一种水力旋流分离方法和装置以及内筒磁芯的电力控制方法与流程

本发明涉及一种应用于旋流分离领域中的方法和装置。

背景技术：

传统油水分离旋流器是利用油水两相的密度差进行离心分离，油水混合液一般沿切向进入旋流器内部，在高速旋转的流场内，重质的水相向着旋流器外筒的内壁面流动，最终从底流口排出，轻质的油相则被迫向旋流器中心运动，形成向上旋转的内旋流，最终从溢流口排出。一定的油水密度差是旋流分离的必要条件，但随着油田开采进入中后期阶段，稠油和含聚采出液的油水密度差小，油水乳状液的粘度大，旋流分离效率降低，油水不能够充分分离，底流口水中含油和溢流口油中含水的指标往往难以达到，在污水除油，润滑油回收等其他油水分离行业也面临许多类似的问题。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种新的解决方法并设计出了相应的旋流器，利用该旋流器可同时产生旋转离心力和向心的磁性力。这种双重作用可以加速油水乳状液破乳并促进油水分离，提高旋流分离的效率，扩大旋流器的适用范围。

本发明的技术方案是：首先，本发明提出了一种新的水力旋流分离方法，该方法的主要创新之处在于：将旋流器内筒变为可产生磁性力的内筒磁芯，在分离过程中，人为添加密度、粒径与待分离油相接近的磁性微粒，在旋流器依靠离心力将水相分离到旋流器外筒内壁上的同时，由内筒磁芯提供磁性力，所述磁性力沿旋流器径向由大到小分布，沿旋流器轴向阶梯分布，将与油滴密度和粒径均相当的磁性微粒沿径向向内筒吸引并同时带动油滴一并向内筒外壁移动；

所述磁性微粒为介孔体系高分子固体磁性微粒，是在利用化学气象沉积法生产高分子微粒的同时，喷入具备超顺磁性的铁磁纳米颗粒后而生成。

为了实施上述方法本发明同时给出了对应的磁芯水力旋流器的构成方案：该种磁芯水力旋流器包括旋流器外筒、旋流器内筒、切向入口、溢流腔、溢流口以及底流口等常规结构，除此之外：

在旋流器内筒中置有磁极组；所述磁极组由若干磁极单元在中心轴柱上沿垂向间隔分布后构成，中心轴柱位于旋流器内筒的中心；在旋流器内筒的顶部开有进气孔道，在旋流器内筒的底部开有出气孔道；磁极组产生的磁性力沿旋流器径向由大到小分布，沿旋流器轴向阶梯分布。

旋流器内筒采用高强度、高绝缘以及高耐磨蚀的非金属材料制成，所述旋流器内筒的直径由小变大，由上至下分别构成内筒圆柱段、内筒大锥段、内筒小锥段和内筒底流段，对应前述四段，在旋流器内筒的外壁和旋流器外筒的内壁之间形成的旋流分离腔体分别为旋流腔、大锥段、小锥段和底流腔；其中，在旋流器内筒上，对应旋流腔与大锥段连接处的内角为圆角。

本方案中磁极组中磁场的形成，优选为电力控制后形成，因此，本发明亦同时给出一种用于控制磁芯水力旋流器中磁极组形成磁场的电力控制方法，该方法可概括为：通过电力控制模块对旋流器内筒中的磁极组供电，所述电力控制模块由单片机时序电路、功率驱动电路、反馈调节电路和功率输出电路构成，其中所述单片机时序电路中的单片机时序采用三段电磁周期控制；

所述单片机时序采用三段电磁周期控制是指，按照磁极磁化周期、磁极异化周期和磁极退磁周期进行循环周期控制；在磁极磁化周期内，磁极单元通电，磁极组产生磁场并提供磁性力，吸引磁性微粒向内筒运移；在磁极异化周期内，全部或部分磁极反向充电；在磁极退磁周期内，所有磁极共同退磁，磁极组不再提供磁性吸附力，刚刚发生微小位移的磁性微粒将被螺旋上升的油流带走，一并从溢流口排出。

本发明具有如下有益效果：首先，本发明将磁极组安装在旋流器内筒腔内，构造了具有磁性力的内筒磁芯，可产生磁性向心力，利用人为添加的磁性微粒携带油滴进行辅助分离，与旋流器内的离心力共同作用，提高旋流分离效率。其次，本发明给出的旋流器内筒采用双锥结构设计，不仅能够实现旋流腔、大锥段、小锥段、底流段逐渐加速分离过程，还由于内筒直径逐步加大，其内部的磁极长度加长，磁性力逐渐加强，磁芯能够更好的完成辅助离心分离任务，促进油水分离。再次，本发明中，人为加入的磁性微粒为固体微粒，在磁性力作用下径向运动时，会不断冲击油水界面膜，有利于促进乳化较重的油水乳状液破乳，使油水分离更彻底。且磁性微粒对人无危害，不污染环境，必要时还可利用电磁铁回收，重复利用。另外，本发明中，磁芯控制电路采用三段周期循环，内筒磁芯间歇产生磁力，吸附磁性微粒后，磁芯退磁，磁性微粒随油流排出。而且，本发明中的磁极组产生的焦耳热可加热内筒筒壁，适当的温升有利于油水分离。同时，本发明中磁极组供电电路可以为低压供电，低功率消耗，采用风冷散热，不会危及操作人员的人身安全。

