УСТРОЙСТВО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА (ВАРИАНТЫ)
GAS-LIQUID FLOW DISTRIBUTION DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к внутренним устройствам, используемым в газовых сепараторах, осуществляющих процессы отделения жидкой фазы от газовой фазы, и колонных аппаратах, осуществляющих массообменные процессы в системе газ-жидкость, таких как ректификация, абсорбция, и может быть использовано в газодобывающей, нефтехимической и нефтегазоперерабатывающей и других отраслях промышленности.
Устройство предназначено для приема прямолинейного высокоскоростного газожидкостного потока на входе в сепарационные или колонные аппараты, снижения скорости этого потока, эффективного отделения крупных капель жидкости и перераспределения потока по сечению сепаратора или колонны с низким гидравлическим сопротивлением потоку.
Известно устройство для распределения газовых и жидкостных потоков по сечению аппарата и сепарации жидкости от газового потока, включающее перфорированную обечайку, установленную внутри корпуса аппарата против патрубка ввода газа с зазором к корпусу, перекрытым в верхней части перегородкой, на обечайке против перфорации размещены вертикально-ориентированные ряды пористых объемных элементов, перекрывающих каналы перфорации, а зазор между обечайкой и корпусом и верх обечайки перекрыты полуглухой тарелкой с патрубками для прохода газа, соединенными с внутренней полостью обечайки (см. RU Патент 2279302, МПК B01D 3/32, B01D 53/18 (2006.01), 2006).
Недостатками известного устройства являются повышенное гидравлическое сопротивление устройства, связанное с наличием большого числа местных сопротивлений, недостаточная степень сепарации мелкодисперсных потоков, громоздкость и повышенная материалоемкость, сложность изготовления и монтажа.
Известно газораспределительное устройство, предназначенное для равномерного распределения газа по сечению аппарата, и может быть использовано в насадочных колонных аппаратах и в газовых сепараторах, которое снабжено перфорированным основанием, устройство установлено внутри корпуса аппарата против патрубка ввода газа с зазором к корпусу, а перфорированное основание расположено ниже патрубка ввода газа, газораспределительное устройство выполнено в виде треугольной призмы, на боковых сторонах которой установлены блоки из вертикальных гофрированных листов, гофры которых расположены под углом к горизонту, а в смежных листах блока гофры выполнены перекрестно (см. RU Патент 2329849, МПК B01D 3/00, B01D 3//32 (2006.01), 2006).
Недостатками устройства являются неравномерное распределение газового потока по сечению аппарата и недостаточная степень сепарации мелкодисперсных потоков при больших значениях фактора скорости (w >40) в патрубке ввода газовой смеси, что связано с конструктивными особенностями устройства и вторичным диспергированием и уносом отсепарированных дисперсных частиц.
Известно «Газораспределительное устройство» по патенту РФ на изобретение №2394623 от 29.01.2009, опубл. 20.07.2010 (принято за прототип).
Газораспределительное устройство, установленное внутри корпуса аппарата против патрубка ввода газа с зазором к корпусу, выполнено в виде шестиугольной призмы, которая имеет соосно расположенный внутренний цилиндр, имеющий щели или перфорацию. Цилиндр по длине разделен на секции кольцевыми дисками с диаметрами отверстий, уменьшающимися от патрубка ввода газа. Кольцевые диски являются проходными распределителями.
На боковых сторонах призмы между шестиугольной призмой и внутренним цилиндром установлены насадки, выполненные из блоков, выполненных из гофрированных листов, гофры которых в смежных листах выполнены перекрестно. Пространство между шестиугольной призмой и внутренним цилиндром может быть заполнено нерегулярной насадкой.
Технический результат: равномерное распределение газового потока по сечению аппарата и повышение качества сепарации мелкодисперсных потоков при высоких значениях фактора скорости в патрубке ввода газовой смеси.
Недостатком известного устройства является то, что не смотря на более полное использование площади сечения сепарационных насадок, за счет того, что поток распределяется осесимметрично во всех радиальных направлениях, перпендикулярных оси потока, этот поток фокусируется в кольцевых зонах выхода кольцевых дисков проходных распределителей и локально перегружает сепарационные насадки.
