Центробежный сепарационный элемент
CENTRIFUGAL SEPARATION ELEMENT

Изобретение относится к технике разделения газожидкостных потоков и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например газоперерабатывающей.
Известно (SU, авторское свидетельство 689707, опубл. 05.10.1979) устройство для мокрой очистки газа, включающее частично заполненный жидкостью корпус с газоподводящим патрубком, снабженным конфузором, концентрично которому установлен цилиндрический экран, над которым размещен кольцевой отбойник, каплеуловитель, водопитающее устройство, при этом с целью снижения энергозатрат и повышения надежности действия устройства, отбойник снабжен расположенным по внутреннему диаметру цилиндром, установленным между газоподводяшим патрубком и экраном.
Недостатком известного элемента является недостаточно эффективное отделение жидкости от газа.
Известен также (RU, патент 2052272, опубл. 20.01.1996) центробежный сепарационный элемент, содержащий обечайку, два последовательно установленных завихрителя с направляющими лопатками, тонкослойную насадку, размещенную между завихрителями с кольцевым зазором к обечайке, ловушку отделенной жидкости и газоотводящий патрубок.
Недостатками известного сепарационного элемента являются высокое гидравлическое сопротивление и низкая эффективность разделения газа и жидкости из-за вторичного уноса, вызванного циркуляционными токами в центральной части закрученного потока.
Наиболее близким аналогом разработанного устройства можно признать (RU, патент 2455050, опубл. 10.07.2012) центробежный сепарационный элемент, содержащий обечайку с ловушкой отделенной жидкости и завихритель, причем внутри обечайки соосно ей размещено полое тело цилиндрической формы, первый торец которого выполнен герметичным и выступающим над ловушкой отделенной жидкости, а второй торец выполнен в виде сопла и расположен над завихрителем, выступающая торцевая часть полого тела снабжена газоподводящими патрубками, причем под вторым торцом расположен отбойник, представляющий собой сегмент сферы, обращенный сферической поверхностью вниз, а сопло выполнено с возможностью перекрытия его.
Недостатком известного технического решения следует признать низкую эффективность разделения газа и жидкости.
Техническая проблема, решаемая посредством разработанного элемента, состоит в оптимизации процесса разделения жидкости и газа.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в дополнительном повышении эффективности отделения жидкости от газа и снижении гидравлического сопротивления.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать конструкцию центробежного сепарационного элемента, содержащего обечайку с ловушкой отделенной жидкости и завихритель, причем внутри обечайки соосно ей размещено полое тело цилиндрической формы, первый торец которого выполнен герметичным и выступающим над ловушкой отделенной жидкости, а второй торец выполнен в виде сопла и расположен над завихрителем, выступающая торцевая часть полого тела снабжена газоподводящими патрубками, под вторым торцом расположен отбойник, при этом в качестве сопла использована роторная форсунка, а поперечное сечение отбойника повторяет профиль выхода роторной форсунки.
В некоторых вариантах реализации на боковой поверхности полого тела выполнены сквозные отверстия. Предпочтительно диаметр отбойника составляет 1,1-2 от диаметра сопла, а расстояние плоскости отбойника от сопла составляет 0,1-1 от диаметра сопла.
Преимущественно, диаметр полого тела соответствует 0,3-0,5 диаметра обечайки, при этом герметичный торец полого тела предпочтительно расположен на расстоянии, равном 0,5-1,0 диаметра обечайки, считая от верхней кромки ловушки отделенной жидкости, кроме того, сопло расположено над завихрителем на расстоянии, преимущественно равном 0,5-1,0 диаметра обечайки, а диаметр отверстия сопла обычно равен 0,2-0,6 диаметра полого тела.
Предпочтительно, газоподводящие патрубки направлены вдоль поверхности обечайки, а вход в патрубок расположен на расстоянии 0,2-0,7 высоты обечайки, считая от нижней кромки ловушки отделенной жидкости.
Размещение внутри обечайки соосно ей полого тела цилиндрической формы обеспечивает гашение кинетической энергии потока, поступающего на разделение, что устраняет вихреобразование и вторичный унос и позволяет за счет этого повысить эффективность отделения жидкости от газа.
Выполнение полого тела диаметром 0,3-0,5 диаметра обечайки частично позволяет снизить гидравлическое сопротивление сепарационного элемента, а также предотвращает возникновение циркуляционных токов и вторичного уноса.
