ЦИКЛОННЫЙ СЕПАРАТОР СО СПИРАЛЬНЫМ ВЫХОДНЫМ КАНАЛОМ
CYCLONE SEPARATOR WITH SCROLL OUTLET

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к циклонному сепаратору, который включает в себя горловинный участок, расположенный между областью входа сходящегося потока и областью выхода расходящегося потока, при этом циклонный сепаратор позволяет генерировать вихревой поток вокруг центральной оси циклонного сепаратора, перемещающийся поступательно через область входа сходящегося потока и горловинный участок к области выхода расходящегося потока, причем область выхода расходящегося потока включает в себя выходные каналы, среди которых внутренний первый выходной канал для компонентов потока, обедненного конденсатами, и наружный второй выходной канал для компонентов потока, обогащенного конденсатами.
Уровень техники
WO 03/029739A2 раскрывает циклонный сепаратор, включающий в себя цилиндрический горловинный участок, в котором поток ускоряется по возможности до сверхзвуковой скорости и быстро охлаждается за счет адиабатического расширения. При быстром охлаждении потока содержащиеся в нем конденсируемые пары конденсируются и/или кристаллизируются с образованием мелких капель или частиц. Если поток представляет собой поток природного газа, выходящий из газовой скважины, то конденсируемые пары могут включать в себя воду, углеводороды, диоксид углерода, сероводород и ртуть. Такие сепараторы включают в себя и ряд завихряющих пластин, расположенных во входном участке перед горловинным участком в направлении поступательного перемещения потока, причем такая пластина или пластины наклонены или образуют геликоид относительно центральной оси горловинного участка для обеспечения вихревого движения потока в сепараторе. Благодаря вихревому движению смеси текучих сред ей сообщаются центробежные силы, которые вызывают перемещение вихревого потока конденсированных и/или кристаллизованных компонентов с относительно большой плотностью к внешней границе внутреннего пространства горловинного участка и расходящейся области выхода и сосредоточение газообразных компонентов с относительно малой плотностью около центральной оси сепаратора.
Затем газообразные компоненты выходят из сепаратора через первый центральный выходной канал, а поток, обогащенный конденсатами, - через второй выходной канал, который расположен на внешней периферии области расходящихся выходных каналов. Циклонный сепаратор подробно описан ниже со ссылкой на фиг.1.
Выходные каналы предусмотрены для выхода потоков из циклонного сепаратора. Выходные каналы могут быть предназначены для замедления потока и преобразования таким образом кинетической энергии потока в его потенциальную энергию, то есть увеличения его статического давления. Циклонный сепаратор может быть также снабжен средством для выпрямления потока, к примеру узлом из пластин 19 для выпрямления потока, для использования вращательной энергии вихревого потока. Эта вращательная энергия преобразуется в осевую кинетическую энергию.
В общем случае предпочтительно, чтобы перепад давления в циклонном сепараторе был минимален. Это может быть достигнуто за счет максимально возможного преобразования кинетической энергии потока (как осевого, так и тангенциального) в давление для облегчения дальнейшей обработки сепарированных потоков.
WO 2008/020155 раскрывает циклонный сепаратор для сепарации потоков, который включает в себя входную камеру, снабженную средствами для завихрения потоков, текущих через камеру, вокруг некоторой оси, циклонную сепарационную камеру, соединенную с входной камерой так, чтобы поток поступал из нее в циклонную сепарационную камеру, и выходную камеру, соединенную с циклонной сепарационной камерой так, чтобы поток поступал из нее в выходную камеру. Выходная камера имеет тангенциальный выход для относительно плотных потоков и осевой выход для менее плотных потоков.
Выходная камера может быть выполнена в виде спиральной камеры, которая включает в себя выходной канал, ограниченный криволинейной стенкой, которая совершает оборот на 360 градусов вокруг оси, и переходящий в тангенциальный выходной канал для тяжелых фаз сепарируемых потоков. Радиус стенки выходного канала возрастает в направлении перемещения потока, при этом возрастает и площадь поперечного сечения канала.
Циклонный сепаратор, раскрытый в WO 2008/020155, рассчитан на работу при малых скоростях потока, то есть порядка 50 м/с, и несжимаемые среды. Следовательно, суммарная кинетическая энергия на выходе, доступная для использования, относительно мала. Таким образом, циклонный сепаратор и выходная камера, соответствующие WO 2008/020155, не рассчитаны на обработку потоков с большим давлением, к примеру входным давлением, равным 100 бар, и выходным давлением, равным 70 бар, и потоков, имеющих скорость, близкую к звуковой, к примеру околозвуковые скорости (0,8-1,2 маха) или сверхзвуковые скорости (>1 маха).
К тому же если использовать выходную камеру, раскрытую в WO 2008/020155, в циклонном сепараторе, в котором потоки ускоряются, по меньшей мере, до околозвуковых скоростей, то данная выходная камера не сможет обрабатывать «влажные» компоненты потока, обогащенные конденсатами. Поток будет задерживаться в выходной камере, что уменьшит пропускную способность и эффективность циклонного сепаратора.
В выходных каналах, соответствующих известному уровню техники, потоки могут отклоняться настолько резко, что если данные каналы используются в устройствах, работающих при больших скоростях потоков, потеря давления может оказаться слишком большой - до 20% от давления на входе и выше. Кстати, отклонение потока может приводить к возникновению профиля противоположного радиального давления, в результате чего вблизи поверхности выходного канала могут возникать области обратного потока (= потока в противоположном осевом направлении). Такая точка называется точкой отрыва, то есть точкой, в которой линии потока отделяются от стенки выходного канала. Если угол отклонения потока в указанных выходных каналах, соответствующих известному уровню техники, приближается к 90°, то возникает точка нулевой скорости потока, называемая «точкой застоя».
