СПОСОБ СЕПАРАЦИИ ЖИДКОСТИ ОТ ГАЗА
METHOD FOR LIQUID SEPARATION FROM GAS

Способ относится к технике разделения газожидкостных смесей и может использоваться в газовой, нефтяной и химической промышленности.
Известен способ и устройство сепарации жидкости от газа (А.С. СССР №1769722, Кл. B01D 45/12, 50/00), включающий подачу газожидкостного потока, его закручивание, разделение в центробежном поле капельной жидкости от газа, ее осаждение и удаление в зону с пониженным давлением, дополнительную очистку газа от мелкодисперсной жидкости фильтрацией, отвод очищенного газа.
Основными недостатками этого способа являются:
3
- небольшой диапазон эффективной работы, который ограничивается концентрацией жидкости в газожидкостном потоке (максимально допустимое количество жидкости в потоке равно 200 г/м);
- при фильтрации газа жидкость постепенно накапливается в фильтрационном материале и время от времени выбрасывается в поток очищенного газа, чем ухудшает эффективность сепарации.
Кроме того, этот способ непригоден для разделения газожидкостного потока, в котором жидкость находится одновременно в расслоенном и дисперсном виде.
Последний недостаток устраняется в способе сепарации (А.С. СССР №1494936, Кл. B01D 45/12), в котором при подаче газожидкостного потока производят отбор расслоенной жидкой фазы со стенок трубопровода и удаляют ее в зону пониженного давления, после чего закручивают газожидкостный поток, разделяют в центробежном поле капельную жидкость от газа, после чего осажденную на стенках жидкость отводят в зону с пониженным давлением.
Основным недостатком описанного способа сепарации является его низкая эффективность при высоких скоростях (более 2÷3 м/с) газожидкостного потока. При повышенных скоростях потока частицы жидкости диспергируются. Размеры частиц уменьшаются от периферии к оси закрученного потока, поэтому их осаждение и улавливание становится проблематичным.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности сепарации жидкости от газа при повышенных скоростях движения газожидкостного потока.
Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе сепарации жидкости от газа, включающем подачу газожидкостного потока, его закручивание, отделение капельной жидкости от газа в центробежном поле вращающегося потока, удаление очищенного газа и жидкости, при подаче газожидкостный поток делят, по крайней мере, на две части периферийную и внутреннюю, которые затем по отдельности закручивают в одном направлении, причем первую часть закручивают в осевом направлении, а вторую тангенциально изнутри к периферии и пересекают при этом осевое направление движения первой части. При закрутке газожидкостный поток расширяют. Деление газожидкостного потока производят многократно, а его части закручивают в осевом и тангенциальном направлениях. Очищенный газ делят, как минимум, на две части, внутреннюю и периферийную, внутреннюю удаляют в первую очередь, а периферийную во вторую. Каждую часть очищенного газа фильтруют. Очищенный газ делят многократно.
Деление газожидкостного потока при подаче, по крайней мере, на две части, периферийную и внутреннюю, закручивание их затем по отдельности в одном направлении, причем первую часть закручивают в осевом направлении, а вторую тангенциально изнутри к периферии и пересекают при этом осевое направление движения первой части, расширение при закрутке газожидкостного потока, осуществление деления газожидкостного потока многократно, закручиваие его частей в осевом и тангенциальном направлениях, деление очищенного газа, как минимум, на две части, внутреннюю и периферийную, удаление внутренней в первую очередь, а периферийной во вторую, осуществление фильтрации каждой части очищенного газа и деление очищенного газа многократно позволило повысить эффективность сепарации жидкости от газа при повышенных скоростях движения газожидкостного потока.
Авторам и заявителям не известны способы сепарации жидкости от газа, в которых бы поставленная задача решалась подобным образом.
На фиг.1 представлена схема деления газожидкостного потока на две части и их закручивание.
На фиг.2 представлен разрез (I-I) радиального завихрителя на фиг.1.
На фиг.3 представлен разрез (II-II) тангенциального завихрителя на фиг.1.
На фиг.4 представлена схема размещения частиц жидкости в закрученном потоке.
На фиг.5 представлена схема направления движения мелкодисперсных частиц жидкости и их укрупнения в развитой турбулентности.
На фиг.6 представлен разрез (I-I) радиального завихрителя по фиг.1 с внутренними расширяющими каналами.
На фиг.7 представлены расширяющие каналы, разрез (V-V) на фиг.6.
