ВЕРТИКАЛЬНЫЙ СЕПАРАТОР ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ ГАЗ-ЖИДКОСТЬ ТИПА "ТУМАН"
VERTICAL SEPARATOR FOR SEPARATION OF INHOMOGENEOUS GAS-LIQUID SYSTEMS OF “MIST” TYPE

Изобретение предназначено для разделения неоднородных систем газ-жидкость типа «туман» на газовую и жидкую фазы и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, газовой, нефтехимической, химической, пищевой и других отраслях промышленности для разделения газожидкостных смесей, например, при разделении продуктов регенерации абсорбента в десорбере, сверху которого выходит извлеченный ранее в абсорбере из основного потока газовый компонент, например пропан, который загрязнен мелкодиспергированным абсорбентом после интенсивного контакта системы газ-жидкость на тарелках в десорбере.
Вертикальный сепаратор для улавливания мелкодисперсных и аэрозольных жидких частиц из газового потока может быть использован в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности.
Известно ударно-инерционное устройство для очистки газа от мелкодисперсных и аэрозольных жидких частиц из газового потока, включающее вертикальный корпус, входной, выходной и сливной патрубки, перегородки, центральную трубу и сепарационный узел, который содержит вертикальную и горизонтальную сплошные перегородки, соединенные между собой и корпусом и отделяющие полость неочищенного газа от полости очищенного газа, отбойник для разделения потока очищаемого газа и направления его в верхнюю и нижнюю секции центростремительного сепарационного узла с лопатками, при этом потокам очищаемого газа придается тангенциально противоположное направление, поскольку лопатки в верхней секции расположены против часовой стрелки, а в нижней секции - по часовой стрелке (Ударно-инерционное устройство для очистки газа: патент 2528675 РФ №2012139723/05; заявл. 17.09.12; опубл. 20.09.14). Основным недостатком данного устройства является низкая эффективность отделения газовой фазы от мелкодисперсных и аэрозольных частиц в связи с тем, в аппарате невозможно развить большую центробежную силу, которая могла бы вывести микрокапли жидкости из газового потока, и в связи с заявленной геометрией он будет работать хуже циклонного аппарата. Циклоны обычно обеспечивают степень очистки газа от микрокапель аэрозоля на уровне всего 50-70% при обычной скорости движения газовых потоков в подводящих газ трубопроводах 20-30 м/с и тангенциальном вводе газа в корпус циклона с обеспечением закручивания за счет этого очищаемого потока в большей части объема корпуса циклона, а в данном устройстве, во-первых, закручивание очищаемого потока осуществляется лопатками только в незначительной части объема корпуса аппарата, где расположены лопатки, и, во-вторых, предлагаемое в изобретении изменение направления вращения газового потока при его переходе из верхней секции в нижнюю означает, что в незначительной по объему зоне завихрения газового потока в аппарате возникают участки с уменьшенной вплоть до нуля скорости вращения.
Известен сепаратор для разделения газожидкостной смеси с выделением диспергированной нефти, воды из углеводородных газов, включающий вертикальный цилиндрический корпус, патрубки входа и выхода разделенной продукции скважин и собственно сепарационный узел в виде установленной внутри сепаратора наклонной винтовой перегородки, выполненной в виде диффузора, образованного расходящимися винтовыми лопастями и цилиндрической стенкой аппарата
(Сепаратор: патент 2046632 РФ №92002591/26; заявл. 27.10.92; опубл. 27.10.95). Недостатком данного изобретения является ошибочное базовое положение о том, что «за счет расхождения по вертикали винтовых лопастей происходит расширение газожидкостного потока, что приводит к более интенсивному выделению газовой фазы», поскольку при расширении потока уменьшается скорость его движения и в силу неразрывности потока сплошной газовой фазы, при этом в ней возникает локальное увеличение давления и плотности, снижающее скорость выхода жидких капель из газового потока в силу уменьшения движущей силы разделения.
Известен также газовый сепаратор, включающий корпус, штуцер ввода неочищенного газа, штуцер вывода очищенного газа, штуцер для откачки выделенной из газа жидкости и сепарационные элементы, выполненные в виде лабиринта заслонок разной высоты с нижними открытыми зонами и с размещением длинных заслонок ниже уровня жидкости в сепараторе с размещением каждой короткой заслонки вблизи от ближайшей длинной заслонки по ходу газа, при этом на выходе из лабиринта заслонок расположен инерционный каплеуловитель в виде пластин, расположенных под переменными углами к направлению потока газа, газовый сепаратор дополнительно снабжен секцией, изолированной от общего объема сепаратора гидрозатвором и металлической вертикальной сеткой, штуцер вывода очищенного газа расположен в корпусе в изолированной секции, а штуцер ввода неочищенного газа соединен с лабиринтом заслонок (Газовый сепаратор: патент 2510736 РФ №2012148576/05; заявл. 15.11.12; опубл. 10.04.14). Недостатками данного изобретения являются:
•  низкая эффективность инерционного отделения капель жидкой фазы от газового потока, поскольку при низкой скорости газового потока и капель, диспергированных в нем, фактор инерционности превращается в малозначимый, а низкая скорость газового потока в зоне инерционного разделения в лабиринте мала, поскольку газовый поток с жидкими каплями движется по входному трубопроводу со скоростью 20-30 м/с, а входя в расширенную по сравнению с трубопроводом конструкцию сепаратора в зоне лабиринта, скорость потока уменьшится на порядок;
•  о низком качестве сепарирования свидетельствует и наличие сетки в секции отвода очищенного газа, на которой «остаются самые мелкие частицы жидкости», при этом в секции отвода газа «оседает туман из самых мелких частиц жидкости на дно секции», что неизбежно будет означать выход «тумана», то есть тонкодиспергированной жидкой фазы, с потоком «очищенного» газа из сепаратора;
•  высокая материалоемкость конструкции газового сепаратора, поскольку совокупность сепарационных элементов газового сепаратора занимает незначительную часть объема аппарата.