Расположение герметичного торца полого тела выше обечайки на расстоянии, обычно равном 0,5-1,0 диаметра обечайки, считая от верхней кромки ловушки, и размещение газоподводящих патрубков у герметичного торца объясняют то, что при таком расположении газоподводящие патрубки не нарушают структуру центробежного поля внутри элемента.
Расположение сопла напротив завихрителя на расстоянии, преимущественно равном 0,5-1,0 диаметра обечайки, объясняется тем, что на таком расстоянии окончательно формируется центробежный поток с зоной пониженного давления в центре, которое обеспечивает подачу газа извне через сопло в закрученный поток. Выполнение сопла с диаметром отверстия, обычно равным 0,2-0,6 диаметра полого тела, обеспечивает достаточную рециркуляцию газа, что предотвращает вторичный унос жидкости.
Использование отбойника позволяет защитить поток газа, выходящий из патрубка, от встречного потока, за счет чего уменьшается давление на торце. Кроме того, отбойник обеспечивает дополнительное разряжение газа на торце за счет эффекта эжектирования. Т.е. газ, обтекающий отбойник, эжектирует газ, выходящий из патрубка, создавая дополнительное разряжение на торце.
Выполнение в боковой поверхности полого тела отверстий, особенно при перекрытом втором торце, происходит аналогичное эжектирование, но без встречных потоков.
Преимущества роторных форсунок заключаются в широком разносе распыляемой жидкости, в небольшом их сопротивлении и снижение требований к качеству используемого воздуха.
Центробежный сепарационный элемент представлен на чертеже.
Центробежный сепарационный элемент разработанной конструкции содержит обечайку 1 с завихрителем 2 и ловушкой 3. Внутри обечайки 1 соосно ей установлено полое тело 4 цилиндрической формы, диаметр которого составляет, предпочтительно, 0,3-0,5 диаметра обечайки 1. Торец 5 полого тела 4 выполнен герметичным и расположен выше обечайки 1 на расстоянии, равном, предпочтительно, 0,5-1,0 диаметра обечайки, считая от верхней кромки ловушки 3. Торец 6 полого тела 4 выполнен в виде сопла с диаметром отверстия, равным, предпочтительно, 0,2-0,6 диаметра полого тела 4, и расположен напротив завихрителя 2 на расстоянии, равном, предпочтительно, 0,5-1,0 диаметра обечайки 1. Торцовая часть полого тела 4 снабжена газоподводящими патрубками 7, соединяющими внутреннюю полость тела 4 с внешним пространством. Газоподводящие патрубки 7 имеют изогнутый профиль и направлены вдоль поверхности обечайки 1. Вход в каждый патрубок 7 расположен на расстоянии 0,2-0,7 высоты обечайки 1, считая от нижней кромки ловушки 3. Суммарное сечение патрубков 7, предпочтительно, соразмерно диаметру сопла 6. Под торцом 6 расположен отбойник 8.
Центробежный сепарационный элемент работает следующим образом.
Газожидкостный поток поступает внутрь элемента через вертикальные щели завихрителя 2, где под действием центробежных сил, возникающих за счет наклонного расположения лопаток завихрителя, он закручивается и делится на центральный газовый с зоной пониженного давления и периферийный газожидкостный с зоной повышенного давления. За счет размещения в центре сепарационного элемента полого тела 4 центральный газовый поток объединяется с периферийным газожидкостным, что устраняет вторичный унос, вызванный обратными токами. Жидкость под действием центробежных сил осаждается на внутреннюю поверхность обечайки 1 и потоком направляется к ловушке 3. Через щель между обечайкой 1 и ловушкой 3 жидкость с частью газа отводится из потока. Основной поток газа, отделившись от жидкости, выходит через пространство между полым телом 4 и ловушкой 3. Часть газа, вышедшего через ловушку 3 вместе с жидкостью, засасывается через патрубки 7 во внутреннюю полость тела 4 и через сопло 6 подается в зону пониженного давления центробежного поля на доочистку от капельной жидкости. Отбойник 8 защищает поток газа, выходящий из патрубка 7, от встречного потока, за счет чего уменьшается давление на торце 6. Кроме того, отбойник 8 обеспечивает дополнительное разряжение газа на торце 6 за счет эффекта эжектирования. Т.е. газ, обтекающий отбойник 8, эжектирует газ, выходящий из патрубка 4, создавая дополнительное разряжение на торце 6.
При использовании разработанной конструкции центробежного сепарационного элемента происходит дополнительное повышение эффективности отделения жидкости от газа при снижении гидравлического сопротивления.