СЕПАРАТОР (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к сепарационным устройствам, основанным на действии центробежных сил, создаваемых поворотом направления разделяемого потока жидкого сырья, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности.
Известен прямоточный спиральный сепаратор для отделения дисперсных частиц от газов или паров [пат. РФ №2264843, опубл. 2005.11.27], содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, выполненный из направляющих элементов в виде скрученных по винтовой линии в продольном направлении и изогнутых в поперечном направлении по винтовой линии трех и более полос, соединенных между собой боковыми сторонами в виде винтовой многозаходной пустотелой колонны. В известном сепараторе скорость спирального движения разделяемого потока задается на входе нагнетающим насосом. Эта скорость быстро снижается за расчет свободного расширения исходного потока во внутреннем объеме сепаратора, что приводит к соответствующему уменьшению центробежных сил, действующих на составляющие поток частицы, и снижению эффективности разделения.
Известен сепаратор для отделения жидкостей и/или твердых частиц от газового потока [з. WO №2008050360, опубл. 2008.05.02], включающий корпус, снабженный расположенным в боковой стенке входным отверстием и выходным отверстием, соединенным с его крышкой, а также зону сбора, размещенную в нижней части корпуса, который содержит спиральный канал, соединяющий вход с выходом, размещенным по центру спирального канала, в котором одно или более отверстий, выполненных в корпусе, соединяют спиральный канал с зоной сбора, при этом входное отверстие размещено в верхней части корпуса в тангенциальном положении по отношению к спиральному каналу, таким образом, что обрабатываемый поток газа входит в спиральный канал сверху в тангенциальном направлении по отношению к последнему. Недостатком известного сепаратора является недостаточно высокая эффективность разделения, обусловленная быстрым уменьшением кинетической энергии вращения сырьевого потока и, соответственно, центробежной силы, воздействующей на составляющие его частицы, причиной чего является расширение указанного потока и его распространение в свободном пространстве сепаратора.
Известен также спиральный сепаратор [з. US №2007151922, опубл. 2007.07.05], в котором используется кинетическая энергия входящего потока и сочетается действие тангенциальной, центробежной и гравитационной сил, что обеспечивает эффективное удаление паров или газов из жидкостей, твердых частиц из жидкостей и твердых частиц из газов. В известном сепараторе наличие свободного пространства внутри корпуса, позволяющего вращающемуся потоку разделяемого сырья расширяться в этом пространстве, приводит к снижению скорости вращения указанного потока и уменьшению воздействующих на составляющие его частицы центробежных сил, результатом чего является недостаточно высокая эффективность разделения.
Наиболее близким к заявляемому является центробежный сепаратор [пат. РФ №2031309, опубл..1995.03.20], включающий цилиндрический корпус с тангенциально размещенным входным патрубком, тангенциально размещенным выходным патрубком для отвода жидкой среды и выходным патрубком для отвода газообразной среды, снабженный спиральным сепарирующим элементом, образованным размещенной по всей высоте корпуса спиральной лентой шириной 0,3-0,4 радиуса корпуса, соединенной с внутренними стенками корпуса и образующей открытый зигзагообразный канал.
Известный сепаратор имеет недостаточно высокую эффективность разделения исходного сырья и позволяет производить разделение только жидкой и газообразной фаз. Этот недостаток обусловлен тем, что в известном сепараторе поток сырья движется в открытом винтовом канале и может свободно расширяться по всему внутреннему объему сепаратора, в результате чего его первоначальная скорость быстро снижается и воздействующие на составляющие его частицы центробежные силы уменьшаются. С увеличением давления, создаваемого подающим сырье насосным агрегатом, происходит усиленное расширение потока сырья и еще более быстрое падение его скорости.
Задачей полезной модели является создание сепаратора широкого назначения, который обеспечивает эффективное разделение различных эмульсий, очистку жидкостей от механических примесей, в частности, очистку нефтесодержащих вод, а также загрязненных и обводненных нефтепродуктов.
Технический результат полезной модели заключается в увеличении скорости потока разделяемого сырья и значения центробежных сил, воздействующих на составляющие его частицы, обеспечивающем повышение эффективности разделения при одновременном повышении производительности сепаратора.
Указанный технический результат достигается сепаратором, выполненным в двух вариантах.
