一种压电式旋液聚结油水分离装置及其方法与流程

本发明属于油水分离领域，特别涉及一种压电式旋液聚结油水分离装置及其方法。

背景技术：

随着我国大多数油田相继进入中后期开采阶段，采出液中含水率高、乳化严重，因此有效地实现油田采出液的油水快速分离是提高石油采收率的重要手段。现有的油水分离器大部分采用卧式或立式结构，油水分离的主要方法有重力分离法、离心分离法、电脱分离法、聚结分离法和化学处理法等。重力分离法成本低，但分离速度较慢；离心分离法和电脱分离法分离速度快，但都需要外加动力设备，能耗大成本高；化学处理法易引起环境的二次污染，应用也受到限制。目前油田应用较为广泛的是重力分离法和聚结分离法，虽然能一定程度上实现油水分离的效果，但仍存在着油水分离需要较长时间，分离速度较慢的不足。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种压电式旋液聚结油水分离装置及其方法，能够提升油水分离的效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种压电式旋液聚结油水分离装置，包括分离筒体、升降机构、旋液驱动机构和聚结机构，所述分离筒体的底部设置有出水口，中段位置设置有出油口，顶部位置设置有混合溶液进液口；所述升降机构设置在分离筒体的顶部，且所述升降机构的底端分别设置有旋液驱动机构和聚结机构，所述旋液驱动结构、聚结机构均通过升降机构上下往复位移，所述旋液驱动机构驱动分离筒体内腔中的液体溶液周向旋转，所述聚结机构碰撞旋转的液体溶液并聚结油质颗粒。

进一步的，所述聚结机构包括支架和设置在所述支架上的聚结板组，所述聚结板组包含若干个环状结构且同心设置的聚结板，且所述聚结板中心与旋液驱动机构驱动的旋转水流中心同心设置；所述聚结板所包含的若干个聚结板上分别在迎液面的壁体上分别贯通开设有分流口；位于各聚结板外圈的溶液经过分流口进行分流和切割，分流后的液体碰撞在内圈的聚结板上。

进一步的，所述分流口为沿升降方向设置的条状的贯通口，且若干分流口以升降主线圆周阵列设置，所述聚结板组包括第一聚结板和间距设置在所述第一聚结板内圈的第二聚结板，所述第一聚结板与第二聚结板之间形成环状的中间聚结腔，所述第一聚结板、第二聚结板分别包含第一分流口、第二分流口，所述第二分流口的流通量小于第一分流口的流通量；经过所述第一分流口分流后的溶液进入中间聚结腔，并经内层的第二聚结板阻流和碰撞后再经第二分流口分流。

进一步的，所述聚结板为波纹板结构，且所述聚结板的位移方向上的截面为波纹轮廓。

进一步的，所述升降机构包括驱动机构、丝杆、固定套筒、活动升降套管和螺母，所述驱动机构设置在分离筒体的顶端，所述丝杆的一端连接于驱动机构的被动端，且另一端为自由端并向下伸入分离筒体内，所述螺母螺旋套设在丝杆上，且所述活动升降套管间距套设在丝杆的外侧，且所述活动升降套管的顶端连接于螺母上，所述固定套筒间隙套设在活动升降套管的外侧，且所述固定套筒的顶端固定设置，且另一端为自由端，所述活动升降套管相对于固定套管圆周向限位且轴向相对滑移设置。

进一步的，所述升降机构的底端包含若干个以升降轴线为中心圆周阵列设置的旋液驱动机构；所述旋液驱动机构包括导流壳体和驱动组件，所述导流壳体包含进液口和出液口，所述驱动组件设置在导流壳体的进液口处，且所述驱动组件驱动导流壳体内腔中的液体向出液口流动；所述导流壳体为环状壳体结构，所述驱动组件包括压电陶瓷片，所述压电陶瓷片同轴间距设置在导流壳体的进液口处，所述压电陶瓷片与导流壳体的环壁之间形成进液通道，所述压电陶瓷片沿导流壳体的轴向往复震动。

