本發(fā)明涉及油水分離領(lǐng)域，特別是涉及一種對油水混合液通過外流方式進(jìn)行油水分離的外起旋分離裝置。

背景技術(shù)：

在石油開采行業(yè)中，隨著大多數(shù)油田開發(fā)進(jìn)入中后期的高含水階段，原油采出液含水率不斷提高。采出液含水不僅造成原油在儲備輸送煉制過程中設(shè)備老化快，增加運(yùn)行的負(fù)荷，加大能耗，而且容易引起沖塔、腐蝕堵塞管道、常減壓蒸餾塔的操作不正常、催化劑遭到毒害等嚴(yán)重后果。因此原油外輸前必須進(jìn)行脫水或粗分離，要求含水率不超過0.5％。因而原油脫水或粗分離一直受到工程界的重視，也成為油田開發(fā)過程中一個不可缺少的環(huán)節(jié)。

現(xiàn)在通常利用各種起旋器來對油水混合物進(jìn)行油水分離，起旋的主要方式是全部流體沿著圓弧面導(dǎo)流的分離方式，典型的有螺旋型管體(如螺旋管)，或者彎曲管壁(如水力或柱形旋流器，或管壁安裝導(dǎo)流片的旋流器)，或者螺旋型表面與管壁之間(如管道中心安裝導(dǎo)流片的旋流器)，這些都是屬于典型的內(nèi)流(因此也稱之為內(nèi)流型旋流器)，該旋流器主要適用于中高流速時的強(qiáng)旋流，特別是在高速時會引起壓降顯著增大或壓力顯著降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要提供一種對油水混合液通過外流方式進(jìn)行油水分離的外起旋分離裝置。

特別地，本發(fā)明提供一種油水混合物的外起旋分離裝置，包括：

起旋柱，為中空且兩端開口的管狀結(jié)構(gòu)，垂直且間隔設(shè)置在一行上；

隔板，為條形結(jié)構(gòu)，包括分別固定在所述起旋柱上端和下端的上隔板和下隔板，在上隔板和下隔板上的中心線上設(shè)置有供所述起旋柱上下兩端口露出的通孔。

在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，所述起旋柱在排列方式按單根單列或單雙交替的順序依次設(shè)置，兩根并列設(shè)置的起旋柱之間相互隔開。

在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，在所述隔板的兩側(cè)間隔設(shè)置有向內(nèi)部凹進(jìn)的凹口，所述凹口為弧形；所述上隔板和所述下隔板上凹口的位置相互錯開。

在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，所述上隔板和所述下隔板長度方向的兩側(cè)分別向中心線對稱彎曲，且所述上隔板和所述下隔板的彎曲方向?yàn)橄嗷ミh(yuǎn)離的方向；或所述上隔板和所述下隔板為相互平行的平板。

在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，所述上隔板上的凹口分布在相對液體進(jìn)入方向的前部和中部，而所述下隔板上的凹口分布在相對液體進(jìn)入方向的中部和后部。

在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，所述起旋柱的橫剖面形狀或結(jié)構(gòu)包括但不限于圓形、矩形、三角形或菱形。

在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，同一行的所述起旋柱的截面形狀為單一形狀，或根據(jù)流速選擇不同截面形狀的組合。

在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，待分離油水與起旋柱之間的關(guān)系遵循下式：

旋流離心力的計算公式為：ρ(ωvin/d)²d/2；

其中，ρ液體為密度；ω為無量綱旋轉(zhuǎn)角速度；d為起旋柱的直徑；vin為上下隔板之間的平均來流速度，計算方式如下：

其中，q為來液體積流量；din為安裝外起旋分離裝置的s型盤管的直徑；α為繞流裹入尾渦中的流體占比系數(shù)；β為上下隔板之間橫截面積與整個s型盤管管道面積之比；γ為沿程流量下降比率。

