颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水方法及设备

本发明属于多相流分离，具体涉及一种颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水方法及设备。

背景技术：

1、水力旋流器具有分离效率高、体积小、处理时间短、能耗低等优点，广泛应用于石油化工、能源环境、食品医疗等行业的油水分离。由于分离介质的不同，水力旋流器的结构形式也存在差异，按照分离介质的差异主要可分为脱油型和脱水型。上述两类水力旋流器的主要区别在于连续相与分散相的含量及流向不同。脱油型水力旋流器主要关注底流口流体的洁净程度，主要的技术挑战是在锥段保持较长的逆流芯，保证较轻的分散相汇聚至轴心由溢流口排出，从而达到除油的目的。而脱水型水力旋流器主要关注溢流口流体的洁净程度，存在的技术难点在于如何防止短路流夹带水相由溢流口逃逸，导致分离效率下降。同时，脱水型水力旋流器中由于连续相粘度大，分散相迁移过程中受到的摩擦阻力较大，且水滴的表面张力比油滴小，在湍流运动中的高雷诺剪切应力及强湍动能等作用下，更容易破碎成为小粒径液滴，也称为“小液滴”，甚至发生乳化现象。因此，实践中油水分离过程“脱水”比“除油”更困难。

2、为了提高脱水型水力旋流器对不同工况及复杂分散相体系的适应性，强化其分离性能，解决油水分离中作为重质分散相的水相的液滴破碎及小粒径液滴的分离等问题，人们主要在结构改进、系统工艺优化，以及新技术、新方法的耦合等方面展开研究。

3、在系统工艺优化方面，中国实用新型专利cn218078446u公开了一种高效脱水旋流器。其主要特征在于在一级脱水旋流器后串联二次脱水组件，从而保证脱水效果。此外，中国发明专利申请cn106433764a公开了一种油田采出液短流程预分水处理装置，其主要特征在于串联三级油水分离水力旋流器。综上，通过系统工艺优化来提高油水分离性能多是由多级分离器串联实现的，虽然分离效率得到了一定程度的提升，但增加了结构的复杂性和能耗，且仍受到每个单级旋流器分离性能的限制，在小粒径液滴的分离问题上仍存在较大的改进空间。

4、近年来，随着旋流分离技术的推广应用及分离体系的复杂多元性，对于水力旋流器的分离性能提出了更高的要求。旋流分离技术的发展趋势已由传统的结构改进、系统工艺优化转变为与新技术、新方法耦合。例如：中国发明专利申请cn105018135a公开了一种旋流脱水装置，其主要特征在于在集油管上设置电极板，通过施加外部电场使分散相液滴极化，极化后的液滴在电场力的作用下发生迁移碰撞，从而有效促进液滴聚结，使液滴粒径增大，强化分离效果。中国发明专利申请cn113025376a公开了一种油水分离装置及油水分离方法，其主要特征在于旋流脱水器和电脱水器串联应用；其中，电脱水器内设有电极板组和聚结元件，可实现含水原油的深度脱水。中国发明专利申请cn113501564a公开了一种变磁油水分离磁分离机，其主要特征在于在壳体的外周安装电磁铁，通过调整与电磁铁连接的电流大小控制磁场强度，以实现富集油和水的分离。以上专利申请都是通过外加力场(如电场和/或磁场)与离心力场耦合原理来促进液滴聚并从而强化油水两相分离的；虽然较大程度的解决了液滴破碎造成的分离效率差的问题，但该方法需要引入外加电场和/或磁场装置，不仅增加了结构的复杂性，而且外加力场与离心力场耦合作用下的流场也更复杂，同时电场、磁场的加入会降低液滴沉降的速度。

5、除外加电场、磁场耦合离心力场外，研究人员还通过耦合旋流-气浮技术来强化油水分离。例如：中国发明专利申请cn116877045a公开了一种同井注采井筒内气举强化式油气水三相旋流分离装置，其主要特征在于气液分离模块连接油水两相气举高效分离模块；由气液分离旋流器分离出的气相通过气相溢流管进入油水分离旋流器的倒锥管，再从倒锥尖端小孔排出，对油水分离过程中的油核产生聚并作用，达到强化油水分离的效果。该专利申请通过耦合气浮技术增加了油核的聚并概率，促进了油水两相分离，但对于小粒径液滴分离的提升效果较差，而且不适用于油脱水类的油水分离工况。

6、另外，中国发明专利申请cn116967027a公开了一种内置纤维诱导聚并强化旋流脱水的方法和装置，其主要特征在于将介质聚结技术与旋流分离技术结合，通过内置亲水纤维的聚结和导流作用，使处于旋流场内部的小水滴在极性作用下被亲水纤维捕获并完成聚结，强化旋流分离。中国发明专利申请cn117489322a公开了一种同井注采井下浮动聚结强化式油水旋流分离装置，其特征在于油水聚结模块和油水分离模块的协同应用；油水两相经过环状通道改变了运移轨迹，增加油滴碰撞聚集几率，使油滴聚结，小油滴聚结大油滴，每两个环状通道之间的稳流球稳定流量，增加油滴的碰撞，实现稳流、聚结、旋流一体化。以上专利均是通过耦合旋流-聚结技术以实现油水两相高效分离，尤其对破碎产生的小粒径液滴的分离效果显著。但前者更换聚结介质麻烦、维护成本较高；而后者对于分散相浓度的要求较高，对于低分散相(如水相)浓度的油水混合物，其聚结效果较差，分离难度较大。

