ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА
TWO-PHASE FLOW CENTRIFUGAL SEPARATOR

Изобретение относится к конструкциям возвратно-прямоточных сепараторов, которые применяются в процессах очистки природного газа, разделения двухфазных сред, преимущественно газ-жидкость, и может найти применение во всех технологических процессах в нефтяной, газовой, химической и других смежных отраслях промышленности.
Известен пылеуловитель для сухой инерционной очистки газов от пыли, содержащий цилиндроконический корпус, тангенциально расположенный под углом 11° к горизонтали входной патрубок и соосно подсоединенный выходной патрубок (Патент РФ №2260476, МПК В04С 5/103, опубл. 20.09.2005 г.). В центральной части корпуса соосно расположена винтовая вставка в виде полосы с отогнутым внутрь нижним концом с образованием желоба, прикрепленная к цилиндрической части корпуса, при этом радиус спирали зависит от размера улавливаемых частиц. Поток запыленного воздуха подается в циклон через тангенциальный патрубок и поступает в центральную часть корпуса, где под действием центробежных сил частицы пыли прижимаются к стенкам корпуса и затем, под действием силы тяжести, опускаются вниз. Мелкодисперсные частицы пыли касаются стенки винтовой вставки и по желобу опускаются к пылевыгрузному патрубку, расположенному в нижней части корпуса.
Недостатком данной конструкции пылеуловителя является то, что лишь незначительная часть мелкодисперсных частиц будет осаждаться на поверхностях винтовой вставки. Между витками винтовой линии имеются значительные зазоры, поэтому запыленный газ проходит через них, при этом большая часть дисперсной фазы потока осаждается на внутренних стенках корпуса, при соударении со стенкой происходит отскок частиц и возвращение в поток, что увеличивает величину вторичного уноса и снижает эффективность улавливания мелкодисперсных частиц.
Наиболее близким к заявленному по технической сущности и достигаемому результату является циклон-сепаратор для сухой очистки газов от пыли, содержащий соосно расположенные цилиндрический корпус с коническим днищем и внутренний цилиндр с коническим днищем с щелями постоянной или переменной ширины, заканчивающиеся у нижнего основания внутреннего конического днища, являющимися наклонными по отношению к вертикали с предельным углом (Патент РФ №2226128, МПК В04С 5/08, 5/10, опубл. 27.03.2004 г.). Корпус в верхней части снабжен тангенциально расположенным патрубком для ввода в аппарат запыленного газового потока и выхлопной трубой, а также патрубком для удаления пыли в нижней части. Пылегазовый поток по патрубку, установленному тангенциально к вертикальному цилиндрическому корпусу циклона-сепаратора, поступает во внутренний цилиндр с коническим днищем, при этом прямолинейное движение газового потока преобразуется во вращательное. При вращении пылегазового потока на твердые частицы действует центробежная сила и радиальная составляющая скорости частиц пыли, обеспечивающие одновременное движение твердых частиц к стенкам цилиндрического корпуса и конического днища. Твердые частицы проходят через щели и попадают в зазор между цилиндрическим корпусом с коническим днищем и внутренним цилиндром с коническим днищем, который выполняет для них роль ловушки.
Недостатком указанной конструкции является то, что снабжение циклона-сепаратора внутренним цилиндром с коническим днищем с щелями, выполняющим роль ловушки, сокращает вторичный унос, однако мелкодисперсные частицы, движущиеся вблизи оси канала, не доходят до сепарирующей поверхности, а уносятся в выхлопной патрубок, что приводит к высокой доле проскока частиц и снижению эффективности аппарата.
Задачей изобретения является повышение эффективности улавливания из двухфазных потоков мелкодисперсных частиц.
Повышение эффективности процесса сепарации газа от дисперсной фазы достигается за счет уменьшения величины вторичного уноса мелкодисперсных капель жидкости, не отсепарированных на внутренней стенке цилиндрического корпуса, за счет их сепарации на внутренней стенке внутреннего цилиндра.
Также эффективное разделение газожидкостного потока обеспечивается за счет отвода части отсепарированной жидкости на внутренней поверхности внутреннего цилиндра через щели на внешнюю стенку внутреннего цилиндра в область, где горизонтальные скорости потока невелики и газовый поток не вызывает возмущений и вторичного уноса жидкости, а также исключения возможности отекания отсепарированной жидкости только по внутренней поверхности внутреннего цилиндра, в области с большими осевыми скоростями потока и с противоположным движением газового потока, что привело бы к вторичному уносу.
