СЕПАРАТОР-КАПЛЕУЛОВИТЕЛЬ
SEPARATOR-DROP CATCHER

Изобретение предназначено для очистки от капельной жидкости попутного нефтяного или природного газа в малогабаритных блочных установках для исследования скважин, а также для подготовки при его использовании в качестве топлива для электрогенераторных газотурбинных или дизельных установок, а также для котельных.
Из уровня техники известно каплеотбойное устройство, предназначенное для удаления капель полярных и неполярных жидкостей из газовых потоков, содержащее корпус, внутри которого размещена многослойная насадка, намотанная в рулон из сетчатого рукава и образующая выпукло-вогнутую эллипсоидную поверхность в верхней и нижней части (пат. RU 2038119, кл. B01D 45/08, 27.06.1995 г.).
Недостатком устройства является регламентирование габаритов насадки и параметров съемного трубного корпуса, монтируемого в выходном патрубке сепаратора, что ограничивает производительность сепаратора по газу. Также к недостатку можно отнести неблагоприятные условия падения капель в восходящем потоке газа.
Известен сетчатый каплеуловитель, состоящий из нескольких однослойных конусных элементов из уложенного по спирали вязанного сетчатого рукава с соосными входными завихрителями, расположенными на горизонтальном основании с отверстиями и окруженные кольцевыми перегородками (пат. RU 38636, кл. B01D 45/00, 10.07.2004 г.).
Недостатком данного технического решения является размещение нескольких конусных сепарирующих элементов на общем основании, что приводит к увеличению диаметра вертикального аппарата в 2-2,5 раза, объема цилиндрической части в 4-6,25 раз и общего объема до 7 раз. Применение одного конусного элемента с эквивалентной площадью не возможно из-за ограничения их предельно допустимых размеров, ограниченных диапазоном эффективной работы. К тому же данное расположение каплеуловителей не исключает падения капель уловленной жидкости навстречу восходящему потоку газа.
Также известен сетчатый каплеуловитель, содержащий газопроницаемые сепарирующие элементы из гофрированного сетчатого рукава, уложенного на ребро в вертикальной плоскости в многослойный пакет зигзагообразно с перегибом по горизонтали на 180° многослойной зигзагообразной сетки и устройство для ее фиксации. Устройство для фиксации выполнено в виде горизонтальных стержней, пронизывающих слои пакета в поперечном направлении и концы которых закреплены на пластинах, установленных вдоль пакета (пат. RU 8628, кл. B01D 45/00, 16.12.1998 г.).
Недостатком полезной модели является конструктивная громоздкость прямоугольной конфигурации насадки, что влечет размещение ее в емкости сепаратора большого диаметра. Отсутствие зазоров между слоями затрудняет раздельный дренаж уловленной жидкости с каждого слоя и приводит к ее накоплению и вероятности уноса. Кроме того, стекание капель жидкости из нижних перегибов насадки навстречу восходящему потоку газа также может быть причиной их захвата газом и вторичного уноса.
Наиболее близким к заявляемой конструкции является сепаратор, содержащий корпус с патрубками входа не очищенного газа, выхода очищенного газа и выхода жидкости, газораспределительное устройство, над которым установлены сетчатый каплеуловитель и прямоточный каплеуловитель с центробежными сепарационными элементами. В сепараторе прямоточный каплеуловитель расположен над сетчатым каплеуловителем, при этом под сетчатым каплеуловителем установлен распределитель жидкости для орошения сетчатого каплеуловителя, работающий в режиме восходящего прямотока (пат. RU 2469770, кл. B01D 45/12, 29.06.2011 г.).
