一种天然气水合物开采泥沙旋流分离器的制作方法

本发明属于海底天然气水合物开采过程中混合物分离技术领域，具体涉及一种用于海底天然气水合物流态化开采的泥沙分离设备，也可用于其它管道复杂流动体系的净化与分离。

背景技术：

天然气水合物作为一种新型的清洁能源，在极地永久冻土、海洋沉积层和海陆接壤处都赋藏丰富。在同等条件下，相同体积的天然气水合物的碳含量远远高于其它化石能源的碳含量，因此天然气水合物作为一种未来可替代化石能源的新型清洁能源而被世界各国所关注。

但是，由于天然气水合物独特的赋存条件和其自身的物理特性，使得天然气水合物的开采过程非常困难，所以对天然气水合物的开采以及开采过程的相关技术研究与设备开发就显得尤为重要。

南海神狐海域天然气水合物的储层主要为粉砂、泥质粉砂等细粒沉积物水合物，该类水合物固体渗透性差且资源量占到95%以上，针对我国南海海域水合物资源特点采用海底浅表面层水合物固态流化开采技术进行开采是行之有效的方法（周守为，陈伟，李清平。深水浅层天然气水合物固态流化绿色开采技术[j].中国海上油气，2014，26(05):1-7）。海底浅表面层水合物固态流化开采技术是水合物在海底温度和压力相对稳定条件下，利用采掘设备以固态形式开发水合物矿体，将含有水合物的沉积物粉碎成细小颗粒后，将海水与沉积物混合，泵送前端采用水下旋流砂分离技术将泥沙分离出来。在降低海底举升系统功耗的同时，提高了有效输送效率，增加举升过程中水合物的自然分解量。

水力旋流器在工业中应用较为广泛，可用于液-固、液-液、气-固分离。工作原理是离心沉降，具体来说是混合物在压力作用下通过进口管沿柱体切线方向进入壳内，在壳内做回转运动。混合物中密度较大的颗粒因为受到较大的离心力进入回转流的外围，并向下流动，随后通过旋流器底部的底流口排出去，形成沉砂。细小颗粒由于受到的离心力比较小，会随着液体流向上运动，最终通过溢流管流出形成溢流。

在进行天然气水合物开采、分离过程中，由于外界条件变化导致一定量的水合物分解成气体，使流态化的水合物浆体成为由泥沙、水合物、天然气、海水四相组成的复杂流动体系，容易形成气阻。因此水合物开采泥沙分离过程中所要解决的关键技术问题是：（1）提高泥沙分离效率；（2）减小天然气水合物损失；（3）避免天然气在分离器内形成气阻。而现有的水力旋流器无法满足上述要求。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的水力旋流分离器无法满足水下天然气水合物开采过程中高效分离泥沙的要求，本发明提出一种结构简单、分离效果好、安装方便、体积小巧、低能耗并适应水下长期运行的天然气水合物开采泥沙旋流分离器。

本发明的技术方案为：一种天然气水合物开采泥沙旋流分离器，旋流分离器本体包括上方的圆柱筒体和下方的锥形筒体，在圆柱筒体顶部设有溢流口、侧壁上设有进料口，在锥形筒体底部设有底流口，在分离器本体内部且位于分离器轴心处纵向设有一个纽带，所述纽带的顶部通过纽带上固定支架与圆柱筒体的底部侧壁固定连接，所述纽带的底端通过纽带下固定支架与锥形筒体的底部侧壁固定连接。

进一步地，在纽带的每个扭带螺距长度上均布两个过流孔，过流孔直径d为7-15mm，所述的扭带长度为200-600mm，宽度为15-45mm，扭率为2.5-5。

进一步地，所述扭带底端距底流口45mm。

进一步地，所述过流孔直径为5-10mm。

进一步地，所述纽带上固定支架包括中部的圆形框和在圆形框外壁环周等距离分布的三个连接条，所述纽带顶端与圆形框内壁面固定连接，所述连接条的外侧端与圆柱筒体内壁固定连接；所述纽带下固定支架包括中部的圆形框二和在圆形框二外壁环周等距离分布的三个连接条二，所述纽带底端与圆形框二内壁面固定连接，所述连接条二的外侧端与锥形筒体内壁固定连接。

