СЕПАРАТОР
SEPARATOR

Предлагаемое изобретение относится к устройствам очистки газа от жидкостей и твердых частиц с использованием центробежных сил, возникающих при закручивании газожидкостного потока, и может быть использовано в газодобывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известны центробежные сепараторы («Нефтегазопромысловая сепарационная техника». Справочное пособие. Авторы: Л.М. Милыптейн, С.И. Бойко, Е.П. Запорожец. М. «Недра» 1991, с.146, рис. 61).
Сепаратор содержит вертикальный цилиндрический корпус с входным, расположенным в нижней его части, патрубком, выходным, сливным, расположенными соответственно в верхнем и нижнем днищах корпуса. Корпус разделен перегородкой, в которой расположены прямоточные центробежные сепарационные элементы. Поток в сепараторе подается снизу вверх.
Недостатком таких сепараторов является то, что сепараторы имеют большие размеры и массу. Нижнее размещение входного патрубка исключает его работу в «пробковом» режиме.
Известен сепаратор (SU 1066629 А1, МПК 5: B01D 45/12, В04С 7/00, опубл. 1984.01.15), содержащий вертикальный цилиндрический корпус, разделенный на камеры горизонтальными перегородками с осевыми отверстиями, внутри которых установлены сепарационные элементы, выполненные в виде криволинейных лопаток, установленных по многозаходной спирали Архимеда, работающих на скручивание и раскручивание потока, при этом выходные концы лопаток расположены наклонно к образующей поверхности усеченного конуса под острым углом к направлению вращения потока, а основания элементов, работающих на скручивание потока, снабжены сборными конусами и гидрозатворными трубками. На нижней перегородке смонтирован диффузор, на верхней - конфузор с кольцевым каплеотбойником, имеющие наклонные перфорации. Тангенциальный вводной патрубок снабжен направляющим дефлектором. В нижней части корпуса установлен патрубок для вывода от сепарированной жидкости, в верхней части - выходной (для удаления очищенного газового потока).
Недостатком известного устройства является сложность конструкции, большие габариты, применение диффузора и конфузора с кольцевым каплеотбойником ограничивает диапазон нагрузок по газовой и жидкой фазам, т.к. их увеличение приводит к частичному уносу жидкостной пленки между наклонной просечкой при транспортировке ее в выходное отверстие. Работа аппарата в «пробковом» режиме исключена, т.к. входной патрубок расположен в нижней части корпуса, газожидкостная смесь направляется снизу вверх, что в конечном счете приведет к перегрузке сливных устройств и, как следствие, захлебыванию сепаратора.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототип) является малогабаритный высокоэффективный сепаратор «Колибри» (RU 2244584 С1, МПК 7: B01D 45/12, опубл. 2005.01.20), содержащий вертикальный цилиндрический корпус, горизонтальную перегородку, входной, выходной, сливной патрубки, дефлектор, вертикальный сепарационный пакет, состоящий из вертикальных плоских изогнутых сепарационных пластин, при этом изогнутые концы пластин направлены в разные стороны касательно к наружному и внутреннему диаметрам сепарационного пакета. Осевая линия входного патрубка по горизонтали смещена относительно осевой линии корпуса аппарата на 1/2 диаметра корпуса. Дефлектор, установленный по ходу вращения газожидкостного потока, имеет максимально допустимое сечение, причем по ходу потока он сужается по горизонтали и возрастает по высоте, сохраняя при этом площадь поперечного сечения, в конце верхней суженной части дефлектора установлена дугообразная пластина, нисходящая по ходу газожидкостного потока и направленная по отношению к горизонтали под углом 15-30°. По ходу вращения газожидкостного потока с зазором к внутренней стороне корпуса установлена изогнутая пластина, которая своим нижним концом заходит под нижнюю крышку дефлектора.
Недостатками известного устройства являются:
- сложность конструкции дефлектора;
- большая длина дефлектора почти 180° по дуге создает большие потери на трение потока и снижает тангенциальную скорость потока Vτ, которая создает поле центробежных ускорений во вращающемся потоке и определяет эффективность разделения потока с частицами различной плотности;
- большая длина дефлектора постоянного сечения ограничивает производительность аппарата и диапазон работы. При малых расходах эффективность будет низкой.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является расширение диапазона работы, снижение потерь давления, повышение эффективности сепарации.