Также эффективное разделение газожидкостного потока обеспечивается за счет снижения вторичного уноса капель жидкости, попавших на наклонные пластины и в щели, созданием запора для обратного движения капель жидкости установкой пластин под углом к образующей внутренней поверхности цилиндра по ходу движения газового потока, и ограничением верхних кромок щелей уступами.
За счет установки кольцевого желоба происходит оттеснение потока от внутренних стенок внутреннего цилиндра, тем самым снижение вертикальных скоростей вблизи внутренних стенок внутреннего цилиндра и улучшения условия осаждения капель на поверхности стенок.
Разворот потока также улучшает условия осаждения капель.
Повышение эффективности сепарации достигается также за счет эффективного удаления жидкости, попавшей на внутреннюю и внешнюю поверхность внутреннего цилиндра через кольцевой желоб для сбора жидкости, расположенный симметрично у нижней кромки внутреннего цилиндра, затем через переливные трубы в патрубок для удаления жидкости.
Указанная задача решается тем, что в центробежном сепараторе для разделения двухфазного потока, преимущественно газожидкостного, содержащем соосно расположенные цилиндрический корпус с коническим днищем и внутренний цилиндр с щелями, в верхней части которого расположен тангенциальный патрубок для ввода газожидкостного потока, патрубок для удаления жидкости в его нижней части, выхлопную трубу для отвода газа, согласно изобретению цилиндрический корпус снабжен вставкой, закрепленной на крышке цилиндрического корпуса, в виде полого обратного перфорированного конуса с центральной переливной трубой в нижней его части, расположенного внутри внутреннего цилиндра, щели размещены в шахматном порядке, при этом нижние кромки щелей внутреннего цилиндра снабжены пластинами, закрепленными под углом к образующей внутренней поверхности по ходу движения газового потока, а верхние кромки щелей ограничены уступами, причем у нижней кромки внутреннего цилиндра симметрично расположен кольцевой желоб с переливными трубами для сбора жидкости.
вн
кон
Соотношение диаметров цилиндрического корпуса D и внутреннего цилиндра D равно 2÷5. Размер отверстий на конической вставке d равен 0,01÷0,05 диаметра основания конической вставки D.
Схематично на чертеже изображен центробежный сепаратор для разделения двухфазного потока.
вн
кон
Центробежный сепаратор для разделения двухфазного потока содержит соосно расположенные цилиндрический корпус 1 с коническим днищем 2 и внутренний цилиндр 3 с щелями 4, в верхней части которого расположен тангенциальный патрубок для ввода газожидкостного потока 5, патрубок для удаления жидкости 6 в его нижней части, выхлопную трубу для отвода газа 7. Цилиндрический корпус 1 снабжен вставкой 8, закрепленной на крышке цилиндрического корпуса, в виде полого обратного перфорированного конуса, расположенного внутри внутреннего цилиндра, причем в нижней части вставка имеет центральную переливную трубу 9. Нижние кромки щелей 4 внутреннего цилиндра 3 снабжены пластинами 10, закрепленными под углом к образующей внутренней поверхности по ходу движения газового потока, а верхние кромки щелей ограничены уступами 11. У нижней кромки внутреннего цилиндра 3 симметрично расположен кольцевой желоб 12 для сбора жидкости с переливными трубами 13. Соотношение диаметров цилиндрического корпуса D и внутреннего цилиндра D равно 2-5. Размер отверстий 14 на конической вставке d равен 0,01-0,05 диаметра основания конической вставки D.
Устройство работает следующим образом. Газожидкостный поток через тангенциальный патрубок 5 поступает в цилиндрический корпус 1. При этом поток закручивается, крупные капли под действием центробежной силы падают на боковую поверхность цилиндрического корпуса 1 и стекают к коническому днищу 2, а затем удаляются через патрубок для удаления жидкости 6.
