ГАЗОВЫЙ СЕПАРАТОР

Изобретение относится к оборудованию для непрерывного разделения газовых смесей в поле центробежных сил, в частности, к конструкции сепаратора, и предназначено для очистки воздушной среды предприятий, так или иначе связанных с атомной энергетикой и смежными отраслями промышленности от носителей и источников радиоактивных излучений.
Изобретение может быть использовано в химических производствах для повышения концентрации криптона, ксенона в воздухе, направляемом на последующую переработку для снижения расходов на получение этих газов, в области экологии с целью удаления радона из воздуха радонопатогенных территорий, для осушки газовых смесей от паров и аэрозолей.
Известна конструкция газовой центрифуги для разделения газовой смеси по молекулярным массам, разработанная фирмой Мессершмидт Бельков Блом (С.Вилани. Обогащение урана. «Энергоатомиздат». М., 1983), где разделение газовой смеси по молекулярной массе производится посредством комбинации пазов переменного сечения, причем характерные размеры паза подачи питающей смеси отличаются от размеров пазов, отводящих легкую и тяжелую фракции после разделения.
Известно техническое решение по выделению тяжелого газа (пентана) из смеси газов (природный газ) с помощью «трехпоточной» вихревой трубы (И.Л.Лейтес, М.А.Жидков и др. Очистка природного газа от высших углеводородов с применением трехпоточной вихревой трубы. Сборник материалов: Вихревой эффект и его промышленное применение. Куйбышев, КуАИ, 1986). Вихревая труба промышленной установки очистки природного газа вблизи от соплового ввода имела отбор периферийного потока (третий поток, организуемый дополнительно к имеющимся двум: горячему и холодному). Отбор тяжелых газовых фракций из периферийного слоя производился без применения отсекателей, сепарационных решеток или иных устройств - напрямую в сборный коллектор.
Недостатком этого технического решения является то, что раскрытая полость входа в конденсатосборник оказывала турбулизирующее влияние на формирование вынужденного вихря. Происходило образование присоединенных вихрей разного масштаба, что нарушало Больцмановское распределение газовых фракций в пристенном слое и снижало коэффициент разделения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является газовый дросселирующий сепаратор (патент РФ №2262377, В 01 Д 45/12, 2005.10.20). Сепаратор включает корпус с полостью очищаемого газового потока, отсекатель, кольцевую камеру для сбора обогащенной смеси, штуцер для ее отвода. Корпус выполнен из двух соосно установленных цилиндрических обечаек, верхняя из которых имеет меньший диаметр, причем ее нижняя кромка расположена внутри нижней обечайки, верхняя кромка отсекателя расположена с образованием кольцевой щели между ней и верхней обечайкой, при этом нижняя часть отсекателя выполнена с образованием кольцевой камеры для накопления шлама и отвода обогащенной смеси (более тяжелой фракции).
Это прогрессивное техническое решение по сравнению с предыдущим, т.к. с меньшими возмущениями срезает наиболее обогащенную влагой и тяжелыми газовыми фракциями часть вихревого потока.
Наряду с очевидными достоинствами следует отметить следующие недостатки:
- изменение размеров проходного сечения для вращающегося газового потока, в том числе и за счет введения кольцевого препятствия, равного толщине стенки меньшей трубы, приводит к нарушению больцмановского распределения газовых фракций в потоке и снижает в итоге коэффициент сепарации;
- отсекаемый вращающийся слой газового потока, обогащенный тяжелыми фракциями, не подвергается дальнейшей сепарации.
Эти недостатки устраняются предлагаемым техническим решением.
Решаемая задача - совершенствование конструкции газового сепаратора.
Технический результат - повышение эффективности сепарации за счет создания дополнительных ступеней сепарации.
