Центробежно-вихревой двухпоточный сепаратор
CENTRIFUGAL-VORTEX TWO-FLOW SEPARATOR

Изобретение относится к сепарационным аппаратам для разделения газожидкостных потоков в центробежном поле и может быть применено, например, в технологических процессах газоразделения в производствах нефтеперерабатывающей, нефтехимической и газовой промышленности. От работы сепарационных аппаратов во многом зависит эффективность производства, совершенствование технологических процессов и современных конструкций аппаратов и оборудования.
Аналогом заявленного технического решения является центробежно-вихревой сепаратор по патенту RU 96784 U1 B01D 45/12 от 15.03.2015 [1].
Сепаратор содержит вертикальный корпус, крышку, входной, выходной, сливные патрубки, дефлектор, установленный по ходу вращения газожидкостного потока; плоское и ложное днища с центральными отверстиями и полый цилиндр, вмонтированный в них; вертикальный сепарационный пакет, состоящий из плоских пластин с изогнутыми в противоположные стороны входными и выходными кромками, образующими в зоне нахлестки сепарационные щели.
Изобретение предназначено для осаждения и выделения из газожидкостного потока пленочной, капельной, мелкодисперсной жидкостей и твердых частиц в поле центробежных сил с высокой производительностью и эффективностью сепарации.
Несмотря на указанные преимущества, сепаратору присущи недостатки:
- из-за движения разделяемого потока по схеме сначала сверху-вниз, а затем снизу-вверх, поток проходит слишком протяженный путь от поверхности дефлектора до завихрителя, размещенного в нижней зоне до поверхности сепарационного пакета, требуется время для выхода на установившийся режим, что повлияет на снижение производительности и гидравлическое сопротивление;
- на снижение эффективности и гидравлического сопротивления может влиять противоточное движение потока, в отличие от прямоточного движения разделяемого потока.
Также известен прямоточно-центробежный сепаратор по изобретению SU 598624 B01D 45/12, В04С 3/00 от 06.04.1976 [2]. Включающий корпус, на входе в который установлен статический завихритель, снабженный коаксиально установленными перегородками, между которыми размещены лопатки с увеличивающимися в направлении от центра к периферии углами их наклона от 10 до 40°.
Поступающий в корпус газ, проходит через статический завихритель, после которого газ приобретает вращательное движение. В результате, примеси оттесняются к стене корпуса сепаратора, осаждаются на ней и в виде тонкой пленки транспортируются в бункер. Бункер выполнен в виде жалюзийной решетки, занимающей часть окружности корпуса.
Недостатки:
- при такой конструкции завихрителя направления закрутки потока и отвод отсепарированной жидкости совпадают по направлению с отсепарированным газом, поэтому возможен унос, что снизит эффективность сепарационного процесса;
- в результате оттесненная к периферии - стенке корпуса выделенная и вращающаяся жидкая фаза «сваливается» из верхней зоны корпуса и частично попадает во вращающийся выходной осевой поток газа, поскольку патрубки отвода отсепарированной жидкости размещены на выходном нижнем участке корпуса, следовательно, выносится с газом в выходной патрубок.
Известен сепаратор по изобретению SU 424582 B01D 45/12 от 07.12.71 [3], представляющий низкотемпературный сепаратор с последовательно установленными сепарационными камерами с завихрителями и газоотводящими патрубками. При этом в верхней части первой сепарационной камеры установлена перегородка в виде усеченного конуса, над которой расположен завихритель с конусообразным дном последующей сепарационной камеры, и сепарирующий колпачок, примыкающий к меньшему основанию усеченного конуса.
Очищенный поток газа в нижней сепарационной камере направляется, в вышерасположенную камеру. Благодаря плавному расширению перегородки в виде усеченного конуса, а также конусообразному дну верхнего завихрителя при входе потока в камеру не образуется застойных зон, а также отсутствуют зоны барботажа выделенной жидкости. Это позволяет избежать опасности образования гидратов.
К недостаткам устройства относятся:
- ввод исходного потока газа осуществляют аксиально, а не тангенциально, что снижает эффективность организацию закрученного тангенциального потока;
- выделение и отвод отсепарированной жидкости осуществляют из нескольких патрубков, многоточечный вывод, что потребует наличия нескольких сборников конденсата, что не технологично.