在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，所述起旋柱的間隔距離依據(jù)下式值確定10d(低re)～20d(高re)：

re＝vind/ν。

在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，提供一種油水分離裝置，包括：

相互平行且依次通過彎管相互連接的盤管，在所述盤管的上方安裝有與內(nèi)部相通的收集包，在所述盤管內(nèi)安裝有前述的外起旋分離裝置。

本發(fā)明的起旋柱利用外流(繞流)實(shí)現(xiàn)油水混合物的分離，可填補(bǔ)中低流速時起旋的特定需要。利用鈍體繞流產(chǎn)生的尾渦，其旋流強(qiáng)度比內(nèi)流型旋流器弱，且可以在管道內(nèi)部形成兩種流速分布區(qū)域——中心區(qū)域流速較高，壁面區(qū)域流速較低；此外由于本結(jié)構(gòu)屬于開放型，因此不需要專門設(shè)計特定的管道來使所有流體都必須經(jīng)過旋流器以裹覆旋流器。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個實(shí)施方式的外起旋分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一個實(shí)施方式的起旋柱排列示意圖；

圖3是本發(fā)明一個實(shí)施方式的外起旋分離裝置的截面示意圖；

圖4是本發(fā)明另一個實(shí)施方式的外起旋分離裝置截面示意圖；

圖5是本發(fā)明一個實(shí)施方式的上隔板俯視圖；

圖6是本發(fā)明一個實(shí)施方式的下隔板仰視圖；

圖7是本發(fā)明一個實(shí)施方式的油水分離裝置示意圖；

圖8是在圖7所示盤管內(nèi)部安裝外起旋分離裝置的示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1、2所示，本發(fā)明一個實(shí)施方式的一種油水混合物的外起旋分離裝置100，一般性地包括起旋柱10和固定在起旋柱10上下兩端的隔板20。

該起旋柱10為中空且兩端開口11的管狀結(jié)構(gòu)，多個起旋柱10相互垂直地排列在一行上，各起旋柱10之間相互等間距間隔。起旋柱10在排列時，可以以單根的方式間隔排列成一列；還可以如圖2所示的按單雙交替的方式順序依次設(shè)置，其中，兩根并列設(shè)置的起旋轉(zhuǎn)10之間同樣相互隔開。

該隔板20為條形結(jié)構(gòu)，包括分別固定在起旋柱10上端和下端的上隔板21和下隔板22，在上隔板21和下隔板22的中心線上設(shè)置有供起旋柱10上下兩端口露出的通孔24。

本實(shí)施方式是一種可安裝在流通管道內(nèi)部的油水分離結(jié)構(gòu)，其目的是在一定的re(雷諾)數(shù)范圍內(nèi)，使油水混合物由上隔板21和下隔板22之間的通道經(jīng)過，然后經(jīng)起旋柱10形成規(guī)則交替脫落旋渦(一般是層流)，利用該旋渦內(nèi)部的旋流對污水中含量較低的油滴起到聚并作用；上隔板21上方的通道為分離后的油通道，而下隔板22下方的通道為水通道，而蘊(yùn)含在油通道中的水和蘊(yùn)含在水通道中的油會經(jīng)過起旋柱10中間的通道相互交流。

用鈍體繞流產(chǎn)生的尾渦，其旋流強(qiáng)度相對現(xiàn)有技術(shù)的內(nèi)流型旋流器較弱；流體在管道內(nèi)部經(jīng)過分離裝置時，存在兩種流速分布區(qū)域——中心區(qū)域流速較高，壁面區(qū)域流速較低，其中后者流速較低時本身有利于油水分離，因此僅需要考慮中心區(qū)域的油水分離；此外本分離裝置屬于開放型，因此不需要特別設(shè)計特定的管道用以實(shí)現(xiàn)所有流體都必須經(jīng)過該旋流器而裹覆該旋流器。

在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，分離裝置的旋流離心力的計算公式為：

ρ(ωvin/d)²d/2；

其中，ρ為液體密度；ω為無量綱旋轉(zhuǎn)角速度；d為起旋柱的直徑；vin為上下隔板之間的平均來流速度，計算方式如下：

其中，q為來液體積流量；din為安裝外起旋分離裝置的s型盤管的直徑；α為繞流裹入尾渦中的流體占比系數(shù)；β為上下隔板之間橫截面積與整個s型盤管管道面積之比；γ為沿程流量下降比率。

