УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СРЕДЫ
DEVICE FOR SEPARATION OF MULTICOMPONENT MEDIUM

Изобретение относится к устройствам для низкотемпературной обработки многокомпонентной среды.
Известен газожидкостный сепаратор, содержащий корпус с перегородками, разделяющими его на камеры ввода и вывода газа и камеры накопления и слива жидкости, сепарационный элемент с завихрителем, сообщающий камеру ввода газа с камерой вывода газа и камерой накопления жидкости, и сливную трубу, сообщающуюся камеру накопления жидкости с камерой слива жидкости, при этом он снабжен дополнительными сепарационными элементами с завихрителями, сообщающими камеру ввода газа с камерой вывода газа и камерой накопления жидкости, при этом сепарационные элементы или часть их со стороны камеры ввода газа снабжены управляемыми клапанами, приводы которых выведены за корпус (Патент RU №2162727, МПК B01D 45/12, В04С 3/06, 2001).
5+
Недостатками известного устройства относятся низкая эффективность сепарации, обусловленная отсутствием возможности отделения жидкой фракции пропана, бутана и более тяжелых углеводородов С от общего газового потока, низкая эффективность закручивания газового потока в завихрителях, а также сложность одновременного управления приводами клапанов.
Известен газодинамический сепаратор, содержащий, по существу, вертикальное сопло, имеющее конфузор и диффузор, завихритель потока, установленный на входе в сопло, верхний и нижний кольцевые карманы для сбора жидкости, имеющие кольцевые щели для улавливания жидкости, сообщающиеся с внутренней полостью конфузора и диффузора, и патрубки для отвода жидкости, регулятор, выполненный в виде обтекаемого в направлении движения газа удлиненного массивного тела, установленного во внутренней полости сопла соосно вертикальной оси с возможностью перемещения вдоль оси сопла на предварительно заданное расстояние, и содержащий расширяющуюся верхнюю часть, расположенную в диффузоре и имеющую диаметр больше диаметра самой узкой части сопла, характеризующийся тем, что масса регулятора подобрана таким образом, чтобы скорость его падения в восходящем потоке газа при оптимальном значении критического сечения приближалась к нулю (Патент RU №149911, МПК B01D 45/12, 2015).
Недостатками данного газодинамического сепаратора являются создание регулятором дополнительного сопротивления газожидкостному потоку, низкая эффективность улавливания сконденсировавшейся фракции, а также существование возможности запирания критического сечения сопла.
Известен термогазодинамический сепаратор, включающий корпус, патрубок ввода исходного многокомпонентного углеводородного газа, завихритель газа, сопло Лаваля, сепарационную камеру с отверстием вывода конденсата, сборник конденсата, эжекционную камеру с патрубком приема газа, патрубки для отвода газовой фазы и конденсата из сборника конденсата, диффузор очищенного газового потока, поперечные перегородки, при этом каждая из поперечных перегородок выполнена из двух частей, первая из которых жестко соединена с корпусом, вторая расположена внутри первой и выполнена съемной, а сопло, сепарационная камера и диффузор установлены последовательно внутри вторых частей поперечных перегородок (Патент RU №74308, МПК B01D 45/12, B01D 53/26, 2008).