На фиг.8 представлены расширяющие каналы тангенциального завихрителя.
На фиг.9 представлен график зависимости изменения статической температуры потока от его режима течения (числа Маха).
На фиг.10 представлена схема многократного деления газожидкостного потока при его подаче.
На фиг.11 представлен один из вариантов деления потока.
На фиг.12 представлена схема деления потока на части при его удалении.
На фиг.13 представлена схема размещения турбулентности в потоке, разрез (III-III) на фиг.12.
На фиг.14 представлена схема потока с уменьшенными поперечными пульсациями давления и скорости, разрез (IV-IV) на фиг.12.
На фиг.15 представлена схема фильтрации частей очищенного потока при их удалении.
На фиг.16 представлена схема многократного деления потока при удалении очищенного газа.
На фиг.17 представлена схема реализации предлагаемого способа.
На фиг.18 представлена схема реализации предлагаемого способа при многократных делениях газожидкостного и очищенного потоков.
Способ сепарации жидкости от газа осуществляется следующим образом.
Деление при подаче газожидкостного потока 1 (фиг.1), по крайней мере, на две части, периферийную 2 и внутреннюю 3, которые затем по отдельности закручивают в одном направлении 4, причем часть закручивают в осевом направлении 6 (например, в радиальном завихрителе 5, представленном на фиг.2), а вторую 3 - тангенциально (например, с помощью завихрителя 7 тангенциального типа, представленного на фиг.3) с ориентированием 8 изнутри к периферии и пересекают при этом осевое направление 6 движения первой части 2, позволяет:
- во-первых, сконцентрировать на периферии закрученного потока крупные частицы жидкости 9 (фиг.4);
- во-вторых, направить движение мелкодисперсных частиц 10 (фиг.5) жидкости внутренней части 3 газожидкостного потока к закрученной периферийной части 2. При пересечении потоков по направлениям 6 и 8 (фиг.1, 5) частицы жидкости, которые в этих потоках присутствуют, сталкиваются и укрупняются 11 за счет возникшей развитой турбулентности. Причем, чем больше разность скоростей потоков в направлениях 4, 6, 8, тем выше турбулентность, которая напрямую влияет на повышение вероятности столкновения и укрупнения частиц жидкости.
Получившиеся технологические процессы за счет выполнения описанного технического приема, в конечном итоге, увеличивает эффективность отделения от газа в центробежном поле закрученного потока при скоростях движения (до 85÷110 м/с) газожидкостной смеси.
0
Расширение газожидкостного потока 12 (например, в расширяющихся каналах 13 и 14 радиального (фиг.6, 7) и тангенциального (фиг.8) завихрителей) при его закрутке позволяет снизить в нем статическую температуру, причем величина ее уменьшения тем больше, чем выше скорость истечения газожидкостного потока. Для многоатомного углеводородного газа характер изменения величины отношения статической температуры Т к исходной температуре газа T в потоке 12 от изменения величины числа Маха
,
где W - скорость истечения газожидкостного потока, м/с;
а - скорость звука в газовой фазе потока, м/с;
представлен в виде графической зависимости на фиг.9. Из этого графика видно, что при высоких скоростях движения потока температура интенсивно снижается. При снижении статической температуры пары жидкости, находившиеся в газовой фазе, конденсируются. Причем центрами конденсации являются имеющиеся в потоке частицы жидкости. При этом последние укрупняются, что в итоге приводит к повышению эффективности сепарации жидкости от газа в центробежном поле закрученного потока при высоких скоростях течения.
Многократное деление газожидкостного потока при его подаче (например, как показано на фиг.10, 11) интенсифицирует укрупнение частиц жидкости по всей толще потока за счет развития микротурбулентностей 16, образующихся при пересечении движения потоков, в тангенциальном 4, аксиальном 6 и пересекающемся 8 направлениях. Причем микротурбулентности 16 тем интенсивнее, чем выше скорости течения потоков. В связи с этим в конечном итоге повышается эффективность процесса отделения укрупненных частиц жидкости в центробежном поле закрученного потока.
При удалении очищенного газа деление его вращающегося потока 17 (фиг.6), как минимум, на две части, внутреннюю 18 и периферийную 19, и удаление внутренней части 18 в первую очередь, а периферийной 19 во вторую позволяют уменьшить поперечные пульсации давления и скорости в микротурбулентностях 16 (фиг.12, 13) высокоскоростного потока и тем самым снизить вторичный унос отсепарированной жидкости 20 (фиг.12, 13, 14) на 20÷27%.
