ФИЛЬТР-СЕПАРАТОР ДЛЯ ДЕГАЗАЦИИ И ОЧИСТКИ ПЛАСТОВОЙ ВОДЫ, ИЗВЛЕКАЕМОЙ ИЗ МЕТАНОУГОЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ (ВАРИАНТЫ)

Фильтр-сепаратор для дегазации и очистки пластовой воды, извлекаемой из метаноугольной скважины, относится к области горной промышленности и предназначен для использования в технологическом процессе добычи метана из газоносных угольных пластов, а также, может найти применение, например, при необходимости дегазации жидкости и ее очистки от механических примесей.
Известен фильтр-сепаратор для очистки жидкости, включающий заглушенный снизу полый цилиндрический корпус, крышку в верхней части, имеющую осевой канал, входной и выходной патрубки, фильтрующий элемент и средства очистки фильтрующего элемента - щетки с приводом [1].
Недостатком известного фильтра-сепаратора является сложность его конструкции, обусловленная наличием подвижных частей и, следовательно, низкая надежность в работе.
Известен фильтр-сепаратор для очистки жидкости, включающий цилиндрический корпусе входным тангенциальным, выходным и выпускным отводами/установленную на корпусе крышку с осевым каналом, соосно размещенные внутри корпуса каркас со сквозными радиальными каналами, фильтрующий элемент, разделительный патрубок, сообщенный в своей верхней части с пространством/образованным каркасом и собственно разделительным патрубком, и с осевым каналом в крышке [2]. Известный фильтр-сепаратор характеризуется сложностью конструкции ввиду наличия магнитов, подвижных частей.
Недостатками известного фильтра-сепаратора являются малая эффективность очистки жидкости и низкая надежность в работе. Кроме того, в известном фильтре-сепараторе не предусмотрено отведение газовой составляющей очищаемой жидкости.
Задачей предлагаемого технического решения является создание эффективного и надежного в работе устройства для дегазации и очистки пластовой воды, извлекаемой из метаноугольной скважины.
Технический результат изобретения - упрощение конструкции, снижение габаритов устройства для дегазации и очистки пластовой воды, извлекаемой из метаноугольной скважины, повышение надежности, улучшение его эксплуатационных характеристик.
По первому варианту технический результат достигается тем, что в фильтре-сепараторе для дегазации и очистки пластовой воды, извлекаемой из метаноугольной скважины, включающем цилиндрический корпус с входным тангенциальным, выходным и выпускным осевым отводами, установленную на корпусе крышку с осевым каналом, соосно размещенные внутри корпуса каркас со сквозными радиальными каналами, фильтрующий элемент, разделительный патрубок, сообщенный в своей верхней части с полостью, образованной каркасом, крышкой и собственно разделительным патрубком, и с осевым каналом в крышке, а также отражатель, при этом цилиндрический корпус имеет внутренний кольцевой выступ, взаимодействующий с нижней частью каркаса, фильтрующий элемент размещен на внутренней поверхности каркаса, выходной отвод расположен выше входного тангенциального отвода, разделительный патрубок в нижней части имеет конусную юбку, а отражатель и входной тангенциальный отвод размещены по высоте корпуса ниже конусной юбки.
Способствует достижению технического результата то, что сквозные радиальные каналы каркаса выполнены в виде продольных пазов, а отражатель - в виде пластины с центральным отверстием, установленной без зазора по отношению к внутренней поверхности цилиндрического корпуса.
Отражатель может быть выполнен в виде пластины, установленной с зазором по отношению к внутренней поверхности цилиндрического корпуса.
В другом случае отражатель выполнен в виде первой пластины, установленной с зазором по отношению к внутренней поверхности цилиндрического корпуса и второй пластины с центральным отверстием, установленной выше первой без зазора по отношению к внутренней поверхности цилиндрического корпуса, причем обе пластины связаны между собой соединительными элементами с образованием свободного пространства напротив входного тангенциального отвода.
