一种组合式高效气液分离器的制作方法

本发明涉及的是一种气液分离器，具体地说是核能领域的气液分离器。

背景技术：

在核动力装置运行过程中，在蒸汽发生器等众多设备中都需要对气-液混合物进行分离处理。由于现场维护困难，空间狭小，现有的气液分离设备均存在适用流型单一、流程较窄等问题，且依靠单一分离原理无法完成多流型下，特别是不稳定流型下，气液两相的高效分离。因此，研发一种结构紧凑、占用体积小，综合多种分离原理，可实现气-水混合物的高效分离的气-液分离器具有重要意义。

当前的气-液分离设备大多只依靠一种分离原理，根据分离原理来划分主要可以分为四类：重力式气-液分离器、离心式气-液分离器、碰撞式气-液分离器、组合式气-液分离器。重力式气-液分离器虽具有结构简单、可靠性高等优点，但占用体积大、分离周期长的等问题却严重限制了此类分离器的使用范围(“一种三相盖腔重力分离器”，cn202315422u)。离心式气-液分离器发展已十分成熟，根据产生离心力的方式可以切向注入式和叶轮式。切向注入式离心分离器具有离心力强、结构简单、可靠性强等优点，但是其具有压降大、运行稳定性低、紊流度高等问题，特别是在振荡流型下分离效率较低(“旋流式气水分机”，cn2907905y)。现有的叶轮式离心分离器工作范围较小，只在稳定流型下分离效率较高，在振荡流型下无法满足高效分离的要求，例如：单筒多级式离心分离器(“一种旋叶式多级微气泡筛分装置”，cn107684983a；“一种旋叶式小型汽泡分离装置”，cn103394213a)；双层套筒式离心分离器(t.matsubayashi,k.katono,k.hayashi,anda.tomiyama,"effectsofswirlershapeonswirlingannularflowinagas–liquidseparator,"nuclearengineeringanddesign,vol.249,pp.63-70,2012.)其在结构上为双层套筒式结构，但当前此类分离器的工作对象主要为高含气量的气-水混合物，此时的流态基本已进入环状流，并且无法解决可能产生二次携带的问题。碰撞式气-液分离器(杜利鹏,张慧,田瑞峰.波形板汽水分离器内分离效率的影响因素分析[j].原子能科学技术,pp.1-6,2018-02-052018.)主要用于分离气相中夹带的液滴，并不适合高含液量的气-水混合物的分离。现有的组合式分离器虽然同样结合了多种分离原理，但设计过程中并未考虑流型变化对分离器带来的影响，并且其结构较为复杂、可靠性不高、适用范围窄(“一种旋流式组合气液高效分离装置”，cn106492544a)。

现有的气液分离器多为单一分离原理，且分离器的适用范围较窄，只适合在特定的单一流型下运行，缺乏可在宽流程、多流型下，特别是振荡流型下高效运行的分离器。而在实际应用中气体流量与液体流量变化较大，相应的会导致两相流型的变化，如：石油天然气开采，仅仅依靠单一的分离原理无法达到高效分离的目的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供能解决当前气-液分离技术领域中分离器可用范围小、适用流型单一，特别是无法在震荡流型高效运行等问题的一种组合式高效气液分离器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种组合式高效气液分离器，其特征是：包括外筒体、内筒体、芯筒，内筒体伸入至外筒体内部，内筒体的下端部留在外筒体外部，内筒体的中部安装一级叶轮，内筒体的顶部安装二级叶轮，一级叶轮与二级叶轮之间的内筒体上设置排液区段，排液区段上设置连通内筒体内部空间和外筒体内部空间的排液孔，二级叶轮与分离器气相引出口之间为使液相回落的分离器外筒体上腔室，芯筒设置在分离器外筒体上腔室里，芯筒与外筒体之间安装分离孔板，芯筒下端安装遮水环，外筒体下端部设置分离器液相引出口，外筒体顶部设置分离器气相引出口。

