СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРЯМОТОЧНОЙ СЕПАРАЦИИ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ ОТ ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ПРИМЕСЕЙ
METHOD OF DIRECT-FLOW SEPARATION OF GAS FLOWS FROM SOLID AND LIQUID IMPURITIES

Предлагаемое изобретение относится к способам очистки газовых потоков в каналах от примесей в виде твердых частиц, капель и текущей по стенкам канала жидкой пленки. Оно может быть использовано в промышленных системах и устройствах очистки газов, применяющихся в нефтяной, газовой, машиностроительной, пищевой отраслях промышленности, при производстве порошковых материалов и других отраслях промышленности.
Известен способ аэродинамической очистки воздушных сред от пыли, аэродинамический пылеулавливающий модуль и установка аэродинамической очистки воздушных сред (далее «Способ аэродинамической очистки…») (патент РФ №2100052, кл. B01D 45/04). «Способ аэродинамической очистки…» предназначен для очистки от пыли воздуха. Он включает подачу загрязненного воздуха в полость аэродинамического концентратора пыли, в который соосно установлен пылеотделительный блок в виде конически или клиновидно сходящейся системы круглых или линейчатых элементов, через боковые зазоры между которыми осуществляется вывод очищенного воздуха, траектории движения пылевых частиц искривляют в сторону оси симметрии и многократно квантовано переводят пылевые частицы от слоя к слою в пределах каждой смежной пары элементов, затем пыль направляют в бункер, входящий в бункер воздух вместе с пылью отводят в газоход, следующий за пылеотделительным блоком. Рассматриваемый «Способ аэродинамической очистки…» имеет следующие недостатки:
- «Способ…» рассматривает вариант реализации очистки воздуха от твердых примесей (пыли) и не рассматривает очистку от капель и жидкой примеси, текущей по стенкам тракта в виде пленки.
- «Способ…» основан на чрезмерной схематизации течения и умозрительных представлениях о поведении двухкомпонентной смеси (несущего газа (воздуха) и примесей твердых частиц) в сужающемся пылесборнике. Предложенная геометрия кольцевых вставок, показанная на фиг.2 и 3 в «Описании изобретения», представляет собой плохообтекаемую конфигурацию, которая неизбежно приведет к отрыву потока и возникновению протяженной зоны сильно завихренного возвратно-циркуляционного течения между элементами пылеотделительного блока. При турбулентном характере течения в трубопроводе, который практически всегда реализуется в реальных условиях, геометрия отрывной зоны будет неустойчивой, вследствие чего будет происходить выброс сепарируемых примесей через зазоры между вставками в «очищенную» часть газового потока, и такой процесс будет повторяться по всей длине пылесборника. При реализации описанного способа степень очистки воздушной среды существенно зависит от размера дисперсных включений, что делает данный способ неэффективным и фактически неприменимым для многих практических задач.
- «Способ…» не предусматривает возможности очистки высокоскоростных потоков технических газов, движущихся в магистральных трубопроводах или технологических устройствах при больших давлениях.
Известен также способ, реализованный в изобретении «Прямоточный сепаратор» (патент РФ №2079342, кл. B01D 45/04), в котором сепарация осуществляется пропусканием потока газа со взвешенной в нем примесью через трубу с одним коаксиальным соплом с последующим направлением потока примесей в разделительный изогнутый патрубок. Основными недостатками Прямоточного сепаратора являются:
- При предложенной одноступенчатой системе сепарации вместе с примесями из канала движения удаляется значительная часть очищаемого газа (примерно четверть, как следует из приведенного в описании «Прямоточного сепаратора» отношения площадей входного сечения патрубка к площади внутреннего сечения корпуса сепаратора), что в ряде случаев совершено недопустимо, например, при очистке горючего или взрывоопасного газа, движущегося в магистральных трубопроводах под большим давлением, а также в большинстве непрерывных технологических процессов.
Отсутствие аэродинамического расчета течения запыленного потока в сепараторе и предложенная «на глазок» конфигурация сопла и патрубка не позволяют дать оценку размерам и доли сепарируемых пылесборником частиц и, следовательно, судить об эффективности сепаратора для существенно более высоких скоростей, имеющих место в реальных магистральных газопроводах, и частиц, размер которых выходит за рамки очень узкого диапазона, приведенного в описании.