综上所述，本发明采用完全物理法的电磁场与机械结构相结合，为油水乳状液破乳和分离提供新思路，促进分离技术的发展。利用本发明可处理不同类型油水混合液，使旋流分离适用面扩大，可广泛应用于原油脱水、污水除油、炼油厂污油回收以及汽车润滑油回收等领域。

附图说明：

图1是本发明所述磁芯水力旋流器的结构示意图。

图2是图1的俯视结构示意图。

图3是图1的B-B截面剖面结构示意图。

图4是本发明所述磁芯水力旋流器内筒的结构示意图。

图5是压铸式实体内筒的结构示意图

图6是单个磁极单元的结构示意图

图7是轮辐型磁极组的结构示意图

图8是交错型磁极组的结构示意图

图9是螺旋型磁极组的结构示意图

图10是本发明所述旋流器的一个优选实施例的结构示意图

图11是一种双锥形外筒的磁芯水力旋流器结构示意图

图中1-出气孔道；2-底流口；3-底流腔；4-旋流器内筒；5-小锥段；6-旋流器外筒；7-中心轴柱；8-大锥段；9-磁极组；10-旋流腔；11-溢流腔；12-溢流口；13-进气孔道；14-切向入口；15-内圆角；16磁极单元。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

首先阐述一下本发明的目的：为了提高现有水力旋流器的分离效率，扩大旋流器的适用面，设计了一种磁芯水力旋流器。其目的主要有：（1）提高旋流分离处理的效率；（2）采用完全物理法的电磁场与机械结构相结合，为油水乳状液破乳和分离提供新思路，促进分离技术的发展；（3）可处理不同类型油水混合液，使旋流分离适用面扩大，可广泛应用于原油脱水、污水除油、炼油厂污油回收、汽车润滑油回收等领域。

为了实现以上目的，本发明首先提出了一种新方法，将旋流器内筒变为可产生磁性力的内筒磁芯，在分离过程中，人为添加密度、粒径与待分离油相接近的磁性微粒，在旋流器依靠离心力将水相分离到旋流器外筒内壁上的同时，由内筒磁芯提供磁性力，所述磁性力沿旋流器径向由大到小分布，沿旋流器轴向阶梯分布，将与油滴密度和粒径均相当的磁性微粒沿径向向内筒吸引并同时带动油滴一并向内筒外壁移动；

所述磁性微粒为介孔体系高分子固体磁性微粒，是在利用化学气象沉积法生产高分子微粒的同时，喷入具备超顺磁性的铁磁纳米颗粒后而生成。具体实施时，喷入的铁磁纳米颗粒，如Fe、Co、Ni、Fe3O4等，就可将油水混合液改造成油水磁混合的磁性流体。少量铁磁性纳米颗粒可使高分子微粒具有足够的磁性，能够被磁极吸引。通过设计介孔体系的孔隙率来调节微粒密度，使得磁性微粒的密度与所分离油样的密度相当或者略小，磁性微粒的粒径与分离油样中油滴的粒径相当。

为了实施上述方法，本发明提供了一种磁芯水力旋流器，该种旋流器如图1至图4所示，包括旋流器外筒6、旋流器内筒4、切向入口14、溢流腔11、溢流口12以及底流口2等常规结构外，其独特之处在于：

在旋流器内筒4中置有磁极组9；所述磁极组由若干磁极单元16在中心轴柱7上沿垂向间隔分布后构成；在旋流器内筒4的顶部开有进气孔道13，在旋流器内筒4的底部开有出气孔道1。如此构造的原因在于：在有限空间内安装多个磁极，会产生焦耳热。为了散热，在旋流器内筒的顶部设计了进气孔道，在旋流器内筒的底部设计了出气孔道，可采用空压机或者排风机对磁极组进行风冷散热。当磁极组发热量较少时，磁极组产生的废热可以加热旋流器内筒，适当的温升有利于油水分离。但磁极组温度过高会影响电路安全，当电流反馈模块探测到磁芯组温度过高时，需开启风冷，实时散热，确保仪器连续安全稳定运行。

