本發(fā)明涉及油氣分離，具體涉及一種用于氣體脫油滴的聚結(jié)強(qiáng)化旋流分離裝置及分離方法。

背景技術(shù)：

1、超臨界co2渦輪發(fā)電系統(tǒng)是一種體積小、響應(yīng)速度快的高效發(fā)電系統(tǒng)，在電力、軍工、航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。作為高溫、高壓、高速下工作的閉式循環(huán)系統(tǒng)，超臨界co2渦輪發(fā)電系統(tǒng)具有對(duì)外零泄漏，無(wú)需補(bǔ)氣的總體要求，其透平機(jī)與壓縮機(jī)中的二氧化碳工質(zhì)會(huì)經(jīng)干氣密封流至低壓齒輪箱中，需要針對(duì)泄漏的二氧化碳工質(zhì)進(jìn)行回收，并重新送回主循環(huán)回路。但是由于二氧化碳進(jìn)入低壓齒輪箱，將會(huì)與揮發(fā)的潤(rùn)滑油油氣發(fā)生混合，而回路系統(tǒng)中不能接受二氧化碳?xì)饬髦袛y帶潤(rùn)滑油粒子，因此在二氧化碳重新注入主循環(huán)回路之前，需要進(jìn)行油氣分離。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的技術(shù)難點(diǎn)在于，二氧化碳中的潤(rùn)滑油粒子，具有尺度小、粒徑范圍寬等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的油氣分離方法難以達(dá)到二氧化碳的凈化要求，難以保障主循環(huán)回路的安全運(yùn)行。

2、旋流分離是基于兩相密度差，利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋流離心力將兩相分開(kāi)的場(chǎng)分離方法，屬于油氣分離領(lǐng)域的物理分離技術(shù)，常用于細(xì)小油滴的分離，具有處理能力大、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)。旋流器是一種利用旋流分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩相體系分離的高效單元設(shè)備，但受湍流擴(kuò)散的制約和流體相態(tài)差異的影響，常規(guī)的旋流器只能處理粒徑在10μm以上的油滴，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中常與其它油氣分離技術(shù)相耦合，從而實(shí)現(xiàn)高精度的油氣分離。

3、聚結(jié)分離是采用聚結(jié)纖維作為介質(zhì)，以使微細(xì)分散相油滴通過(guò)在介質(zhì)表面的黏附發(fā)生聚并長(zhǎng)大，從而實(shí)現(xiàn)氣液體系中微細(xì)油滴的快速分離，具有連續(xù)運(yùn)行、效率高、體積小、維護(hù)簡(jiǎn)單、自清潔性等一系列優(yōu)點(diǎn)。聚結(jié)纖維可以捕獲氣體中的微細(xì)油滴，并將小液滴合并成大液滴。纖維聚結(jié)分離的本質(zhì)過(guò)程是通過(guò)材料表面的潤(rùn)濕聚結(jié)和微通道內(nèi)的碰撞聚結(jié)過(guò)程實(shí)現(xiàn)微細(xì)油滴的捕獲、聚并長(zhǎng)大，纖維材料表面既是微細(xì)油滴被捕獲后聚并長(zhǎng)大的媒介，也是聚結(jié)后液滴在纖維中運(yùn)輸轉(zhuǎn)移的橋梁。聚結(jié)后的大油滴在連續(xù)相的曳引力、自身重力等力的作用下，經(jīng)歷變形、轉(zhuǎn)移(纖維間的傳遞)直至從纖維表面脫落，完成兩相的分離。此外，聚結(jié)纖維可以有效減少旋流器入口區(qū)、環(huán)形通道內(nèi)油滴與壁面的飛濺、反彈，減少油滴運(yùn)動(dòng)破碎形成的微細(xì)油滴，增強(qiáng)壁面液膜對(duì)液滴的聚并捕獲作用。因此，纖維聚結(jié)分離技術(shù)在實(shí)現(xiàn)微細(xì)油滴分離的高精度氣體凈化領(lǐng)域極具潛力。