По второму варианту технический результат достигается тем, что в фильтре-сепараторе для дегазации и очистки пластовой воды, извлекаемой из метаноугольной скважины, включающем цилиндрический корпус с входным тангенциальным, выходным и выпускным осевым отводами, установленную на корпусе крышку с осевым каналом, соосно размещенные внутри корпуса каркас со сквозными радиальными каналами, фильтрующий элемент, разделительный патрубок, сообщенный в своей верхней части с полостью, образованной каркасом, крышкой и собственно разделительным патрубком, и с осевым каналом в крышке, а также отражатель, цилиндрический корпус имеет внутренний кольцевой выступ, взаимодействующий с нижней частью каркаса, расположенные в своей нижней части последовательно сверху вниз
зауженный и расширенный участки, фильтрующий элемент размещен на внутренней поверхности каркаса, выходной отвод расположен выше входного тангенциального отвода, отражатель размещен в зауженном участке корпуса выше входного тангенциального отвода и взаимодействует с корпусом и с разделительным патрубком, причем последний выше и ниже расположения отражателя имеет радиальные сквозные каналы, а в нижней части - конусную юбку с заглушкой, расположенную в верхней части расширенного участка корпуса.
Способствует достижению технического результата то, что:
- заглушка выполнена с осевым сквозным каналом;
- отражатель выполнен в виде кольца, связанного с разделительным патрубком;
- цилиндрический корпус выполнен разъемным по горизонтальной плоскости, расположенной на уровне внутреннего кольцевого выступа цилиндрического корпуса;
- имеется направляющий элемент, размещенный в зауженном участке корпуса на уровневходного тангенциального отвода между корпусом и разделительным патрубком и выполненный в виде спирали, витки которой в поперечном сечении имеют форму прямоугольников, ширина которых по направлению к конусной юбке постепенно уменьшается, а межвитковое расстояние спирали увеличивается, при этом внутренний канал входного тангенциального отвода расположен между смежными витками спирали, а ее верхняя часть взаимодействует с отражателем;
- расширенный участок цилиндрического корпуса выполнен в форме двух усеченных соосных конусов, обращенных большими основаниями друг к другу.
Конструкция предлагаемого фильтра-сепаратора поясняется с помощью чертежей, на которых на фиг.1 показан общий вид фильтра-сепаратора, совмещенный с продольным разрезом (первый вариант устройства); на фиг.2 - то же самое (второй вариант устройства).
Фильтр-сепаратор (фиг.1) включает цилиндрический корпус 1, выполненный с входным тангенциальным 2, выходным 3 и выпускным осевым 4 отводами. Выходной отвод 3 расположен выше входного тангенциального отвода 2. Нижняя часть цилиндрического корпуса 1 имеет коническую форму.
На цилиндрическом корпусе 1 установлена крышка 5, которая выполнена с осевым каналом 6. Герметичность соединения между цилиндрическим корпусом 1 и крышкой 5 обеспечивается с помощью уплотнительного кольцевого элемента. Сверху на крышке 5 размещен газоотводчик (на чертеже не показан).
К выпускному осевому отводу 4 присоединены запорный узел и съемный контейнер (на чертеже не показаны).
Внутри цилиндрического корпуса 1 соосно размещены каркас 7 со сквозными радиальными каналами, выполненными в виде продольных пазов 8, фильтрующий элемент 9 и разделительный патрубок 10. Последний в своей верхней части сообщен с полостью 11, образованной внутренними поверхностями каркаса 7, крышки 5 и наружной поверхностью разделительного патрубка 10, а также с осевым каналом 6 крышки 5.
Фильтрующий элемент 9 размещен на внутренней поверхности каркаса 7. Верхняя часть каркаса 7 имеет возможность взаимодействия с цилиндрическим корпусом 1 и крышкой 5.
Фильтрующий элемент 9 может быть выполнен из различных материалов, в т.ч. из пористого фторопласта. Например, в предлагаемом фильтре-сепараторе могут быть использованы серийно выпускаемые фторопластовые фильтроэлементы типа ФЭП.
Цилиндрический корпус 1 в средней части выполнен с внутренним кольцевым выступом 12, который взаимодействует с нижней частью каркаса 7. Герметичность указанного соединения обеспечивается с помощью уплотнительного кольцевого элемента.
Разделительный патрубок 10 в нижней части имеет конусную юбку 13. Отражатель выполнен в виде пластины 14 с центральным отверстием 15, установленной без зазора по отношению к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. Разделительный патрубок 10 своей конусной юбкой 13 опирается на опорные элементы (бобышки) 16, которые могут быть связаны с цилиндрическим корпусом 1 или установлены на пластине 14.
В другом случае отражатель выполнен в виде пластины 17, установленной с зазором по отношению к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. Такое расположение отражателя может быть достигнуто, например, путем прикрепления пластины 17 к опорным элементам (бобышкам) 16 (на чертеже не показано).
