Сепаратор газожидкостный вертикальный
GAS-LIQUID VERTICAL SEPARATOR

Область техники.
Заявляемое техническое решение относится к области отделения дисперсных частиц от газов с использованием центробежных сил и может найти применение в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности.
Предшествующий уровень техники.
Известен прямоточный центробежный газожидкостный сепаратор (патент РФ № 2579079 на изобретение, МПК B01D45/12 (2006.01), B01D53/24 (2006.01), 2016), который содержит цилиндрический корпус, расположенные соосно корпусу входной и выходной сепарационные патрубки и завихритель. Сепарационные патрубки выполнены диаметром, меньшим внутреннего диаметра корпуса, конец входного патрубка выполнен с расширением по отношению к началу выходного патрубка с образованием внутри корпуса щелевого цилиндрического канала. Завихритель установлен во входном патрубке, состоит из конуса, ориентированного вершиной навстречу газожидкостному потоку, цилиндрического патрубка, прикрепленного к основанию конуса, и из плоских пластин, смонтированных по периметру внутренней поверхности входного патрубка, расположенных под углом 25 - 35 градусов к образующей конуса. Между наружным диаметром выходного патрубка и наружным диаметром корпуса смонтирован цилиндрический гаситель скорости газожидкостного потока, выполненный с наружным диаметром, большим наружного диаметра корпуса сепаратора.
Недостатком указанного аналога является горизонтальное размещение сепаратора, что снижает эффективность сепарации и приводит к его неработоспособности на малых скоростях. Это происходит благодаря следующему:
- в горизонтальном сепараторе происходит преждевременное разделение газожидкостной смеси в поле гравитационных сил;
- в горизонтальном сепараторе гравитационные силы действуют перпендикулярно оси вихревого движения.
Раскрытие заявляемого технического решения.
Для обеспечения работоспособности сепаратора-аналога на низких скоростях уменьшают диаметр сепаратора. Однако это приводит к увеличению гидродинамического сопротивления сепаратора, что снижает возможность его практического применения на высоких скоростях.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение работоспособности сепаратора на низких скоростях при сохранении небольшого гидравлического сопротивления.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является предотвращение попадания жидкостной фазы входного потока на выход сепаратора при малых скоростях входного потока.
Другим техническим результатом является расширение диапазона рабочих скоростей сепаратора.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что сепаратор газожидкостный вертикальный содержит корпус, входной и выходной патрубки, вихревой канал, снабженный вторым обтекателем и вторым завихрителем, выполненным в виде направляющих лопастей. Отличается тем, что корпус, входной и выходной патрубки выполнены вертикальными, причем входной патрубок размещен в верхней части сепаратора. У входного патрубка размещены первый криволинейный обтекатель и первый завихритель, выполненный в виде направляющих лопастей. Вихревой канал размещен под первым обтекателем. Площадь поперечного сечения на входе вихревого канала меньше площади поперечного сечения нижней части первого обтекателя. Верхний край выходного патрубка с зазором размещен внутри нижней части вихревого канала. Снаружи вихревого канала размещен конфузор, делящий пространство между вихревым каналом и корпусом на две части — проходную и закрытую. Площадь проходного сечения сепаратора в проходной части меньше площади проходного сечения входа вихревого канала. Закрытая часть пневматически соединена с выходным патрубком.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение всех заявленных технических результатов.
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.
Корпус целесообразно выполнять цилиндрическим, входной и выходной патрубки устанавливать соосно корпусу. Первый обтекатель может быть закреплен к направляющим лопастям первого завихрителя, а второй обтекатель — к направляющим лопастям второго завихрителя.
Огибающая поверхность направляющих лопастей первого завихрителя под первым обтекателем предпочтительно является продолжением конусообразной поверхности первого обтекателя, а огибающая поверхность направляющих лопастей второго завихрителя — продолжением конусообразной поверхности верхней части второго обтекателя.
Первый обтекатель в верхней части может быть снабжен продуктоотводом.
Конфузор желательно выполнять конусообразным или коническим.
