СЕПАРАЦИОННЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
SEPARATING CENTRIFUGAL ELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройствам для очистки газа от капельной жидкости и мелкодисперсных механических примесей с использованием центробежных сил, возникающих при закручивании газового потока. Данное изобретение может быть использовано для разделения газожидкостных потоков в нефтяной, газовой, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Уровень техники
3
Сепарационные центробежные элементы достаточно неплохо себя зарекомендовали для очистки газожидкостных потоков от капельной жидкости и мелкодисперсных механических примесей. Однако современные отечественные сепарационные элементы, несмотря на их низкую себестоимость и доступность, все еще далеки для обеспечения высоких стандартов в газоочистке, а именно остаточного содержания влаги и примесей на уровне менее 5 мг/м.
Известен прямоточно-центробежный элемент (см. патент на изобретение №2344869), который включает в себя полотно тарелки с прямоточно-центробежными элементами, каждый из которых состоит из цилиндрического патрубка с завихрителем на входе и сепарационным устройством в виде колпачкового пленкосъемника на выходе, кольцевую перегородку между наружной стенкой цилиндрического патрубка и внутренней стенкой колпачкового пленкосъемника, расположенный внутри цилиндрического патрубка вытеснитель, канал рециркуляции, при этом вытеснитель снабжен наклонными зубьями, расположенными на его периферийной кромке, причем наклон зубьев ориентирован в сторону закрутки газового потока, при этом кольцевая перегородка выполнена с противоположно расположенными каналами для отбора жидкой и газовой фаз, причем каналы для отбора жидкой фазы выполнены на максимальном радиусе перегородки, а для отбора газовой фазы - на ее минимальном радиусе.
Общими признаками предлагаемого и известного элементов являются наличие в сепарационном элементе:
- обечайки;
- завихрителя;
- каплесъемника отделенной жидкости.
Недостатком известного элемента является недостаточно высокая эффективность разделения газа и капель жидкости различного диаметра, которые срываются по всему периметру вытеснителя, а мелкодисперсные капли уносятся с потоком очищенного газа. Кроме того, отмечено излишнее количество газа, выходящего через каплесъемник вместе с отсепарированной жидкостью, неэффективное использование поверхности завихрителя.
Также известен центробежный сепарационный элемент (см. патент на изобретение №2140317), включающий обечайку с ловушкой отделенной жидкости и завихритель. Внутри обечайки соосно ей размещено полое тело цилиндрической формы, один торец которого выполнен герметичным и выступающим над ловушкой отделенной жидкости, а другой торец выполнен в виде сопла и расположен над завихрителем, кроме того, выступающая торцовая часть полого тела снабжена газоподводящими патрубками.
Общими признаками предлагаемого и известного элементов являются наличие в сепарационном элементе:
- обечайки;
- завихрителя;
- каплесъемник;
- размещенное соосно с обечайкой полое тело;
- один торец полого тела расположен вблизи завихрителя и выполнен с отверстием;
- противоположный торец полого тела выполнен герметичным.
Недостатком известного устройства является недостаточно высокая эффективность разделения газа и жидкости из-за вторичного уноса, вызванного осаждением части мелких капель, отскочивших на наружную поверхность полого центрального тела, и поступлением на нее в виде пленки части жидкости из внутренней полости полого центрального тела. Кроме того, излишнее количество газа выходит через каплесъемник вместе с отсепарированной жидкостью, также неэффективно используется поверхность завихрителя, а уровень производительности очень сильно ограничен из-за организации рециркуляции части потока.
Наиболее близким по технической сущности, выбранным в качестве прототипа, является центробежный сепарационный элемент (см. патент РФ на изобретение №2401156), включающий обечайку, завихритель, каплесъемник и размещенное соосно с обечайкой полое тело, один торец которого расположен вблизи завихрителя и выполнен с отверстием, а противоположный торец выполнен герметичным и снабжен газоподводящими патрубками, при этом полое тело снабжено элементом, обеспечивающим разрушение регулярных токов пленки жидкости и выполненным в виде сетки, закрепленной на внешней поверхности полого тела вблизи торца с отверстием.
Общими признаками предлагаемого и известного элементов являются наличие в сепарационном элементе:
- обечайки;
- завихрителя;
- каплесъемник;
- размещенное соосно с обечайкой полое тело;
- один торец полого тела расположен вблизи завихрителя и выполнен с отверстием;
- противоположный торец полого тела выполнен герметичным;
- полое тело снабжено элементом, обеспечивающим разрушение регулярных токов пленки жидкости и выполненным в виде сетки, закрепленной на внешней поверхности полого тела вблизи торца с отверстием.