本发明还可以包括：

1、分离器气相引出口为向外筒体内部延伸的管，分离器气相引出口下方的外筒体里设置分离挡板，分离挡板和其上方的外筒体之间通过分离挡板拉筋相连。

2、所述分离孔板包括一级分离孔板、二级分离孔板、三级分离孔板，一级分离孔板、二级分离孔板、三级分离孔板竖直方向上自下而上布置，一级分离孔板、二级分离孔板、三级分离孔板上各自设置通孔，一级分离孔板的通孔位于芯筒一侧，二级分离孔板的通孔位于外筒体一侧，三级分离孔板的通孔分布在三级分离孔板整个孔板之上，且其直径由外向内变小，一级分离孔板上的通孔与二级分离孔板上的通孔相互错开设置，二级分离孔板上的通孔与三级分离孔板上的通孔相互错开设置。

3、一级叶轮的轮毂为实心结构，二级叶轮的轮毂为中空结构，二级叶轮轮轴中空结构的内径大于一级叶轮轮轴的外径，二级叶轮的叶片上端面与内筒体的上端面平齐；遮水环的外径大于内筒体的外径。

4、一级叶轮叶片入口端的切线方向与内筒体的中心轴线平行，一级叶轮叶片出口端的切线方向与内筒体的中心轴线的夹角为55°±5°，二级叶轮叶片入口端的切线方向与内筒体的中心轴线的夹角为15°±1°，出口端的切线方向与内筒体的中心轴线的夹角为55°±5°。

本发明的优势在于：本发明可满足大流量变化、不同流型，特别是振荡流型下，高效气液分离的要求分离需求。该装置可实现：

(1)本发明所提供的组合式高效气液分离器，采用相互套设的多层筒体结构，综合利用了离心分离、重力分离、碰撞分离三种分离原理。通过三种分离原理的有机结合，实现了宽流程、多流型条件的高效气液分离，特别是对处于震荡流型下气液混合物的高效分离，克服了以往气液分离器所存在的适用范围小、无法在震荡流型条件下高效运行等问题。

(2)一级叶轮的轮轴为实心结构，二级叶轮的轮轴为中空结构，与芯筒配合以形成沿轴向中空的气相通道；气-液混合物经一级叶轮后形成的气芯经气相通道直接到达分离器气相引出口处，有效抑制了气体的携带作用，提高了分离器的分离效率。

(3)沿气-液混合物的流动方向设置的三级环形分离孔板，可有效阻挡由于惯性和气体携带作用而导致的液相向上冲击。

(4)一级分离孔板、二级分离孔板和三级分离孔板上的通孔的直径依次变小；且一级分离孔板上的通孔与二级分离孔板上的通孔之间相互错开设置，二级分离孔板上的通孔与三级分离孔板上的通孔之间相互错开设置。这样的开孔和设置方式可保证在有效限制不同直径的液滴向上运动的同时，尽可能降低分离器内的压降。

(5)一级分离孔板上的通孔开设在靠近一级分离孔板内侧的一侧，主要用于阻挡沿外筒体内壁向上运动的液体；二级分离孔板上的通孔开设在靠近二级分离孔板外侧的一侧，主要用于阻挡经一级分离孔板的通孔后继续向上运动的液滴；三级分离孔板上的通孔均匀分布且通孔直径自外侧向内侧逐渐变小，使得进入分离器外筒体上腔式中的液滴尽可能均匀回落。

(6)围绕芯筒下端的外壁面上周向设置有遮水环，遮水环的外径大于内筒体的外径，主要用于防止经分离孔板作用后，受重力而回落的液滴重新落入内筒体内部。

(7)在一级叶轮以及二级叶轮之间设置预排液区段，通过一级叶轮以及排液区段的组合预先分出部分液体，实现气-液混合物的一次分离，可降低气-液混合物的振荡程度，同时减少后续分离结构的分离压力，有利于分离器分离效率的提高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为一级分离孔板的开孔结构示意图；

