Сепарационный элемент
SEPARATION ELEMENT

[0001] Предлагаемое устройство предназначено для отделения капель жидкости от газа и может быть использовано в энергетике, горно-обогатительной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности.
Уровень техники
[0002] Известны центробежные сепараторы представляющие собой цилиндрический корпус в нижней части которого расположен осевой завихритель. В этих устройствах поток газа с каплями жидкости поступает в нижнюю часть корпуса, осевой завихритель придает вращательное движение потоку, благодаря силам инерции капли из вращающегося потока осаждаются на внутренней стенке корпуса. Эти устройства содержат дополнительные узлы для отвода осажденной жидкости с внутренних стенок корпуса.
[0003] Так, например, известен патент EP0195464A1 (дата приоритета 1985-03-05) в котором отделение капель происходит в устройстве, представляющем собой вертикальную колону перегороженную внутри двумя горизонтальными тарелками, между которыми установлены сепарационные элементы. Каждый сепарационный элемент представляет собой вихревую трубу, открытую с обоих концов и установленную в отверстие нижней тарелке. В нижней части вихревой трубы расположен завихритель в форме наклонных лопаток для придания вращательного движения газу, в верхней части вихревой трубы расположены вертикальные прорези. Открытый верхний конец вихревых труб расположен на небольшом расстоянии ниже верхнего тарелки. В верхней тарелке имеются два вида отверстий, а именно отверстий коаксиальных с вихревыми трубами, в которых расположены вертикальные трубки с меньшим диаметром чем вихревые трубы и проходящих вниз и входящих в соответствующие вихревые трубы, и отверстий относительно небольшого диаметра расположенных дальше от оси ближайшей вихревой трубы, чем радиус этой вихревой трубы.
[0004] Посредством завихрителя входящий газовый поток приводится во вращение, капли жидкости за счет центробежной силы отбрасываются на внутреннюю стенку вихревой трубы, и оседают на нее в виде жидкостной пленки. Основная часть потока выходит из вихревой трубы через коаксиальное отверстие, имеющее по сравнению с входным сечением меньший диаметр. Жидкостная пленка выходит из вихревой трубы вместе с частью потока газа через прорези, выполненные в боковой поверхности отрезка трубы, и через верхний край вихревых труб пространство между двумя тарелками и собирается за счет гравитации на нижней тарелке колонны, откуда отводится по сливным трубам. Далее эта часть газового потока, освобожденная от жидкости, снова объединяется через мелкие отверстия в верхней тарелке с основным газовым потоком.
[0005] Данный патент стал развитием патента ЕР 0048508 (дата приоритета 1980-09-18) в котором есть аналогичная вихревая труба с прорезями и завихрителем, трубка введенной сверху внутрь вихревой трубы, но для каждой такой вихревой трубы сделан отдельный внешний корпус, в который отводится осажденная жидкость. Работает такой сепарационный элемент аналогично EP0195464A1. Такие модули могут закрепляться на одну тарелку и работать параллельно.
[0006] Также известен патент RU 2 447 925 C2 (дата приоритета 1980-09-18) в котором конструкция вихревой трубы аналогична по патенту ЕР 0048508, а отличие состоит в том, что за прорезями в вихревой трубе расположен осадительный элемент с развитой поверхностью.
[0007] Во всех этих конструкциях решается задача по интенсификации отвода осажденной жидкостной пленки с внутренней поверхности вихревой трубы, представляющей собой цилиндрический корпус. Действительно, жидкостная пленка, имеющая толщину больше некоторой критической, зависящей от ее вязкости, плотности и пристеночной скорости газового потока, имеет тенденцию к формированию волн на ее поверхности. Эти волны имеют увеличенный коэффициент трения с восходящим газовым потоком и в результате скорость ее стекания вниз под действием сил тяжести замедляется, что приводит к дальнейшему утолщению этой пленки и, соответственно, увеличению высоты этих волн. В результате с гребней этих волн начинают срываться капли, развивается вторичный вынос капельной жидкости и происходит «захлебывание», т.е. резкое снижение эффективности работы сепарационного элемента. Технические решения, предлагаемые в указанных аналогах имеют внутренние полости, которые конструктивно сложны и имеют тенденцию к зарастанию отложениями, при этом очистка этих отложений проблематична в силу труднодоступности этих внутренних полостей, тем самым ограничивается область применения таких сепарационных элементов.