4、中國(guó)發(fā)明專利(cn111156089a)公開(kāi)了一種燃?xì)廨啓C(jī)空氣過(guò)濾系統(tǒng)前置氣液分離器及方法。此發(fā)明通過(guò)多級(jí)蝸殼、錐型筒體、導(dǎo)流葉片的旋流分離和單向金屬過(guò)濾網(wǎng)，減少進(jìn)入空氣過(guò)濾系統(tǒng)之前氣體中的液相顆粒物，延長(zhǎng)過(guò)濾系統(tǒng)使用壽命，降低過(guò)濾系統(tǒng)的運(yùn)維成本，但是該裝置分離精度較低，不能實(shí)現(xiàn)二氧化碳工質(zhì)中微小尺度潤(rùn)滑油粒子的分離。

5、中國(guó)發(fā)明專利(cn116020222a)公開(kāi)了一種用于天然氣凈化的組合式聚結(jié)旋風(fēng)分離器，中國(guó)實(shí)用新型專利(cn215842291u)授權(quán)了一種高精度氣液分離器，在這兩項(xiàng)專利中均采用旋流管、聚結(jié)芯等多種分離手段相組合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)粒徑較小液滴的高精度分離，但是上述兩項(xiàng)裝置都為不同分離技術(shù)的簡(jiǎn)單串聯(lián)疊加，設(shè)備尺寸較大，生產(chǎn)成本較高。

6、中國(guó)發(fā)明專利(cn115212668)公開(kāi)了一種聚結(jié)濾芯及聚結(jié)過(guò)濾器。此發(fā)明使氣體由聚結(jié)濾芯外部經(jīng)過(guò)濾芯過(guò)濾后進(jìn)入到支撐內(nèi)骨架內(nèi)，如此由過(guò)濾芯對(duì)氣體進(jìn)行過(guò)濾，從而將氣體中的顆粒性成分進(jìn)行濾除，達(dá)到對(duì)氣體進(jìn)行凈化的目的。此發(fā)明提高了聚結(jié)濾芯的分離精度，避免了聚結(jié)濾芯的二次夾帶現(xiàn)象，但面對(duì)粒徑范圍寬的潤(rùn)滑油粒子，可能出現(xiàn)的大粒徑油滴會(huì)大大縮短聚結(jié)過(guò)濾器內(nèi)聚結(jié)濾芯的壽命，不便于操作和維護(hù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有油氣分離裝置系統(tǒng)分離精度低、占地面積大、分離效率低、油滴夾帶現(xiàn)象嚴(yán)重、操作維護(hù)困難等問(wèn)題，提供一種新型的用于氣體脫油滴的聚結(jié)強(qiáng)化旋流分離裝置及方法，該裝置具有分離精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、分離效率高、維護(hù)方便、無(wú)需額外動(dòng)力輸入、不添加任何化學(xué)試劑等優(yōu)點(diǎn)。

2、發(fā)明思路

3、本發(fā)明的思路是針對(duì)含有尺寸小，粒徑范圍寬潤(rùn)滑油性粒子的氣體，通過(guò)旋流分離技術(shù)和聚結(jié)分離技術(shù)的多維度耦合，實(shí)現(xiàn)高效、高精度的油氣分離。具體思路如下：

