ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР

Полезная модель относится к области очистки газа, в том числе и пара, от жидкости и механических примесей и может быть использована в энергетике, газовой, нефтяной, химической отраслях промышленности.
Известен сепаратор для очистки газов и паров, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками для подачи очищаемого газового потока и патрубком для отвода жидкости, газоотводящую трубку с винтовыми лопатками и направляющими лопастями, направляющую пластину в верхней части корпуса, патрубок отвода жидкости и верхнюю и нижнюю отсекающие тарелки, размещенные в нижней части корпуса [авт. св. № 1301459, МПК: В01D 45/16, 1985 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата является невысокая эффективность сепарации, из-за уноса мелкодисперсной жидкости (или пыли), небольшой диапазон работы, ограниченный скоростью газа через сопло, а также сложность конструкции.
Известен [Описание к патенту РФ № 2147913, МПК B01D 45/12, 2000 г.] центробежный сепаратор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с тангенциальным устройством подачи очищаемого газожидкостного потока и патрубком отвода жидкости, центральную газоотводящую трубу, отсекатель-тарелку с отверстием и отражатель, установленный по оси сепаратора, над отсекателем-тарелкой с зазором.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность улавливания капель из-за достаточно высокого уноса жидкости.
Известен центробежный сепаратор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, тангенциальное устройство подачи очищаемого потока, центральную газоотводящую трубу, патрубок отвода жидкости, отсекающую тарелку с осевым отверстием, расположенную в нижней части корпуса, и отражатель, установленный над осевым отверстием отсекающей тарелки и с зазором по отношению к ней [Описание к патенту РФ № 2454267, МПК B01D 45/12, 2012 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность сепарации газожидкостных и парожидкостных систем, особенно содержащих высоковязкие неньютоновские жидкости, что снижает качество разделения паров или газов от капель жидкости.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является центробежный сепаратор, центробежный сепаратор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, тангенциальное устройство подачи очищаемого потока, центральную газоотводящую трубу, патрубок отвода жидкости, отсекающую тарелку с осевым отверстием, расположенную в нижней части корпуса, отражатель, установленный над осевым отверстием отсекающей тарелки и с зазором по отношению к ней, при этом отражатель и отсекающая тарелка выполнены в виде шаровых сегментов, обращенных плоскостью сечения вниз, где к центральной газоотводящей трубе прикреплена цилиндрическая пружина, на которой свободно подвешены жестко соединенные между собой ребрами отсекающая тарелка и отражатель [П.м. РФ №155459, МПК B01D 45/12, 2015 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность сепарации газожидкостных и парожидкостных систем, особенно содержащих высоковязкие неньютоновские жидкости, в виду использования пружин высокой жесткости, что ограничивает диапазон резонансного колебательного режима, что в свою очередь может привести к поломке отсекающей тарелки и отражателя, а следовательно, уменьшению времени работы и производительности.
Задачей заявляемого технического решения является уменьшение адгезии капель жидкости к поверхности материала отражателя, тиксотропное разжижение особенно высоковязких и неньютоновских жидкостей и снижение их эффективной вязкости.
Техническим результатом заявляемой конструкции центробежного сепаратора является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается в центробежном сепараторе, содержащем вертикальный цилиндрический корпус, тангенциальный узел подачи очищаемого потока, патрубок отвода жидкости, центральную газоотводящую трубу, к которой посредством пружины подвешены жестко соединенные между собой ребрами отсекающая тарелка с осевым отверстием и отражатель, при этом пружина, на которой подвешены отсекающая тарелка с отражателем, выполнена конической формы с переменной жесткостью и постоянным шагом, причем максимальная и минимальная жесткость, определяющаяся из соотношения:
(1),
где K и k - соответственно наибольшая и наименьшая жесткость конической пружины, Н/м;
М и m - общая масса отсекающей тарелки, с осевым отверстием, и отражателя, и масса жидкости на них, кг,
а ее собственная частота колебаний определяется выражением:
(2)
где  - частота колебаний конических пружин переменной жесткости, Гц;
k - минимальная жесткость пружины, Н/м;
М - общая масса отсекающей тарелки, с осевым отверстием, и отражателя, кг.
Соединение отсекающей тарелки, с осевым отверстием, и отражателя с центральной газоотводящей трубой посредством конической пружины переменной жесткости, собственная частота колебаний которых определяется выражением (2), позволяет повысить амплитуду резонансных колебаний при различных значениях массы жидкости находящейся на поверхности осекающей тарелки с осевым отверстием и отражателя, что позволит повысить надежность конструкции, увеличить время безостановочной работы, что в совокупности приведет к увеличению производительности.
