Устройство для сепарации газожидкостной смеси
DEVICE FOR SEPARATION OF GAS-LIQUID MIXTURE

Изобретение относится к области очистки газа от примесей, преимущественно от различного рода жидких сред, и может быть использовано в газовой, газодобывающей, нефтяной, химической и других отраслях промышленности для подготовки газа.
Известны сепарационные устройства для очистки газа с использованием центробежных сил, включающие вертикальный цилиндрический корпус, завихритель, размещенный в его нижнем входном конце, колпачковый пленкосъемник, установленный на верхнем выходном конце корпуса, поперечную подпорную перегородку с осевым круглым отверстием, размещенную в кольцевом канале между корпусом и пленкосъемником (SU №1409312 А1, МПК B01D 45/12, 1986).
Известно также сепарационное устройство «Сепараторной ванны», патент РФ 2342182, МПК B01D 45/12, 2008, которая устанавливается горизонтально в вертикальной колонне и содержит горизонтальные верхнюю стенку и нижнюю - опорное полотно, ограничивающие находящееся между ними внутреннее пространство; сепарационная ванна содержит средство для впуска текучей среды в ее внутреннее пространство; средство для удаления жидкости из внутреннего пространства; средство для удаления газа из внутреннего пространства; находящееся во внутреннем пространстве по меньшей мере одно устройство сепарации текучей среды на первичный газ и содержащуюся в нем жидкую текучую среду, при этом устройство сепарации содержит вертикальный трубчатый канал - патрубок, закрепленный на опорном полотне; на нижнем конце патрубка расположен вход для текучей среды, сообщающийся со средством впуска текучей среды, на верхнем конце патрубка расположен выход первичного газа, выходной канал которого проходит к выходному отверстию газа в верхней части; закручивающее средство - завихритель, размещенное в канале между входом текучей среды и выходом газа. При прохождении текучей среды через устройство происходит разделение потока на два - основной первичный газ, который удаляется через выходное отверстие устройства, и вторичный поток газа, отводимый через кольцевой зазор съемника пленочной жидкости вместе с уловленной жидкостью. Сепарационное устройство по патенту 2342182 выбрано в качестве ближайшего аналога.
Недостатками описанных сепарационных устройств являются высокое гидравлическое сопротивление потоку очищаемой среды, а также большая величина вторичного потока среды, обусловленные цилиндрической формой сепарационного патрубка и сужением сечения для выхода основного потока газа за счет установки кольцевого канала средства для удаления жидкости - съемника пленочной жидкости в верхней части патрубка. Это приводит к снижению удельной производительности сепарационного устройства.
Задачей настоящего изобретения является повышение производительности устройства для сепарации, интенсивности сепарации газа за счет более полного рационального использования рабочего пространства сепарационного устройства.
Техническим результатом является снижение гидравлического сопротивления потоку, уменьшение захвата газа съемником пленочной жидкости вместе с отсепарированной жидкостью и повышение доли потока очищенного газа, снижение доли вторичного потока, поступающего в кольцевой канал съемника, путем увеличения выходного сечения для газа.
Задача решается и технический результат реализуется конструкцией устройства для сепарации газожидкостного потока, включающего вертикальный трубчатый канал - патрубок, на нижнем конце которого расположено входное отверстие для потока, на верхнем конце патрубка в приосевой области расположено выходное отверстие для газа, статический лопастный завихритель, установленный в патрубке соосно с ним между входным отверстием для потока и выходным отверстием для газа, средство для удаления жидкости - съемник пленочной жидкости, установленное в верхней части патрубка соосно ему и выполненное в виде двухстеночного тела вращения с соединенными в его верхней части стенками, с диаметром внешней стенки больше внешнего диаметра патрубка и с диаметром внутренней стенки меньше внутреннего диаметра патрубка, с образованием кольцевого канала для исхода пленочной жидкости. Внутренняя поверхность средства для удаления жидкости образует выходное отверстие сепарационного устройства, предназначенное для выхода основного потока очищенной газовой среды.
Отличие предложенного сепарационного устройства от прототипа заключается в следующем.
Внутренний диаметр средства для удаления жидкости выполнен размером не меньше диаметра патрубка в зоне размещения завихрителя, определяя проходное сечение выходного отверстия для очищенного газа. Патрубок выполнен плавно расширяющимся на участке выше завихрителя и до выходного отверстия для газа. При этом чтобы установить в верхней части патрубка средство для удаления жидкости с внутренним диаметром не меньше диаметра патрубка в зоне завихрителя, диаметр патрубка на конечном участке увеличен по отношению к его диаметру в месте расположения завихрителя по крайней мере, на удвоенную ширину внутренней части кольцевого канала средства для удаления жидкости. При расчете внутреннего диаметра средства для удаления пленочной жидкости можно ограничиться удвоенной шириной внутренней части кольцевого канала, но предпочтительно учитывать и толщину его стенки. Практически расширение патрубка на угол а на его конечном участке зависит от длины участка патрубка выше зоны завихрителя - участка расширения и может составить несколько градусов.