Краткое описание изобретения
[0008] Техническая задача заявленного изобретения заключается в устранении недостатков известных решений.
[0009] Технический результат, достигаемый в результате использования данного изобретения, заключается в том, что существенно упрощается конструкция сепарационных элементов при сохранении их эффективности в улавливании капельной влаги и повышении надежности за счет уменьшения склонности к зарастанию отложениями, а в случае появления этих отложений упрощается процедура их очистки за счет открытости конструкции.
[0010] В предлагаемом устройстве первичное и основное осаждение капель жидкости из газового потока происходит на нижней поверхности лопаток завихрителя. Конструкция этих лопаток завихрителя позволяет отводить осевшую на них жидкость, в отличие от указанных выше прототипов, где происходит вторичный распыл этой осажденной жидкости с выходных кромок лопаток завихрителей в закрученный поток с последующим осаждением за счет центробежных сил на внутренней поверхности вихревой трубы.
[0011] Технический результат достигается за счет того, что сепарационный элемент представляет собой вертикально расположенный корпус в виде обечайки, содержит завихритель в форме радиальных наклонных лопаток для придания вращательного движения газу, при этом каждая лопатка завихрителя содержит отклоняющий элемент. Для достижения технического результата отклоняющий элемент может быть выполнен со стороны выходного по газу участка лопатки, преимущественно непосредственно со стороны выходной по газу кромки. При этом, отклоняющие элементы выступают преимущественно на наветренную сторону лопатки, на которой размещены.
[0012] Отклоняющие элементы могут быть выполнены путем формования лопаток, либо путем отгиба лопатки. Сами лопатки завихрителя могут быть выполнены как плоскими, так и криволинейными. Также отклоняющий элемент каждой лопатки может быть выполнен как плоским, так и криволинейным.
[0013] Завихритель потока преимущественно выполняется в нижней части корпуса.
[0014] Завихритель потока может дополнительно содержать осевой стержень и/или центральный отклоняющий элемент.
[0015] В корпусе под лопатками завихрителя могут быть выполнены вырезы по форме близкой к контуру примыкания лопаток завихрителя к корпусу.
[0016] Кроме того, в верхней части корпуса может содержаться отбойный козырек.
Перечень чертежей
[0017] Заявленное изобретение пояснено фигурами 1, 2а, 2б, 2в, 3, 4, 5а, 5б, 5в, 5г и 6:
[0018] Фиг. 1 - Сепарационный элемент с вырезанным фрагментом;
[0019] Фиг. 2а - Вариант лопаток с закрепленным отклоняющим элементом;
[0020] Фиг. 2б - Вариант выполнения отклоняющего элемента отгибом части лопатки;
[0021] Фиг. 2в - Вариант выполнения лопатки и отклоняющего элемента формованием одной общей заготовки;
[0022] Фиг. 3- Сепарационный элемент с вырезанным фрагментом;
[0023] Фиг. 4 - Линии тока газа через завихритель;
[0024] Фиг. 5а - Кольцевой отбойный козырек в виде фланца;
[0025] Фиг. 5б - Кольцевой отбойный козырек в виде фланца с соосной цилиндрической обечайкой;
[0026] Фиг. 5в - Кольцевой отбойный козырек в виде фланца с конусом;
[0027] Фиг. 5г - Кольцевой отбойный козырек в виде криволинейной поверхности;
[0028] Фиг. 6 - Пример параллельного объединения сепарационных элементов на трубной доске; где:
[0029] 1 - сепарационный элемент;
[0030] 10 - корпус;
[0031] 11 - центральное тело завихрителя;
[0032] 12 - лопатка завихрителя;
[0033] 12х - аэродинамическая хорда лопатки завихрителя;
[0034] 13 - отклоняющий элемент лопатки завихрителя;
[0035] 13х - аэродинамическая хорда отклоняющего элемента лопатки завихрителя;
[0036] 14 - кольцевой отбойный козырек;
[0037] 15 - осевой стержень;
[0038] 16 - центральный отклоняющий элемент;
[0039] 17 - вырезы в корпусе;
[0040] 20 - трубная доска;
[0041] 21 - прижимная планка;
[0042] 31 - поступающий в сепарационный элемент газ с каплями жидкости;
[0043] 32 - газ, освобожденный от капель жидкости;
[0044] 33 - линия тока газа;
[0045] 34 - вихревая зона на входной кромке лопатки завихрителя;
[0046] 35 - вихревая зона перед отклоняющим элементом лопатки завихрителя;
[0047] 36 - вихревая зона после отклоняющего элемента лопатки завихрителя;
[0048] 37 - вихревая зона перед кольцевым отбойным козырьком;
[0049] 38 -жидкость.
