ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЦИКЛОННЫЙ СЕПАРАТОР
CENTRIFUGAL CYCLONE SEPARATOR

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
По меньшей мере один вариант осуществления изобретения относится к центробежному/циклонному сепаратору, который отделяет частицы, капли жидкости и/или конденсатов (на основе воды и/или углеводородного характера) от газов без использования фильтрующего элемента.
Обычно фильтры или некоторые циклонные/центробежные сепараторы, имеющие коалесцирующий фильтрующий элемент, имеют по меньшей мере один недостаток. Коалесцирующий фильтрующий элемент быстро засоряется из-за его маленького размера поры, и приводит к тому, что требует постоянного технического обслуживания.
Коалесцирующий фильтр используется в соединении с мембранным фильтром для удаления частиц, каплей жидкости и/или конденсатов из газов. Однако эти фильтры быстро засоряются из-за его маленького размера поры и могут обеспечить только очень короткий срок службы, в диапазоне от нескольких дней до двух недель, приводящий к высоким затратам на техническое обслуживание и замену. Наш сепаратор не будет требовать технического обслуживания, поскольку в нем не используется фильтрующий элемент.
Европейский патент № EP 0436973 А2 раскрывает отделение жидких и/или твердых частиц из газового потока. В этой заявке раскрывается устройство для отделения жидких и/или твердых частиц из газового потока, содержащее цилиндрический корпус с по существу вертикально установленной осью, имеющий: верхнее отделение, в которое подается газовый поток; среднее отделение, содержащее ряд лопаток спиралевидной формы, расположенных вокруг оси; нижнее отделение для отделения жидкостей и/или твердых частиц и коаксиальную трубку для выпуска газа, проходящую вверх от нижнего отделения через среднее и верхнее отделения, вокруг которой закреплены спиралевидные лопатки, при этом нижнее отделение имеет по меньшей мере одну пластину с дискообразной внешней частью, расположенную перпендикулярно к оси корпуса и под трубой для выпуска газа, при этом имеется по меньшей мере одна диаметральная перегородка под пластиной днища, при этом общая высота каждой перегородки по меньшей мере составляет 1,0 внутреннего диаметра корпуса.
Однако EP 0436973А2 не раскрывает следующие отличительные особенности различных пунктов формулы изобретения, раскрытых в данной заявке:
1) сепаратор выполнен для отделения при расходе до 20 л/ч для течения потока жидкости или 2000 нл/ч для течения потока газа;
2) сепараторная установка, содержащая первый сепаратор и второй сепаратор, в котором сепараторы выполнен для отделения частиц в конденсате размером до 10 микрон;
3) процесс, в котором сепаратор выполнен для отделения частиц размером до 10 микрон;
4) сепаратор отличается тем, что упомянутый по меньшей мере один элемент сепаратора содержит первое коническое ребро и второе коническое ребро (4), расположенное примыкающим к упомянутому первому коническому ребру (3), в котором упомянутый кожух имеет внутреннюю стенку (20) и в котором упомянутое первое коническое ребро и упомянутое второе коническое ребро находятся на расстоянии 0,5 мм-2 мм от упомянутой внутренней стенки упомянутого кожуха.
5) сепараторная система, имеющая два различных сепаратора, соединенных вместе соединительной трубой.
Поэтому по каждой из вышеперечисленных отдельных причин, заявленные изобретения являются патентоспособными по отношению к EP 0436973 А2.
Например, циклонные/центробежные сепараторы используются в применениях с высоким расходом потока, и не используются в применениях с низким расходом потока. Когда он используется в соединении с коалесцирующим фильтром, фильтрующий элемент очень быстро засоряется и требует постоянного технического обслуживания. Поэтому существует потребность в центробежном циклонном сепараторе, который не имеет коалесцирующего фильтрующего элемента.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
По меньшей мере один вариант осуществления изобретения относится к центробежному/циклонному сепаратору, который отделяет частицы, капли жидкости и/или конденсат (на основе воды и/или углеводородного характера) от газов без использования фильтрующего элемента. По меньшей мере в одном варианте осуществления данного изобретения центробежный/циклонный сепаратор может отделять частицы и/или капли жидкости и конденсат (вода и/или углеводород) от газов без использования фильтрующего элемента и может оптимально функционировать при низком расходе потока газа от 30 л/ч до 150 нл/ч (нормальных л/ч). В этом варианте осуществления также можно отделять мелкие частицы и конденсат размером 5-10 микрон, что происходит благодаря совокупному эффекту использования впускной спиральной трубки, первого конического ребра и второго конического ребра. Кроме того, это также происходит из-за цилиндрического корпуса и выступающей части вихревого патрубка ниже второго конического ребра.
