一种旋风式油气分离器及分离方法与流程

本发明属于油气处理设备领域，涉及一种用于喷油压缩机中油气分离的旋风式油气分离器及分离方法。

背景技术：

油气分离效率是评价喷油压缩机系统性能的关键指标之一，对于喷油压缩机来说，目前普遍使用旋风式分离器为其粗分离设备，其结构主要包括混合气进口管，旋风外筒体、旋风内筒体、排油管。油气混合物由进口管沿切向进入分离器筒体内部，在内筒和外筒之间形成的环形流场中做旋转运动，油滴由于受到更大的离心力运动在径向外侧，当其撞击到外筒内壁面时，会粘附在壁面上向下流动，到达底部后由排油管排出，而气体则从中心处的旋风内筒也即气体出口处旋转流出，实现油气分离。

相较于水，油的粘性大，容易粘连成片附着在分离器内壁面，油膜附着于壁面不仅影响了油滴直接撞壁分离的过程，且油膜积聚的较厚时，受旋转气流剐蹭的影响，易于卷吸夹带从油膜中飞溅出的二次小油滴进入气相场。如果对分离器壁面油膜加以整流与疏导，则能加快壁面油膜的排液能力，不仅能有效减薄油膜厚度，还能尽快及尽可能多的暴露更多油滴附着面积，从而从整体上提高分离器的效率。

经调查，已有专利文献从壁面涂层及壁面旋转导流的角度着手来提高分离器效率。专利文献cn104667584.a提出了一种结合多孔材料特性，微重力下工作的螺旋式气液分离器结构。其轴心处的中心筒采用憎液相多孔材料，外筒内壁面加装亲液相多孔材料层，所述两种多孔材料筒之间还有沿筒体轴向螺旋布置的折流板。该结构利用了多孔材料特性，可以实现微重力条件下对气液两相的有效分离。其应用主要适用于微重力环境，在传统的喷油压缩机系统中，气流压力与速度较高，多孔结构可能会受到冲击破坏，且气液混合物载油量较高时，多孔材料极易堵塞而需要经常更替，这些都会使得多孔材料的损耗巨大。并且外筒内壁面的多孔材料虽然对液体附壁有较好的功效，但其对汇聚壁面的液体不具备很好的导流能力，液体会在壁面聚集较多，运行一段时间后，便会影响分离器的工作效率。专利文献cn106076673.a提出了一种内壁带防粘涂层与加热丝的螺旋叶片，分离器筒体底部为倒锥形的旋风分离器。该分离器用于除尘及干燥领域，主要为了解决现有旋风分离器中物料吸湿严重造成粘壁。其螺旋叶片内的加热丝可以加热干燥壁面上潮湿附着的物料，且螺旋叶片上的防粘涂层可以减少物料在螺旋叶片上的沾湿，和加热功能一起配合达到较好的防沾湿效果。该分离器主要用于实现气固分离，纵然在运行过程中壁面粘有湿粉尘，但并不会形成液膜，且该装置没有对壁面加热干燥后的粉尘予以有效疏导，这些干燥后的粉尘容易再次随着旋转流场混入气相流体中，降低分离效率。

技术实现要素：

为解决传统旋风式油气分离器中壁面油膜飞溅等问题，本发明提供一种旋风式油气分离器及分离方法，其特征是在旋风外筒内壁面形成亲油和疏油的条纹状纹理，以瓦解分离器内壁面成片的油膜，对油膜进行整流并加强疏导。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种旋风式油气分离器，包括圆柱形旋风外筒、圆柱形旋风内筒、油气混合物入口和底部排油孔，圆柱形旋风内筒与圆柱形旋风外筒同轴设置，圆柱形旋风内筒用作气体出口；圆柱形旋风内筒与圆柱形旋风外筒的上部之间形成环形腔体；底部排油孔与圆柱形旋风外筒的底部连通；油气混合物入口与圆柱形旋风外筒的上端连接并与所述环形腔体的上部连通，油气混合物入口用于沿圆柱形旋风外筒的切向向所述环形腔体内吹入油气混合物；