Максимальная жесткость пружины определяется пропорцией (1). Тогда собственная частота колебаний отсекающей тарелки, с осевым отверстием, и отражателя, как физического маятника, определяется согласно выражению (2), и с жидкостью на них:
(3)
При выполнении пропорции (1):
,
и при любой массе жидкость на отсекающей тарелке, с осевым отверстием, и отражателе его собственная частота колебаний, как пружинного маятника, равна частоте колебаний пустой отсекающей тарелке с осевым отверстием и отражателем, а также вынужденной частоте колебаний, что приводит к колебаниям с высокой амплитудой в резонансном режиме, что интенсифицирует процесс сепарации, а следовательно, производительность.
На чертеже схематично изображен общий вид предлагаемой конструкции центробежного сепаратора.
Центробежный сепаратор содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с тангенциальным узлом подачи очищаемого газожидкостного потока 2 и патрубком отвода жидкости 3, центральную газоотводящую трубу 4, отсекающую тарелку 5 с отверстием 6, и отражатель 7, который жестко с помощью ребер 8 прикреплен к отсекающей тарелке 5 и свободно подвешен на конической пружине 9 переменной жесткости с постоянным шагом, прикрепленной к центральной газоотводящей трубе 4.
Центробежный сепаратор работает следующим образом. Газожидкостную смесь вводят в корпус 1 центробежного сепаратора через тангенциальный узел подачи очищаемого газожидкостного потока 2. Поток газожидкостной смеси, попадая в корпус 1 центробежного сепаратора, приобретает вращательное движение. Капли жидкости отбрасываются на стенку корпуса 1, стекают по ней в виде пленки через зазор между отсекающей тарелкой 5 и корпусом 1 центробежного сепаратора и затекают под отсекающую тарелку 5, а затем отводятся через патрубок отвода жидкости 3. Газ (газ отсоса), который попадает под отсекающую тарелку 5, отводится через осевое отверстие 6 отсекающей тарелки 5. Газ, выходя в отверстие 6, захватывает мельчайшие капли жидкости, которые отражаются по направлению к стенке корпуса 1 за счет отражателя 7, установленного над осевым отверстием 6 отсекающей тарелки 5 с зазором по отношению к ней. Жесткое прикрепление отсекающей тарелки 5 с помощью ребер 8 к отражателю 7, подвешенному к центральной газоотводящей трубе 4 посредством конической пружины 9 переменной жесткости с постоянным шагом, максимальная и минимальная жесткость которой определяется выражением (1), позволяет привести поверхности отсекающей тарелки 5 и отражателя 7 в резонансные колебания определяемые выражением (2), что уменьшает возможность зависания капель жидкости на этой поверхности и повышает эффективность сепарации, за счет поддержания стабильного, резонансного режима колебаний с высокой амплитудой и постоянной частотой при различных значениях массы жидкости на поверхности отсекающей тарелки 5 и отражателя 7.
Отраженные к стенке корпуса 1 газ и капли жидкости соединяются с основным вращающимся потоком неочищенного газа, где за счет действия центробежных сил происходит повторная сепарация газа отсоса. Очищенный таким образом газ отводится через центральную газоотводящую трубу 4, а отделенная жидкость под действием центробежных сил вновь оказывается на стенке корпуса 1, по которой стекает под отсекающую тарелку 5. При использовании резонансного колебательного режима с большой амплитудой поверхностей отсекающей тарелки 5 и отражателя 7 происходит вторичная сепарация жидкости, уносимой газом отсоса, который попадает под отсекающую тарелку 5.
ж
Пример. Пусть производительность сепаратора по жидкой фазе составит G=500 кг/с, а общая масса отсекающей тарелки 5, с осевым отверстием 6, и отражателя 7 M=10 кг, а массу жидкости, попадающую на поверхность отсекающей тарелки 5, с осевым отверстием 6, и отражателя 7 равной максимально возможному каплеуносу, составляющему 3%, что соответственно в единицу времени равно m=15 кг. Общая наибольшая масса классифицирующей сетки с фракцией:
М+m =25 кг.
Примем, что высоту h корпуса 1 составляет 3 м, тогда вынужденная частота колебаний, создаваемая потоком воздуха, будет определяться выражением (Яворский В.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. - с. 510):
где  - частота колебаний классифицирующей сетки, Гц;
C - скорость звука в потоке воздуха, м/с;
h - высота корпуса, м.
Тогда, при скорости звука в потоке воздуха, при температуре 20°С, равной 343,1 м/с, частота вынужденных колебаний составит:
Гц.
Тогда минимальная жесткость пружины 9 должна быть:
.
Тогда максимальное значение жесткости пружины 9:
.
То есть пружина 9 с переменной жесткостью
от         до              ,
должны совершать колебания с частотой ν=57,18 Гц.
Таким образом, использование центробежного сепаратора, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, тангенциальный узел подачи очищаемого потока, патрубок отвода жидкости, центральную газоотводящую трубу, к которой посредством конической пружины переменной жесткости с постоянным шагом подвешены жестко соединенные между собой ребрами отсекающая тарелка с осевым отверстием и отражатель позволяет повысить его производительность.