СЕПАРАТОР

Полезная модель относится к разделению материалов, в частности к отделению дисперсных частиц от газов с использованием центробежных и гравитационных сил, и может найти применение в различных областях техники, например в нефтяной, газовой, машиностроительной, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен сепаратор (авторское свидетельство СССР №1066629, МКИ В01D 45/12, дата подачи заявки 20.07.1982), содержащий вертикальный цилиндрический корпус, разделенный на камеры горизонтальными перегородками с осевыми отверстиями, внутри которых установлены сепарационные элементы, выполненные в виде криволинейных лопаток и установленные по многозаходной спирали Архимеда, работающей на скручивание и раскручивание потока. Выходные концы лопаток расположены наклонно к образующей поверхности усеченного конуса под острым углом к направлению вращения потока. Основания элементов, работающих на скручивание потока, снабжены сборными конусами и гидрозатворными трубками для отвода жидкости в нижнюю часть аппарата. На нижней перегородке смонтирован диффузор, на верхней - конфузор с кольцевым каплеотбойником, имеющие наклонные перфорации. Тангенциальный вводной патрубок снабжен направляющим дефлектором. В нижней части корпуса установлен патрубок для вывода отсепарированной жидкости, в верхней части - выходной патрубок для удаления очищенного газового потока.
Сепаратор работает следующим образом. Газожидкостная смесь подается в сепаратор через вводной патрубок и направляется направляющим дефлектором вдоль стенки аппарата, где происходит частичная сепарация газа. Основная масса жидкости под воздействием гравитационного поля стекает в нижнюю часть аппарата.
Закрученный поток газа поступает в нижний сепарационный элемент, где капли жидкости под воздействием центробежной силы оседают на поверхности сепарирующих лопаток и отводятся в нижнюю часть аппарата.
Очищенный газ с остатками жидкости поступает в диффузор, где под действием центробежной силы и напора газового потока жидкость в виде пленки оседает на поверхности диффузора и движется по закрученной траектории. Жидкая пленка отводится из конфузора в нижнюю часть аппарата без вторичного уноса благодаря особенностям выполнения диффузора.
Из диффузора газ попадает в центральную часть раскручивающегося элемента. Пройдя через этот элемент, газ очищается на сепарирующих пластинах, закрепленных на корпусе аппарата. Жидкость отводится в нижнюю часть аппарата.
Далее газ поступает в центральную часть верхнего сепарирующего элемента, где происходит коагуляция остатков мелкодисперсного аэрозоля. Жидкость под действием силы тяжести отводится в нижнюю часть аппарата.
Газ направляется в конфузор, где окончательно очищается и удаляется из аппарата.
Отсепарированная жидкость отводится из нижней части аппарата через патрубок вывода отсепарированной жидкости.
Описанный сепаратор имеет сложную конструкцию и ограниченные возможности применения из-за наличия тангенциального ввода. Такое конструктивное решение приводит к ослаблению корпуса аппарата за счет выреза под тангенциальный ввод, а также истирания корпуса абразивными частицами, находящимися в потоке. По этой причине применение тангенциального входного патрубка для сепараторов на высокое давление (газо-конденсатные месторождения) не рекомендуется. Применение диффузора и конфузора с кольцевым каплеотбойником ограничивает диапазон нагрузок по газовой и жидкостной фазам. Работа аппарата в пробковом режиме подачи жидкостно-газовой среды проблематична, т.к. входной патрубок расположен в нижней части корпуса, направление газожидкостной среды снизу вверх, что может привести к перегрузке сливных устройств и захлебыванию сепаратора. Кроме того, конструктивные особенности сепаратора определяют высокое гидродинамическое сопротивление, ограничивающее пропускную способность аппарата.
7
В качестве прототипа выбран сепаратор «Колибри», известный по патенту Российской Федерации №2244584, МКИ B01D 45/12, дата подачи заявки 2003.08.21.
Сепаратор содержит вертикальный цилиндрический корпус, входной патрубок, установленный на корпусе в верхней его части, горизонтальную перегородку в верхней части корпуса с отверстием, над которым расположен выходной патрубок, сливной патрубок
в нижней части корпуса, дефлектор, формирующий вращательное движение газожидкостного потока внутри сепаратора, вертикальный сепарационный пакет, антизавихритель, установленный в нижней части сепарационного пакета, экран, расположенный под антизавихрителем над сливным патрубком.
