本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于石油、化工以及環(huán)保領(lǐng)域中進行污水處理的旋流分離設(shè)備，具體為兩相分離處理設(shè)備，可適用于固-液、液-液以及氣-液的分離。

背景技術(shù)：

目前，對于旋流分離裝置而言，不論兩相分離還是多相分離，在分離設(shè)備入口附近出現(xiàn)短路流以及循環(huán)流是不可避免的。由于短路流的存在，使得一些進入旋流器的重質(zhì)相未經(jīng)分離而直接從溢流口排出，對分離效果造成一定的影響。而循環(huán)流對整個旋流器流場穩(wěn)定性的影響較大，尤其是對旋流下腔和大錐段。之前有研究發(fā)現(xiàn)，旋流下腔與大錐段的切向速度在準自由渦出現(xiàn)了一些波動，其原因之一就是在此兩端內(nèi)有循環(huán)流的影響。此外循環(huán)流對液體的徑向流動有一定的阻礙作用，進而阻礙了兩相介質(zhì)的分離。另一個值得注意的問題是，通常情況下，混合相在經(jīng)過旋流器分離后所得的大部分重質(zhì)相直接由底流口排出，而排出的重質(zhì)相中同時還夾雜著大量的輕質(zhì)相，比如用于固液分離的旋流器底流口除了包括大量的重質(zhì)相外，同時也包含了大量的輕質(zhì)相，這樣就使得旋流器的分離效率大大降低。如果想對底流口流出的介質(zhì)進行進一步處理，又會增加更多工藝流程，可能帶來設(shè)備占用空間大以及操作復(fù)雜化等缺點。綜上所述，研究一套可以消除短路流、減少循環(huán)流以及簡化工藝流程的旋流分離系統(tǒng)已成為油氣田地面工程系統(tǒng)及相關(guān)行業(yè)實踐中的一個亟待解決的問題。

旋流分離系統(tǒng)或裝置在我國相關(guān)行業(yè)已經(jīng)獲得了一定的應(yīng)用，對旋流分離系統(tǒng)或裝置的發(fā)明專利，如（CN201310063840.8、CN201610184831.8 、CN201610157839.5、CN201610126588.4、CN201620006971.1、CN201520974246.9）等，但是以上的這些發(fā)明在對液流進行分離時均會存在短路流以及循環(huán)流，這樣就降低了分離效率，而且其中一些發(fā)明裝置比較復(fù)雜，占用空間大，不便于操作和維護。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中所提到的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種兩相旋流分離系統(tǒng)，該種兩相旋流分離系統(tǒng)相對于現(xiàn)有的旋流器，具有能夠消除短路流、減少循環(huán)流以及大幅度降低底流口輕質(zhì)相含量等特點，提高了旋流器中流場的穩(wěn)定性，促進了混合相的高效分離處理。此外，本系統(tǒng)不僅能夠?qū)Χ搪妨饕约暗琢骺谥袔в休p質(zhì)相的混合相進行循環(huán)處理，而且還具有占用空間小，操作管理簡單等優(yōu)點。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：該種兩相旋流分離系統(tǒng)，由電機、增壓泵、長循環(huán)管道、短循環(huán)管道、旋流體以及單向閥連接后構(gòu)成；

其中，所述旋流體由旋流腔筒體、分離錐段錐體、外部底流段筒體以及帶有縮徑臺階的底流管順次連接后構(gòu)成；

旋流腔筒體的頂端由第一端蓋封閉，在所述第一端蓋下方固定有第二端蓋，貫穿所述的第一端蓋和第二端蓋的中心，固定有內(nèi)側(cè)溢流管，所述第二端蓋的中心孔壁與所述內(nèi)側(cè)溢流管的外管壁不相觸，二者之間形成環(huán)形空間，所述環(huán)形空間構(gòu)成環(huán)形溢流口；所述旋流腔筒體內(nèi)位于所述第二端蓋上方的部分為旋流上腔，所述旋流腔筒體內(nèi)位于所述第二端蓋下方的部分為旋流下腔，所述內(nèi)側(cè)溢流管的底端開口位于所述旋流下腔內(nèi)；