本发明的有益效果是：

1.本发明公开一种天然气水合物开采泥沙旋流分离器，通过内置扭带增强了内旋流强度，混合物流体在向上流动过程中将泥沙再次甩向壁面，实现二次分离；

2.通过设置纽带使得在内旋流区的流动稳定性得到提高，有利于系统安全运行。扭带使零流速包络线向外移，有利于减少水合物损失；

3.扭带上的过流孔为中心气体上浮提供了通道，避免气阻引起的运行故障；

4.本发明结构简单、安装方便、加工成本低、使用范围广、分离效率高，适用于天然气水合物开采泥沙分离。

附图说明

图1为本发明公开的一种天然气水合物开采泥沙旋流分离器的整体结构示意图；

图2为本发明公开的一种天然气水合物开采泥沙旋流分离器的俯视示意图；

图3为本发明公开的纽带的结构示意图；

图4为本发明公开的纽带上固定支架的结构示意图；

图5为本发明公开的纽带的下固定支架的结构示意图；

图6为本发明实施例2制得的纽带上有无过流孔对压降影响的统计表；

图7为本发明实施例3制得的旋流分离器内有无纽带对分离效率影响的对比统计表。

其中，1-溢流口，2-进料口，3-圆柱筒体，4-扭带上固定支架，5-锥型筒体，6-扭带，7-过流孔，8-扭带下固定支架，9-底流口。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

实施例1

为了提升天然水合物开采过程中的泥沙分离效率、减小天然气水合物的损失且避免天然气在分离器内形成气阻，本实施例公开一种天然气水合物开采泥沙旋流分离器，具体机构详见图1-5，旋流分离器本体包括上方的圆柱筒体3和下方的锥形筒体5，其中，圆柱筒体高285mm、筒体直径为250mm，锥形筒体高463mm、锥角为15°，在圆柱筒体3顶部设有溢流口1、侧壁上设有进料口2，溢流口直径为70mm、溢流管总长度为85mm、其中伸入圆柱筒体3内的深度为65mm，进料口直径为40mm，长度为50mm；在锥形筒体5底部设有底流口9，底流口直径为30mm；

在分离器本体内部且位于分离器轴心处纵向设有一个纽带6，所述纽带6的顶部通过纽带上固定支架4与圆柱筒体3的底部内侧壁固定连接，所述纽带6的底端通过纽带下固定支架8与锥形筒体5的底部内侧壁固定连接；所述纽带上固定支架4包括中部的圆形框和在圆形框外壁环周等距离分布的三个连接条，所述纽带6顶端与圆形框内壁面固定连接，所述连接条的外侧端与圆柱筒体3内壁固定连接；所述纽带下固定支架8包括中部的圆形框二和在圆形框二外壁环周等距离分布的三个连接条二，所述纽带6底端与圆形框二内壁面固定连接，所述连接条二的外侧端与锥形筒体5内壁固定连接。

为了减少纽带放置引起的阻力增加、增强气体流通，在纽带6的每个扭带螺距长度上均布两个过流孔7，本实施例公开的分离器内的纽带上共开设了8个过流孔7，过流孔7直径d为10mm，所述的扭带6长度为500mm、宽度为25mm、扭率为5（扭率计算公式y=h/d，h为扭带螺距，d为扭带外径）；所述扭带6底端距底流口9的距离为15mm。

具体的操作原理为：天然气水合物泥砂混合浆体由进料口2进入分离器，在圆柱筒体3及锥形筒体5组成的分离器本体内做旋流运动。由于离心力的作用，将天然气水合物泥砂混合浆体进行离心分离，重组分的和轻组分的物料由于离心力的大小不同，产生的旋流范围也不一样，主要分为内旋流区和外旋流区，所述外旋流区域在分离器筒壁附近，重组分的物料被甩至圆柱筒体3及锥型筒体5的近壁面区域，例如泥砂聚集外旋流区域，经过重力沉降从底流口9排出。

轻组分的物料如水合物颗粒及天然气水合物分解出的气体集中在轴心处的内旋流区，从溢流口1排出，所述内旋流区域在分离器中心轴线附近，内旋流由内置扭带6产生，在内旋流作用下，水合物、水、气聚集在内旋流区内。

本发明通过内置扭带6增强了内旋流强度，混合物流体在向上流动过程中将泥沙再次甩向壁面，实现二次分离；内旋流区的流动稳定性得到提高，扭带使零流速包络线向外移，有利于减少水合物损失。

实施例2

为了说明实施例1公开的天然气水合物开采泥沙旋流分离器内的扭带上的过流孔对于阻力变化的影响，本实施例在不同流量下做了分离器压降实验。结果如图6所示，从图中可以看出，在所给流量范围内，扭带上无过流孔比有过流孔的分离器压降平均高出9.5%左右。

实施例3

图7显示的是实施例1公开的旋流分离器的分离效率与传统水力旋流器分离效率对比结果。

实验条件是泥砂粒径为60μm，泥沙密度为2600kg/m³，初始泥沙体积含量为13%；水合物体积含量为35%，水合物粒径为60μm，水合物密度为860kg/m³，天然气体积含量为5%；水体积含量47%。

从图7中可以看出，在所给混合物流量范围内，实施例1公开的旋流分离器平均分离效率比传统水力旋流器分离效率提高6%左右，当流量为64m³/h时，分离效率最高，提高了7%。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。