Подробное описание изобретения
[0050] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, очевидно каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.
[0051] Сущность изобретения, изображенная на фиг.1 заключается в следующем: сепарационный элемент состоит из корпуса (10) в виде обечайки, содержащего завихритель состоящий из радиальных наклонных лопаток (12) для придания вращательного движения газу, при этом лопатки (12) завихрителя содержат отклоняющие элементы (13). Отклоняющие элементы выполнены со стороны выходных по газу кромок.
[0052] Корпус в виде обечайки может быть цилиндрическим, конусообразным, либо бочкообразным, также может содержать кольцевые ребра жесткости, в том числе зиги.
[0053] Для выполнения функции устройства предпочтительно чтобы отклоняющие элементы (13) преимущественно выступали (фиг.2а, 2б и 2в) на наветренную сторону лопаток (12), то есть в сторону входящего в сепарационный элемент газа (31).
[0054] Термин «преимущественно» означает, что отклонение на наветренную сторону составляет более, чем в другую сторону.
[0055] На фигуре 2а показан вариант исполнения отклоняющего элемента (13) как отдельно выполненной конструкции, закрепленной на выходном по газу участке лопатки (12). Крепление отклоняющего элемента (13) к лопатке (12) может быть выполнено совершенно различными способами: склейка, сварка, клепка, соединение винтами или саморезами и т.д.
Отклоняющий элемент (13) также может быть выполнен заодно с лопаткой (12) путем их формования из одной заготовки как простым сгибом на гибочном станке (фиг.2б), так и с получением более сложных профилей при применении пресс-форм или прокаточных вальцов (фиг.2в).
[0056] Таким образом, отклоняющий элемент (13) может выполняться различной формы и кривизны и может быть прикреплен к лопатке (12) различным образом или они могут быть отформованными из одной общей заготовки.
[0057] Соответственно, лопатки (12) завихрителя могут быть также выполненными как плоскими (фиг.2б), т.е. когда профиль лопатки совпадает с ее аэродинамической хордой, так и криволинейными (фиг.2а и 2в), когда профиль лопатки отклоняется от ее аэродинамической хорды. Криволинейные лопатки (12) (фиг.2а и 2в) с линией профиля сформированного выше их аэродинамической хорды (12х) более выгодные, так как имеют меньшее сопротивление входящему в завихритель газовому потоку (31), при этом условия для слива жидкостной пленки у них лучше, однако использование плоских лопаток также может приводить к достижению технического результата.
[0058] Угол α установки лопаток (12) составляет 30° - 60°, и может иметь геометрическую крутку увеличиваясь от центра к периферии. Угол β установки отклоняющего элемента составляет 30° - 90°. Отклоняющий элемент (13) может иметь либо одинаковый размер по всей длине лопатки (12), либо немного уменьшаться ближе к центральной оси устройства. Для крепления лопаток (12) может применяться центральное тело (11).
[0059] На фиг. 3 показан сепарационный элемент, содержащий осевой стержень (15) и центральный отклоняющий элемент (16). Осевой стержень (15) может служить как для размещения на нем центрального отклоняющего элемента (16), так и для фиксации всего сепарационного элемента на какой-либо внешней конструкции. Также осевой стержень (15) может выполнять функцию центрального тела завихрителя (11). Центральный отклоняющий элемент (16) может быть закреплен непосредственно на лопатках (12) завихрителя, без использования осевого стержня (15). Изображение на фигуре 2 центрального отклоняющего элемента (16) в виде диска ни в коем случае не следует рассматривать как ограничение, он также может быть выполнен в виде конуса, полусферы и т.д.
