ПРЯМОТОЧНЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ СЕПАРАТОР
DIRECT-FLOW CENTRIFUGAL GAS-LIQUID SEPARATOR

Изобретение относится к прямоточным центробежным сепараторам для отделения жидкости и твердых частиц из газожидкостного потока за счет центробежной силы и может быть использовано в газовой, нефтегазовой, химической, горнорудной промышленности, в теплоэнергетике и в других областях техники.
Известен газожидкостный сепаратор (SU 501765, опубл. 31.05.1974) [1], работающий по принципу прямоточной сепарации жидкости из газового потока. Сепаратор содержит вертикально установленный на тарелке со сливной перегородкой цилиндрический корпус с лопастным завихрителем с горизонтальными отверстиями на входе, и расположенный над цилиндрическим корпусом сепарационный патрубок с дополнительной перегородкой с установленным по центру цилиндрическим патрубком. Над диафрагменной перегородкой предусмотрены сливные отверстия, с зазором над цилиндрическим патрубком смонтирован усеченный конус, установленный на выходе из сепарационного блока.
Недостаток этой конструкции заключается в том, что как верхняя часть сепарационного блока, так и нижняя не предусмотрены работать при транспортировке газожидкостных потоков с наличием в них твердых частиц. Наличие в блоке цилиндрических участков в с одинаковыми размерами диаметров, как в верхней части сепарационного блока, так и в нижней, ограничивает расходы сепаратора при увеличении нагрузки по газовой фазе, так как спираль вращающихся потоков по высоте меняется, то есть вытягивается, следовательно, центробежные характеристики бинарного потока изменяются по пути его движения в сторону их уменьшения. Этот фактор приводит к проскальзыванию жидкостной фракции между цилиндрами, то есть к уносу жидкой фазы и твердых частиц.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является прямоточный газожидкостной сепаратор (SU 856501, опубл. 30.10.1979) [2]. Данный сепаратор содержит вертикально установленный на тарелке со сливной перегородкой цилиндрический корпус с лопастным завихрителем и с отверстиями на входе и расположенный над цилиндрическим корпусом сепарационный патрубок с диафрагмирующими элементами на выходе. С целью интенсификации сепарации тонкостенных капель из потока сепаратор снабжен дополнительной перегородкой, установленной перед сливной перегородкой над тарелкой, а стенка цилиндрического корпуса выполнена с отверстиями, расположенными выше нижнего края дополнительной перегородки, при этом сепаратор снабжен обтекателем, установленным на уровне этих отверстий.
Недостаток данной конструкции заключается в том, что как верхняя, так и нижняя части сепарационного блока не могут работать при наличии в газожидкостном потоке твердых частиц по тем же причинам, что и в сепараторе по SU 501765. Наличие в блоке цилиндрических участков  с одинаковыми размерами диаметров как в верхней части сепарационного блока, так и в нижней, ограничивает расходы сепаратора при увеличении нагрузки по газовой фазе, так как спираль вращающихся потоков по высоте меняется, то есть вытягивается, следовательно, центробежные характеристики бинарного потока изменяются по пути его движения в сторону их уменьшения. Этот фактор приводит к проскальзыванию жидкостной фракции между цилиндрами, то есть к уносу жидкой фазы и твердых частиц.
При увеличении расходов газа через сепаратор, то есть интенсификации работы известного сепаратора, после раскручивания газожидкостного потока примеси пролетят первую камеру и дальше, то есть возвращаются в цикл. При этом большое количество обратных потоков газа и завихрений создают в известном сепараторе высокое сопротивление. Известный сепаратор содержит также вертикально установленный на тарелке со сливной перегородкой цилиндрический корпус с лопастным завихрителем, что исключает возможность его работы в горизонтальном положении и ограничивает возможности его применения.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности сепарации в широком диапазоне нагрузок и расширение сферы его применения.
Для решения поставленной задачи прямоточный центробежный газожидкостный сепаратор содержит цилиндрический корпус, расположенные соосно корпусу входной и выходной сепарационные патрубки и завихритель, при этом сепарационные патрубки выполнены диаметром, меньшим внутреннего диаметра корпуса, конец входного патрубка выполнен с расширением по отношению к началу выходного патрубка с образованием внутри корпуса щелевого цилиндрического канала, завихритель установлен во входном патрубке, состоит из конуса, ориентированного вершиной навстречу газожидкостному потоку, цилиндрического патрубка, прикрепленного к основанию конуса, и из плоских пластин, смонтированных по периметру внутренней поверхности входного патрубка, расположенных под углом 25-35 градусов к образующей конуса, а между наружным диаметром выходного патрубка и наружным диаметром корпуса смонтирован цилиндрический гаситель скорости газожидкостного потока, выполненный с наружным диаметром, большим наружного диаметра корпуса сепаратора.
В предлагаемом изобретении за счет завихрителя происходит закручивание газожидкостного потока, что способствует возникновению центробежных сил, за счет разности плотностей жидкой и газовой фаз происходит разделение, при котором жидкость и твердые частицы транспортируются к внутренней поверхности входного патрубка с последующим отделением плотной фазы в сепарационной зоне.
Образованный в результате нахлестки между расширяющимся конусом в конце внутренней поверхности входного патрубка и началом наружной поверхности выходного патрубка, цилиндрический сквозной щелевой канал позволяет удалить пленочную жидкостную фазу из бинарной смеси газ-жидкость. В гасителе скорости газожидкостного потока создается избыточное статическое давление и подсос отсепарированного газового потока на выходе из сепаратора, что позволяет утилизировать объем газа, проходящий через щелевой канал.