4、1.含有油滴的氣體由切向入口進(jìn)入入口圓柱段，圓柱結(jié)構(gòu)和圓柱段螺旋葉片迫使氣液兩相流體產(chǎn)生強(qiáng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣液兩相由于尺寸和密度的差異，在旋流場(chǎng)和重力場(chǎng)的耦合作用下具有不同的動(dòng)力學(xué)特性。在入口區(qū)和環(huán)形區(qū)內(nèi)油滴被甩至裝置壁面，與壁面油膜發(fā)生反彈、飛濺破碎、聚并捕獲等行為，其中油滴飛濺破碎產(chǎn)生的二級(jí)小油滴會(huì)進(jìn)一步縮小油滴的平均粒徑，增加油氣高精度分離的難度，因此需避免油滴的反彈和飛濺破碎，增加油滴被壁面油膜聚并捕獲的概率。入口圓柱段內(nèi)壁的圓柱段聚結(jié)組件，通過(guò)表層疏聚結(jié)纖維，中間密聚結(jié)纖維，底層周向空心導(dǎo)向性纖維的結(jié)構(gòu)及特異性材料，增強(qiáng)了壁面的潤(rùn)濕性和表面張力。聚結(jié)纖維表面的微通道，可以促進(jìn)油滴的聚并長(zhǎng)大，增加液滴被壁面油膜聚并捕獲的概率，聚結(jié)材料的柔性和聚結(jié)組件內(nèi)較大的表面張力，進(jìn)一步避免了油滴的反彈、飛濺破碎，強(qiáng)化了裝置的旋流分離，實(shí)現(xiàn)了油氣的粗分離。

5、2.一、二級(jí)旋流段倒錐型的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步迫使氣體的旋轉(zhuǎn)速度增加，進(jìn)一步增強(qiáng)了油滴的離心力，使得粒徑更小的油滴移動(dòng)至一、二級(jí)旋流段聚結(jié)組件表面，被聚結(jié)組件表面的油膜捕獲，此處的聚結(jié)組件為表層疏聚結(jié)纖維，中間密聚結(jié)纖維，底層徑向空心導(dǎo)向性纖維結(jié)構(gòu)。微細(xì)油滴在聚結(jié)纖維表面及微孔道內(nèi)聚并長(zhǎng)大后，在連續(xù)相流體曳力和自身重力的作用下，經(jīng)歷變形、轉(zhuǎn)移、纖維間的傳遞，由疏聚結(jié)纖維，密聚結(jié)纖維移動(dòng)至徑向空心導(dǎo)向性纖維，順著裝置壁面經(jīng)底流口進(jìn)入底部?jī)?chǔ)油段，實(shí)現(xiàn)了小油滴的分離。

6、3.隨內(nèi)旋流向上經(jīng)溢流管運(yùn)動(dòng)至頂部過(guò)濾段的氣流，在頂部氣體分布器的作用下均勻的分散在頂部過(guò)濾組件的預(yù)過(guò)濾層表面，在氣體推動(dòng)力的作用下，經(jīng)過(guò)多層聚結(jié)纖維卷制而成的聚結(jié)過(guò)濾層，氣體得到最終的純化，經(jīng)凈化氣出口排出，極少的微細(xì)油滴在聚結(jié)過(guò)濾層內(nèi)的聚結(jié)纖維間聚并長(zhǎng)大，當(dāng)尺寸超過(guò)臨界滑落尺寸后經(jīng)排液層排至導(dǎo)油溝，在導(dǎo)油槽的作用下流至一級(jí)旋流段定位接觸槽，經(jīng)一、二級(jí)旋流段聚結(jié)組件底層的導(dǎo)向性纖維，流至底部?jī)?chǔ)油段。

7、4.底部?jī)?chǔ)油段的底部聚結(jié)三角可以增強(qiáng)氣體的內(nèi)旋流，有效壁面底部潤(rùn)滑油的返混，儲(chǔ)存的潤(rùn)滑油在裝置運(yùn)行一定時(shí)間后經(jīng)排油口排出回收。

8、綜上所述，本發(fā)明的一種用于氣體脫油滴的聚結(jié)強(qiáng)化旋流分離裝置及方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體中小尺度、寬粒徑范圍的油性粒子高精度分離。

9、本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

10、一種用于氣體脫油滴的聚結(jié)強(qiáng)化旋流分離裝置，其特征在于，所述分離裝置包括：一個(gè)圓柱形筒體，筒體內(nèi)分為設(shè)有切向入口的入口圓柱段，入口圓柱段下部依次為相互同軸連通的一級(jí)旋流段、二級(jí)旋流段和底部?jī)?chǔ)油段，入口圓柱段上部為與入口圓柱段同軸連通的頂部過(guò)濾段，在入口圓柱段、一級(jí)旋流段、二級(jí)旋流段內(nèi)壁分別附著有圓柱段聚結(jié)組件、一級(jí)旋流段聚結(jié)組件、二級(jí)旋流段聚結(jié)組件，底部?jī)?chǔ)油段底面中心設(shè)有底部聚結(jié)三角，頂部過(guò)濾組件同軸設(shè)置在頂部過(guò)濾段內(nèi)；