Основными недостатками известного термогазодинамического сепаратора являются необходимость длительного останова оборудования с целью его реорганизации при изменении параметров газового потока, сложность регулирования производительности, обусловленная полной заменой проточной части, низкая эффективность отвода сконденсировавшейся фракции.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип относится устройство для сепарации многокомпонентной среды, содержащее корпус с подводящим и отводящим патрубками с выполненным в нем профилированным каналом подачи потока с конфузорным, диффузорным и расположенным между ними цилиндрическим участками, устройство закручивания потока среды, установленное в канале, узел отбора капель и/или твердых частиц, установленный в выходной части диффузорного участка, отличающееся тем, что устройство для закручивания потока среды выполнено в виде конического шнека, установленного в конфузорной части канала, при этом внутри указанного устройства закручивания установлено с возможностью осевого перемещения в цилиндрическое сечение упомянутого канала и обратно профилированное центральное тело, выполненное в виде цилиндра с профилированной конической выходной частью, причем поверхность конической выходной части эквидистантна поверхности указанного конфузорного участка канала, при этом в отводящем патрубке, в выходной части участка диффузорного канала с кольцевым зазором между внутренней поверхностью диффузорного канала и внутренней поверхностью отводящего патрубка с образованием кольцевой полости, установлен полый конус, причем упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц и полостью, образованной входным участком профилированного канала, предпочтительно, цилиндрическим (Патент RU №2731448, МПК F25J 3/00, F15D 1/02, 2020 - прототип).
Недостатками данной конструкции являются малый диапазон регулирования производительности, негативное влияние введения профилированного центрального тела в цилиндрический участок соплового канала на расчетный режим работы устройства для сепарации, создание дополнительного сопротивления предварительно закрученному потоку и последующее снижение эффективности разделения посредством введения линии рециркуляции непосредственно в цилиндрический участок соплового канала.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании устройства для сепарации многокомпонентной среды, в котором отсутствуют приведенные недостатки, и при работе которого имеется возможность регулирования производительности сепаратора в широком диапазоне при изменении исходных рабочих параметров многокомпонентной среды, при этом не требуется введение профилированного центрального тела в сопловой аппарат, в процессе регулирования производительности нет необходимости в длительном останове оборудования, а также отсутствуют дополнительные сопротивления газовому потоку, оказывающие негативное влияние на расчетный режим работы устройства для сепарации.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве для сепарации многокомпонентной среды, содержащем корпус с выполненным в нем профилированным каналом подачи потока с конфузорным, диффузорным участками и расположенным между ними критическим сечением, устройство закручивания потока среды, установленное в канале, узел отбора капель и/или твердых частиц, установленный в выходной части диффузорного участка, полый конус, установленный в выходной части диффузорного участка канала с кольцевым зазором между внутренней поверхностью диффузорного участка и наружной поверхностью упомянутого конуса с образованием кольцевой полости, причем упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц, согласно изобретению, устройство для сепарации многокомпонентной среды содержит, как минимум, два профилированных канала подачи потока, геометрические размеры проточных частей которых выполнены из условия обеспечения требуемых параметров течения потока сепарируемой многокомпонентной среды, причем упомянутые профилированные каналы размещены, предпочтительно, параллельно и, преимущественно, вокруг общей оси вращения, исходя из условия расположения входных частей в одной плоскости, при этом на входе в устройство для сепарации установлен с возможностью вращения диск с каналами для направления потока в определенный профилированный канал, при этом на входе в устройство для сепарации закреплен входной коллектор с подводящим патрубком, а на выходе из упомянутого устройства закреплен отводящий коллектор с отводящим патрубком конденсата и связанные с профилированными каналами отводящие патрубки очищенного потока, при этом диффузорный участок выполнен с переходом от меньшего угла раствора к большему, причем полый конус размещен в части с большим углом раствора диффузорного участка, на выходе из профилированного канала, при этом внутри упомянутого полого конуса выполнен конфузорно-диффузорный переход.
В варианте исполнения, предложенное устройство для сепарации дополнительно снабжено емкостью с ингибитором и струйным насосом, причем отводящая часть струйного насоса соединена с подводящим патрубком входного коллектора, при этом полость отводящего патрубка конденсата, а также емкость с ингибитором соединены магистралями со входной частью струйного насоса, при этом в упомянутых магистралях установлена запорно-регулирующая арматура.