在所述旋流腔筒體外連接有拉伐爾噴管式切向入口，所述拉伐爾噴管式切向入口伸入所述旋流腔筒體內(nèi)的切向入口接入端位于所述環(huán)形溢流口的下方；

所述短循環(huán)管道的一端與所述旋流上腔相連通，所述短循環(huán)管道的另一端經(jīng)過所述單向閥與所述拉伐爾噴管式切向入口相連通；

所述底流管上的縮徑臺階與所述外部底流段筒體之間為封閉連接，位于所述縮徑臺階之上，沿所述外部底流段筒體的外壁切向接入外部切向底流口；位于所述縮徑臺階之上，在所述外部底流段筒體的中央固定有空心倒錐下段，所述空心倒錐下段的錐臺形體上開有若干貫穿錐臺形體壁且與錐臺形體內(nèi)壁相切的切向?qū)Я骺祝隹招牡瑰F下段的錐臺形體空腔與所述底流管相連通；

所述空心倒錐下段的錐臺形體上還連接有空心倒錐上段；所述空心倒錐上段位于所述分離錐段空心錐體內(nèi)；所述分離錐段空心錐體內(nèi)的空腔為分離錐段；

所述外部切向底流口伸入所述外部底流段筒體內(nèi)的外部切向底流口接入端位于所述外部底流段筒體的內(nèi)壁和所述空心倒錐下段的外壁之間形成的環(huán)空底端；

所述底流管的出口端與所述增壓泵的一個液流入口端相連接；所述增壓泵的液流出口端與所述長循環(huán)管道的一端相連接，所述長循環(huán)管道的另一端與所述拉伐爾噴管式切向入口相連接；

所述電機驅(qū)動所述增壓泵。

本發(fā)明具有如下有益效果：本種系統(tǒng)由一個旋流器外筒、一個增壓泵以及外部的循環(huán)管道組成。由于：所述的旋流器內(nèi)部有兩個溢流口和兩個底流口，內(nèi)側(cè)溢流口固定于旋流器頂部的第一端蓋上，外側(cè)環(huán)形溢流口與內(nèi)側(cè)溢流口同軸并且固定于第一端蓋下面的第二端蓋上；在第二端蓋附近，旋流器圓柱段外壁處開設(shè)有拉伐爾噴管式切向入口，這里簡稱為切向入口，內(nèi)側(cè)溢流口與旋流器的第一端蓋、第二端蓋及旋流器邊壁組成一個與外側(cè)環(huán)形溢流口相通的旋流上腔，該旋流上腔與切向入口通過短循環(huán)管道連接，管道上安裝有單向閥，使流體只能流進入口，旋流器的底流段設(shè)計了一個倒置的空心倒錐，它由空心倒錐上段和空心倒錐下段組成，空心倒錐下段的壁面上開設(shè)有導(dǎo)流孔，這樣可以減少對流體的阻力，使流場更加穩(wěn)定；所述的空心倒錐將底流段分成了外部底流段（與外部切向底流口連接）與內(nèi)部底流段（與底流管連接），底流管由長循環(huán)管道經(jīng)過增壓泵與切向入口相連，整個旋流分離裝置形成一個循環(huán)的系統(tǒng)。

