一种柱体高效气液分离器
阅读说明：本技术 一种柱体高效气液分离器 (High-efficient vapour and liquid separator of cylinder ) 是由 张军 钟兴福 刘向东 林黎明 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种柱体高效气液分离器,该柱体高效气液分离器包括主体管道和多个加速起旋组件,所述加速起旋组件包括至少1个加速起旋器；所述主体管道内形成有空腔,多个所述加速起旋组件设置于所述空腔内,单个所述加速起旋组件沿着所述主体管道的径向设置；沿着所述主体管道的轴向,多个所述加速起旋组件呈平行间隔分布；所述加速起旋器沿着所述主体管道的轴向的横剖面关于所述主体管道的径向为对称结构；该柱体高效气液分离器解决了现有技术中高含气或者气体处理量较高时气液分离不理想的问题。(The invention discloses a column high-efficiency gas-liquid separator, which comprises a main pipeline and a plurality of acceleration rotation starting assemblies, wherein each acceleration rotation starting assembly comprises at least 1 acceleration rotation starter; a cavity is formed in the main body pipeline, a plurality of acceleration rotation starting assemblies are arranged in the cavity, and a single acceleration rotation starting assembly is arranged along the radial direction of the main body pipeline; a plurality of accelerating rotation-starting assemblies are distributed in parallel at intervals along the axial direction of the main pipeline; the cross section of the accelerating spinner along the axial direction of the main pipeline is a symmetrical structure relative to the radial direction of the main pipeline; the high-efficiency gas-liquid separator solves the problem that gas-liquid separation is not ideal when high gas content or gas treatment capacity is high in the prior art.)
技术领域
本发明涉及气液分离领域，具体涉及一种柱体高效气液分离器。
背景技术
在石油开采行业中，有些油田区块会遇上高含气采出液或气体处理量较大的情况，采出液包含油气水砂，其中的气体还可以分为溶解气和自由气，自由气本身以气体形式存在，容易分离，而溶解气是在特定条件下溶解在油中或水中的那部分气体，不容易分离。
在溶解气含量很高的采出液中，不仅在原油中高含溶解气，而且的采出水中也含大量的溶解气，溶解气以小气泡形式存在于液体中。现有设备分离溶解气的方法是将采出液至于常压状态，自然脱气，缺点是分离时间长、效率低和设备体积大。
一般地，气液分离装置是油田开采与后处理过程中的一种十分重要的处理装置和设备，对下一级油水分离设备的分离效果将产生直接的影响。国内外经过多年的探索研究，获得了多种气液分离技术和对应的分离器，典型地如采用旋流方式的GLCC(Gas-LiquidCylindrical Cyclone)。
