СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ СМЕСЕЙ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ
METHOD FOR SEPARATION OF INHOMOGENEOUS MIXTURES IN CENTRIFUGAL FIELD

Техническое решение разработано для применения в газовой и нефтяной промышленности и может быть использовано в других отраслях промышленности в процессах разделения неоднородных смесей в центробежном поле.
Известен способ разделения неоднородных смесей в центробежном поле, реализуемый в устройстве циклон обратнопоточного типа (В. Страус. Промышленная очистка газов, издательство "Химия", 1981 г., стр.258-261; А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии, издательство "Химия", 1971 г., стр.237-238, 241-243), - аналог, в котором производят закрутку потока смеси с формированием вращательно-поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы на всем протяжении процесса, осаждение дисперсной тяжелой фазы под воздействием центробежного поля с формированием слоя тяжелой фазы на периферии закрученного потока, отведение слоя тяжелой фазы с вторичным потоком сплошной легкой фазы с формированием отводного потока, повторное осаждение тяжелой фазы под воздействием гравитационного поля, отведение вторичного потока сплошной легкой фазы в основной поток сплошной легкой фазы.
Недостатками этого способа являются:
- увеличение энергозатрат процесса при повышении гидравлического сопротивления вследствие изменения направления поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы на обратное с поворотом в радиальном направлении к центру вращени, против действия центробежного поля;
- снижение эффективности разделения на максимальных скоростях вследствие усиления вихрей при смене направления поступательного движения сплошной легкой фазы, что приводит к срыву слоя тяжелой фазы на всей длине периферии закрученного потока, его диспергирование и унос с основным потоком (первичный унос);
- снижение эффективности разделения вследствие значительного объема, отводимого со слоем тяжелой фазы вторичного потока сплошной фазы, до 10% и последующий его возврат в основной поток вдоль оси отводного потока со скоростью, достаточной для подхвата и уноса тяжелой фазы из отводного потока (вторичный унос).
Известен способ разделения неоднородных смесей в центробежном поле, реализуемый в устройстве циклон прямоточного типа (Страус В. Промышленная очистка газов, издательство "Химия", 1981 г., стр.251-255; А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии, издательство "Химия", 1971 г., стр.243-244; АС СССР №1409312), - прототип, в котором производят закрутку потока смеси с формированием вращательно-поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы на всем протяжении процесса, осаждение дисперсной тяжелой фазы под воздействием центробежного поля с формированием слоя тяжелой фазы на периферии закрученного потока, отведение слоя тяжелой фазы с вторичным потоком сплошной легкой фазы с формированием отводного потока, повторное осаждение тяжелой фазы под воздействием гравитационного поля, отведение вторичного потока сплошной легкой фазы в основной поток сплошной легкой фазы, в котором при той же последовательности действий отсутствует изменение направления поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы на обратное с поворотом в радиальном направлении к центру вращения, против действия центробежного поля и отсутствует возврат вторичного потока сплошной легкой фазы вдоль оси отводного потока.
Однако в данном способе полностью не устранены недостатки предыдущего способа разделения:
- увеличение энергозатрат процесса при повышении гидравлического сопротивления вследствие изменения направления поступательного движения основного потока сплошной фазы с огибанием отводного потока кольцевой формы в радиальном направлении к центру вращения, против действия центробежного поля;
- снижение эффективности разделения на максимальных скоростях вследствие усиления вихрей при огибании основным потоком сплошной легкой фазы отводного потока кольцевой формы, что приводит к срыву слоя тяжелой фазы с поверхности проточной части в зоне перед отводным потоком, ее диспергирование и унос с основным потоком (первичный унос);
- снижение эффективности разделения вследствие значительного объема отводимого со слоем тяжелой фазы вторичного потока сплошной легкой фазы, до 10% и последующий его возврат в основной поток со скоростью, достаточной для подхвата и уноса тяжелой фазы из зоны гравитационного осаждения (вторичный унос).
Технический результат заключается в снижении гидравлического сопротивления и снижении первичного и вторичного уносов тяжелой фазы.