圆柱形旋风外筒的内壁面上形成有亲疏油纹理，亲疏油纹理包括第一亲疏油纹理和第二亲疏油纹理，第一亲疏油纹理沿油气混合物旋流方向设置，第一亲疏油纹理始于油气混合物入口并旋转下行至距圆柱形旋风外筒底部预设距离处；

第二亲疏油纹理垂直向下设置，第二亲疏油纹理始于圆柱形旋风外筒顶部且终止于第一亲疏油纹理；

第一亲疏油纹理和第二亲疏油纹理均包括若干相间设置的亲油纹理和疏油纹理。

第二亲疏油纹理的亲油纹理和疏油纹理均终止于第一亲疏油纹理中的亲油纹理，即第二亲疏油纹理呈竖状条纹的亲油纹理和疏油纹理的末端与第一亲疏油纹理中的亲油纹理相接，以使得第二亲疏油纹理的亲油纹理汇集的油液汇入第一亲疏油纹理中的亲油纹理，并进一步汇入圆柱形旋风外筒的底部，最终由底部排油孔排出。

第一亲疏油纹理始于油气混合物入口的下边缘。

亲油纹理和疏油纹理沿着圆柱形旋风外筒横截面的方向，亲油纹理的宽度大于疏油纹理的宽度。

第二亲疏油纹理中，疏油纹理的宽度为亲油纹理宽度的1/3～1/2。

在油气混合物入口处，第一亲疏油纹理中的疏油纹理的宽度为亲油纹理宽度的1/3～1/2；第一亲疏油纹理中的亲油纹理和疏油纹理自上而下逐渐变宽。

第一亲疏油纹理下端距圆柱形旋风外筒底部的距离为圆柱形旋风外筒高度的1/10～1/8。

亲油纹理为通过喷涂或化学刻蚀形成的纹理。

疏油纹理为通过喷涂或化学刻蚀形成的纹理。

旋风式油气分离器在油气分离过程中产生的油滴与亲油纹理的接触角小于90°，与疏油纹理的接触角为120°～170°。

一种油气分离方法，通过上述旋风式油气分离器进行，过程如下：

油气混合物由油气混合物入口沿圆柱形旋风外筒的切向进入圆柱形旋风内筒下端与圆柱形旋风外筒之间形成的环形腔体，并做旋转运动；

油气混合物做旋转运动过程中，油气混合物中的油滴运动在旋转流场径向的外侧，油气混合物中气体运动在旋转流场径向的内侧；

当油滴撞击到亲油纹理时，油滴立即粘附于壁面；

当油滴撞向疏油纹理时，油滴被迅速导向疏油纹理一旁的亲油纹理，油滴在亲油纹理内汇聚后，形成的油液沿着亲油纹理流下；其中，第二亲疏油纹理中的亲油纹理汇聚的油液沿着第二亲疏油纹理中的亲油纹理竖直流下并最终汇入第一亲疏油纹理中的亲油纹理，第一亲疏油纹理中的亲油纹理汇聚的油液沿着第一亲疏油纹理中的亲油纹理旋转下行，直至到达圆柱形旋风外筒的底部，并从底部排油孔排出；

经油气分离后的气体沿圆柱形旋风内筒向上排出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的旋风式油气分离器在圆柱形旋风外筒的内壁面上形成第一亲疏油纹理和第二亲疏油纹理，其中，第一亲疏油纹理沿油气混合物旋流方向设置，第一亲疏油纹理始于油气混合物入口并旋转下行至距圆柱形旋风外筒底部预设距离处；第二亲疏油纹理垂直向下设置，第二亲疏油纹理始于圆柱形旋风外筒顶部且终止于第一亲疏油纹理；第一亲疏油纹理和第二亲疏油纹理均包括若干相间设置的亲油纹理和疏油纹理；在本发明设计的壁面浸润性特性纹理的作用下，油气混合物沿油气混合物入口进入圆柱形旋风外筒内腔后，油气混合物中的油滴撞击壁面附着后难以形成成片的油膜，而是会顺着设计的亲油纹理形成一股一股的条纹状油路，且在旋转气流的推动下，亲油纹理的油膜更易顺着亲油纹理的纹路流下。本发明的设计没有修改或增加实体任何部件，只需在传统的旋风式油气分离器的内壁面按照上述第一亲疏油纹理和第二亲疏油纹理的结构加工出对应的亲油纹理和疏油纹理或是制作出有上述第一亲疏油纹理和第二亲疏油纹理结构的套筒放入分离器中即可，成本低且高效易行。