Еще в одном случае отражатель может представлять собой комбинацию из пластины (первой) 17, установленной с зазором по отношению к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1, и пластины (второй) 14 с центральным отверстием 15, установленной выше пластины 17 без зазора по отношению к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. Между собой пластины 14 и 17 связаны с
помощью соединительных элементов (например, стержней) 18 с образованием свободного пространства напротив входного тангенциального отвода 2.
Кроме того, напротив выходного отвода 3 в цилиндрическом корпусе 1 может быть предусмотрено технологическое отверстие, перекрытое заглушкой 19.
Указанный фильтр-сепаратор (фиг.1) работает следующим образом.
Поток жидкости, содержащей механические примеси и газ, по входному тангенциальному отводу 2 направляется внутрь цилиндрического корпуса 1. Внутри цилиндрического корпуса 1 поток жидкости интенсивно закручивается и растекается по внутренней поверхности, при этом происходит эффективная дегазация жидкости. Крупные и средние частицы механических примесей за счет центробежных сил отбрасываются на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса 1, сползают по ней вниз, а затем через выпускной осевой отвод 4 попадают в съемный контейнер. Установка запорного узла на выпускном осевом отводе 4 обеспечивает возможность периодического опорожнения или замены съемного контейнера после его заполнения механическими примесями.
Установка внутри цилиндрического корпуса 1 пластин 14 и 17 уменьшает интенсивность разбрызгивания поступающего внутрь потока жидкости и способствует стабилизации его течения в кольцевом зазоре между наружной поверхностью разделительного патрубка 10 и внутренней поверхностью фильтрующего элемента 9. Наличие каркаса 7 препятствует деформации фильтрующего элемента 9 при прохождении через него потока жидкости.
Отделенный от жидкости газ при помощи конусной юбки 13 направляется внутрь разделительного патрубка 10, затем попадает в полость 11, откуда через осевой канал 6 крышки 5 поступает в газоотводчик и с его помощью сбрасывается наружу (на свечу, в атмосферу и т.д.).
Жидкость, дегазированная и частично освобожденная от крупных и средних частиц механических примесей, поступает далее в кольцевой зазор, образованный наружной поверхностью разделительного патрубка 10 и внутренней поверхностью фильтрующего элемента 9. Проходя через фильтрующий элемент 9, жидкость освобождается от мелких частиц механических примесей. После этого очищенная жидкость удаляется из цилиндрического корпуса 1 через выходной отвод 3.
Фильтр-сепаратор (фиг.2) включает цилиндрический корпус 1, выполненный с входным тангенциальным 2, выходным 3 и выпускным осевым 4 отводами. Выходной отвод 3 расположен выше входного тангенциального отвода 2.
Цилиндрический корпус 1 для удобства разборки и обслуживания может быть выполнен разъемным по горизонтальной плоскости, причем верхняя и нижняя его части в этом случае связаны между собой, например, посредством фланцевою соединения.
На цилиндрическом корпусе 1 размещена крышка 5, имеющая осевой канал 6. Герметичность соединения между цилиндрическим корпусом 1 и крышкой 5 обеспечивается с помощью уплотнительного кольцевого элемента. Сверху на крышке 5 установлен газоотводчик (на чертеже не показан).
К выпускному осевому отводу 4 присоединены запорный узел и съемный контейнер (на чертеже не показаны).
Внутри цилиндрического корпуса 1 соосно размещены каркас 7 со сквозными радиальными каналами, выполненными в виде продольных пазов 8, фильтрующий элемент 9 и разделительный патрубок 10. Последний в своей верхней части сообщен с полостью 11, образованной внутренними поверхностями каркаса 7, крышки 5 и наружной поверхностью разделительного патрубка 10, а также с осевым каналом 6 крышки 5.
Фильтрующие элемент 9 размещен на внутренней поверхности каркаса; 7. Верхняя часть каркаса 7 взаимодействует с корпусом 1 и с крышкой 5.
Фильтрующий элемент 9 может быть выполнен из различных материалов, в т.ч. из пористого фторопласта. Например, могут быть использованы серийно выпускаемые фторопластовые фильтроэлементы типа ФЭП.
Цилиндрический корпус 1 выполнен с внутренним кольцевым выступом 12, который имеет возможность взаимодействия с нижней частью каркаса 7. Герметичность указанного соединения обеспечивается с помощью уплотнительного кольцевого элемента.
Нижняя часть цилиндрического корпуса 1 в направлении сверху вниз имеет последовательно расположенные зауженный и расширенный участки. Расширенный участок цилиндрического корпуса 1 выполнен в форме двух усеченных соосных конусов, которые своими большими основаниями обращены друг к другу.
