Центробежно-вихревой сепаратор
CENTRIFUGAL VORTEX SEPARATOR

Изобретение относится к сепарационным аппаратам для разделения газожидкостных потоков, поступающих под напором давления, определяемом условиями технологической установки, например, давления газа, поступающего из скважины месторождения или ГРС системы в сепаратор. К числу наиболее важных технологических проблем относятся процессы разделения двухфазных газожидкостных систем и разделения их на составляющие фазы, которые и осуществляются в сепараторах. Процессы разделения в сепараторах определяются параметрами давления и температурой, а также конструктивными элементами сепаратора, от которых зависит его производительность и эффективность работы.
Скорость движения газа и время пребывания его в сепараторах определяется эффективностью сепарационного аппарата.
При этом, параметры давления сепарации определяется ретроградными явлениями, т.е. природой самого газа, воздействовать на которые невозможно. Температура сепарации определяется заданными условиями.
Аналогом заявленного технического решения является центробежно-вихревой сепаратор по патенту RU 2320395 С2 B01D 45/12(2006.01) от 26.02.2006 [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 взвеси.
Исходная газожидкостная смесь, подводится в аппарат через входной патрубок 5, смещенный по горизонтали относительно осевой линии корпуса позволяет создать скользящий удар о поверхность дефлектора 6, установленного по ходу вращения потока, допускает в результате удара газожидкостной смеси, приведет к дроблению наиболее укрупненных капель жидкости и образованию мелкодисперсной смеси, которая проникнет внутрь сепарационного пакета, что приведет к уносу с газовым вихрем в выходной патрубок уже отсепарированного газа, что недопустимо.
При этом создается множество зон завихрения, порождающих турбулентность, в результате чего снижается эффективность сепарации, производительность и повышаются гидродинамические потери.
Известен вихревой очиститель газа RU 1060206 B01D 45/12 от 15.12.1983 [2], содержащий корпус с входным и выходным осевыми патрубками, сливную камеру, завихрители и экранирующую вставку, расположенную коаксиально между патрубками и корпусом, при этом он снабжен перегородкой, укрепленной на выходном патрубке и образующей со стенками корпуса канал, сообщающий полость корпуса со сливной камерой, а экранирующая вставка выполнена в виде расширяющегося по ходу газа усеченного корпуса с криволинейной боковой поверхностью, большее основание которого переходит в кольцевой желоб, сообщенный трубками со сливной камерой.
Цель достигается тем, что вихревой очиститель газа путем очистки от жидких или твердых взвешенных частиц по входному патрубку 2 поступает в кольцевой канал 18, проходит завихритель 5, формирующий основной вихрь, и направляется в рабочую трубу 6. В рабочей трубе частота вращения потока нарастает пропорционально уменьшению радиуса и соответственно возрастают центробежные силы, действующие на частицы. Под действием этих центробежных сил сразу после прохождения завихрителя очищаемый газ начинает расслаиваться на более и менее насыщенные частицами слои. Чем ближе к периферии вихревого потока находятся слои газа, тем больше они насыщены взвешенными частицами, оттесненными туда центробежными силами.
Затем, очищаемый газ поступает в камеру 11, куда с вторичным вихрем сливаются периферийные загрязненные слои основного потока с выделением взвесей. В результате совместного взаимодействия 22 вторичного вихря и движения взвешенных частиц и движения газа по стрелке 19 осуществляется разделение газа от взвесей. При этом, не выделенные частицы газа со временем коагулируют и сепарируются. Отсепарированные частицы выводятся через кольцевой канал 17 и попадают в камеру 16, а затем отсепарированный газ основного вихря попадает в патрубок 8 и поступает потребителю.
Недостатки: очень сложная конструкция упорядочения движения вторичного вихревого потока и система его очистки от взвешенных частиц и пути их отвода, причем сложность в практическом изготовлении геометрических профилей сепарируемых конструктивных элементов.
Прототипом заявляемого изобретения является центробежно-вихревой сепаратор по патенту РФ: RU 2760690 B01D 45/12 (2021.08), от 30.03.2021[3]. Сепаратор содержит вертикальный цилиндрический корпус, входной и выходные патрубки, цилиндрическую вставку, образующую со стенками корпуса кольцевой канал для отвода отсепарированной жидкости, причем ввод газожидкостного потока осуществлен раздельно двухпоточными тангенциальными нижним и верхним патрубками, которые расположены на разных высотных отметках корпуса.
Ввод потока посредством нижнего тангенциального патрубка осуществлен в сепарационную камеру через кольцевой канал и завихритель с 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. 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.
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.