Технический результат достигается тем, что в способе разделения неоднородных смесей, включающем закрутку потока смеси с формированием вращательно-поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы на всем протяжении процесса, осаждение дисперсной тяжелой фазы под воздействием центробежного поля с формированием слоя тяжелой фазы на периферии закрученного потока, отведение слоя тяжелой фазы с вторичным потоком сплошной легкой фазы с формированием отводного(ых) потока(ов), повторное осаждение тяжелой фазы под воздействием гравитационного поля, отведение вторичного потока сплошной легкой фазы в основной поток сплошной легкой фазы, на всей периферии закрученного потока формируют многочисленные отводные потоки, каждый из которых дросселируют путем ограничения ширины входного сечения до величины, не превышающей 1% от радиуса периферии закрученного потока, при этом их направляют наружу под углом, не превышающим 45° от направления закрученного потока, затем редуцируют до скорости гравитационного осаждения тяжелой фазы путем плавного расширения с увеличивающимся отклонением в радиальном направлении от центра вращения закрученного потока, при этом поступательное движение основного потока сплошной легкой фазы на всем протяжении процесса не отклоняют в радиальном направлении к центру вращения.
Формирование многочисленных отводных потоков на всей периферии закрученного потока, их дросселирование путем ограничения ширины входного сечения до величины, не превышающей 1% от радиуса периферии закрученного потока, при этом направление их наружу под углом, не превышающим 45° от направления закрученного потока, затем их редуцирование до скорости гравитационного осаждения тяжелой фазы путем плавного расширения с увеличивающимся отклонением в радиальном направлении от центра вращения закрученного потока позволило повысить эффективность разделения при снижении вторичного уноса за счет ограничения объема вторичного потока сплошной легкой фазы, поступающего в отводные потоки, при расширении которого его скорость уменьшается до скорости гравитационного осаждения тяжелой фазы, и позволило снизить гидравлическое сопротивление за счет незначительного отклонения отводных потоков от направления закрученного потока с последующим увеличивающимся отклонением в радиальном направлении для уменьшения длины отводного потока.
Отсутствие отклонения поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы в радиальном направлении к центру вращения на всем протяжении процесса позволило повысить эффективность разделения, при снижении первичного уноса, за счет исключения образования интенсивных вихрей, приводящих к срыву и подхвату тяжелой фазы с поверхности проточной части.
Движение сформированного основного потока сплошной фазы в процессе разделения без изменения его направления позволило снизить гидравлическое сопротивление.
Автору известны способы или устройства, реализующие способы разделения неоднородных смесей в центробежном поле, в которых отводные потоки на периферии закрученного потока формируются пористой структурой или просечно-вытяжной сеткой, но эти способы не обеспечивают заявленного технического результата.
Автору не известны способы разделения неоднородных смесей в центробежном поле, в которых бы технический результат достигался подобным образом.
Реализация способа поясняется чертежами:
- Фиг.1 - схема разделения неоднородных смесей в центробежном поле;
- Фиг.2 - схема элементарного участка отводного потока;
- Фиг.3 - схема продольных прямых отводных потоков;
- Фиг.4 - схема продольных круговых отводных потоков;
- Фиг.5 - схема продольных спиральных отводных потоков;
- Фиг.6 - зависимость падения давления от расхода воздуха при испытании без подачи воды;
- фиг.7 - поле векторов гидродинамического расчета.
На фиг.1 представлены: вход потока смеси 1; вращательно-поступательное движение основного потока сплошной легкой фазы 2; направление центробежного осаждения дисперсной тяжелой фазы 3; слой тяжелой фазы 4; периферия закрученного потока 5; отводные потоки 6; элементарный участок 7 отводного потока 6; направление гравитационного осаждения тяжелой фазы 9; зона сбора тяжелой фазы 10; вторичный поток сплошной легкой фазы 11; выход сплошной легкой фазы 12.
a
τ
r
зп
оп
На фиг.2 дополнительно представлены: входное сечение 13 элементарного участка 7 отводного потока 6; проекция 18 элементарного участка 7 на поверхность продольного сечения закрученного потока; проекция 19 элементарного участка 7 на поверхность поперечного сечения закрученного потока; ширина входного сечения h; вектор осевой составляющей движения потока V; вектор тангенциальной составляющей движения потока V; вектор радиальной составляющей движения потока V; вектор движения закрученного потока около периферии потока V; вектор движения отводного потока во входном сечении V; угол α между направлениями закрученного и отводного потоков.
На фиг.3, 4, 5, 7 дополнительно представлена периферия продольного отводного потока 17.
