ВИХРЕВОЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР
VORTEX CENTRIFUGAL SEPARATOR

Изобретение относится к конструкциям возвратно-прямоточных сепараторов, которые применяются в процессах очистки природного газа, разделения двухфазных сред, преимущественно газ-жидкость, и может найти применение во всех технологических процессах в нефтяной, газовой, химической и других смежных отраслях промышленности.
Известно устройство для очистки газообразных сред от взвешенных частиц, содержащее цилиндрический корпус с размещенным тангенциально в его верхней части штуцером ввода запыленной газообразной среды, осевым отводящим патрубком для вывода очищенной газообразной среды, съемным бункером для сбора взвешенных частиц (Патент РФ №2231396, МПК B04C 5/12, опубл. 27.06.2004 г.). В этом устройстве осевой отводящий патрубок снабжен съемной крышкой, на которой смонтирован винтовой завихритель, обладающий возможностью вертикального перемещения. Лопасти завихрителя размещены с дифференцированным шагом, уменьшающимся по ходу движения пылегазовой среды в отводящем патрубке и под углом, превышающим угол естественного откоса улавливаемого загрязнения, обеспечивая при этом попутное с корпусом направление закрутки газового потока внутри отводящего патрубка. Выходной штуцер расположен тангенциально к отводящему патрубку.
В этом устройстве пылегазовая среда подается в цилиндрический корпус через размещенный тангенциально штуцер, под действием центробежных сил частицы отбрасываются к стенке корпуса и, выпадая из потока, оседают в бункере для сбора взвешенных частиц. Очищенный газообразный поток разворачивается на 180° и отводится из аппарата через штуцер вывода осевого отводящего патрубка. В устройстве создается дополнительное вращательное движение газопылевого потока в зоне отводящего патрубка.
Данное устройство работает недостаточно эффективно, так как попадающие на лопасти винтового завихрителя частицы, а также частицы, отсепарированные на стенке отводящего патрубка, движутся в бункер в направлении, противоположном движению очищенного газового потока, и отсутствуют элементы, отделяющие поток отсепарированной дисперсной фазы от газового потока в этой области, что приводит к захвату отсепарированных частиц газовым потоком и увеличению вторичного уноса.
Наиболее близким к заявленному по технической сущности и достигаемому результату является пылеуловитель, содержащий вертикально расположенный цилиндрический корпус, в верхней части которого размещен тангенциальный патрубок для ввода потока, выхлопной патрубок для отвода газа и патрубок для удаления дисперсной фазы в нижней части корпуса, по образующим внутренней поверхности корпуса, в направлении входного потока загрязненного газа, выполнены уступы, а в нижней части корпуса соосно установлена обечайка, отделяющая пространство у стенок корпуса от центральной части (Патент РФ №2174452, МПК B04C 5/103, опубл. 10.10.2001 г.). Пространство внутри обечайки сообщено с полостью внутреннего цилиндра, расположенного над обечайкой, и далее через выхлопной патрубок сообщено с устройством для отвода очищенного газа.
Данное устройство несмотря на эффективный отвод крупно- и среднедисперсных частиц за счет установки уступов имеет недостаток, который заключается в недостаточно эффективной сепарации мелкодисперсной части дисперсной фазы в пространстве внутри внутреннего цилиндра, где отсутствуют какие-либо устройства для отвода или улавливания мелкодисперсных частиц.
Задачей изобретения является повышение эффективности улавливания из двухфазных потоков мелкодисперсных частиц.
Увеличение эффективности улавливания мелкодисперсных частиц достигается за счет отклонения направления газожидкостного потока от вертикального внутри внутреннего цилиндра к внешней стенке полых усеченных конусов за счет обтекания обратного конуса, создания в области усеченного конуса устойчивого вихревого образования, в котором происходит интенсивное турбулентное движение, в результате которого происходит коалесценция мелких капель с образованием капель более крупного размера; создания застойной области между корпусом и полым усеченным конусом около щелей, в которой обеспечивается устойчивое движение слоев газа, насыщенных капельной жидкостью, с вовлечением в него слоев отсепарированной (в результате вращательного движения газожидкостного потока) на внутренней поверхности внутреннего цилиндра жидкости к щелям и отвод через них на внешнюю поверхность внутреннего цилиндра; предотвращения вторичного уноса капель жидкости, стекающих по внешней поверхности внутреннего цилиндра за счет установки отсекателей, препятствующих попаданию газожидкостного потока, движущегося между корпусом и внешней поверхностью внутреннего цилиндра, к щелям, что могло служить препятствием выходу газового потока, насыщенного каплями, из щелей.
Эффективное разделение двухфазного потока обеспечивается отводом отсепарированной жидкости в патрубок для слива жидкости с помощью желоба и переливных трубок, по которым она стекает вниз.
Указанная задача достигается тем, что в вихревом центробежном сепараторе для разделения двухфазного потока, преимущественно газожидкостного, вертикально расположен цилиндрический корпус, в верхней части которого размещен тангенциальный патрубок для ввода потока, выхлопной патрубок для отвода газа, патрубок для удаления дисперсной фазы в нижней части корпуса и внутренний цилиндр, согласно изобретению внутренний цилиндр снабжен закрепленными к его стенке полыми усеченными конусами и обратными конусами, расположенными с зазором к стенке, причем обратные и полые усеченные конуса установлены с чередованием друг друга, над местами крепления полых конусов в стенке выполнены щели, расположенные в шахматном порядке относительно щелей над соседним полым конусом, а на внешней поверхности стенки с зазором к ней над каждой щелью закреплены отсекатели, при этом у нижнего торца внутреннего цилиндра размещен кольцевой желоб для сбора жидкости с переливными трубами.
