Газораспределительное устройство
GAS DISTRIBUTING DEVICE

Изобретение относится к области нефтегазового и химического машиностроения, в частности, к сепарационному и колонному (массообменному) оборудованию и может быть использовано в процессах отделения жидкости и механических примесей от газового потока, преимущественно, в установках: подготовки природного и попутного газа; низкотемпературной сепарации газа; переработки газового конденсата; компримирования газа, очистки воздуха газотурбинных агрегатов; в абсорберах осушки и очистки газа от примесей и в других процессах. Изобретение предназначено для равномерного распределения исходного потока по сечению аппарата, для равномерной загрузки контактных устройств как сепарационных, так и массообменных аппаратов, первичной сепарации жидкости и механических примесей для снижения жидкостной нагрузки на основные сепарационные контактные устройства.
Известно газораспределительное устройство (US 7488361, заявка US 2007044437 (А1) от 01.03.2007, МПК B01D 45/16), для разделения смеси жидкость/газ, выполненное в виде двух ступеней, первая ступень - впускной канал для предварительного разделения смеси газ-жидкость-твердые примеси и выпуска тяжелой фракции - воды и твердых примесей, а также отклонения очищенной смеси в объем аппарата. Вторая ступень выполнена в виде сепарационной насадки - агломератора. Первая ступень представляет собой удлиненную опорную конструкцию - это множество направляющих лопаток (пластин), расположенных друг за другом и прикрепленных к опорной конструкции; лопатки (пластины) предназначены для перехвата и отклонения входной смеси газ/жидкость во вторую ступень предварительной очистки газа. Вторая ступень расположена по боковой поверхности первой ступени в непосредственной близости к ней. После второй ступени предварительно очищенный газ поступает вверх по объему сепарационного аппарата в систему патрубков для окончательной очистки газа. Недостатком описанной конструкции является неравномерность распределения входного потока смеси газа, жидкости и твердых примесей, зависящая от геометрии подающего трубопровода на первую ступень распределителя, что предопределяет неравномерность профиля скорости потока по входному сечению входного патрубка газораспределителя с нарушением расчетных условий процессов в аппарате. Это ведет к снижению эффективности работы, как газораспределительного устройства, так и аппарата в целом.
Наиболее близким аналогом выбрано газораспределительное устройство, установленное внутри корпуса аппарата против патрубка ввода газовой смеси, выполненное в виде шестиугольной призмы, которая имеет соосно с ней расположенный внутренний цилиндр, имеющий щели или перфорацию (первая ступень). Цилиндр по длине разделен на секции кольцевыми дисками с диаметрами отверстий, уменьшающимися от патрубка ввода газа. На боковых сторонах призмы установлены блоки регулярной насадки из гофрированных листов, гофры которых в смежных листах выполнены перекрестно. Пространство между шестиугольной призмой и внутренним цилиндром может быть заполнено нерегулярной насадкой. Технический результат: более равномерное распределение газового потока по сечению аппарата и повышение качества сепарации мелкодисперсных потоков при высоких значениях фактора скорости в патрубке ввода газовой смеси (RU 2394623 Газораспределительное устройство, МПК B01D 3/00, B01D 3/32, опубликовано 20.07.2010, бюл. №20). Недостатком прототипа также является отсутствие равномерного распределения потока по сечению входного патрубка газораспределительного устройства, обусловленного местными сопротивлениями подводящего трубопровода, что ведет к снижению эффективности работы как его самого, так и аппарата в целом.
Задачей изобретения является повышение эффективности очистки газа путем выравнивания профиля скорости потока входной газожидкостной смеси, подлежащей распределению.
Техническим результатом является турбулизация входного потока с использованием его кинетической энергии, перемешивание и усреднение скоростей потока, турбулентная коалесценция, укрупнение дисперсных частиц.
Задача решается, и технический результат реализуется в конструкции газораспределительного устройства, снабженного входным патрубком и включающего внутреннюю удлиненную опорную конструкцию с направляющими кольцевыми дисками-диафрагмами, расположенными друг за другом по оси газораспределительного устройства и закрепленными на опорной конструкции. Направляющие диафрагмы выполнены с диаметрами отверстий, уменьшающимися по мере их удаления от входного патрубка. Соосно внутренней опорной конструкции на ее внешних боковых сторонах установлена сепарационная регулярная насадка, которая может быть выполнена как в прототипе в блочном исполнении, блоки которой расположены по бокам многогранной призмы и могут быть заполнены как регулярной, так и нерегулярной насадкой.
Отличием изобретения от прототипа является выполнение входного патрубка газораспределительного устройства с объемом, заполненным слоем нерегулярной насадки, насыпной, турбулизирующей. Толщина (длина) слоя насадки зависит от создаваемого гидравлического сопротивления, которое может оказывать влияние на работу оборудования и определяется допустимой величиной гидравлического сопротивления. Результатом такого выполнения патрубка является турбулизация входного потока перед его поступлением в опорную конструкцию распределителя, его перемешивание и усреднение скоростей отдельных струй потока, обусловленных недостатками исполнения геометрической формы подающего трубопровода. Дополнительно проявляется эффект турбулентной коалесценции, укрупнения дисперсных частиц за счет турбулентных пульсаций и соударений, что является причиной эффективного их удаления в объеме газораспределительного устройства. Это особенно актуально для случаев малой концентрации жидкости в газовом потоке, до 2-3 г на 1 кубический метр газа, и конденсационной природы образования капель.
