ЭЛЕМЕНТ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАЦИОННЫЙ

Полезная модель относится к технике разделения газожидкостных потоков и может быть использована в газовой, нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности для очистки газа от жидкостей и механических примесей в газовых сепараторах и фильтрационном оборудовании, в установках очистки и подготовки газа в области газовой, нефтяной, нефтехимической, пищевой и др. промышленности.
Известны сепарационные элементы различной конструкции, снабженные ловушкой для улавливания отделенной жидкости.
Известен центробежный сепарационный элемент (патент РФ на изобретение №2140317, B01D 45/12, опуб. 27.10.1999 г. ), включающий обечайку с ловушкой отделенной жидкости и завихритель, а также установленное внутри обечайки для гашения кинетической энергии потока полое тело с газоподводящими патрубками, подсоединенными к его выступающему герметичному торцу. При этом конструкция ловушки для улавливания отделенной жидкости представляет собой кольцо с вертикальными бортами, образующими с внешней и внутренней сторонами обечайки сообщающиеся кольцевые каналы.
Недостатком такой конструкции является снижение производительности сепарационного элемента за счет организации рециркуляции части потока и повышенного гидравлического сопротивления, а также пониженная эффективность из-за ухудшения качества газового потока, проходящего через сепарационный элемент, вследствие недостаточного отделения жидкости в ловушке части газожидкостного потока (до 20%), попадающего в нее вместе с отделившейся ранее жидкостью.
Основной недостаток - высокое гидравлическое сопротивление газодисперсному потоку за счет способа придания ему вращения. Поток газа входит в обечайку сквозь тангенциальные щели в завихрителе, в то время как прямой вход закрыт крышкой.
Известен «Центробежный сепарационный элемент» по патенту РФ №2370305 на изобретение от 04.0б.2008 г, опубл. 20.10.2009.
Центробежный сепарационный элемент включает обечайку с завихрителем потока и размещенной над кромкой обечайки ловушкой отделенной жидкости, выполненной в виде кольца с вертикальными бортовыми поверхностями, образующими с внешней и внутренней сторонами обечайки сообщающиеся кольцевые каналы. Ловушка снабжена направляющими пластинами, размещенными с внешней стороны бортовой поверхности и ориентированными в направлении закручивания потока завихрителем. Вдоль свободных краев пластин выполнены карманы для улавливания и отвода жидкости, например, в виде отбортовок. Направляющие пластины выступают за пределы бортовой поверхности ловушки, выполнены с криволинейным профилем и расположены по касательной к окружности бортовой поверхности. Технический результат: повышение эффективности сепарации жидкости от газа и производительности сепарационного элемента.
Основной недостаток - высокое гидравлическое сопротивление газодисперсному потоку за счет способа придания ему вращения. Поток газа входит в обечайку сквозь тангенциальные щели в завихрителе, в то время как прямой вход закрыт крышкой.
Известен «Центробежный сепарационный элемент» по патенту РФ на полезную модель №96026 от 24.02.2010 опубл. 20.07.2010.
Центробежный сепарационный элемент включает обечайку с завихрителем потока и размещенную над кромкой обечайки ловушку отделенной жидкости, выполненную в виде кольца с вертикальными бортовыми поверхностями, образующими с внешней и внутренней сторонами обечайки сообщающиеся кольцевые каналы. Новым является то, что на внешней поверхности обечайки установлены направляющие элементы стержнеобразного вида, ориентированные в сторону закручивания потока завихрителем и присоединенные одним концом к внешней поверхности обечайки, а другим концом - к внешней бортовой поверхности ловушки. Кроме того, верхняя кромка обечайки изогнута в сторону движения потока. Кроме того, с зазором к обечайке и ловушке установлена дополнительная ловушка, по форме соответствующая ловушке отделенной жидкости.
Основной недостаток - высокое гидравлическое сопротивление газодисперсному потоку за счет способа придания ему вращения. Поток газа входит в обечайку сквозь тангенциальные щели в завихрителе, в то время как прямой вход закрыт крышкой. Закрытый прямой вход и вход газа в обечайку устройств-аналогов через тангенциальные щели неизбежно имеет высокое сопротивление, так как газ резко меняет направление движения, затрачивая на это энергию. Эти потери энергии приводят к потере давления на сепарационных устройствах.
Известно «Устройство для центробежного разделения капель жидкости» по патенту DE 2818510 (патент - аналог GB 2019 748) от 27.04.1978 г, опубл. 31.10.1979 г.
Устройство содержит корпус потока канала, статический узел с вихревыми индуцирующими лопатками и выпускной корпус, окружающий корпус канала потока и образующий с ним кольцевую разрядную камеру. Циркулирующие лопасти расположены между центральным узлом и корпусом проточного канала.
Корпус проточного канала имеет в направлении потока выходные отверстия в кольцевую выпускную камеру.