7、因此，本领域亟需一种旋流强化脱水方法及设备来解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供了一种颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水方法及设备，对小粒径液滴的分离效果较好，且分离难度不高。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水方法，包括将待分离的油水混合物给入水力旋流器中形成第一旋流进行分离的步骤；分离过程中，持续向水力旋流器中给入密度大于水的亲水颗粒并形成第二旋流，所述第二旋流与第一旋流同轴且旋转方向相同，且所述第二旋流进入水力旋流器的分离区的初始旋转半径小于第一旋流进入水力旋流器的分离区的初始旋转半径。

3、进一步的，所述油水混合物中，水的体积分数为0.05％～40％；

4、所述亲水颗粒的粒径为0.02～3mm；

5、所述亲水颗粒由造旋液携带给入水力旋流器中，并与造旋液一同形成第二旋流；

6、所述造旋液为与油水混合物相同的液体。

7、进一步的，该方法还包括收集粘附了液膜的亲水颗粒并使其脱水再生的步骤。

8、本发明还提供了一种颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水设备，用于实现上述的颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水方法；

9、该设备包括循环罐、泵、第一水力旋流器和颗粒进料仓；

10、所述第一水力旋流器的旋流器主体包括主体上部，所述主体上部包括圆筒段、溢流管、液液给料通道、造旋筒体和造旋进料通道；

11、所述溢流管与圆筒段同轴设置，其上端的溢流出口高于圆筒段的上端，其下端的溢流进口伸入至圆筒段的内腔中，在溢流管与圆筒段之间形成有第一环形通道；

12、所述液液给料通道与第一环形通道相连通，其给料方向与第一环形通道相切，由液液给料通道给入第一环形通道中的物料能形成第一旋流；

13、所述造旋筒体设置在圆筒段与溢流管之间，并与圆筒段保持同轴，其与圆筒段和溢流管之间均形成有环隙通道；所述造旋筒体的上端高于圆筒段的上端，并低于溢流出口；所述造旋筒体的下端伸入至第一环形通道中，并低于液液给料通道的通道出口，在造旋筒体与溢流管之间形成的环隙通道为第二环形通道；

14、所述造旋进料通道与第二环形通道相连通，其给料方向与第二环形通道相切，由造旋进料通道给入第二环形通道中的物料能形成第二旋流；

15、所述圆筒段的上端与造旋筒体的外壁面之间设有第一封闭结构，所述造旋筒体的上端与溢流管的外壁面之间设有第二封闭结构；

16、所述循环罐的出料口通过给料管道与第一水力旋流器的液液给料通道的通道进口连接，用于供给油水混合物；

17、所述泵设置在给料管道上；

18、所述颗粒进料仓的出料口通过颗粒供给管道与造旋进料通道的通道进口连接，用于供给亲水颗粒。

19、进一步的，该设备还包括设置在给料管道上的流量计和压力表。

20、进一步的，所述给料管道上设有造旋给料支管，所述造旋给料支管的出料口与造旋进料通道的通道进口连接，所述造旋给料支管用于供给油水混合物作为造旋液，以使造旋液可在造旋进料通道的通道进口处与亲水颗粒交汇并将之给入第一水力旋流器中。