По мере движения вниз происходит разворот газожидкостного потока в противоположную сторону вверх и он попадает в зазор между внутренним цилиндром 3 и конической вставкой 8. При этом скорость вращения потока резко увеличивается, что приводит к резкому увеличению центробежной силы, одновременно увеличиваются осевые скорости потока. Газожидкостные слои, которые были максимально удалены от боковой стенки цилиндрического корпуса 1, движутся вблизи внутренней стенки внутреннего цилиндра 3, а слои, которые двигались вдоль боковой стенки цилиндрического корпуса 1, максимально удалены от внутренней поверхности внутреннего цилиндра 3. Это позволяет мелкодисперсным неотсепарированным каплям, находящимся в удаленных слоях от стенки цилиндрического корпуса 1, отсепарироваться на внутреннюю стенку внутреннего цилиндра 3, стекать вниз и собираться в кольцевом желобе 12, расположенном с обеих сторон у нижней кромки внутреннего цилиндра 3.
Часть отсепарированной жидкости на внутренней поверхности внутреннего цилиндра 3, стекающей вниз, попадает в щели 4, затем - на внешнюю стеку внутреннего цилиндра 3 и далее стекает вниз в кольцевой желоб 12. В результате отсепарированная жидкость стекает по внутреннему цилиндру 3 в область, где горизонтальные скорости потока невелики и газовый поток не вызывает возмущений и вторичного уноса жидкости и направлен в сторону движения жидкости. Если бы отсепарированная жидкость стекала бы только по внутренней поверхности внутреннего цилиндра 3, то она столкнулась бы не только с большими осевыми скоростями потока, но и двигалась бы в противоположную сторону движения потока, что неминуемо привело к вторичному уносу. Из кольцевого желоба 12 отсепарированная жидкость стекает по переливным трубам 13 в коническое днище 2 и удаляется через патрубок 6.
Газожидкостный поток, поднимаясь вверх, проходит через отверстия 14 в конической вставке 8, продолжает вращаться и удаляется через выхлопную трубу 7. При этом тангенциальные скорости и центробежные силы увеличиваются и происходит сепарация мелких капель жидкости, которые стекают в коническое днище 2 через центральную переливную трубу 9.
Установка внутреннего цилиндра 3 позволяет уменьшить величину вторичного уноса мелкодисперсных капель жидкости, не отсепарированных на внутренней стенке цилиндрического корпуса 1 за счет их сепарации на внутренней стенке внутреннего цилиндра 3.
Установка щелей 4 во внутреннем цилиндре 3 позволяет:
а) уменьшить вторичный унос жидкости, отсепарированной и стекающей на внутренней поверхности внутреннего цилиндра 3, за счет ее попадания в щели 4, затем на внешнюю стенку внутреннего цилиндра 3 в область, где горизонтальные скорости потока невелики и газовый поток не вызывает возмущений и вторичного уноса жидкости;
б) исключить возможность отекания отсепарированной жидкости только по внутренней поверхности внутреннего цилиндра 3, в области с большими осевыми скоростями потока и в противоположную сторону движения потока, что привело бы к вторичному уносу.
Установка уступов 11 у верхних и наклонных пластин 10 у нижних кромок щелей 4 на внутреннем цилиндре 3 позволяет создать запор и исключить возможность вторичного уноса капель жидкости, попавших на наклонные пластины 10 и в щели 4 внутреннего цилиндра 3.
Установка кольцевого желоба 12 позволяет собирать жидкость, стекающую со стенок внутреннего цилиндра 3, и оттеснить поток от внутренних стенок внутреннего цилиндра 3, тем самым снизить вертикальные скорости газожидкостного потока вблизи внутренних стенок внутреннего цилиндра 3 и улучшить условия осаждения капель на поверхности стенок.
Предлагаемая конструкция центробежного сепаратора позволяет расширить сферу применения центробежных сепараторов, повысить эффективность разделения двухфазных потоков до 99,95%, она проста в изготовлении и может быть получена при реконструкции известных сепараторов, согласно изобретению путем создания на внутреннем цилиндре щелей, с нижними кромками которых соединены наклонные пластины, а верхние кромки которых ограничены уступами, и установки внутри внутреннего цилиндра конической вставки, закрепленной на крышке цилиндрического корпуса, в виде полого обратного перфорированного конуса, с центральной переливной трубой, установкой кольцевого желоба с переливными трубами для сбора жидкости, расположенного симметрично у нижней кромки внутреннего цилиндра.