Вихревой сепаратор сжатого газа
VORTEX SEPARATOR OF COMPRESSED GAS

Изобретение относится к газовой, газоперерабатывающей, химической и нефтяной промышленности и может быть использовано в процессах и аппаратах для сепарации жидкости из потока сжатого газа после его контакта с жидкостью для улавливания мелкодисперсных жидких частиц из газового потока в поле центробежных сил.
Известны устройства для очистки сжатого воздуха от мелкодисперсных примесей и паров влаги (а.с. SU №413962, МПК B01D 45/12, опубл. 05.11.1974, а.с. SU №1775140 А1, МПК B01D 45/12, опубл. 15.11.1992; а.с. SU №1572682, А1, МПК B01D 45/12, опубл. 23.06.1990; патент GB №1209795, опубл. 21.10.1970; патент FR 2093452, опубл. 28.10.1972).
Однако в известных устройствах недостаточная эффективность газоочистки из-за разрушения структуры газового потока в узле разделения и высокой вероятности вторичного уноса отсепарированной жидкой фазы очищенным потоком газа с высокой удельной плотностью.
Известны устройства для очистки сжатого воздуха от паров влаги с использованием фильтрующих элементов (патент RU №2086294 С1 МПК B01D 53/26, опубл. 10.08.1997; а.с. SU №1088766, МПК B01D 53/26, опубл. 1984; а.с. SU №1242220. МПК B01D 53/26, опубл. 1986). Однако, в известных устройствах низкая производительность по сжатому воздуху из-за значительного гидравлического сопротивления фильтрующих элементов.
Известен малогабаритный высокоэффективный сепаратор СЦВ-5 (патент RU №2221625, МПК B01D 45/12, опубл. 20.01.2004) предназначенный для улавливания мелкодисперсных жидких и твердых частиц из газового потока в поле центробежных сил, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, горизонтальную крышку, входной, выходной, сливной патрубки, дефлектор, сепарационный пакет, состоящий из плоских изогнутых и дугообразных пластин, образующих в зоне нахлестки щелевые каналы. На внутренней поверхности вертикальной дугообразной пластины, расположенной по ходу движения газожидкостного потока непосредственно после плоских изогнутых пластин пакета, по всей высоте установлены сходящиеся дугообразные направляющие пластины, направленные под углом 30° к горизонтали, собирающие и транспортирующие пленочную жидкость с внутренней поверхности дугообразной пластины в зону щелевого канала. Для транспортировки жидкой фазы из зоны щелевого канала к внутренней поверхности корпуса аппарата предусмотрены прямоугольные открытые желоба, занимающие 1/7-1/8 часть площади сечения, ограниченного внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью пакета. В верхней части сепарационного пакета в отверстии горизонтальной крышки установлена кольцевая карман-ловушка, образованная наружной нижней частью цилиндрической поверхности выходного патрубка, нижней поверхностью крышки и внутренней поверхностью верхней части сепарационных пластин.
Известен высокоэффективный циклон по улавливанию мелкодисперсных жидких и твердых частиц (патент RU 2379093, МПК B01D 45/12, опубл. 29.02.2008), предназначенный для разделения газовой фазы от жидких и твердых частиц и содержащий вертикальный цилиндрический корпус, горизонтальную крышку, входной и выходной патрубки, дефлектор, установленный по ходу вращения газового потока, ложное днище, вертикальный сепарационный пакет, состоящий из плоских сепарационных пластин, образующих щелевые каналы в зоне нахлестки, плоского днища, приподнятого относительно нижней кромки пластин и имеющего относительно них кольцевой радиальный зазор и соединенного посредством радиальных косынок с ложным днищем, накопительную емкость. В центре плоского днища пакета и ложного днища выполнены сквозные отверстия, в которые вмонтирована цилиндрическая трубка. Между внутренней поверхностью корпуса и началом вертикальной пластины дефлектора около входного патрубка образован вертикальный щелевой канал. Внутри накопительной емкости вмонтирован перфорированный цилиндр, к верхней части которого прикреплен перфорированный диск. По осевой линии перфорированного диска закреплен передвижной шток, на верхнем конце которого установлена глухая шайба. Ниже перфорированного цилиндра в верхней части накопительной емкости расположены вращающиеся на одной оси полукруглые плоски.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является сепаратор (патент RU №2349370, МПК B01D 45/12, опубл. 13.03.2006), предназначенный для очистки газов, который содержит вертикальный корпус, горизонтальную перегородку, входной, выходной, сливной патрубки, сепарационный пакет, состоящий из вертикальных пластин, дефлектор, имеющий входной патрубок, коаксиально размещенный во входном патрубке сепаратора с радиальным зазором 2-5 мм и проходящий через хордовую пластину, закрепленную на внутренней поверхности сепаратора под нижней поверхностью перегородки, образуя с внутренней поверхностью корпуса проходной сегментный канал в нижнюю часть сепаратора.