[0060] В корпусе (10) могут быть выполнены вырезы (17) под лопатками (12) завихрителя, причем форма этих вырезов (17) является близкой к контурам примыкания лопаток (12) завихрителя к корпусу (10). Данные вырезы (17) уменьшают общий вес устройства и не мешают его работе. Эти вырезы (17) могут частично отклоняться от контура примыкания лопаток (12) к корпусу (10) для обеспечения разных функций. Например, для скругления нижнего остроконечного угла, образованного лопаткой (12) и вырезом (17) в корпусе (10) в самой нижней части сепарационного элемента, что снизит его потенциальную травмоопасность для обслуживающего персонала. Форма вырезов (17) между контурами примыкания лопаток (12) к корпусу (10) может быть произвольной, например прямой как показано на фигуре 2 или криволинейной. Предпочтительный внешний диаметр сепарационного элемента имеет величину 200 - 300 мм. Количество лопастей (12) завихрителя составляет предпочтительно 6 - 10 штук.
[0061] Устройство работает следующим образом. За счет перепада давления, создаваемого любым внешним устройством, например вентилятором, газ (31), содержащий капли жидкости, поступает в сепарационный элемент (1) снизу и проходя через лопатки (12) завихрителя приводится во вращательное движение (32) и затем выходит сверху из сепарационного элемента (1).
[0062] В данном сепарационном элементе (1) осаждение капель жидкости из потока газа (31) происходит за счет инерционных сил, возникающих сначала при его закрутке наклонными лопатками (12) завихрителя, при этом на нижнюю наветренную поверхность лопаток (12) завихрителя осаждается бОльшая часть капель, содержавшихся в газовом потоке (31), а затем при прохождении закрученного потока газа (32) внутри корпуса (10), при этом на внутреннюю поверхность корпуса (10) осаждаются оставшиеся капли.
[0063] Далее в тексте будет описываться взаимодействие газового потока, капель жидкости и жидкостной пленки для одной из лопаток, подразумевая, что точно такие же процессы происходят и на других лопатках. При этом под потоками газа понимаются основные течения и их особенности служащие для пояснения работы устройства, без учета других многочисленных локальных флуктуаций, не влияющих на основную картину.
[0064] На фиг. 4 схематически изображен поток газа при его прохождении завихрителя состоящего из наклонных лопаток (12) с отклоняющими элементами (13), при этом поток газа показан отдельными линиями тока. Для упрощения восприятия линии тока газа и завихритель показаны в сечении цилиндрических координат примерно на половине радиуса сепарационного элемента. Благодаря тому, что лопатки (12) завихрителя имеют отклоняющий элемент (13), на наветренной поверхности лопаток (12) перед этим отклоняющим элементом (13) формируется отрывное течение с образованием вихревой зоны (35). Также этот отклоняющий элемент (13) формирует отрывное течение с образованием вихревой зоны (36) позади себя по отношению к направлению потока (33). Еще одна из основных вихревых зон (34) образуется на входной кромке лопатки (12).
[0065] Вихревые зоны (34) и (35) увеличивают отклонение и ускорение потока (33) и, соответственно, усиливают инерционные силы действующие на капли жидкости, находящиеся в этом потоке (33), при этом вихревая зона (35) не препятствуют пролету сквозь нее капель жидкости, дрейфующих из потока газа (33). В результате происходит интенсивное осаждение капель на нижнюю наветренную поверхность лопатки (12) и формирование на ней жидкостной пленки, стекающей вниз по направлению к входной кромке лопатки (12). В нижней части лопатки (12) скорость потока газа (33) еще существенно не возрастает по сравнению со скоростью входящего потока (31) и поэтому воздействие потока газа (33) на жидкостную пленку еще не значительное и не препятствует ее стеканию. В верхней же части лопатки (12) жидкостная пленка ограждается вихревой зоной (35) от ускоряющегося потока (33), более того обратное пристеночное течение газа в этой вихревой зоне (35) способствует стеканию пленки вниз. На входной кромке лопатки (12) жидкостная пленка накапливается и при достижении некоторой критической массы достаточной для преодоления сил удерживающих ее на этой кромке стекает вниз из сепарационного элемента (1) в виде отдельных крупных капель или струй (38). Тем самым основная часть капель жидкости, содержавшейся в потоке (31), сепарируется без осаждения на внутренней поверхности корпуса (10).
[0066] Незначительное количество капель жидкости попадает на верхнюю подветренную поверхность лопаток (12), осаждается и также формирует жидкостную пленку. В нижней части верхней подветренной поверхности лопаток (12) под воздействием силы тяжести и благодаря обратному пристеночному течению газа в вихревой зоне (34) пленка движется к входной кромке, накапливается там и при достижении некоторой критической массы достаточной для преодоления сил удерживающих ее на этой кромке стекает вниз из сепарационного элемента (1) в виде отдельных крупных капель или струй (38). В верхней части верхней подветренной поверхности лопатки (12) жидкостная пленка под воздействием ускоренного потока газа (33) сдувается в вихревую зону (36) находящуюся на подветренной стороне отклоняющего элемента (13), накапливается там и в виде капель уносится закрученным потоком (32).