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. Двухпоточный подвод осуществлен тангенциально нижним патрубком 2 и верхним патрубком 4, которые расположены на разных высотных отметках корпуса. Подвод потока нижнего тангенциального патрубка 2 с запорным вентилем 3 осуществлен ввод в сепарационную камеру 8 через кольцевой канал 9 и завихрители 10 со щелевыми тангенциальными прорезями 11.
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.
Недостатки: в аппарате используется на первой ступени вихревое устройство, а циклонное используется после вихревого. Эта последовательность не позволяет использовать центробежно-вихревой сепаратор с максимальной эффективностью. Наиболее целесообразно использовать последовательность ступеней по нарастающей тангенциальной скоростью а именно от циклонной ступени, у которой более умеренная тангенциальная скорость, а после - вихревую ступень, имущую более высокие тангенциальные скорости.
Приведенные недостатки были устранены в предлагаемом изобретении - многоступенчатый центробежно-вихревой сепаратор, в котором решены следующие задачи:
- на первой ступени предусмотрено циклонное устройство, в котором осуществлено отделение основного количества жидкой фазы в поле центробежных сил, а затем для последующей сепарации, установлена вихревая сепарационная камера;
- после сепарационной камеры установлены тангенциально-осевой и вертикальный сепарационный отбойник с винтообразными тарелками с диаметрами, равными внутреннему диаметру цилиндрической вставки, предназначенный для последующей сепарации остаточного количества мелкодисперсной взвеси жидкой фазы.
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 осуществлен посредством однопоточного тангенциального патрубка в циклонное устройство, которое размещено в нижней части внутреннего пространства цилиндрической вставки.
Циклонное устройство, состоит из нижнего и верхнего конусов, примыкающих основаниями к циклонному патрубку, на котором имеются сквозные тангенциальные прорези, при этом сверху циклонный патрубок закрыт крышкой с отверстием в центре, а снизу патрубок закрыт дном с отверстием в центре, причем на границе стыковки основания нижнего конуса с циклонным патрубком имеется кольцевой зазор, при этом нижний конус равен внутреннему диаметру цилиндрической вставки и примыкает к ней вплотную, а верхний конус меньше внутреннего диаметра цилиндрической вставки и сверху конус закрыт дном, равным внутреннему диаметру цилиндрической вставки.
При этом, на дне установлена сепарационная камера, размещенная в средней части сепаратора, а сверху камера закрыта диском, при этом в дне имеется сквозной кольцевой канал, равный разности диаметров внешнего периметра цилиндрической образующей сепарационной камеры и внешнего контура завихрителей.
А выше, на диске сепарационной камеры, соосно размещен конус с основанием, равным внутреннему диаметру вставки, при этом в верхней части конуса соосно размещена втулка для крепежа входных концов лопастей тангенциально-осевого завихрителя, состоящего из лопастей, симметрично установленных по конической образующей с углом наклона лопастей к осевой, при этом входные концы лопастей закреплены во втулке меньшего диаметра, по отношению к концам лопастей, закрепленных по образующей окружности большего диаметра.
Причем, втулка и концы лопастей закреплены посредством крепежных решето, установленных на внутренней поверхности вставки, при этом выше, в верхней части корпуса сепаратора, установлен вертикальный сепарационный отбойник, представляющий цилиндр, на наружной поверхности которого расположены винтообразные тарелки с диаметрами, равными внутренней поверхности цилиндрической вставки, вплотную примыкающие к ее внутренней поверхности.
В местах примыкания тарелок с цилиндрической вставкой по периметру соприкасания имеются сквозные отверстия для стока отсепарированной жидкости в кольцевое пространство, а в верхней части цилиндрической вставки установлен конус, примыкающий основанием вплотную к вставке.
При этом области между концом цилиндра и полости, обрамляющей конус, размещен наконечник с патрубком и установленном на нем вентиля точной регулировки размещенного на патрубке, выходящем за пределы корпуса сепаратора для вывода отсепарированного газа, а в нижней кубовой части вставки сепаратора имеется сливная воронка и установлен патрубок, выходящий за пределы корпуса сепаратора с установкой на патрубке запорно-регулирующего вентиля для вывода отсепарированной жидкости, причем ввод газожидкостного потока осуществляется посредством тангенциального патрубка и вентиля, а для установки и центровки цилиндрической вставки в корпусе по периметру внутреннего кольцевого пространства установлены крепежные направляющие.
Техническое решение по конструкции центробежно-вихревого сепаратора.
На фигуре 1 представлен схематический разрез центробежного сепаратора, на фигуре 2 представлено сечение сепаратора в разрезе «А-А», на фигуре 3 представлен разрез «узла В».