Сепаратор специально предназначен для оптимальной работы при низком давлении и низком расходе потока газа от 30 л/ч до 150 нл/ч и способен отделять мелкие частицы/конденсат размером от 5 до 10 микрон. Он также выполнен отделять максимально 20 л/ч из потока жидкости или 2000 нл/ч газового потока или максимально 40 л/ч из потока жидкости или 1000 нл/ч газового потока. Сепаратор может работать при низком давлении, близком к атмосферному давлению или давлению до 100 бар и.д. (бар избыточного давления = давление в барах выше внешнего или атмосферного давления).
Данное изобретение является инновационным прорывом для применения циклонного/центробежного сепаратора при низком расходе потока газа от 30 нл/ч до 500 нл/ч. Оно не требует фильтрующего элемента и может отделять частицы / капли / конденсат размером 5-10 микрон или меньше 1 микрона при впрыскивании охладителя или жидкости. Оно предлагает надежное и не требующее технического обслуживания решение в сравнении с коалесцирующим фильтром и мембранными фильтрами, которые обеспечивают срок службы от нескольких дней до двух (2) недель из-за засорения мелких пор. Многие критические процессы газовых аналозиторов, которые используются для контроля качества и безопасности на технологическом оборудовании, часто выходят из строя или становятся непригодными из-за уноса или засорения обычного коалесцирующего фильтра и мембранного фильтра.
Одна из причин, почему центробежный/циклонный сепаратор данного изобретения может отделять частицы и/или капли жидкости и конденсат (вода и/или углеводород) от газов без использования фильтрующего элемента и может оптимально эксплуатироваться при низком расходе потока газа от 30 л/ч до 150 нл/ч и может отделять мелкие частицы и конденсат размером 5-10 микрон, объясняется в совокупном действии одного или более компонентов сепаратора. Эти компоненты могут включать в себя одну или более впускную спиральную трубку, по меньшей мере одно коническое ребро, ступеньку на цилиндрическом корпусе и выступающую часть вихревого патрубка ниже конического ребра.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие цели и особенности данного изобретения будут ясны из последующего подробного описания и прилагаемых чертежей, которые раскрывают по меньшей мере один вариант осуществления данного изобретения. Следует понимать, однако, что чертежи приводится только в иллюстративных целях и не ограничивают пределы данного изобретения.
На чертежах, в которых одна и та же ссылочная позиция обозначает одни и те же элементы в различных видах.
Фиг. 1 представляет вид сбоку в разрезе первого варианта осуществления изобретения;
Фиг. 2 представляет вид сбоку пластины торможения для использования и в первом, и во втором вариантах осуществления изобретения; и
Фиг. 3 представляет вид сбоку в разрезе второго варианта осуществления изобретения;
Фиг. 4 представляет проекции двух сепараторов, последовательно соединенных;
Фиг. 5 представляет вид сбоку камеры охлаждения, которая может быть в некоторых случаях соединяться или с впуском первого сепаратора, и/или впуском второго сепаратора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
3
Обращаясь подробно к чертежам, фиг. 1 показывает первый вариант осуществления сепаратора 10, который включает в себя впускную трубку 1. Циклонные/центробежные сепараторы повсеместно используются для отделения частиц, капель жидкости и/или конденсата от газов при высоком расходе газа, предполагающий по меньшей мере расход потока газа в нм/ч, для получения достаточно большой центробежной/циклонной силы. Загрязненный/влажный газ поступает в сепаратор сверху через впускную трубку 1. Эта впускная трубка 1 свернута спирально книзу для образования центробежной/циклонной силы для отделения частиц, капель жидкости и/или конденсата от газов. Эта трубка заканчивается над коническим ребром 3, которая расположена над вторым коническим ребром 4.