Локальные перегрузки сепарационных элементов приводят к срыву капель и уносу их с потоком к следующим ступеням сепарации и перегрузке их. Перенаправление газожидкостного потока от оси устройства к периферии (в радиальном направлении) достигается за счет создания на пути потока местных гидравлических сопротивлений, которые резко и с большими потерями энергии меняют направление части потока.
Перенаправление потока в радиальное направление происходит не плавно с постепенным изменением, а резко на кольцевом диске. С этим связаны и гидравлическое сопротивление, и повышенный износ кольцевых дисков.
Основной недостаток конструкции - большое гидравлическое сопротивление, оказываемое скоростному залповому потоку.
Задачей изобретения является создание устройства (варианты), позволяющего получить равномерное распределение газового потока по сечению аппарата и повышение качества сепарации крупных капель при высоких значениях фактора скорости в патрубке ввода газовой смеси.
Технический результат: равномерное распределение газового потока по сечению аппарата.
Повышается качество сепарации крупных капель при высоких значениях фактора скорости в патрубке ввода газовой смеси.
По 1 варианту
Технический результат достигается тем, что устройство распределения газожидкостного потока установлено внутри корпуса аппарата против патрубка ввода газа соосно и содержит внутренний и внешний каркас в виде цилиндра или усеченного конуса, внутренний каркас которого разделен на секции проходными распределителями с диаметрами отверстий, уменьшающимися от патрубка ввода газа, удерживаемыми стержнями внутреннего каркаса, продетыми сквозь отверстия, а на каркасе расположен слой сепарирующей насадки, при этом проходные распределители выполнены в виде диффузоров и имеют обращенную к входящему потоку поверхность, расходящуюся в радиальном направлении от входной к выходной кромке с плавным изменением угла наклона поверхности к оси устройства и соосному ей потоку от 0 до 135 градусов, а сепарирующая насадка выполнена регулярной.
По 2 варианту
Технический результат достигается тем, что устройство распределения газожидкостного потока установлено внутри корпуса аппарата против патрубка ввода газа с зазором к корпусу соосно и содержит внутренний и внешний каркас в виде цилиндра или усеченного конуса, при этом по оси устройства установлено центральное тело в виде конических шайб увеличивающегося от входного штуцера диаметра, нанизанных на несущий стержень, закрепленный в торцевом диске и прикрепленный ко входному штуцеру, а внешний каркас устройства выполнен из стержней в виде усеченного конуса или цилиндра и оснащен слоем регулярной сепарационной насадки.
Устройство показано на чертежах.
Устройство выполнено в двух вариантах исполнения.
1 вариант устройства распределения газожидкостного потока представлен на фиг. 1.
Устройство устанавливается внутри сепарационного аппарата на штуцер или входной патрубок 1 входа газодисперсного потока соосно этому штуцеру.
Устройство состоит из внутреннего каркаса и установленных на него блоков регулярной сепарационной насадки.
Внутренний каркас может иметь коническую форму (выполнен в виде усеченного конуса) или форму цилиндра, образованные стержнями.
Внутренний каркас (цилиндрической или конической формы) по длине разделен на секции проходными распределителями 2 с диаметрами отверстий, уменьшающимися от патрубка ввода газа. На торце, противоположном входу, установлен концевой отвод-распределитель 3.
Каркас и проходные распределители взаимосвязаны, так как проходные распределители взаимно удерживаются каркасом из стержней (условно не показан), пропущенных сквозь отверстия у выходных кромок распределителей и закрепленных в концевом распределителе и входной тарелке 6, закрепляемой на штуцере аппарата.
Проходные распределители выполнены в виде кольцевых диффузоров, расположенных по оси устройства от штуцера до концевого распределителя на равных расстояниях, в каждом из которых диаметр прохода сужается от штуцера до концевого распределителя, а сами диффузоры имеют обращенную к входящему потоку поверхность, расходящуюся в радиальном направлении от входной к выходной кромке с плавным изменением угла наклона поверхности к оси устройства и соосному ей потоку от 0 до 135 градусов.