Сепаратор согласно первому варианту осуществления включает цилиндрический корпус с размещенным тангенциально входным патрубком, выходными патрубками и спиральным сепарирующим элементом, в котором, в отличие от известного, спиральный сепарирующий элемент выполнен в виде закрытого плоского спирального канала, ограниченного основаниями корпуса и спиральной лентой, ширина которой равна высоте корпуса, при этом спиральная лента размещена между основаниями корпуса перпендикулярно последним в плоскости, перпендикулярной ее оси вращения, а выходные патрубки установлены на выходе упомянутого закрытого спирального канала.
Максимальная эффективность разделения сырья обеспечивается сепаратором, сечение закрытого спирального канала которого имеет форму вытянутого прямоугольника, большая сторона которого перпендикулярна оси вращения упомянутого канала.
В частности, максимальная эффективность разделения обеспечивается сепаратором, у которого соотношение сторон сечения закрытого спирального канала равно 1:(20-40).
Сепаратор согласно второму варианту осуществления включает цилиндрический корпус с размещенным тангенциально входным патрубком, выходными патрубками и спиральным сепарирующим элементом, в котором, в отличие от известного, спиральный сепарирующий элемент представляет собой закрытый спиральный канал, образованный спиральным желобом, выполненным в боковой поверхности коаксиально размещенного внутри корпуса монолитного цилиндра, и боковой стенкой корпуса, при этом выходные патрубки размещены на выходе спирального канала.
Максимальная эффективность разделения сырья обеспечивается сепаратором, закрытый спиральный канал которого имеет сечение в форме вытянутого параллелограмма, большая сторона которого перпендикулярна оси вращения упомянутого канала.
В частности, максимальная эффективность разделения обеспечивается сепаратором, у которого соотношение сторон сечения закрытого спирального канала равно 1:(5-10).
Первый вариант предлагаемого сепаратора схематично показан на фиг.1 (вид сверху) и фиг.2 (вид сбоку).
Сепаратор в соответствии с первым вариантом осуществления содержит корпус 1 с входным патрубком 2, тангенциально подведенным к боковой поверхности корпуса 1, выходным патрубком 3 для вывода тяжелой фракции, выходным патрубком 4 для вывода легкой фракции и закрытый спиральный канал 5.
Закрытый спиральный канал 5 сформирован с помощью металлической, преимущественно стальной, ленты 6 шириной, равной высоте корпуса 1 и размещенной по спирали на основании 7 перпендикулярно последнему, таким образом, что она образует боковую поверхность указанного канала, который снизу и сверху ограничен соответственно нижним 7 и верхним 8 основаниями корпуса 1. Внешний виток спиральной ленты 6 служит боковой стенкой корпуса сепаратора, при этом форма оснований корпуса может быть произвольной (круг, квадрат). Спиральный канал 5 размещен в плоскости, перпендикулярной оси его вращения. К его началу тангенциально подведен входной патрубок 2, предназначенный для подачи в сепаратор исходного сырья, которая осуществляется с помощью не показанного на чертежах насоса. Выходные патрубки 3 и 4 размещены в центральной части верхнего основания 8 на выходе спирального канала 5, при этом патрубок 4 для вывода легкой фракции (жидкостей с меньшим удельной плотностью и/или легких частиц) установлен ближе к оси вращения спирального канала 5.
Длина спирального канала 5 определяется с учетом того, что с ее увеличением улучшается эффективность разделения сырья за счет его более длительного нахождения под воздействием центробежных сил, но при этом одновременно увеличивается гидродинамическое сопротивление.
Сепаратор работает следующим образом.
С помощью насоса рассчитанной производительности поток исходного сырья через входной патрубок с заданной скоростью подается в закрытый спиральный канал сепаратора.
Под воздействием центробежных сил, возникающих при движении жидкостей и/или твердых частиц исходного потока сырья по спирали, происходит перераспределение составляющих этого потока, при этом жидкости и/или твердые частицы с большей удельной плотностью (преимущественно тяжелые и нерастворимые примеси) движутся по стенке спирального канала, удаленной от оси его вращения, а более легкие составляющие вытесняются к стенке, ближней к указанной оси. Таким образом, на выходе закрытого спирального канала формируются две четко разделяющиеся зоны сбора, к которым подведены соответствующие выходные патрубки с перекрывающими вентилями, с помощью которых можно регулировать отбор очищенного продукта и удаляемых примесей.