Монтаж цилиндрического патрубка к основанию конуса в завихрителе позволяет сдвинуть область образования смерча, возникающего в центре потока в результате его вращения, от конца завихрителя до конца цилиндрического патрубка, из-за чего жидкостная фаза успевает прижаться к внутренней поверхности конуса входного патрубка за счет поверхностного натяжения и центробежной силы на пути ее движения до сквозного щелевого канала, что исключает вторичный унос жидкой фазы и твердых частиц.
Заявленный сепаратор содержит гаситель газожидкостного потока, и в отличие от прототипа, где примеси возвращаются в цикл, в заявленном сепараторе после раскручивания и разделения потока, скорость отводимого потока примесей гасится, примеси выпадают из потока и под действием собственного веса стекают в приемную емкость. При увеличении расходов газа через сепаратор, то есть интенсификации его работы, чем выше скорость прохождения газа, тем выше центробежные силы, примеси плотнее прижимаются к стенкам, отсюда выше интенсивность очистки. Следовательно, у заявленного сепаратора большая потенциальная пропускная способность, при той же возможной потере давления, что у прототипа. Отсюда меньшая металлоемкоть при равных расходах. Заявленный сепаратор может работать как при вертикальном, так и при горизонтальном расположении корпуса.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении пропускной способности сепаратора, снижении потери напора, упрощении конструкции.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен газожидкостный сепаратор в поперечном сечении; на фиг. 2 - разрез А-А.
Сепаратор состоит из горизонтального корпуса 1, входного сепарационного патрубка 2, завихрителя, состоящего из конуса 3, ориентированного вершиной навстречу газожидкостному потоку, пластин 4, наклоненных по углом 25-35 градусов к образующей конуса 3, цилиндрического патрубка 5, прикрепленного к основанию конуса 3. Входной сепарационный патрубок 2 заканчивается расширяющейся по ходу движения газожидкостного потока внутренней конической поверхностью 6. Входной сепарационный патрубок 2 и выходной сепарационный патрубок 7 имеют одинаковый диаметр, меньший внутреннего диаметра корпуса, а начало выходного патрубка 7 по наружному диаметру выполнено по форме расширяющегося конуса. Конец входного патрубка 2 и начало выходного патрубка 7 смонтированы с нахлесткой с образованием сквозного цилиндрического щелевого канала 8. В конце выходного патрубка 7 смонтирован цилиндрический гаситель газожидкостного потока 9, накопитель цилиндрической формы 10, трубопровод 11, соединяющий гаситель 9 с накопителем 10, трубопровод 12, соединяющий накопитель 10 с камерой 13, образованной в конце корпуса сепаратора 1. В нижней части накопителя 10 расположен дренажный вентиль 14.
Газожидкостный прямоточный центробежный сепаратор работает следующим образом. Неотсепарированный газожидкостный поток из магистрального газопровода по входному патрубку 2 направляется в сепаратор и транспортируется по направлению к завихрителю, состоящему из конуса 3, пластин 4, наклоненных по углом 25-35 градусов к образующим конуса 3, и цилиндрического патрубка 5, закрепленного к основанию конуса 3. Перемещаясь по расширяющейся поверхности конуса 3, газожидкостной поток попадает в пространство между наклонными пластинами 4 и этой поверхностью. При перемещении газожидкостного потока в пространстве между внутренней поверхностью входного патрубка 2, расширяющейся конической поверхностью конуса 3 и наклонными под углом 25-35 градусов пластинами 4 возникают центробежные силы. За счет разности плотностей газа и жидкости происходит их разделение. Жидкость устремляется к внутренней поверхности входного патрубка 2 и в виде пленки по спирали с незначительным количеством газа через цилиндрический канал 8 попадает в гаситель 9.
В гасителе 9 кинетическая энергия газового потока переходит в статическую, за счет чего суммарный статический напор в гасителе 9 превышает статический напор внутри выходного патрубка 7. Наличие вращательного движения газовой фазы непосредственно за завихрителем может привести к образованию смерча и втягиванию в осевую зону сепаратора определенного количества жидкой фазы, которая в дальнейшем в виде шнура транспортируется по оси сепаратора, создавая тем самым унос части жидкой фазы, снижающий эффективность сепарации. Для предотвращения этого явления цилиндрический патрубок 5 сдвигает зону начала образования смерча по оси сепаратора на величину длины цилиндра. Из-за наличия этого участка жидкая фаза успевает прижаться к внутренней поверхности входного патрубка. Наличие центробежной силы и поверхностного натяжения исключает отрыв жидкой пленки от внутренней поверхности входного патрубка, что приводит к ее удалению через цилиндрический зазор 8 к гасителю 9.
За счет разности напора газ, совместно с капельно-пленочной жидкостью по трубопроводу 11 попадает в накопитель 10, где идет разделение двухфазного потока на жидкую и газовую. Жидкость с помощью дренажного вентиля 14 удаляется из системы, а очищенный газовый поток по трубопроводу 12 поступает в камеру 13. Движение потоков по указанной схеме стало возможным за счет повышения статического давления в гасителе 9 и подсоса в камере 13.
Использование заявляемого изобретения позволяет повысить эффективность и надежность сепарации в широком диапазоне нагрузок, а также расширить сферу его применения за счет возможности как вертикального, так и горизонтального расположения корпуса.