ИНЕРЦИОННЫЙ СЕПАРАТОР
INERTIAL SEPARATOR

Предлагаемое изобретение относится к устройствам, отделяющим жидкие и твердые частицы, содержащиеся в газожидкостной смеси, под действием сил инерций и может найти применение в нефтяной, газовой, машиностроительной, пищевой, химической промышленностях, а также в сельском хозяйстве.
Известно устройство для центробежной очистки газа от взвешенных в газе частиц, содержащее корпус внутри которого расположены ротор, выполненный в виде спирали из перфорированной ленты, центробежное колесо с отверстиями для выхода крупных частиц, входными и выходными патрубки (авт.св. СССР №841652, B01D 45/14, опубликованное 30.06.1981).
К недостаткам устройства следует отнести недостаточно высокую его производительность, связанную с тем, что крупные (твердые) частицы газожидкостной смеси смачиваются влагой из конденсата и становятся более липкими, липкие частицы, оседая в кольцевом сборнике центробежного колеса, скапливаются и забивают отверстия в колесе и препятствуют их прохождению. Кроме того, через перфорированную ленту проходят мелкие частицы, образующие пленку жидкости, в том числе и осадок, который забивает поры ленты. Указанные выше недостатки требуют остановки устройства на очистку отверстий (регенерацию) и способствуют снижению производительности устройства.
Известен центробежный пылеуловитель (патент РФ №2257255, B01D 45/14, опубликованный 22,01.2005), содержащий корпус, внутри которого установлен с возможностью вращения ротор, корпус и ротор выполнены в виде цилиндрических стаканов, вставленных один в другой, к корпусу с его открытой стороны присоединен кольцевой входной коллектор с установленным в его центре отводным патрубком, сообщающимся одним концом с полостью ротора, а другим присоединен к тяговому вентилятору, в обечайке ротора выполнены сквозные продольные пазы трапецеидальной формы (отверстия), меньшие основания которых являются хордами наружной окружности обечайки.
Недостатком известного пылеуловителя является низкая производительность, связанная с тем, что его конструкция не обеспечивает очистку отверстий в пазах обечайки от частиц, не способных пройти через эти отверстия и впоследствии застрявших в них. В процессе работы отверстия забиваются застрявшими частицами, эти частицы препятствуют прохождению через них другим частицам, что приводит к необходимости остановки сепаратора на очистку его отверстий (регенерацию), что в целом снижает производительность сепаратора. Кроме того, консольное расположение опор вала ротора создает большие нагрузки на вал, в том числе и изгибающий момент, особенно, когда скорости вращения ротора высокие (до 200 м/с). Наличие зазоров в подшипниках и неуравновешенность вращающихся частей ротора (на практике нельзя достичь абсолютной уравновешенности) вызывает дисбаланс вала ротора и приводит к его поломке. По этим причинам снижается производительность и надежность работы пылеулавливателя.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и принятый за прототип является инерционный фильтрующий сепаратор, содержащий корпус, расположенный в нем перфорированный ротор, внутрь ротора вдоль его боковой поверхности вложена бесконечная гибкая лента, изготовленная из фильтровального (пористого) материала, в верхней части ротора между его внутренней и наружной поверхностью ленты установлен нажимной валик, создающий в ленте прогиб (участок с обратной кривизной), вдоль ленты под участком с обратной кривизной установлен желоб (патент П.М. РФ 147793, В04В 3/08, опубликованный 20.11.2014).
Недостатком инерционного фильтрующего сепаратора является низкая эффективность работы при очистке газожидкостной смеси, включающей жидкости, твердые частицы и газ, так как сепаратором возможно отделение фракций твердых частиц из жидкостей, а его использование при очистке газожидкостной смеси мало эффективна в виду того, что из смеси нельзя отделить фракции газа.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы инерционного сепаратора при разделении газожидкостной смеси на фракции.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является разделение газожидкостной смеси на твердые, жидкие и газообразные фракции под действием сил инерций, возникающих при движении газожидкостной смеси по поверхностям ленты и криволинейного щитка.