本系統(tǒng)的原理是混合相在旋流器中進行離心分離時，密度較小的輕質(zhì)相在離心力的作用下處于旋流器的中心軸線附近，通過內(nèi)側(cè)溢流管排出。由于旋流器結(jié)構(gòu)原因產(chǎn)生的短路流和部分循環(huán)流則通過外側(cè)的環(huán)形溢流口進入旋流上腔，旋流上腔的混合相經(jīng)過與其連接的帶有單向閥的短循環(huán)管道流進切向入口，再進入旋流器進行分離。這里由于切向入口設(shè)計成拉伐爾噴管式，入口與短循環(huán)管道連接的部分橫截面積小于入口的其它部分，所以從入口進入的混合相經(jīng)過該段時，液體在該段的流速增大，在該段的壓強就減小，最終降低了該段與短循環(huán)管道之間的壓力差，促進了從短循環(huán)管道液流順利地進入入口，來實現(xiàn)再次分離。而密度較大的重質(zhì)相則在離心力的作用下向旋流下腔筒體以及分離錐段空心錐體運動，并經(jīng)由分離錐段向下運動至底流段。由于空心倒錐的內(nèi)徑和外徑從底流段的上部到下部逐漸增大，所以進入外部底流段的混合相將繼續(xù)進行離心分離，即重質(zhì)相在離心力作用下主要分布在外部底流段筒體附近，并經(jīng)過外部切向底流口接入端由外部切向底流口排出，如此的設(shè)計就提高了外部切向底流口的重質(zhì)相濃度。而輕質(zhì)相通過導(dǎo)流孔進入內(nèi)部底流段，最終由底流管經(jīng)過增壓泵流進切向入口再次進行分離，這就完成了整個旋流分離系統(tǒng)的分離過程。

本系統(tǒng)所采用的這種全新的設(shè)計理念，從根本上提高了內(nèi)側(cè)溢流口輕質(zhì)相以及外部切向底流口重質(zhì)相的純度，從而提高了該旋流分離系統(tǒng)的分離效率。除此之外，外部循環(huán)管道的連接減少現(xiàn)有旋流器溢流口和底流口排出介質(zhì)的后處理工藝。

綜上所述，本系統(tǒng)的優(yōu)點可以概括為：

1、雙溢流口中的外側(cè)環(huán)形溢流口可以消除短路流、減少循環(huán)流對旋流器中流場的影響，進而使內(nèi)側(cè)溢流口中的輕質(zhì)相純度更高；2、雙底流口的設(shè)計可以使得外部底流口中獲得的重質(zhì)相濃度更高，從而提高底流的重質(zhì)相的濃度； 3、底流段帶有導(dǎo)向孔的空心倒錐的設(shè)計，使得到達外部底流口的混合相可繼續(xù)進行分離；4、采用循環(huán)分離的設(shè)計理念可以在獲得更高的分離效率的同時，減少后續(xù)對溢流和底流的介質(zhì)處理的工藝流程，大大減少了作業(yè)空間，同時整個分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；5、切向入口設(shè)計成拉伐爾噴管式，有利于降低段循環(huán)管道與入口橫截面積較小段的壓力差，從而促進短循環(huán)管道的液流順利地流入切向入口。

附圖說明：

圖1為雙溢流口及雙底流口兩相旋流分離系統(tǒng)的軸側(cè)圖；

圖2為系統(tǒng)中旋流分離器的結(jié)構(gòu)剖面圖；

圖3為系統(tǒng)中旋流分離器各部分的尺寸標注圖；

圖4為系統(tǒng)中雙錐結(jié)構(gòu)旋流分離器的結(jié)構(gòu)剖面。

圖中1-電機；2-增壓泵；3-長循環(huán)管道；4-外部切向底流口；5-拉伐爾噴管式切向入口；6-單向閥；7-短循環(huán)管道；8-底流管；9-內(nèi)部底流段；10-外部切向底流口接入端；11-空心倒錐下段；12-切向?qū)Я骺祝?3-外部底流段；14-分離錐段；15-旋流下腔；16-切向入口接入端；17-旋流上腔；18-環(huán)形溢流口；19-內(nèi)側(cè)溢流管；20-第一端蓋；21-第二端蓋；22-旋流腔筒體；23-分離錐段空心錐體；24-空心倒錐上段；25-外部底流段筒體。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

