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油氣水多相流體緩沖均混器.pdf

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油氣 多相 流體 緩沖 均混器
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摘要
申請專利號:

CN02159723.5

申請日:

2002.12.30

公開號:

CN1511626A

公開日:

2004.07.14

當前法律狀態:

終止

有效性:

無權

法律詳情: 未繳年費專利權終止IPC(主分類):B01F 5/00申請日:20021230授權公告日:20051123終止日期:20121230|||專利實施許可合同的備案合同備案號: 2009990000373讓與人: 石油大學(北京)受讓人: 北京中成新星石油技術開發股份有限公司發明名稱: 油氣水多相流體緩沖均混器申請日: 2002.12.30授權公告日: 2005.11.23許可種類: 獨占許可備案日期: 2009.4.27合同履行期限: 2007.8.30至2014.8.30合同變更|||授權|||實質審查的生效|||公開
IPC分類號: B01F5/00; B01F3/04; B01F3/08 主分類號: B01F5/00; B01F3/04; B01F3/08
申請人: 石油大學(北京);
發明人: 朱宏武; 李清平; 薛敦松
地址: 102249北京市昌平區府學路20號
優先權:
專利代理機構: 北京同立鈞成知識產權代理有限公司 代理人: 劉芳;余麗
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法律狀態
申請(專利)號:

CN02159723.5

授權公告號:

||||||1228134||||||

法律狀態公告日:

2014.02.26|||2009.07.01|||2005.11.23|||2004.09.22|||2004.07.14

法律狀態類型:

專利權的終止|||專利實施許可合同的備案|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種油氣水多相流體緩沖均混器,它至少包括緩沖罐,罐殼體的殼壁上分別設有入口和出口,均混器為設有一個以上開孔的分離管,該管垂直設置在緩沖罐中,并與緩沖罐體固接,均混器的下端部與出口接近,實現油氣水多相流體的緩沖均混。本發明將有效改變和調整多相泵進口處油氣水多相流的流型,避免干運轉和斷塞流對多相泵輸送性能的影響,使油氣水多相混輸泵能夠工作在最佳的運行工況下,保證最佳的工作效率,同時使油氣水多相泵的運行更加穩定可靠;實現了緩沖和均混一體化設計,體積緊湊、結構合理,無能耗、效率高、混合均勻度高、適應流型范圍廣,安全可靠。

權利要求書

1: 一種油氣水多相流體緩沖均混器,它至少包括緩沖罐,罐殼體的 殼壁上分別設有入口和出口,其特征在于:均混器為設有一個以上開孔的 分離管,該管垂直設置在緩沖罐中,并與緩沖罐體固接,均混器的下端部 與出口接近,實現油氣水多相流體的緩沖均混。
2: 根據權利要求1所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征在于: 所述的緩沖均混器還設有液位控制裝置,該裝置包括自動液位測試裝置和 液體補償裝置;其中,自動液位測試裝置固設在緩沖罐內壁上,并通過連 接線路與液體補償裝置相連,液體補償裝置設有回路與緩沖罐連接,當自 動液位測試裝置測試到緩沖罐內液體容量不足時,可通過液體補償裝置對 其進行補充。
3: 根據權利要求2所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征在于: 所述的分離管上部、下部分別通過固定裝置與罐體的上、下罐壁固接,分 離管設置在罐體的中央。
4: 根據權利要求1所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征在于: 所述的開孔在分離管的一個以上橫截面的圓周上徑向開設,開孔的軸線方 向與分離管的軸線方向垂直或者不垂直。
5: 根據權利要求4所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征在于: 所述的相鄰兩個橫截面圓周上開孔的軸線方向互不相同,便于油氣水多相 流體的吸入。
6: 根據權利要求4或5所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征 在于:在分離管上部的開孔孔徑大于其下部的開孔孔徑,孔徑小于或等于 分離管直徑的1/4。
7: 根據權利要求6所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征在于: 所述的開孔的總面積之和大于或等于分離管的通流面積。
8: 根據權利要求6所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征在于: 所述的開孔的孔間距為分離管直徑的1/3。
9: 根據權利要求1所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征在于: 所述的入口設置一與罐體內壁固接的擋板,用以阻擋自入口進入的流體直接沖 擊分離管,并分離氣團。
10: 根據權利要求9所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征在于: 所述的擋板為扇形或半圓形的弧形擋板。
11: 根據權利要求9或10所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征在 于:所述的擋板的面積大于罐體入口的通流面積。
12: 根據權利要求1所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征在于: 所述的分離管的底端與出口設有一間隙,該間隙用于補充液體,避免液位下降 后純氣流對設備的損壞。
13: 根據權利要求12所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征在于: 所述的間隙的長度由間隙與緩沖均混器存液界面之間的壓差決定,其數值不小 于170mm。
14: 根據權利要求1所述的油氣水多相流體緩沖均混器,其特征在于: 所述的緩沖罐上開設有油氣水多相流體緩沖均混器液位觀察窗,該觀測窗的位 置開設在緩沖罐自罐體底部向上1/4到1/3處,其外部安裝有耐壓透明示窗。