Сепаратор 10 имеет впускную спиральную трубку 1, которая имеет небольшой внутренний диаметр для генерирования высоком расходе потока газа, приводящий к образованию большой центробежной/циклонной силы внутри верхнего цилиндрического кожуха 2 для эффективного отделения. Трубка 1 также постепенно направляет газ, капли жидкости и/или конденсат снаружи сепаратора спирально вниз. Это отличная характерная особенность, которая отвечает требованиям геометрии впуска циклона, обеспечивает плавное течение с минимальной турбулентностью и минимальным эрозионным изнашиванием. Крайне важно, чтобы при отделении геометрия впуска циклона сепаратора минимизировала турбулентность в потоке газа, которая может создать новые водяные частицы, которые разбрызгиваются, или турбулентный поток частиц, которые попадают в имеющийся чистый и сухой газ.
В другом варианте осуществления сепаратор 12 имеет вставку 1А, имеющую винтовую зону, образующую проточную часть, которая работает как спиральная трубка. Эта вставка может содержать цилиндрический блок со спиральным каналом.
Первое и второе конические ребра 3 и 4 выполняют функцию продвижения частиц газа, капель жидкости и/или конденсата ближе к цилиндрической стенке верхней части кожуха 2. На выходе второго конического ребра 4 имеется ступенька, уступ или выступ 9, где частицы, капли жидкости и/или конденсат попадают в цилиндрический корпус 5, внутренний диаметр (см. линию d2) которого больше, чем диаметр верхней части цилиндрического кожуха. Частицы газа, капли жидкости и/или конденсат продолжают двигаться спирально книзу касательно к цилиндрическому корпусу. Хвостовая часть циклонического потока газа остается в верхней части стабилизатора 7 потока, где чистый и сухой газ спирально идет по оси вверх по направлению к вихревому патрубку 6 и выходит из верхней части правой стороны сепаратора через выпускную трубку для газа 15. Частицы, капли жидкости и/или конденсат продолжают идти по спирали после стабилизатора потока, а затем их вихревое движение останавливается пластинами 8 торможения вихрей. Частицы, капли жидкости, конденсат и/или некоторое количество газа затем выходят с нижней стороны 11 сепаратора.
Первое и второе конические ребра 3 и 4 вынуждают газы, капли жидкости и конденсат коалесцировать/сталкиваться друг с другом, образуя капли жидкости большего размера и частицы большего размера для последующего эффективного циклонного/центробежного отделения. Зазоры между первым и вторым коническими ребрами 3 и 4 и внутренней стенкой верхней части цилиндрического кожуха 2 могут быть сделаны сравнительно маленькими. Например, этот размер может быть любым подходящим размером, различные примеры которого могут включать в себя диапазон от 0,5 до 1 мм (миллиметр) или сравнительно до 2 мм, для усиления эффекта сжатия и эффекта коалесцирования/сталкивания. Края первого и второго конических ребер 3 и 4 являются острыми, или в большей степени острыми, или по меньшей мере достаточно острыми, для обеспечения чистого удаления смеси газа, жидкостей и частиц, а также обеспечения минимальных потерь газового потока.
Ступенька, уступ или выступ 9 располагается на стыке соединения между верхней частью цилиндрического кожуха 2 и цилиндрическим корпусом 5. Ступенька 9 обеспечивает удаление капель жидкости, частиц и/или конденсата чисто и снаружи от второго конического ребра 4 для избежания вторичного уноса или ползучести вокруг вихревого патрубка 6, приводящих к выносу с имеющимся чистым и сухим газом. Вихревой патрубок 6 также выступает ниже конического ребра 4 для той же цели.
