ВИХРЕВОЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ СЕПАРАТОР

Изобретение относится к нефтяной, газовой, машиностроительной, пищевой, химической и другим отраслям промышленности и может применяться для улавливания капельной жидкости из газового потока.
Известно устройство для улавливания твердых частиц [патент США №5221229 А, 1993 г.], содержащее корпус с тангенциальным патрубком для подачи потока, соосный сепарационный элемент меньшего диаметра, расположенный в верхней части корпуса и состоящий из вертикальных направляющих лопаток, ориентированных таким образом, что направление вращения потока при его продвижении к оси меняется на противоположное, осевой патрубок для выхода газа, соединенный с сепарационным элементом, и патрубок для вывода отсепарированных частиц в нижней части корпуса, в котором первая стадия сепарации осуществляется в поле центробежных сил на внутренней поверхности корпуса, а вторая, инерционная, осуществляется на пластинах сепарационного элемента за счет резкого изменения направления потока газа.
Недостатком этого устройства является большое гидравлическое сопротивление, связанное с изменением направления закрутки в сепарационном элементе.
Известны устройства для осаждения мелкодисперсных жидких и твердых частиц [патент РФ №2136350, B 01 D 45/12, 1999 г.; патент РФ №2188062, B 01 D 45/12, 2002 г.; патент РФ №2221625, B 01 D 45/12, 2004 г.], содержащие вертикальный цилиндрический корпус, патрубок для подачи газа и отражатель для поворота входящего потока в тангенциальном и вертикальном направлениях, горизонтальные диафрагмированные перегородки с одним или несколькими закрепленными на них внутренними сепарационными элементами, с вертикальными или расположенными вдоль усеченного конуса сепарирующими пластинами, ориентированными таким образом, что входящий в элемент поток сохраняет направление вращения. Одна из этих пластин содержит желоба для слива жидкости. В этих устройствах сепарирующие пластины профилированы и
ориентированы таким образом, что разделяемая смесь попадает в щелевые каналы между соседними пластинами сепарационного элемента, жидкость переходит в этих каналах с наружной поверхности одной пластины на внутреннюю поверхность другой вплоть до пластины, на которой предусмотрены желоба для слива жидкости. В этом случае, по сравнению с предыдущим, уменьшено гидравлическое сопротивление.
Недостатком этих устройств является перегрузка по жидкости пластины со сливными желобами, перекрытие этими желобами части пространства в первой ступени сепарации и усложнение конструкции.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для улавливания мелкодисперсных жидких и твердых частиц из газового потока [патент РФ №2244584, B 01 D 45/12, 2005 г.], содержащее вертикальный цилиндрический корпус, устройство ввода, расположенное в верхней его половине, сливной патрубок в дне и выходной патрубок для газа в верхней крышке, горизонтальную перегородку и закрепленный между этой перегородкой и верхней крышкой сепарационный элемент, составленный из кольцевого пакета изогнутых сепарационных пластин, причем соседние пластины в области перекрытия образуют щелевые каналы, а противоположные края пластин направлены касательно к наружной и внутренней окружностям сепарационного элемента. При работе устройства входящий в корпус через устройство ввода поток отклоняется тангенциально и книзу. В результате вращения потока осуществляется первая стадия центробежной сепарации в пространстве между корпусом и сепарационным элементом. Далее поток с оставшейся мелкодисперсной фазой, не меняя направления вращения, плавно попадает в щелевые каналы, образованные в зоне перекрытия соседних пластин сепарационного элемента, а мелкодисперсная фаза, плавно переходя с внешнего края одной пластины на внутреннюю поверхность другой, стекает по внутренней поверхности вниз к горизонтальной крышке и оттуда направляется к сливному патрубку.
Профилирование пластин, осуществленное в этом устройстве, предусматривает уменьшение входного гидродинамического сопротивления сепарационного элемента. Однако гидродинамическое сопротивление, связанное со щелевой формой канала в области перекрытия пластин, остается большим, а эффективность
сепарации недостаточна, что проявляется во вторичном срыве капель с поверхности пластин при больших нагрузках по жидкости.