И вблизи точек отрыва и вблизи точек застоя трение потока о стенку относительно мало, что приводит к скоплению конденсированных или кристаллизованных компонентов. Такие застои увеличивают вероятность образования гидратов и/или для таких твердых компонентов как гидраты их скопления на поверхности. Такое прилипание гидратов к внутренней поверхности циклонных сепараторов уменьшает эффективное проходное сечение канала, что может уменьшить пропускную способность сепаратора вплоть до его полной закупорки и привести к увеличению потери давления, а значит, снижению общей производительности циклонного сепаратора.
Таким образом, задача настоящего изобретения - предусмотреть циклонный сепаратор, который работал бы эффективнее.
Существо изобретения
В соответствии с аспектом настоящего изобретения предусмотрен циклонный сепаратор, который включает в себя горловинный участок, расположенный между областью входа сходящегося потока и областью выхода расходящегося потока, при этом циклонный сепаратор позволяет генерировать поток, который завихряется вокруг центральной оси циклонного сепаратора, перемещаясь поступательно через область входа сходящегося потока и горловинный участок к области выхода расходящегося потока, причем область выхода расходящегося потока включает в себя выходные каналы, среди которых - внутренний первый выходной канал для компонентов потока, обедненного конденсатами, и наружный второй выходной канал для компонентов потока, обогащенного конденсатами; кроме того, циклонный сепаратор включает в себя, по меньшей мере, один спиральный диффузор, соединенный с одним из выходных каналов, при этом, по меньшей мере, один из указанных диффузоров включает в себя спиральный выходной канал со спиральной осью, которая образует по существу спираль вокруг центральной оси, причем выходной канал включает в себя камеру завихрения, которая преобразует осевой импульс вихревого потока относительно центральной оси в его тангенциальный импульс относительно спиральной оси.
Краткое описание чертежей
Далее описаны варианты выполнения настоящего изобретения, приведенные лишь в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые схематичные чертежи, на которых аналогичные части обозначены соответственными ссылочными позициями, на которых изображено следующее:
фиг.1 - схематичный продольный разрез циклонного сепаратора,
фиг.2 - схематичный продольный разрез циклонного сепаратора, соответствующего одному варианту выполнения настоящего изобретения,
фиг.3 - схематичный поперечный разрез циклонного сепаратора по фиг.2,
фиг.4а-4b - схема увеличенного фрагмента по фиг.2,
фиг.5 - схема линий потока, соответствующих одному варианту выполнения настоящего изобретения,
фиг.6 - схема распределения значений трения в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения,
фиг.7 - схематичный продольный разрез циклонного сепаратора, соответствующего другому варианту выполнения настоящего изобретения,
фиг.8 - схематичный поперечный разрез циклонного сепаратора по фиг.7,
фиг.9 - схематичный продольный разрез циклонного сепаратора, соответствующего другому варианту выполнения настоящего изобретения,
фиг.10 - схематичный продольный разрез циклонного сепаратора, соответствующего другому варианту выполнения настоящего изобретения,
фиг.11 - схематичный поперечный разрез циклонного сепаратора по фиг.10.
Подробное описание
На фиг.1 изображен примерный продольный разрез сепаратора потоков, который может быть упомянут и как циклонный сепаратор и как циклонный инерционный сепаратор.
Циклонный инерционный сепаратор, изображенный на фиг.1, включает в себя входное завихряющее устройство, выполненное в виде грушевидного центрального тела 1, в котором установлен ряд завихряющих пластин 2, при этом ось тела совпадает с центральной осью I циклонного сепаратора, так что между центральным телом 1 и корпусом 20 сепаратора образован кольцевой проток 3.
Ширина кольца 3 рассчитана таким образом, что площадь поперечного сечения кольца плавно убывает за завихряющими пластинами 2 в направлении поступательного перемещения потока, благодаря чему скорость потока в кольце плавно возрастает, достигая сверхзвуковых значений в позиции за завихряющими пластинами в направлении поступательного перемещения потока.
omax
nmin
Кроме того, циклонный сепаратор включает в себя цилиндрический горловинный участок 4, из которого вихревой поток поступает в расходящуюся сепарационную камеру 5, снабженную центральным первым выходным каналом 7 для газообразных компонентов и наружным вторым выходным каналом 6 для компонентов потока, обогащенного конденсатами. Центральное тело 1 включает в себя по существу цилиндрическую продолговатую концевую область 8, в которой установлен ряд пластин 19 для выпрямления потока. Центральное тело 1 имеет наибольшую наружную толщину или наибольший наружный диаметр 2R, который больше наименьшей внутренней толщины или наименьшего внутреннего диаметра 2R цилиндрического горловинного участка 4.
Далее описаны различные компоненты циклонного сепаратора, изображенного на фиг.1.
Завихряющие пластины 2, расположенные под углом (α) к центральной оси I, обеспечивают круговое движение потока. Угол α может составлять от 20° до 60°. Затем поток подается в кольцевую область 3. Площадь поперечного сечения этой области равна:
кольца
внешн
внутр
2
2
А=π(R -R ).
Последние две величины - это внешний и внутренний радиусы кольца в заданной позиции. Средний радиус кольца в данной позиции равен:
cp
внешн
внутр
2
2
R=√[?(R +R )].
cp max
φ
x
В позиции, соответствующей максимальному среднему радиуса R кольца, поток проходит между завихряющими пластинами 2 со скоростью (U), при этом пластины отклоняют поток пропорционально углу (α) отклонения, в результате чего возникают тангенциальная составляющая скорости, равная U=U·sin(α), и осевая составляющая скорости, равная U=U·cos(α).
cp max
cp min
В кольцевой области 3 за завихряющими пластинами 2 в направлении поступательного перемещения потока вихревой поток ускоряется до высоких скоростей, при этом средний радиус кольца плавно уменьшается с R до R.