На фигуре изображено сечение газораспределительного устройства.
Газораспределительное устройство выполнено следующим образом.
Газораспеделительное устройство содержит центральную несущую опорную конструкцию 1, закрепленные на ней блоки регулярной насадки 2, входной патрубок 3 для сопряжения со штуцером аппарата и упор для закрепления другого конца газораспределительного устройства на противоположной от входного штуцера части стенки аппарата.
Опорная конструкция 1 выполнена на стержнях, трубках, уголках или швеллерах 4, определяющих его цилиндрическую форму, на которых закреплены последовательно расположенные по оси распределителя несколько диафрагм 5. Количество диафрагм зависит от длины опорной конструкции, скорости подачи газожидкостной смеси и может составлять до 40 шт., с расстоянием между ними от 50 до 200 мм. Диаметр диафрагм 5 уменьшается по мере удаления от входного патрубка 3, как это показано пунктирными линиями на фигуре, с размерами отверстий, выбранными в зависимости от параметров входного потока газожидкостной смеси. Стержни 4 закреплены на торцевых пластинах 6 и 7, параллельных друг другу. Торцевые пластины 6 и 7 выполнены круглыми или многоугольными со значительной толщиной для надежного и устойчивого закрепления на них блоков 2 насадки. Регулярная насадка может быть выполнена как в прототипе в виде пластин, гофрированных листов, гофры которых в смежных листах выполнены перекрестно, или как в RU 171150, из смонтированных на внутреннем каркасе секций, состоящих из рядов последовательно расположенных пластин, при этом пластины размещены радиально на боковых сторонах распределителя и в смежных рядах установлены с различными (положительными и отрицательными) углами наклона относительно входного патрубка ввода газожидкостного потока. Объем блоков 2 насадки может быть заполнен и насыпной нерегулярной насадкой.
Входной патрубок 3 предназначен для надежного закрепления газораспределительного устройства на входном штуцере корпуса аппарата, для чего он снабжен кольцевым буртиком 8, как это видно на фигуре. Длина входного патрубка 3 выполнена достаточной для образования значительного его внутреннего объема и его заполнения турбулизирующей насадкой 9, например, насыпной. Противоположный конец распределительного устройства снабжен упором 10 для закрепления устройства на противоположной от входного штуцера части аппарата.
Газораспределительное устройство работает следующим образом.
Газораспределительное устройство описанной конструкции устанавливают в сепарационном или массообменном аппарате, закрепляя его входной патрубок 3 в штуцере аппарата. К штуцеру аппарата присоединен подающий трубопровод. На вход газораспределительного устройства по подающему трубопроводу с высокой скоростью подается газожидкостная смесь. Вследствие наличия различных местных сопротивлений подающего трубопровода (поворотов, запорно-регулирующих устройств) отдельные струи входного потока движутся с разными скоростями. При движении такого неравномерного потока в газораспределительном устройстве эта неравномерность сохраняется по его поперечному сечению, что ведет к неравномерной нагрузке как на насадочные блоки 2, так и на контактные устройства, установленные в аппарате ниже по потоку. Поскольку в предложенном изобретении внутренний объем входного патрубка 3 газораспределительного устройства заполнен нерегулярной насадкой 9, поток газожидкостной смеси, встречая на своем пути преграды в виде элементов нерегулярной насадки, расположенных под разными углами к направлению потока, соударяется с ними, турбулизуется, разбивается на множество единичных струй, которые многократно меняют направление и скорость движения. Проходя через весь объем нерегулярной насадки 9 входного патрубка 3, множество струй входного газожидкостного потока перемешивается, их скорости усредняются, и на выходе входного патрубка 3 формируется более однородный в сечении по скоростям и плотности поток, который поступает непосредственно на вход газораспределительного устройства. Газожидкостная смесь попадает в междиафрагменные пространства опорной конструкции 1, образованные кольцевыми диафрагмами 5. Далее поток проходит в блоки насадки 2, кромки листов которых разделяют поток газа на отдельные струи, обтекающие их. При этом под действием инерционных сил на поверхности листов происходит осаждение дисперсных частиц и образование жидкой пленки, которая под действием гравитационных сил стекает вниз.
В междиафрагменных пространствах благодаря кольцевым диафрагмам 5 с диаметрами отверстий, уменьшающимися от патрубка ввода газа 3, происходит дополнительное выравнивание профиля скорости газа, а насадка 2 распределительного устройства позволяет равномерно распределить поток газа по сечению аппарата. Большое проходное сечение регулярной насадки 2 значительно снижает фактор скорости газа, что предотвращает вторичное диспергирование образовавшейся на листах насадки 2 пленки жидкости и улучшает качество сепарации мелкодисперсных частиц.
Одновременно с процессом выравнивания скоростей и плотности входного потока газожидкостной смеси, протекающим во внутреннем объеме входного патрубка 3, за счет наличия в нем нерегулярной насадки проявляется эффект турбулентной коалесценции от турбулентных пульсаций и соударений, выражающийся в процессе укрупнения дисперсных жидких частиц потока, что положительно сказывается на эффективности их дальнейшей сепарации.
Таким образом, заявляемая конструкция газораспределительного устройства позволяет более эффективно и равномерно распределить газовый поток во входном сечении устройства за счет турбулизации потока и обеспечить укрупнение мелкодисперсных частиц жидкости, благодаря турбулентной коалесценции нерегулярной насадкой во входном патрубке.