所述旋流器内筒的直径由小变大，由上至下分别构成内筒圆柱段、内筒大锥段、内筒小锥段和内筒底流段，对应前述四段，在旋流器内筒4的外壁和旋流器外筒6的内壁之间形成的旋流分离腔体分别为旋流腔10、大锥段8、小锥段5和底流腔3；其中，在旋流器内筒4上，对应旋流腔10与大锥段8连接处的内角15为圆角，防止磁性微粒在该处堆积。旋流器内筒设计成直径由小变大的内筒圆柱段、内筒大锥段、内筒小锥段、内筒底流段四部分之后，在旋流器内筒和旋流器外筒之间的旋流分离腔体即形成了旋流腔、大锥段、小锥段和底流腔。油水磁混合介质通常切向进入旋流腔内，即开始了离心分离。混合介质在旋流腔、大锥段、小锥段，逐渐加速并完成分离过程，与此同时，旋流器内筒直径逐渐加大，磁极单元的长度增大，内筒腔内的磁极组磁性力逐渐增强，完成了磁性粒子的辅助旋流脱水流程，汇集到旋流器中心的油流向着旋流器溢流口旋转流动，最终排出溢流口。此外，内筒大锥段，内筒小锥段内的磁极单元布置密度可以适当加大，增加磁性力输出。

另外，旋流器内筒采用高强度、高绝缘以及高耐磨蚀的非金属材料制成。这是由于旋流器内筒壳体与磁极组紧密接触，钢质壳体被磁化后，磁场分布复杂，不能在短时间内退磁，磁性微粒长期吸附在钢质内筒外表面会影响油水连续分离。

具体实施时，磁极组9也可通过压铸方式嵌入到旋流器内筒4的内筒内部，这时，旋流器内筒4为实体内筒,如附图5所示。旋流器外筒也可以采用单锥或双锥结构设计，中心磁极部分也可以采用直筒式等，如附图11所示。

一般情况下，对旋流器内筒中的磁极组采用直流供电来提供磁场，也可以利用交流电或者三相电产生特殊磁场，辅助旋流分离。

如附图6所示，磁极组中的磁极单元为密绕螺线管构成的小型电磁铁；磁极组由许多磁极单元组合而成；将磁极组安装在旋流器内筒腔内，就形成了内筒磁芯。内筒磁芯的电力控制包括磁化周期、磁极异化周期、退磁周期，保证内筒磁芯能够有效实现辅助分离和磁性微粒的排出。

磁极单元为密绕铁芯螺线管，通常可以采用矩形、圆形等截面，附图6展示了一种矩形截面的磁极单元。当螺线管线圈通电以后，螺线管即制成了一个小型电磁铁，可以通过调节电力参数、磁极单元结构参数、线圈匝数等设计磁极单元磁性的大小，还可以通过调节电流的流向控制磁极单元NS极的位置。磁极单元横截面积、线圈匝数和铁磁质类型依据所提供磁性力大小设计。

磁极组由众多磁极单元构成，将之安装在旋流器内筒腔内之后，会将旋流器内筒变为可产生磁性力的内筒磁芯。其构成方式可以是轮辐型磁极组、交错型磁极组、螺旋型磁极组或内嵌式磁极组等。

轮辐型磁极组是由多个磁极单元组成, 安装在旋流器内筒筒壁与中心轴柱之间，按轮辐状排列。将磁极单元的N极安装在同一水平面上并与中心轴柱接触。将磁极单元的S极安装在同一水平面上并与旋流器内筒内壁面接触。在同一圆周内可安置多个磁极单元，附图7中的轮辐型磁极组安装了8个磁极单元。在旋流器内筒腔内，自下而上排布许多轮辐型磁极组之后，就制成了内筒磁芯，如附图4所示。众多磁极单元的S极都分布在内筒筒壁上，这些磁极能够将磁性微粒磁化并提供磁性吸引力。

交错型磁极组将多个磁极单元交错安装在中心轴柱上，磁极单元的间隔与交错角度依据所需磁性力大小设计，磁极单元的的NS极两端分别固定在旋流器内筒的某一个直径两端。此时磁极单元的长度与旋流器内筒直径相当，单个磁极单元的长度是轮辐型磁极组的一倍。附图8中以90度交错角为例，展示了一种交错型磁极组。

螺旋型磁极组是将多个磁极单元螺旋安装在中心轴柱上，所有磁极单元的N级安装在中心轴柱上，S级固定在旋流器内筒内表面，如附图9所示。螺距与磁极密度依据用户需求设定。

以上三种磁极组的设计特点是在旋流器内筒腔内留有大量散热空间，可以保证在内筒磁芯产生强磁场时，电路散热良好。当设计的磁场较小，发热量不高时，还可采用内嵌式磁极组。通过模具压铸的方式将磁极组与旋流器内筒压铸成一体化结构，既坚固耐用，又电气绝缘。磁极单元嵌入到旋流器内筒的方式很多，附图5展示了一种磁极单元平行均匀排布的嵌入结构。

