ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР
CENTRIFUGAL SEPARATOR

Изобретение предназначено для удаления мелкодисперсных и аэрозольных жидких и твердых частиц из газового потока в поле центробежных сил и применяется в нефтяной, газовой, химической, машиностроительной и других отраслях промышленности.
Основной узел, обеспечивающий создание центробежной силы для удаления примесей, - сепарационный пакет с изогнутыми сепарационными лопатками. Впервые предложено применение таких лопаток для центробежного сепаратора в а.с. №497035, кл. В01D 45/12, 1973 г. - лопатки изогнуты по спирали Архимеда и набраны в пакет в виде многозаходной спирали. В последующих патентах лопатки также изогнуты по спирали Архимеда - а.с. №1066629, кл. В01D 45/12, 1984 г.
Известны модификации лопатки в виде пластины с одинарным изгибом под углом 150-165° - патент №213650, кл. B01D 45/12, 1998 г.
Развитием этого решения является лопатка с двойным изгибом - патент №2244584, кл. B01D 45/12, 2003 г. Автор преследует цель создания "лопатки, концы которой направлены в разные стороны касательно к наружному и внутреннему диаметрам сепарационного пакета". Данный признак является описанием элемента спирали Архимеда, который заключен между двумя близкими по диаметру окружностями и вырождается в изогнутую по дуге пластину. Кстати, пластина по спирали Архимеда лишена изгибов, где при высоких скоростях потока возможно нарушение целостности потока с уносом капельной жидкости из-за разрыва функции.
Совершенствование конструкции сепараторов в описанных изобретениях шло по пути увеличения давлений газового потока /порядка 65 ати/. В этих условиях газовый поток стремился по кратчайшему пути и с максимальной скоростью проскочить через аппарат от входа до выхода из сепарационного пакета сокращая время пребывания в аппарате и сепарационном пакете. Из гидроаэромеханики известно, что капли увлекаются газовым потоком, но имеют, естественно, меньшие скорости. Для разгона капли до скоростей потока необходимо время и конструктивные условия, в частности угол крутки /Г.С.Самойлович "Гидроаэромеханика", М., "Машиностроение", 1980, с.224, а также В.Н.Соколов, И.В.Доманский "Газожидкостные реактора", Л-д, "Машиностроение", 1976, с.174/.
Использование многозаходной спирали Архимеда применительно к центробежным сепараторам предложено мною в упомянутом а.с. №497035. Предполагалось использование сепаратора в области "средних" давлений порядка 1-5 ати и скоростей в полном сечении аппарата порядка 2-3 м/с - смотри, например, эту оценку в описании по а.с. №1066629, кл. B01D 45/12 - строчки 31-35, страница 2.
Архимедова спираль получается при равномерном движении точки по прямой, равномерно вращающейся вокруг неподвижной точки /"Общетехнический справочник" под редакцией Е.А.Скороходова и др. 1990, стр.45/. В области высоких давлений газового потока времени разгона капли и угла закрутки по спирали Архимеда оказалось недостаточно.
Предлагается применить гиперболическую спираль, где "при движении точки по вращающейся прямой ее расстояние от центра вращения будет всегда обратно пропорционально углу поворота прямой, измеренном от начального положения" /"Общетехнический справочник″, стр.46/. Из сопоставления кривых на фиг.5 следует, что при движении по гиперболической спирали - кривая 16 по сравнению с движением по спирали Архимеда - кривая 15 на участке между наружной и внутренней окружностям спирального пакета поз.17 и 18 увеличивается длина пути и угол крутки, а следовательно, время разгона капли и ее скорость, что необходимо для области высоких давлений.
Однако, для области низких давлений и скоростей, энергии потока недостаточно, чтобы преодолеть даже спираль Архимеда. Это область удаления сухого молока из воздушного выхлопа, удаления цементной пыли из дымовой трубы и т.д.
Предлагается применить логарифмическую спираль, где "при движении точки по вращающейся прямой ее расстояния от центра растут в геометрической прогрессии, а углы поворота прямой изменяются по закону арифметической прогрессии" /"Общетехнический справочник", с.47/. Из сопоставления кривых на фиг.5 следует, что при движении по логарифмической спирали - кривая 14 по сравнении со спиралью Архимеда - кривая 15 и гиперболической спиралью - кривая 16 на участке между наружной и внутренней окружностями спирального пакета поз.17 и 18 уменьшается длина пути и угол крутки, а следовательно, уменьшается сопротивление. Энергии потока будет достаточно для центробежного выделения примесей.