11、頂部過(guò)濾段上端設(shè)有凈化氣出口，下部有導(dǎo)油溝，頂部過(guò)濾組件內(nèi)設(shè)置布滿圓型孔洞的錐形頂部氣體分布器；

12、入口圓柱段軸心處設(shè)置上下連通的溢流管以及位于入口圓柱段筒體與溢流管之間的圓柱段螺旋葉片，溢流管內(nèi)有溢流管螺旋葉片，入口圓柱段筒體內(nèi)壁中還設(shè)有導(dǎo)油槽，導(dǎo)油槽上、下端分別與導(dǎo)油溝和一級(jí)旋流段定位接觸槽相連通；

13、一級(jí)旋流段聚結(jié)組件、二級(jí)旋流段聚結(jié)組件分別通過(guò)通過(guò)一級(jí)旋流段定位接觸槽、二級(jí)旋流段定位接觸槽附著在筒體內(nèi)壁上并逐漸增厚，使一級(jí)旋流段、二級(jí)旋流段成為漸縮的倒錐體結(jié)構(gòu)，并通過(guò)底流口與底部?jī)?chǔ)油段連通；

14、底部?jī)?chǔ)油段下部設(shè)有排油口，中心的底部聚結(jié)三角通過(guò)底流口伸出至二級(jí)旋流段底部。

15、所述的入口圓柱段長(zhǎng)徑比l1/d1為2-5，溢流管直徑d4為圓柱段直徑d1的1/4-1/3，相鄰圓柱段螺旋葉片間隔n1為圓柱段長(zhǎng)度l1的1/10-1/4，相鄰溢流管螺旋葉片間隔n2為圓柱段長(zhǎng)度l1的1/10-1/5，溢流管長(zhǎng)度l11為圓柱段長(zhǎng)度l1的1/2-3/4，導(dǎo)油槽直徑d11為圓柱段直徑d1的1/200-1/100，數(shù)量為2-6個(gè)。

16、所述的一級(jí)旋流段的直徑d2為圓柱段直徑d1的1/2-3/4，錐角a1為40-80°，所述二級(jí)旋流段的直徑d3為圓柱段直徑d1的1/6-1/2，錐角a1為10-30°，一級(jí)旋流段聚結(jié)組件厚度t2與二級(jí)旋流段聚結(jié)組件厚度t3相等。

17、所述的頂部過(guò)濾段長(zhǎng)徑比l2/d5為1-3，頂部氣體分布器的開(kāi)孔率φ為30-70％。

18、所述圓柱段聚結(jié)組件由表面的疏聚結(jié)纖維，中間的密聚結(jié)纖維，底部的周向空心導(dǎo)向性纖維三層組成；所述一級(jí)旋流段聚結(jié)組件、二級(jí)旋流段聚結(jié)組件由表面的疏聚結(jié)纖維，中間的密聚結(jié)纖維，底部的徑向空心導(dǎo)向性纖維三層組成；所述底部聚結(jié)三角由疏聚結(jié)纖維，密聚結(jié)纖維，徑向空心導(dǎo)向性纖維三層卷制而成；其中，所述的疏聚結(jié)纖維為孔隙率大于或等于50％的聚結(jié)纖維，密聚結(jié)纖維為孔隙率小于50％的聚結(jié)纖維，周向空心導(dǎo)向性纖維為與裝置周向方向一致的中空導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的聚結(jié)纖維，徑向空心導(dǎo)向性纖維為與裝置軸向方向一致的中空導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的聚結(jié)纖維。