Поставленный технический результат в инерционном сепараторе, состоящем из корпуса, ротора, установленного внутри корпуса с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, бесконечной гибкой пористой лентой вложенной вовнутрь ротора вдоль его боковой поверхности и нажимным валиком, создающим прогиб в ленте, желоба, установленного под прогибом, достигается тем, что внутри ленты вдоль ее боковой поверхности под сбегающей с валика ветви ленты по ходу ее движения установлен питающий патрубок со щелью, направленной к ленте, а под патрубком установлен щиток криволинейной формы, обращенный своей выпуклостью к внутренней поверхности ленты, зазор между лентой и щитком сужается к нижней части щитка.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема инерционного сепаратора; на фиг. 2 изображена схема движения газа в осевом направлении ротора.
Предлагаемый сепаратор содержит корпус 1, внутри которого установлен решетчатый барабан 2 (ротор) на опорных катках 3, вовнутрь ротора вложена гибкая бесконечная пористая лента 4. В верхней части ротора между его внутренней поверхностью и наружной поверхностью ленты установлен нажимной валик 5, создающий прогиб в ленте 4. Желоб 6,установлен под набегающей на нажимной валик 5 ветвью ленты 4 (по ходу ее движения), а под ее сбегающей ветвью установлен питающий патрубок 7 со щелью 8, направленной к ленте. Внутри ленты под патрубком 7 установлен щиток 9 криволинейной формы, обращенный своей выпуклостью к наружной поверхности ленты с сужающимся к нижней части щитка зазором. С торцов щиток 9 закрыт боковинами 10, боковины с внутренней поверхностью ротора образуют герметичное соединение 11, выполненное известными в технике устройствами (манжетой, щеткой, набивкой и т.п.). Отводной патрубок 12 (фиг. 2) сообщается одним концом с пространством, созданным наружными поверхностями желоба 6 и щитка 9 и внутренней поверхностью ленты 4, а другим концом присоединен к тяговому вентилятору (на фигурах вентилятор не показан).
2
Газожидкостная смесь через питающий патрубок 7 из сети подается в сепаратор по стрелке А, а оттуда к щели 8, и по стрелке В поступает на внутреннюю поверхность вращающейся ленты 4 и увлекается ею в круговое движение. Угловая скорость ω ленты 4, или ротора 2, выбирается из условия эффективной работы инерционного сепаратора, которая достигается при показателе кинематического режима k его работы (число Фруда) намного больше единицы (k=ω⋅R/g>>>1, где ω - угловая скорость ротора, равная угловой скорости частиц слоя; R - радиус ротора; g - ускорение силы тяжести). В момент подачи газожидкостной смеси ее скорость меньше скорости ленты, в зазоре между лентой 4 и щитком 9, смесь движется лентой в сторону сужающего к нижней части щитка зазору, в результате, смесь уплотняется, скорость движения смеси под щитком увеличивается и приближается к скорости ленты. С увеличением скорости слоя смеси и его уплотнения в щитке усиливаются действия сил инерций и давления, поэтому частицы твердых тел и жидкостей. имеющие большую плотность и массу в сравнении с газами при движении в щитке, сильнее прижимаются к поверхности вращающейся ленты, чем газы. Частицы жидкостей и твердых тел, как более тяжелые, располагаются и движутся по внутренней поверхности ленты, а газы, как легкие, между наружной поверхностью щитка и лентой. На частицы твердых тел и жидкостей, находящихся на поверхности ленты, кроме сил инерций и давления действуют еще силы трения и сцепления, зависящие от этих сил. Под действием сил трения и сцепления частицы твердых тел и жидкостей удерживаются на поверхности ленты и поднимают ее вверх к участку с обратной кривизной, приобретая уже скорость, равную скорости ленте. Жидкие частицы, находящиеся на поверхности ленты, под действием сил инерций