Считается, что во время такого ускорения по кольцевой траектории протекают два процесса:
2
(1) Теплота или энтальпия (h) потока уменьшается по закону Δh=-1/2U, что приводит к конденсации тех компонентов потока, которые первыми достигают фазового равновесия. В результате образуется вихревой поток тумана, включающего в себя маленькие частицы жидкости или твердых тел.
φ
(2) Тангенциальная составляющая U скорости обратно пропорциональна среднему радиусу кольца и описывается по существу следующим уравнением:
φконеч
φнaч
cp max
cp min
U=U·(R/R).
с
Это приводит к значительному увеличению центростремительного ускорения а частиц потока, которое в конечном итоге будет достигать следующего порядка:
c
φконеч
cp min
2
a=(U /R).
В цилиндрическом горловинном участке 4 скорость потока может дополнительно увеличиваться или поддерживаться по существу на постоянном уровне. В первом случае конденсация продолжается, и частицы приобретают дополнительную массу. Во втором случае конденсация прекратится после определенного времени релаксации. В обоих случаях центробежные силы вызывает смещение частиц к внешнему периметру проходного сечения, то есть к внутренней стенке корпуса 20, которая называется областью сепарации. Период смещения частиц к этому внешнему периметру проходного сечения определяет длину цилиндрического горловинного участка 4. Подразумевается, что частицы могут включать в себя твердые или затвердевшие частицы.
За цилиндрическим горловинным участком 4 в направлении поступательного перемещения потока «влажные» компоненты потока, обогащенные конденсатами, стремятся сконцентрироваться вблизи внутренней поверхности расходящейся сепарационной камеры 5, а «сухие» газообразные компоненты потока концентрируются на центральной оси I или вблизи нее, в результате чего «влажные» компоненты потока, обогащенные конденсатами, проникают в наружный второй выходной канал 6 через одно или несколько отверстий, представляющих собой (микро)пористые участки, а «сухие» газообразные компоненты проникают в центральный первый выходной канал 7.
В расходящемся первом выходном канале 7 поток дополнительно замедляется, в результате чего его оставшаяся кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию.
Расходящийся первый выходной канал может быть снабжен узлом из средств для выпрямления потока, к примеру пластин 19 для выпрямления потока, для использования вращательной энергии потока.
Используемый в данном документе термин «поток» относится к жидкой или газообразной фазам, а также комбинации жидкой и газообразной фаз. Потоки, определенные в данном документе, могут также содержать твердые частицы.
Завихряющие пластины 2 могут быть заменены другими подходящими средствами завихрения.
Подразумевается, что циклонный сепаратор является по существу телом вращения вокруг центральной оси I симметрии.
Следует подчеркнуть, что вышеописанный циклонный сепаратор является всего лишь примером и варианты выполнения данного сепаратора, описанные ниже, могут быть отнесены и к циклонным сепараторам другого типа, к примеру описанным со ссылкой на WO 2008/020155.
Варианты выполнения настоящего изобретения
Вариант 1
На фиг.2 изображен циклонный сепаратор, соответствующий первому варианту выполнения настоящего изобретения. На фиг.3 изображен схематичный разрез циклонного сепаратора по пунктирной линии (фиг.2), при этом направление обзора противоположно направлению поступательного перемещения потока. И на фиг.2 и на фиг.3 изображена схема циклонного сепаратора, который соответствует сепаратору, изображенному на фиг.1, но при этом дополнительно включает в себя кольцевой диффузор 60 и спиральный диффузор 9.
Спиральный диффузор
Спиральный диффузор 9 включает в себя спиральный выходной канал 90, который расположен вокруг центральной оси I циклонного сепаратора, к примеру вокруг первого выходного канала 7, и переходит в выходной канал 93, который может быть прямым каналом, расположенным тангенциально спиральному выходному каналу 90. Спиральный выходной канал 90 может иметь форму тора с переменной площадью поперечного сечения, как будет подробно описано ниже. Поперечное сечение может иметь форму круга или другую подходящую криволинейную форму, как будет сказано ниже.
Спиральный выходной канал 90 может быть образован стенкой 91.Соединение спирального диффузора 9 с одним из выходных каналов, к примеру наружным вторым выходным каналом 6 или центральным первым выходным каналом 7, может включать в себя кольцевой диффузор 60, как будет сказано ниже. Спиральный выходной канал 90 соединен с наружным вторым выходным каналом 6 для дальнейшей транспортировки вторичного потока, обогащенного конденсатами.
В соответствии с данным вариантом выполнения настоящего изобретения предусмотрен циклонный сепаратор, включающий в себя горловинный участок 4, который расположен между областью входа сходящегося потока и областью выхода расходящегося потока, при этом циклонный сепаратор может генерировать поток, который завихряется вокруг центральной оси I циклонного сепаратора, перемещаясь поступательно через область входа сходящегося потока и горловинный участок к области выхода расходящегося потока, причем область выхода расходящегося потока включает в себя выходные каналы 6, 7, среди которых внутренний первый выходной канал 7 для компонентов потока, обедненного конденсатами, и наружный второй выходной канал 6 для компонентов потока, обогащенного конденсатами. Циклонный сепаратор включает в себя, по меньшей мере, один спиральный диффузор 9, соединенный, по меньшей мере, с одним из выходных каналов 6, 7, при этом каждый из указанных спиральных диффузоров 9 включает в себя спиральный выходной канал 90 со спиральной осью I1, которая имеет по существу форму спирали с центральной осью I, причем спиральный выходной канал 90 включает в себя камеру 95 завихрения для преобразования осевого импульса вихревого потока относительно центральной оси I в тангенциальный импульс относительно спиральной оси I1. Радиальный импульс, который может присутствовать в вихревом потоке относительно центральной оси I, также может быть преобразован в тангенциальный импульс относительно спиральной оси I1.