由圖1、2和圖4所示，本種兩相旋流分離系統(tǒng)，由電機、增壓泵、長循環(huán)管道、短循環(huán)管道、旋流體以及單向閥連接后構(gòu)成；

其中，所述旋流體由旋流腔筒體、分離錐段錐體、外部底流段筒體以及帶有縮徑臺階的底流管順次連接后構(gòu)成；

旋流腔筒體的頂端由第一端蓋封閉，在所述第一端蓋下方固定有第二端蓋，貫穿所述的第一端蓋和第二端蓋的中心，固定有內(nèi)側(cè)溢流管，所述第二端蓋的中心孔壁與所述內(nèi)側(cè)溢流管的外管壁不相觸，二者之間形成環(huán)形空間，所述環(huán)形空間構(gòu)成環(huán)形溢流口；所述旋流腔筒體內(nèi)位于所述第二端蓋上方的部分為旋流上腔，所述旋流腔筒體內(nèi)位于所述第二端蓋下方的部分為旋流下腔，所述內(nèi)側(cè)溢流管的底端開口位于所述旋流下腔內(nèi)；

在所述旋流腔筒體外連接有拉伐爾噴管式切向入口，所述拉伐爾噴管式切向入口伸入所述旋流腔筒體內(nèi)的切向入口接入端位于所述環(huán)形溢流口的下方；

所述短循環(huán)管道的一端與所述旋流上腔相連通，所述短循環(huán)管道的另一端經(jīng)過所述單向閥與所述拉伐爾噴管式切向入口相連通；

所述底流管上的縮徑臺階與所述外部底流段筒體之間為封閉連接，位于所述縮徑臺階之上，沿所述外部底流段筒體的外壁切向接入外部切向底流口；位于所述縮徑臺階之上，在所述外部底流段筒體的中央固定有空心倒錐下段，所述空心倒錐下段的錐臺形體上開有若干貫穿錐臺形體壁且與錐臺形體內(nèi)壁相切的切向?qū)Я骺?，所述空心倒錐下段的錐臺形體空腔與所述底流管相連通；

所述空心倒錐下段的錐臺形體上還連接有空心倒錐上段；所述空心倒錐上段位于所述分離錐段空心錐體內(nèi)；所述分離錐段空心錐體內(nèi)的空腔為分離錐段；

所述外部切向底流口伸入所述外部底流段筒體內(nèi)的外部切向底流口接入端位于所述外部底流段筒體的內(nèi)壁和所述空心倒錐下段的外壁之間形成的環(huán)空底端；

所述底流管的出口端與所述增壓泵的一個液流入口端相連接；所述增壓泵的液流出口端與所述長循環(huán)管道的一端相連接，所述長循環(huán)管道的另一端與所述拉伐爾噴管式切向入口相連接；

