ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к устройствам для очистки газа от жидких аэрозолей с использованием центробежных сил, возникающих при закручивании газожидкостного потока, и может быть использована в газовой, газоперерабатывающей, химической и нефтяной промышленности.
6
Известен центробежный сепарационный элемент (см. патент РФ на изобретение №2140317, МПК B01D 45/12, опуб. 27.10.1999 в ОБ №30), включающий обечайку с ловушкой отделенной жидкости и завихритель, при этом 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 известного и предлагаемого устройств являются:
- обечайка;
- ловушка отделенной жидкости;
- завихритель.
Недостатком известного устройства является повышенное гидравлическое сопротивление и низкая эффективность разделения газа и жидкости вследствие образования в нижней части завихрителя и на его выходе циркуляционных токов и застойных зон, не позволяющих использовать рабочую поверхность в полной мере.
6
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является центробежный сепарационный элемент (см. патент РФ на полезную модель №99990, МПК B01D 45/12, опуб. 10.12.2010 в ОБ №34), включающий обечайку с ловушкой отделенной жидкости, завихритель и вытеснитель, при этом в центре завихрителя установлен конусообразный направляющий элемент, а вытеснитель выполнен каплеобразной остроконечной формы, расширяющейся по направлению движения потока, кроме того обечайка имеет сужение в нижней части.
Общими признаками известного и предлагаемого устройств являются:
- обечайка с ловушкой отделенной жидкости и завихрителем;
- обечайка имеет суженный участок, соединенный с переходными участками, один из которых выполнен в виде конфузора, соединенного с завихрителем, а другой участок выполнен в виде диффузора.
Недостатком известного устройства является недостаточно эффективное разделение газа и жидкости вследствие того, что частицы жидкости, падая на поверхность проточной части устройства и ударяясь об нее, отскакивают на поверхность вытеснителя, после чего пленкой направляются вверх, где смешиваются с очищенным газом. Кроме того, направляющий конусообразный элемент неустойчиво работает на нестационарных режимах.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение эффективности очистки газа от жидкости.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в центробежном сепарационном элементе, включающем обечайку с ловушкой отделенной жидкости и завихрителем, имеющую суженный участок, который соединен с переходными участками, один из которых выполнен в виде конфузора, соединенного с завихрителем, а другой участок выполнен в виде диффузора, согласно полезной модели ловушка отделенной жидкости установлена над открытым торцом диффузора, кроме того угол сужения конфузора составляет не более 15 градусов, угол расширения диффузора составляет не более 10 градусов, а отношение длины суженного участка обечайки к ее диаметру находится в пределах от 0 до 1.
Заявляемая совокупность признаков позволяет повысить эффективность очистки газа от жидкости и исключить унос осевших капель жидкости с газовым потоком за счет организации безотрывного режима течения потока в пристеночной зоне центробежного сепарационного элемента, а в приосевой зоне - квазитвердого течения.
Заявляемые диапазоны факторов (угол сужения конфузора, угол расширения диффузора, отношение длины суженного участка обечайки к ее диаметру), полученные опытным путем, позволяют формировать гидродинамические режимы, обеспечивающие эффективное отделение газа от аэрозолей в центробежном поле.
На фиг. 1 представлен предлагаемый центробежный сепарационный элемент, на фиг. 2 - график уноса аэрозолей с газом в зависимости от расхода воздуха.
Центробежный сепарационный элемент состоит из обечайки 1, ловушки отделенной жидкости 2 и завихрителя 3. Обечайка 1 имеет суженный участок 4, который соединен с переходными участками, один из которых выполнен в виде конфузора 5, соединенного с завихрителем 3, а другой участок выполнен в виде диффузора 6. Ловушка отделенной жидкости 2 установлена над открытым торцом 7 диффузора 6.
Угол сужения конфузора 5 составляет не более 15 градусов. Угол расширения диффузора 6 составляет не более 10 градусов. Отношение длины суженного участка 4 обечайки 1 к диаметру обечайки 1 находится в пределах от 0 до 1.
Центробежный сепарационный элемент работает следующим образом.