В примере осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированном на фиг.2 и 3, спиральный диффузор 9 соединен с наружным вторым выходным каналом 6. В другом примере осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированном ниже, спиральный диффузор может быть также соединен с центральным первым выходным каналом 7.
В одном примере осуществления настоящего изобретения выходной канал 6 образован стенками 61, 62, образующими кольцевую область, а выходной канал 90 образован стенкой 91, имеющей кривизну вокруг спиральной оси I1, при этом камера 95 завихрения образована плавным переходом между, по меньшей мере, одной из стенок 61, 62 выходного канала 6 и криволинейной стенкой 91.
Радиус кривизны стенки 91, то есть расстояние от спиральной оси I1 до стенки 91 может быть постоянным, то есть образовывать круг, или меняться, образуя спиральную кривую. Используемые радиусы кривизны обычно составляют от 0,05DD2 до 0,5DD2. На фиг.4а радиус стенки 91 относительно спиральной оси I1 обозначен как R91.
В примере, проиллюстрированном фигурами, криволинейная стенка 91 образует по существу круговой канал, то есть имеет по существу круговое поперечное сечение, если последнее по существу перпендикулярно спиральной оси I1. Пример тому проиллюстрирован фиг.4а. В общем случае поперечное сечение может иметь любую подходящую криволинейную форму, к примеру, форму эллипса или спирали. Пример спиральной формы сечения проиллюстрирован фиг.4b.
Поперечное сечение спирального выходного канала 90, перпендикулярное спиральной оси II, может иметь и форму, которая по существу соответствует, по меньшей мере, части окружности, овала, спирали.
Во время работы сепаратора вихревой поток обладает тангенциальным импульсом относительно центральной оси I, и спиральная ось I1 направлена по существу так, чтобы соответствовать тангенциальному импульсу относительно центральной оси I.
Другими словами, спиральная ось I1 может быть направлена так, чтобы тангенциальный импульс относительно центральной оси I преобразовывался в «осевой импульс относительно спиральной оси I1» и в конечном счете осевой импульс относительно оси 12 тангенциального выходного канала. Понятие «осевой импульс относительно спиральной оси I1» означает, что поток, перемещающийся через спиральный выходной канал 90, завихряется вокруг спиральной оси I1 спирального выходного канала 90.
Спиральная ось I1 может быть расположена в плоскости, которая перпендикулярна центральной оси I. Однако в качестве альтернативы спиральная ось I1 может быть наклонена к центральной оси I для учета фактического направления потока (комбинации его осевых, тангенциальных и, возможно, радиальных составляющих). Спиральная ось I1 может быть наклонена к центральной оси I под углом до 45 градусов.
Площадь поперечного сечения спирального выходного канала 90, которое перпендикулярно спиральной оси I1, возрастает вдоль спиральной оси I1 в направлении потока, то есть в направлении тангенциального выходного канала 93.
Площадь поперечного сечения спирального выходного канала 90 возрастает от минимальной площади поперечного сечения до максимальной площади поперечного сечения, причем отношение минимальной площади поперечного сечения к максимальной площади поперечного сечения составляет, по меньшей мере, 1:2.
В примере, проиллюстрированном фиг.3, площадь поперечного сечения характеризуется внутренним диаметром DD спирального выходного канала 90. Внутренний диаметр DD может возрастать (к примеру, линейно) в направлении тангенциального выходного канала 93, от первого внутреннего диаметра DD1, который относительно мал, до второго внутреннего диаметра DD2, который меньше или равен диаметру DD3 выходного канала 93. Отношение DD1:DD2 обычного равно 1:4, при этом предпочтительно, чтобы оно составляло от 1:2 до 1:20.
В первом примере осуществления настоящего изобретения выходной канал 93 может быть расширяющимся, то есть иметь диаметр DD3, который возрастает в направлении поступательного перемещения потока.
Конец спирального выходного канала 90 соединен с выходным каналом 93. Это соединение также по существу совпадает с началом спирального выходного канала 90, то есть с частью спирального выходного канала 90, имеющей наименьшую площадь поперечного сечения (к примеру, в позиции, соответствующей внутреннему диаметру DD1). В позиции, в которой внешний периметр спирального выходного канала 90 сходится с выходным каналом 93, может быть предусмотрен переход к минимальной площади поперечного сечения спирального выходного канала 90.
Таким образом, в первом примере осуществления настоящего изобретения максимальная площадь поперечного сечения спирального канала 90 включает в себя переход к минимальной площади поперечного сечения спирального канала 90.
Указанный переход может быть образован кромкой 94. Кромка 94 может быть острой во избежание торможения потока. Эта конструкция позволяет исключить образование области разрежения в начале спирального выходного канала 90, а значит, минимизировать или исключить рециркуляцию потока в улитке.
внут
внеш
В первом примере осуществления настоящего изобретения спиральный выходной канал 90 имеет внутренний радиус R относительно центральной оси I циклонного сепаратора, который по существу постоянен, и внешний радиус R относительно центральной оси I циклонного сепаратора, возрастающий в направлении тангенциального выходного канала 93.