На фиг.6 представлены: пунктирная линия - предлагаемый способ, сплошная линия - аналог.
Способ разделения неоднородных смесей в центробежном поле осуществляют следующим образом.
На входе в процесс поток неоднородной смеси 1 (фиг.1) закручивают с формированием вращательно-поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы 2 на всем протяжении процесса. Неоднородная смесь состоит из основного потока сплошной легкой фазы и дисперсной тяжелой фазы. Под воздействием центробежного поля производят осаждение дисперсной тяжелой фазы 3 и формируют концентрированный слой тяжелой фазы 4 на периферии закрученного потока 5. Скорость закрутки выбирается исходя из требуемого качества разделения и соответствующей минимальной массе частиц дисперсной фазы. В случае жидкой тяжелой фазы сформированный слой представляет собой жидкостную пленку. По мере продвижения основной поток сплошной легкой фазы 2 очищается от дисперсной тяжелой фазы. Энергия движения основного потока сплошной фазы 2 передается слою тяжелой фазы 4, который имеет то же направление вращательно-поступательного движения, но меньшую скорость.
Под воздействием центробежного поля слой тяжелой фазы 4 отводят, формируя на всей периферии закрученного потока 5 многочисленные отводные потоки 6. Отводные потоки состоят из тяжелой фазы и из вторичного потока сплошной легкой фазы.
оп
зп
зп
a
τ
оп
a
τ
r
оп
зп
зп
а
τ
Так как отводные потоки могут иметь различную форму, при обобщении описания их свойств удобно рассмотреть элементарный участок 7 (фиг.2) отводного потока. Свойства элементарных участков идентичны для всех элементарных участков с одинаковыми размерами. Рассматриваемый элементарный участок имеет квадратную форму входного сечения 13. Форма элементарного участка не ограничена представленной. Вектор движения отводного потока V на входе элементарного участка направляют наружу закрученного потока 2 под углом α, не превышающим 45°, к вектору движения закрученного потока V около периферии, непосредственно перед отводом. Вектор V является результирующим векторов осевой V и тангенциальной V составляющих, а вектор V является результирующим векторов осевой V, тангенциальной V и радиальной V составляющих движения потока. Условно векторы V и V изображены исходящими из одной точки, а векторы V, V и V лежат в плоскости входного сечения 13.
Точечные отводные потоки формируют из одиночных элементарных участков 7, а продольные отводные потоки формируют из множества элементарных участков, объединенных вдоль линий на периферии закрученного потока 5. При расположении элементарных участков вдоль образующих, окружностей или спиральных линий на периферии закрученного потока формируют продольные прямые (фиг.3), продольные кольцевые (фиг.4) или продольные спиральные отводные потоки соответственно (фиг.5). Наибольший эффект получают при формировании спиральных отводных потоков 6 с расположением продольных кромок входных сечений этих потоков поперек, перпендикулярно траектории движения закрученного потока.
Ширину h входного сечения 13 элементарного участка отводного потока ограничивают до величины, не превышающей 1% от радиуса периферии закрученного потока 5, для ограничения объема вторичного потока сплошной легкой фазы, поступающего в отводные потоки. Предпочтительное значение ширины h в несколько раз меньше средней толщины слоя тяжелой фазы 4. Таким образом, осуществляют постепенный отвод слоя тяжелой фазы с минимальным количеством легкой фазы вторичного потока. В случае твердой тяжелой фазы ширина h не может превышать максимальный размер дисперсных частиц. В случае жидкой тяжелой фазы, на участках периферии 5 закрученного потока полностью покрытых жидкостной пленкой (слой тяжелой фазы 4) входных сечений отводных потоков 6, вторичный поток легкой фазы в отводные потоки не поступает.
По мере продвижения основного потока сплошной легкой фазы 2 слой тяжелой фазы 4 отводят постепенно, уменьшая его толщину. После полного удаления слоя тяжелой фазы, в отводные потоки направляют только вторичный поток сплошной легкой фазы на протяжении поверхности периферии закрученного потока, определенного с учетом колебаний количества дисперсной фазы в смеси.