Другим важным фактором, обеспечивающим эффективность центробежного выделения примесей из газового потока, является ситуация, связанная с тангенциальным вводом газа и вращением потока в полости между сепарационным пакетом и внутренней поверхностью корпуса.
В лучшем случае, поток вводится в аппарат тангенциально в одной точке. Ввод изнутри защищается и направляется дефлектором, поток вращается в кольцевой полости, где дефлектор сильно возмущает поток исключая равномерное скоростное движение. Положение усугубляется, если при высоких давлениях газовый патрубок установлен радиально, а движение потока во вращательное преобразуется при помощи дефлектора в ограниченном объеме корпуса сепаратора, где поток совершает поворот на 90°. Выступ дефлектора дробит капли на мелкодисперсные и резко снижает скорость вращающегося потока снижая эффективность сепарации - смотри, например, фиг.2 в описании патента №2221625, B01D 45/12. Попытка приблизить вход к тангенциальному, сместив радиальный патрубок, или видоизменив дефлектор меняя его сечение, или вводя под дефлектор изогнутую пластину, не решают проблему радикально и являются полумерами - патент №2244584, кл. B01D 45/12, 2003.
Предлагается снабдить сепаратор разгонной камерой газожидкостного потока, размещенной в верхней части снаружи корпуса сепаратора концентрично ему, включающей верхнюю и нижнюю кольцевые пластины и наружную охватывающую цилиндрическую обечайку с входным патрубком и дефлектором, а на охватываемой наружной поверхности корпуса выполнены входные отверстия, равномерно распределенные по горизонтальной окружности и защищенные с внутренней и наружной стороны корпуса дефлекторами, направленными снаружи - навстречу, а внутри - вдоль потока. Все преобразования радиального потока в тангенциальный происходят вне рабочего объема корпуса аппарата во вспомогательной разгонной камере, не мешая равномерному скоростному вращению потока в сепараторе. Поток в аппарат вводится уже предварительно раскрученным с высокой начальной скоростью. Ввод потока в сепаратор осуществляется тангенциально не через одну, а, как минимум, через три точки, дефлекторы которых максимально прижаты к корпусу, что обеспечивает условия равномерного скоростного вращения и максимальных центробежных сил.
Третьей важной проблемой, решаемой в предлагаемом изобретении, является проблема коалесценции и удаления мелкодисперсных включений. Из гидроаэромеханики известно, что разгон и удаление капли сильно зависит от ее размера /Г.С.Самойлович "Гидроаэромеханика", М., "Машиностроение", 1980, с.224/.
Если крупная капля является относительно легкой "добычей" при центробежном разделении, то мелкодисперсные капли /роса, туман/ требуют для их выделения более высоких скоростей и предварительного укрупнения /коалесценции/.
Крупные капли удаляются в кольцевой полости между корпусом и сепарационным пакетом при тангенциальном вращении потока, отбрасывании капель на внутреннюю стенку корпуса и отекании их в днище. Мелкодисперсные капли раскручиваются до более высоких скоростей в сепарационном пакете, укрупняются и центробежной силой отбрасываются также на внутреннюю стенку корпуса и частично сползают вниз по пакету. Однако сепарационный пакет легко проницаем - после закрутки поток уходит снизу вверх по центру пакета к патрубку выхода, унося за собой мелкодисперсные примеси. Решения проблемы увеличения скоростей описаны выше. Проблему коалесценции можно решить, если создать в зоне сепарационного пакета застойную зону: "в реальных аппаратах в области застойных зон над актами дробления превуалирует коалесценция" /В.Н.Соколов, И.В.Доманский, Л-д, "Машиностроение", с.61/.