Наконец, два сепаратора могут быть использованы соединенными последовательно, чтобы обеспечить предварительное и окончательное отделение во избежание избыточной перегрузки первого сепаратора. При такой конструкции зазоры между первым коническим ребром 3 и вторым коническим ребром 4 и внутренней стенкой верхней части цилиндрического кожуха 2 первого сепаратора обычно больше, чем во втором сепараторе. Эта конструкция показана на фиг. 4, которая показывает два сепаратора 10а и 10b, расположенных последовательно относительно друг друга, так что материал может проходить через два разных сепаратора. При такой конструкции первый сепаратор 10а в последовательности может иметь больший зазор между первым коническим ребром 3, вторым коническим ребром 4 и внутренней стенкой, обозначенной здесь как позиция 20 в сепараторе 10а, чем зазор 21 между первым коническим ребром 3, вторым коническим ребром 4 и стенкой 2b в сепараторе 10b. Как показано на этой схеме, очищенные газы выходят через выходное отверстие 15 и входят в отверстие 16 в сепараторе 10b. Таким образом, газы очищаются дважды, так что осуществляется достаточное отделение от газов.
Для повышения эффективности отделения два сепаратора могут быть использованы последовательно для обеспечения эффективности отделения, где первый сепаратор может быть использован для предварительного отделения, тогда как второй сепаратор - для окончательного отделения, без перегрузки первого сепаратора. Для сепарации очень мелкого конденсата или частиц размером менее 5 микронов в очень сухом газе в соединении с сепаратором используется камера охлаждения для создания небольшого количества жидкого конденсата, который образует капли жидкости или пленку жидкости, который могут позволить мелким частицам, конденсату налипать на ней из-за адгезии.
Для отделения очень мелких частиц конденсата или частиц меньше 1 микрона устройство может включать в себя камеру охлаждения 30, выполненную в виде змеевика, где конденсат может налипать на пленку жидкости вследствие центробежных сил внутри змеевика, и также обеспечивается налипание другого конденсата/частиц. Как показано на фиг. 5, камера охлаждения 30 имеет впуск 31 и выпуск 32, которые могут быть подсоединены к впускной спиральной трубке 14 первого сепаратора или впускной спиральной трубке 16 второго сепаратора. Камера охлаждения 30 служит для образования жидкого конденсата, который создаст пленку жидкости для мелкого конденсата/мелких частиц, для налипания на нее перед сепаратором. По меньшей мере в одном варианте осуществления камера охлаждения отделена от сепаратора, потому что скорость потока в сепараторе слишком высокая и время пребывания в нем слишком короткое для получения желаемых результатов.
Причина, почему центробежный/циклонный сепаратор может отделять частицы, капли жидкости, конденсат (на основе воды и/или углеводородного характера) от газов без использования фильтрующего элемента, и может оптимально работать при низком расходе потока газа от 30 л/ч до 150 нл/ч и способен отделять мелкие частицы конденсата размером до 5-10 микрон, объясняется совокупным эффектом компонентов, перечисленных выше. Например, в первом варианте осуществления конструкция основана на использовании впускной спиральной трубки 1, первого конического ребра 3 и второго конического ребра 4 и ступеньки 9 на цилиндрическом корпусе и выступающей части вихревого патрубка ниже второго конического ребра 4. Во втором варианте осуществления конструкция отличается тем, что имеется вставка 1А с винтовой зоной, образующей проточную часть, подобную спиральной трубке, при этом основываясь на таких же или аналогичных компонентах, как и первый вариант осуществления, описанный выше.
Совокупным эффектом этих ключевых компонентов заключается в превосходной геометрии сепаратора, которая обеспечивает очень стабильную нетурбулентную высокую скорость потока, которая создает большую центробежную/циклонную силу для отделения. Также имеется небольшое ограничение для слабого потока газа, надежное сжатие и столкновение/коалесцирование мелкого конденсата и частиц с каплями жидкости и большими частицами приводим к образованию капель/частиц большего размера для эффективного отделения первым и вторым коническими ребрами 3 и 4. Наконец, острые края первого и второго конических ребер 3 и 4, ступенька 9 на стыке соединения между верхней частью цилиндрического кожуха и цилиндрическим корпусом и выступающей части вихревого патрубка ниже второго конического ребра 4 - все вместе обеспечивают чистое удаление и отделение наружу частиц, капель жидкости,  конденсата и газа для предотвращения их переноса в имеющийся чистый и сухой газ.
Длина цилиндрического корпуса 5 может быть сокращена для увеличения времени пребывания внутри сепаратора без изменения эффективности отделения.