由本发明旋风式油气分离器的有益效果可知，基于本发明旋风式油气分离器的油气分离方法能够实现对壁面液膜的整流，并加快导液速率，使得更多的壁面区域难以沉积油膜，有效减小油滴撞击液膜飞溅的可能性，并暴露出小油滴可以附着沉积的壁面，从而提高旋风分离器的效率。

附图说明

图1为本发明在设计旋风式油气分离器前期实验所得的分离器入口油膜分布。

图2为本发明在设计旋风式油气分离器前期实验所得的分离器筒体内油膜分布。

图3为本发明旋风式油气分离器的亲疏油壁面纹理分布图(主视图)。

图4为图3的右视图。

图5为本发明旋风式油气分离器的宏观结构示意图。

图6为本发明旋风式油气分离器的亲疏油壁面纹理展开图。

图中：1-圆柱形旋风外筒，2-圆柱形旋风内筒，3-油气混合物入口，4-底部排油孔，5-亲疏油纹理，5-1-亲油纹理，5-2-疏油纹理。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。

本发明的设计原理

在之前的实验中，利用有机玻璃材料制成透明可视的旋风式油气分离器，观察研究旋风式油气分离器外筒内壁面的油膜分布。根据油膜的分布特点，可将外筒内壁面划分为顶部环形及中下部旋流区域两个大部分，根据具体液膜形态与厚度又可分为a、b、c、d、e、f、g七个区域，如图1，图2所示。其中g为完全的液相区，a、b、c、d四个区域环绕旋风内筒与旋风外筒之间，此区域间的油气混合物含油量较高，油滴撞壁分离剧烈，壁面油膜受到旋转气流的剐蹭的程度较小，壁面上呈现成片的油雾区。e、f区域的油膜受旋流场影响明显，在壁面上形成明显的旋转下行环状。

根据以上实验背景，如图3～图6所示，本发明的旋风式油气分离器，包括圆柱形旋风外筒1、圆柱形旋风内筒2、油气混合物入口3和底部排油孔4，圆柱形旋风内筒2与圆柱形旋风外筒1同轴设置，圆柱形旋风内筒2用作气体出口；圆柱形旋风内筒2与圆柱形旋风外筒1的上部之间形成环形腔体；底部排油孔4与圆柱形旋风外筒1的底部连通；油气混合物入口3与圆柱形旋风外筒1的上端连接并与所述环形腔体的上部连通，油气混合物入口3用于沿圆柱形旋风外筒1的切向向所述环形腔体内吹入油气混合物；圆柱形旋风外筒1的内壁面上形成有亲疏油纹理，亲疏油纹理包括第一亲疏油纹理和第二亲疏油纹理，第一亲疏油纹理沿油气混合物旋流方向设置，第一亲疏油纹理始于油气混合物入口3并旋转下行至距圆柱形旋风外筒1底部预设距离处；第二亲疏油纹理垂直向下设置，第二亲疏油纹理始于圆柱形旋风外筒1顶部且终止于第一亲疏油纹理；第一亲疏油纹理和第二亲疏油纹理均包括若干相间设置的亲油纹理5-1和疏油纹理5-2。

如图6所示，参照图3～图5，作为本发明优选的实施方案，第一亲疏油纹理始于油气混合物入口3的下边缘，第二亲疏油纹理的亲油纹理5-1和疏油纹理5-2均终止于第一亲疏油纹理中的亲油纹理5-1，即第二亲疏油纹理呈竖状条纹的亲油纹理5-1和疏油纹理5-2的末端与第一亲疏油纹理中的亲油纹理5-1相接，以使得第二亲疏油纹理的亲油纹理5-1汇集的油液汇入第一亲疏油纹理中的亲油纹理5-1，并进一步汇入圆柱形旋风外筒1的底部，最终由底部排油孔4排出，这种设计能够加速油液的流下和排出。