所述電機驅(qū)動所述增壓泵。

下面給出本系統(tǒng)詳細的工作過程：

本旋流分離系統(tǒng)中旋流器的分離原理是利用兩相互不相溶介質(zhì)的密度差在離心力作用下進行分離的。首先，混合相通過拉伐爾噴管式切向入口5通過切向入口接入端16進入旋流器的旋流下腔15，隨即打開增壓泵2，混合液進入旋流器后在壓力作用下，密度較小的輕質(zhì)相在旋流器的中心附近，通過內(nèi)側(cè)溢流口19排出，由于旋流器結(jié)構(gòu)原因產(chǎn)生的短路流和部分循環(huán)流則通過外側(cè)的環(huán)形溢流口18進入旋流上腔17，該旋流上腔17是由內(nèi)側(cè)溢流口19與旋流器的第一端蓋20、第二端蓋21及旋流器邊壁組成，同時環(huán)形溢流口18將旋流上腔17與旋流下腔15相連通。旋流上腔17中的混合相經(jīng)過與其連接的帶有單向閥6的短循環(huán)管道7流進切向入口5，再進入旋流器進行分離。這里由于切向入口5設(shè)計成拉伐爾噴管式，切向入口5與短循環(huán)管道7連接的部分橫截面積小于入口的其它部分，所以從入口5進入的混合相經(jīng)過該段時，液體在該段的流速增大，在該段的壓強就減小，最終降低了該段與短循環(huán)管道7之間的壓力差，促進了從短循環(huán)管道7流出的液流順利地進入切向入口5，來實現(xiàn)再次分離。而密度較大的重質(zhì)相則在離心力的作用下向旋流腔筒體22以及分離錐段空心錐體23運動，并經(jīng)由分離錐段14向下運動至底流段。在旋流器的底流段設(shè)計了一個空心的倒錐，它由空心倒錐上段24和空心倒錐下段11組成，該倒錐將旋流器底流段分為內(nèi)部底流段9（與底流管連接8）和外部底流段13（與外部切向底流口4連接），同時空心倒錐下段11的壁面上開設(shè)有導(dǎo)流孔12，這樣可以減少對流體的阻力，使流場更加穩(wěn)定。由于整個空心倒錐的內(nèi)徑和外徑從底流段的上部到下部逐漸增大，所以進入外部底流段13的混合相將繼續(xù)進行離心分離，即重質(zhì)相在離心力作用下主要分布在外部底流段筒體25附近，并經(jīng)過外部切向底流口接入端10由外部切向底流口4排出（外部底流口設(shè)計為切向更加有利于旋流器里面的旋轉(zhuǎn)分離），如此的設(shè)計就提高了外部切向底流口4的重質(zhì)相濃度。而流至外部底流段13的輕質(zhì)相就通過空心倒錐下段11壁面上的導(dǎo)流孔12進入內(nèi)部底流段9，接著它們經(jīng)過增壓泵2的加速后進入長循環(huán)管道3，并最終流向切向入口5再次進行分離。這就完成了整個旋流分離系統(tǒng)的分離過程。

圖3是旋流分離器各部分的尺寸標注圖，是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案。圖中，主要參數(shù)及尺寸限制如下：

l₁——環(huán)形溢流口尺寸；l₁=(0.05-0.2)D₂，D₂為旋流腔直徑，根據(jù)所分離介質(zhì)的物性參數(shù)及入口流量確定；

l₂——環(huán)形溢流口伸入旋流上腔長度；l₂=(0.3-0.8)l₁；

l₃——環(huán)形溢流口伸入旋流下腔長度；l₃=(0.5-0.8)l₂；

l₄——內(nèi)側(cè)溢流口伸入旋流下腔長度；l₄=(1.5-2.5)D₀，

l₅——旋流上腔高度；l₅=(0.1-0.4)D₂；

l₆——旋流下腔長度；l₆=(0.7-1.2)D₂；

l₇——錐段長度；l₇=(0.4-0.8)l ；l 為旋流器總長，根據(jù)旋流腔直徑D₂確定，一般l=(8-12)D₂；

l₈——底流段長度；l₈=(2-4)D₃；

D₀——拉伐爾噴管式切向入口的當量直徑，圖中以矩形入口為例，D₀根據(jù)入口速度和流量來確定，一般保證速度在8-15m/s；

D₁——內(nèi)側(cè)溢流口直徑；D₁=(0.15-0.5)D₂；

D₂——旋流腔直徑；根據(jù)所分離介質(zhì)的物性參數(shù)及入口流量確定；

D₃——底流段直徑；D₃=(0.25-0.5)D₂；

D₄——倒錐底端的內(nèi)徑；D₄=(0.5-0.8)D₃；

D₅——外部切向底流口當量直徑；D₅=(0.2-0.4)D₃；

α——分離錐段錐角；一般為0-30°；

? ——空心倒錐上段錐角；一般為0-60°；

γ ——空心倒錐下段錐角；一般為0-30°；

t ——旋流器壁厚；t =2-5mm；

d₀ ——導(dǎo)流孔孔徑；d₀=(0.3-0.8)d₁,d₁為混合相中的固相顆粒的平均粒徑或重質(zhì)相液滴的平均粒徑。

外部循環(huán)管道的相關(guān)尺寸根據(jù)增壓泵尺寸以及作業(yè)空間等因素來確定。