Устройство очистки транспортируемого газа
DEVICE FOR CLEANING THE TRANSPORTED GAS

Изобретение относится к газовой промышленности и другим областям энергомашиностроения, в технологических циклах которых возникает необходимость очистки газа от механических примесей и сконденсированной жидкости. Например, в установках комплексной подготовки газа на промыслах, в  газораспределительных и компрессорных станциях, в нефтяной и химической промышленностях и других отраслях энергомашиностроения с целью удаления из  газовых потоков механических частиц, капель воды,  масла и прочих примесей. Устройство может функционировать в широком диапазоне  рабочих давлений  и температур, определяемых характеристиками материалов, используемых в конструкции.
Известна группа сепараторов (патенты РФ № 2188062, № 2221625, № 2244584, № 2346727) для очистки газа от мелкодисперсных жидкостей и твердых частиц в поле центробежных сил, содержащие вертикальный цилиндрический корпус, входной и выходной патрубки, дефлектор, горизонтальную перегородку с центральным отверстием, сепарационный пакет, состоящий из вертикальных изогнутых пластин, которые в зоне нахлестки образуют щелевые каналы. Недостатком указанных устройств является сложная и малоэффективная конструкция ввода газожидкостной смеси в пространство вокруг сепарационного пакета. При выходе из дефлектора газожидкостная смесь, расширяясь, в сторону сепарационного пакета, увлекает за собой жидкость и механические примеси, прижатые центробежной силой к внутренней стенке корпуса. Это увеличивает нагрузку на сепарационный пакет и снижает качество сепарации.
Известно устройство для очистки природного газа от жидкости, (патент РФ № 2201278, МПК B01D 45/12, B01D 46/24, опубл. 2002.11.20), включающее фильтрующий элемент на перфорированном каркасе, установленный внутри коаксиального кожуха, открытого в нижней части, а в верхней части имеющего завихритель, при этом установлено не менее двух кожухов и полость для сбора жидкости. Внутри фильтрующего элемента дополнительно коаксиально установлены кожух с завихрителем в верхней части и второй фильтрующий элемент на перфорированном каркасе, в верхней части которого установлен патрубок очищенного газа, при этом кольцевая полость в нижней части между каркасом первого и кожухом второго фильтрующих элементов заглушена кольцом. Завихритель первого кожуха снабжен кольцом, образующим щель в верхней части. Неочищенный газ попадает после завихрителя в полость с фильтрующим элементом и тем самым ухудшаются условия его работы и снижается ресурс. Наличие каркаса-подложки, на котором располагается фильтрующий элемент, уменьшает его эффективную (рабочую) поверхность и увеличивает гидравлическое сопротивление.
Известно устройство для очистки транспортируемого газа, наиболее близкое к заявляемому и принятое за прототип (патент РФ №2676640, МПК B01D 50/00, опубликовано  09.01.2019, бюл. № 1), включающее вертикальный корпус, горизонтальную перегородку с центральным отверстием, расположенные в корпусе коаксиально ему и друг другу с образованием кольцевых каналов кожух и фильтрующий элемент, выполненные в виде двух стаканов донышком вниз, патрубки подвода газа и отвода очищенного газа, расположенные с противоположных сторон на цилиндрической поверхности корпуса, дефлектор, патрубок отвода жидкости и механических примесей, расположенный в нижней части корпуса, при этом полость внутри фильтрующего элемента сообщена с патрубком отвода очищенного газа, устройство дополнительно снабжено вторым фильтрующим элементом из винтовой пружины, верхний конец которой жестко закреплен на горизонтальной перегородке, а нижний прикреплен к донышку кожуха. Наличие в данном устройстве дополнительного фильтрующего элемента приводит к повышению гидравлического сопротивления устройства, а неуправляемый сбор дисперсной фазы и жидкости со стенок вертикального корпуса в патрубок отвода жидкости и механических примесей снижает качество сепарации.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства очистки транспортируемого газа повышенной эффективности с высоким ресурсом работы.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении качества очистки и в увеличении ресурса работы устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве очистки транспортируемого газа, включающем корпус, расположенные в корпусе коаксиально ему и друг другу обечайку и фильтрующий элемент с образованием внешнего и внутреннего кольцевых каналов, сообщающихся между собой, патрубок подвода газа расположенный тангенциально корпусу, патрубок отвода жидкости и механических примесей, расположенный с противоположной стороны корпуса, новым является то, что, патрубок отвода очищенного газа расположен по оси устройства и сообщен с полостью внутри фильтрующего элемента, внутренний кольцевой канал между фильтрующим элементом и обечайкой с одной стороны сообщен с внешним кольцевым каналом, а с другой стороны образует щелевой регулируемый канал, сообщенный пневматической магистралью с каналом патрубка отвода очищенного газа, к профилированному днищу корпуса прикреплен сборник, сообщенный с патрубком отвода жидкости и механических примесей, внутри сборника расположен шток, жестко связанный с тарелью, нижняя поверхность которой и днище корпуса образуют щелевой канал, при этом шток и связанная с ним тарель установлены с возможностью перемещения в осевом направлении относительно профилированного днища, полость сборника соединена перепускной магистралью с патрубком отвода очищенного газа, в полости внутри сборника установлен датчик уровня, в перепускной магистрали  установлены фильтр и вентили, в обечайке во внутреннем канале установлено закручивающее устройство.