传统的GLCC通过入口偏心设计，侧向入口进入柱形旋流器，形成旋流运动，利用旋流中心形成的负压和气液密度差形成较强的惯性力差，从而实现气体集中于旋流器管道中心向上排出，而液体则在离心力作用下趋向于旋流器管道壁面、并在重力作用下向下运动，从而实现气液的有效分离。然而，由于高含气或者气体处理量较高的特殊情况时，传统的GLCC若要实现高效气液分离，存在如下的一个理论或技术瓶颈：惯性离心力正比于处理量的平方，而反比于旋流器管道半径的五次方；因此一旦旋流器管道结构尺寸保持不变，而处理量显著增大时，会导致旋流器管道本身压损显著上升而导致入口气液来液背压增大，从而影响采出液及其设备，同时，也会对下游油水分离设备产生类似不良影响；而当相应增大旋流器管道结构尺寸，则会导致旋流强度快速下降，从而无法有效除去液体中的气泡和气体中所含的液滴。由此，针对高含气或气体处理量较大的气液分离问题时，急需发展一种新的气液分离设备，解决上述技术瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柱体高效气液分离器，以解决现有技术中高含气或者气体处理量较高时气液分离不理想的问题。
为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
本发明提供了一种柱体高效气液分离器，该柱体高效气液分离器包括主体管道和多个加速起旋组件，所述加速起旋组件包括至少1个加速起旋器；所述主体管道内形成有空腔，多个所述加速起旋组件设置于所述空腔内，单个所述加速起旋组件沿着所述主体管道的径向设置；沿着所述主体管道的轴向，多个所述加速起旋组件呈平行间隔分布；所述加速起旋器沿着所述主体管道的轴向的横剖面关于所述主体管道的径向为对称结构。
优选地，在所述主体管道的轴向的投影面上，多个所述加速起旋器关于所述主体管道的轴向的对称。
优选地，沿着所述主体管道的轴向，相邻的两个所述加速起旋组件之间的距离相等。
优选地，所述加速起旋器的横剖面在所述主体管道的轴向上的宽度为d；在所述主体管道的轴向的投影面上，相邻的两个所述加速起旋器的距离为L，其中，L＝9d～11d。
优选地，所述加速起旋器沿着所述主体管道的轴向的横剖面为三角形、扇形或矩形。
优选地，所述加速起旋器沿着所述主体管道的轴向的横剖面为等腰三角形、半圆形和正方形；其中，所述等腰三角形的一条边、半圆形的直边和正方形的一条边均与来流方向垂直。
优选地，所述主体管道沿着轴向的横截面的半径为R，所述加速起旋器沿着所述主体管道的轴向的投影的中心距离所述主体管道的内缘的距离为0.1R-0.8R。
优选地，所述加速起旋组件还包括加速起旋器支架和多个所述加速起旋器，多个所述加速起旋器对称设置于所述加速起旋器支架的两端，所述加速起旋器支架的轴向与所述主体管道的径向重合。
优选地，所述加速起旋器支架的中部设置有中心圆环。
优选地，所述柱体高效气液分离器还包括中心支撑柱，所述加速起旋器支架设置于所述中心支撑柱上，所述加速起旋器支架上设置有至少一个所述加速起旋器。
优选地，所述柱体高效气液分离器包括切向入口、顶出口和切向出口，所述切向入口设置于所述主体管道的侧壁的顶部，所述顶出口设置于所述主体管道的顶部，所述切向出口设置于所述主体管道的侧壁的底部。
优选地，所述加速起旋器支架为圆柱体。
优选地，所述主体管道为柱形。
在上述技术方案中，本发明是在原有柱形旋流器产生宏观旋流运动的基础上，在旋流器管道内部进一步通过增加加速起旋组件，从而在不显著增大分离器本身压损的前提下，使得气液混合流在沿着主体管道的内壁面螺旋形流动的过程中，经过特殊结构型式的加速起旋器，在起旋器背后形成新的当地旋流或涡流，从而在整个主体管道内形成宏观旋流运动迭加当地旋流运动的复合旋流，并且在惯性离心力和重力耦合作用下，实现气液高效分离，各种旋流运动的中心为气体占优的流体。
其中，在本发明中，所述加速起旋组件的延伸方向与所述主体管道的径向平行，所述加速起旋器沿着所述主体管道的轴向的横剖面关于所述主体管道的径向为对称结构，将具有对称结构型式的起旋器轴线沿着整个旋流器径向布置；整个旋流器管道内的旋流流动绕过加速起旋器之后，在加速起旋器下游形成交替脱落的二次漩涡；该漩涡的旋转方向与整体旋流方向相互垂直；从而利用加速起旋器之后的二次漩涡引起的惯性离心力和压力，进一步提高气液分离效率。
通过上述阐述得知：在该装置中，气液分离完全在管道内完成，能够针对含气量较高或气体处理量较大的情况，根据改动旋流器内部加速起旋器结构和组合方式达到了气液高效分离要求。由此，该装置应用于管道式油气水三相分离技术中，由于其分离时间短、结构简单、布置灵活、体积小、占地面积小、操作简便，使得其易于生产标准化和规模化；可提高气液分离效率，降低建设和生产运营成本。