Прототипом заявляемого изобретения является центробежный сепаратор» по патенту РФ: SU 837370 B01D 45/12, от 04.04.1979 [4].
Сепаратор содержит корпус с тангенциальным входным патрубком, центральную трубу с укрепленными на ее нижнем конце коническим отражателем, образующим со стенками корпуса кольцевой канал для отвода тяжелой фазы. В верхней части корпуса размещена перегородка, выполненная в виде обратного конуса с осевым отверстием, к краям которого прикреплен патрубок, образующий со стенками центральной трубы кольцевой канал для отвода легкой фазы. Также, соосно в центральной трубе установлена воронка над конической перегородкой, а ее удлиненный сливной патрубок размещен концентрично в центральной трубе.
Работа сепаратора заключается в подаче газожидкостного потока посредством тангенциального входного патрубка в пространство, ограниченное корпусом, верхним и нижним коническими отражателями.
В результате вращательного движения потока в пространстве, капли жидкости центробежными силами отбрасываются на периферию потока и в виде пленки стекают по стенкам корпуса в сборник жидкости. Очищенный газ по кольцевому каналу поступает в верхнюю часть корпуса сепаратора над конической перегородкой. Дополнительная сепарация газа с уносимой пленкой жидкости осуществляют посредством конического отражателя и воронкой с удлиненным сливным патрубком, размещенным соосно в центральной трубе.
Несмотря на повышенную эффективность сепарации в данной конструкции сепаратора имеются недостатки:
-данная конструкция предусматривает одноступенчатое закрученного потока только за счет тангенциального патрубка, что ограничивает линейные скорости в пространстве сепаратора в пределах 1-5 м/с, что снижает производительность сепарации;
- режим работы сепарационного процесса не предусматривает регулирования режима, в зависимости от степени увлажненности исходного газожидкостного потока.
Указанные недостатки были учтены в предлагаемом изобретении, которые рассмотрим более подробно. Для решения были поставлены следующие задачи:
- с целью повышения производительности при поддержании высокой эффективности сепарационного процесса необходимо предусмотреть двухступенчатую закрутку газожидкостного потока, причем на начальной ступени предусмотреть конструкцию завихрителя с учетом удаления основного количества жидкой фазы, а на второй ступени удаления более мелкодиспергированной взвеси;
- удаление основного количества жидкой фазы необходимо осуществить на начальной стадии, причем с ее удалением сразу же, после ее выделения сепарацией;
- проработать возможность независимой подачи частей газожидкостного потока в различные конструктивно завихрители и возможности регулирования параметров независимых частей потока;
- сепарацию вводимой газожидкостной смеси осуществлять непрерывно, сразу же, после ввода в сепаратор, при этом отвод жидкой фазы осуществлять также непрерывно, не допуская ее контакта, с целью исключения вторичного уноса.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что центробежный сепаратор, содержащий корпус, входной и выходные патрубки, завихрители, при этом в корпусе соосно размещена цилиндрическая вставка, имеющая меньший диаметр корпуса, а между корпусом и цилиндрической вставкой имеется кольцевое пространство для отвода отсепарированной жидкости.
Ввод газожидкостного потока в сепаратор является двухпоточный, осуществлен тангенциальными: нижним и верхним патрубками с вентилями точной регулировки, которые расположены на разных высотных отметках корпуса и размещены за пределами корпуса.
Посредством нижнего тангенциального патрубка осуществлен ввод в сепарационную камеру через кольцевой канал и завихрители со щелевыми тангенциальными прорезями. Сепарационная камера снизу закрыта дном, а сверху - диском, в центре которого размещен рабочий патрубок с коническим выходным отверстием-диафрагмой, а в месте установки диска на границе стыковки с цилиндрической вставкой имеются сквозные отверстия по периметру вставки.
На выходе отверстия-диафрагмы рабочего патрубка установлена коническая направляющая, над которой установлено циклонное устройство, состоящее из нижнего и верхнего конусов, примыкающих основаниями к циклонному патрубку. При этом верхний конус равен внутреннему диаметру цилиндрической вставки и примыкает к ней вплотную, а нижний конус меньше внутреннего диаметра цилиндрической вставки и образует с ней кольцевой зазор. На циклонном патрубке имеются сквозные тангенциальные прорези.