При создании изобретения ставилась задача разработки универсальной конструкции вертикального сепаратора для разделения неоднородных систем таких, как газ-жидкость типа «туман».
Поставленная задача может быть решена за счет того, что в вертикальном сепараторе для разделения неоднородных систем газ-жидкость типа «туман» на газовую и жидкую фазы, включающем вертикально-цилиндрический корпус, штуцер ввода неоднородной системы, штуцер вывода газовой фазы, штуцер для вывода жидкой фазы и сепарационные элементы, которые представляют собой пакеты регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, образующие в корпусе вертикальную стенку, состоящую по крайней мере из двух секций, сопряженных с вертикальным цилиндрическим корпусом емкости и горизонтальными сегментными перегородками, также сопряженными с вертикальным цилиндрическим корпусом, смежные гофрированные проницаемые пластины контактируют между собой вершинами гофров, а в нижней части вертикального цилиндрического корпуса емкости расположена секция сбора выделенной из газа жидкости, соединенная переливными трубами и с горизонтальными сегментными перегородками. Для разделения неоднородной системы газ-жидкость типа «туман» в сепараторе используют пакеты регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, в которых формируется большая поверхность разделения неоднородной системы (зеркало осветления неоднородной системы), обеспечивающая высокую производительность сепаратора. При разделении неоднородная система типа «тумана» легко проходит сквозь вертикальную стенку, составленную из пакетов регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, далее неоднородная система газ-жидкость типа «тумана» проходит слой насадки в горизонтальном направлении по синусоидальной траектории за счет несоосности отверстий гофрированных проницаемых пластин, таким образом, в потоке возникает центробежная сила, отбрасывающая капли жидкости на поверхность гофрированных проницаемых пластин, по которым капли стекают в нижнюю часть пакета. Сегментные перегородки формируют гидрозатвор между секциями. При этом секции стенки в нормальном сечении могут иметь форму полосы, двойной полосы или креста, что обеспечивает оптимизацию размеров сепаратора по высоте аппарата или по проходному сечению стенки, например, нормальное сечение стенки в виде одной полосы позволяет обеспечить оптимальные проходные сечения раздельно для паровой и жидкой фаз при их умеренных расходах, двойная полоса целесообразна при большом расходе газа и низком избыточном давлении газа для преодоления гидравлического сопротивления сепаратора, сечение в виде креста целесообразно при низком расходе газа и достаточно высоком избыточном давлении газа для преодоления гидравлического сопротивления сепаратора.
Для повышения качества разделения неоднородной системы целесообразно, чтобы верхняя из смежных стенок по ходу потока очищаемого газа имела более мелкую перфорацию гофрированных проницаемых пластин по сравнению с нижней секцией, тогда в нижних секциях при уменьшенном из-за крупной перфорации гидравлическом сопротивлении будут преимущественно осаждаться крупные капли жидкой фазы, а в верхних секциях с более мелкой перфорацией гофрированных проницаемых пластин будут удерживаться более мелкие капли жидкой фазы, хотя при этом несколько возрастает гидравлическое сопротивление.
Целесообразно, чтобы гофрированные проницаемые пластины имели угол наклона гофра к горизонтали 40-60 градусов, что обеспечит устойчивый пленочный поток образующейся жидкой фазы по их поверхности при одновременном увеличении пути и времени пребывания пленки на гофрированной проницаемой пластине, и, соответственно, в пакете гофрированных проницаемых пластин в 1,15-1,4 раза больше, чем при вертикальном расположении гофрированных проницаемых пластин. Полезно, чтобы гофрированные проницаемые пластины были выполнены из экспанзированной пластины толщиной 0,1-0,5 мм с образованием ромбовидных ячеек-отверстий с размером 3-8 мм и толщиной ребра 0,5-2,0 мм, что повышает технологичность изготовления гофрированных проницаемых пластин, снижает металлоемкость конструкции сепаратора, а ромбовидность отверстий в гофрированных проницаемых пластинах способствует интенсивному разрыву стекающей пленки в вершинах острых углов ромбовидных отверстий и дополнительному увеличению ее поверхности по сравнению с обычной перфорацией в виде круглых отверстий.