此外，通过适当调整圆柱形管道尺寸和加速起旋器结构尺寸，同样可以应用于来液量较高的油水(预)分离工艺流程，从而实现油水高效分离，达到节能减排的环保要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明提供的柱体高效气液分离器的一种优选实施方式的结构示意图；
图2为图1的俯视剖视图；
图3为本发明提供的柱体高效气液分离器的另一种优选实施方式的结构示意图；
图4为图1为本发明提供的柱体高效气液分离器的第三种优选实施方式的结构示意图；
图5为图1中第一种实施方式的加速起旋器剖面布置示意图；
图6为图1中第二种实施方式的加速起旋器剖面布置示意图；
图7为图1中第三种实施方式的加速起旋器剖面布置示意图。
图中的标号分别表示如下：
1、切向入口 2、顶出口
3、主体管道 4、切向出口
5、加速起旋器支架 6、加速起旋器
7、中心圆环 8、中心支撑柱。
具体实施方式
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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种柱体高效气液分离器，如图1-7所示，该柱体高效气液分离器包括主体管道3和多个加速起旋组件，所述加速起旋组件包括至少1个加速起旋器6；所述主体管道3内形成有空腔，多个所述加速起旋组件设置于所述空腔内，单个所述加速起旋组件沿着所述主体管道3的径向设置(如图2所示，图中的最长的虚线为所述主体管道3的径向，所述主体管道3的径向与所述加速起旋组件的轴向重叠)；沿着所述主体管道3的轴向，多个所述加速起旋组件呈平行间隔分布(如图2所示)；所述加速起旋器6沿着所述主体管道3的轴向的横剖面关于所述主体管道3的径向为对称结构。
当然，在所述主体管道3的轴向的投影面上，除了多个所述加速起旋组件除了可以呈平行间隔分布，还可以具有其他的设置方式，如交错式分布，由于旋流运动除了存在周向运动之外，还存在轴向运动，所述加速起旋器6沿着周向错开可以尽最大可能降低轴向或垂直高度上的轴向干扰，从而提高旋流强度，但是平行式分布具有便于设备维护的优势。
在本发明中，对相邻的所述加速起旋组件在所述主体管道3的轴向的投影面上分步方式不作具体的限定，但是为了使得加速起旋器下游形成的二次漩涡能够互相叠加，优选地，在所述主体管道3的轴向的投影面上，多个所述加速起旋器6关于所述主体管道3的轴向的对称。
在上述基础上，为了进一步提高二次漩涡的叠加效果，优选地，沿着所述主体管道3的轴向，相邻的两个所述加速起旋组件之间的距离相等。
在本发明中，对所述加速起旋器6的尺寸和分布密度不作具体限定，但是为了进一步提高各所述加速起旋器6形成的旋流的叠加效果，优选地，所述加速起旋器6的横剖面在所述主体管道3的轴向上的宽度为d(如图5-7所示)；在所述主体管道3的轴向的投影面上，相邻的两个所述加速起旋器6的距离为L(如图5-7所示，箭头为当地旋流方向，L指的是两者在当地旋流方向上的距离)，根据相关钝体绕流和尾迹涡动力学的研究，在高速情况下，自所述加速起旋器6的背风面处的1d范围开始形成回流区，而回流区直至大约10d左右的下游区域，由于所述加速起旋器6对来流速度的干扰才会显著削弱，为了使得下游区域、同时针对下一个起旋器6的上游流速分布相对稳定一些，有利于所述加速起旋器6的起旋作用，其中，L＝9d～11d，更优选为L＝10d～11d。
在本发明中，对所述加速起旋器6的结构也不作具体限定，但是为了进一步提高所述加速起旋器附近形成的旋流强度，优选地，所述加速起旋器6沿着所述主体管道3的轴向的横剖面为三角形、扇形或矩形。
在上述实施方式的基础上，进一步提高所述加速起旋器6附近形成的旋流强度，优选地，所述加速起旋器6沿着所述主体管道3的轴向的横剖面为等腰三角形、半圆形和正方形；其中，所述等腰三角形的一条边、半圆形的直边和正方形的一条边均与来流方向垂直。