Разделительный патрубок 10 в нижней части выполнен с конусной юбкой 13. Упомянутая конусная юбка 13 имеет заглушку 20, в которой может быть выполнен сквозной осевой канал (на чертеже не показан). Конусная юбка 13 размещена в верхней части расширенного участка цилиндрического корпуса 1.
Отражатель выполнен в виде кольца 21, которое установлено внутри зауженного участка цилиндрического корпуса 1 выше входного тангенциального
отвода 2. Отражатель имеет возможность взаимодействия с внутренней повepxностью цилиндрического корпуса 1 и с наружной поверхностью разделительного 1атрубка 10. Отражатель связан с разделительным патрубком 10, причем в последнем выше и ниже места расположения отражателя выполнены радиальные сквозные каналы.
В зауженном участке цилиндрического корпуса 1, между его внутренней поверхностью и наружной поверхностью разделительного патрубка 10, на уровне входного тангенциального отвода 2 размещен направляющий элемент, выполненный в виде спирали 22. В поперечном сечении витки спирали 22 имеют форму прямоугольников, ширина которых по направлению к конусной юбке 13 постепенно уменьшается, а межвитковое расстояние - увеличивается. Наружная боковая поверхность витков спирали 22 имеет возможность взаимодействия с внутренней поверхностью зауженного участка цилиндрического корпуса 1. Спираль 22 размещена в зауженном участке цилиндрическом корпусе 1 таким образом, что ее верхняя часть взаимодействует с отражателем, а внутренний канал входного тангенциального отвода 2 расположен между смежными витками спирали 22.
Фильтр-сепаратор (фиг.2) работает следующим образом.
Поток жидкости, содержащей механические примеси и газ, по входному тангенциальному отводу 2 направляется внутрь цилиндрического корпуса 1. В нем тангенциально закрученный поток жидкости поступает в кольцевое пространство, образованное внутренней поверхностью зауженного участка цилиндрического корпуса 1 и наружной поверхностью разделительного патрубка 10, где движется между витками установленной в нем спирали 22, перемещаясь при этом в направлении сверху вниз по направлению к конусной юбке 13.
Под действием центробежных сил поток жидкости стремится прижаться к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 и растечься по ней. Постепенное увеличение межвиткового расстояния у спирали 22 приводит к увеличению площади контакта жидкости с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1. При этом происходит отделение от жидкости основной части механических примесей и ее эффективная дегазация.
Крупные и средние частицы механических примесей за счет центробежных сил отбрасываются на конусную поверхность расширенного участка цилиндрического корпуса 1, сползают по ней вниз, а затем через осевой выпускной отвод 4 попадают в съемный контейнер.
Пузырьки газа наоборот стремятся переместиться к наружной поверхности разделительного патрубка 10, при этом свободный газ вместе с очищенной от основной части механических примесей жидкостью поступает внутрь разделительного патрубка 10 через сквозные радиальные каналы в его нижней части.
Наличие конусной юбки 13 с заглушкой 20 способствует уменьшению бурления и разбрызгивания потока жидкости внутри расширенного участка цилиндрического корпуса 1. Газ, который скапливается внутри конусной юбки 13, через сквозной осевой канал в заглушке 20 (или периодически вырываясь из-под конусной юбки 13) также попадает внутрь разделительного патрубка 10.
Таким образом, весь объем отделенного от жидкости свободного газа накапливается в полости 11, откуда он периодически сбрасывается наружу (на свечу, в атмосферу и т.д.) с помощью газоотводчика.
Частично очищенная и дегазированная жидкость сначала попадает внутрь разделительного патрубка 10, затем через сквозные радиальные каналы в средней части последнего поступает в кольцевое пространство между внутренней поверхностью фильтрующего элемента 9 и наружной поверхностью разделительного патрубка 10. Наличие каркаса 7 препятствует возможной деформации фильтрующего элемента 9 потоком проходящей через него жидкости.
Проходя через фильтрующий элемент 9, жидкость освобождается от мелких частиц механических примесей. После этого очищенная жидкость попадает в кольцевое пространство между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 и наружной поверхностью каркаса 7, откуда удаляется наружу через выходной отвод 3.
Использование предложенных вариантов фильтра-сепаратора позволяет эффективно дегазировать и очищать не только извлекаемую из метаноугольной скважины пластовую воду, но также и другие загрязненные жидкости.
Источники информации:
1. А.с. СССР №886940, опубл. 1981.
2. Патент РФ №2199371, опубл. 2003.