Фильтрация, например, через металлокерамические фильтры 21 и 22 (фиг.15) каждой части 13 и 14 потока 12 при делении очищенного газа позволяет равномерно отвести газ через большую площадь и тем самым эффективно снизить его скорость движения, подавить поперечные пульсации давления и скорости в микротурбулентностях 16 высокоскоростного потока. За счет этого уменьшается вторичный унос отсепарированной жидкости 20, что в свою очередь улучшает условия фильтрации остаточной мелкодисперсной жидкости от газа, и тем самым увеличится эффективность очистки газа.
Многократное деление потока (фиг.16) при удалении очищенного газа позволяет эффективно отделять остаточную жидкость от больших количеств газа при больших скоростях.
Реализация предлагаемого способа сепарации жидкости от газа иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Способ сепарации жидкости от газа реализуется в аппаратах, представленных на фиг.17, 18. Исходный углеводородный многокомпонентный газожидкостный поток 1 имеет следующие основные параметры, представленные в таблице 1.
Таблица 1
№ п.п.
Наименование параметра
Размерность
Величина
1
2
3
4
1
Давление
МПа
12,0
2
Расход
кг/с
28
нм<sup>3</sup>/сутки
3000000
3
Температура
°С
30
4
Содержание жидкой фазы в газе
г/кг
540
4
2
6
3
8
4
10
5
12
6+выше
6+выше
Компонентный состав газовой фазы в потоке в массовых долях следующий: СН - 0,678819; СН - 0,06861; СН - 0,041102; СН - 0,026154; СН - 0,01383; С - 0,051485, пары воды - 0,12. Жидкая фаза представляет собой смесь углеводородов С и водного компонента.
Газожидкостный поток 1 подается в устройство 23 (фиг.17), в котором он закручивается. В центробежном поле вращающегося потока 4 происходит отделение капельной жидкости от газа. Жидкость 20 отбрасывается на стенки 24 цилиндрического корпуса, на которых она оседает. После чего производят удаление очищенного газа 17 через устройство 25 и жидкости 20 через отверстия 26 в стенках 24 корпуса аппарата.
При подаче газожидкостный поток 1 в устройстве 23 делят на две части, периферийную 2 и внутреннюю 3. Их по отдельности закручивают в одном направлении 4 в завихрителях радиального 5 и тангенциального 7 типов, конструкции которых схематично представлены на фиг.2 и 3.
Закручивая первую часть 2, сохраняют ее осевое направление движения 6. В этом направлении скорость движения потока порядка 30÷45 м/с. Направлению движения второй части 3 придают ориентированность 8 изнутри к периферии, пересекая осевое направление 6 движения первой части 2. Скорость потока по ориентиру 8 порядка 60÷75 м/с. На периферии закрученного потока 4 концентрируются крупные частицы жидкости 9, как показано на фиг.4. Крупные частицы имеют размеры от 10 до 120 мкм.
Мелкодисперсные частицы жидкости 10, размеры которых 1÷3 мкм, находятся во внутренней части вихревого потока (фиг.5). При пересечении потоков по направлениям 4, 6 и 8 (фиг.1, 5) за счет разности их скоростей и разной направленности возникает турбулентность. За счет нее частицы жидкости, которые в этих потоках присутствуют, сталкиваются между собой и укрупняются. Укрупненные до размеров 15÷30 мкм частицы 11 перемещаются (как показано на фиг.5) из внутренней части 3 газожидкостного потока к закрученной периферийной части 2. Крупные 9 (фиг.4, 5) и укрупненные 11 (фиг.5) частицы в центробежном поле отбрасываются к стенкам 24 корпуса аппарата (фиг.17) и оседают на них. Осевшая жидкость 20 (фиг.13, 17) перемещается к отверстию 26 (фиг.17) выхода из аппарата.
Вращающийся поток очищенного газа 17 делят в устройстве 25 (фиг.17) на две части внутреннюю 18 и периферийную 19. Внутреннюю 18 удаляют в первую очередь по патрубку 27, а периферийную 19 во вторую - по патрубку 28. При таком удалении очищенного газа 17 уменьшаются поперечные пульсации давления и скорости в турбулентном высокоскоростном потоке и снижается вторичный унос отсепарированной жидкости 20 на 20÷27%, что увеличивает эффективность процесса сепарации. Очищенный от жидкости поток газа 29 имеет следующие параметры, представленные в таблице 2.