21、进一步的，所述第一水力旋流器的旋流器主体还包括主体中部和主体下部，所述主体中部包括倒锥筒段、颗粒引流罩和液固导流管，所述主体下部包括底流管段；

22、所述圆筒段、倒锥筒段和底流管段自上而下依次同轴连接在一起；

23、所述倒锥筒段的下部开设有尺寸大于亲水颗粒的颗粒引出孔，所述颗粒引出孔用于引出亲水颗粒；

24、所述颗粒引流罩设置在倒锥筒段上，并将颗粒引出孔笼罩住，在颗粒引流罩与倒锥筒段之间形成有液固缓冲腔；

25、所述液固导流管与液固缓冲腔相连通；

26、该设备还包括第二水力旋流器，所述第二水力旋流器的进料口与液固导流管的出料口连接，所述第二水力旋流器的底流口与颗粒进料仓的进料口连接。

27、进一步的，所述倒锥筒段包括同轴连接在一起的上倒锥筒段和下倒锥筒段；

28、所述上倒锥筒段的锥角α为1～20°；

29、所述下倒锥筒段的锥角β≤α；

30、所述下倒锥筒段上设有至少两个开孔层，所述开孔层沿倒锥筒段的轴向间隔排列；

31、每个开孔层包括至少两个沿下倒锥筒段的周向均匀分布的颗粒引出孔；

32、所述颗粒引流罩呈筒形，其套设在下倒锥筒段上并与之保持同轴。

33、进一步的，每个开孔层包括2～6个颗粒引出孔，所述颗粒引出孔的孔径d1为1～5mm；

34、所述液固缓冲腔的外径d2为圆筒段的内径dn的70％～100％，所述液固缓冲腔的高度h2为1.2～2dn；

35、任意相邻的两个开孔层之间的层间距h3为0.15～0.25h2；

36、所述液固导流管的内径d2与底流管段的内径du相等。

37、进一步的，所述第一水力旋流器的溢流出口和底流口、以及第二水力旋流器的溢流出口分别与循环罐的进料口连接，以构成循环系统使得该设备可用于循环实验测试。

38、本发明的有益效果如下：

39、(1)在油水混合物形成第一旋流进行分离的分离过程中，持续向水力旋流器中给入密度大于水的亲水颗粒形成第二旋流，由于第二旋流与第一旋流同轴且旋转方向相同，且第二旋流进入水力旋流器的分离区的初始旋转半径小于第一旋流进入水力旋流器的分离区的初始旋转半径，因此亲水颗粒进入水力旋流器的分离区后，一方面受离心力作用，会产生径向向外、轴向向下的复合运动，能与径向向内、轴向向上的小粒径液滴发生碰撞、截流，从而使小粒径液滴粘附于亲水颗粒表面并随之向外旋流，朝分离区的边壁迁移，提高了对小粒径液滴的分离效率；另一方面，亲水颗粒的运动增大了小粒径液滴间碰撞和聚并的概率，进一步提高了对小粒径液滴的分离效率，强化了分离效果，且分离难度不高。

40、(2)通过收集粘附了液膜的亲水颗粒并使其脱水再生，实现了亲水颗粒的表面洁净与再生，再生后的亲水颗粒可进行重复使用，能降低油水混合物分离的成本。

41、本发明的其他技术特征带来的或直接产生的技术效果，将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水方法，包括将待分离的油水混合物给入水力旋流器中形成第一旋流进行分离的步骤；其特征在于：分离过程中，持续向水力旋流器中给入密度大于水的亲水颗粒并形成第二旋流，所述第二旋流与第一旋流同轴且旋转方向相同，且所述第二旋流进入水力旋流器的分离区的初始旋转半径小于第一旋流进入水力旋流器的分离区的初始旋转半径。

2.根据权利要求1所述的颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水方法，其特征在于：所述油水混合物中，水的体积分数为0.05％～40％；

3.根据权利要求1或2所述的颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水方法，其特征在于：该方法还包括收集粘附了液膜的亲水颗粒并使其脱水再生的步骤。

4.颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水设备，其特征在于：用于实现权利要求1或2所述的颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水方法；

5.根据权利要求4所述的颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水设备，其特征在于：还包括设置在给料管道上的流量计(3)和压力表(4)。

6.根据权利要求4所述的颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水设备，其特征在于：所述给料管道上设有造旋给料支管，所述造旋给料支管的出料口与造旋进料通道(150)的通道进口连接，所述造旋给料支管用于供给油水混合物作为造旋液，以使造旋液可在造旋进料通道(150)的通道进口处与亲水颗粒交汇并将之给入第一水力旋流器(5)中。

7.根据权利要求4至6中任意一项所述的颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水设备，其特征在于：所述第一水力旋流器(5)的旋流器主体还包括主体中部和主体下部，所述主体中部包括倒锥筒段(210)、颗粒引流罩(220)和液固导流管(230)，所述主体下部包括底流管段(310)；

8.根据权利要求7所述的颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水设备，其特征在于：所述倒锥筒段(210)包括同轴连接在一起的上倒锥筒段(212)和下倒锥筒段(213)；

9.根据权利要求8所述的颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水设备，其特征在于：每个开孔层包括2～6个颗粒引出孔(211)，所述颗粒引出孔(211)的孔径d1为1～5mm；

10.根据权利要求7所述的颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水设备，其特征在于：所述第一水力旋流器(5)的溢流出口(121)和底流口、以及第二水力旋流器(6)的溢流出口分别与循环罐(1)的进料口连接，以构成循环系统使得该设备可用于循环实验测试。

技术总结
本发明公开了一种颗粒截流粘附耦合旋流强化脱水方法及设备，涉及多相流分离技术领域，旨在提高对小粒径液滴的分离效果，并降低分离难度。该方法在油水混合物形成第一旋流进行分离的过程中，持续向水力旋流器中给入密度大于水的亲水颗粒形成第二旋流，由于第二旋流与第一旋流同轴且旋转方向相同，且第二旋流进入水力旋流器的分离区的初始旋转直径小于第一旋流进入水力旋流器的分离区的初始旋转直径，因此亲水颗粒进入水力旋流器的分离区后，能够朝向分离区的边壁迁移，并截流粘附做向心运动的小粒径液滴，同时强化了小粒径液滴之间碰撞及聚并的效率，所以对小粒径液滴的分离效果较好，且分离难度不高。

技术研发人员：杨丹卉,赵玮,赵子恒,李剑平,张桐,杨雪晶,付鹏波,江霞,汪华林
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23