Эффективность разделения спирально закрученного потока сырья зависит от величины воздействующей на него центробежной силы. Необходимая величина центробежной силы обеспечивается путем придания этому потоку достаточной скорости за счет создания соответствующего давления на входе с помощью подающего насосного агрегата рассчитанной мощности. Значение скорости потока сырья на выходе закрытого спирального канала должна сохраняться таким, чтобы обеспечить величину центробежной силы, необходимую для четкого разделения сепарируемого продукта. Закрытый спиральный канал исключает распыление сырья в объеме сепаратора и быструю потерю давления. Путем использования более мощных насосных агрегатов он позволяет сообщить потоку сырья необходимую скорость, за счет чего повысить эффективность разделения сырья и увеличить производительность сепаратора.
Плоская форма движущегося по спиральному каналу 5 потока сырья, сжатого по оси вращения этого канала и растянутого в направлении, перпендикулярном направлению этой оси, обеспечивает очень четко выраженное перераспределение его составляющих в зависимости от их удельной плотности, при этом более сжатый поток (при одной и той же площади его сечения) позволяет сепарировать более мелкие частицы.
Максимально растянутая перпендикулярно оси его вращения форма сечения спирального канала 5 обеспечивает надежное разделение тонких эмульсий, образованных нерастворимыми друг в друге жидкостями (например, вода и нефть).
Примером конкретного осуществления полезной модели согласно первому варианту является сепаратор, используемый для предварительной очистки обводненной нефти в установке для переработки нефтешлама.
Один виток спирального канала сепаратора для примера его конкретного осуществления показан на фиг.3.
Верхнее и нижнее основание корпуса выполнены из стального листа размерами 1500×1500 мм толщиной 4 мм. Между основаниями по спирали с расстоянием между витками 100 мм размещена стальная лента 3×12 мм, которая при помощи сварки соединена с основаниями и образует закрытый спиральный канал сечением 3×100 мм, начало которого совмещено с входным патрубком, а конец - с выходными патрубками. Внешний виток ленты служит боковой стенкой корпуса.
Второй вариант предлагаемого сепаратора (вид сбоку) схематично показан на фиг.4.
Сепаратор в соответствии со вторым вариантом осуществления содержит цилиндрический корпус 1 с входным патрубком 2, тангенциально подведенным к боковой поверхности корпуса 1, выходным патрубком 3 для вывода тяжелой фракции, выходным патрубком 4 для вывода легкой фракции и закрытый спиральный канал 5. Закрытый спиральный канал 5 имеет вид спирального желоба с сечением в форме параллелограмма, выполненного в монолитном цилиндре 6, коаксиально размещенном внутри корпуса 1, который представляет собой металлический, например, стальной, полый цилиндр, напрессованный на монолитный цилиндр 6 и закрывающий спиральный канал 5. Выходные патрубки 3 и 4, снабженные перекрывающими вентилями, установлены на выходе спирального канала 5, при этом патрубок 4, размещенный у стенки спирального канала 5, удаленной от его оси вращения, служит для отбора тяжелых примесей, а патрубок 3, размещенный у его стенки, ближней к оси вращения, служит для отбора более легкого очищенного продукта. При вертикальном расположении корпуса 1 рациональным является размещение выходных патрубков 3 и 4 в нижней части сепаратора для удобства слива продуктов сепарации после окончания процесса.
Работа сепаратора по второму варианту осуществляется аналогично работе сепаратора по первому варианту.
Форма сечения спирального канала сепаратора по второму варианту наилучшим образом приспособлена для отделения механических средних и крупных примесей от жидкостей, при этом минимальный размер этого сечения превышает размер частиц указанных примесей.
Эффективность разделения сырья сепаратором по второму варианту зависит от соотношения сторон сечения спирального канала, а также от его длины таким же образом, как для сепаратора по первому варианту.
Примером использования сепаратора по второму варианту может служить отделение воды от механических примесей донного осадка для его сгущения перед подачей на подачей на центрифугу, которую используют для разделения указанного осадка на две составляющие: вода и твердые вещества (механические примеси).