一種螺旋片導流式相分離裝置的製作方法

2024-04-11 03:48:05

本發明涉及液體分離領域，特別是涉及一種對密度不同的兩相混合流體進行分離螺旋片導流式相分離裝置。

背景技術：

在石化、航空、環保等領域，通常都需要對密度不同的兩相混合流體進行分離，從而滿足工藝流程的技術要求、完成產品的淨化或回收有用的原料。例如油井採出液油氣分離、加氫裝置重複使用的循環氫氣脫硫及合成硝酸、氨、甲醇生產中原料氣的淨化分離等。

當前的分離技術可分為重力沉降、過濾、離心分離等方式。其中，在需要對大量的兩相混合流體進行快速分離的時候，重力沉降和過濾技術都是有效的分離技術手段，但該處理速度相對較慢，而且設備結構複雜、體積龐大。而離心原理設計的分離器是使進入的混合物設定成旋轉，根據流體存在的重差，使相流體遷移到分離器的中心區域，而重相流體會遷移到分離器的周邊區域，此類分離器具有分離效率高、結構緊湊、適用範圍寬泛等優點，因此成為研究最多的分離技術，並已經發展出眾多實用性的分離器。

但目前依據離心原理設計的分離器普遍忽略了一個問題，兩相混合流體在輸運到相分離裝置的過程中易形成分層流動，從而不能充分利用周向分布的旋轉發生單元，使得輕相流體不能快速有效地聚併到分離器中心區域。

技術實現要素：

本發明的目的是要提供一種能夠降低混合液體進入兩相分離前分層現象的螺旋片導流式相分離裝置。

特別地，本發明提供一種螺旋片導流式相分離裝置，包括分離管，所述分離管根據作用區域依次分：

摻混段，與待分離的液體輸入管連接，內部設置有靜態混合器，所述靜態混合器用於將輸入的液體進行充分混合；

旋流段，內部安裝有旋流器，所述旋流器包括橢圓形的布置在所述分離管軸心線上的旋流柱，和在所述旋流柱的柱身上以螺旋方式均勻分布的螺旋導流片；所述旋流柱的形狀限定為：

所述a、b分別為所述旋流柱的長軸與短軸長度，c為所述螺旋導流片的初始端與所述旋流柱的短軸之間的距離；原點為所述螺旋導流片的初始端與所述旋流柱長軸的交點，x軸平行於所述旋流柱的短軸，正方向為垂直向上，z軸平行於所述旋流柱的長軸，正方向為水平向右，y軸通過右手直角坐標系確定；

分離段，經過所述旋流段的液體在此段能夠在離心力的作用下充分分離成內外兩個旋流場；

排出段，包括位於所述分離管端頭上的重相排管，和一端沿所述分離段的軸心線插入所述旋流段內另一端穿過所述分離管側壁的輕相排管。

在本發明的一個實施方式中，所述螺旋導流片上任一點在柱面坐標系下的柱面坐標為：

其中r為所述螺旋導流片上任一點的半徑，θ為任一所述螺旋導流片初始端的角度，α為任一所述螺旋導流片初始端到末端的旋轉角度，L為所述螺旋導流片的軸向長度，R為所述旋流段的內徑。

在本發明的一個實施方式中，在所述輕相排管的進入端外部同心套有穩定套管，所述穩定套管包括一個直徑漸增的穩定段，和設置在穩定段後端對液體可形成迴旋阻擋的截止段。

在本發明的一個實施方式中，所述靜態混合器是由一定規格的波紋板組裝而成的圓柱體。

在本發明的一個實施方式中，在所述輕相排管和所述重相排管的排出端上分別安裝有壓力表和壓力調節閥，通過對所述壓力調節閥的控制可以調整相應排出端的液體流量。

在本發明的一個實施方式中，所述螺旋導流片有六個，且分別布置在所述旋流柱的30°、90°、150°、210°、270°、330°位置處，且各所述螺旋導流片的旋轉角度分別為120°。

