Устройство для осушки сжатого газа
DEVICE FOR DEHUMIDIFICATION OF COMPRESSED GAS

Изобретение относится к устройствам для выделения жидкости из газового потока и может быть применено в газовой, нефтедобывающей, химической и других областях промышленности для осушки и очистки газов от дисперсной влаги, например перед подачей углеводородных газов в магистральный газопровод для транспорта или для сжигания на энергетических установках.
Известен вихревой инерционный сепаратор сверхзвукового отделения компонентов, включающий сопло сужающейся-расширяющейся формы для создания эмульсионного потока со сверхзвуковой скоростью, содержащее горловину; вход, расположенный по потоку выше горловины сопла, и выход, расположенный по потоку ниже горловины сопла, а также сепарационную часть, расположенную по потоку ниже сопла и имеющую по меньшей мере один выход для компонента, который отделен, и по меньшей мере один выход для остального газового потока (см. патент RU № 2229922, МПК B01D49/00, B01D45/12, 2004).
Недостатком известного устройства является использование вихреобразующего устройства продольного типа, требующего большого расхода разделяемой среды, для обеспечения необходимой интенсивности завихрения потока. Кроме того, при необходимости уменьшения габаритных размеров устройства, прежде всего, уменьшается протяженность вихреобразующего устройства, что усиливает турбулизацию потока завихренной среды и снижает его скорость.
Известно также устройство для осушки и очистки сжатого газа, которое содержит корпус с входным и выходным патрубками, соосно установленную с ним вихревую камеру и закручивающее устройство с входными тангенциальными окнами, расположенное соосно с вихревой камерой (см. патент RU № 2022619, МПК B01D45/12, 1994).
Недостатком известного устройства является разгон потоков воздуха или газа до сверхкритических скоростей непосредственно в объеме вводного устройства, далее истечение его во внутреннюю полость сопловой шайбы и охлаждение вследствие резкого понижения давления до т.н. "точки росы", при которой происходит интенсивный переход содержащейся влаги из парообразного состояния в капельное.
Таким образом, точка резкого понижения давления находится в непосредственной близости от сопловой коробки и конденсирующаяся влага, оседая на стенках вихревой камеры при низких расходах осушаемого потока воздуха или газа, под действием гравитации стекает обратно к сопловой коробке и затапливает ее. Негарантированное попадание конденсата в приосевую зону отводимого охлажденного потока увеличивает диссипативные потери теплового градиента и снижает эффективность конденсации.
Задача настоящего изобретения - повышение термодинамической эффективности преобразования потенциальной и кинетической энергии газовой струи в тепловую с одновременным отделением дисперсной жидкой фазы углеводородных компонентов из газовой смеси.
Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является устранение оседания и стекания обратно к сопловой коробке с дальнейшим затоплением ее конденсирующейся влагой, снижение диссипативных потерь теплового градиента и повышение эффективности конденсации в вихревом аппарате.
Для достижения технического результата устройство для осушки сжатого газа, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, соосно установленную с ним вихревую камеру и закручивающее устройство с входными тангенциальными окнами, расположенное соосно с вихревой камерой, отличается тем, что входные окна закручивающего устройства выполнены в виде щелевых вводов, искривленных вдоль продольной оси, сужающихся к выпускному отверстию, при этом вихревая камера одним концом сообщена с камерой энергоразделения, выполненной в виде сопла Лаваля, в диффузорной части которого размещен с сепарационным зазором открытый конец цилиндрического участка камеры энергоразделения, второй открытый конец которого снабжен развихрителем в виде пластин, собранных крестообразно, кроме того, концы корпуса сверхзвуковой вихревой трубы жестко и разъемно сообщены с приемным блоком и блоком приема конденсата, при этом приемный блок содержит входной патрубок, вихревую камеру и патрубок отвода охлажденного потока газа, отделенный от вихревой камеры диафрагмой.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак, указывающий, что «входные окна закручивающего устройства выполнены в виде щелевых вводов, искривленных вдоль продольной оси, сужающихся к выпускному отверстию», обеспечивает предварительное закручивание и разгон входящего потока газа.
Признак «…вихревая камера одним концом сообщена с камерой энергоразделения, выполненной в виде сопла Лаваля…» обеспечивает сверхзвуковое ускорение подводимой газообразной среды и позволяет использовать эффект Ранка-Хилша при сверхзвуковом истечении газа, получая термодинамическое понижение температуры за счет увеличения кинетической энергии газа в критическом сечении сопла и взаимодействии периферийного и приосевого вихрей.
Признак, указывающий, что в диффузорной части сопла Лаваля «размещен с сепарационным зазором открытый конец цилиндрического участка камеры энергоразделения», позволяет отбирать сконденсировавшуюся влагу под действием центробежных сил. При этом сепарационный зазор обеспечивает отвод сконденсировавшейся капельной жидкости и баланс перепада давления для сохранения системы вихрей в цилиндрическом профиле камеры энергоразделения.