Газожидкостный поток поступает внутрь завихрителя 3, где под действием центробежных сил, возникающих за счет наклонного расположения лопаток, закручивается, далее делится на центральный газовый поток с зоной пониженного давления и периферийный газожидкостный поток с зоной повышенного давления, после чего поступает в конфузор 5, выполненный с углом сужения не более 15 градусов. В конфузоре 5 происходит выравнивание полей скоростей (осевой и тангенциальной) и формирование центробежного поля требуемых параметров (без отрывочного пристеночного течения и без возвратных вихрей приосевого течения).
Пройдя конфузор 5, закрученный поток поступает в суженный участок 4, в котором критерий Маха (отношение скорости потока в суженном участке к местной скорости звука) прямолинейного движения поддерживается на уровне 0,1<M<0,5, где M - критерий Маха.
Сформированный закрученный поток после суженного участка 4 поступает в диффузор 6, выполненный с углом расширения не более 10 градусов, в котором происходит снижение скорости, частичное восстановление давления потока и плавный переход пленки жидкости через ловушку отделенной жидкости 2 на внешнюю поверхность обечайки 1 центробежного сепарационного элемента. Очищенный газ в квазитвердом состоянии выводится через открытый торец 7 диффузора 6 и центральное отверстие ловушки отделенной жидкости 2.
Заявляемое устройство испытывалось на гидродинамическом стенде ОАО «НИПИгазпереработка» на аэрозоли воздух - растительное масло. Был изготовлен опытно-промышленный образец профилированного центробежного сепарационного элемента диаметром 50 мм, диаметром суженной части 39 мм, углом сужения конфузора 15 градусов, углом расширения диффузора 10 градусов, отношением длины суженной части обечайки к ее диаметру равным 1.
Параметры процесса:
Расход воздуха (в пределах)
100-600 м<sup>3</sup>/ч
Содержание в воздухе растительного масла (аэрозоли)
100 мг/м<sup>3</sup>
Дисперсность аэрозолей масла
6 мкм
Рабочее давление
1,15 кгс/см<sup>2</sup>
Рабочая температура
20°C
Плотность масла
890 кг/м<sup>3</sup>
Поверхностное натяжение
0,03 н/м
Динамическая вязкость
0,006 Па×с
3
3
Исходная смесь подавалась в тангенциальный завихритель 3, где закручивалась, образуя центробежное поле, после чего направлялась в конфузор 5, в котором выравнивались поля скоростей (осевой и тангенциальной) и формировалось центробежное поле. Критерий Маха колебался в пределах 0,1 (расход 100 м/ч) - 0,5 (расход 600 м/ч). Пройдя конфузор 5 и суженный участок 4 обечайки 1, сформированный закрученный поток подавался в диффузор 6. После чего осевшие капли аэрозолей и очищенный газ через ловушку отделенной жидкости 2 раздельно выводились из зоны действия центробежных сил.
Также были испытаны опытно-промышленные образцы профилированного центробежного сепарационного элемента с углом сужения конфузора 8 и 20 градусов, углом расширения диффузора 6 и 15 градусов, соотношением длины суженной части обечайки к ее диаметру 0,5 и 1,5.
Опыты показали, что образцы с углом сужения конфузора не более 15 градусов, углом расширения диффузора не более 10 градусов и отношением длины суженной части обечайки к ее диаметру не более 1 позволяют эффективно отделить в центробежном поле газ от аэрозолей. С увеличением угла сужения конфузора, угла расширения диффузора и соотношения длины суженной части обечайки к ее диаметру эффективность отделения газа от аэрозолей начинала снижаться за счет формирования отрывочного пристеночного течения и возвратных вихрей приосевого течения.
3
На фиг. 2 представлена экспериментально полученная зависимость уноса аэрозолей с газом после его очистки в зависимости от расхода воздуха, где 1 - предлагаемое устройство, 2 - прототип (патент №99990), 3 - аналог (патент №2140317). Как видно из графика, на всех режимах унос аэрозолей с газом после его очистки предлагаемым центробежным сепарационным элементом не превышает 1 мг/м, что превышает эффективность известных устройств по патентам №2140317 и №99990.