进一步的，所述进液口处设置有连接座，所述连接座包括外连接套和设置在所述外连接套内圈中的换向环，所述驱动组件通过外连接套连接于导流壳体上，所述换向环为环状结构，所述换向环间距于压电陶瓷片设置在进液口与出液口之间；通过所述进液通道的液体经过换向环导向流动至压电陶瓷片的轴向区域。

进一步的，所述连接座还包括连接环，所述连接环为同轴设置在外连接套内圈的环状结构，且所述连接环上沿轴向贯通开设有若干通液孔。

一种压电式旋液聚结油水分离方法，包括以下步骤：

s1：混合液体从进液口排入至分离筒体的内腔中，启动升降机构工作，旋液驱动机构和聚结机构跟随上下位移，且同时，启动旋液驱动机构工作，旋液驱动机构使得分离筒体内腔中的溶液周向旋转转动，所述聚结机构碰撞旋转的液体溶液并聚结油质颗粒，两者通过上升与旋转的复合运动来加速油水分离；

s2：在聚结板的上下往复运动过程中，旋液驱动机构使处于不同高度的乳状液产生旋转运动，通过旋液驱动机构使得液滴与聚结板相对旋转运动，旋转状态的溶液中的油质颗粒碰撞在聚结板上，油水乳状液在聚结板组内流动过程中，由于过流断面的周期性变化，油水乳状液的流速和流向处于不断变化之中，小油滴在运动过程中不断碰撞聚结，形成大油滴粘附在亲油的聚结板板壁上，受油珠本身密度小于水及水流的冲力使油珠沿板面移动、脱落、向上聚集，而水相在重力作用下向下沉降，油水分离；

s3：位于各聚结板外圈的溶液经过分流口进行分流和切割，分流后的液体碰撞在内圈的聚结板上，油水乳状液体经撞击破碎，小油滴与其它油滴聚结而从水珠中分离，形成大油滴，大油滴在吸附聚结附近的油滴并且聚集在亲油性的聚结板上，在其油水密度差的作用下向上浮动；

s4：经第一聚结板分流后的溶液进入中间聚结腔，所述第二分流口的流通量小于第一分流口的流通量，进入中间聚结腔内的溶液经内层的第二聚结板阻流和碰撞，以增加溶液在中间聚结腔中与两侧的聚结板碰撞时长和接触时长，再次碰撞后的溶液后再经第二分流口分流，油水乳状液体经再次撞击破碎而聚结在内层聚结板上，并形成大油滴后向上浮动在溶液上层。

有益效果：本发明的通过分离装置构件的复合运动实现油水分离，提高油水分离速度，减少油水分离时间，减小设备体积，简化机械结构。在聚结板的上下往复运动过程中，旋液驱动机构使处于不同高度的乳状液产生旋转运动，通过旋液驱动机构使得液滴与聚结板相对旋转运动，旋转状态的溶液中的油质颗粒碰撞在聚结板上，油水乳状液在聚结板组内流动过程中，由于过流断面的周期性变化，油水乳状液的流速和流向处于不断变化之中，小油滴在运动过程中不断碰撞聚结，形成大油滴粘附在亲油的聚结板板壁上，受油珠本身密度小于水及水流的冲力使油珠沿板面移动、脱落、向上聚集，而水相在重力作用下向下沉降，油水分离。该方法是在重力分离的同时进行聚结油滴的复合油水分离技术，属于不产生二次污染的物理型油水分离方法，且可同时解决现有技术分离行程较长、设备复杂及效率不足的问题。