Вертикальный сепарационный пакет состоит из плоских вертикальных изогнутых сепарационных пластин. Концы плоских изогнутых пластин направлены в разные стороны касательно по отношению к внутреннему и наружному диаметрам пакета. Пластины укреплены по внутреннему периметру горизонтальной перегородки и образуют вертикальные щелевые каналы в зоне их нахлестки.
В верхней части сепарационного пакета между нижней наружной поверхностью выходного патрубка и внутренней поверхностью верхней части сепарационных пластин сепарационного пакета образован кольцевой зазор, который совместно с горизонтальной перегородкой формирует карман-ловушку.
Антизавихритель выполнен в виде верхнего и нижнего осевых дисков (днищ), которые расположены соосно и соединены между собой посредством радиальных пластин, расположенных между ними. Верхний осевой диск антизавихрителя соединен с нижней частью сепарационных пластин сепарационного пакета с образованием кольцевого радиального зазора между верхним осевым диском и сепарационными пластинами.
Экран, расположенный в нижней части корпуса под антизавихрителем над сливным патрубком, выполнен в виде плоской шайбы, закрепленной на корпусе с образованием кольцевого зазора между плоской шайбой и цилиндрическим корпусом сепаратора.
Сепаратор работает следующим образом. Газожидкостная смесь подводится в сепаратор через входной патрубок. Установка входного патрубка со смещением по горизонтали относительно осевой линии вертикального цилиндрического корпуса, позволяет создать скользящий удар о поверхность дефлектора.
Дефлектор закручивает газовый поток, препятствует поступлению газа в осевую зону сепарационного пакета без предварительного разделения газожидкостной смеси. В кольцевом пространстве, образованном вертикальной цилиндрической стенкой корпуса и сепарационными пластинами вертикального сепаратора, из газового потока выделяется основная масса жидкости. Капли жидкости отбрасываются центробежной силой на стенки корпуса и под действием гравитационных сил по ходу вращения газового потока по нисходящей спирали транспортируются через кольцевой зазор между корпусом и экраном к сливному патрубку.
Мелкодисперсная капельная жидкость, не осевшая на корпусе, попадает на наружную поверхность сепарационных пластин и транспортируется газовым потоком через
вертикальные щелевые каналы, попадая на внутреннюю поверхность сепарационных пластин. Газовый поток во внутреннем объеме разделяется на три слоя со своими векторами осевых скоростей: непосредственно у стенки - направлен вниз, далее незначительный слой "неподвижный" и следующий основной поток направлен вверх. Наличие первого слоя с направлением вектора осевой скорости вниз позволяет сгонять осевшие на сепарационных пластинах росу, капли, пленку к нижней кромке сепарационного пакета. Опускаясь по внутренней поверхности сепарационных пластин, частицы жидкости с нижней кромки сепарационного пакета экрана, откуда через кольцевой зазор между экраном и корпусом транспортируются в направлении сливного патрубка.
Очищенный газовый поток через отверстие в горизонтальной перегородке и выходной патрубок поступает к потребителю.
Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: полый цилиндрический вертикальный корпус с подводящим патрубком, верхняя крышка с выходным патрубком, нижняя крышка со сливным патрубком, дефлектор, расположенный в корпусе на уровне подводящего патрубка, вертикальный сепарационный пакет, антизавихритель газового потока, установленный в нижней части вертикального сепарационного пакета, экран, расположенный в нижней части корпуса под антизавихрителем газового потока над сливным патрубком.
Особенности выполнения сепаратора-прототипа, по сравнению с аналогом, позволяют упростить конструкцию, снизить потери напора и тем самим увеличить производительность аппарата. Однако, наличие экрана между нижней частью корпуса и сепарационным пакетом, выполненного в виде сплошной плоской шайбы, установленной в корпусе с образованием кольцевого зазора между шайбой и корпусом, создает дополнительное гидродинамическое сопротивление и потери напора, что ограничивает пропускную способность аппарата.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования сепаратора, в котором за счет конструктивных особенностей его выполнения обеспечивается уменьшение гидродинамического сопротивления и потерь напора, чем достигается повышение пропускной способности сепаратора.