Ближайшим аналогом предлагаемого способа является способ прямоточной сепарации газовых потоков от твердых и жидких примесей, описанный в патенте GB 1101062, кл. B01D 45/04, "Apparatus and Method for Separating Particles from Flow of Fluid" («Устройство и способ сепарирования частиц из потока»). Сепарация осуществляется путем пропускания газового потока с примесями через сужающееся и расширяющееся сопло с расположенными в нем соосными вставками (сепарирующими элементами), разделением очищенного газа и выводом его на периферию потока без изменения основного направления движения и фокусировкой потока примесей в центре сопла с последующим выводом его через специальный отвод, при этом вставки в направлении потока имеют резкое сужение и плавное расширение, каждая из вставок находится внутри другой (фиг.4, 7 и 12 в описании патента), очищенный газ отводится в зазоры между вставками, представляющие собой протяженные кольцевые каналы. Как можно заключить из приведенных в патенте описания и спецификации, способ имеет следующие недостатки:
- Резкое сужение сопла на входе (угол наклона контура входной части к оси сопла достигает 80-90 градусов) и значительное уменьшение площади поперечного сечения во входной части (в несколько раз) приведет при использовании способа для сепарации высокоскоростных потоков (10 м/с и более) к отражению большой доли (до 75%) частиц от стенок сужающейся части сопла и возникновению интенсивного поперечного и даже встречного потоков частиц, что в свою очередь повлечет существенно неравномерное распределение их векторов скоростей на входе в расширяющуюся часть, в которой расположены сепарирующие элементы, значительно снизив эффективность сепарации в результате попадания частиц в кольцевые каналы между ставками.
- Расположение вставок, когда каждая вставка находится внутри другой, а между ними имеются узкие кольцевые каналы, может привести к существенной неравномерности газового потока на выходе из устройства и значительным потерям на трение в каналах. Это не столь важно, если целью сепарации является сбор примеси для последующего ее использования. Однако это существенный недостаток, если целью является очистка высокоскоростного газового потока с наименьшими потерями энергии.
Описания всех названных патентов РФ приведены в прилагаемых копиях. Для патента GB 1101062 прилагаются копии фигур 4, 7 и 12.
Задачей заявляемого изобретения являлась разработка способа разделения газового потока, движущегося в канале с большой скоростью, и разнообразных содержащихся в нем примесей (твердых частиц, капель и жидкой пленки, текущей по стенкам канала) с последующим выведением сконцентрированного потока примесей за пределы канала и без изменения основного направления движения газового потока после его очистки. Разработанный способ является технологичным и эффективным по степени очистки и пригоден для газовых сред с любыми свойствами, включая агрессивные, горючие и взрывоопасные (например, водород).
Сущность предлагаемого способа осуществления прямоточной сепарации газовых потоков от твердых и жидких примесей состоит в пропускании газового потока с примесями через канал 1 (см. фиг.1-4), в котором последовательно, одна за другой, установлены специально спрофилированные сужающиеся сопловые вставки 2 (сепарирующие элементы), обеспечивающие фокусировку инерционных примесей в узкий пучок внутри канала (достигается сжатие поперечного сечения потока с примесями до величины менее 1% от площади исходного тракта) и одновременный вывод очищенного газа на периферию канала. Сфокусированный поток примеси выводится через боковую стенку канала с помощью специального отводного патрубка 3. В сепараторе и после него поток газа сохраняет свое первоначальное направление движения. Особенностью формы сопловых вставок является плавное сужение входных частей их внутренних каналов и резкое расширение выходных частей. Точная форма сопловых вставок, их размеры, количество и взаимное расположение определяются в результате газодинамического проектирования тракта сепаратора, которое учитывают размеры исходного канала и особенности движения газа и примесей (плотность, вязкость, температуру газа; режим течения: ламинарный или турбулентный; размер и физические свойства дисперсных включений, скорость потока). Газодинамический расчет тракта осуществляется с использованием широко известного универсального пакета прикладных программ для моделирования течений FLUENT. Цель проектирования - обеспечение заданных технических требований, которые, в частности, включают:
- минимизацию габаритных размеров сепаратора;
- обеспечение требуемой степени очистки газового потока от частиц из заданного диапазона размеров;
- минимизацию объема газа, выводимого из потока вместе с примесью;
- минимизацию потерь скорости и давления газа при прохождении сепаратора.
Предлагаемый способ подтвержден детальными расчетами полей параметров двухфазного потока, а также экспериментально. Предусматривается обеспечение отрыва текущей по стенкам канала жидкой пленки с дроблением на капли.
