ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ СЕПАРАТОР
GAS-LIQUID SEPARATOR

Изобретение относится к устройствам для выделения свободных газовых включений из потока жидкости и может быть использовано, в частности, для отделения газа от нефти.
Существует газожидкостный сепаратор, представляющий собой прямолинейный отрезок трубы, имеющий уклон в направлении течения по нему жидкости. Сепаратор требует длинный участок для своего размещения.
Этого недостатка лишен газожидкостный сепаратор, в котором канал течения газожидкостной смеси выполнен в виде спирали (RU 2185872 С2, 27.07.2002). Сепаратор выполнен в виде винтовой поверхности, расположенной между двумя цилиндрами. При этом пленка жидкости с распределенными пузырьками газа стекает вниз по винтовой траектории, заданной совместным действием центробежной и гравитационной сил. Это содействует отделению пузырьков газа, распределенных в пленке жидкости. Выделяющийся из жидкости газ выводится через отверстия в центральном цилиндре. Жидкость отбирается насосом из нижней части сепаратора.
Спиральный канал при той же эквивалентной длине сепарации, что и в прямолинейной наклонной трубе, имеет значительно меньшие габариты. Кроме того, из-за криволинейного движения жидкости в спиральном канале возникает центробежное ускорение, которое, складываясь с земной гравитацией, повышает выталкивающую силу, действующую на газовые включения, что в свою очередь ускоряет процесс вывода свободного газа, а следовательно, позволяет дополнительно уменьшить габариты устройства.
Однако в известном сепараторе не гарантируется эффективное выделение пузырьков газа из жидкости, поскольку не обеспечена реализация самотечного течения газожидкостной смеси ни на одном участке винтовой поверхности. Самотечный расход однозначно определяется параметрами винтового канала, (внутренним и внешним диаметрами, шагом винтовой поверхности, определяющими уклон винтовой поверхности), а для известного винтового сепаратора не указано, каким должно быть соотношение между параметрами винтового канала (самотечным расходом) и рабочим расходом. Если расход по винтовому каналу будет выше самотечного, и все сечение канала будет заполнено жидкостью, то перемещаемые к оси потока пузыри газа не будут всплывать, а будут уноситься вниз по течению, и не будет происходить их отделение.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение эффективности выделения газовых включений из жидкости. Технический результат достигается тем, что в газожидкостном сепараторе, содержащем корпус, выполненный в виде внешнего цилиндра, расположенный в нем внутренний цилиндр с отверстиями для отвода газа и установленный между ними спиральный элемент с винтовой поверхностью, образующий спиральный канал, в верхней части внешнего цилиндра размещено средство подвода газожидкостной смеси, а в нижней части - средство отвода жидкости, предложено внутренний и внешний диаметр винтового канала и шаг винтовой поверхности выбрать из условия обеспечения самотечного течения газожидкостной смеси, при котором гидравлические потери меньше прироста гидростатического давления.
Кроме того, в верхней части внутреннего цилиндра целесообразно поместить средство для отвода газа из сепаратора.
На чертеже показан предложенный сепаратор в разрезе.
Спиральный канал сепаратора формируется винтовой поверхностью спирального элемента 3, расположенного между двумя цилиндрами 1 и 2 (внешним и внутренним, соответственно). Газожидкостная смесь поступает в верхнюю часть спирального канала через патрубок 4 подвода газожидкостной смеси в верхней части внешнего цилиндра 1, являющегося корпусом сепаратора. Газ, выделяющийся из жидкости, через отверстия 7 во внутреннем цилиндре 2, расположенные непосредственно под спиральным элементом 3, поступает во внутреннюю полость внутреннего цилиндра 2, а затем через патрубок 5 в верхней части внутреннего цилиндра 2 отводится из сепаратора.