Этот технический результат достигается тем, что в газовом сепараторе, включающем корпус с полостью очищаемого газового потока, отсекатель, кольцевую камеру для сбора более обогащенной смеси, штуцер для ее вывода, отсекатель выполнен в виде установленной в стенке корпуса втулки с продольными пазами в ее стенке, диаметр пазов больше толщины стенки втулки, с образованием разрывов в стенке втулки, сообщающих полость очищаемого газового потока с кольцевой камерой, которая образована между втулкой и внутренней стенкой корпуса; расстояние между кромками разрывов в стенке втулки со стороны полости очищаемого газового потока больше, чем со стороны камеры сбора и постоянно по всей длине паза; по торцам втулки выполнены фиксирующие кольца.
Предлагаемое выполнение отсекателя освобождает полость корпуса, где движется очищаемый газовый поток, от каких-либо конструктивных препятствий. В отличие от
прототипа, предлагаемый отбор утяжеленной смеси приводит к дополнительной ступени сепарации в продольных пазах отсекателя. Вторичные (шпилькообразные) вихри в продольных пазах, образующиеся при вращении газового потока в полости трубы или центрифуги, препятствуют также и обратному проникновению тяжелых газовых фракций в полость вихревой трубы или центрифуги за счет диффузии. Таким образом достигается повышение коэффициента разделения в радиальном направлении.
Известно, что во вращающемся внутри любой цилиндрической полости газе устанавливается равновесное распределение Больцмана:
(Физический энциклопедический словарь. Т.4. - М.: Советская энциклопедия, 1967),
где ###U974 - угловая скорость,
r - радиус вращения,
R - универсальная газовая постоянная,
n - плотность при r=0,
T - абсолютная температура газа в °К.
1
2
Если внутри полого цилиндра вращается смесь двух газов с молекулярными весами M и M со скоростью v, то каждый из них подчиняется распределению Больцмана со своим молекулярным весом. Поэтому максимальный коэффициент разделения в радиальном направлении
более всего достигается в предлагаемом решении.
Предлагаемый газовый сепаратор приведен на чертежах: на фиг.1 - поперечный разрез, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - схема течений газовых потоков через паз отсекателя. Газовый сепаратор включает корпус 1 с полостью 2, где проходит очищаемый поток газа (воздуха) - область высокого давления. Отсекатель 3 выполнен в виде установленной в стенке корпуса 1 втулки. В стенке втулки выполнены продольные пазы 4 (их может быть от 2-х до 50), диаметр пазов 4 больше толщины стенки втулки. Втулка образует с корпусом кольцевую камеру 5 в проточке по наружному диаметру втулки - для сбора обогащенной фракции (более тяжелой) - область низкого давления - со штуцером 6 для ее вывода. Полость 2 очищаемого газового потока (область высокого давления) сообщена с кольцевой камерой 5 (областью низкого давления) через разрывы в стенке втулки, образованные кромками 7, 8, расстояние между кромками 7 со стороны полости 2 (вход в паз 4) больше, чем со стороны кольцевой камеры 5 (выход из паза 4) и постоянно по всей длине паза. По торцам отсекателя 3 могут быть выполнены фиксирующие кольца 9.
Сепаратор может быть встроен в центрифугу, вихревую трубу.
Газовый сепаратор работает следующим образом: предварительно закрученный поток газовой смеси, например, после энергоразделительной камеры вихревой трубы, вращающийся с окружной скоростью близкой к скорости звука, поступает во внутреннюю полость 2 сепаратора. Вращающийся в полости сепаратора газовый поток формирует вторичные (шпилькообразные) вихри в продольных пазах 4 втулки и они (пазы) начинают работать как разделительные сопла газовой центрифуги (см.: фиг.3). Исходя из условий формирования шпилькообразного вихря, ширина паза на входе в отсекатель между кромками 7 превышает ширину паза на выходе из отсекателя - между кромками, т.е. в полости сбора тяжелых фракций. Выделяя через штуцер 6 из состава вращающегося потока часть периферийного слоя воздушной массы, обогащенной тяжелыми газовыми аэрозольными и паровыми фракциями, можно существенно очистить основную воздушную массу от вредных примесей, в том числе и от носителей и источников радиоактивности.