旋流流向一致，以保证重质相液体顺利流出。重质相出口管40可以是一个具备90度折角的弯管，其出口端与溢流管30的流出方向相反，使重质相出口管40与入口管10、溢流管30处于同一平面上。

为根据流入混合液中轻重相的比例来调控分离后液体的输出，可以在入口管10和溢流管30上分别安装流量计和控制阀。利用入口管流量计11与溢流管流量计31的比值，与入口管10处混合液的轻质相含率的大小进行比较，然后调节溢流管30处阀门32的开度，使两者值相近，从而可以提高同向旋流器100的工作性能。

进一步地，在本发明的一个实施例中，该旋流转换器50的棒体51可以为实心结构，其包括中部的圆柱体511，和设置在圆柱体511两端对称的半椭圆端512。整个棒体51为一体成型的流线型结构，其中两端的半椭圆端512的顶部呈平滑过渡尖状。该结构可以减少对混合液的阻力，并提高自身的耐用性。

进一步地，在本实施例中，导向叶片52可以围绕棒体51的圆柱体511在其圆周上均匀分布。各导向叶片52可以分别包括与混合液行进方向相对且与旋流管20的轴心线平行的第一直线段521，和与第一直线段521远离混合液行进方向一端连接的圆弧段522，以及与圆弧段522另一端相切连接的第二直线段523。采用弧形的导向叶片52可以更方便混合液形成旋流。具体的导向叶片52数量可以根据入口管10的管径确定，以能够带动流入的混合液旋转为目的，但导向叶片52的数量至少为三片。圆弧段522的弧度与旋流管20的管径对应，以使混合液进入导向叶片522形成的通道后，将旋流管20中的来流平滑过渡为具有周向速度的旋转流动。

该导向叶片52沿圆柱体511表面的展开线如图2、3所示，导向叶片52 由长为a的第一直线段521、圆弧段522和第二直线段523组成，圆弧段522的两端分别与第一直线段521和第二直线段523相切，圆弧段522的半径为圆柱体511周长的一半，第二直线段523与旋流管20的横截面夹角为α(0-30°)，整个导向叶片52沿圆柱体511缠绕180°。棒体51两端的半椭圆端512为突出的尖锥，尖锥表面为一概率曲线函数旋转一周所成。该概率曲线的高度为圆柱体511半径的2.5倍，其作用是使得来流光滑过渡。

为使混合液有充足的分离时间，该旋流转换器50的棒体51长度与旋流管20的长度比可以为1：7。通过该比例可以使混合液在经过旋流转换器50改变流向后，有足够的离心力作用，以分离重质相液体和轻质相液体。

为使混合液更易进入旋流状态，在本发明的一个实施例中，该入口管10与旋流管20可以通过渐扩管道60连接，该渐扩管道60可以根据入口管10的直径与其产生旋流时的旋流管20管径差异，采用渐扩结构或渐缩结构。一般入口管10的管径为旋流管20管径的1/2，渐扩管道60可以使混合液无阻碍的进入旋流管20。

进一步地，为方便混合液进入旋流状态，该旋流管20安装旋流转换器50处的截面通道面积与入口管10的截面通道面积比为1：3～4。当混合液进入旋流转换器50处时，混合液由一个较宽的空间进入一个较小的空间，其压力增大，流速增加，从而产生一个加速度，提高了混合液经过导向叶片52后的旋转速度，从而产生更大的离心力，更易分离轻质相液体和重质相液体。

以下以一个具体的例子来说明同向旋流分离器100的结构和工作过程。

针对生产中后期的日产量达2432m3/d的油井，其产液含油率为5％，井筒的径向尺寸小于250mm，同向旋流分离器100的径向尺寸总共要小于200mm。在上述参数下，同向旋流分离器100的入口管10的管径为80mm，长度为200mm；渐扩管道60长为200mm，两端管径分别为80mm、100mm；旋流管20的管径为100mm，长度1000mm；旋流转换器50安装在离旋流管20入口200mm处，导向叶片52数目为3个，导向叶片52的第一直线段521长度为10mm，圆弧段522的半径为117mm，与圆弧段522相切的第二直线段523与旋流管20横截面夹角α为30°，整个导向叶片52的长度为100mm，棒体51上与导向叶片52附着部分的直径为50mm，两端半椭圆端512长为90mm；旋流管20的上端用一法兰盘密封，溢流管30的管径为35mm，重质相出口管40的直径为45mm，重质相出口管40离旋流管20上端法兰盘密封处5mm，溢流管30的插入深度为55mm。

在本实施例中，同向旋流分离器100的日处理量为2000-2500m3/d，能使50％的水从重质相出口管40流出，且水中含油率低于600ppm，其余的生产液被泵送至平台进行深度处理。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。