Технологические потоки (фигура 1): I - ввод исходного потока газа посредством тангенциального патрубка; II - вывод отсепарированного газа; III - вывод отсепарированной жидкости.
Элементы конструкции центробежно-вихревого сепаратора: 1 - корпус; 2 - входной тангенциальный патрубок; 3 - вентиль точной регулировки; 4 - патрубок вывода отсепарированного газа; 5 - вентиль точной регулировки; 6 - патрубок вывода отсепарированной жидкости; 7 - вентиль точной регулировки; 8 - цилиндрическая вставка; 8а - отверстия для вывода отсепарированной жидкости: 9 - кольцевое пространство; 10 - циклонное устройство; 11 - циклонный патрубок; 12 - нижний конус циклонного патрубка; 12а - сливной кольцевой зазор; 13 - верхний конус циклонного патрубка; 14 - тангенциальные прорези в циклонном патрубке; 15 - дно циклонного патрубка; 16 - отверстие в дне циклонного патрубка; 17 - крышка циклонного патрубка; 18 - отверстие в крышке циклонного патрубка; 19 - дно верхнего конуса циклонного патрубка; 20 - вход в кольцевой канал в диске 19; 21 - сепарационная камера; 22 - завихрители; 23 - щелевые тангенциальные прорези; 23а - вход из кольцевого канала в завихрители; 24-диск сепарационной камеры; 24а - внешняя цилиндрическая образующая кольцевого канала; 25 - проходное отверстие в диске сепарационной камеры; 26 - конус, примыкающий к верхней крышке сепарационной камеры; 26а - отверстия для вывода отсепарированной жидкости; 27 - пространство между крышкой сепарационной камеры и конусом; 28 - втулка тангенциально-осевого завихрителя; 29 - крепежная решетка концов лопастей тангенциально-осевого завихрителя; 30 - лопасти тангенциально-осевого завихрителя; 31 - крепежная решетка концов лопастей завихрителя; 32 - цилиндр сепарационного отбойника; 33 - винтообразные тарелки; 34 - отверстия в цилиндрической вставке для стока отсепарированной жидкости; 35 - конус, размещенный на конце цилиндрической вставки; 36 - выходное отверстие конуса; 37 - наконечник; 38 - сливная воронка; 39 - крепежные направляющие, размещенные в кольцевом пространстве.
Техническая сущность центробежно-вихревого сепаратора заключается в том, что центробежный сепаратор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус (1), входной (2) и выходные патрубки (4,6), сепарационную камеру (21) с завихрителями (22), внутреннюю цилиндрическую вставку (8), образующую со стенками корпуса (1) кольцевое пространство (9) для отвода отсепарированной жидкости, причем ввод газожидкостного потока в сепаратор осуществлен посредством однопоточного тангенциального патрубка (2) в циклонное устройство, которое размещено в нижней части внутреннего пространства цилиндрической вставки (8), причем циклонное устройство (10), состоящее из нижнего (12) и верхнего конусов (13), примыкающих основаниями к циклонному патрубку (11), на котором имеются сквозные тангенциальные прорези (14).
При этом сверху циклонный патрубок закрыт крышкой (17) с отверстием (18) в центре, а снизу патрубок закрыт дном (15) с отверстием в центре (16), причем на границе стыковки основания нижнего конуса с циклонным патрубком имеется кольцевой зазор (12а), при этом нижний конус (12) равен внутреннему диаметру цилиндрической вставки и примыкает к ней вплотную, а верхний конус (13) меньше внутреннего диаметра цилиндрической вставки и сверху конус закрыт дном (19), равным внутреннему диаметру цилиндрической вставки.
Причем на дне установлена сепарационная камера (21), размещенная в средней части сепаратора, а сверху камера закрыта диском (24), при этом в дне (19) имеется сквозной кольцевой канал (20), равный разности диаметров внешнего периметра цилиндрической образующей (24а) сепарационной камеры и внешнего контура завихрителей (22), а выше, над сепарационной камерой, на диске соосно размещен конус (26) с основанием, равным внутреннему диаметру вставки.
Причем в нижней зоне установки конуса на диске и стыковки диска (24) с цилиндрической вставкой (8) имеются сквозные отверстия (26а) по периметру конуса (26а) и вставки (8а) для вывода отсепарированной жидкости,
при этом в верхней части конуса, соосно размещена втулка (28), для крепежа входных концов лопастей тангенциально-осевого завихрителя, состоящего из лопастей (30), симметрично установленных по конической образующей с углом наклона лопастей к осевой, закрепленных по образующей окружности большего диаметра, причем втулка и концы лопастей закреплены посредством крепежных решето (29) и (31), установленных на внутренней поверхности вставки.