Количество проходных диффузоров может быть от 1 до 30.
На внутренний и внешний каркасы (условно не показаны) устройства установлены блоки регулярной сепарационной насадки 4, образующие цилиндрическую или коническую поверхность. Стержни внешнего каркаса закреплены во входной тарелке 6 и конструктивном элементе 7.
В конструкции устройства предусмотрен упор 5, служащий для распора устройства внутри аппарата между входным штуцером 1 и противоположной стороной обечайки аппарата (не показано).
Схема, описывающая форму поверхности проходных диффузоров-распределителей 2, представлена на фиг. 2. На схеме показан частный случай с тремя проходными диффузорами-распределителями.
Диффузор имеет сложный профиль поверхности с переменным наклоном по мере удаления потока от атакующей кромки. Угол наклона поверхности к оси потока постоянно и плавно меняется по мере следования потока от входной кромки диффузора к выходной кромке в пределах от наименьшего угла, как правило, равного нулю градусов, до наибольшего угла, значение которого для разных случаев может быть от 60 до 135 градусов.
В идеале, рабочие поверхности проходных и конечного диффузоров являются поверхностями, образованными вращением вокруг оси устройства эллиптических дуг, лежащих в плоскости, проходящей через ось устройства, обозначенных «Образующая 1», «Образующая 2», «Образующая 3», «Образующая 4».
Дуги эллипсов имеют характерные точки 1, 2, 3, 4, касательные в которых параллельны оси. Образующие отстоят от оси на расстояния d1/2, d2/2, d3/2 соответственно, а точка 4 лежит на оси, так как d4/2=0.
Расстояния, на которые отстоят друг от друга диффузоры, и уменьшающиеся от входного патрубка диаметры проходных отверстий диффузоров d1, d2, d3 подбираются так, чтобы обеспечивалось равенство площадей концентрических колец S1, S2, S3, S4.
На фиг. 2 видно, что входные кромки диффузоров, образованные вращением точек 1, 2, 3, 4 вокруг оси, принадлежат параболоиду, образованному вращением вокруг оси пунктирной кривой, обозначенной на фиг. 2 «Линия 2». А выходные кромки диффузоров принадлежат цилиндрической поверхности, образованной вращением прямой, показанной как «Линия 1».
Угол α между вектором скорости потока в каждой точке движения по поверхности диффузора и осью устройства постоянно и плавно увеличивается по мере удаления потока от места встречи с диффузором в точках 1, 2, 3, 4, и, таким образом, в точке выхода потока с поверхности диффузора может составлять от 60° до 135°. Это выполняется для равномерной загрузки всей поверхности сепарирующей насадки, окружающей диффузоры снаружи.
Для более равномерной загрузки сепарационной насадки применяются конструкции диффузоров-распределителей, в которых предусмотрены прорези (фиг. 3).
Эти прорези в виде отверстий или в виде щелей (фиг. 3 А)Б)В)) за счет центробежных сил в месте наибольшего изменения направления потока или за счет специального атакующего профиля самой щели в области движения потока в радиальном направлении, близкого к прямолинейному, сбрасывают долю потока в недогруженную зону низкого давления за диффузорами.
Лопатки, имеющие большую кривизну, чем основная поверхность, как показано на фиг. 3Б), направляют часть потока с поверхности распределителя в зону над ней, лопатки же, имеющие меньшую кривизну, направляют часть потока в зону за основной поверхностью диффузора. Кривизна основной поверхности и лопаток схематично показана на фиг. 3Д).