Недостатками прототипа являются:
- недостаточно высокая степень удаления жидкости из газожидкостного потока из-за вторичного уноса капель жидкости с наружной стороны каплесъемника, а также отскока капель от образующихся волн на внутренней поверхности обечайки;
- невысокая производительность из-за организации рециркуляции части потока;
- недостаточно эффективно используется поверхность завихрителя;
- большое количество газа вместе с жидкостью проходит через каплесъемник, что приводит к усилению вторичного уноса жидкости.
Недостатки сепарационных элементов из уровня техники предлагается устранить за счет сепарационного элемента по настоящему изобретению.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание эффективного сепарационного элемента, который обеспечивал бы высокий уровень очистки газа, высокую производительность сепарационного элемента.
Вышеуказанная задача достигается за счет сепарационного центробежного элемента, содержащего обечайку, завихритель, каплесъемник, полое тело, размещенное соосно с обечайкой, один торец которого расположен выше уровня завихрителя и выполнен с отверстием, противоположный торец расположен выше каплесъемника и выполнен герметичным, при этом полое тело выше уровня торца с отверстием на своей внешней поверхности снабжено мелкоячеистой сеткой для разрушения потоков пленки жидкости, причем полое тело соединено с каплесъемником пластинами, отличающегося тем, что дополнительно содержит направляющие, соединяющие внешние поверхности каплесъемника и обечайки, а полое тело не имеет газоподводящих патрубков, но на нем нанесено два уровня перфорации, верхняя перфорация выше уровня каплесъемника, а нижняя перфорация ниже уровня каплесъемника, но выше уровня мелкоячеистой сетки для разрушения потоков пленки жидкости.
В одном варианте изобретения разница внутреннего диаметра обечайки и внутреннего диаметра каплесъемника меньше разницы внешнего диаметра каплесъемника и внешнего диаметра обечайки. За счет увеличения внутреннего диаметра каплесъемника уменьшается ∩-образный канал между внутренней поверхностью обечайки и внутренней вертикальной бортовой поверхностью каплесъемника до 2-4 мм или до величины на 50-100% больше толщины пленки отсепарированной жидкости.
В одном варианте изобретения полое тело соединено с каплесъемником Г-образными пластинами.
В одном варианте изобретения полое тело характеризуется цилиндрической формой.
В еще одном варианте изобретения направляющие, соединяющие внешние поверхности каплесъемника и обечайки, ориентированы в сторону закручивания потока завихрителем.
В еще одном варианте изобретения в днище завихрителя выполнены прорези в форме лопатки, направляющие газовый поток под определенным углом.
В предпочтительном варианте изобретения завихритель может быть выполнен в виде усеченного конуса.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения каплесъемник размещен над кромкой обечайки и выполнен в виде усеченного тора с вертикальными бортовыми поверхностями.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения диаметр полого тела составляет 0,3-0,5 диаметра обечайки.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения верхний торец полого тела расположен выше каплесъемника на расстоянии, равном 0,5-1,0 диаметра обечайки.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения верхняя перфорация выполнена выше уровня каплесъемника (3) на расстоянии диаметра полого тела от верхнего торца полого тела.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения нижняя перфорация выполнена на расстоянии 0,25 диаметра полого тела от мелкоячеистой сетки для разрушения потоков пленки жидкости.
В наиболее предпочтительном варианте изобретения перфорация представляет собой отверстия определенного диаметра, размещенные в шахматном порядке с соответствующим шагом.
В еще одном варианте изобретения длина перфорации составляет 0,14-0,16 диаметра обечайки, но не менее 14-16 мм.
В наиболее предпочтительном варианте направляющие выполнены в виде отрезков металлической проволоки, которые расположены по окружности каплесъемника, при этом угол наклона этих направляющих для отвода капельной жидкости соответствует углу движения жидкости при ее выходе из каплесъемника.
В еще одном наиболее предпочтительном варианте сепарационный центробежный элемент может быть выполнен из металла, пластика или композитных материалов.
Вышеописанный в рамках настоящего изобретения сепарационный центробежный элемент позволяет достичь следующих технических результатов:
- повысить эффективность сепарации газа от жидкости;
- увеличить производительность сепарационного элемента;
- снизить гидравлическое сопротивление центробежного сепарационного элемента;
- полностью ликвидировать вторичный унос жидкости.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлен в изометрической проекции один из предпочтительных вариантов выполнения сепарационного центробежного элемента по настоящему изобретению. На фиг. 1 цифрами обозначены обечайка (1), завихритель (2), каплесъемник (3), полое тело (4), Г-образные пластины (5), мелкоячеистая сетка для разрушения потоков пленки жидкости (6), перфорация (7), направляющие (8), прорези в завихрителе (9).
На Фиг. 2 представлен в изометрической проекции с вырезом 1/3 тот же предпочтительный вариант выполнения сепарационного центробежного элемента, что и на фиг. 1. На фиг. 2 цифрами обозначены полое тело (4), мелкоячеистая сетка для разрушения потоков пленки жидкости (6), перфорация (7).