Спиральный выходной канал 90 содержит отверстие для прохождения потока из выходного канала 6 или кольцевого диффузора 60 в спиральный выходной канал 90, который транспортирует вторичный поток, обогащенный конденсатами.
В первом примере осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, один спиральный диффузор 9 содержит отверстие 68 на внутреннем периметре спирального канала 90, соединяемого с выходными каналами 6 или 7 или с кольцевым диффузором 60, 70. Это детально изображено на фиг.4а в виде увеличенного фрагмента фиг.2.
Следует признать, что в соответствии с альтернативным вариантом выполнения настоящего изобретения отверстие может быть расположено на внешней стороне спирального выходного канала 90, то есть на его внешнем периметре (не показано).
Отверстие и соединение между выходным каналом 6 или кольцевым диффузором 60 (как описано ниже) и спиральным диффузором 9 выполнено так, чтобы поток поступал в спиральный выходной канал 90 по существу параллельно криволинейной стенке 91 спирального выходного канала 90. Выходной канал 6 или кольцевой диффузор могут быть тангенциальны стенке спирального выходного канала 90. За счет формы спирального выходного канала 90 и тангенциального соединения выходного канала или кольцевого диффузора 60 со спиральным выходным каналом 90 образована камера 95 завихрения, которая во время работы сепаратора преобразует осевой импульс вихревого потока относительно центральной оси I в тангенциальный импульс относительно спиральной оси I1. Остаточный осевой импульс (относительно центральной оси I), присутствующий в потоке на входе в спиральный выходной канал 90, плавно отклоняется камерой 95 завихрения, чтобы в спиральном выходном канале 90 сформировался кольцевой вихрь (относительно спиральной оси I1), что позволяет избежать образования точек застоя в указанном спиральном выходном канале 90.
Значительная часть импульса на входе в спиральный выходной канал 90 направлена тангенциально относительно центральной оси I и преобразуется в «осевой импульс относительно спиральной оси I1» и в конечном счете в осевой импульс относительно оси 12 тангенциально расположенного выходного канала 93.
Криволинейная форма спирального выходного канала 90 позволяет плавно и эффективно преобразовывать осевую кинетическую энергию относительно центральной оси I циклонного сепаратора в тангенциальный импульс относительно спиральной оси I1. Криволинейная форма камеры 95 завихрения спирального выходного канала 90 позволяет исключить застаивание потока и обеспечивает его отклонение до образования кольцевого вихря.
Таким образом, спиральная форма спирального выходного канала 90 обеспечивает восстановление вращательной кинетической энергии потока. Тангенциальное соединение выходного канала 6 или кольцевого диффузора со спиральным выходным каналом 90 гарантирует, что осевая кинетическая энергия потока по существу преобразуется в камере завихрения во вращательную энергию. Таким образом, исключается задержка потока, что уменьшает чрезмерный перепад давления в циклонном сепараторе потоков.
Спиральный выходной канал 90 совершает оборот по существу на 360° вокруг центральной оси I циклонного сепаратора, благодаря чему поток может проникать в спиральный выходной канал 90 вдоль всего кольцевого диффузора 60.
Кольцевой диффузор
В первом примере осуществления настоящего изобретения выходной канал 6 выполнен в виде кольцевого диффузора 60 так, что основная часть осевого компонента кинетической энергии потока восстанавливается до его поступления в спиральный выходной канал. Кольцевой диффузор может быть выполнен в виде продолжения наружного второго выходного канала 6. Кольцевой диффузор 60 может включать в себя внутреннюю стенку 61 и внешнюю стенку 62, как показано на фиг.4а. И внутренняя стенка 61 и внешняя стенка 62 могут быть выполнены в виде части (усеченного) конуса, ось которого по существу совпадает с центральной осью I.
Внутренняя стенка 61 имеет первый радиус R1 относительно центральной оси I циклонного сепаратора, а внешняя стенка 62 - второй радиус R2 относительно центральной оси I циклонного сепаратора, при этом для каждой позиции вдоль центральной оси I первый радиус R1 меньше второго радиуса R2. Второй радиус R2 и, по возможности, первый радиус R1 возрастают в направлении поступательного перемещения потока, то есть в направлении спирального выходного диффузора 9.
Таким образом, между внутренней стенкой 61 и внешней стенкой 62 образована кольцевая область 63. Площадь поперечного сечения этой кольцевой области 63 возрастает в направлении поступательного перемещения потока, то есть в направлении спирального диффузора 9.
В первом примере осуществления настоящего изобретения внутренняя стенка 61 образует с центральной осью I первый угол β1 в направлении поступательного перемещения потока, а внешняя стенка - второй угол β2 в указанном направлении, при этом первый угол β1 меньше или равен второму углу β2. В результате расстояние между внутренней стенкой 61 и внешней стенкой 62 возрастает в направлении поступательного перемещения потока, поэтому площадь кольцевого сечения 63 возрастает в указанном направлении в еще большей степени.
Благодаря расширению кольцевой области 63 в направлении поступательного перемещения потока последний будет замедляться и его кинетическая энергия в осевом направлении уменьшится.
Благодаря увеличению второго радиуса R2 и, возможно, первого радиуса R1 кольцевой области 63 в направлении поступательного перемещения потока эффективный радиус кольцевого диффузора возрастает, поэтому вращательная энергия потока уменьшается.
Таким образом, кольцевой диффузор 60 позволяет уменьшить осевую и вращательную кинетическую энергию потока, эффективно восстановив тем самым его давление.