Поставленная задача достигается тем, что в сепараторе, содержащем полый цилиндрический вертикальный корпус с подводящим патрубком, верхнюю крышку с выходным патрубком, нижнюю крышку со сливным патрубком, дефлектор, расположенный в корпусе на уровне подводящего патрубка, вертикальный сепарационный пакет, антизавихритель газового потока, установленный в нижней части вертикального сепарационного пакета, и экран, расположенный в нижней части корпуса под антизавихрителем газового потока над
сливным патрубком, согласно полезной модели, экран выполнен в виде двух перфорированных дисков, которые соединены между собой с образованием между ними зазора, при этом оси отверстий одного из перфорированных дисков смещены в горизонтальном направлении относительно осей отверстий другого перфорированного диска.
Указанные признаки составляют сущность полезной модели.
Целесообразно отверстия в перфорированных дисках выполнить с равным диаметром, а оси отверстий одного из перфорированных дисков сместить относительно осей отверстий другого перфорированного диска на величину не менее диаметра отверстий.
Целесообразно перфорированные диски связать с антизавихрителем газового потока при помощи оси, соединенной с антизавихрителем газового потока, и втулки, соединенной с перфорированными дисками и установленной на указанной оси по скользящей посадке.
Целесообразно также в верхней части корпуса закрепить опорный диск с отверстием, вертикальный сепарационный пакет верхней кромкой соединить с опорным диском по периметру указанного отверстия, а отверстие соединить с выходным патрубком через направляющий конус.
Существенные признаки полезной модели находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом.
Так, признаки, включающие:
- полый цилиндрический вертикальный корпус с подводящим патрубком,
- верхнюю крышку с выходным патрубком,
- нижнюю крышку со сливным патрубком,
- дефлектор, расположенный в корпусе на уровне подводящего патрубка,
- вертикальный сепарационный пакет в корпусе,
- антизавихритель газового потока, установленный в нижней части вертикального сепарационного пакета,
- экран, расположенный в нижней части корпуса под антизавихрителем газового потока над сливным патрубком,
- выполнение экрана в виде двух перфорированных дисков, которые соединены между собой с образованием между ними зазора, смещение осей отверстий одного из перфорированных дисков в горизонтальном направлении относительно осей отверстий другого перфорированного диска
являются необходимыми и достаточными для достижения технического результата, который выражается в уменьшение, в сравнении с прототипом, гидродинамического
сопротивления и потерь напора, чем обеспечивается повышение пропускной способности сепаратора.
Отличительные признаки полезной модели (выполнение экрана в виде двух перфорированных дисков, которые соединены между собой с образованием между ними зазора, смещение в горизонтальном направлении осей отверстий одного из перфорированных дисков относительно осей отверстий другого перфорированного диска) во взаимодействии с известными из описания прототипа признаками позволяют уменьшить гидродинамическое сопротивление газовому потоку, направленному из нижней части корпуса в сторону выходного патрубка. Так, в прототипе газовый поток из нижней части корпуса в сторону выходного патрубка мог проходить только через кольцевой зазор между экраном и стенками корпуса с соответствующим гидродинамическим сопротивлением. При этом следует отметить, что в прототипе через указанный зазор вся отсепарированная жидкость поступает к сливному патрубку в направлении, встречном газовому потоку. В таких условиях возможен унос отсепарированной жидкости газовым потоком. Выполнение экрана в виде двух перфорированных дисков, которые соединены между собой с образованием между ними зазора, позволяет направлять газовый поток из нижней части корпуса в сторону выходного патрубка как через кольцевой зазор между экраном и стенками корпуса, так и через отверстия перфорированных дисков, что уменьшает гидродинамическое сопротивление газовому потоку. При этом смещение в горизонтальном направлении осей отверстий одного из перфорированных дисков относительно осей отверстий другого перфорированного диска предупреждает унос отсепарированной жидкости газовым потоком.
Выполнение отверстий в перфорированных дисках с равным диаметром и смещение оси отверстий одного из перфорированных дисков относительно осей отверстий другого перфорированного диска на величину не менее диаметра отверстий обеспечивает технологичность конструкции и предупреждение уноса отсепарированной жидкости газовым потоком.
Установка в верхней части корпуса опорного диска, с которым верхней кромкой соединен вертикальный сепарационный пакет, а также связь антизавихрителя газового потока, установленного в нижней части вертикального сепарационного пакета, с перфорированными дисками экрана по скользящей посадке обеспечивает надежное закрепление вертикального сепарационного пакета в корпусе и компенсацию неравномерного термического изменения размеров сепарационного пакета и корпуса при подаче в сепаратор газожидкостного потока с высокой температурой.