作为本发明优选的实施方案，第二亲疏油纹理的下边缘呈10°～20°向下倾斜的角度。

作为本发明优选的实施方案，由于亲油纹理是聚集液滴并向下导流的主要区域，疏油纹理主要起到分割成片液膜的作用，且考虑到疏油纹理会有一定程度的液滴反弹，因此沿着圆柱形旋风外筒1横截面的方向，亲油纹理5-1的宽度大于疏油纹理5-2的宽度。

作为本发明优选的实施方案，第二亲疏油纹理中疏油纹理5-2的宽度为亲油纹理5-1宽度的1/3～1/2。在油气混合物入口3处，第一亲疏油纹理中疏油纹理5-2的宽度为亲油纹理5-1宽度的1/3～1/2；第一亲疏油纹理中的亲油纹理5-1和疏油纹理5-2自上而下逐渐变宽。

作为本发明优选的实施方案，筒体最底部为储油区域，因此第一亲疏油纹理旋转下行至距圆柱形旋风外筒1底部距离为圆柱形旋风外筒1高度的1/10～1/8时不再继续延伸。

作为本发明优选的实施方案，亲油纹理5-1为通过喷涂或化学刻蚀在圆柱形旋风外筒1内壁面上形成的亲油纹理，在亲油纹理5-1上，油滴接触角较小，旋风式油气分离器在油气分离过程中产生的油滴与亲油纹理5-1的接触角小于90°，油滴撞击壁面后能迅速铺展开来，粘附于壁面；疏油纹理5-2为通过喷涂或化学刻蚀在圆柱形旋风外筒1内壁面上形成的疏油纹理，在疏油纹理5-2上，油滴接触角较大，旋风式油气分离器在油气分离过程中产生的油滴与疏油纹理5-2的接触角为120°～170°，当油滴撞击疏油纹理5-2后，几乎无法附着，而会被迅速排开，流向疏油纹理5-2的两边，汇入疏油纹理5-2旁边的亲油纹理5-1，甚至有部分反弹。

通过上述本发明旋风式油气分离器进行油气分离的过程如下：

油气混合物由油气混合物入口3沿圆柱形旋风外筒1的切向进入圆柱形旋风内筒2下端与圆柱形旋风外筒1之间形成的环形腔体，油气混合物在圆柱形旋风外筒1内做旋转运动；

油气混合物做旋转运动过程中，油气混合物中的油滴运动在旋转流场径向的外侧，油气混合物中气体运动在旋转流场径向的内侧；

当油滴撞击到亲油纹理5-1时，油滴立即粘附于壁面；

当油滴撞向疏油纹理5-2时，油滴被迅速导向疏油纹理5-2一旁的亲油纹理5-1，油滴在亲油纹理5-1内汇聚后，形成的油液沿着亲油纹理5-1流下；其中，第二亲疏油纹理中的亲油纹理5-1汇聚的油液沿着第二亲疏油纹理中的亲油纹理5-1竖直流下并最终汇入第一亲疏油纹理中的亲油纹理5-1，第一亲疏油纹理中的亲油纹理5-1汇聚的油液沿着第一亲疏油纹理中的亲油纹理5-1旋转下行，直至到达圆柱形旋风外筒1的底部，并从底部排油孔4排出；

经油气分离后的气体沿圆柱形旋风内筒2向上排出。

综上，本发明的旋风式油气分离器能够解决现有旋风式油气分离器中壁面成片油膜受到旋流场剐蹭飞溅二次小油滴，重新卷入气相流场影响分离效率的技术问题。本发明在传统旋风式油气分离器的外筒内壁面通过化学刻蚀或是直接喷涂的方法产生亲油或疏油的纹理，且不同浸润特性区域间隔形成条纹状纹理，利用不同浸润特性条纹状纹理对壁面油膜进行整流。将旋风外筒内壁面划分为筒体顶部环形区域与筒体中下部旋流区域，顶部环形区域的纹路为垂直向下的条纹状纹理，旋流区域的条纹为自分离器入口开始沿混合物旋流方向沿壁面旋转下行至筒体底部的条纹状纹理。本发明通过分离器壁面不同浸润特性的纹理对油滴撞击后的移动方向产生影响，从而实现对壁面液膜的整流，并加快导液速率，使得更多的壁面区域难以沉积油膜，有效减小油滴撞击液膜飞溅的可能性，从而提高旋风分离器的效率。