在本發明的一個實施方式中，各所述螺旋導流片形成的旋流部的底部和頂部為平整的斷面，所述旋流柱的頂端和底端分別露出所述旋流部底部和頂部。

本發明具有裝置尺寸小、重量輕、分離效率高等優點。本發明適用於工業生產過程中需要對密度不同的兩相混合流體進行分離的多種場合，從而滿足工藝流程的技術要求、完成產品的淨化或回收有用的原料，有很好的工業應用前景。

附圖說明

圖1是本發明一個實施例的相分離裝置結構示意圖；

圖2為螺旋導流片結構示意圖；

圖3為圖2中橢圓軸輪廓圖；

圖4為圖2中A—A剖面圖；

圖5為圖2中B—B剖面圖；

圖6為圖2中C—C剖面圖。

具體實施方式

如圖1、2、3所示，本發明一個實施例的螺旋片導流式相分離裝置100一般性地包括一根用於為各部件提供安裝基礎的分離管10，該分離管根據在混合液體分離時所起的作用依次分為摻混段11、旋流段12、分離段13和排出段14。

該摻混段11與待分離的液體輸入管連接，內部設置有靜態混合器111，該靜態混合器111用於將輸入的液體進行充分混合，其混合包括多次分割、移位和重新混合等過程，使進入的已經出現分層現象的混合液體完全混合在一起，為後面的旋流分離提供保證。靜態混合器111能夠使進入液體在「分割-移位-重新混合」三個混合要素下，有規律反覆作用而實現混合。而湍流時，除了上述三要素外，由於兩相流體在流動斷面方向產生劇烈渦流，由此導致有很強的剪切力作用於流體，這使流體的微細部分進一步被分割，進而實現再一次混合。具體的靜態混合器111可以是由一定規格的波紋板組裝而成的圓柱體。

該旋流段12的內部安裝有旋流器121，具體的旋流器121包括橢圓形的布置在分離管10軸心線上的旋流柱122，和在旋流柱122的柱身上以螺旋方式均勻分布的多個螺旋導流片123；當密度不同的兩相混合流體摻混後流經此段時，形成中心對稱的旋流場，重相流體被甩到旋流段12的內側壁周邊區域，而輕相流體聚併到管道中心。

具體旋流柱122的形狀限定公式為：

其中，a、b分別為旋流柱122的長軸與短軸長度，c為螺旋導流片123初始端與旋流柱122短軸之間的距離；原點為螺旋導流片123初始端與旋流柱122長軸的交點，x軸平行於旋流柱122的短軸，正方向為垂直向上，z軸平行於旋流柱122的長軸，正方向為水平向右，y軸通過右手直角坐標系確定。

而螺旋導流片123上任一點在柱面坐標系下的柱面坐標為：

其中r為螺旋導流片123上任一點的半徑，θ為任一螺旋導流片123初始端的角度，α為任一螺旋導流片123初始端到末端的旋轉角度，L為螺旋導流片123的軸向長度，R為旋流段的內徑。

該分離段13用於為經過旋流段12的液體在此段能夠在離心力的作用下充分分離成內外兩個旋流場提供足夠的場所。在分離段13中，受重力影響的重相流體完全集中在周邊側壁區域處，而輕相流體在此段中形成細長核心。

該排出段14可以包括位於分離管10端頭上的重相排管142，和一端沿分離段13的軸心線插入分離段13內另一端穿過分離管10側壁的輕相排管141。

在本實施方式中，兩相混合流體經參混段11進入相分離裝置100後，經過靜態混合器111後輕相流體與重相流體充分摻混，不再分層流動。充分摻混後的兩相混合流體流經旋流段12由旋流器121形成中心對稱的旋流場，在離心力的作用下，進入分離段13的重相流體被甩向分離段13的內壁區域，輕相流體聚並在分離段13的中心區域形成輕相流體核心131。重相流體繼續沿分離管10內側壁直行，最終從重相排管142離開相分離裝置100。而輕相流體核心131進入輕相排管141後離開相分離裝置100。最終達到兩相分離的目的。