19、所述的頂部過(guò)濾組件為聚結(jié)纖維卷制而成的預(yù)過(guò)濾層、聚結(jié)過(guò)濾層、排液層，其中預(yù)過(guò)濾層為孔隙率小于50％的聚結(jié)纖維環(huán)式排列所制成，聚結(jié)過(guò)濾層為孔隙率小于40％的聚結(jié)纖維螺旋交錯(cuò)排列所制成，排液層為孔隙率小于30％的聚結(jié)纖維環(huán)式排列所制成。

20、所述的聚結(jié)纖維為優(yōu)選的聚四氟乙烯，聚丙烯腈，玻璃纖維中的一種或者多種。

21、本發(fā)明還提供一種氣體脫油滴的聚結(jié)強(qiáng)化旋流分離方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

22、a1、含油滴的氣體由切向入口進(jìn)入入口圓柱段，在圓柱段旋流葉片的作用下產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，氣體中的油滴受到離心力的作用被甩至圓柱段聚結(jié)組件表面，沿著周向空心導(dǎo)向性纖維，經(jīng)一級(jí)旋流段定位接觸槽壁面、二級(jí)旋流段定位接觸槽壁面流至底部?jī)?chǔ)油段；

23、a2、經(jīng)初次旋流分離的氣體進(jìn)入一級(jí)旋流段和二級(jí)旋流段后被進(jìn)一步加速，在進(jìn)一步高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，粒徑更小的油滴被甩至一、二級(jí)旋流段聚結(jié)組件表面，被聚結(jié)纖維捕獲，通過(guò)徑向空心導(dǎo)向性纖維的輸運(yùn)經(jīng)二級(jí)旋流段定位接觸槽、底流口排至底部?jī)?chǔ)油段；

24、a3、經(jīng)再次旋流分離的氣體流至底流口時(shí)，在底部聚結(jié)三角的托舉下，氣體遷移至分離裝置中心區(qū)域的負(fù)壓帶中，并隨內(nèi)旋流向上經(jīng)溢流管運(yùn)動(dòng)至頂部過(guò)濾段，聚結(jié)三角可以有效防止底部?jī)?chǔ)油段內(nèi)的潤(rùn)滑油返混影響油氣分離效果；

25、a4、由溢流管進(jìn)入頂部過(guò)濾段的氣體，經(jīng)溢流管螺旋葉片進(jìn)一步加速，通過(guò)頂部氣體分布器均勻分布在頂部過(guò)濾組件的預(yù)過(guò)濾層表面，在氣體推動(dòng)力的作用下，多層結(jié)構(gòu)的聚結(jié)過(guò)濾層對(duì)含有微細(xì)油滴的氣體進(jìn)行過(guò)濾，聚并后的微細(xì)油滴經(jīng)排液層、導(dǎo)油溝、導(dǎo)油槽、一級(jí)旋流段定位接觸槽、二級(jí)旋流段定位接觸槽，沿壁面的導(dǎo)向性纖維，排至底部?jī)?chǔ)油段，凈化后的氣體進(jìn)凈化氣出口排出。

26、有益效果

27、本發(fā)明中通過(guò)有機(jī)耦合聚結(jié)分離技術(shù)和旋流分離技術(shù)，在有限空間內(nèi)利用旋流流體運(yùn)動(dòng)特性、油滴的碰撞破碎聚并特性、聚結(jié)纖維的捕獲輸運(yùn)分離特性，實(shí)現(xiàn)氣體中尺度小，粒徑范圍寬潤(rùn)滑油性粒子的高效深度分離。此發(fā)明裝置分離精度高、分離效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便、無(wú)需額外動(dòng)力輸入裝置、不添加任何化學(xué)試劑，可以增加多級(jí)旋流段增強(qiáng)分離精度，可直接安裝在主循環(huán)回路之前，實(shí)現(xiàn)氣體凈化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，極大地縮小了設(shè)備體積，提高了分離精度，延長(zhǎng)了裝置壽命，保障了主循環(huán)回路的安全，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。