Конфузор может быть выполнен расширяющимся книзу и соединен в верхней части с вихревым каналом. При этом проходная часть пространства между вихревым каналом и корпусом расположена между конфузором и корпусом, а закрытая часть этого пространства — между конфузором и вихревым каналом.
Конфузор может быть выполнен расширяющимся кверху и соединен в верхней части с корпусом. При этом  проходная часть пространства между вихревым каналом и корпусом расположена между конфузором и вихревым каналом, а закрытая часть этого пространства — между конфузором и корпусом.
Пневматическое соединение закрытой части пространства между корпусом и вихревым каналом предпочтительно выполнено трубкой, снабженной эжектором, размещенным в выходном патрубке. Это пневматическое соединение также снабжено регулирующим краном или регулирующей шайбой.
Внизу закрытая часть пространства между вихревым каналом и корпусом может быть заполнена коалесцирующим материалом.
Вихревой канал и конфузор могут быть соединены с корпусом с помощью двух и более ребер.
По крайней мере одна лопасть первого и/или второго завихрителя может содержать внутренний канал, соединяющий поверхность над или под лопастью с боковой поверхностью, соответственно, корпуса или вихревого канала.
Сепаратор допустимо выполнять в виде единой детали.
Автором заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 показан продольный разрез сепаратора, на фиг. 2 — продольный  разрез сепаратора с альтернативным исполнением конфузора, на фиг. 3 — поперечный разрез сепаратора в области первого завихрителя, на фиг. 4 — поперечный разрез сепаратора в области ребер, на фиг. 5 - продольный разрез сепаратора по примеру 3, на фиг. 6 - продольный разрез сепаратора по примеру 4, на фиг. 7 - продольный разрез сепаратора по примеру 5.
Осуществление технического решения.
Сепаратор (фиг. 1) содержит вертикальный корпус (1) с соосными входным (2) и выходным (3) патрубками, а также сливным патрубком (4). Входной патрубок (2) расположен вверху корпуса (1), а выходной патрубок (3) — внизу корпуса (1).
Корпус (1) может быть выполнен цилиндрическим, коническим или другой формы. Корпус (1) может быть выполнен цилиндрообразным, содержащим циклоидальные пространственные спирали, как предлагалось австрийским ученым Виктором Шаубергом.
У входного патрубка (2) соосно ему внутри верхней части корпуса (1) размещен криволинейный первый обтекатель (5). Также в верхней части корпуса размещен первый завихритель (6), представляющий собой набор направляющих лопастей, в частности, пластин. Первый обтекатель (5) предпочтительно закреплен к лопастям первого завихрителя (6) (фиг. 3). Первый обтекатель предназначен для направления входящего через входной патрубок (2) газожидкостного потока к стенкам корпуса (1) и предотвращения прямого попадания этого потока в газовый вихревой канал (7), особенно на низких скоростях газожидкостного потока. Первый обтекатель предпочтительно выполнен коническим, но может быть конусообразной или другой формы, обеспечивающей направление входящего потока как указано выше. Первый завихритель (6) предназначен для преобразования осевого движения входного газожидкостного потока в направленное круговое движение в корпусе (1) сепаратора. Лопасти первого завихрителя (6) могут быть размещены с зазором к корпусу (1) сепаратора с целью снижения влияния лопастей на частицы потока, которые уже находятся у стенки корпуса сепаратора. Лопасти первого завихрителя (6) могут быть выполнены в форме винтовой поверхности. Эти лопасти могут быть выполнены в форме изогнутых пластин, ориентированных вдоль радиуса корпуса сепаратора, причем на участке под обтекателем ширина пластин выполнена уменьшающейся. Количество и наклон лопастей выбираются такими, чтобы, с одной стороны, полностью перекрыть сепаратор лопастями в области завихрителя, а, с другой стороны, обеспечить наименьшее гидродинамическое сопротивление завихрителя. Для лопастей в форме вышеупомянутых изогнутых пластин перекрытие достигается тем, что в проекции на поперечное сечение сепаратора нижний край одной пластины лежит дальше верхнего края следующей пластины при обходе пластин по направлению закрутки потока.