Однако известное устройство предназначено для получения качественного процесса разделения жидкости и газа при относительно низких рабочих давлениях и удельных расходах газожидкостной смеси. При их увеличении возрастает величина динамического напора газа, что может привести к возникновению восходящих пленочных течений на стенках камеры сепаратора и явления брызгоуноса с поверхности отделенной жидкой фазы.
Техническая проблема: создание высокопроизводительного и эффективного устройства для очистки сжатого газа от дисперсных включений жидкости.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение заключается в повышении качества очистки сжатого газа от дисперсных включений жидкости при высоких рабочих давлениях и удельных расходах газожидкостной смеси, путем предотвращения восходящих пленочных течений на стенках камеры сепаратора и явления брызгоуноса с поверхности отделенной жидкой фазы, за счет снижения локального динамического напора газа в зонах повышенной концентрации жидкой фазы
Технический результат достигается тем, что в вихревом сепараторе сжатого газа, содержащем вертикальный цилиндрический корпус, верхнее и нижнее днища, входной патрубок газожидкостной смеси с тангенциальным завихрителем, выходной патрубок очищенного газа, сливной патрубок, закрепленный на нижнем днище, новым является то, что входной патрубок газожидкостной смеси расположен осесимметрично на верхнем днище корпуса, тангенциальный завихритель образован вертикальными радиусными лопастями, ограниченными сверху и снизу дисками, выходной патрубок очищенного газа расположен на нижнем днище, а присоединенный к нему выходной коллектор для сбора очищенного газа, расположен внутри цилиндрического корпуса, закреплен осесимметрично на его нижнем днище с образованием между ним и вышеупомянутым цилиндрическим корпусом кольцевой ниши, на внешней поверхности коллектора для сбора очищенного газа внутри кольцевой ниши по всей высоте размещено, по меньшей мере, одно ребро, при этом входное сечение выходного коллектора для сбора очищенного газа расположено в центральной части цилиндрического корпуса сепаратора под нижним диском тангенциального завихрителя.
Перед входным сечением выходного коллектора для сбора очищенного газа расположен гаситель закрутки потока.
На фиг. 1 представлена схема вихревого сепаратора сжатого газа.
На фиг. 2 - разрез А - А фиг. 1.
На фиг. 3 - разрез Б - Б- фиг. 1.
На фиг. 4 - разрез В - В фиг. 1.
На фиг. 5 представлена схема течения газожидкостной смеси в сепараторе.
Вихревой сепаратор сжатого газа содержит цилиндрический корпус 1, верхнее 2 и нижнее 3 днища, входной патрубок 4 для газо-жидкостной смеси, закрепленный осесимметрично на верхнем днище 2, выходной патрубок 5 для очищенного газа, закрепленный осесимметрично на нижнем днище 3, сливной патрубок 6 для сброса отсепарированной жидкости закрепленный в нижнем днище 3, выходной коллектор 7 очищенного газа, соединенный с выходным патрубком 5, и тангенциальный завихритель 8, расположенный у входного патрубка 4. Тангенциальный завихритель 8 образован, например, четырьмя вертикальными радиусными лопастями (фиг. 1, сеч. А-А), ограниченными сверху и снизу дисками, соответственно, 9 и 10. Выходной коллектор 7 установлен внутри цилиндрического корпуса 1 и образует глубокую кольцевую нишу 11 между выходным коллектором 7 и цилиндрическим корпусом 1 сепаратора. Входное сечение выходного коллектора 7 для сбора очищенного газа расположено в центральной части корпуса 1 сепаратора под нижним диском 10 тангенциального завихрителя 8.