Для достижения названного технического результата сепаратор содержит вертикальный цилиндрический корпус с входным, выходным и сливным патрубками, горизонтальную перегородку с центральным отверстием, по периметру которого установлен сепарационный пакет из пластин, дефлектор, расположенный между сепарационным пакетом и внутренней стенкой корпуса, соединенный с входным патрубком.
Заявляемый сепаратор отличается от прототипа тем, что внутренняя поверхность корпуса в его нижней части выполнена расширяющейся, причем начало расширения располагается ниже дефлектора, но выше или на уровне среза сепарационного пакета, в расширенной части корпуса установлена цилиндрическая обечайка.
Причем цилиндрическая обечайка имеет диафрагму с центральным отверстием, установленную с радиальным зазором к внутренней поверхности, цилиндрическая обечайка ниже диафрагмы имеет отверстия, а расширенная часть корпуса совмещена со сливным патрубком.
Расширение диапазона работы и снижение потерь давления достигается тем, что дефлектор имеет минимальную длину дуги, охватываемую углом 90°, и имеет переменное поперечное сечение, позволяющее получать оптимальную тангенциальную скорость потока на выходе из дефлектора, при минимальных потерях давления на трение.
Для ситуаций пробкового режима, когда все сечение трубопровода заполнено жидкостью, короткий, с изменяющимся сечением дефлектор исключит «запирание» сепаратора.
Повышение эффективности сепарации достигается тем, что внутренняя поверхность корпуса в его нижней части выполнена расширяющейся, причем начало расширения располагается ниже дефлектора, но выше или на уровне среза сепарационного пакета. В расширенной части корпуса установлена цилиндрическая обечайка. Обечайка имеет диафрагму с центральным отверстием, установленную с радиальным зазором к внутренней поверхности. Обечайка ниже диафрагмы имеет отверстия, а расширенная часть корпуса совмещена со сливным патрубком.
Предлагаемое изобретение изображено на чертеже, где на фиг.1 изображен сепаратор в поперечном сечении, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Сепаратор состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с входным патрубком 2, выходным патрубком 3, сливным патрубком 4, горизонтальной перегородки 5 с отверстием 6, сепарационного пакета 7, дефлектора 8, расширенной части 9, обечайки 10, диафрагмы 11 с центральным отверстием 12.
Сепаратор работает следующим образом.
Газожидкостный поток подается в сепаратор через входной патрубок 2, расположенный в верхней части корпуса, ниже горизонтальной перегородки 5 по касательной к внутренней поверхности корпуса и поджимается к ней дефлектором 8.
Проходя между дефлектором 8 и поверхностью корпуса, поток ускоряется и закручивается на внутренней поверхности корпуса. Под действием центробежных сил мелкодисперсные капли жидкости и твердые частицы оседают на внутренней поверхности сепаратора, по которой скатываются в нижнюю часть сепаратора под действием гравитационных сил.
В нижней расширяющейся части 9 корпуса сепаратора угловые скорости потока снижаются, уменьшаются центробежные силы, действующие на осаждение частицы. Осевая скорость частиц увеличивается, они с частью газового потока в пограничном слое отделяются от основного завихренного газового потока и попадают в пространство между обечайкой 10 и корпусом. Завихренный основной газовый поток, отражаясь от диафрагмы, «ограниченный» внутренней поверхностью вертикальных пластин 7, устремляется вверх через отверстие 6 в выходной патрубок 3.
Над диафрагмой 11 формируется вихрь газового потока с интенсивными радиальными скоростями и пониженным давлением в осевой части потока. Обечайка 10 «экранирует» жидкостный поток, движущийся по внутренней поверхности расширенной части корпуса, и исключает вторичный унос. Частицы жидкости и твердые частицы, осевшие на внутренней поверхности обечайки и пластинах сепарационного пакета, стекают через зазор между диафрагмой 11 и обечайкой.
Газовый поток, прошедший вниз сепаратора по внутренней поверхности корпуса, вместе с жидкой фазой через центральное отверстие 12 в диафрагме 11 «отсасывается» в центральную часть вихря восходящего потока.
Благодаря такой конструкции сепаратора достигается расширение диапазона работы, снижение потерь давления, повышение эффективности сепарации.