說明書


油氣水多相流體緩沖均混器

    技術領域:

    本發明涉及一種均混器,尤其是一種油氣水多相流體緩沖均混器,主要用于海洋石油、陸上油田、石油化工,特別是深水邊際油田、沙漠油田油氣集輸,屬于機械制造靜態混合器和油氣水多相流混合輸送技術領域。

    背景技術:

    在多相流混合輸送裝置中,緩沖器和靜態混合器是管路中必備的特殊裝置,其主要作用是對管道中的流體進行緩沖和均混,消除管路流體的不穩定和不均勻狀態,改善流動性能。緩沖罐主要是進行緩沖,減緩流體壓力、流量的變化;靜態混合器是使兩種或兩種以上的液體流過時發生轉向和摻混,在靜態混合器中沒有運動葉片等構件,是靠流體自身的動力進行工作的。

    自從1970年第一種靜態混合器問世以來,目前世界上以有上百種靜態混合器,其中大約有一半類型的靜態混合器實現了商業化。但按結構類型來分,基本三十來種。美國開采尼爾公司的新型Kenics靜態混合器能利用很小的壓降工作,而不受尺寸限制。我國靜態混合器自70年代末進行開發應用以來,在化工過程和其他工業工藝過程中得到推廣,越來越多的企業和科技人員已經或正在認識和開發這種新設備,以求取得更好的經濟效益。但是,由于我國科技力量不足,沒有進行過系統的基礎研究,只是引進和改造了一些,現在開發生產的靜態混合器基本分為五大類。其型號及該型號靜態混合器的主要用途和技術性能參見表一:

    ???????????????表一??五類靜態混合器??型號用途及技術性能??SV型適用于粘度≤102Pa?s的液-液、氣-液、氣-氣的乳化、反應、吸收萃取、強化傳熱過程。最高分散度為1-2um。?SX型適用于粘度≤102Pa?s的中高粘度液-液反應、混合、吸收過程或生產高聚物流體地混合反應過程。?SL型適用于粘度≤102Pa?s的或伴有高聚物介質的液-液、液-固、的混合?SH型適用于精細加工、塑料等部門的混合、乳化、傳熱等過程。最高分散度為1-2um。?SK型適用于化工、石油、制藥過程中的混合、乳化、傳熱等過程。

    近幾年來,隨著油田采油技術和多相流增壓方式的不斷發展,靜態混合器在這些領域的應用要求也越來越突出,而目前使用的一些靜態混合器大多數是從化工行業移植過來的,而不是針對高粘度和多相流體的特殊要求進行專門設計研究的,因此在油田采油的應用中存在很多問題。

    緩沖罐也是一種常見的壓力容器,在各種流體管路上都有應用,設計方法也比較成熟。其生產方法也比較簡單,只要滿足壓力、容積和材料等要求就可以了。現有技術中緩沖器一般只是將體積放大,起到緩沖作用;靜態混和器一般采用與管徑一致的直管,直管內有螺旋彎槽或布置有絲網,他們都是分體設計的,現有技術的主要存在混合不均、混合阻力大、緩沖與均混分開進行、設備體積大等缺點,同時現有設備大多屬于單一的均混設備,缺乏配套的自動控制系統,特別是與多相增壓系統變工況條件相適應的系統功能。