Для подавления тангенциальной составляющей скорости потока внутри кольцевой ниши 11 на внешней поверхности выходного коллектора 7 по всей его высоте размещено, как минимум, одно ребро 12. Для дополнительного снижения тангенциальной составляющей скорости перед входным сечением в выходной коллектор 7 установлено устройство подготовки потока (гаситель закрутки 13). Гаситель закрутки 13 потока может быть выполнен в виде симметрично установленных и жестко закрепленных криволинейных лопастей, направленных в противоположные стороны, или в виде перфорированного разделителя потока.
Вихревой сепаратор сжатого газа работает следующим образом. Газожидкостная смесь поступает во входной патрубок 4. В тангенциальном завихрителе 8 происходит разворот и закрутка потока в тангенциальном направлении с одновременным разделением потока на части равные количеству вертикальных лопастей в тангенциальном завихрителе 8. Помимо закрутки потока в тангенциальном завихрителе 8 происходит выравнивание объемного распределения дисперсных частиц жидкости в смеси и осаждение крупных частиц жидкости на стенки тангенциального завихрителя 8 за счет резкой смены направления течения. Осажденная на стенки тангенциального завихрителя 8 жидкость скапливается на нижнем диске 10 и под действием силы тяжести стекает на нижнее днище 3 цилиндрического корпуса 1 сепаратора. Далее после тангенциального завихрителя 8 газожидкостная смесь движется вдоль стенок цилиндрического корпуса 1 по направлению к нижнему днищу 3 с большой тангенциальной составляющей скорости, за счет которой происходит осаждение дисперсных частиц жидкости на стенки цилиндрического корпуса 1. Отделенная на стенки цилиндрического корпуса 1 сепаратора жидкая фаза в результате действия центробежной силы от тангенциального завихрителя 8, под действием силы тяжести собирается в районе нижнего днища 3 и отводится через сливной патрубок 6. Дойдя до нижнего днища 3, очищенный газовый поток разворачивается вверх и движется по кольцевой нише 11 вдоль боковой поверхности выходного коллектора 7, входное сечение которого расположено в центральной части корпуса сепаратора под нижним диском 10 тангенциального завихрителя 8 в зоне пониженного давления, благодаря чему газовый поток поворачивает внутрь коллектора 7 и выходит через выходной патрубок 5 для очищенного газа.
За счет наличия ребра или ребер 12 на внешней поверхности коллектора 7, происходит подавление тангенциальной составляющей скорости потока и, следовательно, динамического напора течения. Последнее является основополагающим фактором, исключающим возникновение брызгоуноса и восходящих пленочных течений в области концентрации жидкой фазы у нижнего днища 3. Удаление очищенного газа из цилиндрического корпуса 1 сепаратора происходит через входное сечение коллектора 7, перед которым газовый поток снова меняет направление движения. С целью дополнительного подавления тангенциальной компоненты скорости в магистрали после сепаратора, перед входом в коллектор 7 установлено устройство подготовки потока - гаситель закрутки 13.
Сущность изобретения состоит в том, что конструкция предлагаемого устройства обеспечивает локальное снижение динамического напора газа в зоне повышенной концентрации отсепарированной жидкой фазы в кольцевой нише 11 между выходным коллектором 7 и цилиндрическим корпусом 1 сепаратора, что исключает вынос уже отделенной жидкости в выходной коллектор 7. Ребро или ребра 12 на внешней поверхности выходного коллектора 7 способствуют снижению тангенциальной составляющей и полной скорости потока в кольцевой нише 11, тем самым повышается допустимое максимальное значение расхода газожидкостной смеси через сепаратор при котором сохраняется высокая степень очистки.