Недостатком прототипа является снижение эффективности сепарации из-за работы каплеуловителя в противотоке газа и уловленной жидкости. Газовый поток поступает на сетчатый каплеуловитель снизу и при движении через проволочные преграды за счет инерционных сил и пленочной сепарации, на них улавливаются капли жидкости, которые в виде пленки стекают вниз. При этом возникает возможность подхвата этих капель восходящими потоками газа и вероятность их вторичного попадания в каплеуловитель, что приводит к его захлебыванию и вторичному уносу жидкости. К тому же расположение сетчатого каплеуловителя под прямоточным каплеуловителем ограничивает диапазон работы сепаратора, поскольку в этом случае сетчатый каплеуловитель работает как коалесцер при скорости газа в сепараторе
где W - скорость газа в каплеуловителе, м/с;
r
3
ρ - плотность газа в рабочих условиях, кг/м,
т.е. генерируются капли широкого спектра, из которых прямоточными циклонами улавливаются только крупные капли (>20 мкм), а мелкие, включая аэрозоль, уносятся из сепаратора.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности сепарации и расширение диапазона работы.
Указанный технический результат достигается тем, что в сепараторе-каплеуловителе, содержащем емкость с штуцерами ввода газожидкостной смеси, вывода очищенного газа и отделенной жидкости, включающей внутренние элементы - входное отбойное распределительное устройство для предварительного разделения фаз и сетчатый каплеуловитель, в отличие от прототипа, каплеуловитель выполнен многослойным, каждый слой которого изготовлен в форме конуса с углом к основанию 30-40° и представляет собой насадку из уложенного по спирали сетчатого вязаного рукава, ограниченную снизу и сверху каркасом из металлического прутка, при этом между слоями имеются зазоры, высота которых не менее 0,7 толщины слоя насадки, принимаемой равной ширине сетчатого вязаного рукава, а длина образующей конуса в зависимости от нагрузки равна от 1,5 до 4,0 значений толщины слоя насадки, к тому же сепаратор дополнительно оборудован промежуточным каплеуловителем и сливным лотком.
Преимуществом предлагаемого устройства является то, что сетчатый многослойный каплеуловитель имеет развитую поверхность для улавливания капель широкого диапазона дисперсности, нижний слой которого работает в режиме «кипящего слоя» при  а последующие слои в режиме пленочно-инерционного доулавливания капель, оставшихся в газе после нижнего слоя. Кроме того, каплеуловитель работает в режиме самоочистки, не требующем применения сливных гидрозатворных труб, как, например, после фильтров и прямоточных циклонов. К тому же конусная форма каплеуловителя позволяет организовать дренаж уловленной жидкости не с фронтальной поверхности каплеуловителя навстречу восходящему потоку газа, а с его периферии вдоль стенок или по стенке цилиндрической вертикальной емкости, где скорость восходящего потока минимальная. При этом для предотвращения возможного отклонения падающих капель от свободного падения под многослойным каплеуловителем располагается сливной лоток в виде кольцевого желоба, наклоненный в сторону слива жидкости.
Предлагаемое техническое решение имеет существенное отличие от известных, заключающееся в возможности оптимизации габаритов каплеуловителя по диаметру и высоте с учетом заданной нагрузки и физико-химических свойств жидкости. Для определения диаметра конуса учитывается соотношение длины образующей конуса к толщине слоя насадки в диапазоне 1,5-4,0, толщина каждого слоя насадки принимается равной ширине сетчатого вязаного рукава, а высота зазора между насадками берется не менее 0,7 толщины слоя насадки.
На фиг. 1 показан вертикальный сепаратор-каплеуловитель.
На фиг. 2 показан горизонтальный сепаратор-каплеуловитель.
На фиг. 3 показана динамика взаимодействия линий тока газа и капель жидкости в сетчатом многослойном каплеуловителе.