Таблица 2
№п.п.
Наименование параметра
Размерность
Величина
1
2
3
4
1
Давление
МПа
11,95
2
Расход
кг/с
28
нм<sup>3</sup>/сутки
3000000
3
Температура
°С
30
4
Содержание жидкой фазы в газе
г/кг
10÷35
5
Средний размер частиц жидкой фазы в очищенном газе
мкм
0,37÷1,5
В процессе сепарации жидкости от газа по описанному способу газожидкостный поток протекает со скоростями перемещения в аксиальном направлении 30÷45 м/с, в тангенциальном - 60÷75 м/с, что на порядок превышает скорости движения потоков при сепарации жидкости от газа по аналогу и прототипу.
Пример 2.
Реализуя предлагаемый способ сепарации газожидкостный поток 12 при его закрутке расширяют в каналах 13 и 14 радиального (фиг.6, 7, 17) и тангенциального (фиг.8, 17) завихрителей. Каналы выполнены с углом раскрытия 12÷15°. Газожидкостный поток 12 на выходе из каналов 13 и 14 имеет скорость 350 м/с, что составляет по числу Маха М=1,03. Статическая температура потока при этом уменьшилась от 30°С до минус 12°С.
3
8
4
10
5
12
6+выше
4
2
6
3
8
4
10
5
12
6+выше
При снижении статической температуры пары водного компонента и углеводороды СН; СН; СН; С, находящиеся в газовой фазе, конденсируются. Центрами конденсации являются имеющиеся в потоке частицы жидкости, которые при этом укрупняются. Газовая фаза дополнительно очищается от водного компонента и углеводородных компонентов. Очищенный газ 29 (фиг.17) имеет следующий компонентный состав: СН - 0,924545; СН - 0,02761; СН - 0,011; СН - 0,01153; СН - 0,00383; С - 0,001485, пары воды - 0,02.
Таким образом, повышается эффективность процесса сепарации не только от жидкой фазы, находящей в равновесии с газовой фазой, но и дополнительно газовая фаза очищается от паров. После торможения в корпусе аппарата (фиг.17) и на выходе из устройства 25 газовый поток приобретает температуру 28°С и полное давление 10 МПа.
Пример 3.
3
Если расход газожидкостного потока 1 превышает величину 10 млн нм в сутки, то его многократно делят при его подаче в устройстве 30, как показано на фиг.18. Многократное деление газожидкостного потока при его подаче (например, как показано на фиг.10, 11) интенсифицирует укрупнение частиц жидкости по всей толще потока за счет развития микротурбулентностей 16, образующихся при пересечении движения потоков, в тангенциальном 4, аксиальном 6 и пересекающемся 8 направлениях. Микротурбулентности 16 интенсивны при скоростях течения потока 30÷45 м/с в направлении 6 и 60÷75 м/с в направлении 4. При этих скоростях частицы по всей толще потока укрупняются до величины 15÷30 мкм и эффективно осаждаются под действием центробежной силы на стенках 24 корпуса аппарата. С увеличением разности скоростей интенсивность турбулентности возрастает. В связи с этим в конечном итоге повышается эффективность процесса отделения укрупненных частиц жидкости в центробежном поле закрученного потока.
Пример 4.
При реализации данного способа сепарации поток очищенного газа 12 фильтруют через металлокерамические фильтры 21 и 22 (фиг.18). При фильтрации каждой части 18 и 19 потока 17 газа равномерно отводится через большую площадь фильтров, и при этом снижается скорость его движения до 3÷5 м/с. Этим техническим приемом эффективно подавляются поперечные пульсации давления и скорости в микротурбулентностях 16 (фиг.12, 13 и 15) турбулентного высокоскоростного потока. За счет этого уменьшается вторичный унос отсепарированной жидкости 20. Из газа дополнительно фильтруется остаточная мелкодисперсная жидкость. Эффективность очистки газа от частиц размером более 0,23 мкм в металлокерамических фильтрах достигает 0,998 при перепаде давления на них порядка 0,01÷0,05 МПа. Таким образом, увеличится эффективность очистки газа.
Многократное деление потока при удалении очищенного газа, как показано на фиг.18, позволяет эффективно отделять остаточную жидкость от больших количеств газа.