Предлагается внутри сепарационного пакета установить обечайку с зазором относительно пакета, превышающим толщину тормозящего ламинарного слоя. Обечайка исключит мгновенное удаление потока из аппарата и унос мелкодисперсных капель, обеспечит увеличение времени пребывания, увеличит скорость раскрутки потока и коалесценции капель в застойной зоне. Чтобы не остановить вращение потока, зазор должен быть больше толщины ламинарного слоя, чтобы на турбулентном невязком подслое вращать поток. Регулирование времени пребывания и поиск оптимума обеспечивается наличием щелей, через которые можно удалять часть потока. Удаление основного газового потока производится через нижнюю часть сепарационного пакета, где живое сечение щелей в обечайке значительно выше, чем в верхней части, или где обечайка вообще исключена. Поворот потока сверху вниз и внутрь сепарационного пакета в нижней зоне вызовет его расширение снизу и возможный унос капелек. Это предотвращается установкой между сепарационным пакетом и внутренней поверхностью корпуса обечайки с щелями и жалюзийными отгибами для приема капель. Крутку жидкости в объеме зазора исключают вертикальные прутки, перекрывающие сечение.
На фиг.1 представлен центробежный сепаратор в продольном разрезе, на фиг.2 - место I фиг.1, на фиг.3 - место II фиг.1, на фиг.4 - сечение А-А фиг.1. На фиг.5 дано сопоставление различных форм изгиба спирали. На фиг.6 дан вариант сепаратора в продольном разрезе.
Центробежный сепаратор по фиг.1 включает вертикальный цилиндрический корпус 1 с верхним горизонтальным 2 и нижним сферическим днищем 3, входной 4, выходной 5, сливной 6 патрубки, дефлектор 7, вертикальный сепарационный пакет 8. Пакет 8 состоит из изогнутых сепарационных пластин 9, образующих в зоне нахлестки щелевые каналы 10. Под пакетом находятся плоское днище 11, радиальные пластины 12 и нижняя отбойная шайба 13.
Сепаратор снабжен разгонной камерой газожидкостного потока 30, размещенной в верхней части сепаратора снаружи корпуса 1 концентрично ему и состоящей из верхней 31 и нижней 32 кольцевых пластин и наружной охватывающей цилиндрической обечайки 33. При этом входной патрубок и дефлектор присоединены к обечайке, а на охватываемой поверхности корпуса 1 выполнены входные отверстия 34, равномерно /в нашем случае через 120°/ распределенные по горизонтали и защищенные с внутренней и наружной стороны корпуса 1 дефлекторами 35 и 36, направленными снаружи - навстречу, а внутри - вдоль потока, причем сепарационные пластины изогнуты по гиперболической 16 или логарифмической спирали 14 или по спирали Архимеда.
Рабочий участок сепарационного пакета размещен между наружной окружностью 17 и внутренней 18. Внутри сепарационного пакета 8 установлена вторая обечайка 19 с турбулентным зазором 20, превышающим толщину тормозящего ламинарного слоя 21. Обечайка 19 по фиг.1 по высоте равна высоте сепарационного пакета 8 и снабжена вертикальными щелями, живое сечение которых в верхней части 22 составляет 10-50%, в нижней части 23 - 50÷90%, а величина зазора составляет 2,0÷10,0 мм. Обечайка 19 внутри пакета 8 по фиг.6 по высоте равна половине высоты пакета, установлена в верхней части пакета без зазора относительно верхнего днища 2. Между пакетом 8 и внутренней поверхностью корпуса 1 установлена третья обечайка 25 с зазором 26 относительно корпуса 1. Обечайка 25 по высоте равна половине высоты пакета 8, установлена в нижней части аппарата с перекрытием второй обечайки 19 на 50-100 мм. Обечайка 25 снабжена вертикальными щелями 27 с жалюзийными отгибами 28, направленными внутрь обечайки навстречу потоку. Живое сечение щелей составляет 10-50%, а в зазоре после каждой щели вдоль потока вертикально установлены прутки 29, перекрывающие зазор.
Центробежный сепаратор работает следующим образом.
Газожидкостная смесь вводится в аппарат через входной патрубок 4, закручивается дефлектором 7 и вращается в кольцевой полости между стенкой разгонной камеры 33 и наружной стенкой корпуса 1 - смотри фиг.1 и фиг.4. С высокой начальной скоростью поток вводится в корпус 1 через заборные дефлекторы 36 в трех точках, что исключает неравномерность вращения, свойственную одноточечному вводу. Дефлекторы 35 препятствуют поступлению газа в осевую зону сепарационного пакета 8 без предварительного разделения газовзвеси. Предварительная закрутка потока в отдельной разгонной камере позволяет исключить его преобразование в рабочей полости аппарата из радиального в тангенциальное и грубые выступы на дефлекторах 35, что увеличивает скорость потока. Наличие трех вводов 34 позволяет уменьшить живое сечение каждого ввода и максимально прижать дефлекторы 35 к внутренней стенке корпуса 1 высвобождая рабочий объем сепаратора, а также "придавить" жидкую фазу к внутренней поверхности корпуса 1, что улучшает процесс сепарации.