Площадь проходного сечения сепаратора на участке размещения первого обтекателя (5) не меньше площади поперечного сечения входного патрубка (2). Под проходным сечением сепаратора на каком-либо участке понимается поперечное сечение канала для движения потока в наиболее узком месте (с минимальной площадью) этого участка. Площадь поперечного сечения канала на участке размещения первого обтекателя (5) вычисляется за вычетом площади, занимаемой лопастями первого завихрителя (6).
Огибающая поверхность направляющих лопастей первого завихрителя (6) под первым обтекателем (5) является продолжением криволинейной поверхности первого обтекателя (5).
Первый обтекатель (5) в верхней части может быть снабжен продуктоотводом (не показан) для отвода мелкодисперсной примеси, собирающейся в верхней части первого обтекателя снизу.
1
2
Под первым обтекателем (5) соосно ему размещен вертикальный цилиндрический газожидкостный вихревой канал (7), сверху этот канал имеет вход, а снизу - выход. Площадь S поперечного сечения на входе этого канала (7) меньше площади S поперечного сечения первого обтекателя (5) в нижней его части. Таким образом, первый обтекатель (5) полностью накрывает вход  вихревого канала (7). В общем случае в сепараторе может быть размещено параллельно несколько вихревых каналов (7), в этом случае они размещаются не соосно первому обтекателю, но под ним.
1
Площадь проходного сечения на входе вихревого канала (7) меньше величины Sза счет наличия лопастей второго завихрителя (9). При этом площадь проходного сечения на входе вихревого канала (7) больше либо равна площади проходного сечения сепаратора на участке размещения первого обтекателя (5) и, соответственно, не меньше площади поперечного сечения входного патрубка (2).
Газожидкостный вихревой канал (7) в верхней части снабжен соосным ему вторым обтекателем (8) и вторым завихрителем (9). Второй обтекатель (8) выполнен содержащим криволинейную (предпочтительно, конусообразную) верхнюю часть и цилиндрическую нижнюю часть. Верхняя часть предназначена для направления входящего в вихревой канал (7) газожидкостного потока к стенкам этого канала. Нижняя часть предназначена для предотвращения образования восходящего противотока вихря. Обтекатель (8) может иметь любую известную конструкцию для указанного назначения. Например, второй обтекатель может быть коническим или конусообразным, может быть выполнен в виде двух конусов, соединенных основаниями, между конусами может быть цилиндрический участок (фиг. 2).
Второй завихритель (9) представляет собой набор направляющих лопастей, в частности пластин. Второй обтекатель (8) предпочтительно закреплен к лопастям второго завихрителя (9). Второй завихритель (9) предназначен для преобразования движения газового потока на входе в вихревой канал (7) в направленное круговое движение в этом канале. Лопасти второго завихрителя (9) могут быть размещены с зазором к вихревому каналу (7) с целью снижения влияния лопастей на частицы потока, которые уже находятся у стенки вихревого канала. Огибающая поверхность направляющих лопастей второго завихрителя (9) является продолжением криволинейной поверхности верхней части второго обтекателя (8).
Нижний торец вихревого канала (7) расположен выше нижнего днища (10) сепаратора.
Верхний край выходного патрубка (3) соосно размещен внутри нижней части вихревого канала с зазором к этому каналу (7).
Снаружи газожидкостного вихревого канала (7) соосно ему размещен конфузор (11), предназначенный для уменьшения площади поперечного сечения сепаратора вокруг вихревого канала (7) по направлению к нижней части сепаратора (фиг. 1, 4). Конфузор (11) делит пространство между корпусом (1) и вихревым каналом (7) на две части — проходную (19) и закрытую (20). Проходная часть сверху сообщается с пространством сепаратора над вихревым каналом. Снизу проходная часть может сообщаться с нижней частью сепаратора. Закрытая часть снизу сообщается с нижней частью сепаратора.
3
Площадь S проходного сечения проходной части пространства между корпусом (1) и вихревым каналом (7) меньше площади проходного сечения на входе вихревого канала (7).