Ниже описаны возможные варианты исполнения диффузоров:
- одинаковые проходные диффузоры-распределители, проходные отверстия которых одинаковы, и концевой распределитель в одном устройстве, последовательный отбор потока в таком случае осуществляется за счет естественного расширения потока после предыдущего диффузора;
- диффузоры без отверстий, щелей;
- диффузоры с прорезями в виде отверстий или в виде щелей;
- диффузоры с щелями, оснащенными атакующей лопаткой, для эффективного направления части потока в прорезь (фиг. 3А)), при этом атакующая лопатка может повторять форму поверхности диффузора с большей или меньшей кривизной;
- прорези диффузора выполнены с отогнутой атакующей лопаткой;
- содержит вспомогательные сплошные кольцевые диффузоры, отстоящие от основного на небольшое расстояние, причем каждый следующий вспомогательный диффузор имеет меньший радиус кривизны, чем у предыдущего или основного. Разрез устройства, оснащенного дополнительными диффузорами, показан на (фиг. 4А) Б)).
Каждый диффузор дополнительно оснащен вспомогательными сплошными кольцевыми диффузорами, у которых входная кромка каждого последующего расположена перед поверхностью предыдущего основного или вспомогательного диффузора с зазором, а поверхность в целом повторяет поверхность основного диффузора, но имеет большую кривизну, а угол наклона поверхности к оси устройства в любой точке на входной кромке каждого последующего вспомогательного диффузора равен углу наклона поверхности к оси устройства в ближайшей точке поверхности предыдущего основного или вспомогательного диффузора;
- основные и вспомогательные диффузоры выполнены из кольцевых фрагментов простой конической формы так, что в целом повторяют форму диффузоров;
- диффузоры простой конической формы;
- диффузоры простой конической формы с плоской или конической тарелкой на выходе;
- диффузоры всех описанных типов и оснащения, отличающихся пирамидальной (граненой) формой в целом повторяющей описанные формы тел вращения;
- диффузоры различной конструкции в одном устройстве;
- диффузоры, рельеф края тарелки которых выполнен в виде разрезных лепестков, каждый из которых повернут относительно плоскости тарелки по оси, совпадающей с радиусом (фиг. 3Г)). Каждый лепесток может иметь дополнительные лепестки меньшего размера (два и более, условно не показаны) по своему внешнему краю, повернутые относительного основного;
- диффузоры, имеющие плоские (оказывающие наименьшее сопротивление потоку) конструктивные элементы для крепления их между собой и крепления к ним сепарационных насадок.
Диффузоры перенаправляют высокоскоростной прямой осевой поток из штуцера 1 во всех радиальных направлениях от оси. Поток при этом распределяется и по всей длине устройства.
Это реализуется как за счет перенаправления кольцевых зон осевого потока на проходных диффузорах-распределителях, так и за счет перенаправления узких секторов плоского радиального потока каждого диффузора в направлениях над его поверхностью и за ней.
Таким образом, эквипотенциальное по динамическому давлению сечение потока на выходе каждого диффузора близко к цилиндрической форме. А эквипотенциальное сечение потока по внешней поверхности n сужающихся диффузоров близко к поверхности цилиндра с высотой, равной длине оси устройства.
Регулярная сепарационная насадка 4 состоит из нескольких продольных блоков, каждый из которых представляет собой сектор полого усеченного конуса (для конического исполнения) или сектор полого цилиндра корпуса устройства.
Собранная на устройстве сепарационная насадка 4 имеет форму полого усеченного конуса или полого цилиндра с толщиной стенки, равной толщине слоя насадки.
Сепарирующий слой насадки 4 выполняется в двух вариантах.
1 вариант формирования сепарирующего слоя насадки
На фиг. 5 А) показан сепарирующий слой насадки, состоит из продольных рядов поперечных одинаковых гнутых листовых деталей-лопаток, удерживаемых на стержнях, продетых сквозь отверстия в их параллельных входных и выходных частях деталей, расположенных в слое насадки в плоскостях, перпендикулярных оси устройства, а средние наклонные части деталей удерживаются параллельно и с равными зазорами в каждом ряду, соседние же ряды собраны так, что наклонные части лопаток каждого следующего ряда перекрещиваются с наклонными частями лопаток соседних рядов, а также взаимно удерживаются в слое за счет прорезей, выполненных по краям деталей.