Итак, опираясь на вышесказанное, предусмотрен вариант выполнения настоящего изобретения, в соответствии с которым соединение, по меньшей мере, одного спирального диффузора 9, по меньшей мере, с одним выходным каналом 6 выполнено в виде кольцевого диффузора 60, включающего в себя внутреннюю стенку 61 и внешнюю стенку 62, которые образуют кольцевую область между внутренней стенкой 61 и внешней стенкой 62, при этом кольцевая область расширяется в направлении поступательного перемещения потока. Благодаря расширению кольцевой области в направлении поступательного перемещения потока последний теряет осевой импульс относительно центральной оси, в результате чего давление потока эффективно восстанавливается.
Кроме того, эффективный радиус кольцевой области может возрастать в направлении поступательного перемещения потока. Благодаря увеличению эффективного радиуса кольцевой области в направлении поступательного перемещения потока последний теряет тангенциальный импульс относительно центральной оси, в результате чего давление потока эффективно восстанавливается.
Комбинация кольцевого диффузора 60 и спирального диффузора 9 обеспечивает предпочтительную комбинацию диффузоров, которые позволяют эффективно восстановить давление потока за счет его импульса. Кроме того, соединение кольцевого диффузора со спиральным диффузором 9 предусмотрено таким образом, чтобы обеспечить еще более эффективное восстановление давления.
В соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения выходной канал 93 содержит средства для выпрямления потока (не показаны), к примеру пластины или лопасти для выпрямления потока, как описано выше. Средства для выпрямления потока могут быть предусмотрены для восстановления его вращательной энергии вокруг спиральной оси I1, частично характеризующей перемещение потока.
Линии потока/трение потока
На фиг.5 изображена схема линий потока, текущего через кольцевой диффузор 60 и спиральный диффузор 9. Как видно из данной фигуры, линии потока обтекают стенки, то есть внутреннюю стенку 61, внешнюю стенки 62 и стенку спирального выходного канала 90.
Спиральный выходной канал 90 снабжен криволинейной стенкой и отверстием, расположенным так, что поток поступает в спиральный выходной канал 90 по существу параллельно указанной криволинейной стенке, поэтому могут быть образованы по существу плавные линии потока. В результате исключено образование точек отрыва или застоя и стенкам кольцевого диффузора 60 и спирального диффузора 9 сообщается значительная сила трения.
На фиг.6 схематично изображено трение потока о стенки, то есть внутреннюю стенку 61, внешнюю стенку 62 и стенку спирального выходного канала 90 при суммарном давлении потока около 90 бар. На фиг.6 изображены различные области, отличающиеся друг от друга значением трения, которое уменьшается с 2000 Па до 400 Па в направлении потока. Важно отметить, что области с трением ниже 400 Па отсутствуют. В результате вероятность адгезии гидратов уменьшается. Как было сказано, адгезия гидратов отрицательно сказывается на эффективности циклонного сепаратора.
Опираясь на вышесказанное, подразумевается, что спиральный диффузор 9, который может быть объединен с кольцевым диффузором 60, повышает эффективность циклонного сепаратора за счет обеспечения пониженного перепада давления в циклонном сепараторе. По сравнению с выходным каналом по известному уровню техники перепад давления в настоящем сепараторе может быть уменьшен примерно на 3 бар.
Из фиг.5 следует, что поток на входе в выходной канал 93 все еще обладает некоторым тангенциальным импульсом. Следовательно, выходной канал 93 может содержать средство для выпрямления потока, к примеру ряд пластин для выпрямления потока, аналогичных пластинам 19 для выпрямления потока, изображенным на фиг.1.
Таким образом, поток поступает из кольцевого диффузора 60, в котором он обладает:
- осевой скоростью по существу в направлении центральной оси I циклонного сепаратора и
- тангенциальной скоростью по существу относительно центральной оси циклонного сепаратора,
в спиральный выходной канал 90, в котором он обладает
- осевой скоростью по существу в направлении спиральной оси I1 спирального выходного канала 90 и
- тангенциальной скоростью по существу вдоль криволинейной поверхности, охватывающей спиральную ось I1 спирального выходного канала 90. Спиральная ось I1 совершает оборот по существу на 360° вокруг центральной оси I циклонного сепаратора. Этот переход достигается плавно, без изломов, скачкообразных изменений скорости и т.д.
Отношение между площадью входного сечения кольцевого диффузора 60 и площадью сечения тангенциально расположенного выходного канала 93 (DD3) может составлять 1:10. Это делается для существенного уменьшения осевого импульса потока в кольцевом диффузоре 60 и спиральном диффузоре 9.
Вариант 2
На фиг.7 изображен циклонный сепаратор, соответствующий другому варианту выполнения настоящего изобретения. На фиг.8 изображен схематичный разрез циклонного сепаратора по курсивной линии (фиг.7), при этом направление обзора противоположно направлению поступательного перемещения потока. И на фиг.7 и на фиг.8 изображена схема циклонного сепаратора, который аналогичен сепаратору, изображенному на фиг.1, но при этом дополнительно включает в себя кольцевой диффузор 70 и спиральный диффузор 9' и не включает в себя пластины 19.
Спиральный диффузор
Спиральный диффузор 9' образован спиральным выходным каналом 90', который расположен вокруг центральной оси I циклонного сепаратора и переходит в выходной канал 93'; канал 93' может быть прямым каналом, который расположен тангенциально спиральному выходному каналу 90'.
Выходной канал 7 или кольцевой диффузор 70 соединен со спиральным выходным каналом 90' для дальнейшей транспортировки первичного потока, обедненного конденсатами. Кольцевой диффузор 70 подробно описан ниже.