附图说明

附图1为本发明的整体结构主视图；

附图2为本发明的整体结构的a-a向半剖示意图；

附图3为本发明的升降机构的内部结构立体示意图；

附图4为本发明的局部b的结构放大示意图；

附图5为本发明的聚结机构的俯视图；

附图6为本发明的聚结机构的立体结构示意图；

附图7为本发明的旋液驱动机构的立体结构示意图；

附图8为本发明的旋液驱动机构的半剖结构示意图；

附图9为本发明的旋液驱动机构的半剖结构立体示意图；

附图10为本发明的连接环和过滤板的结构示意图；

附图11为本发明的旋液驱动机构的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1和附图2所示，一种压电式旋液聚结油水分离装置，包括分离筒体1、升降机构、旋液驱动机构2和聚结机构6，所述分离筒体1的底部设置有出水口8，中段位置设置有出油口9，顶部位置设置有混合溶液进液口11；所述分离筒体1的顶壁上开设有出气口10，所述分离筒体1的底壁上开设有排渣口7，所述升降机构设置在分离筒体1的顶部，且所述升降机构的底端分别设置有旋液驱动机构2和聚结机构6，所述旋液驱动结构2、聚结机构6均通过升降机构上下往复位移，所述旋液驱动机构2驱动分离筒体1内腔中的液体溶液周向旋转，所述聚结机构6碰撞旋转的液体溶液并聚结油质颗粒。混合液体从混合溶液进液口11排入至分离筒体1的内腔中，启动升降机构工作，旋液驱动机构2和聚结机构6跟随上下位移，且同时，启动旋液驱动机构工作，旋液驱动机构2使得分离筒体内腔中的溶液周向旋转转动，所述聚结机构6碰撞旋转的液体溶液并聚结油质颗粒，通过将聚结机构6在液体溶液中进行上下方位的升降运动，能在重力分离的基础上，通过聚结机构的聚结作用，对液体中的油层进行聚结，两者通过上升与旋转的复合运动来加速油水分离；并在聚结机构上升至液面以上时，通过水油气三相的作用下形成气浮，油层被分离至上层，水溶液沉至下层，有效的提升了分离效率。

如附图5和附图6所示，所述聚结机构6包括支架20和设置在所述支架20上的聚结板组，所述聚结板组包含若干个环状结构且同心设置的聚结板，且所述聚结板中心与旋液驱动机构2驱动的旋转水流中心同心设置；所述聚结板所包含的若干个聚结板上分别在迎液面的壁体上分别贯通开设有分流口26；位于各聚结板外圈的溶液经过分流口26进行分流和切割，分流后的液体碰撞在内圈的聚结板上。位于各聚结板外圈的溶液经过分流口26进行分流和切割，分流后的液体碰撞在内圈的聚结板上，油水乳状液体经撞击破碎，小油滴与其它油滴聚结而从水珠中分离，形成大油滴，大油滴在吸附聚结附近的油滴并且聚集在亲油性的聚结板上，在其油水密度差的作用下向上浮动。

所述分流口26为沿升降方向设置的条状的贯通口，且若干分流口26以升降主线圆周阵列设置，所述聚结板组包括第一聚结板21和间距设置在所述第一聚结板21内圈的第二聚结板22，所述第一聚结板21与第二聚结板22之间形成环状的中间聚结腔25，所述第一聚结板21、第二聚结板22分别包含第一分流口23、第二分流口24，所述第二分流口24的流通量小于第一分流口23的流通量；经过所述第一分流口23分流后的溶液进入中间聚结腔25，并经内层的第二聚结板22阻流和碰撞后再经第二分流口23分流。所述聚结板21为波纹板结构，且所述聚结板21的位移方向上的截面为波纹轮廓，以增加聚结板与溶液的接触面积，提升聚结效率，经第一聚结板分流后的溶液进入中间聚结腔25，所述第二分流口24的流通量小于第一分流口23的流通量，进入中间聚结腔内的溶液经内层的第二聚结板22阻流和碰撞，以增加溶液在中间聚结腔中与两侧的聚结板碰撞时长和接触时长，再次碰撞后的溶液后再经第二分流口23分流，油水乳状液体经再次撞击破碎而聚结在内层聚结板上，并形成大油滴后向上浮动在溶液上层。

且通过波纹板与升降方向一致的沟槽和波峰方向，能够保证聚结板21与液体的充分结构，且减小其升降时的对液体的波动，，所述聚结板21为亲油疏水材质，以聚结油层而疏离水层，聚结板21为使用聚丙烯作为波纹板材质，还可为聚丙烯、聚氯乙烯、不锈钢、碳钢等的金属及非金属材料，并将进行合适表面工艺处理，例如镀纳米膜，形成一层具有亲油性的表面，使其同时兼具亲油以及疏水两种特性，大幅提升分离的效率。