По ходу движения отводной поток плавно расширяют и замедляют до скорости гравитационного осаждения тяжелой фазы с увеличивающимся отклонением в радиальном направлении от центра вращения закрученного потока для обеспечения большего угла расширения, уменьшения длины отводного потока и более равномерного распределения скоростей в выходном сечении. Указанное радиальное направление наглядно показано на проекциях элементарного участка 6 (фиг.2) на поверхность продольного 18 и поперечного 19 сечений закрученного потока.
а
τ
r
r
τ
а
τ
a
Движения продольных отводных потоков различной формы можно рассмотреть с составляющими движения во входном сечении 13 (фиг.2) - V, V и V. Увеличение радиальной составляющей движения V происходит в прямых отводных потоках (фиг.3, 7) за счет уменьшения тангенциальной составляющей движения V, в кольцевых отводных потоках (фиг.4) за счет уменьшения осевой составляющей движения V, а в спиральных отводных потоках (фиг.5) за счет уменьшения тангенциальной V и осевой V составляющих движения.
На выходе из отводных потоков 6, под действием гравитационного поля производят осаждение тяжелой фазы 9 (фиг.1) и ее сбор в зоне 10. Скорость гравитационного осаждения выбирается исходя из требуемого качества разделения и соответствующей минимальной массе частиц дисперсной фазы. В случае жидкой тяжелой фазы жидкостную пленку (слой тяжелой фазы 14) направляют по периферии закрученного основного потока 5, переходящей в периферию 17 отводного потока (фиг.7), и затем по ней в зону сбора тяжелой фазы 10.
Вторичный поток сплошной легкой фазы 11, выходящий из отводных потоков, направляют в основной поток сплошной легкой фазы 2 к выходу очищенного потока сплошной легкой фазы 12. Направление вторичного потока из зоны гравитационного осаждения тяжелой фазы 9 не ограничивается представленным на фигуре 1 - вторичный поток может быть направлен на рециркуляцию на вход смеси 1 или в любую точку потока, вне рассматриваемого процесса, с меньшим давлением.
На всем протяжении процесса поступательное движение закрученного основного потока сплошной легкой фазы не отклоняют в радиальном направлении к центру вращения, что позволяет сохранить минимально возможное падение давления в процессе разделения, таким образом, обеспечивают отсутствие образования крупных вихрей на периферии закрученного потока. Основной поток сплошной легкой фазы может иметь незначительную по величине радиальную составляющую направления движения, но при этом исключают ее резкое изменение в направлении центра вращения, присутствующее в аналогах.
Расположение в пространстве оси вращения закрученного потока не ограничено представленным на фигуре 1 примером с направлением движения основного потока снизу вверх. При иной ориентации оси, корректируют расположение зоны сбора тяжелой фазы 10 и отвод вторичного потока 11. Форма периферии закрученного потока не ограничена цилиндрической формой, представленной на фигуре 1, и может быть с прямолинейными или криволинейными образующими.
Пример 1
Предлагаемый способ разделения сформировался в процессе работы по совершенствованию способа, реализуемого в устройстве типа центробежный сепарационный элемент (АС СССР №1409312) - аналог, применяемом в газовой промышленности несколько десятилетий.
Для проведения сравнительных испытаний предлагаемого способа и аналога взяты устройства с одинаковыми завихрителями и с геометрическими параметрами проточной части (периферии закрученного потока): внутренний диаметр 100 мм, высота 300 мм.
Геометрические параметры отводных потоков предлагаемого способа: количество - 6 шт., равномерно распределенные по цилиндрической поверхности проточной части; форма отводных потоков соответствует варианту прямых продольных отводных потоков (фиг.3); ширина входного сечения отводного потока - 0,5 мм.
Технологические параметры опытной работы: сплошная среда - воздух; дисперсная среда - вода; давление на выходе - атмосферное; температура +30°С.
Зависимость падения давления в процессе от расхода воздуха при испытании без подачи воды представлена на фиг.6, где пунктирной линией показан предлагаемый способ, а сплошной линией - аналог.
Падение давления предлагаемого способа по сравнению с аналогом меньше на 12-33%.
3
3
max
Испытания устройства, реализующего предлагаемый способ, и аналога с подачей воды производили последовательно с расходами воздуха, близкими к 4, 6, 8, 10, 12 м/мин. Испытания с подачей воды проводились с многократным превышением обычного содержания жидкости в газе для типовых процессов применения прямоточно-центробежных элементов, для определения максимально возможных концентраций воды. При каждом расходе воздуха, расход воды увеличивался постепенно от нуля до максимального Q, который определяется либо началом фонтанирования из выходного сечения основного потока, с выбросом около 600 г/мин воды, либо, при отсутствии фонтанирования, является максимально возможным расходом воды на опытном стенде 1,0-1,4 м/час.