Сформированный диффузорами газожидкостный поток, расходящийся сквозь слой насадки, делится в слое насадки на множество мелких элементарных частей потока, как показано на фиг. 5А), вдоль оси устройства и по секторам в каждом поперечном сечении. Соседние по поперечному сечению части потока направляются деталями в соседних рядах в отстоящие друг от друга поперечные сечения на внешней стороне насадки.
Это позволяет перераспределять локальные пики, если они имеются в потоке после распределителей, и сбрасывать их в соседние ряды насадки, так как каждый канал перекрещивается с каналами соседних рядов по своей протяженности несколько раз.
Форма канала, образовываемого деталями, позволяет осаждать из потока капли на своих стенках, а существенно сниженная скорость потока не может уносить их с поверхности, и капли стекают на дно аппарата.
2 вариант формирования сепарирующего слоя насадки
На фиг. 5 Б) показан сепарирующий слой насадки 4, набранный из продольных листовых деталей, по противоположным краям которых выполнены повернутые в четверть оборота полулопатки, торцы которых совпадают с торцами полулопаток соседних деталей и образуют внутреннюю и внешнюю поверхность слоя, формируется в форме полого цилиндра или полого усеченного конуса на стержнях внутреннего и внешнего каркасов, продетых сквозь отверстия, предусмотренные в полулопатках.
Форма каналов, образовываемых полулопатками, позволяет осаждать из потока капли на своих стенках, а существенно сниженная скорость потока не может уносить их с поверхности, и капли стекают на дно аппарата.
Стержни внутреннего и внешнего каркасов закреплены во входной тарелке 6 и элементе 7, показанных на фиг. 1.
Выполненная по одному из вариантов сепарационная насадка может применяться в составе любой из предлагаемых конструкций устройства.
2 вариант выполнения устройства распределения газожидкостного потока
Устройство представлено на фиг. 6, 7.
Устройство устанавливается внутри сепарационного аппарата на штуцер или входной патрубок 1 входа газодисперсного потока, соосно этому штуцеру.
Устройство состоит из внутреннего каркаса и установленных на него регулярных блоков сепарационной насадки 4.
Внутренний каркас может иметь коническую форму (выполнен в виде усеченного конуса) (фиг. 7) или форму цилиндра (фиг. 6), образованную стержнями внешнего и внутреннего каркасов, и смонтированного слоя регулярной сепарационной насадки.
Устройство содержит входной патрубок или штуцер 1 (фиг. 6), (фиг. 7).
Функцию равномерного перенаправления и перераспределения потока к внешней цилиндрической или конической поверхности фильтрующего слоя выполняет центральное тело, помещенное по оси потока.
Центральное тело служит также конструкционным элементом, на котором закреплены все элементы устройства, а само оно надежно крепится к входному штуцеру 1 и упирается в стенку технологического аппарата аналогично первому варианту исполнения (упор 5 условно не показан).
Центральное тело набрано из конических шайб 8, увеличивающегося от входного штуцера до торца устройства диаметра, нанизанных на несущий стержень 9, закрепленный в торцевом диске 10 и прикрепленный ко входному штуцеру 1 при помощи крепежных пластин 11, обращенных к потоку ребром. В случае исполнения устройства для сложных условий или крупногабаритных аппаратов допускается устанавливать аналогичные крепления для дополнительного крепления каркаса сепарационной насадки 4 к несущему стержню 2 на всем его протяжении.
Шайбы 8 имеют основание в виде усеченного конуса, увеличивающегося по направлению движения потока диаметра. На шайбах 8 выполнены выступы 12, предназначенные для перенаправления части потока от поверхности шайбы в радиальном направлении. Первая по ходу потока шайба имеет два или три выступа 12, расположенных осесимметрично. Ширина выступов такова, что они перекрывают не более половины площади потока (фиг. 6), (фиг. 7).
Каждая следующая шайба содержит количество выступов не менее чем их было на предыдущей. Взаимное расположение соседних шайб таково, чтобы их выступы максимально не совпадали друг с другом.
В зависимости от длины устройства и соответственно количества шайб, количество выступов на последней шайбе может достигать нескольких десятков и даже сотен.