Ниже приводится подробное описание заявляемого сепаратора со ссылками на чертежи, на которых показано:
Фиг.1 - Сепаратор, продольный разрез.
Фиг.2 - Сепаратор, разрез А-А на фиг.1.
Фиг.3 - Сепаратор, разрез Б-Б на фиг.1.
Фиг.4 - Сепаратор, экран в увеличенном масштабе, вид сверху.
Фиг.5 - Сепаратор, разрез В-В на фиг.4.
Сепаратор содержит полый цилиндрический вертикальный корпус 1 с подводящим патрубком 2, верхнюю сферическую крышку 3 с выходным патрубком 4, нижнюю сферическую крышку 5 со сливным патрубком 6. Подводящий патрубок 2 расположен тангенциально на боковой поверхности корпуса 1 со смещением относительно оси 7 корпуса 1, выходной патрубком 4 расположен вертикально. В верхней части корпуса 1 закреплен опорный диск 8 с отверстием 9. Отверстие 9 сообщено с выходным патрубком 4 через направляющий конус 10.
В корпусе 1 на уровне подводящего патрубка 2 расположен дефлектор 11 с отражательной пластиной 12, формирующей вращательное движение газожидкостного потока в полости корпуса 1. Внутри корпуса 1 установлен с эксцентриситетом относительно оси 7 корпуса 1 вертикальный сепарационный пакет 13, антизавихритель газового потока 14, установленный в нижней части вертикального сепарационного пакета 13, экран 15, расположенный в нижней части корпуса 1 под антизавихрителем газового потока 14 над сливным патрубком 6.
Сепарационный пакет 13 выполнен из множества изогнутых вертикальных сепарационных пластин 16, расположенных с образованием вертикальных щелевых каналов 17 между сепарационными пластинами 16. Верхняя кромка сепарационного пакета 13 закреплена на опорном диске 8 по периметру отверстия 9, выполненного в опорном диске 8, с образованием кольцевого зазора 18 между внутренней поверхностью сепарационных пластин 16 сепарационного пакета 13 и отверстием 9 в опорном диске 8.
Антизавихритель газового потока 14 установлен в нижней части вертикального сепарационного пакета 13 и выполнен в виде верхнего осевого диска 19 и нижнего осевого диска 20, которые расположены соосно и параллельно на некотором расстоянии друг от друга и соединены между собой радиальными пластинами 21. Верхний осевой диск 19 соединен с нижней частью сепарационного пакета 13 с образованием радиального зазора 22 между верхним осевым диском 19 и внутренней поверхностью сепарационных пластин 16 сепарационного пакета 13.
Экран 15 расположен в нижней части корпуса 1 под антизавихрителем газового потока 14 над сливным патрубком 6 и выполнен в виде двух перфорированных дисков 22 и 23, которые соединены между собой опорами 24 с образованием между ними зазора 25. Отверстия 26 и 27 в перфорированных дисках 22 и 23 выполнены с равным диаметром. Оси 28 отверстий 26 перфорированного диска 22 смещены в горизонтальном направлении относительно осей 29 отверстий 27 перфорированного диска 23 на величину не менее диаметра отверстий 26 и 27. Перфорированные диски 22 и 23 установлены на косынках 30, закрепленных на корпусе 1 с образованием зазора 31 между внутренней поверхностью корпуса 1 и перфорированными дисками 22 и 23 для подачи отсепарированной жидкости в поддон 32 и далее к сливному патрубку 6.
Перфорированные диски 22 и 23 связаны с антизавихрителем газового потока 14 с помощью оси 33, соединенной с антизавихрителем газового потока 14, и втулки 34, соединенной с перфорированными дисками 22 и 23 и установленной на указанной оси 33 по скользящей посадке.
Дефлектор 11 с отражательной пластиной 12 формируют направляющий канал 35, для подачи потока газожидкостной смеси в полость корпуса 1, с приданием ему вращательного движения. За отражательной пластиной 12 сформирован карман 36, полость которого гидравлически связана щелевым зазором 37 с полостью корпуса 1.