Фильтрующий элемент представляет собой несущую конструкцию из пористого металла с высокой газовой проницаемостью
Герметичность полости относительно внешней среды при перемещении штока обеспечивается уплотнением, фиксируемым в корпусе сборника фланцем прижимным.
Фильтрующий элемент может иметь коническую, цилиндрическую или иную форму.
На фиг.1 представлено продольное сечение устройства очистки газа. Здесь: 1 - корпус; 2 - патрубок подвода газа; 3 - патрубок отвода очищенного газа; 4 - обечайка; 5 - фильтрующий элемент; 6 - днище профилированное; 7 - сборник жидкости и механических примесей; 8 - фланец сальника; 9 - шток; 10 – тарель; 11 - втулка; 12 - полость; 13 - крышка; 14 - шайба регулировочная; 15 - кольцо резьбовое; 16 - проставка; 17 - закручивающее устройство; 18 - канал внешний; 19 - канал внутренний; 20 - канал щелевой на выходе из внутреннего канала 19; 21 - щелевой канал между тарелью 10 и профилированным днищем 6; 22 - полость сборника; 23 - фланец; 24 - магистраль пневматическая; 25 - фильтр в пневматической магистрали; 26 - магистраль перепускная; 27 - фильтр в перепускной магистрали; 28 - жиклер; 29 - патрубок отвода жидких  и механических примесей; 30 - датчик уровня; 31 - магистраль отвода примесей из щелевого канала 20.
Устройство очистки газа включает корпус 1, к которому тангенциально приварен  патрубок подвода газа 2. На корпусе 1 с помощью фланца 23 установлена проставка 16. Внутри проставки 16 установлена втулка 11, в которой расположен фильтрующий элемент 5, зафиксированный резьбовым кольцом 15. На выходе из внутреннего канала 19 поверхностью втулки 11 и проставки 16 образован щелевой канал 20. Между проставкой 16 и втулкой 11 установлена регулировочная шайба 14, с помощью которой задается ширина щелевого канала 20. Крышка 13, в которой закреплен патрубок отвода очищенного газа 3, прижимает втулку 11 к проставке 16. К проставке 16 приварена обечайка 4. Корпус 1, обечайка 4  и фильтрующий элемент 5, расположенны коаксиально относительно друг другу и образуют внешний 18 и внутренний 19 кольцевые каналы, сообщающиеся между собой. В обечайке 4 во внутреннем канале 19 установлено закручивающее устройство 17.
1
2
3
4
К корпусу 1 присоединено  профилированное днище 6, к которому прикреплен сборник жидкости механических примесей 7. Внутри сборника 7 расположен шток 9, жестко связанный с тарелью 10. Поверхности тарели  10 и профилированного днища 6 образуют щелевой канал 21. Шток 9 и связанная с ним тарель 10 имеют возможность перемещаться в осевом направлении относительно профилированного днища 6, что позволяет изменять ширину щелевого канала 21. Сборник 7 содержит полость 22, внутри которой установлен датчик уровня 30. Герметичность полости 22 относительно внешней среды при перемещении штока 9 обеспечивается сальником (на фиг.1 не показано), фиксируемым в сборнике 7 фланцем сальника 8. Сборник 7 оснащен патрубком отвода жидкости и механических примесей 29. Полость 22 сборника 7 соединена перепускной магистралью 26 с каналом патрубка отвода очищенного газа 3. В перепускной магистрали 26 последовательно установлены вентиль В, фильтр 27, вентиль В и жиклер 28. Полость 12 в щелевом канале 20 на выходе из внутреннего канала 19 соединена пневматической магистралью 24 с каналом патрубка отвода очищенного газа 3. В пневматической магистрали 24 последовательно установлены вентиль В, фильтр 25, вентиль В.