Свободное пространство между конусом центрального тела устройства и внутренней конической поверхностью, по которому движется газожидкостный поток, имеет примерно равную площадь поперечного сечения на всем протяжении устройства от сечения на выходной кромке штуцера до последней шайбы.
Возможно исполнение без выступов 12 на шайбах 8.
Возможно исполнение шайб 8 с выступами 12 различной кривизны.
Обращенные к набегающему потоку поверхности выступов шайб выполнены различной кривизны, а взаимное расположение выступов соседних шайб обеспечивает наибольшее перекрытие внутреннего сечения устройства.
Возможно исполнение с формой центрального тела в виде гладкого тела вращения или аналогичной пирамидальной расширяющейся по направлению потока формы.
Сепарирующий слой регулярной насадки 4 аналогично с первым вариантом исполнения устройства может быть выполнен по одному из двух вариантов.
Сепарирующий слой насадки 4, набранный из продольных листовых деталей, по противоположным краям которых выполнены повернутые в четверть оборота полулопатки, торцы которых совпадают с торцами полулопаток соседних деталей и образуют внутреннюю и внешнюю поверхность слоя, формируется в форме полого цилиндра или полого усеченного конуса на стержнях внутреннего и внешнего каркасов, продетых сквозь отверстия, предусмотренные в полулопатках.
Сепарирующий слой насадки 4 состоит из продольных рядов поперечных одинаковых гнутых листовых деталей - лопаток, удерживаемых на стержнях, продетых сквозь отверстия в их параллельных входных и выходных частях деталей, расположенных в слое насадки в плоскостях, перпендикулярных оси устройства, а средние наклонные части деталей удерживаются параллельно и с равными зазорами в каждом ряду, соседние же ряды собраны так, что наклонные части лопаток каждого следующего ряда перекрещиваются с наклонными частями лопаток соседних рядов, а также взаимно удерживаются в слое за счет прорезей, выполненных по краям деталей.
Осуществление изобретения
1 вариант
Устройство устанавливается на входном штуцере газового сепаратора, сепаратора-пробкоуловителя, факельного сепаратора, массообменной колонны или иного технологического оборудования, через который в оборудование вводится газожидкостный поток.
1
n+1
При прохождении потока вдоль оси устройства от потока при помощи проходных диффузоров-распределителей 2 последовательно отсекаются периферийные кольцевые зоны примерно равных площадей S…S (где n - число диффузоров). Отсеченные кольцевые зоны потока за счет профиля элементов 2 плавно перенаправляются в расходящемся от оси радиальном направлении.
Последний центральный фрагмент потока также распределяется в расходящемся от оси радиальном направлении на концевом отводе 3. При этом скорость потока при удалении от оси устройства падает, так как площадь сечения потока увеличивается.
Стрелками на фиг. 1 условно показано распределение потока в одном элементарном радиальном сечении устройства. Распределение потока в устройстве носит осесимметричный характер, что на фиг. 1 условно не показано.
Таким образом, на диффузорах достигается результат - линейный поток, соосный оси устройства, на входе в него плавно и с малыми потерями энергии распределяется на диффузорах в радиально расходящийся поток, фронт которого на выходных кромках диффузоров описывается поверхностью, близкой к усеченному конусу (в случае конического устройства) или к цилиндру.
Замедленный поток, радиально расходящийся от распределителей, проходя через слой регулярной сепарирующей насадки 4, выполненной по одному из двух вариантов, эффективно сепарируется с низким сопротивлением потоку.
2 вариант
Аналогичную функцию равномерного перенаправления и перераспределения потока к внешней цилиндрической или конической поверхности фильтрующего слоя выполняет центральное тело, помещенное по оси потока.
Скоростной осевой поток, набегая на центральное тело устройства, разбрасывается на периферию его выступами или только за счет вытеснения в радиальном направлении в случае исполнения тела без выступов.
Радиально расходящийся от центрального тела устройства, проходя через слой регулярной сепарирующей насадки 4, выполненной по одному из двух вариантов, эффективно сепарируется с низким сопротивлением потоку.