本實施方式具有裝置尺寸小、重量輕，通過對混合液體的先充分混合再分離，大大提高分離效率。通過特定形狀的旋流器可增加對混合液體的離心影響，進一步加強分離效果。本發明適用於工業生產過程中需要對密度不同的兩相混合流體進行分離的多種場合，從而滿足工藝流程的技術要求、完成產品的淨化或回收有用的原料，有很好的工業應用前景。

在本發明的一個實施方式中，可以在輕相排管141的進入端外部同心套有穩定套管143，穩定套管143包括一個直徑漸增的穩定段144，和設置在穩定段144後端對液體可形成迴旋阻擋的截止段145。輕相流體核心131未進入輕相排管141的液體沿穩定套管143的穩定段144前進，在遇到截止段145後，在截止段145的坡面結構下形成迴旋，停止發散，不再繼續向前流動，避免了從重相排管142流出，極大地提高了分離效果。

在本發明的一個實施方式中，還可以在輕相排管141和重相排管142的排出端上分別安裝壓力表和壓力調節閥(圖中未示出)，通過對壓力調節閥的控制可以調整相應排出端的液體流量。正常情況下，通過調節重相排管142和輕相排管141處的壓力調節閥，可控制輕相流體核心131的大小，使輕相流體與重相流體最大限度沿各自出口流出。如果輕相流體核心131偏大，則需要增大重相排管142的背壓或者減小輕相排管141的背壓，使重相流體與輕相流體的分界面穩定接觸在輕相排管141的外側，最終輕相流體與重相流體幾乎都沿各自出口排出；反之亦然。

在本發明的一個實施方式中，具體的旋流器121上的述螺旋導流片123可以設置六個，且六個螺旋導流片123分別布置在旋流柱122的30°、90°、150°、210°、270°、330°位置處，而且各螺旋導流片123的旋轉角度可以分別為120°。

進一步地，在本發明的一個實施方式中，各螺旋導流片123形成的旋流部的底部和頂部可以為平整的斷面，而旋流柱122的前端和後端則分別露出旋流部底部和頂部(以液體進入方向為前端，排出方向為後端)。具體的旋流柱122後端露出的長度可以大於前端露出的長度，後端露出長度可以是整個旋流柱122長度的五分之一。

以下公開一個具體的相分離裝置的實施例。

如圖4、5、6所示，其中摻混段進入的混合液體流量為19～25m3/h，常壓下空氣體積含率低於11％。分離管的內徑為80mm，輕相排管的內徑為25mm，穩定套管的直徑為55mm。旋流器中各參數值分別為：a＝70mm，b＝18mm，c＝60mm，L＝100mm，R＝80mm，共有6個螺旋導流片，θ分別為30°、90°、150°、210°、270°、330°，A-A剖面到C-C剖面螺旋導流片旋轉角度α＝120°，A-A剖面、B-B剖面、C-C剖面中內圓直徑分別為18mm、36mm、30mm,A-A剖面距旋流柱起始端10mm,C-C剖面距旋流柱末端30mm。

下面利用上述實施例對空氣與水的混合液進行氣液分離說明：

一、將空氣與水的混合液經參混段入口輸入到分離管內，此時由於空氣與水存在較大的密度差，混合液可能已形成分層流動，空氣在管道上層流動，水在管道下層流動。

二、混合液流經靜態混合器，經受多次分割、剪切、旋轉和重新混合，便實現了空氣與水的充分摻混。

三、之後充分摻混的空氣與水的混合液進入旋流段，旋流器使混合液產生強烈的渦旋，在離心力的作用下，空氣遷移聚並至分離段管道中心區域形成氣核，水被甩向分離段管道內壁區域。

四、氣核繼續向前流動，進入輕相排管排出，在這個過程中，氣核在穩定套管處停止發散。水繼續沿著分離管內壁直行，最終從重相排管排出。

五、在整個分離過程中，需要根據氣核大小以及壓力表的讀數，調節重相排管與輕相排管的壓力調節閥，使氣核與水的分界面穩定接觸在輕相流體排出通道外側。

至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發明的多個示例性實施例，但是，在不脫離本發明精神和範圍的情況下，仍可根據本發明公開的內容直接確定或推導出符合本發明原理的許多其他變型或修改。因此，本發明的範圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。