Спиральный выходной канал 90' может быть выполнен по аналогии со спиральным выходным каналом 90, описанным выше со ссылкой на фиг.2, 3, и 4а или 4b, то есть может включать в себя камеру 95 завихрения, которая во время работы сепаратора преобразует осевой импульс вихревого потока относительно центральной оси I в тангенциальный импульс относительно спиральной оси I1'.
внyтр
внеш
На этот раз выходной канал 7 (и кольцевой диффузор 70) и спиральный диффузор 9' используются для проведения первичного потока, обедненного конденсатами, который локализуется непосредственно вокруг продолговатого концевого участка 8, поэтому внутренний радиус R' может быть относительно меньше внутреннего радиуса, который соответствует варианту выполнения настоящего изобретения, описанному со ссылкой на фиг.2, 3 и 4а. Однако внешний радиус R' может быть относительно больше внешнего радиуса, который соответствует варианту выполнения настоящего изобретения, описанному со ссылкой на фиг.2, 3 и 4, поскольку поток, обедненный конденсатами, обычно объемнее потока, обогащенного конденсатами.
Кроме того, конструкция спирального диффузора 9', изображенного на фиг.6 и 7, может быть аналогична конструкции спирального диффузора 9, описанного выше со ссылкой на фиг.2, 3, 4а или 4b, то есть диффузор 9' может включать в себя камеру 95 завихрения.
Кольцевой диффузор
В соответствии с данным вариантом выполнения настоящего изобретения кольцевой диффузор 70 выполнен в виде продолжения центрального первого выходного канала 7 или вместо центрального первого выходного канала 7.
Кольцевой диффузор 70 предусмотрен для уменьшения кинетической энергии потока перед его поступлением в спиральный выходной канал 90'. Кольцевой диффузор 70 и на этот раз может включать в себя внутреннюю стенку 71 и внешнюю стенку 72, как показано на фиг.6. И внутренняя стенка 71 и внешняя стенка 72 могут быть выполнены в виде части (усеченного) конуса, ось которого по существу совпадает с центральной осью I. Внутренняя стенка 71 может быть образована продолговатым концевым участком 8. Стенки 71, 72 могут образовывать кольцевую область, а выходной канал 90' может быть образован криволинейной стенкой 91', имеющей кривизну вокруг спиральной оси I1', при этом камера 95 завихрения образована плавным переходом между, по меньшей мере, одной из стенок 71, 72 выходного канала 7 и криволинейной стенкой 91'.
Кольцевой диффузор 70 позволяет и в этом случае уменьшать как осевую, так и тангенциальную скорости потока за счет расширения кольцевой области 73 в направлении поступательного перемещения потока и увеличения эффективного радиуса кольцевого диффузора 70.
Вариант 3
На фиг.9 схематично изображена комбинация вышеописанных вариантов выполнения. В соответствии с данным вариантом выполнения настоящего изобретения предусмотрен циклонный сепаратор, включающий в себя спиральные диффузоры, один из которых соединен с внутренним первым выходным каналом 7 для компонентов потока, обедненного конденсатами, а другой - с наружным вторым выходным каналом 6 для компонентов потока, обогащенного конденсатами.
Вариант 4
На фиг.10 изображен циклонный сепаратор, соответствующий другому варианту выполнения настоящего изобретения. На фиг.11 изображен схематичный разрез циклонного сепаратора по пунктирной линии (фиг.10), при этом направление обзора противоположно направлению поступательного перемещения потока. И на фиг.10 и на фиг.11 изображена схема циклонного сепаратора, который соответствует сепаратору, изображенному на фиг.1, но при этом дополнительно включает в себя спиральный вход 100.
Спиральный вход
Спиральный вход 100 включает в себя спиральный входной канал 190, который расположен вокруг центральной оси I циклонного сепаратора. Поток поступает в спиральный входной канал 190 из входного канала 193, который может быть прямым каналом, расположенным тангенциально спиральному входному каналу 190. Спиральный входной канал 190 может иметь форму тора с переменной площадью поперечного сечения, как будет подробно описано ниже. Поперечное сечение может иметь форму круга или другую подходящую форму, как будет описано ниже.
Спиральный входной канал 190 соединен с кольцевым протоком 3, который образован между центральным телом 1 и корпусом 20 сепаратора. Поток, поступивший в спиральный входной канал 190, выходит из него в направлении, тангенциальном периметру центрального тела 1, поступая в сходящуюся входную область циклонного сепаратора, в результате чего генерируется вихревой поток вокруг центральной оси I.
В примере, проиллюстрированном фигурами, спиральный входной канал является по существу круговым каналом, то есть его поперечное сечение имеет по существу форму круга, если оно выбрано по существу перпендикулярно спиральной оси I1'' спирального входного канала 190. В общем случае поперечное сечение может иметь любую подходящую форму, к примеру форму прямоугольника или криволинейную форму, к примеру форму овала или спирали.
Поперечное сечение уменьшается вдоль спиральной оси I1'' спирального входного канала 190 в направлении, отсчитываемом от входного канала 193. В примере, проиллюстрированном фиг.11, поперечное сечение характеризуется внутренним диаметром DD спирального входного канала 190. Внутренний диаметр DD может возрастать (к примеру, линейно) в направлении входного канала 193 (то есть в направлении, противоположном направлению потока), начиная от первого внутреннего диаметра DD1, который относительно мал, и кончая вторым внутренним диаметром DD2, который может соответствовать диаметру внутреннего канала 193.
Начало спирального входного канала 190 соединено с входным каналом 193. Это соединение также по существу совпадает с концом спирального входного канала 190. В позиции, в которой внешний периметр стенки 191 спирального входного канала пересекает входной канал 193, образована кромка 194. Такая конструкция препятствует сосредоточению потока на конце спирального входного канала 190 и обеспечивает повторное протекание части потока через спиральный входной канал 190.