图3为二级分离孔板的开孔结构示意图；

图4为三级分离孔板的开孔结构示意图；

图5a为一级叶轮结构主视图，图5b为一级叶轮结构俯视图；

图6a为二级叶轮结构主视图，图6b为二级叶轮结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-6b，本发明提供的一种组合式高效气液分离器，包括：内筒体1、入口法兰2、一级叶轮3、二级叶轮4、排液区段5、防震条6、芯筒7、一级分离孔板8、二级分离孔板9、三级分离孔板10、分离挡板拉筋11、遮水环12、分离挡板13、外筒体14、分离器气相引出口15、出口法兰16、分离器液相引出口17、分离器外筒体上腔室18。一种组合式高效气液分离器，外筒体14和内筒体1相互套设，外筒体14的上端设有气相引出口15，下端设有液相引出口17；外筒体14内还套设有芯筒7，芯筒7位于内筒体1的出口端和气相引出口之间；内筒体1内部沿气-水混合物的流动方向分别设置有一级叶轮3与二级叶轮4，一级叶轮3位于内筒体1的中部，二级叶轮4位于内筒体1的出口端，且二级叶轮4的叶片上端面与内筒体1的上端面平齐；内筒体1的筒壁上设置有排液区段5，排液区段5上开设有排液孔且位于一级叶轮3与二级叶轮4之间；芯筒7的出口端与气相引出口15之间设有分离挡板13；芯筒7的外壁面与外筒体14的内壁面之间布置有环形分离孔板。

一级叶轮3的轮轴为实心结构，二级叶轮4的轮轴为中空结构，与芯筒7配合以形成沿轴向的中空通道，且二级叶轮4轮轴中空结构的内径大于一级叶轮3轮轴的外径。

环形分离孔板包括沿气-水混合物的流动方向设置的多级环形分离孔板，包括一级分离孔板8、二级分离孔板9和三级分离孔板10，每一分离孔板上沿环形开设有通孔。

一级分离孔板8、二级分离孔板9和三级分离孔板10上的通孔的直径依次变小。

一级分离孔板8上的通孔与二级分离孔板9上的通孔之间相互错开设置；二级分离孔板9上的通孔与三级分离孔板10上的通孔之间相互错开设置。

一级分离孔板8上的通孔开设在靠近一级分离孔板8内侧的一侧；二级分离孔板9上的通孔开设在靠近二级分离孔板9外侧的一侧；三级分离孔板10上的通孔均匀分布且通孔直径自外侧向内侧逐渐变小。

围绕芯筒7下端的外壁面上周向设置有遮水环12，遮水环12的外径大于内筒体1的外径。

一级叶轮3叶片入口端的切线与内筒体1的轴线平行、出口端的切线与内筒体1的轴线夹角为55°，叶片个数为5；二级叶轮4叶片入口端的切线与内筒体1的轴线的夹角为15°、出口端的切线与内筒体1的轴线夹角为55°，不同叶片的重叠角为19°，叶片个数为5。

气相引出口15的下端朝向外筒体14内部延伸一段距离，气相引出口15的下端口与芯筒7的出口端之间设有分离挡板13，分离挡板13还可采用丝网、波纹板等形式。

排液区段5可在内筒体1的筒壁上位于一级叶轮3与二级叶轮4之间的位置处设置有一段或多段，开孔的密度、孔的型式及结构参数可根据管内气液流体的配比及流体的种类进行选择。