и давления проходят через поры ленты 4 по стрелке С и попадают между корпусом 1 и ротором 2, оседают в корпусе и выводятся по стрелке G. (фиг. 1) Частицы, не прошедшие через поры ленты и застрявшие в них, на участке, где лента имеет обратную кривизну, силами инерций и тяжести отделяются от поверхности ленты, поры при этом очищаются и поступают в желоб 6 по стрелке D (фигура 1) далее выводятся из сепаратора по стрелке F (фиг. 2). При выходе из щитка 6 газы движутся по инерции внутри ленты в направлении ее вращения. Обладая меньшими инерционными свойствами, чем частицы твердых тел и жидкостей, газы значительно быстрее уменьшают свою скорость, поэтому газы не могут подняться лентой вверх вместе с этими частицы, далее, отрываясь от поверхности ленты, движутся независимо от нее по траектории, показанной стрелкой Е (фиг. 1), выводятся из сепаратора воздушным потоком тягового вентилятора в осевом направлении ротора по стрелке E. (фиг. 2). Скорость воздушного потока, создаваемого вентилятором в осевом направлении ротора, должна быть меньше предельной скорости витания твердых частиц, находящихся на поверхности ленты, чтобы исключить их сдувание с поверхности ленты и обратного попадания в уже очищенный газ. Для устранения утечек газа желоб 6 герметично соединен со щитком 9, а по торцам желоба 9 установлены боковины 10, по периферии боковин 10 в местах касания с внутренней поверхность ротора установлены уплотнения 11, создающие также герметичное соединение щитка с ротором и лентой. Уплотнения 11 могут быть выполнены известными в технике устройствами (манжетой, щеткой, набивкой и т.п.), которые обеспечат надежное герметичное соединение боковин щитка с внутренней поверхностью ротора.
1
2
1
2
1
1
2
2
1
1
2
2
2
1
1
2
Выполнение щитка криволинейной формы и обращенного своей выпуклостью к поверхности ленты позволяет установить его по отношению к ленте с зазором между щитком и лентой в пределах его сужения к нижней части примерно в пять раз (определено измерением зазоров со схемы фигуры 1). С учетом равенств объемов смеси поступающих Q в щиток и выходящих Q из него в единицу времени, принимаем: Q=Q=Q, получим: Q=A⋅V=A⋅V; A=δ⋅l, А=δ⋅l, V=V⋅A/A, или
1
2
1
2
1
2
1
2
2
где A, А, V, V - площади сечений и скорости слоя внутри щитка на входе и выходе из него, a δ и δ - величины зазоров, соответственно, l - длина щитка в продольном направлении. Из (1) следует, что уменьшение зазоров к нижней части щитка от δ до δ, например в пять раз, позволит увеличить скорость слоя при его выходе из щитка V тоже в пять раз, поэтому частицы. находящиеся на поверхности ленты, могут быстрее выровнять свою скорость со скоростью ленты. В результате, усиливается действие сил инерций (центробежных), за счет этого повышается интенсивность прохождения жидкой фракции через поры ленты и повышается производительность сепаратора. Можно также снизить угловую скорость ротора до пределов, когда скорость частиц на ленте будет достаточна для эффективной работы сепаратора, что приведет к снижению энергии потребляемой сепаратором. За участком обратной кривизны, в ее сбегающей с валика ветви, лента поступает в зону подачи исходной смеси полностью восстановленной, поэтому не требуется остановка сепаратора на регенерацию ленты, что также способствует повышению его производительности. Установка ротора на опорных катках позволяет избежать консольного его расположения относительно опор и повысить надежность валов и подшипников сепаратора.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет снизить затраты энергии, потребляемые сепаратором, повысить его надежность и производительность, что в целом повышает эффективность работы инерционного сепаратора при разделении газожидкостной смеси на отдельные фракции под действием сил инерций.