    發明內容:

    本發明的目的在于針對現有技術的不足而提供一種油氣水多相流體緩沖均混器,使油氣水的混合輸送更加穩定可靠,多相井流或其它多相氣-液混合流體經過此均混器后能夠均勻混合,而且能對不穩定的流體進行緩沖,避免干運轉和斷塞流對多相泵運行的影響,讓入口液流完全滿足油氣混輸泵的最佳運行工況,使其能正常工作。

    本發明的目的是通過如下技術方案實現的:

    一種油氣水多相流體緩沖均混裝置,它至少包括緩沖罐,罐殼體的殼壁上分別設有入口和出口,均混器為設有一個以上開孔的分離管,該管垂直設置在緩沖罐中,并與緩沖罐體固接,均混器的下端部與出口接近,實現油氣水多相流體的緩沖均混。

    緩沖均混器還設有液位控制裝置,該裝置包括自動液位測試裝置和液體補償裝置;自動液位測試裝置固設在緩沖罐內壁上,通過連接線路與液體補償裝置相連,液體補償裝置設有回路與緩沖罐連接,當自動液位測試裝置測試到緩沖罐內液體容量不足時,可通過液體補償裝置對其進行補充。

    分離管上部、下部分別通過固定裝置與罐體的上、下罐壁固接,分離管設置在罐體的中央。

    開孔在分離管的一個以上橫截面的圓周上徑向開設,開孔的軸線方向與分離管的軸線方向垂直或者不垂直。

    相鄰兩個橫截面圓周上開孔的軸線方向互不相同,便于油氣水多相流體的吸入。

    在分離管上部的開孔孔徑大于其下部的開孔孔徑,孔徑小于或等于分離管直徑的1/4。

    開孔的總面積之和大于或等于分離管的通流面積。開孔的孔間距為分離管直徑的1/3。

    入口設置一與罐體內壁固接的擋板,用以阻擋自入口進入的流體直接沖擊分離管,并分離氣團。該擋板為扇形或半圓形的弧形擋板,且擋板的面積大于罐體入口的通流面積。

    分離管的底端與出口設有一間隙,該間隙用于補充液體,避免液位下降后純氣流對設備的損壞。

    間隙的長度由間隙與緩沖均混器存液界面之間的壓差決定,其數值不小于170mm。

    緩沖罐上開設有油氣水多相流體緩沖均混器液位觀察窗,該觀測窗的位置開設在緩沖罐自罐體底部向上1/4到1/3處,其外部安裝有耐壓透明示窗。

    綜上所述,本發明的優點在于:

    1、使油氣水的混合輸送更加穩定可靠,多相流井液或其它多相氣-液混合流體經過此均混器后能夠均勻混合,而且能對不穩定的流體進行緩沖,避免干運轉和斷塞流對多相泵性能的影響,讓入口液流滿足油氣混輸泵的最佳運行條件,在保證其能正常工作的同時,提高效率。

    2、能夠進行多相流體混合,尤其能進行油氣水的均勻混合,使多相流體形成一種均勻密度的連續流體,為多相增壓裝置提供必須的工作條件。

    3、實現了緩沖和均混一體化設計,體積緊湊、結構合理,并減小了氣液接觸混合的面積從而使壓力損失減小。

    4、與一般的均混器相比,在對高粘度的原油或高聚合物的均勻混合有特別的工作能力,能夠適應各種多相流型。

    5、消除進入多相增壓裝置的段塞流和純氣流,把不穩定的、壓力變化多相來流變成穩定均勻的流體,為多相增壓設備的安全工作提供了保證。

    6、具有液位自動控制系統,保證各種復雜來流工況下的穩定運行。

    7、本發明無能耗、效率高、混合均勻度高、安全可靠。

    附圖說明:

    圖1為本發明油氣水多相流體緩沖均混器的結構示意圖;

    圖2為本發明油氣水多相流體緩沖均混器和其他過流部件的連接示意圖。

    具體實施方式:

    下面結合附圖,對本發明的技術方案進行詳細地說明。

    如圖1所示,為本發明油氣水多相流體緩沖均混器的結構示意圖。由圖中可知,該油氣水多相流體緩沖均混器,它至少包括緩沖罐1、均混器2、液位控制系統,罐殼體的殼壁上分別設有入口3和出口4,所述的均混器設在緩沖罐體內,均混器為帶有一個以上氣孔5的分離管6,該管垂直設置在緩沖罐1中與緩沖罐體固接,分離管6的下端部與出口4接近;所述的液位控制系統安裝在緩沖罐上,液位控制系統為一套帶有自動液位測試裝置和液體補償系統在內的智能控制系統,自動液位測試儀12安裝在緩沖管內,液體自動補充系統13與罐體液體補充口9相連。

    分離管6上部、下部通過固定裝置7和8與罐體固接,分離管6設置在罐體的中央。分離管6的底端與出口間有一間隙,該間隙為環型間隙9。

    所述的氣孔5的開孔總面積之和大于或等于分離管6的通流面積,氣孔5的孔間距為分離管6直徑的1/3,孔徑為分離管直徑的1/4。

    入口3設置一與罐體固接的擋板10,用以阻擋自入口3進入的流體直接沖擊分離管6,并分離較大氣團;該擋板10為扇形或半圓形的弧形擋板;擋板10的面積大于罐體入口3的通流面積。

    為了維持罐體內液面的穩定,避免長時間斷塞流工況造成罐內液體不足或純氣工況的出現,罐體上安裝有液位控制系統,液位控制系統為一套帶有自動液位測試裝置12和液體補償系統13在內的智能控制系統,同時開設有油氣水多相流體緩沖均混器液位觀察窗11。

    油氣水多相流體緩沖均混器的設計是將分離器、混合器以及壓力容器的設計融合在一起。其作用原理是:含氣油流沿切向進入緩沖罐,利用半圓柱折流和重力沉降方法進行初級分離,目的是將其中混帶的大氣團分離,以便于利用均化器實現更好的混合。氣流上升到罐上部,根據壓力和含氣量,緩沖罐的液體在其中某一位置達到平衡。這樣使得多相流不直接進入多相泵,而在罐內實現壓力平衡、實現緩沖。緩沖罐的容積根據體積流量和流速的大小而確定,如果它們大則容積要大一些,小則容積小一些。

    罐內分離后的氣體和液體分別從中心分離管上部和側面流入分離管,由于它們的流動方向是相互垂直的,因而氣體和就液體就在碰撞中被分割破碎,然后在分離管的下部進一步的均勻混合,在這一流道中由于流速很大,故氣體和液體能夠混合得很均勻。分離管的側面開孔是按照一定含氣率而設計的,所開小孔的面積大小是下部的孔小,上面的稍微大一些。根據泵的工作情況來確定最低小孔的位置。因為此均混器是對相態差別很大的流體進行混合,故應該盡量避免整個流體旋轉而發生相態分離。在此均混器中,小孔開口方向是對中心的,能夠避免液體流旋轉。

    該裝置利用半圓柱折流和重力沉降先將多相流體中混帶的大氣團進行緩沖并使其與其液體成分分離,隨氣流上升,根據壓力和含氣量變化,緩沖罐中多相流氣液界面相對穩定,逐步達到平衡,分離后的氣態流體再與液體進行充分混合。

    下面結合附圖1來說明其工作過程:多相來流從入口3出進入緩沖罐1,入流方向與分離管6相切,而與弧形擋板10上緣相切,弧形擋板10使流體繞分離管6低速旋轉,從而分離大的氣團。這樣緩沖罐1的上部就是氣體,下部是液體,中間是含有小氣泡的混合液體。在壓力和出口4處多相泵吸力的作用下,氣體從分離管6的上面開口和上部小孔5流入,液體從中部小孔5流入。它們在分離管6的下部因流動碰撞而混合,形成均勻流體從出口4流出。在分離管6末端和緩沖罐1底部有一個環形間隙9,從那里也可以補充部分的液體,特別當進氣量很大的時候,液位下降到最低小孔后,液位控制系統12、13會自動實現液體的及時補充,這樣液體就能從那里9對增壓泵進行液體補充,從而在一定時間上避免了干運轉對增壓設備的損壞,即保證了多相泵增壓的工作條件。