本實(shí)施方式中，在特定re數(shù)范圍內(nèi)，起旋柱繞流無量綱渦脫落頻率大約在0.16至0.2左右(即st數(shù))，而無量綱脫落渦的渦量ω大約為1，因而無量綱旋轉(zhuǎn)角速度ω大約為0.5到1的量級，且脫落旋渦直徑大約在一個柱體直徑d的量級。

α系數(shù)表明起旋柱直徑d與盤管直徑din之間的相對大小關(guān)系，即若保持盤管直徑不變，起旋柱直徑d越大，則因阻塞效應(yīng)導(dǎo)致更多的流體會“被迫”繞過起旋柱；反之當(dāng)d越小，則由于與壁面距離越來越大，導(dǎo)致越來越少的流體繞過起旋柱。因此，若要提高旋流參與的流體流量系數(shù)α，可以通過增大起旋柱直徑，或者減小盤管直徑的方式實(shí)現(xiàn)，還可以采用前述單雙交替的布置方式。

因?yàn)槲鬯苯舆M(jìn)入上下隔板之間的空間，而非進(jìn)入整個橫截面的大盤管，因此β參數(shù)和起旋柱直徑d無關(guān)，僅和上下隔板之間特定高度相關(guān)；由于該高度一般達(dá)到盤管直徑din的三分之一到二分之一，因此其變化范圍也幾乎是恒定的。

由于油水沿程會通過起旋柱10中間通道和隔板20兩側(cè)凹口上下分離而導(dǎo)致流量逐漸減小，因而γ參數(shù)主要就是估算這種流量逐漸減少后導(dǎo)致流速下降，從而對起旋柱能否產(chǎn)生穩(wěn)定脫落尾渦具有影響，即控制在指定范圍(如re數(shù))內(nèi)變化。

在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，前后起旋柱10之間的間隔距離依據(jù)下式值確定：

re＝vind/ν

其中ν為流體運(yùn)動粘性系數(shù)，一般為10^-6m²/s，因此脫落旋渦在大約起旋柱10下游10d到20d(隨著re數(shù)增大，該距離逐漸增大)就會因?yàn)檎承院纳⒍鴰缀跸Я嘶蝻@著削弱了，因而結(jié)構(gòu)設(shè)計時，若d＝0.1m，考慮到上下隔板對起旋體10繞流的端部效應(yīng)，則可以選10d＝1m進(jìn)行間隔布置。由于本發(fā)明的分離裝置針對的是中低流速下且產(chǎn)生穩(wěn)定的大尺度旋渦脫落，因此流動re數(shù)控制在100到3000(層流)的量級范圍內(nèi)。

此外，由于起旋柱10中間的通道主要起到上隔板21上方和下隔板22下方中沉降的水和油進(jìn)行上下交換，因此流量不大，且由于起旋柱10管壁封隔效應(yīng)(隔絕與上下隔板之間的主要流動)，內(nèi)部流動較弱且自由流動，因此起旋柱的內(nèi)徑取0.05m～0.1m之間即可，其中污油粘度越大則內(nèi)徑越大。

如圖2所示，在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，為方便油水分離，可以在上隔板21和下隔板22的兩側(cè)間隔設(shè)置向中間凹進(jìn)的凹口23，凹口23可以使位于起旋柱10層的水下降至下隔板22下方的通道內(nèi)，而油則進(jìn)入上隔板21上方的通道內(nèi)，相當(dāng)于是在不改變起旋柱10直徑的情況下，提高了各層之間的交換流量。

同一側(cè)邊的凹口23間隔排列，凹口23的形狀可以為弧形、矩形等常規(guī)形狀，而凹口23的數(shù)量或間距與特定粒徑的油滴穩(wěn)定上浮的時間和來液流速相關(guān)，因此，可以根據(jù)需要的過濾效果設(shè)置。