如附图2至附图4所示，所述升降机构包括驱动机构5、丝杆12、固定套筒4、活动升降套管3和螺母13，所述驱动机构为驱动电机，所述驱动机构5设置在分离筒体1的顶端，所述丝杆12的一端连接于驱动机构5的被动端，且另一端为自由端并向下伸入分离筒体1内，丝杆底端设置有密封活塞18，密封活塞18与活动升降套管内部密封滑动设置，防止水溶液进到丝杆上，所述螺母13螺旋套设在丝杆12上，且所述活动升降套管3间距套设在丝杆12的外侧，且所述活动升降套管3的顶端连接于螺母13上，所述固定套筒4间隙套设在活动升降套管3的外侧，且所述固定套筒4的顶端固定设置在分离筒体1的顶壁上，且另一端为自由端并向下延伸，所述活动升降套管3相对于固定套管4圆周向限位且轴向相对滑移设置，则所述活动升降套管3通过丝杆12转动而使得螺母向上或向下直线位移，从而升降聚结机构6。

所述固定套筒4的底部设置有导向滑座14，所述导向滑座14包括滑动环15和导向块16，所述滑动环15同轴固定设置在固定套筒4内圈，且所述滑动环15与活动升降套筒3相对滑动设置，至少一个所述导向块16凸设在滑动环15内圈，所述活动升降套管3的外环壁上沿轴向凹设有导向滑槽17，所述导向块16对应滑动设置在所述导向滑槽17内，通过导向滑座14对活动升降套管进行升降导向，使其只有轴向位移，而限制其周向位移。相比于现有机构中的单纯的升降机构，通过将丝杆机构小型化、密封化，能够保证丝杆的顺畅运行，防止其锈蚀，且还具有传动效率高，运动平稳的优点，并使加工设计的零件数目低，噪声减小，传动链短，误差比较小。

如附图7至附图11所示，所述升降机构的底端包含若干个以升降轴线为中心圆周阵列设置的旋液驱动机构2；所述旋液驱动机构2包括导流壳体31和驱动组件32，所述导流壳体31包含进液口40和出液口41，所述驱动组件32设置在导流壳体31的进液口40处，且所述驱动组件32驱动导流壳体31内腔中的液体向出液口41流动，所述出液口41设置有可调向喷嘴46，用于调节喷液的方向。

所述导流壳体31锥形的环状壳体结构，其大端为进液口，增加其进液量和进液速度，小端为出液口，以增加液体流出时的速度，易产生更大的推力。所述驱动组件32包括压电陶瓷片35，压电陶瓷片连通交流电，所述压电陶瓷片35同轴间距设置在导流壳体31的进液口40处，所述压电陶瓷片35与导流壳体31的环壁之间形成进液通道，所述压电陶瓷片35沿导流壳体的轴向往复震动。该震动由通电的压电陶瓷片往复的机械变形形成，在压电陶瓷片向远离于出液口的一侧变形时，导流壳体的内腔中体积增加，液体从进液口涌入到导流壳体内部；在压电陶瓷片向出液口一侧变形时，使得导流壳体内腔的体积变小，液体被从出液口向外挤压，产生推动水流。

对于本设计中的液体和波纹状聚结板组之间的相对回转采用压电喷液的阵列组合形成液体的旋流来实现。聚结板组安装在主轴上，通过丝杠旋转，带动聚结板组只做升降运动，对混合液进行分离。通过旋液驱动机构2可以向给定方向喷出一定压力的液体，一个旋液驱动机构2不足以产生液体的回转运动，但是多个旋液驱动机构2的排列组合就可以形成液体流向和力量的合成作用，达到一定数量，并且经过过一段时间，并且在波纹板的约束和辅助作用之下就可以形成稳定的旋流。旋液驱动机构2可以安装在波纹板组之间，就可以在波纹板内部产生液体和波纹板的旋转运动，另外由于没有机械传动机构的存在，所以回转运动可以平稳地进行，机械噪声极小。