Задачей заявляемого изобретения является увеличение степени сепарации на сепарационных пластинах и уменьшение гидродинамического сопротивления аппарата.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве Вихревой газодинамический сепаратор ВГС1, содержащем вертикальный цилиндрический корпус, выходной патрубок в верхней крышке и сливной патрубок в основании, горизонтальную перегородку, устройство ввода, обеспечивающее тангенциальную подачу входящего потока в корпус, и внутренний кольцевой сепарационный элемент, состоящий из изогнутых сепарационных пластин, закрепленных между верхней крышкой и горизонтальной перегородкой, согласно изобретению, сепарационные пластины выполнены дугообразными и ориентированы выпуклостью к оси устройства и навстречу набегающему потоку, соседние пластины перекрываются, образуя сопловые каналы для входа газа, перекрытие пластин составляет от 20 до 50% их ширины, угол между нормалью выпуклой поверхности пластины на внешней кромке с касательной к окружности, соединяющей эти кромки, направленной по потоку, составляет 90°÷180°, и угол между касательной к вогнутой поверхности пластины на внутренней кромке, направленной по потоку, и нормалью выпуклой поверхности соседней пластины в точке пересечения с этой касательной составляет 90°÷180°.
Поставленная задача решается также тем, что, согласно изобретению, пластины сепарационного элемента располагаются вдоль поверхности вертикального усеченного конуса (меньшим основанием книзу) с углом наклона до семи градусов.
На фиг.1 представлен общий вид устройства, на фиг.2 - разрез по А-А и на фиг.3 - схема расположения сепарационных пластин.
Вихревой газодинамический сепаратор ВГС1 содержит корпус 1, верхнюю крышку 2 с присоединенным к ней выходным патрубком 3, устройство ввода, содержащее входной патрубок 4 с дефлектором 5, сливной патрубок 6, горизонтальные диафрагмирующую перегородку 7 и перегородку 8, внутренний
сепарационный элемент 9, составленный из профилированных пластин 10, закрепленных между верхней крышкой 2 и горизонтальной перегородкой 7.
Вихревой газодинамический сепаратор ВГС1 работает следующим образом. Газ, содержащий капельную жидкость, поступает через входной патрубок 4 в корпус 1, где с помощью дефлектора 5 отклоняется на стенку корпуса и вниз на спиральную траекторию. Входной патрубок 4 с дефлектором 5, корпус устройства 1 и пространство между корпусом 1 и внутренним сепарационным элементом 9 служат для осуществления первой стадии сепарации в поле центробежных сил, поддерживаемом закруткой потока. На первой стадии осуществляется осаждение струй и наиболее крупных капель жидкости на корпус устройства. Происходит также диспергирование жидкости на отражателе и сепарация жидкости при поступлении ее в устройство в «пробковом» режиме. Далее газовый поток с оставшейся мелкодисперсной фазой, сохраняя вращение, распределяется на струи, поступающие в расположенные по ходу вращения сопловые каналы между дугообразными сепарационными пластинами.
При этом, благодаря заявленной ориентации пластин, входящий в сопловый канал поток падает на выпуклую сторону пластины так, что направление потока составляет тупой угол с ее нормалью, причем этот угол надо стремиться сделать близким к 180°. На выходе из соплового канала поток стекает с вогнутого края пластины струей, которая затем ударяется в выпуклую часть соседней пластины, причем угол направления этого потока с нормалью выпуклой поверхности в точке падения также следует сделать как можно ближе к 180°. В частности, в реализованных устройствах эти углы составляли от 145° до 170° (см. фиг.3). Таким образом, на выпуклой стороне пластины дважды происходит изменение направления газового потока, в результате чего осуществляется инерционная сепарация с образованием жидкой пленки. Пленка жидкости под действием центробежной силы вытесняется на периферию пластины, а под действием силы тяжести стекает вниз на перегородки 7 и 8 и далее к сливному патрубку 6. Газ, продолжая движение к оси, направляется к выходному патрубку 3. Образование жидкой пленки и вытеснение ее на периферию обеспечивает высокую степень сепарации. Несмотря на то, что газ набегает на сепарационные пластины под большим углом (ударный вход), что повышает гидродинамическое сопротивление,
сопловая форма каналов сепарационного элемента обеспечивает существенно более низкое сопротивление по сравнению со щелевыми каналами, применяемыми в известных устройствах, в результате чего общее сопротивление сепарационного элемента оказывается ниже, чем в устройствах со щелевыми каналами и плавным (безударным) входом.
Расположение пластин 10 вдоль поверхности вертикального усеченного конуса (меньшим основанием книзу) приводит к тому, что скорость входа газа в сепарационный элемент увеличивается книзу (окружная скорость газа в устройствах циклонного типа увеличивается с уменьшением радиуса), где жидкая пленка утолщается за счет отекания сверху. Повышение скорости в этой области способствует лучшему прижатию жидкой пленки к пластине, удалению ее на периферию сепарационного элемента и тем самым улучшает сепарацию.
Использование предлагаемого изобретения позволяет снизить сопротивление сепарационного элемента и вести процесс сепарации с большими нагрузками по жидкости.