Конфузор может быть выполнен коническим или конусообразным. Конфузор при этом может расширяться книзу (фиг. 1). В этом случае конфузор (11) соединен в верхней части с вихревым каналом (7), проходная часть (19) пространства между вихревым каналом и корпусом расположена между конфузором и корпусом, а закрытая часть (20) этого пространства — между конфузором и вихревым каналом. Конфузор может расширяться кверху (фиг. 2). В этом случае конфузор (11) соединен в верхней части с корпусом (1), проходная часть (19) пространства между вихревым каналом и корпусом расположена между конфузором и вихревым каналом, а закрытая часть (20) этого пространства — между конфузором и корпусом. Конфузор может быть выполнен другой формы, например, содержащим циклоидальные пространственные спирали, как предлагалось австрийским ученым Виктором Шаубергом.
В верхней части конфузор (11) закреплен к вихревому каналу (7) (или корпусу (1)) герметично без зазора.
Вверху закрытая часть (20) пространства между корпусом и вихревым каналом пневматически соединена трубкой (12) с выходным патрубком (3). Трубка (12) на участке за пределами корпуса сепаратора предпочтительно снабжена регулирующим краном (13). В выходном патрубке (3) трубка (12) снабжена эжектором (14) и размещена с возможностью эжекции газа из трубки (12) газовым потоком выходного патрубка (3). Трубка (12) предназначена для создания разряжения в закрытой части (20) пространства между корпусом и вихревым каналом, что способствует прохождению в нижнюю часть сепаратора отделенной жидкости с примесями через зазор между вихревым каналом (7) и выходным патрубком (3).
Снизу закрытая часть (20) пространства между корпусом и вихревым каналом снабжена коалесцирующим материалом, например, сетчатым фильтром (15), предназначенным для снижения вероятности попадания частиц жидкости и примесей в трубку (12). Коалесцирующим материалом может быть заполнена вся закрытая часть (20).
Вихревой канал (7) и конфузор (11) соединены с корпусом (1) с помощью двух и более ребер (16). Ребра (16) в верхней части выполнены со скосом и дополнительно способствуют постепенному гашению кругового движения потока в проходной части (19) пространства между корпусом и вихревым каналом.
Ребра (16) также предназначены для остановки кругового движения потока в закрытой части (20). Внизу закрытой части (20) ребра снабжены вырезом для размещения коалесцирующего материала (15).
Сливной патрубок (4) размещен в нижнем днище (10) сепаратора.
Сепаратор может быть выполнен в виде единой детали или нескольких сложных деталей методом трехмерной печати из металлических и неметаллических материалов. Сепаратор может быть выполнен из биоразлагаемых материалов.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
В дополнение к регулируемому созданию разряжения в закрытой части (20) пространства между корпусом и вихревым каналом сепаратор может содержать нерегулируемые каналы создания такого разряжения.
При этом вверху закрытая часть (20) пространства между корпусом и вихревым каналом пневматически соединена с каналом прохождения газожидкостного потока через первый завихритель (6). Для этого по крайней мере одна лопасть первого завихрителя (6) снабжена внутренним каналом, сообщающим поверхность над или под лопастью с боковой поверхностью сепаратора. Выход канала на поверхности лопасти выполнен с возможностью эжекции газа из канала газожидкостным потоком в первом завихрителе. Выход канала на боковой поверхности сепаратора соединен трубкой с закрытой частью (20).
Пример 2.
Дополнительное разряжение, о котором говорится в примере 1, может быть реализовано так, что вверху закрытая часть (20) пространства между корпусом и вихревым каналом пневматически соединена с каналом прохождения газожидкостного потока через второй завихритель (9). Для этого по крайней мере одна лопасть второго завихрителя (9) снабжена внутренним каналом, сообщающим поверхность над или под лопастью с закрытой частью (20). Выход канала на поверхности лопасти выполнен с возможностью эжекции газа из канала газожидкостным потоком во втором завихрителе.
Пример 3.