Профилирование контуров сопловых вставок 2, а также выбор их размеров, взаимного расположения и количества производится исходя из условия недопущения возникновения протяженных отрывных зон с возвратно-циркуляционным движением газовой фазы, а также эффективного отвода очищенного газа в периферийную часть канала без интенсивного вихреобразования. Это обеспечивается приданием контурам сопловых вставок хорошо обтекаемой формы, выбором углов входа и выхода для потока газа с примесью и углов наклона внешних частей контуров к основному направлению течения. Авторами проведены расчеты движения примесей (частиц и жидких капель) различных фракций, различной физической плотности материала частиц и капель с газовым потоком и с профилированными сопловыми вставками. Показано, что предлагаемый способ обеспечивает высокую степень фокусировки потока примесей и, соответственно, высокую эффективность предлагаемого метода сепарации. Иллюстрирующие результаты расчетов представлены на фиг.1-3, на которых показаны траектории частиц различных размеров (соответственно диаметра 20, 100 и 1000 мкм) в цилиндрическом канале (трубе диаметра 100 мм) с сопловыми вставками. Видно, что данный способ обеспечивает эффективную фокусировку примеси в очень широком диапазоне размеров частиц. При газодинамическом проектировании проточного тракта сепаратора, реализующего данный способ для различных исходных данных (геометрических размеров исходного канала, скоростей потока, размеров дисперсных включений, плотностей вещества включений), выяснилось, что не существует универсального решения по конфигурации и расположению системы сопел, которое было бы одинаково эффективно для любых примесей. Расчет системы сопел сепаратора для каждого технологического процесса должен производиться в зависимости от конкретных геометрических и газодинамических параметров исходного потока (поперечный размер канала, скорость движения, давление, плотность) и примеси (плотность, размер, концентрация и т.д.). Простое линейное масштабирование оптимально спроектированного канала и сопловых вставок при неизменных параметрах двухфазного потока приводит к заметному снижению эффекта фокусировки примеси и степени очистки газового потока, что вызывает необходимость существенной корректировки всех геометрических характеристик тракта сепаратора. Предлагаемый способ может быть реализован как в виде соосной системы последовательных сопловых вставок (фиг.1-3), так и в виде последовательности вставок с постепенным поперечным смещением (фиг.4). Во всех случаях обеспечивается фокусировка потока примеси независимо от геометрии исходного канала. Сфокусированный поток примеси может быть эвакуирован из канала с помощью специального отвода 3, который также требует аэродинамического расчета, чтобы избежать его «забивания» частицами и снизить эрозионное воздействие выводимых примесей на стенки отвода.
Геометрические размеры и расположение сопловых вставок вдоль правильно спроектированного сепаратора удовлетворяют следующим пропорциям:
- минимальный внутренний диаметр первой ступени сепаратора выбирается из соотношения 1/2-2/3 диаметра исходного канала движения газа;
- минимальные внутренние диаметры последующих ступеней уменьшаются по геометрической прогрессии с коэффициентом 1,3-1,5;
- угол наклона входной части каналов сопловых вставок находится в диапазоне 10-30°;
- расстояние между сопловыми вставками уменьшается пропорционально минимальному диаметру сопла и составляет 0,3-0,5 от диаметра последующего сопла.
Точная конфигурация контуров сопловых вставок определяется в результате последовательности расчетов с использованием пакета FLUENT. Конкретные значения приведенных коэффициентов пропорциональности выбираются в зависимости от параметров процесса (тип газа, скорость течения, давление, диапазон размеров сепарируемых примесей), а также дополнительных требований к сепаратору (ограничение на габаритные размеры, степень сжатия потока примеси и др.).
Предложенный способ сепарации позволяет:
- обеспечить газодинамическую фокусировку потока примесей заданного диапазона размеров частиц в узкий «жгут» с очень малым поперечным сечением, менее 1% от площади сечения исходного канала;
- обеспечить эвакуацию потока примесей из канала движения газа без нарушения технологического процесса;
- минимизировать потери давления в сепараторе;
- исключить влияние состояния поверхности канала на процесс сепарации.
Отводной патрубок 3 выполнен в виде трубки, изогнутой по специальной кривой и исключающей «забивание» трубки частицами. В приведенных иллюстрационных примерах использовано четыре ступени сжатия потока примеси. Количество ступеней может быть уменьшено или увеличено в зависимости от налагаемых требований и ограничений.
На фиг.1, 2 и 3 показаны картины движения частиц примеси диаметров 20 мкм, 100 мкм и 1000 мкм соответственно в трубе через систему сопловых вставок. Как видно, самые мелкие частицы диаметра 20 мкм заметно отклоняются потоком газа. Картины траекторий движения более крупных частиц (100 и 1000 мкм) качественно отличаются от картины движения мелких. Эти частицы между столкновениями с поверхностями сопловых вставок движутся почти по прямолинейным траекториям. В то же время в приведенном иллюстрационном примере частицы из всего рассмотренного диапазона их размеров эффективно фокусируются сопловыми вставками.
Реализация способа осуществляется следующим образом.
При прохождении потока газа с дисперсными частицами примесей через систему профилированных сопловых вставок 2, установленных в канале движения 1, поток примесей сжимается до достижения заданного минимального размера поперечного сечения, а концентрация примесей в этом потоке растет. Эвакуация потока примесей за пределы газодинамического тракта осуществляется с помощью специального отводного канала 3. Несущий газ по мере движения через систему сопел выводится на периферию потока через зазоры между соплами. Утилизация примесей производится в зависимости от требований конкретного технологического процесса и условий производства. При необходимости может быть обеспечен возврат несущего газа, попавшего в отводной канал, после его предварительной очистки на вход первой ступени сепаратора.
Технический эффект изобретения состоит в том, что данный способ сепарации позволяет решить широкий круг задач, возникающих в различных отраслях промышленности при очистке газовых потоков (в том числе в высокоскоростных магистральных трубопроводах) в широком диапазоне исходных параметров потока (скорости, давления, температуры, геометрии и эксплуатационных требований). Устройства, разрабатываемые на основе предлагаемого способа, могут вписываться в существующий технологический процесс (в том числе непрерывный) практически без изменения технологической схемы.