Признак, указывающий, что второй открытый конец цилиндрического участка камеры энергоразделения «снабжен развихрителем в виде пластин, собранных крестообразно», обеспечивает спрямление вихревого потока и является центром разворота газовой струи в обратном направлении изначального потока, обеспечивает интенсификацию взаимодействия вихрей и сокращает общую длину камеры энергоразделения.
Признаки, указывающие, что «концы корпуса сверхзвуковой вихревой трубы жестко и разъемно сообщены с приемным блоком и блоком приема конденсата, при этом приемный блок содержит входной патрубок, вихревую камеру и патрубок отвода охлажденного потока газа, отделенный от вихревой камеры диафрагмой», направлены на скапливание влаги и частичное восстановление давления после критического сечения сопла Лаваля, тем самым обеспечивают предотвращение повторного испарения капельной влаги, образовавшейся в процессе конденсации в критическом сечении.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на фиг. 1 показано устройство для осушки сжатого газа, на фиг. 2 и на фиг. 3 – разрезы А-А и Б-Б соответственно.
На чертежах показаны корпус 1, вихревая камера 2, закручивающее устройство 3 с входными тангенциальными окнами 4, выпускное отверстие (конфузор) 5, сопло Лаваля 6 и цилиндрический участок 7 камеры энергоразделения, открытый конец 8 цилиндрического участка 7 камеры энергоразделения, сепарационный зазор 9, развихритель 10, блок 11 приема конденсата, входной патрубок 12, патрубок 13 отвода охлажденного потока газа, диафрагма 14 с осевым отверстием 15, критическое сечение 16 камеры энергоразделения, патрубок 17 для отвода подогретого потока газа, канал 18 для отвода конденсата и сливной патрубок 19 конденсата.
Устройство для осушки сжатого газа содержит корпус 1, соосно установленную с ним вихревую камеру 2 и закручивающее устройство 3 с входными тангенциальными окнами 4, расположенное соосно с вихревой камерой 2. Входные окна 4 закручивающего устройства 3 исполнены в виде щелевых вводов, искривленных вдоль продольной оси, сужающихся к выпускному отверстию (конфузору) 5. Вихревая камера 2 одним концом сообщена с камерой энергоразделения, выполненной в виде сопла Лаваля 6 и цилиндрического участка 7, в диффузорной части сопла Лаваля 6 размещен открытый конец 8 цилиндрического участка камеры энергоразделения с сепарационным зазором 9. Второй открытый конец камеры энергоразделения снабжен развихрителем 10 в виде пластин, собранных крестообразно. Концы корпуса 1 устройства для осушки и очистки сжатого газа жестко и разъемно сообщены с приемным блоком и блоком 11 приема конденсата. При этом приемный блок содержит входной патрубок 12, вихревую камеру 2 и патрубок 13 отвода охлажденного потока газа, отделенный от вихревой камеры 2 диафрагмой 14 с осевым отверстием 15, диаметр которого меньше диаметра критического сечения 16 камеры энергоразделения (сопла Лаваля 7). Критическое сечение 16 из расчета обеспечивает прохождение подогретого насыщенного газового потока на сепарацию и охлажденных осушенных потоков к диафрагме 14. Выходной патрубок 17 служит для отвода подогретого потока газа. Сепарационный зазор 9, в свою очередь, сообщается с блоком 11 приема конденсата, содержащим канал 18 для отвода конденсата и сливной патрубок 19 конденсата.
Заявленное устройство работает следующим образом. Газовая среда под высоким давлением поступает через входной патрубок 12 в вихревую камеру 2, оттуда через тангенциальные окна 4 закручивающего устройства 3, где приобретает завихренный характер с осью вращения, подается в направлении камеры энергоразделения, где, проходя через выпускное отверстие (конфузор) 5, критическое сечение 16 и диффузорную часть сопла Лаваля 6 камеры энергоразделения, за счет перепада давления увеличивает свою скорость истечения до сверхзвуковой. При течении газовой среды через сверхзвуковое сопло Лаваля 6 термодинамическая температура потока снижается, благодаря чему интенсифицируется выпадение жидкой фазы, а мощные центробежные силы закрученного потока позволяют удалять образовавшиеся капли конденсата через сепарационный зазор 9 в блок 11 приема конденсата, для его дальнейшего удаления через канал 18 отвода конденсата в сливной патрубок 19 конденсата. Далее осушенный завихренный поток поступает в цилиндрический участок 7 камеры энергоразделения и за счет эффекта Ранка-Хилша разделяется на подогретый и охлажденный потоки. Подогретый периферийный поток спрямляется в области развихрителя 10 и удаляется через патрубок 17 для отвода подогретого потока. Охлажденный поток, образующийся в приосевой области, двигаясь в направлении диафрагмы 14, в свою очередь отбирается через ее отверстие 15 и удаляется через патрубок 13 отвода охлажденного потока газа. Оба отведенных осушенных газовых потока в зависимости от технологической схемы используются по назначению.