Сепараторы для очистки газа, вертикальный и горизонтальный (фиг. 1, 2 соответственно) состоят из емкости 1, штуцеров ввода газожидкостной смеси 2, вывода очищенного газа 3 и отделенной жидкости 4, входного отбойного распределительного устройства 5, смонтированного у штуцера ввода 2, промежуточного каплеуловителя 6 и выходного каплеуловителя 7, выполненного в виде сетчатого многослойного отбойника с количеством слоев от 2 до 4-х, имеющего форму конуса с углом наклона 30-40°. Каплеуловитель 7 (фиг. 2) установлен в вертикальном колпаке 8, расположенном в верхней части емкости 1. Каждый слой каплеуловителя 7 состоит из насадки 9 ограниченной снизу и сверху каркасом 10 из металлического прутка. Насадка 9 состоит из уложенного по спирали сетчатого вязаного рукава. Между слоями имеется зазор 11, служащий для выравнивания поля скоростей линий тока газа после их искривления в слоях насадки 9, высота которого не менее 0,7 толщины слоя насадки. Толщина каждого слоя принимается равной ширине сетчатого вязаного рукава. При этом длина образующей конуса (от вершины до основания) должна составлять в зависимости от нагрузки от 1,5 до 4,0 значений толщины слоя насадки 9. Ограничение габаритов каплеуловителя по радиусу (образующей конуса) связано с необходимостью своевременного дренажа жидкости кипящего слоя к периферии насадки 9. Под многослойным каплеуловителем 7 установлен сливной лоток 12 в виде кольцевого желоба, наклоненного в сторону слива жидкости.
Сепаратор-каплеуловитель работает следующим образом.
Продукция скважин - газожидкостная смесь через штуцер ввода 2 поступает в отбойное распределительное устройство 5 для отделения от газа основного количества жидкости, поступающей в сепаратор с газом в виде пробок, пленок, крупных диспергированных включений в виде капель, а также песка и других твердых примесей, содержащихся в газе. Отделившаяся жидкость стекает вниз сепарационной емкости 1 и по мере накопления отводится через штуцер вывода жидкости 4 в трубопровод для транспорта потребителю.
Газ с остаточным содержанием жидкости поступает в промежуточный каплеуловитель 6, в котором капли жидкости, отделившиеся от газа, осаждаются на его сепарирующих элементах, а затем стекают вниз сепарационной емкости 1. Окончательная очистка газового потока от мелкодисперсной жидкости происходит в многослойном каплеуловителе 7, после чего очищенный газ отводится из сепаратора в газопровод через штуцер вывода газа 3 для транспорта потребителю или на дальнейшую подготовку. За счет конструкции каплеуловителя 7 в форме конуса, линии тока газа искривляются перпендикулярно слою насадки 9, вследствие чего капли жидкости оказываются под действием результирующей силы от силы тяжести и скоростной составляющей, которая должна быть меньше силы тяжести и направлена в сторону периферии (фиг. 3). За счет этого траектории уловленных капель отклоняются от вертикали, то есть от центра к основанию конусной насадки 9, при этом происходит слияние множества мелких капель в более крупные капли или пленки, оттесняемые к краю конусной насадки 9 и далее на стенку, по которой стекают в нижнюю часть сепарационной емкости 1. Накопление капель и пленок жидкости в слое насадки 9 вызывает увеличение скорости газа с образованием и перемешиванием кипящего слоя, благоприятного для улавливания из газа мельчайших капель жидкости, то есть аэрозольных частиц. Для предотвращения их уноса из кипящего слоя должно соблюдаться условие  Саморегулирование толщины кипящего слоя происходит при оптимальной скорости газа, зависящей от соотношения (объемного и массового) разделяемых фаз - газа и жидкости.
Для предотвращения падения уловленных капель с многослойного сетчатого каплеуловителя 7 на нижерасположенные сепарирующие устройства имеется сливной лоток 12, по которому жидкость стекает к стенке емкости для удаления в нижнюю часть сепарационной емкости 1.
Предлагаемый сепаратор-каплеуловитель может быть использован в блочных установках для исследования скважин, в электрогенераторных газотурбинных и дизельных установках, а также в котельных, где требуется глубокая очистка газа от капельной жидкости.