Осуществление изобретения
Сепарационный центробежный элемент по настоящему изобретению позволяет увеличить эффективность отделения капельной жидкости и других примесей из входящих газожидкостных потоков, понизить гидравлическое сопротивление сепарационного элемента.
Сепарационный центробежный элемент (см. фиг. 1 и 2) состоит из обечайки (1), завихрителя (2), каплесъемника (3), полого тела (4), размещенного соосно с обечайкой (1), один торец которого расположен выше уровня завихрителя (2) и выполнен с отверстием, противоположный торец расположен выше каплесъемника (3) и выполнен герметичным, при этом полое тело (4) выше уровня торца с отверстием на своей внешней поверхности снабжено мелкоячеистой сеткой для разрушения потоков пленки жидкости (6), причем полое тело (4) соединено с каплесъемником (3) пластинами (5), отличающийся тем, что дополнительно содержит направляющие (8), соединяющие внешние поверхности каплесъемника (1) и обечайки (1), а полое тело (4) не имеет газоподводящих патрубков, но на нем нанесено два уровня перфорации (7), верхняя перфорация (7) выше уровня каплесъемника (3), а нижняя перфорация ниже уровня каплесъемника (3), но выше уровня мелкоячеистой сетки для разрушения потоков пленки жидкости (6).
В сепарационном центробежном элементе газожидкостная смесь поступает внутрь завихрителя (2) через прорези вдоль наклонных лопаток, расположенных в днище завихрителя, и через прорези (9) вдоль направляющих, сделанных в боковой поверхности завихрителя (2). Под действием центробежных сил, возникающих за счет наклонного расположения лопаток, входящий газожидкостной поток закручивается и делится на: центральный газовый поток и периферийный газожидкостной поток. При этом внутри завихрителя (2) создается зона пониженного давления. Поток газа приобретает поступательно-вращательное движение. Основное количество жидкости из газа осаждается на внутреннюю поверхность обечайки (1) под действием центробежных сил. По мере движения вверх по внутренней стороне обечайки (1) отсепарированная жидкость с частью газа поступает в зазор между каплесъемником (3) и обечайкой (1) и отводится из сепарационного элемента. Газ с остаточным содержанием жидкости поступает в ∩-образный канал каплесъемника (3) и, продолжая спиральное вращательное движение, выводится на внешнюю поверхность обечайки (1). Специальные направляющие (8) облегчают отвод капельной жидкости с кромки каплесъемника (3) на наружную поверхность обечайки (1). Под действием силы тяжести жидкость стекает вниз по образующей обечайки (1), а очищенный газ объединяется с основным потоком газа. Основной поток газа, отделенный от жидкости, выходит из элемента через кольцевое отверстие, образованное наружной поверхностью каплесъемника (3) и полым телом (4). Часть жидкости, которая при поступательно-вращательном движении газового потока осела на наружную поверхность полого тела (4), коалесцируется на мелкоячеистой сетке для разрушения потоков пленки жидкости (6), закрепленной на наружной образующей поверхности полого тела (4) в нижней его части. По мере укрупнения капель их будет срывать газовый поток, спирально поднимающийся вверх и отбрасывать на внутреннюю поверхность обечайки (1). Мелкие капли жидкости будут двигаться снизу-вверх по наружной поверхности полого тела (4), пока не достигнут перфорации (7). По достижении краев отверстий перфорации (7) капли жидкости будут всасываться внутрь полого тела (4) из-за образования в нижней его части зоны пониженного давления газового потока. Таким образом, будет ликвидироваться возможный "вторичный" унос мелкодисперсной жидкости.
Ниже подробно разобраны и проиллюстрированы наиболее предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.
Каплесъемник (3) размещен над кромкой обечайки (1) и выполнен в виде усеченного тора с вертикальными бортовыми поверхностями. Эти поверхности образуют с внешней и внутренней образующими обечайки сообщающиеся ∩-образные каналы. На внешней образующей поверхности обечайки установлены направляющие (8), ориентированные в сторону закручивания потока завихрителем. Они представляют собой отрезки проволоки, которые присоединены одним концом к внешней поверхности обечайки (1), а другим концом - к краю наружной бортовой поверхности каплесъемника (3). В днище завихрителя (2) выполнены прорези, которые представляют сбой лопатки, направляющие газовый поток под определенным углом. Сам завихритель (2) может быть выполнен в виде усеченного конуса.