Над циклонным устройством в верхней секции «G» размещен соосно вертикальный сепарационный отбойник, представляющий соединенные между собой цилиндр сепарационного отбойника, нижнего и верхнего конусов. При этом нижний конус состыкован с верхним конусом циклонного патрубка по границе их разъема, соприкасаясь вплотную с внутренней поверхностью цилиндрической вставки, а внутреннее пространство между конусами является демпфером. На цилиндре сепарационного отбойника имеются вертикальные сквозные прорези, а на наружной поверхности цилиндра расположены винтообразно тарелки с диаметрами, меньшими по сравнению с внутренним диаметром цилиндрической вставки, образуя зазор между краями винтообразных тарелок и цилиндрической вставкой.
Ввод в корпус сепаратора верхнего тангенциального патрубка в циклонное пространство осуществлен в средней секции корпуса сепаратора, который предназначен для ввода потока в циклонное пространство, а затем в тангенциальные прорези циклонной трубы.
В верхней секции размещен соосно вертикальный сепарационный отбойник, представляющий соединенных между собой цилиндр, нижнего и верхнего конусов. При этом нижний конус состыкован с верхним конусом циклонного патрубка, на цилиндрическом патрубке имеются вертикальные сквозные прорези, а на наружной поверхности цилиндрического патрубка, расположены винтообразно тарелки с диаметрами меньшими, по сравнению с внутренним диаметром цилиндрической вставки, образуя зазор между краями винтообразных тарелок и цилиндрической вставкой.
Сепарационный отбойник сверху закрыт конической образующей, имеющей отверстие в центре, а на некотором расстоянии с параллельным зазором центральная область над отверстием закрыта конусом, перекрывающим это отверстие.
В верхней зоне сепаратора размещен патрубок с коническим наконечником, выходящим из корпуса сепаратора и размещенного на патрубке запорно-регулирующего вентиля. В нижней зоне корпуса сепаратора установлен патрубок, выходящий за пределы корпуса с установкой на патрубке запорно-регулирующего вентиля для вывода отсепарированной жидкости.
Техническое решение по конструкции центробежного сепаратора.
На фигуре 1 представлен схематический разрез центробежного сепаратора.
На фигуре 2 представлено сечение сепаратора в разрезе «А-А».
На фигуре 3 представлено сечение сепаратора в разрезе «В-В».
Корпус центробежного сепаратора разделен на следующие секции: А - секция сборника отсепарированной жидкости; В - секция первой ступени центробежной сепарации в сепарационной камере; С-секция второй ступени сепарации в циклонном устройстве; G - секция вывода отсепарированного газа.
Технологические потоки (фигура 1): I - ввод исходного потока газа нижним тангенциальным патрубком; II - ввод исходного потока газа верхним тангенциальным патрубком; III - вывод отсепарированной жидкости; IV- вывод отсепарированного газа.
Элементы конструкции центробежно-вихревого сепаратора: 1 - корпус; 2 - нижний тангенциальный патрубок; 3 - вентиль точной регулировки; 4 - верхний тангенциальный патрубок; 5 - вентиль точной регулировки; 6 - цилиндрическая вставка; 7 - кольцевое пространство для отвода отсепарированной жидкости; 8 - сепарационная камера; 9 - кольцевой канал; 10 - завихритель; 11 - щелевые тангенциальные прорези; 12 - дно сепарационной камеры; 13 - диск; 14 - рабочий патрубок; 14а - отверстия для слива отсепарированной жидкости с поверхности диска 13; 15 - выходное отверстие-диафрагма; 16 - коническая направляющая; 17 - нижний конус циклонного патрубка; 18- верхний конус циклонного патрубка; 19 - циклонный патрубок; 20 - кольцевой зазор; 21 - тангенциальные прорези; 22 - отверстия в цилиндрической вставке; 23 - цилиндр сепарационного отбойника; 24- нижний конус сепарационного отбойника; 25 - верхний конус сепарационного отбойника; 26-демпфер; 27 - прорези в цилиндрической вставке; 28- винтообразные тарелки; 29- зазор между краями тарелок и внутренней стенкой цилиндрической вставки 6; 30- коническая образующая; 31- отверстие в конической образующей; 32 - конус; 33 - зазор между конической образующей и конусом; 34 - - кубовый сборник жидкости; 35 - наконечник; 36 - патрубок вывода отсепарированного газа; 37 - запорно-регулирующий вентиль; 38 - патрубок вывода отсепарированной жидкости; 39- запорно-регулирующий вентиль; 40 - центрирующие пластины в кольцевом пространстве.