Такое увеличение диаметра патрубка в направлении движения потока и увеличение выходного сечения для очищенного газа уменьшает захват газа средством для удаления жидкости вместе с отсепарированной жидкостью, повышает долю основного потока очищенной среды, повышая эффективность сепарации. Увеличение сечения патрубка по ходу движения очищенного потока газа снижает скорость газового потока, что приводит к снижению потерь давления на его участке выше зоны завихрителя.
На чертеже представлено сечение устройства для сепарации с расширенным патрубком, где s1 - толщина материала и s2 - ширина внутреннего кольцевого канала средства для удаления жидкости соответственно. Диаметр патрубка в зоне расположения завихрителя обозначен D, диаметр на его выходе - D1; α - угол между стенками (образующими) патрубка.
Патрубок 1 выполнен с проходными отверстиями - снизу для подачи входного потока, сверху для выхода газа. Патрубок 1 вертикально жестко установлен на опорное полотно (не показано) с отверстием для подачи входного потока снизу. В верхней части патрубка соосно ему установлено средство для удаления жидкости - съемник 2 пленочной жидкости, выполненный в виде двухстеночного тела вращения - двухстеночного цилиндра, как показано на чертеже, или в виде двухстеночного конуса с соединенными в верхней части стенками. Диаметр внешней стенки съемника 2 - внешнего цилиндра больше диаметра конечной части патрубка 1, диаметр внутреннего цилиндра меньше внутреннего диаметра патрубка 1, с образованием кольцевого канала s2 для удаления пленочной жидкости. Между входом потока и выходом газа в патрубке 1 соосно ему установлен статический многолопастный завихритель 3. Выше завихрителя 3 и до выходного отверстия для газа, на конечном участке патрубка внутренний диаметр патрубка 1 выполнен плавно расширяющимся. Как видно из чертежа, внутренний диаметр съемника 2 пленочной жидкости в частном случае равен, но не меньше, диаметру патрубка D в зоне расположения завихрителя, а внутренний диаметр патрубка в верхней своей части D1 больше внутреннего диаметра D в зоне расположения завихрителя по крайней мере на ширину внутренней части кольцевого канала s2 с обеих его сторон. Предпочтительно внутренний диаметр патрубка в верхней его части увеличить не только на удвоенную ширину s2 внутренней части кольцевого канала, но и на удвоенную величину толщины внутренней стенки съемника 2 пленочной жидкости, т.е. D1≥D+2(s1+s2). Такое расширение патрубка 1 позволяет установить в его верхней части съемник 2 для пленочной жидкости с диаметром внутренней стенки размером не меньше диаметра патрубка в зоне расположения завихрителя, где формируется поток очищенного газа. В этом случае диаметр выходного отверстия для газа, определяемый внутренним диаметром съемника 2 пленочной жидкости, не меньше внутреннего диаметра стенки патрубка в зоне размещения завихрителя. Практически расширение на конечном участке патрубка зависит от длины участка расширения и может составить несколько градусов.
Устройство работает следующим образом.
Газожидкостный поток поступает снизу на вход патрубка 1 устройства сепарации. При прохождении текучей среды через завихритель 3 потоку сообщается вращательное движение, и он продолжает движение вверх в патрубке 1, вращаясь вокруг его оси. В результате этого вращательного движения потока и действия центробежных сил капли жидкости, обладая более высокими по сравнению с газовым потоком инерционными показателями, концентрируются у внутренней стенки патрубка 1. Движение газо-жидкостного потока в патрубке 1 выше завихрителя 3 приводит к сепарации этих дисперсных частиц. Формируется поток газа в пространстве патрубка выше завихрителя, устремляясь к выходному отверстию, а частицы жидкости с примесями коалесцируют и в виде жидкостной пленки по внутренней поверхности патрубка 1 поднимаются вверх до съемника 2 пленочной жидкости, где попадают во внутреннюю часть s2 кольцевого канала истечения жидкости, потом в его внешнюю часть. По инерции жидкость стекает по наружной поверхности патрубка 1, скапливается на опорном полотне и далее через сливной патрубок, выполненный на опорном полотне (не показано), удаляется. За счет увеличения диаметра патрубка скорость газового потока снижается, что приводит к снижению потерь давления на этом участке.
где ΔР - гидравлическое сопротивление канала;
λ - коэффициент трения;
l - длина канала;
d - диаметр канала;
ρ - плотность среды;
w - скорость движения среды в канале;
Q - объемный расход среды;
S - площадь поперечного сечения канала;
π - число 71 (3,14…).
Как видно из представленных выражений, увеличение диаметра приводит к снижению гидравлического сопротивления патрубка, т.к. и эта величина, и скорость движения обратно пропорциональны диаметру.
Кроме того, доля сечения выходного отверстия в плоскости верхней кромки патрубка 1 по крайней мере не уменьшается, но может быть увеличена при большем расширении патрубка и использовании съемника пленочной жидкости с диаметром внутреннего цилиндра не меньше диаметра патрубка в зоне формирования потока очищенного газа выше зоны расположения завихрителя. Это приводит к снижению доли вторичного потока, отводимого через кольцевой зазор между съемником пленочной жидкости и телом патрубка. Вторичный поток, несущий уловленную жидкость, движется с меньшей скоростью, следовательно, снижается вероятность повторного дробления и вторичного выноса уловленной жидкости.