磁极组安装在旋流器内筒腔内或者嵌入到旋流器内筒内部后，就形成了内筒磁芯，内筒磁芯提供磁性力。在分离过程中，人为添加密度、粒径与处理油相接近的磁性微粒辅助分离，在旋流器依靠离心力将水相分离到旋流器外筒内壁上的同时，内筒磁芯提供磁性力，将与油滴密度和粒径均相当的磁性微粒沿径向向内筒吸引。向外的离心力将重质水相甩向外筒内壁。向内的磁性力将较轻的磁性微粒和油滴一并吸引向内筒外壁，固体磁性微粒参与旋流流动时，固体磁性微粒不断冲击油水界面膜，磁性力促进油水乳状液液滴的拉伸变形，能够增加油水乳状液的破乳几率，提高旋流器分离效率。并且，将电气单元安装在内筒腔内或嵌入到内筒内部可避免电气设备与液流接触，防止电路短路，增加了设备的稳定性和可靠性。

内筒磁芯的电路控制主要分为电源模块和电力控制模块两部分。电源模块将220V工频交流电转变为直流电。电力控制模块对旋流器内筒磁极组供电，由单片机时序电路、功率驱动电路、反馈调节电路和功率输出电路构成。单片机时序采用三段电磁周期控制：在磁化周期内，具体时间根据介质物性、操作条件等进行调整，例如，3-6s，磁极单元通电，内筒磁芯产生磁场并提供磁性力，吸引磁性微粒向内筒运移；在磁极异化周期内，全部或部分磁极反向充电，原来的NS磁极短暂反向，由于磁极异化时间极短，例如，0.1-0.5s，磁性微粒的磁极并未发生变化，此时，磁极单元的N极将与磁性微粒的N极相对，在电磁斥力的影响下，吸附在内筒磁芯表面的磁性微粒将发生微小位移；在退磁周期内，例如，1.5-3.5s，所有磁极共同退磁，内筒磁芯不再提供磁性吸附力，刚刚发生微小位移的磁性微粒将被螺旋上升的油流带走，一并从溢流口排出，电力控制进入下一个循环周期。如此设计，能够实现磁芯水力旋流器连续工作，也能避免磁性微粒在内筒磁芯堆积所造成的溢流流速变缓问题。后期工艺可以利用电磁铁将吸附在油流内部的磁性微粒回收，重复利用。

上述用于控制磁芯水力旋流器中磁极组形成磁场的电力控制方法，其能够带来的有益效果在于：

掺入到油水混合液中的磁性微粒如果单纯被磁芯的磁性向心力吸引，会堆积在磁芯上，不利于旋流分离，而三段周期制的电力控制方法，可以令磁芯产生磁力，吸引携带着油滴的磁性微粒向旋流器中心移动，一段磁化周期后，磁芯进入退磁周期，磁性力消失，已经运移到旋流器中心的磁性微粒会跟随螺旋上升的溢流流出旋流器。

电力控制方法上如果仅存在磁化周期和退磁周期，有些磁性微粒会被油液的粘滞力，旋流器内筒表面的摩擦力，或者溢流向内被迫流动的其他作用力固定在旋流器内筒表面，无法完全被溢流带走，因此在磁化周期和退磁周期之间增加了磁极异化周期。在磁芯退磁前，将旋流器磁极组中的部分磁极单元反向充电，令这些磁极单元的N极变成S极，S极变成N极，由于磁极异化时间极短，例如，0.1-0.5s，吸附到内筒附近的磁性微粒的NS极来不及发生变化，这将导致磁极单元的N极将与磁性微粒的N极相对，在电磁斥力的影响下，吸附在内筒磁芯表面的磁性微粒将发生微小位移。这样的微小位移有助于磁性微粒被溢流带动，一并流出旋流器，也有助于清理旋流器内筒的表面，使内筒表面不会沉积污泥、油污、水垢和磁性微粒等杂质。

附图10是本发明所述旋流器的一个优选实施例的结构示意图，示意图中结构参数的内容如下：：旋流器外筒直径；：旋流器内筒底流段直径；：旋流器内筒圆柱段直径；：溢流口直径；：旋流器整体高度；：旋流器分离段高度；：旋流器大锥段高度；：旋流器小锥段高度；：切向入口长度；：切向入口宽度；：溢流腔深入旋流腔长度；：旋流器大锥角；：旋流器小锥角；：磁极单元的长、宽、高。按照以下具体尺寸关系限定构造旋流器，会获得较好的分离效果。具体尺寸关系的限定为：

0.3<<0.95；0.2<<0.9；2<<5；0.1<<0.4；0.3<<0.8；0.2<<0.4；1.5<<3.5；0.5°<<60°；0.5°<<55°。上述各限定条件之间的关系为和的关系。