внутр
внешн
Как видно из фиг.11, спиральный входной канал 190 может иметь внутренний радиус R относительно центральной оси I циклонного сепаратора, который по существу постоянен и соответствует радиусу кольцевого протока 3, и внешний радиус R относительно центральной оси I циклонного сепаратора, который уменьшается в направлении, отсчитываемом от внутреннего канала 193.
Спиральный входной канал 190 содержит отверстие для поступления потока в кольцевой проток 3, который образован между центральным телом 1 и корпусом 20 сепаратора и предназначен для проведения сепарируемого потока. Отверстие может быть расположено с внутренней стороны спирального входного канала 190, то есть на его внутреннем периметре.
Благодаря спиральной форме спирального входного канала 190 потоку сообщается вращательная кинетическая энергия, что делает ненужным использование завихряющих пластин 2. Таким образом, данный вариант выполнения настоящего изобретения обеспечивает эффективный способ сообщения потоку вращательного импульса относительно центральной оси I. Осевой импульс относительно центральной оси генерируется за счет давления потока на входе.
Спиральный входной канал 190 совершает оборот по существу на 360° вокруг центральной оси I циклонного сепаратора, что обеспечивает поступление потока в кольцевой проток 3 по всей его окружности.
Таким образом, в соответствии с данным вариантом выполнения настоящего изобретения предусмотрен циклонный сепаратор, который включает в себя горловинный участок 4, расположенный между областью входа сходящегося потока и областью выхода расходящегося потока, при этом циклонный сепаратор позволяет генерировать вихревой поток вокруг центральной оси I циклонного сепаратора, перемещающийся поступательно через область входа сходящегося потока и горловинный участок к области выхода расходящегося потока, причем область выхода расходящегося потока включает в себя выходные каналы 6, 7, среди которых внутренний первый выходной канал 7 для компонентов потока, обедненного конденсатами, и наружный второй выходной канал 6 для компонентов потока, обогащенного конденсатами, при этом циклонный сепаратор включает в себя и спиральный вход 100, соединенный с областью входа сходящегося потока, причем спиральный вход включает в себя спиральный входной канал 190, форма которого задается спиральной осью I1'', образующей по существу спираль вокруг центральной оси I, для генерации вихревого потока. Входной поток содержит большое количество твердых частиц.
Спиральный вход 100 может быть использован в комбинации с одним или несколькими спиральными выходами, как описано выше.
Другие замечания
Предусмотренные варианты выполнения настоящего изобретения имеют несколько преимуществ по сравнению с известным уровнем техники. К примеру, данные варианты выполнения обеспечивают эффективный способ преобразования кинетической энергии в давление и наоборот.
Благодаря спиральному диффузору длина циклонного сепаратора в направлении центральной оси I может быть уменьшена. При сравнении фиг.1 и фиг.10 видно, что благодаря спиральному входу общая длина циклонного сепаратора уменьшается. Соответственно на стороне выхода длина циклонного сепаратора может быть уменьшена, поскольку для уменьшения импульса потока больше не нужны длинные выходные конструкции и решением служит компактный спиральный выход.
Кроме того, на выходе циклонного сепаратора можно получить повышенное давление, поскольку вращательная кинетическая энергия и осевая кинетическая энергия эффективно восстанавливаются. Уменьшаются и возможные задержки потока.
В качестве альтернативы вариантам выполнения, описанным выше, спиральный диффузор 9 может включать в себя не один спиральный выходной канал или спиральный входной канал в определенной позиции вдоль центральной оси I, а два спиральных выходных канала или два спиральных входных канала в данной позиции вдоль центральной оси I. Два спиральных выходных канала могут начинаться в противоположных позициях, то есть двух позициях, которые отстоят друг от друга на 180° относительно центральной оси I. Оба спиральных выходных канала закручены в одинаковом направлении.
Так, вместо одного спирального выходного канала, воспринимающего поток по всей окружности, к примеру первого или второго выходного канала 6, 7, оба спиральных выходных канала воспринимают поток по существу по половине окружности, к примеру первого или второго выходного канала 6, 7. Аналогичная комбинация может быть предусмотрена с соответствующими поправками и для входа.
Все варианты выполнения настоящего изобретения основаны на циклонном сепараторе, изображенном на фиг.1. Однако следует понимать, что аналогичные варианты выполнения могут быть предусмотрены и для других типов циклонных сепараторов, к примеру циклонного сепаратора, работающего с относительно низким давлением или дозвуковыми скоростями.
Варианты выполнения и входа и выхода имеют преимущество, согласно которому могут быть уменьшены суммарные габариты циклонного сепаратора потока, к примеру длина циклонного сепаратора в направлении центральной оси I, по сравнению с вариантом выполнения, показанным на фиг.1.
Следует признать, что уменьшение длины имеет некоторые преимущества. К примеру, легче предотвращаются или гасятся вибрации, которые могут возникать в работающем циклонном сепараторе. Нежелательным вибрациям во время работы сепаратора особенно подвержены центральное тело 1 и продолговатая концевая область 8. Повышается жесткость на изгиб такой конструкции с уменьшенной длиной. Кроме того, циклонный сепаратор с уменьшенными габаритами позволяет сэкономить пространство, если такой сепаратор входит в состав более крупногабаритной системы, что дает конструктивные преимущества.
Вышеприведенные описания носят иллюстративный характер и не являются ограничительными. Таким образом, специалисту в данной области техники будет очевидно, что вышеописанное изобретение может быть подвергнуто модификациям без отступления от объема притязаний формулы изобретения, приведенной ниже.