В пространстве, образованном стенкой корпуса 1 и сепарационным пакетом 8 из газового потока удаляется основная масса жидкости, образованная крупными каплями. Капли отбрасываются центробежной силой на стенку корпуса 1 и под действием гравитационных сил транспортируются вниз по стенке 1 по ходу вращения газового потока по нисходящей спирали к сливному патрубку 6.
Мелкодисперсная жидкость, не осевшая на корпусе 1, попадает в сепарационный пакет 8, где поток раскручивается до высоких скоростей в блоке многозаходных гиперболических спиралей, обеспечивающих по сравнению со спиралью Архимеда увеличение длины пути, угла крутки и времени пребывания - сравни кривые 16 и 15 на фиг.5. Эти параметры необходимы для случая высоких давлений - например, для удаления газового конденсата из сепаратора с давлением 65 ати на станциях подземного хранения газа.
Для области низких давлений предлагается закрутка потока по логарифмической спирали, уменьшающей длину пути и угол крутки по сравнению со спиралью Архимеда - сравни кривые 14 и 15 на фиг.5. Энергии потока низкого давления будет достаточно для центробежного выделения примесей в установках с вентиляторами среднего и низкого давления. Попытка применить "скоростные" сепараторы для выделения сухого молока из трубы с вытяжным вентилятором оказалась неудачной.
Мелкодисперсные капли раскручиваются до более высоких скоростей в сепарационном пакете с гиперболическими или логарифмическими спиралями, описанными выше. Вторая обечайка 19, установленная с зазором внутри пакета 8, вынуждает поток крутиться значительно дольше, чем в обычном «проницаемом» пакете, обеспечивая увеличение скорости, исключает мгновенное удаление потока из аппарата и унос мелкодисперсных капель. Создавая «застойную» зону, обечайка обеспечивает коалесценцию мелкодисперсных частиц. Чтобы не остановилось вращение потока, зазор выполнен больше толщины тормозящего ламинарного слоя 21 - турбулентный подслой 20 играет роль смазки - смотри фиг.2. Регулирование времени вращения потока вокруг обечайки 19 и поиск оптимума обеспечивается щелями 22, через которые можно удалить часть газового потока. Удаление основного газового потока производится через нижнюю часть обечайки 19 и сепарационного пакета, где живое сечение щелей 23 значительно выше, чем щелей 22 в верхней части. В сепараторе по варианту фиг.6 обечайка 19 в нижней части вообще исключена, обеспечивая снижение сопротивления выходящему потоку. Поворот потока сверху вниз и внутрь пакета 8 в нижней зоне вызовет его расширение внизу и возможность уноса капель. Это предотвращается установкой между сепарационным пакетом 8 и внутренней поверхностью корпуса 1 третьей обечайки 25 с щелями 27 и жалюзийными отгибами 28 для приема капель. Крутку жидкости в объеме зазора между обечайкой 25 и корпусом 1 исключают вертикальные прутки 29, установленные после каждой щели вдоль потока и перекрывающие сечение.
Раскрученные до высоких скоростей и скоалесцированные в крупные капли частицы мелкодисперсной жидкости частично удаляются традиционно, отброшенные центробежной силой на внутреннюю стенку 1, откуда стекают вниз к сливному патрубку 6. Этому движению помогает газовый поток, движущийся по спирали сверху вниз. Частично жидкость стекает с пакета вниз в зазоре между обечайкой 19 и спиральным потоком 8 и далее к сливному патрубку 6 через затворы плоского днища 11 и зазор шайбы 13. Ребра 12 предотвращают вращение потока в нижней части аппарата. Перекрытие h обечаек 19 и 25 по фиг.6 снижает унос капелек жидкости при повороте газового штока снизу вверх.
Внедрение предлагаемого центробежного сепаратора позволяет:
- увеличить верхний предел допустимых нагрузок сепаратора, повысить давление газа,
- повысить "чувствительность" сепаратора к улавливанию мелкодисперсных включений,
- снизить потерю напора аппарата,
- обеспечить работоспособность аппарата в области низких давлений.