如圖3所示，在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，為實(shí)現(xiàn)不同中的流通效果，上隔板21和下隔板22長度方向的兩側(cè)可以分別向中心線方向?qū)ΨQ彎曲，且上隔板21和下隔板22的彎曲方向?yàn)橄嗷ミh(yuǎn)離的方向。此外，如圖4所示，上隔板21和下隔板22還可以為相互平行的平板，即加上起旋柱10后形成一個工字形的截面。

進(jìn)一步地，在其它的實(shí)施方式中，上隔板21和下隔板22上凹口23的位置可以相互錯開，以增加流體在起旋柱10層的停留時間。

如圖5、6所示，其中的箭頭方向?yàn)橐后w的進(jìn)入方向，在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，位于上隔板21上的凹口23可以分布在液體進(jìn)入一端的前部和中部，而下隔板22上的凹口23則可以分布在流體排出一端的中部和后部。這是由于含油污水進(jìn)入起旋柱分離裝置100后，會優(yōu)先排走污油，而后再排出清水，上述結(jié)構(gòu)可以避免同時分離油水時，形成的向下流動過早地將細(xì)小油滴帶走而影響分離效果。

在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，具體的起施柱的截面形狀或是外形可以圓形、矩形、三角形、菱形等鈍體剖面結(jié)構(gòu)形式(圖中未示出)。

在一行上排列的起旋柱其形狀可以是統(tǒng)一形狀，如圓形；也可以是不同截面形狀的起旋柱組合，如：按前半部設(shè)置圓形，后半部設(shè)置三角形。

具體的布置方式可以根據(jù)根據(jù)流速的不同來選擇，如較高流速時選用圓形截面，較低流速時選用三角形截面。

如圖7、8所示，在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，提供一種油水分離裝置，該油水分離裝置包括相互平行且依次通過彎管34相互連接的盤管30，在盤管30的上方安裝有與內(nèi)部相通的油水收集包33，在盤管330內(nèi)安裝有前述的外起旋分離裝置100。

外起旋分離裝置100在盤管30內(nèi)沿軸向水平安裝，通過其自身的結(jié)構(gòu)將盤管30內(nèi)部分成三個導(dǎo)流層，位于上隔板21上方的分離后油層，中間起旋柱10負(fù)責(zé)分離的分離層，下隔板22下方的分離后水層。油水收集包33間隔地安裝在盤管30的上表面，底部與盤管30相通，上部設(shè)置有排油口331，可以收集盤管30上部分離出的油并通過排油口331排出。

本實(shí)施方式中，盤管30采用s形彎折排布，盤管30可以按彎折后的順序依次分為一級盤管、二級盤管、三級盤管等，各級盤管之間相互平行。盤管30的一端為與混合液來管連接的進(jìn)液端31，另一端為分離后的液體流出的排出端32。油水收集包33可以針對每級盤管分別安裝一個，也可以根據(jù)設(shè)定在指定的盤管30上安裝，而且安裝位置也可以根據(jù)液體流動時段安裝在盤管3的端部或尾部。

當(dāng)含油污水的混合來液從進(jìn)液端31進(jìn)入盤管30內(nèi)時，在重力和起旋柱10的旋流作用下，污油聚并后逐漸上浮，通過上隔板21和下隔板22側(cè)邊上的凹口23進(jìn)入上隔板21的上方空間，并聚集成污油層液體在多級盤管內(nèi)流動，并在流動過程中被不斷聚并，其中上部空間內(nèi)低含油的液體由起旋柱10的中間通道進(jìn)入下隔板22和盤管30隔成的下部空間，而下部空間內(nèi)高含油液體由起旋柱10的中間通道進(jìn)入上部空間，位于上部空間的液體在溢流帶動下，其中的污油層最終匯聚到盤管30上方的各油水收集包33中，然后由油水收集包33的頂部排出；而低含油混合液則繼續(xù)進(jìn)入下級盤管，進(jìn)行進(jìn)一步油水精細(xì)分離，最終經(jīng)過多級盤管分離之后，清水從盤管30的排出端32排出，而污油則可完全被收集包33收集并排出。

至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發(fā)明的多個示例性實(shí)施例，但是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本發(fā)明原理的許多其他變型或修改。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。