Во избежание «слипания» проницаемых пластин между собой по линии гофра целесообразно, чтобы гофры смежных гофрированных проницаемых пластин были смещены на 90 градусов и контактировали между собой вершинами гофров, образуя полости, геометрические размеры которых в 3-5 раз больше, чем ребро ромбовидных ячеек-отверстий гофрированных проницаемых пластин, например, при экспанзировании на одном гофре по вертикали и горизонтали по трем или четырем ромбовидным ячейкам-отверстиям с острым углом 60 градусов и величиной ребра ромбовидной ячейки а размер полости между гофрами по вертикали и горизонтали составит при толщине ребра 1 мм соответственно (3,75а + 3 мм) и (3а + 3 мм) для трех ячеек, (5a + 4 мм) и (4а + 4 мм) для четырех ячеек.
Целесообразно также, чтобы гофрированные проницаемые пластины фиксировались между собой в пакете при помощи точечной электросварки или сшивались спицами с заглушенными торцами, что обеспечит, с одной стороны, простоту сборки пакета, а с другой - его конструктивную прочность.
Конструкция вертикального сепаратора для разделения неоднородных систем газ-жидкость типа «туман» в разрезе представлена на фигуре 1 и включает следующие элементы:
1 - вертикально-цилиндрический корпус;
2 - штуцер ввода неоднородной системы;
3 - штуцер вывода газовой фазы;
4 - штуцер вывода жидкой фазы;
5 - вертикальная стенка;
6 - горизонтальная сегментная перегородка;
7 - переливные трубы.
Неочищенная неоднородная система газ-жидкость типа «туман», в которой в сплошной газовой фазе диспергированы капли жидкости различного размера, через штуцер ввода неоднородной системы 2 поступает в корпус вертикального цилиндрического сепаратора 1, далее движется снизу вверх, проходя через вертикальную стенку 5, представляющую собой три секции сепарационных элементов, собранные из пакетов, состоящих из гофрированных проницаемых пластин; пакеты сопряжены с вертикальным цилиндрическим корпусом емкости 1 и горизонтальными сегментными перегородками 6. В каждой секции сепарации происходит разделение неоднородной системы газ-жидкость типа «туман» на газовую и жидкую фазы. Далее поток проходит слой насадки в горизонтальном направлении по синусоидальной траектории за счет несоосности отверстий гофрированных проницаемых пластин таким образом, что в потоке возникает центробежная сила, отбрасывающая капли жидкости на поверхность гофрированных проницаемых пластин, по которым капли стекают вниз. Выделенная из неоднородной системы газ-жидкость типа «тумана» жидкая фаза стекает по поверхности гофрированных проницаемых пластин на основание пакета и собирается на горизонтальных сегментных перегородках 6, соединенных с переливными трубами 7, по которым далее жидкая фаза поступает в секцию сбора жидкости, находящуюся в нижней части вертикально-цилиндрического корпуса сепаратора 1. По мере перетока неоднородной системы из нижележащей в смежную вышележащую секцию диаметр выделенных капель жидкой фазы уменьшается. Очищенный газ через штуцер вывода газовой фазы 3 выводится из аппарата. Жидкость, выделенная из газа, через штуцер вывода жидкой фазы 4 откачивается из аппарата.
На фигуре 2 изображены варианты конфигурации секций стенок, представляющих собой пакеты регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, при этом секции стенки в нормальном сечении могут иметь форму полосы (а), двойной полосы (б) или креста (в).
Изменение конфигурации секции стенки в нормальном сечении обеспечивает оптимизацию размеров сепаратора по высоте аппарата или по проходному сечению стенки. Так, например, при переходе от сечения секции стенки типа одна полоса (а), которое наиболее просто формирует конструкцию сепаратора к переходу к секции стенки в форме двойной полосы (б), появляется серия вариантов решения конструкции сепаратора:
1) при сохранении высоты и диаметра сепаратора и качества очистки «тумана» можно удвоить производительность сепаратора, поскольку вдвое увеличивается проходное сечение стенки;
2) при сохранении диаметра и производительности сепаратора и качества очистки «тумана» можно уменьшить высоту сепаратора за счет того, что высота зоны сепарации уменьшится в два раза;
3) при сохранении высоты и диаметра сепаратора и его производительности можно обеспечить повышение качества очистки «тумана», так как при этом удваивается время пребывания «тумана» в сепараторе и аппарат будет улавливать в 1,4 раза более мелкие капли жидкой фазы, чем при варианте с одной полосой;
4) возможность получения серии промежуточных решений, позволяющих несколько (в 1,1-1,2 раза) уменьшить размер улавливаемых капель и улучшить качество очистки «тумана» и одновременно повысить производительность аппарата, и уменьшить высоту зоны сепарации.
Использование конфигурации секции стенки в форме креста (в) по сравнению с конфигурацией в форме двойной полосы (б) позволяет при прочих равных условиях дополнительно повысить качество очистки за счет закручивания потока «тумана» и создания локальных зон действия центробежной силы, интенсифицирующей разделение неоднородной системы.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает решение поставленной задачи - разработки универсальной конструкции вертикального сепаратора для разделения неоднородных систем газ-жидкость типа «туман» с гибкими возможностями ее оптимальной реализации.