如附图8和附图9所示，所述进液口40处设置有连接座33，所述连接座33包括外连接套37和设置在所述外连接套37内圈中的换向环38，所述外连接套37为圆环形结构，所述驱动组件32通过外连接套37连接于导流壳体31的进液口上，所述换向环38为环状结构，且其内径不大于压电陶瓷片的外径，所述换向环38间距于压电陶瓷片35同轴设置在进液口40与出液口41之间；通过换向环38以使得进液通道流入的液体通过换向环38的环壁进行换向，使得液体从轴向流动变形径向流动，通过所述进液通道的液体经过换向环38导向流动至压电陶瓷片35的轴向区域，换向后的液体能够全部进入到压电陶瓷片35的振幅区域内，则液体通过压电陶瓷片35的震动而向出液口41的一侧流动，直至流出到导向壳体31外部，产生推进水流。

所述连接座33还包括连接环39，所述连接环39间距于换向环38，所述连接环39为同轴设置在外连接套37内圈的环状结构，且所述连接环39上沿轴向贯通开设有若干通液孔42。如附图10所示，为一种连接环39结构，其与外连接套37一体设置，且连接环39通过若干通液孔42分隔成若干个相互间隔的块状结构，使得连接座大致呈内花键状的栅式结构，以引导液体向压电陶瓷片流动。

所述连接环39的进液端设置有环状的过滤板43，以对进液进行过滤，防止堵塞。

所述驱动组件32还包括固定座34，所述固定座34对应于进液口40的一端凹设有t型状的安装腔44，压电陶瓷片35与台肩处设置有密封圈45，且所述压电陶瓷片35通过螺母36压在密封圈35上，所述压电陶瓷片35通过密封圈45密封设置在安装腔44开口处，且所述安装腔44内设置有电源组件，主要为驱动压电陶瓷片震动的驱动电路；所述压电陶瓷片35通过电源组件供电产生震动。安装腔44为密封腔，里面主要容纳电路为压电陶瓷片通电，压电陶瓷片为圆片形放置在密封圈之上，它在一定振荡频率的驱动控制电路激励下产生机械振动，从而推动锥形导流壳中的液体从导向喷嘴中喷出。

一种压电式旋液聚结油水分离方法，包括以下步骤：

s1：混合液体从进液口排入至分离筒体1的内腔中，启动升降机构工作，旋液驱动机构2和聚结机构6跟随上下位移，且同时，启动旋液驱动机构工作，旋液驱动机构2使得分离筒体内腔中的溶液周向旋转转动，所述聚结机构6碰撞旋转的液体溶液并聚结油质颗粒，两者通过上升与旋转的复合运动来加速油水分离；

s2：在聚结板的上下往复运动过程中，旋液驱动机构2使处于不同高度的乳状液产生旋转运动，通过旋液驱动机构2使得液滴与聚结板相对旋转运动，旋转状态的溶液中的油质颗粒碰撞在聚结板上，油水乳状液在聚结板组内流动过程中，由于过流断面的周期性变化，油水乳状液的流速和流向处于不断变化之中，小油滴在运动过程中不断碰撞聚结，形成大油滴粘附在亲油的聚结板板壁上，受油珠本身密度小于水及水流的冲力使油珠沿板面移动、脱落、向上聚集，而水相在重力作用下向下沉降，油水分离；

s3：位于各聚结板外圈的溶液经过分流口26进行分流和切割，分流后的液体碰撞在内圈的聚结板上，油水乳状液体经撞击破碎，小油滴与其它油滴聚结而从水珠中分离，形成大油滴，大油滴在吸附聚结附近的油滴并且聚集在亲油性的聚结板上，在其油水密度差的作用下向上浮动；

s4：经第一聚结板分流后的溶液进入中间聚结腔25，所述第二分流口24的流通量小于第一分流口23的流通量，进入中间聚结腔内的溶液经内层的第二聚结板22阻流和碰撞，以增加溶液在中间聚结腔中与两侧的聚结板碰撞时长和接触时长，再次碰撞后的溶液后再经第二分流口23分流，油水乳状液体经再次撞击破碎而聚结在内层聚结板上，并形成大油滴后向上浮动在溶液上层。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。