В варианте исполнения, предложенное устройство для сепарации дополнительно снабжено емкостью с ингибитором, насосом ингибитора и струйным насосом, причем отводящая часть струйного насоса соединена с подводящим патрубком входного коллектора, при этом входной коллектор оснащен форсунками, которые установлены соосно профилированным каналам, и дополнительным диском с каналами, который установлен симметрично и соосно имеющемуся диску, при этом полость отводящего патрубка конденсата соединена магистралью со входной частью струйного насоса, а емкость с ингибитором соединена магистралью с насосом ингибитора и форсунками, при этом в упомянутых магистралях установлена запорно-регулирующая арматура, при этом входной коллектор соединен линией сброса с емкостью с ингибитором.
В варианте исполнения, предложенного устройства каналы в диске выполнены с возможностью одновременной подачи потока многокомпонентной среды в два и более профилированных канала.
В варианте исполнения, предложенного устройства диск соединен с валом электродвигателя, преимущественно, шагового.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 показан продольный разрез устройства для сепарации многокомпонентной среды; на фиг. 2 показан поперечный разрез А-А устройства для сепарации многокомпонентной среды; на фиг. 3 показан поперечный разрез Б-Б предложенного устройства; на фиг. 4 показан выносной элемент В - разрез диффузорного участка профилированного канала с установленным в нем полым конусом; на фиг. 5 показан продольный разрез устройства для сепарации многокомпонентной среды, снабженного струйным насосом и емкостью с ингибитором, при условии подачи ингибитора в струйный насос, на фиг. 6 показан продольный разрез предложенного устройства, снабженного струйным насосом, форсунками и емкостью с ингибитором, при условии подачи ингибитора в форсунки.
Устройство для сепарации многокомпонентной среды содержит, как минимум, два профилированных канала 1 подачи потока с конфузорными 2, диффузорными 3 и расположенными между ними критическими сечениями 4, устройства 5 для закручивания потока среды, установленные в каналах. На входе в устройство для сепарации установлен диск 6 с каналами для направления потока в определенный профилированный канал, а также закреплен входной коллектор 7 с подводящим патрубком 8. В выходной части диффузорных участков 3, в части с большим углом раствора, установлены полые конусы 9 с кольцевыми зазорами 10 между внутренней поверхностью диффузорных участков и наружными поверхностями упомянутых конусов 9. Внутри полых конусов 9 выполнены конфузорно-диффузорные переходы 11. При этом на выходе из упомянутого устройства закреплен отводящий коллектор 12 с отводящим патрубком 13 конденсата и связанные с профилированными каналами 1 отводящие патрубки 14 очищенного потока.
В варианте исполнения (фиг. 5) предложенное устройство дополнительно снабжено емкостью 15 с ингибитором и струйным насосом 16. Полость отводящего патрубка 13 конденсата, а также емкость 15 с ингибитором соединены магистралями со входной частью струйного насоса 16, при этом в упомянутых магистралях установлена запорно-регулирующая арматура, соответственно, 17 и 18.
В варианте исполнения (фиг. 6) предложенное устройство дополнительно снабжено емкостью 15 с ингибитором, насосом 19 ингибитора и струйным насосом 16. Входной коллектор 7 оснащен форсунками 20, которые установлены соосно профилированным каналам 1, и дополнительным диском 21 с каналами, который установлен соосно и симметрично имеющемуся диску 6. Полость отводящего патрубка 13 конденсата соединена магистралью со входной частью струйного насоса 16, а емкость 15 с ингибитором соединена магистралью с насосом 19 ингибитора и форсунками 20, при этом в упомянутых магистралях установлена запорно-регулирующая арматура, соответственно, 17 и 18, при этом входной коллектор 7 соединен линией сброса 22 с емкостью 15 с ингибитором.
В варианте исполнения предложенного устройства диск соединен с валом электродвигателя 23, преимущественно, шагового.
Устройство работает следующим образом.