在进行气液分离时，其技术方案是：利用入口法兰2和出口法兰16将分离器固定安装后，气-液混合物首先由分离器入口进入分离器内筒体1，经过一级叶轮3后气-液混合物产生旋转运动，在离心力的作用下密度较大的液相被抛向内筒体1的内壁上，密度较小的气相聚合形成气芯。经过液区段5后，部分液体被排出进入外筒体14与内筒体1之间的环腔内，受重力下落后，经疏水口17排出分离器，从而实现一次分离。经过排液区段5后，大部分气体和少量液体主要通过二级叶轮4轮轴通孔进入气相通道，继续向上运动，液体和少量气体在二级叶轮4叶片的作用下旋转强度进一步加强。之后，在高含气量和低含气量条件下的分离过程有所差异，下面进行分开描述。

在低含气量条件下，气-液混合物在内筒体1中主要处于较为稳定的流态，液体和少量气体经过二级叶轮4后，旋转强度增加，离心力进一步增强，在离心力的作用下密度较大的液体被抛向外筒体14的内壁上，部分液体由于惯性而继续向上运动，受到一级分离孔板8的阻挡后，在重力下而进入外筒体14与内筒体1的之间的环腔后，经分离器液相引出口17被排出分离器，遮水环12的设置可有效避免液相在回落过程中重新进入内筒体1中；而气体向上运动，通过三级分离孔板的通孔，最后经分离器气相引出口15离开分离器，从而实现而二次分离。大部分气体和少量液体通过二级叶轮4轮轴通孔进入气相通道以后，气体携带少量液滴继续向上运动。在芯筒7出口处，气体携带的少量的液滴经分离挡板13的作用后，进入分离器外筒体上腔室18，在重力的作用下进一步回落进入分离器内外筒体之间的环腔中，后经分离器液相引出口17离开分离器；气体则经分离器气相引出口15离开分离器，最终实现三次分离。

在高含气量条件下，气-液混合物在内筒体1中主要处于搅混流或环状流等不稳定的流态下。在这种流态下，气-液混合物具有振荡、易发生携带等特点。为了避免内筒体1的剧烈振动而分离器的结构发生损坏，内外筒体之间设置了防震条6，对内筒体1起到固定支撑作用。液体和少量气体经过二级叶轮4后，旋转强度增加，离心力进一步增强，在离心力的作用下密度较大的液体被抛向外筒体14的内壁上，由于惯性、振荡、气体且携带等原因，部分液体会沿外筒体14内壁继续向上运动，三层分离孔板可阻挡液体的向上运动。分离孔板的结构如图2-4所示，一级分离孔板8通孔开设在靠近一级分离孔板内侧的一侧，二级分离孔板9通孔开设在靠近二级分离孔板外侧的一侧，三级分离孔板10上的通孔均匀分布且通孔直径自外侧向内侧逐渐变小。一级分离孔板8直接阻挡沿外筒体14内壁向上运用的液体；经一级分离孔板8后，仍有部分液体受气体的携带而继续向上运动，二级分离孔板9主要用于阻挡经一级分离孔板8继续向上运动的液体；三级分离孔板10的设置一方面可阻挡受气体携带的影响继续向上运动的液滴，另一方面可以使进入分离器外筒体上腔式18中的液体均匀回落。经过三级孔板的阻挡作用，绝大部分液体回落进入外筒体14与内筒体1的之间的环腔，少量进入分离器外筒体上腔室18内的液滴在重力的作用下回落，并进入外筒体14与内筒体1的之间的环腔，最后经分离器液相引出口17离开分离器，实现二次分离。遮水环12的设置可有效避免液相在回落过程中重新进入内筒体1中。

大部分气体和少量液体通过二级叶轮4轮轴通孔进入气相通道以后，高速运动的气体携带少量液滴继续向上运动。在芯筒7出口处，携带的少量的气体直接冲击分离挡板13，分离挡板13利用分离挡板拉筋11固定。经分离挡板13的作用后，气体的携带的液滴进入分离器外筒体上腔室18，在重力的作用下进一步回落进入分离器内外筒体之间的环腔中，后经分离器液相引出口17离开分离器；气体则经分离器气相引出口15离开分离器，最终实现三次分离，最终达到精细化分离的目的。