В статическом узле с вихревыми индуцирующими лопатками лопатки установлены под углом относительно осевого направления потока течения газа, который вместе с числом лопаток
определяет интенсивность закрутки потока газа. Некоторые из лопастей имеют выпускные каналы, направленные вдоль потока течения газа.
Недостатком известного устройства является то, что форма лопастей устройства имеет не аэродинамическую форму, а ловушка очень длинная, т.е. конструкция не дает возможности максимально отделить капли жидкости, а также недостатком является вторичный унос жидкости с кромок съемных щелей и кромки основного корпуса.
Известна «Фильтросепарационная насадка» по патенту РФ на полезную модель №48808 от 01.06.2005 опубл. 10.11.2005 (принят за прототип).
Фильтросепарационная насадка содержит полый цилиндрический пористый элемент с крышкой, установленной на цилиндрическом пористом элементе со стороны торца, противоположного входу в цилиндрический пористый элемент, и установленный внутри пористого элемента на входе в него завихритель потока. Крышка выполнена с центральным отверстием, завихритель потока закреплен на шпильке, пропущенной одним концом через центральное отверстие крышки, и последняя прижата к цилиндрическому пористому элементу гайкой, навинченной на этот конец шпильки, а со стороны входа в цилиндрический пористый элемент насадка в месте ее установки, например на сепарационной тарелке абсорбера, зафиксирована шпилькой посредством гайки, в которую ввинчен другой конец шпильки, при этом угол наклона выходной кромки лопатки завихрителя потока к вертикали составляет от 35° до 45°.
Основной недостаток существующих аналогов - наличие вторичного уноса капельной жидкости при высоких нагрузках по газу и высокое гидравлическое сопротивление, обусловленное резким изменением направлений движения газа и применением завихрителя с тангенциальными щелями и заглушенным входным торцом.
Техническая задача заявляемой полезной модели заключается в повышении эффективности сепарации газа от жидкости и повышении производительности сепарационного элемента.
Технический результат - снижение гидравлического сопротивления.
Расширяется диапазон скоростей газа, при которых устройство работает эффективно.
Технический результат достигается тем, что элемент центробежный сепарационный содержит цилиндрическую обечайку с установленным со стороны входного торца статическим осевым завихрителем потока, а на выходном торце - ловушку для съема жидкости и механических примесей, выполненную в виде кольца с зазором, при этом лопатки осевого завихрителя имеют скругленную входную кромку, плоскую среднюю часть, протяженность которой составляет 0,1-0,9 общей протяженности лопатки, и плавно истончающуюся на ноль выходную кромку, при этом лопатки изогнуты так, что угол наклона поверхности лопатки к оси потока на входе устройства плавно меняется от 0° при входе потока в завихритель до 60° на выходе потока из завихрителя, а зазор ловушки выполнен в интервале 1,0-8,0 мм.
Устройство представлено на чертеже.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства.
Фиг. 2. - статический завихритель (конструкция формы лопаток).
Устройство (фиг. 1) состоит из цилиндрической обечайки 1, на входном торце которой установлено устройство для преобразования поступательного движения во вращательное - статический осевой завихритель 2, а на выходе на кромке обечайки ловушка 3 - съемник отделенной жидкости и механических примесей, выполненный в виде кольца с зазором.
Устройства (в количестве от одного до нескольких сотен) устанавливаются на перекрывающее сечение технологического аппарата полотно 4 с множеством посадочных мест и фиксируются при помощи крепежей 5 посредством подпирающих струбцин 6 с другой стороны полотна.
На фиг. 1 также показан вид окончания цилиндрической обечайки с установленной на ней ловушкой-съемником жидкости, где поясняется величина зазора между ловушкой и обечайкой δ, которая может составлять от 1,0 до 8,0 мм, а также показан параметр Н - высота обечайки.
Форма лопатки завихрителя показана на фиг. 2, фиг. 3.а) б), фиг. 4.
Форма и изменяющийся по ходу движения потока угол наклона лопаток показаны на фиг 3.а). Основная форма закручивающейся лопатки завихрителя может быть описана пространственной поверхностью, образуемой радиусом r (отрезок ОХ) при его вращательно-поступательном движении.
max
max
Поступательное движение осуществляется вдоль оси устройства Y так, чтобы точка О оставалась на оси устройства Y, а точка X двигалась по поверхности цилиндра с осью длиной OO', лежащей на оси Y, и радиусом r. Вращательное движение осуществляется вокруг точки О так, что угол наклона  между плоскостью Е0, которой принадлежит ось Y и отрезок ОХ вначале движения, и плоскостью Е', которой принадлежит отрезок О'Х' и которая пересекается с плоскостью Е0 по оси Y, меняется от 0 до . Угол  может доходить до 60°. Плоскость Е1 показана для иллюстрации изменения поворота радиуса r на текущий угол скрутки ө и иллюстрации изменения угла наклона поверхности лопатки α к оси потока на входе в устройство. D - диаметр обечайки.