[0067] Вблизи центральной оси устройства взаимные пропорции лопаток (12), граней (13) и вихревых зон (34, 35 и 36) сильно меняются. Наличие центрального отклоняющего элемента (16) над завихрителем уменьшает скорости потоков газа (33) сквозь завихритель вблизи центральной оси устройства, что улучшает условия для перетекания жидкостной пленки между соседними лопатками (12) и отклоняющими элементами (13), что приводит к надежному отводу жидкости в этой зоне.
[0068] В результате после прохождения завихрителя закрученный поток (32) содержит существенно меньшее по сравнению с потоком на входе (31) количество капель жидкости. Оставшиеся капли жидкости в закрученном потоке (32) под действием центробежных сил осаждаются на внутренней поверхности корпуса (10) и формируют жидкостную пленку. Формирование волн под воздействием газового потока на поверхности жидкостной пленки зависит от толщины этой пленки. Чем тоньше пленка, тем меньшей высоты образуются волны. По сравнению с прототипами толщина жидкостной пленки на внутренней поверхности корпуса (10) у предлагаемого устройства получается существенно меньше. В результате на поверхности этой пленки формируются слабовыраженные волны, практически не усиливающие силу трения от восходящего закрученного газового потока (32), что позволяет этой пленке стекать вниз и выводится из сепарационного элемента (1) по уголковому желобку образованному в месте прилегания лопатки (12) и корпуса (10).
[0069] Для уменьшения высоты корпуса (10) и/или увеличения общей эффективности улавливания капель жидкости можно применить отбойный козырек (14), который может быть выполнен как частично кольцевым, так и полностью кольцевым. На рисунках 5 показаны варианты выполнения козырька. Козырек может быть выполнен как плоским (фиг.5а), так и иметь более сложный образующий контур, например как показано на фигурах 5б, 5в и 5г. К козырьку может быть подведена дополнительная подача жидкости для промывки сепарационного элемента.
[0070] Кольцевой отбойный козырек (14) обеспечивает ступенчатое сужение вращающегося потока газа (32), что способствует осаждению оставшихся капель жидкости на внутреннюю поверхность корпуса (10). Форма кольцевого отбойного козырька (14) может быть разной, например, в виде плоского фланца (фиг.5а), но лучше работают варианты (фиг.5б, 5в и 5г), формирующие развитую вихревую зону (37) перед кольцевым отбойным козырьком (14), где образуется обратная пристеночная линия тока газа препятствующая уносу жидкостной пленки выходящим потоком (32) из верхней зоны корпуса (10). На фигурах 5а, 5б, 5в и 5г показаны только радиальные и осевые составляющие потока газа (32).
[0071] Поскольку в процессе выводы жидкости из сепарационного элемента работают не только аэродинамические силы, но и гравитация, то рабочее положение данного сепарационного элемента, а именно его центральной оси, близко к вертикальному. Отклонение от вертикальности допускается в диапазоне 10° - 20° в зависимости от количества капельной жидкости, поступающей с газом в сепарационный элемент, и конкретного выполнения его элементов.
[0072] Таким образом, конструкция заявленного устройства, в частности выполнение лопаток завихрителя, становится существенно проще, обеспечивает легкий доступ и при этом позволяет обеспечить высокую эффективность сепарации капельной жидкости из газового потока.
[0073] На фиг. 6 показана система сепарационных элементов (1), установленных на трубной доске (20), объединяющей их для параллельной работы. В таком случае трубная доска (20) устанавливается, например, в корпус скруббера (на рисунке не показан) перекрывая поток газа. Сепарационные элементы (1) могут закрепляться на трубной доске (20) снизу посредством, например, прижимных планок (21) устанавливаемых сверху трубной доски (20) на осевые стержни (15). Данный вариант служит в качестве примера того, что заявляемые сепарационные элементы могут работать как по одному, так и в составе группы.
[0074] Устройство работает составе скрубберов и может применяться как в единственном числе, так и в виде наборных элементов для скрубберов большой производительности.
[0075] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.