    當氣體從分離管6上端進入,液體從分離管6的開孔5中進入與氣體混合。所以就要求分離管6的開孔5要滿足一定的條件,使液體能夠均勻地流入分離管混合。

    按照壓縮機的多孔消振器開孔原則:分離管6開孔的截面積之和要大于或等于進口管的通流截面積;孔間距為1/3的分離管直徑;孔徑為帶孔管直徑的1/4。

    均混器要完成均勻混合的目的,使液體沿徑向6個角度進入分離管6。

    管徑為80mm,孔徑確定:d=80/4*0.5=10mm

    開孔間距:1=80/3=26.7mm取整1=30mm

    開孔的徑向角度相臨兩個截面要錯開。開孔24排,其中上段12排大孔,孔徑為10mm,下段12排小孔,孔徑為8mm。因為上段混合管內壓力較高,內外壓差小,液量不容易混入,所以開孔直徑較大;相反,由于液柱自身重力作用,下段罐內壓力較高,混合管內由于接近泵入口而壓力較低,所以液量容易進入混合管。如果采用同樣直徑則可能達不到良好的混合效果。

    開孔的總通流截面積A1:

    (π4×0.012+π4×0.0082)×6×12=0.00927m2]]>

    而泵入口管通流截面積A2:

    π4×0.12=0.007854m2]]>

    二者截面積之比為:

    A1/A2=1.18

    多相泵入口混合管與進口環形間隙及長度的確定

    環形間隙與均混器存液界面之間的壓差為0.665米,因為在液相進入環形間隙的流動過程中,液面不斷下降,取壓差為0.3325米。由伯努利方程:

    PjhρL+gH=PsρL+V22+Σh]]>

    ρL為液相密度,Kg/m3

    ∑h為環形間隙與均混器存液界面之間的水力損失。

    Pjh為液面上的靜壓,Pa根據收縮截面的壓力損失,Σh=ξ·v22g]]>由于環形間隙的截面積很小,收縮比A1/A2近似為0。則ξ取0.50。

    Ps為環形間隙入口的壓力,Pa,則液相通過環形間隙的速度為:

    V=2gH/(1+ξ)=2.084m/s]]>

    由此得出均混器環形間隙處直徑:

    D=4Q3600πV+0.0892=4×70×0.053600π2.084+0.0892=0.0923m]]>

    取D=92.5mm

    由流體力學知,流體通過無偏心的環形縫隙時,其流量、幾何參數和環形縫隙兩端壓差之間的關系為:

    Q=πDδ312μLΔP]]>

    式中,D為環形縫隙的孔徑;D=0.0925m

    δ為縫隙量,δ=d-d02=0.00175,]]>d0為環形縫隙的內徑;

    L為縫隙長度;待定

    ΔP為環形縫隙兩端壓差(根據泵對氣體介質的吸入能力確定:在這種工況下,多相泵的吸入能力很弱,多相泵進口壓力與罐內壓力基本一致),取ΔP=0.02Mpa

    μ為原油的動力粘度;對于中等原油在20℃時,運動粘度ν=18.5Cst原油的相對密度ρr=860/1000=0.86

    則μ=ρrν=15.91Cp=0.01591Pa.s

    環形縫隙長度:

    L=πdδ312μQΔP=π0.0925×0.00175312×0.01591×70×0.05/3600×0.02×106=0.167(m)]]>

    取L=170mm

    通過上述可知,本發明均混器帶有分離緩沖和氣液混合多種功能,氣液混合器的結構不同于現有技術中的靜態混合器,主要是克服前一種靜態混合器的混和不均勻及后一種靜態混合器的阻力很大的缺點。

    如圖2所示,為本發明油氣水多相流體緩沖均混器和其他過流部件的連接示意圖。從圖中可知,多相來流經緩沖均混器1的入口3進入,進行充分的緩沖和均混之后,經均混器出口4進入多相泵20,增壓后輸出。

    最后所應說明的是,以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制,盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明,本領域的普通技術人員應當理解,可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換,而不脫離本發明技術方案的精神和范圍,其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。

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