Таблица 1
Унос воды с воздухом при максимальных расходах воды Q<sub>max</sub> предлагаемого способа
Интервал расхода воздуха, м<sup>3</sup>/мин
Q<sub>max</sub>, м<sup>3</sup>/час
Унос воды
4-6
1,2
Не более 0,05%
6-10
1,4
Не более 1%
10-12
1,4
Не более 3%
Таблица 2
Унос воды с воздухом при максимальных расходах воды Q<sub>max</sub> аналога
Интервал расхода воздуха, м<sup>3</sup>/мин
Q<sub>max</sub>, м<sup>3</sup>/час
Унос воды
4-6
0,6
Более 10%Накопление воды в нижней зоне проточной части, периодические фонтанные выбросы
6-10
0,4
Более 10%Постоянное фонтанирование
10- 12
1,0
Туман в высокоскоростном потоке, пульсирующие мелкодисперсные выбросы
Предлагаемый способ по показателям максимального содержания дисперсной фазы на входе и уноса дисперсной фазы на выходе существенно превосходит аналог. При этом у предлагаемого способа отсутствуют следующие значительные недостатки аналога: накопление тяжелой фазы в нижней зоне проточной части при пониженных скоростях потока с периодическими выбросами, так как в новом способе отбор тяжелой фазы производится по всей поверхности проточной части; образование более мелкой дисперсной фазы и тумана при повышенных скоростях потока, так как в новом способе отсутствуют препятствия, резко меняющие поступательное движение основного потока, что ведет к образованию интенсивных вихрей и колебаниям потока. Отсутствие указанных недостатков расширяет диапазон нормальной работы нового способа.
Пример 2
Для оценки влияния поперечного размера входного сечения отводного потока предлагаемого способа, выполнено компьютерное моделирование в специализированной компьютерной программе для гидродинамических расчетов.
Для проведения расчета принята модель с геометрическими параметрами проточной части, одинаковыми с параметрами испытанных устройств: внутренний диаметр 100 мм, высота 300 мм.
Геометрические параметры отводного потока предлагаемого способа: длина занимаемого отводным потоком сектора на окружности поперечного сечения проточной части предполагает размещение 36 шт. таких отводных потоков на всем периметре указанной окружности; форма отводных потоков соответствует варианту прямых продольных отводных потоков (фиг.3); ширина входного сечения отводного потока выполнена в 5-ти вариантах - 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0 мм.
Технологические параметры расчета: среда - воздух; давление на выходе - атмосферное; температура +30°С.
На фиг.7 представлено поле векторов гидродинамического расчета. Размеры стрелок векторов пропорциональны величинам скоростей в поперечном сечении устройства. В отводном потоке скорость заметно меньше скорости закрученного потока на периферии.
Численные результаты гидродинамического расчета следующие.
Таблица 3
Падение скорости отводного потока при скорости основного потока на периферии проточной части 7,3 м/с
Параметры отводного потока
Поперечный размер входного сечения отводного потока
4,00 мм
2,00 мм
1,00 мм
0,50 мм
0,25 мм
Скорость на выходе из отводного потока, м/с
5,97
4,60
2,36
0,83
0,22
Падение скорости
18%
38%
68%
89%
97%
Падение давления, Па
13,7
24,0
34,6
37,0
38,5
Таблица 4
Падение скорости отводного потока при скорости основного потока на периферии проточной части 15,1 м/с
Параметры отводного потока
Поперечный размер входного сечения отводного потока
4,00 мм
2,00 мм
1,00 мм
0,50 мм
0.25 мм
Скорость на выходе из отводного потока, м/с
12,87
9,84
5,30
2,05
0,94
Падение скорости
13%
34%
49%
86%
94%
Падение давления, Па
46,0
93,6
140,5
153,0
152,5
Наблюдается существенное падение скорости отводного потока при ширине входного сечения менее 1% от радиуса цилиндрической поверхности проточной части (периферия закрученного потока). Скорость потока снижается до скорости гравитационного осаждения тяжелой фазы.