За счет увеличения внутреннего диаметра каплесъемника (3) уменьшается ∩-образный канал между внутренней поверхностью обечайки (1) и внутренней вертикальной бортовой поверхностью каплесъемника (3) до 2-4 мм или до величины на 50-100% больше толщины пленки отсепарированной жидкости (см. фиг. 2). Из фиг. 2 также видно, что стенка обечайки (1) не совпадает с осью симметрии торообразной части каплесъемника (3). Такое конструктивное исполнение уменьшает количество вторичного газа, выходящего через каплесъемник (3), соответственно уменьшается возможность срыва капель отсепарированной жидкости с наружной бортовой поверхности каплесъемника (3).
Кроме того, за счет увеличения внутреннего диаметра каплесъемника (3) (уменьшения размера зазора) увеличивается площадь центрального отверстия для выхода основного потока отсепарированного газа, что соответственно влечет за собой снижение гидравлического сопротивления сепарационного элемента.
В предлагаемой конструкции сепарационного элемента предлагается ликвидировать газоподводящие патрубки, которые используют в сепарационных элементах, раскрытых в патентах на изобретение №2140317 и №2401156 (прототип). Жесткость соединения цилиндрической обечайки (1) центробежного сепарационного элемента и полого тела (4) обеспечивают за счет крепления их сваркой друг к другу с помощью пластин, например Г-образных пластин (5).
Полое тело (4), диаметр которого составляет 0,3-0,5 диаметра обечайки (1), представляет собой трубку, состоящую из цилиндрической и конической частей (см. фиг. 2). На наружной образующей поверхности полого тела (4) в нижней его части закреплена мелкоячеистая сетка для разрушения потоков пленки жидкости (6). Верхний торец полого тела (4) закрыт герметичной крышкой и расположен выше обечайки (1) на расстоянии, равном 0,5-1,0 диаметра обечайки, считая от верхней кромки каплесъемника (3). Нижний торец в конической части не заглушен. На расстоянии от верхнего торца, равном диаметру полого тела, имеется перфорация (7), выполненная в виде отверстий определенного диаметра, размещенных в шахматном порядке с соответствующим шагом. Длина этой перфорации (7) по образующей полого тела (4) составляет 14-16 мм или 0,14-0,16 диаметра обечайки (1). Аналогичная перфорация (7) расположена на расстоянии равном 0,25 диаметра полого тела (4) от верхнего края мелкоячеистой сетки для разрушения потоков пленки жидкости (6), расположенной в нижней части полого тела (4). Длина второй перфорации зоны по образующей полого тела (4) также равна 14-16 мм или 0,14-0,16 диаметра обечайки (1). Суммарная площадь отверстий перфорированных зон должна быть больше или равна площади отверстия конической части полого тела (4).
Для отвода капельной жидкости с каплесъемника (3) на наружную поверхность обечайки (1) предусмотрены специальные направляющие (8). Они выполнены в виде отрезков металлической проволоки и расположены по окружности каплесъемника (3). Угол наклона этих направляющих (8) для отвода капельной жидкости соответствует углу движения жидкости при ее выходе из каплесъемника (3) (см. фиг. 2).
Днище завихрителя (2) может быть изготовлено с прорезями в виде треугольных профильных лопаток, при этом газовый поток, входящий в сепарационный элемент, получает дополнительное закручивание. В таком исполнении завихрителя (2) будут более эффективно использоваться и боковая и торцевая его поверхности, увеличивая тем самым его пропускную способность и, соответственно, понижая гидравлическое сопротивление сепарационного элемента в целом.
Кроме того, треугольные профильные лопатки в днище завихрителя (2), сориентированные в ту же сторону, что и направляющие в его боковой поверхности, имеют тот же угол наклона, что и направляющие в боковой поверхности завихрителя (2).
Возможно выполнение завихрителя (2) в виде усеченного конуса, что позволяет уменьшить влияние сторонних завихрений при входе газожидкостного потока в сепарационный центробежный элемент, тем самым дополнительно понижая гидравлическое сопротивление сепарационного элемента.
Таким образом, заявляемая совокупность признаков сепарационного центробежного элемента позволяет повысить эффективность разделения газожидкостного потока по сравнению с анализируемым прототипом.
3
3
Эффективность центробежной сепарации проверена экспериментальными исследованиями вторичного уноса жидкости с газом в сепарационном центробежном элементе предлагаемой конструкции. Эксперименты проводились на модельном газожидкостном потоке с регулируемым расходом и дисперсностью жидкой фазы. Для определения источников вторичного уноса использовался метод визуализации газокапельного потока с применением лазерного сканирования. Проведены экспериментальные исследования работы сепарационного элемента. Получены зависимости остаточного содержания капельной жидкости в потоке выходящего газа от расхода газа после внедрения конструктивных факторов, проведен анализ их эффективности. Сепарационный центробежный элемент по настоящему изобретению позволяет достигать остаточного содержания влаги и механических примесей на уровне до 1-3 мг/м, тогда как сепарационный элемент по прототипу обеспечивает остаточное содержание влаги и механических примесей не менее 5-10 мг/м.