Устройство очистки транспортируемого газа работает следующим образом. Транспортируемый газ, содержащий различного рода дисперсные включения (твердые и жидкие), подается  тангенциально через патрубок подвода газа 2 в кольцевую полость внешнего канала 18, в результате чего закручивается. В закрученном потоке, вследствие действия массовых сил, дисперсные включения, имеющие большую плотность по сравнению с плотностью газа, дрейфуют к внутренней стенке корпуса 1 и концентрируются в пристенном  слое. Включения, сконцентрированные в пристенном слое, движутся далее по внутренней поверхности профилированного днища  6, разворачиваются  и через щелевой канал 21 попадают в полость 22 сборника 7. Разворот потока поверхностью днища 6 увеличивает концентрацию частиц в пристенном слое. Моделирование условий сепарации частиц в закрученном дисперсном потоке, выполненное в работе (БаяновИ.М., ГортышовЮ.Ф., ТонконогВ.Г., ТонконогМ.И. Моделирование динамики двухфазного потока в сепараторе.  Вестник КГТУ им. Туполева. 2013, № 4, 34-42 с.), показало, что в пристенном слое толщиной 1…3 мм сосредотачивается 90..98% процентов от общего числа частиц размером более 10  мкм. Для достижения такого эффекта достаточно, чтобы поток совершил порядка 1,5….2-х оборотов. Это условие обеспечивается при относительной длине канала (l/d)>2, где l-канала, d-внешний диаметр канала 15. очевидно, что способность частиц сепарироваться зависит от их размера при прочих равных условиях. Частицы размером от 10 до 5 мкм сосредотачиваются в пристенном (пограничном) слое толщиной более 3 мм, а частицы размером менее 5 мкм сепарируются неудовлетворительно.
1
2
C целью более полного выделения частиц из газового потока, в зависимости от толщины слоя, в котором они сосредоточены, ширина щелевого канала 21 регулируется путем перемещения тарели 10 относительно профилированного днища 6. С целью увеличения вероятности попадания частиц в щелевой канал 21 и снижения сопротивления движению дисперсной среды в щелевом канале 21, полость 22 сборника 7 соединена перепускной магистралью 26 с патрубком отвода очищенного газа 3. Такое соединение создает зону пониженного давления в полости 22 по сравнению с давлением газового потока во входном участке щелевого канала 21 и, следовательно,  снижает сопротивление движению отсепарированной части потока в щелевом канале 21, способствует поступлению его в полость сборника 7 и таким образом повышает качество сепарации. Для исключения попадания дисперсных частиц из полости 22 в патрубок отвода очищенного газа 3 по перепускной магистрали 26 в ней установлен фильтр 27. С целью задания или ограничения расхода газа по перепускной магистрали 26 в ней установлены жиклер 28 и регулирующие вентили Ви В. Заполнение сборника 7 жидкими и твердыми дисперсными включениями, выделенными из газового потока, контролируется датчиком уровня 30, по сигналу которого происходит удаление отсепарированной фракции из сборника 7 по патрубку 29.
3
4
Для более полного очищения газа от мелких дисперсных включений, которые остались в потоке, газовый поток разворачивается тарелью 10 и поступает во внутренний канал 19, на входе в который в обечайке 4 установлено закручивающее устройство 17. В закрученном потоке, движущемся по внутреннему каналу 19 осуществляется дополнительная сепарация жидких и твердых включений. Более крупные включения, содержащиеся в газовом потоке, концентрируются в пристенном слое (на внутренней поверхности обечайки 4) и поступают в щелевой канал 20 и из него в полость 12. Отсепарированные частицы удаляются из полости 12 через магистраль отвода примесей 31. С целью полного сбора и удаления частиц из пристенного слоя, ширина щелевого канала 20 изменяется с помощью шайбы регулировочной 14, а в полости 12 создается пониженное давление, по сравнению с давлением в щелевом канале 20, путем соединения полости 12 пневматической магистралью 24 с патрубком отвода очищенного газа 3. Для исключения попадания твердых и жидких включений из полости 12 в патрубок отвода очищенного газа 3, в пневматической магистрали 24 установлен фильтр 25. Расход газа через пневматическую магистраль 24 регулируется с помощью вентилей В и В.
Из внутреннего канала 19 газовый поток, содержащий более мелкие частицы, не поступившие в полость 12, задерживаются фильтрующим элементом 5,  который обеспечивает окончательную очистку газа. Очищенный газ направляется через патрубок отвода очищенного газа 3 потребителю. Фильтрующий элемент 5 может иметь  коническую или иную  форму и представляет собой несущую конструкцию из пористого металла (алюминия, никеля, меди и прочее) с высокой газовой проницаемостью, что обеспечивает его незначительное гидравлическое сопротивление. Размеры пор фильтрующего элемента 5 определяют предельный размер дисперсных включений в газовом потоке, поступающем потребителю. Так как в процессе  работы фильтрующий элемент 5 засоряется, то его гидравлическое сопротивление будет возрастать. Необходимость замены фильтрующего элемента определяется по показаниям датчика перепада давлений, установленного в магистрали (на схеме не показано), которая соединяет патрубок подвода газа 1 с патрубком отвода очищенного газа 3.  Фильтрующий элемент 5 легко извлекается из устройства через крышку 13 и может  восстанавливаться путем его промывки или продувки, что позволяет продлить его ресурс работы всего устройства.