[发明专利]动态预旋与轴向推进式水力旋流器

说明书

技术领域

本发明涉及一种多相组分的离心分离装置，特别涉及动态预旋与轴向推进 式水力旋流器，适合含固体颗粒的液固相或油水相的高效分离。

背景技术

观目前国内外的水力旋流分离器，总体说来分为两大类：静止式的和动态 外驱动式的。绝大部分的旋流器都是纯静态部件的静止式结构，如此虽然操作 简便、可靠性强、工作寿命长，但由于其分离机理全是凭借其入口介质的压力 能转化成高速旋流来实现的，因此压力损失很大，造成推动流动的压差不足而 使旋流器单位容积的处理能力降低。并且由于边缘的轴向速度损失较大，容易 产生逆向涡流和扩散掺混，降低其分离效果。虽然对于压力损失大的问题，可 以采用增加入口压力的方法解决，但除了耗能之外，使用通常的离心泵增压， 由于泵内的强烈湍流，将使油水乳化、聚态团粒的破碎作用大大增强，非常不 利于其后再进到旋流器中分离。而使用柱塞泵、螺杆泵增压的成本很高。

动态外驱动式的水力旋流器问世于上世纪80年代，至今已发展有Total型、 预旋流型和复合型三种常见的形式。其基本结构都是具有一段外界驱动的旋转 管段，Total型和复合型的还在管上固装旋转栅来驱动介质加速旋转；欲分离的 介质在旋转管内Total型和预旋流型、或在管外复合型沿着管的轴向流动，在旋 转栅等驱流转动件的作用下，提高了介质的旋转速度。由于有轴功的输入，故 介质的入口压力不必多量地转换成旋转动能，其离心力场就能得到增强，因而 使压降减小，分离效率提高。并且增强的离心力场也能补充外周介质的压力损 失，使排液顺畅，处理量增加。

但上述的动态驱动式水力旋流器也还存在着一些不足：Total型和预旋流型 的外转筒类似静态旋流器的外壳，旋转边界延续到整个分离流道，转筒的机械 误差易引起不平衡振动，影响旋流分离的稳定，容易再次参混；预旋流型仅靠 分离段外筒内壁的摩擦力来使外周旋流强度提高，其作用有限，转动组件的功 效较低；复合型虽是今后发展的方向，但其结构有些复杂，其旋转栅悬臂外伸 很长，容易摆转振动。而振动会产生强力混合，减弱分离效果。

再从机理上分析，无论是静止式还是动态外驱动式的水力旋流器，在其增 旋收缩段区域，依据动量矩守恒，沿轴向随旋转半径的不断减小，周向旋转速 度成反比增大，角速度成平方增加，离心力场强则成3次方增大。随着离心力 场的增大，中心流的压力会轴向沿程逐减，而边缘流的压力会沿程逐增，但这 种压力梯度，恰与旋流器中的边缘重液向前排出，而轻液一般回流排出的流动 方向所要求的推动力是相反的，会延缓已分离相的及时排出。

在旋流器的渐缩增旋段，对重介质来讲，依据流量连续性原则、和轻液向 中心区域的回流使外环流量的减少，都要求重介质的轴向速度增加。但由于旋 流器内壁的摩擦和上述的逆向压力梯度，使靠近边界的分离重相，轴向加速会 更慢，这不利于分离后的重相和沉降物的及时排出，而在进出口压差的作用下， 有可能使外层以内的未完全分离相加速从重液出口排出，而使分离效果变差。

不仅如此，上述未完全分离相的轴向速度增高、或者说最高轴向速度的内 移，会导致分离段中内层区域各层间的轴向速度梯度增大，而靠近内层轻质相 的层间轴向速度梯度若是大，就会加剧对已分离轻质液的挟带掺混，使旋流分 离的效果进一步变差。

旋流器的分离效果不如离心机，还有一个重要的原因：就是因为介质要自 增旋，故需要分离段半径的收缩，但这会引起离心力场强度沿着轴向的变化太 大，无法实现所谓的“中性层”进料而使进料流动对已分离相的干扰最低。旋 流分离后的两相，需要逆向排出，而一般内层轻质相是回流排出的，轴向沿程 的离心力场不断减弱，流动易向外周扩散；而另一方面，进料介质的压力大于 轻质相的流出压力，且因当地的离心力不大，容易向内扩散到已分离轻质液流 出口的周边，进到尚未流出的轻质相中，而形成“短路”流出。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述动态和静态水力旋流器的不足，提供一种 结构简单、作用原理更加有效的动态预旋与轴向推进式水力旋流器。

本发明无旋转外壳、转子悬臂短不易振动，对进口压力要求低，单位体积 处理量大，特别是能增加旋流器外周重组分的轴向排出速度，减少未完全分离 相从重液出口的排出，减小分离层之间的轴向速度梯度，进料介质对已分离轻 质组分逆向排出的渗透和扰动更小，是一种分离效率高的水力旋流器，能满足 油田开采或其他场合下，对于油砂分离、油水分离的需求。