Сепарационный пакет 13 установлен в полости корпуса 1 на равном удалении от поверхности дефлектора 11 и внутренней стенки корпуса 1, с образованием кольцевого зазора 38. Карман 36 расположен вдоль стенки корпуса 1 с расположением нижнего конца кармана 36 на уровне нижнего конца сепарационных пластин 16 сепарационного пакета 13.
Сепаратор газовый центробежный работает следующим образом
Газожидкостная смесь под давлением подается в полость корпуса 1 через подводящий патрубок 2 и по отражательной пластине 12 подается в направляющий канал 35. Под действием центробежных сил поток приводится во вращательное движение внутри дефлектора 11 с выходом в кольцевой зазор 38 между сепарационным пакетом 13 и внутренней стенкой корпуса 1. Из газожидкостного потока выделяется капельная жидкость, которая за счет воздействия тангенциальных сил отбрасываются к стенке корпуса 1 и под действием гравитационных сил по ходу газового потока по нисходящей спирали транспортируется через кольцевой зазор 31 к сливному патрубку 6.
Мелкодисперсная капельная жидкость, не осевшая на внутренней поверхности вертикального корпуса 1, попадает на наружную поверхность сепарационных пластин 16 и через щелевые каналы 17 поступает внутрь сепарационного пакета 13. Транспортируясь с
одной сепарационной пластины 16 на другую, под влиянием центробежных и гравитационных сил пленка жидкости закручивается и по винтовой спирали опускается к верхнему осевому диску 19, сбрасывается на поверхность перфорированного диска 22 и через отверстия 26, 27 перфорированных дисков 22, 23, а также через зазор 31 подается в поддон 32 и далее к сливному патрубку 6.
Радиальные пластины 21, за счет направления навстречу газожидкостному потоку и своей криволинейной поверхности, препятствуют передаче вращательного движения газового потока на слой жидкости под нижним осевым диском 20, что способствует лучшему стеканию жидкости к сливному патрубку 6.
Выполнение экрана 15 в виде двух перфорированных дисков 22, 23, расположенных с зазором 25, в которых отверстия 26, 27 смещены в горизонтальном направлении на величину не менее диаметра отверстий 26 и 27 обеспечивает прохождение газового потока из нижней части корпуса 1 через отверстия 26, 27, кольцевой зазор 31 с минимальным гидродинамическим сопротивлением и предупреждает вторичный унос отсепарированной жидкости газовым потоком.
Отсепарированный газ через внутреннюю полость сепарационного пакета 10 и через направляющий конус 10, закрепленный на опорном диске 8, направляется к выходному патрубку 4 и далее к потребителю.
При высокой концентрации жидкости в газожидкостном потоке, последний по подводящему патрубку 2 подается внутрь корпуса 1 и при взаимодействии с отражательной пластиной 12, приобретает вращательное движение и далее вращается в кольцевом зазоре 38 между наружной поверхностью сепарационного пакета 13 и внутренней поверхностью корпуса 1. Далее газожидкостный поток транспортируется к щелевому зазору 37 кармана 36, где при взаимодействии с обратной стороной отражательной пластины 12, жидкость вдоль стенки корпуса 1 транспортируется вниз к уровню расположения торца сепарационных пластин 16 сепарационного пакета 13 и далее через зазор 31 в поддон 32 к сливному патрубку 6.
При большом объеме жидкости жидкость вводится через щелевой зазор 37 в карман 36 не сразу, а с задержкой. То есть увеличивается толщина слоя пленочной жидкости по периметру стенки корпуса 1, что дает возможность сохранить вращательное движение газожидкостного потока в кольцевом зазоре 38 с формированием подвижной жидкой опоры, с которой взаимодействует вращающийся газожидкостный поток.
При подаче в сепаратор газожидкостного потока с высокой температурой наблюдается неравномерный нагрев внутренних деталей и узлов сепаратора по сравнению с корпусом 1, что приводит к неравномерному термическому изменению размеров
сепарационного пакета 13 и корпуса 1. В этом случае термическое удлинение сепарационных пластин 16 сепарационного пакета 13 компенсируется путем свободного перемещения совместно с ними антизавихрителя газового потока 14 относительно экрана 15 благодаря скользящей посадке втулки 34 на оси 33.
Предлагаемый сепаратор имеет простую конструкцию, технологичен, обеспечивает, по сравнению с прототипом, уменьшение гидродинамического сопротивления и повышение пропускной способности сепаратора.