Схематично на фиг.1 изображен вихревой центробежный сепаратор, на фиг.2 и 3 - разрезы по А-А и Б-Б.
Вихревой центробежный сепаратор содержит вертикально расположенный цилиндрический корпус 1, в верхней части которого размещен тангенциальный патрубок для ввода потока 2, выхлопной патрубок для отвода газа 3 и патрубок для удаления дисперсной фазы 4 в нижней части корпуса. Сепаратор снабжен внутренним цилиндром 5, внутри которого с зазором к стенке расположены обратные конусы 6, а также полые усеченные конусы 7, прикрепленные к стенке. Обратные 6 и полые усеченные 7 конусы установлены с чередованием друг друга. Над местами крепления полых конусов в стенке выполнены щели 8, расположенные в шахматном порядке относительно щелей над соседним полым конусом. На внешней поверхности стенки с зазором к ней над каждой щелью закреплены отсекатели 9. У нижнего торца внутреннего цилиндра 5 расположен кольцевой желоб 10 для сбора жидкости с переливными трубами 11. К обратным конусам 7 прикреплены пластины 12, которые установлены на кольца 13, закрепленные к стенке внутреннего цилиндра 5.
Устройство работает следующим образом. Газожидкостный поток поступает в аппарат через тангенциально расположенный к корпусу 1 сепаратора патрубок 2. Под действием центробежной силы крупные капли движутся к боковым стенкам корпуса 1 и осаждаются на них. В нижней части корпуса 1 газожидкостный поток разворачивается и входит внутрь внутреннего цилиндра 5. При этом газожидкостный поток отклоняется от вертикали, обтекая обратный конус 6. Далее газожидкостный поток движется к внешней стенке полого усеченного конуса 7, при этом в области усеченного конуса 7 образуется устойчивое вихревое образование и интенсивное турбулентное движение, в результате которого происходит коалесценция мелких капель с образованием капель более крупного размера. Далее газожидкостный поток отклоняется к центру и сталкивается со следующим обратным конусом 6, который отклоняет газовый поток снова к периферии к следующему полому усеченному конусу 7, вблизи которого образуется тороидальное вихревое образование с турбулентным движением, в котором также происходит коалесценция капель. Вследствие того что газожидкостный поток вращается внутри внутреннего цилиндра 5, слои газа, насыщенные капельной жидкостью, примыкают к внутренней поверхности внутреннего цилиндра 5 и далее движутся вниз к щелям 8, проходят через них и попадают в область между внутренним цилиндром 5 и корпусом 1. Крупные капли стекают по внешней поверхности внутреннего цилиндра 5, попадают в кольцевой желоб 10, далее по переливным трубкам 11 стекают в нижнюю часть корпуса 1. Вследствие того что над каждой щелью 8 закреплены отсекатели 9, газожидкостный поток, проходящий между корпусом 1 и внешней поверхностью внутреннего цилиндра 5, не попадает к щелям 8 и не препятствует выходу газового потока, насыщенного каплями, из щелей 8. В то же время вращающийся газожидкостный поток, движущийся с большой скоростью вдоль отсекателя 9 с внешней стороны внутреннего цилиндра 5, создает эжекционный эффект, вытягивающий газовый поток, насыщенный каплями, из щели 8. Между корпусом 1 и полым усеченным конусом 7 создается застойная область, в которой газовый поток слабо подвижен. В результате через щели 8 происходит устойчивое движение газового потока, насыщенного жидкими каплями, и в этот газовый поток вовлекаются слои жидкости, примыкающие к внутренней поверхности внутреннего цилиндра 5. Очищенный газовый поток удаляется через выхлопной патрубок для отвода газа 3, а отсепарированная жидкость - через патрубок для удаления дисперсной фазы 4.
Установка обратных конусов 4 позволяет отклонить направление движения газожидкостного потока от вертикального внутри внутреннего цилиндра 5 к внешней стенке полого усеченного конуса за счет обтекания обратного конуса для создания тороидального вихревого образования вблизи полого усеченного конуса.
Установка полых усеченных конусов 7 позволяет:
а) создать застойную область между корпусом 1 и полыми усеченными конусами, в которой создается движение слоев газа, насыщенного каплями жидкости, и отсепарированной на внутренней поверхности внутреннего цилиндра жидкости к щелям 8;
б) образовать устойчивое вихревое образование вблизи расположения полого усеченного конуса, в котором происходит интенсивное турбулентное движение и коалесценция мелких капель с образованием капель более крупного размера.
Установка кольцевого желоба 10 позволяет собирать жидкость, стекающую со стенок внутреннего цилиндра 5.
Снабжение внутреннего цилиндра 5 щелями 8 позволяет обеспечить отвод жидкости, отсепарированной и стекающей на внутренней поверхности внутреннего цилиндра 5.
Установка отсекателей 9 позволяет создать запор и исключить возможность вторичного уноса капель жидкости, попавших на внешнюю поверхность внутреннего цилиндра 5.
Предлагаемая конструкция вихревого центробежного сепаратора позволяет расширить сферу применения центробежных сепараторов, повысить эффективность разделения двухфазных потоков до 95%, она проста в изготовлении и может быть получена при реконструкции известных сепараторов согласно изобретению путем установки полых усеченных конусов, обратных конусов во внутреннем пространстве внутреннего цилиндра, отсекателей, щелей в стенке внутреннего цилиндра, позволяющих повысить эффективность разделения двухфазного потока.