Техническая сущность центробежно-вихревого сепаратора заключается в том, что центробежный сепаратор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус 1, входной 2,4 и выходные патрубки 37 и 39, завихрители 10, цилиндрическую вставку 6, образующую со стенками корпуса кольцевой канал 9 для отвода отсепарированной жидкости, причем ввод газожидкостного потока осуществлен раздельно двухпоточными тангенциальными нижним 2 и верхним 4 патрубками, которые расположены на разных высотных отметках корпуса, причем ввод потока посредством нижнего тангенциального патрубка осуществлен в сепарационную камеру 8 через кольцевой канал 9 и завихритель 10 с щелевыми тангенциальными прорезями 11, причем сепарационная камера закрыта снизу дном 12, а сверху - диском 13, в центре которого размещен рабочий патрубок 14 с коническим выходным отверстием-диафрагмой 15, а в месте установки диска на границе стыковки с цилиндрической вставкой 6 имеются сквозные отверстия 22 по периметру вставки для вывода отсепарированной жидкости, а на выходе отверстия-диафрагмы 15 установлена коническая направляющая 16, над которой размещено циклонное устройство, размещенное в средней секции (С) корпуса. Ввод потока осуществлен посредством верхнего тангенциального патрубка 4 в циклонное устройство, состоящее из нижнего 17 и верхнего 18 конусов, примыкающих основаниями к циклонному патрубку 19, при этом верхний конус равен внутреннему диаметру цилиндрической вставки 6 и примыкает к ней вплотную, а нижний конус меньше внутреннего диаметра цилиндрической вставки и образует с конусом кольцевой зазор 20, а на циклонном патрубке имеются сквозные тангенциальные прорези 21. Над циклонным устройством в верхней секции (G) корпуса размещен соосно вертикальный сепарационный отбойник, представляющий соединенные между собой цилиндр сепарационного отбойника 23, нижний 24 и верхний 18 конусы, при этом нижний конус состыкован с верхним конусом циклонного патрубка по границе их разъема, соприкасаясь вплотную с внутренней поверхностью цилиндрической вставки, а внутреннее пространство между верхним конусом циклонного устройства и нижним конусом отбойника является демпфером 26, причем на цилиндре сепарационного отбойника имеются вертикальные сквозные прорези 27, а на наружной поверхности расположены винтообразные тарелки 28 с диаметрами, меньшими по сравнению с внутренним диаметром цилиндрической вставки, образуя зазор 29 между краями винтообразных тарелок и цилиндрической вставкой, а в верхней секции корпуса размещен. соосно вертикальный сепарационный отбойник, представляющий соединенные между собой цилиндр, нижний и верхний конусы, при этом нижний конус состыкован с верхним конусом циклонного патрубка, на цилиндре имеются вертикальные сквозные прорези, а на наружной поверхности цилиндра расположены винтообразные тарелки с диаметрами меньшими, по сравнению с внутренними диаметром цилиндрической вставки, образуя зазор между краями винтообразных тарелок и цилиндрической вставкой, при этом сепарационный отбойник сверху закрыт конической образующей 30, имеющей отверстие в центре 31, а на некотором расстоянии с параллельным зазором 33 центральная часть над отверстием закрыта конусом 32, перекрывающим это отверстие, а в верхней зоне сепаратора размещен патрубок 36 с коническим наконечником 35,
выходящим из корпуса сепаратора и размещенного на нем запорно- регулирующего вентиля 37, причем в нижней зоне корпуса сепаратора установлен патрубок 38, выходящий за пределы корпуса с установкой на патрубке запорно-регулирующего вентиля 39 для вывода отсепарированной жидкости (поток III).
Способ работы центробежно-вихревого сепаратора заключается в том, что газожидкостная смесь двумя потоками (поток I и II) под давлением подводится в вертикальный цилиндрический корпус сепаратора 1.
Причем, ввод газожидкостного потока осуществляется раздельно двухпоточными тангенциальным нижним 2 и верхним 4 патрубками, расположенными на разных высотных отметках корпуса. Ввод потока посредством нижнего тангенциального патрубка осуществлен в сепарационную камеру 8 через кольцевой канал 9 и завихритель 10 щелевыми тангенциальными прорезями 11.