3
В предельном случае сепаратор может быть выполнен так, что площадь S проходного сечения в проходной части (19) пространства между корпусом (1) и вихревым каналом (7) равна нулю (фиг. 5). При этом конфузор (11) в нижней части без зазора соединен с корпусом (1). При выполнении конфузора, как изображено на фиг. 2, конфузор (11) следует в нижней части соединить с вихревым каналом (7).
В этом случае для слива жидкости и примесей корпус сепаратора снабжен дополнительным сливным патрубком, размещенным не ниже места соединения корпуса (1) и конфузора (11).
Сливные патрубки могут быть соединены со сливной буферной емкостью (21), верхняя газовая часть которой расположена выше сливного патрубка и пневматически соединена с входным патрубком (2) с возможностью эжекции газа газожидкостным потоком входного патрубка.
Пример 4.
Вместо регулирующего крана (13) трубка (12) может быть выполнена с возможностью регулировки ее сечения посредством установки сменных регулировочных шайб (17), известных из уровня техники (фиг. 6). Область установки регулировочных шайб может быть расположена на любом участке трубки (12). Например, регулировочные шайбы могут устанавливаться на верхнем конце трубки.
Трубка (12) в этом примере не выходит за пределы корпуса сепаратора.
Пример 5.
Вместо регулирующего крана (13) снизу закрытая часть (20) пространства между корпусом (1) и газовым вихревым каналом (7) закрыта кольцевой перегородкой (18) (фиг. 7). Перегородка (18) может быть размещена на нижних торцах конфузора (11) и канала (7), как показано на фиг. 7, а может быть расположена выше этих торцов.
Перегородка (18) снабжена калиброванным отверстием или выполнена с возможностью установки регулировочных шайб (17).
Сепаратор работает следующим образом.
Подлежащая очистке газожидкостная смесь поступает в сепаратор через входной патрубок (2). Попадая на первый обтекатель (5) и первый завихритель (6), эта смесь изменяет направление. Поток газожидкостной смеси преобразуется из прямолинейного в направленный круговой.
В проточной части (19) пространства сепаратора вихревой поток разделяется по плотности частиц. Основная масса жидкости прижимается при этом к наружной поверхности этой части (19). При малых скоростях газожидкостного потока жидкость стекает по первому обтекателю (5) в нижнюю часть сепаратора, не попадая в вихревой канал (7). В этом заключается первый этап сепарации.
В нижней части сепаратора вихревое движение предварительно разделенного по плотности потока ограничено зазором между корпусом (1) и конфузором (11) (фиг. 1) (или конфузором (11) и вихревым каналом (7) (фиг. 2)). Наличие сопротивления этого зазора, а также направление в этот зазор наиболее плотных частиц потока приводит к тому, что газ с легкими дисперсными примесями направляется в верхнюю часть газового вихревого канала (7).
Прошедшая через зазор между корпусом (1) и конфузором (11) (фиг. 1) жидкость и примеси попадают в нижнюю часть сепаратора, откуда выводятся через сливной патрубок (4).
Наиболее легкие частицы примесей прижимаются газовым потоком снизу к первому обтекателю (5), и могут быть оттуда извлечены.
На входе вихревого канала (7) газ с оставшейся мелкодисперсной жидкостью, двигаясь вниз, закручивается вторым обтекателем (8) и вторым завихрителем (9). Во внутреннем пространстве вихревого канала этот поток разделяется по плотности частиц, более плотные частицы жидкости прижимаются к стенкам канала (7), смачивают их, укрупняются и под своим весом стекают вниз. Проходя через зазор между вихревым каналом (7) и выходным патрубком (3), частицы жидкости попадают в нижнюю часть сепаратора, откуда выводятся через сливной патрубок (4).
Трубка (12) обеспечивает разряжение, которое способствует выводу жидкости и примесей через зазор между вихревым каналом (7) и выходным патрубком (3), а также через нижний выход проточной части (19) пространства сепаратора. Также указанное разряжение предотвращает возникновение турбулентности в нижней части вихревого канала (7), что снижает вероятность вторичного уноса частиц жидкости с поверхности этого канала.
Промышленная применимость.
Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть изготовлено на любом машиностроительном предприятии и найдет широкое применение на объектах нефтяной и газовой, химической промышленности.