Величина уклона винтовой поверхности (внутренний и внешний диаметр и шаг винтовой поверхности) спирального элемента 3 подбирается таковой, что при необходимых расходах жидкости происходит самотечное течение (гидравлические потери ниже гидростатического приращения давления), при этом образуется участок течения с неполным заполнением сечения. При наличии в жидкости, протекающей по этой трубе, газовых включений, они поднимаются и образуют газовую полость над зеркалом жидкости. Выведенный из жидкости в газовую полость свободный газ отбирается из сепаратора патрубком 5, сообщающимся с газовой полостью. Дегазированная жидкость отводится из сепаратора через патрубок 6 отвода дегазированной жидкости, выполненный ниже места замыкания течения с неполным заполнением сечения, то есть в зоне, где течение с неполным заполнением сечения перешло в течение с полным заполнением сечения.
В таблице приведены параметры сепаратора с различным уклоном винтовой поверхности и соответствующее им пороговое значение самотечного расхода, выше которого течение жидкости в винтовом канале замыкается, и газовая полость не образуется.
Таблица
Внутренний диаметр, м
Внешний диаметр, м
Шаг, м
Самотечный расход, л/с
0,1
0,3
0,125
22
0,05
0,2
0,1
11
0,05
0,2
0,08
8
0,1
0,3
0,05
5
Самотечный расход вычислялся по формуле для расхода по змеевику (винтовому каналу) прямоугольного течения при постоянном давлении по каналу змеевика (при равенстве гидродинамических потерь приросту гидростатического давления на каждом витке). Зависимость между параметрами для обеспечения самотечного течения можно определить следующим образом.
Известно выражение для потери напора в канале, используемое в типовых расчетах [П.И.Тугунов, В.Ф.Новоселов, А.А.Коршак, А.М.Шаммазов. «Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов», Уфа, ДизайнПолиграфСервис, 2002, стр.500]:
где λ - коэффициент гидравлического сопротивления,
c
v - средняя скорость в канале,
g - ускорение свободного падения.
c
Самотечное (безнапорное) течение возникает в каналах, для которых потери напора ниже прироста гидростатического давления, т.е. для спирального канала Н должно быть равно или меньше шага спирали Н (гидростатического давления водяного столба высотой Н).
c
Очевидно, что v, средняя скорость в канале, связана с параметрами канала соотношением:
где а - высота канала,
b - ширина канала.
Для тонкой винтовой поверхности шаг спирали практически равен высоте канала (Н≈а), и выражения (1) и (2) преобразуются в приближенную зависимость:
max
min
где b≈(D-D)/2 - ширина винтового канала (4),
max
min
D и D - внешний и внутренний диаметры винтового канала.
Остается определить коэффициент λ.
На странице 281 книги Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М.: - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992 приведена необходимая информация для получения значения λ. На графике «б» и в таблице приведена зависимость λ от Re. Для оценки λ необходимо вычислить значение Re.
По определению:
r
Re=w D/v (например, Идельчик, стр.18),
r
где D=2ab/(a+b) (5) (там же, стр.281)
c
v=w (обозначения средней скорости в разных источниках), что приводит к выражению для Re
0
1
0
2
1
Таким образом, шаг спирали Н («а») вычисляется из зависимости (3), а коэффициент λ находится из таблицы или графика со страницы 281 справочника Идельчика с использованием (6). В выражение (6) входит искомый шаг спирали «а», поэтому решение (3), строго говоря, можно найти последовательными приближениями, подставляя значения коэффициента λ(а=0), λ(a=a), λ(a=a). Для канала с малым значением а/b для оценки λ можно использовать приближенное выражение Re≈2Q/νb (7).
Приведенный выше способ вычислений позволяет определить взаимосвязь между расходом и параметрами спирального канала для обеспечения самотечного режима течения. В таком канале течения с расходом ниже заданного в вычислениях будут самотечными, т.е. с неполным заполнением сечения, и будут обеспечивать эффективный отвод газа.
Для фактического рабочего расхода газожидкостной смеси выбирают параметры сепаратора, т.е. величину уклона винтовой поверхности, для которых пороговое значение самотечного расхода выше фактического рабочего расхода. При этом обеспечивается самотечное течение жидкости, неполное заполнение канала сепаратора и, следовательно, эффективное отделение газовых включений за счет образования газовой полости.