5+
Поток многокомпонентной среды под действием входного давления поступает через подводящий патрубок 8 во входной коллектор 7, из которого упомянутый поток направляется в один или более профилированные каналы 1, геометрия проточной части которых выбрана из условия обеспечения исходных параметров потока. Открытие определенного канала предварительно осуществляется поворотом диска 6 вокруг оси. В профилированном канале 1, при помощи завихрителя 5, происходит завихрение потока многокомпонентной среды с более высокой периферийной пристеночной плотностью, окружной скоростью и радиальным градиентом давления, по сравнению с аналогичными параметрами в приосевой области, после чего скорость упомянутого потока увеличивается в конфузорном участке 2, затем поток многокомпонентной среды проходит через критическое сечение 4, в котором его скорость увеличивается до звуковых значений в данной среде. Далее упомянутый поток направляется в диффузорный участок 3, в котором обеспечивается значение скорости упомянутого потока выше скорости звука в данной среде, при этом в потоке многокомпонентной среды снижается статическое давление до минимальных значений, а статическая температура - до значений ниже температуры точки росы, и организуется процесс конденсации в дисперсном потоке многокомпонентной среды жидкой фракции пропана, бутана и более тяжелых углеводородов С в виде капель жидкости, а также обеспечивается его расширение, после чего отсепарированная жидкая фракция тяжелых углеводородов направляется в пристеночный периферийный слой диффузорного участка 3 за счет центробежных сил, а затем - в кольцевую полость 10 с частью газа и далее - в полость отводящего коллектора 12. Отбор жидкой фракции тяжелых углеводородов из отводящего коллектора 12 осуществляется через отводящий патрубок 13 конденсата. Основной отсепарированный газовый поток из диффузорного участка 3 подается в конфузорно-диффузорный переход 11 полого конуса 9, после чего отбирается для дальнейшего использования через отводящий патрубок 14 очищенного потока.
В варианте исполнения (фиг. 5) отбираемая из отводящего патрубка 13 конденсата часть газа направляется по магистрали в струйный насос 16, где смешивается с потоком многокомпонентной среды и способствующим предотвращению гидратообразования ингибитором, который подается по магистрали из емкости 15, после чего смесь подается из струйного насоса через подводящий патрубок 8 во входной коллектор 7, далее все процессы происходят аналогично. При этом регулирование расхода части газа, отбираемого из отводящего патрубка 13 конденсата, осуществляется при помощи запорно-регулирующей арматуры 17, а регулирование расхода ингибитора - при помощи запорно-регулирующей арматуры 18.
В варианте исполнения (фиг. 6) с целью предотвращения гидратообразования, из емкости 15 при помощи насоса 19 по магистрали в форсунки 20 подается ингибитор, при этом посредством вращения дополнительного диска 21 открывается или перекрывается подача ингибитора из указанных форсунок во входной коллектор 7, причем требуемый расход ингибитора из входного коллектора осуществляется через линию сброса 22 обратно в емкость 15. Отбираемая из отводящего патрубка 13 конденсата часть газа направляется по магистрали в струйный насос 16, где смешивается с потоком многокомпонентной среды, после чего смесь подается из струйного насоса через подводящий патрубок 8 во входной коллектор 7, далее все процессы происходят аналогично. При этом регулирование расхода части газа, отбираемого из отводящего патрубка 13 конденсата, осуществляется при помощи запорно-регулирующей арматуры 17, а регулирование расхода ингибитора - при помощи запорно-регулирующей арматуры 18.
В варианте исполнения вращение диска осуществляется при помощи электродвигателя 23, преимущественно, шагового.
5+
Использование предложенного устройства для сепарации многокомпонентной среды с целью отделения жидкой фракции углеводородных газов, а также более тяжелых углеводородов Спри подготовке природного газа в нефтегазовой промышленности позволит обеспечить возможность регулирования производительности сепаратора в широком диапазоне при изменении исходных рабочих параметров многокомпонентной среды, при этом не требуется введение профилированного центрального тела в сопловой аппарат, в процессе регулирования производительности нет необходимости в длительном останове оборудования, а также отсутствуют дополнительные сопротивления газовому потоку, оказывающие негативное влияние на расчетный режим работы устройства для сепарации.