В верхней части корпуса сепаратора, установлен вертикальный сепарационный отбойник, представляющий цилиндр (32), на наружной поверхности которого расположены винтообразные тарелки (33), с диаметрами, равными внутренней поверхности цилиндрической вставки, вплотную примыкающие к ее внутренней поверхности.
В местах примыкания цилиндрической вставки по периметру соприкасания кольцевое пространство (9), а в верхней части цилиндрической вставки установлен конус (35), примыкающий основанием вплотную к вставке, а в области между концом цилиндра и полости, обрамляющей конус, размещен наконечник (37) с патрубком (4) с выводом отсепарированного газа и установленном на нем вентиля точной регулировки (5), размещенного на патрубке, выходящем за пределы корпуса сепаратора для вывода отсепарированного газа (поток II).
В нижней кубовой части вставки сепаратора имеется сливная воронка (38) и установлен патрубок (6), выходящий за пределы корпуса сепаратора с установкой на патрубке запорно-регулирующего вентиля (7) для вывода отсепарированной жидкости (поток III).
Ввод газожидкостного потока осуществляется посредством тангенциального патрубка (2) и вентиля 3 (поток I), а для установки и центровки цилиндрической вставки (8) в корпусе (1) по периметру внутреннего кольцевого пространства установлены крепежные направляющие (39).
Способ работы центробежно-вихревого сепаратора заключается в том, что газожидкостная смесь (поток I) под давлением подводится в вертикальный цилиндрический корпус сепаратора (1), посредством однопоточного тангенциального патрубка (2) в циклонное устройство (10).
В результате воздействия центробежных сил из закрученного газожидкостного потока в циклонном пространстве, образовавшийся поток разделяется на осевой и периферийный, что позволяет выделить из периферийного потока основное количество жидкой фазы, которая отводится через сливной кольцевой зазор (12а) с последующим выводом в кубовую часть сепаратора.
Последующую сепарацию потока от остаточного содержания мелкодисперсной влаги, осуществляется в последовательно установленных снизу - вверх отделение и вывод, после циклонного устройства, сначала - в циклонном патрубке (11), затем, в последующей закрутке в сквозных тангенциальных прорезях (14), а после, в размещенной выше сепарационной камере (21) с завихрителями (22), затем в последующей закрутке потока в тангенциально-осевом лопастном завихрители (30) и последующем и, размещенном выше, вертикальном сепарационном отбойнике с винтообразными тарелками (33).
При этом, из каждого последовательно размещенного сепарационного устройства с завихрителями отводится ступенчато отсепарированная влага, которая отводится, сразу же, по мере ее выделения, что позволяет не допускать вторичного увлажнения и разделения в последующих сепарационных устройствах.
По сравнению с известными изобретениями, заявленный - центробежно-вихревой сепаратор имеет следующие преимущества:
- своевременный отвод характеризуется совершенной инновационной конструкцией, поскольку последовательно размещенные по высоте снизу вверх. В каждом сепарационном устройстве осуществляются комплекс процессов: тангенциальный ввод потока, его закрутка, разделение на составляющие фазы газ и жидкость, отделение и вывод жидкой фазы в кольцевой канал между внутренней поверхностью корпуса сепаратора и цилиндрической вставки, при этом отделенная жидкая фаза не контактируется с обрабатываемой газожидкостной смесью;
- наличие кольцевого пространства, размещенного по всей высоте сепаратора, позволяет осуществить сепарацию и отвод сепарируемой жидкости при прямоточном движении газожидкостного потока последовательно: в циклонном устройстве, сепарационной камере, лопастных тангенциально-осевых завихрителях и вертикальном сепарационном отбойнике при прямоточном движении сепарируемого потока, независимом проведении ступенчатой сепарации с одновременным отводом сепарируемой жидкости. Это позволяет обеспечить завихрение потока и осуществить оптимальный режим сепарации газожидкостного потока, влияющий на эффективность сепарации.
Предложенное техническое решение - использование последовательного ступенчатого завихрения газового потока с применением индивидуального тангенциального ввода на каждой ступени с использованием инновационных завихрителей с эффективным отводом отсепарированной влаги в изолированное кольцевое пространство по всей высоте сепаратора, не допускающее 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. RU 2320395 С2 B01D 45/12(2006.01) от 26.02.2006.
2. RU 1060206 B01D 45/12 от 15.12.1983.
3. RU 2760690 B01D 45/12 (2021. 08), от 30.03.2021 - прототип.