б) показано изменение толщины лопатки.
max
Осью указанного сечения является пространственная кривая XX', а само сечение изогнуто и принадлежит поверхности цилиндра. Максимальная толщина S для разных вариантов лопаток и устройств может находиться в пределах от 1 до 4 мм, а протяженность участка с постоянной максимальной толщиной L может находиться в пределах от 0,1 до 0,9 длины XX'.
Для пояснения формы лопатки на фиг. 4а) показано плавное изменение угла наклона поверхности лопатки к направлению входящего в устройство потока газа α от 0° до 60° на примере одной лопатки, показанной без цилиндрической обечайки. На этом же рисунке для пояснения толщины лопатки показано, что лопатка имеет скругленную входную кромку (кромка, которой
лопатка встречает входящий поток), плоскую среднюю часть, и плавно истончающуюся на ноль выходную кромку. На этом же рисунке показана протяженность участка с постоянной максимальной толщиной L.
Угол наклона поверхности лопаток к оси устройства и оси набегающего потока постепенно увеличивается от входной до выходной кромки лопатки, благодаря чему поток эффективно закручивается. Сама лопатка имеет переменную толщину, что позволяет полнее и эффективнее формировать поток и снижает сопротивление потоку за счет минимизации застойных зон.
На фиг. 4б) показано увеличение угла скрутки  радиуса r от первоначального и увеличение угла наклона пространственной кривой к оси входящего потока газа α в зависимости от поступательного движения в относительных единицах Y/D.
Кривая изменения α (угла наклона поверхности лопатки) показана пунктирной линией. Кривая изменения угла скрутки  показана сплошной линией.
Описание работы устройства
Исходный газовый поток, содержащий частицы капельной жидкости и механических примесей поступает в ЭЦС (элементы центробежные сепарационные), которые установлены на перекрывающем сечение сепаратора полотне 4. В полотне выполнены отверстия, соответствующие внутреннему сечению обечаек ЭЦС. К отверстиям приставлены ЭЦС и закреплены струбцинами с обратной стороны полотна. Таким образом, весь газовый поток с содержанием дисперсных частиц поступает в открытое сечение ЭЦС и проходит через стационарно установленные завихрители 2.
Часть энергии поступательного движения потока преобразовывается во вращательное движение, а возникшая центробежная сила оттесняет более плотную фазу (капли жидкости и механические примеси) к стенкам цилиндрической обечайки, образуя тонкую пленку жидкости или струйки, которые за счет подъемной силы восходящего потока сопровождают фазы вверх.
Оттесненная фаза (пленка жидкости), сопровождаемая небольшой частью газового потока, попадает в зазор между съемным устройством-ловушкой 3 и цилиндрической обечайкой 2 и стекает на полотно 4 по внешней поверхности обечайки. Уловленная дисперсная фаза отводится в кубовую часть аппарата посредством организованной системы трубопроводов дренажа. Таким образом, осуществляется очистка газа от дисперсной фазы.
Динамические параметры зависят от геометрических параметров лопатки: формы профиля поперечного сечения лопатки, угла установки лопатки, угла скрутки, соотношения высоты обечайки к ее диаметру.
В ходе многочисленных экспериментов определены оптимальная форма профиля лопаток, угол скрутки лопаток, зазор съемника и соотношение высоты цилиндрической обечайки к ее диаметру. Исследования также позволили определить границы эффективной работы ЭЦС во всем
диапазоне скоростей потока при различных концентрациях и размерах дисперсных частиц.
Угол наклона лопаток выполнен переменным от 0° до 60° по ходу движения газового потока.
Изогнутые лопатки завихрителя выполнены по всей длине переменной толщины и имеют переменный угол наклона.
Экспериментальные испытания заявленной полезной модели показали следующее:
- выполнение лопатки изогнутой и с переменной толщиной по всей ее длине позволяет полнее и эффективнее формировать поток и снижает сопротивление потоку за счет минимизации застойных зон;
- оптимальная ширина кольцевого зазора ловушки должна находиться в пределах от 1,0 мм до 8,0 мм;
- оптимальное отношение высоты цилиндрической обечайки к ее диаметру находится в пределах от 2,5 до 5;
- протяженность участка с постоянной максимальной толщиной L может находиться в диапазоне 0,1…0,9 от общей протяженности лопатки, при этом чем она больше, тем полнее достигается результат. Диапазон допустимых значений обусловлен особенностями производства статического завихрителя;
- соотношение оптимальных геометрических размеров ЭЦС обеспечивает эффективную сепарацию в широком диапазоне скоростей потока.
Возможны исполнения устройства ЭЦС с условным диаметром цилиндрической обечайки от 60 до 150 мм. Спектр таких условных диаметров позволяет использовать ЭЦС в различных условиях эксплуатации со всевозможными физико-химическими свойствами разделяемых сред.