在本发明中，对所述加速起旋器6的安装位置不作具体限定，但是为了进一步提高各所述加速起旋器6形成的旋流的叠加效果，优选地，所述主体管道3沿着轴向的横截面的半径为R，发明人根据壁面对钝体绕流的影响研究和壁面边界层相关研究表明，当所述加速起旋器5远离主体管道3的内壁之后，流速快速恢复到近似于入口流速，而所述加速起旋器5太接近主体管道3的内壁，则由于壁面边界层的出现导致该处流速快速下降，那么不利于所述加速起旋器5的起旋作用，那么当前研究的参数条件下，建议至少离开壁面0.1R的距离；另一方面，考虑到所述主体管道3的中心附近周向流速接近于零，过低的来流速度对所述加速起旋器5的是不利的，因此不能太靠近主体管道3的中心，因此至少离开壁面0.8R，因此，所述加速起旋器6沿着所述主体管道3的轴向的投影的中心距离所述主体管道3的内缘的距离为0.1R-0.8R。
在上述诸多实施方式中，对所述加速起旋组件的结构也不作具体限定，但是为了使得所述加速起旋器工作过程中更加稳定，并且能够在其附近产生更强的旋流，优选地，所述加速起旋组件还包括加速起旋器支架5和多个所述加速起旋器6，多个所述加速起旋器6对称设置于所述加速起旋器支架5的两端，所述加速起旋器支架5的轴向与所述主体管道3的径向重合。通过所述加速起旋器支架5的支撑，能够保证加速起旋器的强度和稳定性。
在上述实施方式的基础上，为了进一步使得加速起旋组件能够产生更强的旋流，优选地，如图2所示，所述加速起旋器支架5为直圆柱体，所述直柱体的两端各设置有一个所述加速起旋器，即为结构，其中“—”为直圆柱体的加速起旋器支架5，为具有特定横剖面的加速起旋器6。由此，该加速起旋组件为单一双向直柱体的结构，由此，在所述加速起旋器支架5的两端均能产生旋流，旋流之间能够叠加，从而进一步地提高气液分离效果。在此基础上，为了进一步提高气液分离效果，更优选地，两个所述加速起旋器对称设置于所述直柱体的两端。
当然，所述加速起旋组件除了上述的结构，还可以存在其他结构，优选地，如图3所述，所述加速起旋器支架5的中部设置有中心圆环7，起旋器沿自身轴向具有的结构型式，其中两端即为上述对应的单向直柱体结构，其中“—”为直圆柱体的加速起旋器支架5，为具有特定横剖面的加速起旋器6，中心圆环7“O”则便于形成的气核沿整个旋流器管道中心流出。
此外，所述加速起旋组件还可以存在其他的结构形式，为了提高加速起旋组件的结构稳定性，优选地，如图4所述，所述柱体高效气液分离器还包括中心支撑柱8，所述加速起旋器支架5设置于所述中心支撑柱8上，所述加速起旋器支架5上设置有至少一个所述加速起旋器6，在图4中，所述中心支撑柱8上存在两组所述加速起旋组件，每组所述加速起旋组件中含有两个加速起旋组件，每个所述加速起旋组件含有1个所述加速起旋器支架5上和1个所述加速起旋器6，两组所述加速起旋组件设置在所述中心支撑柱8的两侧，所述中心支撑柱8的设置能够进一步地提高各加速起旋组件在工作过程中的稳定性。
在本发明中，所述柱体高效气液分离器的进液、排液和排气的位置均可以在宽的范围内变化，但是为了使得气液分离的效果进一步优化，优选地，所述柱体高效气液分离器包括切向入口1、顶出口2和切向出口4，所述切向入口1设置于所述主体管道3的侧壁的顶部，所述顶出口2设置于所述主体管道3的顶部，所述切向出口4设置于所述主体管道3的侧壁的底部。由此，带气液分离的液体通过所述切向入口1进入所述主体管道3内，在所述主体管道3内形成宏观旋流运动，而液体经过加速起旋器又会形成新的二次漩涡，由此，在宏观旋流运动、二次漩涡的双重作用下，实现了气液的高效分离。
此外，在上述实施方式中，所述加速起旋器支架5的结构也可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高所述加速起旋器支架5的强度，提高所述加速起旋器的安装的方便程度，优选地，所述加速起旋器支架5为圆柱体。
同时，在本发明中，对所述主体管道3的结构也不作具体限定，但是考虑到气液分离效果，优选地，所述主体管道3为柱形。
总之，根据现场具体环境和气液处理量及分离要求，设计恰当的旋流器结构(包括主体管道3、切向入口1、顶出口2和切向出口4等)尺寸、加速起旋器中横剖面类型、特征尺寸、间距以及起旋器个数；将设计好的复合旋流分离器，安装在气液混口入口端；经过新型结构型式的加速起旋器后达到良好的气液分离效果；无论对于预(或粗)分离流程，达到出液口管内的部分排出液中气体含量显著下降；这部分低含气的油水混合液通过分支管路直接进入下游油水分离设备进一步分离；而显著降低含液率的气体则在顶部排气管进入下一级设备进行精细的气体除湿，或按照传统或其它气液工艺流程进行深度处理。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。
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