После сепарационной камеры закрученный газожидкостной поток поступает в рабочий патрубок 14, из которого выходит через отверстие- диафрагму 15, после которой поступает в коническую направляющую 16, а затем - во внутреннее пространство циклонного устройства - циклонного патрубка 19. Одновременно во внешнее циклонное пространство, ограниченное циклонным патрубком 19, нижним 17 и верхним 18 конусами, поступает часть газожидкостного потока посредством верхнего тангенциального патрубка 4 и вентиля 5.
В результате, закрученный в циклонном устройстве газожидкостной поток газа, за счет центробежных сил, разделяется на два вращающихся потока на осевой и периферийный, а потому - из периферийного, выделяется отсепарированная жидкость, которая стекает в кольцевую щель 20 по стенке цилиндрической вставки вниз, накапливается на поверхности диска 13, а затем стекает через отверстия (14а) в кольцевое пространство 7, с последующим поступлением в кубовый сборник 34.
Приосевой поток, который освобождается от основного количества жидкости, проходит через сквозные тангенциальные прорези 21 и поступает во внутреннее пространство циклонного устройства, где смешивается с вращающимся потоком, выходящим из рабочего патрубка 14, выходного отверстия-диафрагмы 15 и конической направляющей 16.
В результате газогидродинамического взаимодействия двух пересекающихся потоков в полом пространстве 26, образованном сочетанием двух конусов: верхнего конуса 18 циклона и нижнего конуса 24 сепарационногоотбойника 23, в полом пространстве 26-демпфере, происходит стабилизация колебаний пересекающихся потоков, способствующим разделению газожидкостной смеси.
Затем, выходящий сверху газовый поток поступает в сепарационный отбойник, во внутреннем пространстве цилиндра 23 сепарационного отбойника, вращающийся поток состоящий из осевого и периферийного, разделяется при проходе через вертикальные сквозные прорези 27, при этом периферийный слой, состоящий преимущественно из мелкодисперсной взвеси выходит сквозь прорези и осаждаясь на винтообразных тарелках 28, скатывается по наклонным плоскостям тарелки и падает вниз накапливаясь на нижнем конусе 24, а затем выводится через сквозные отверстия 18 в кольцевой канал 7, а затем в сборник отсепарированной жидкости 34.
А осевой поток, отсепарированный от жидкости газ, проходит в верхний конус, соприкасаясь с преградой обрамляющего конуса 30, мелкие взвеси скатываются вниз, а газ проходит через отверстие 31 в конической образующей 30, проходит через зазор 33 и, огибая конус 32 выходит к патрубку 36 с наконечником 35 и вентилем 37, выходит за пределы сепаратора. В нижней части сепаратора вывод отсепарированной жидкости (поток III) осуществляют посредством патрубка 38 и установленного на нем запорно-регулирующего вентиля 39.
По сравнению с известными изобретениями, заявленный - центробежно- вихревой сепаратор имеет следующие преимущества:
- наличие кольцевого пространства, размещенного по всей высоте сепаратора, позволяет осуществить прямоточное движение сепарируемого потока, при независимом проведении двухступенчатого завихрения в сепарационной камере и циклонном устройстве с одновременным отводом сепарируемой жидкости;
- использован двухпоточный тангенциальный ввод исходного газожидкостного потока на разных высотных отметках, в местах размещения завихрителей: сепарационная камера и циклонное устройство. Это позволяет обеспечить завихрение потоков и осуществить оптимальный режим сепарации газожидкостного потока, влияющий на эффективность сепарации.
Предложенное техническое решение - использование последовательного двухступенчатого завихрения газового потока с применением патрубков двухпоточного тангенциального ввода и сепарационных завихрителей с эффективным отводом отсепарированной влаги в изолированные кольцевые пространства по всей высоте сепаратора, не допускающие вторичного уноса являются новым конструктивным решением для центробежных сепараторов, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Вышеприведенная совокупность отличительных признаков заявленной конструкции центробежного сепаратора, не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил данных конструкций прямоточно-центробежных сепараторов, что доказывает соответствию критерию «изобретательский уровень».
Источники информации
1. Патент RU 96784 U1 B01D 45/12 от 15.03.2015.
2. SU 598624 B01D 45/12, В04С 3/00 от 06.04.1976
3. SU 424582 B01D 45/12 от 07.12.71
4. SU.CCCP 837370 B01D 45/12, от 04.04.1979 - прототип