Зазоры между коническими ребрами 3 и 4 и внутренним диаметром верхней части цилиндрического кожуха 2 могут быть увеличены до 2 мм, если размер самой большой частицы составляет приблизительно 1+ мм для предварительной сепарации, как показано в варианте осуществления 10А на фиг. 4. Наружный диаметр и размеры сепаратора могут быть пропорционально увеличены, чтобы обеспечить ступеньки и толщину верхнего цилиндрического кожуха и цилиндрического корпуса. Толщина верхней части цилиндрического кожуха 2 и цилиндрического корпуса может быть увеличена, чтобы справиться с высоким давлением в соответствии с требованием механической прочности. Однако внутренние размеры упомянутых ключевых особенностей не должны быть уменьшены. Длина спирального змеевика может быть немного увеличена или уменьшена, не влияя на эффективность отделения.
Первый вариант осуществления сепаратора содержит впускную спиральную трубку 1, которая имеет небольшой внутренний диаметр для создания высокой скорости потока газа, приводящей к большой центробежной/циклонной силе внутри верхней части цилиндрического кожуха 2 для эффективного отделения. Он также рассчитан на сепарацию максимум до 20 л/ч потока жидкости из 2000 нл/ч потока газа или максимум 40 л/ч из 1000 нл/ч потока газа.
По меньшей мере в одном варианте осуществления используется ступенька 9, расположенная на стыке соединения между верхней частью цилиндрического кожуха 2 или первой секцией или первым корпусом со вторым участком кожуха или вторым цилиндрическим корпусом 5, обеспечивая удаление капель жидкости, частиц и/или конденсата чисто и снаружи от второго конического ребра 4, для избежания вторичного уноса или потока по поверхности вокруг вихревого патрубка 6, приводящих к выносу с имеющимся чистым и сухим газом. Вихревой патрубок 6 также выступает на 5 мм ниже конического ребра 4 с той же целью.
Наконец, небольшое количество воды или капельно-жидкого углеводорода могут также быть добавлены с впускным сухим и загрязненным газом для образования жидких капель или пленки для прилипания на нее мелкого конденсата и мелких частиц.
Детали, перечисленные выше, в частности, первая секция корпуса 2 и вторая секция корпуса 5 кожуха, спиральная трубка 1, вставка 1А, коническое ребро 3, коническое ребро 4, вихревой патрубок 6, стабилизатор 7 потока, пластина 8 торможения вихрей и ступенька 9 могут быть изготовлены из любого подходящего материала, такого как, но не ограничиваясь только этим, нержавеющая сталь, коррозийно-устойчивый металл или сплав, фторопласт, поликарбонат или другой твердый пластик, который имеет достаточную механическую прочность, чтобы выдерживать рабочее давление и является химически стойким.
В целом конструкция представляет сепаратор без фильтра или сепаратор без коалесцирующего фильтра, использующий геометрию компонентов, перечисленных выше. Это позволяет создать устройство, которое не нуждается в серьезном техническом обслуживании и также не требует постоянной замены фильтров. Таким образом, компоненты, описанные выше, позволяют создавать вихревое движение в газе с помощью спирального механизма подачи или спирального механизма, такого как трубка 1 или компонент 1А, для получения отделяющего действия циклона в газе. Более плотные частицы (и конденсаты) проталкиваются к краю кожуха, где они (сталкиваются и) конденсируются. Разделители или ребра 3 и 4 устроены так, чтобы проталкивать эти компоненты к стенке кожуха, где они коалесцируются или конденсируются. Эти сконденсировавшиеся частицы затем падают каплями в направлении выпуска 11, в то время как не сконденсировавшаяся часть газа направляется в противоположном от стабилизатора 7 потока направлении и отправляется в вихревой патрубок 6, в котором оставшийся газ проходит вверх и выходит из сепаратора наружу из выпускного отверстия 15. Таким образом газы отделяются от жидкости или твердого материала, при этом не нужен фильтр, который иначе приходилось бы заменять.
Соответственно, хотя по меньшей мере один вариант осуществления данного изобретения был показан и описан, следует понимать, что многие изменения и модификации могут быть внесены в него, не отходя от сущности и рамок изобретения, как определяется в прилагаемой формуле изобретения.