ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВОЗВРАТНО-ПРЯМОТОЧНЫЙ СЕПАРАТОР
CENTRIFUGAL RETURN-UNIFLOW SEPARATOR

Изобретение относится к конструкциям возвратно-прямоточных сепараторов, которые применяются в процессах очистки природного газа, разделения двухфазных сред, преимущественно газ-жидкость, и может найти применение во всех технологических процессах в нефтяной, газовой, химической и других смежных отраслях промышленности.
Известно устройство для очистки газа, содержащее последовательно соединенные первую и вторую секции, рабочие и съемные элементы которых встроены в цилиндрический корпус с поперечными перегородками, разделяющими последовательно по потоку очищаемого газа полости первой и второй секций, выход очищенного газа, причем первая секция представляет собой фазовый отделитель инерционно-гравитационного типа, вторая секция - отделитель прямоточно-центробежного типа, состоящий из сепарационных труб с каналом перепуска газа, сообщающим полость второй секции с выходом очищенного газа, при этом канал перепуска выполнен в виде инжектора, у которого вход инжектирующего газа сообщен с верхней частью полости первой секции, а вход инжектируемого газа сообщен с верхней частью полости второй секции (Патент РФ №42157275, МПК B01D 45/00, B04C 3/04, опубл. 10.10.2000 г.). В этом устройстве газ, содержащий примесь в виде твердых и жидких частиц, поступает в первую секцию корпуса через торцевой вход и, попутно ударяясь о конус отражателя, изменяет направление движения. При этом наиболее крупные взвешенные и жидкие частицы падают в нижнюю часть пространства и, накапливаясь внизу корпуса, поступают в вертикальный патрубок. Газ, содержащий преимущественно мелкие частицы, после подъема перед поперечной перегородкой первой секции поступает через открытые концы сепарационных труб и, проходя завихрители, приобретает крутку. В трубах под действием центробежных сил происходит разделение фаз. Большая часть газовой фазы, движущейся в приосевой области труб, выходит из нее через открытые концы на выход корпуса. Взвешенная фаза, движущаяся спиральным потоком по периферии труб, захватывается каналами, выполненными по окружности продольных сквозных тангенциальных каналов с острыми входными кромками заподлицо с внутренним диаметром труб. Незначительная часть газового потока вместе с уловленной примесью попадает в межтрубную полость второй секции перед поперечной перегородкой, где за счет резкого падения скорости под действием сил гравитации происходят отделение примеси и ее удаление в вертикальный патрубок, а оставшаяся часть газа отсасывается инжектором, чем ликвидируется возрастание подпора в полостях второй секции и патрубка.
Недостатками данного устройства являются достаточно большие габариты, сложность конструкции, сложность в изготовлении, эксплуатации и очистке внутренних элементов устройства.
Наиболее близким к заявленному по технической сущности и достигаемому результату является циклон, содержащий корпус с тангенциальным входным патрубком, выхлопным патрубком для отвода газа в его верхней части и патрубком для удаления дисперсной фазы (Патент РФ №2038167, МПК B04C 5/103, опубл. 27.06.1995 г.). В корпусе одна под другой установлены перегородки, образующие кольцевые пылеотводные зазоры со стенками корпуса. Верхняя перегородка имеет осевой патрубок, сообщающий камеру с пространством между перегородками.
Недостатком указанной конструкции циклона является то, что в ней отсутствуют устройства для отделения отсепарированной на стенках корпуса загрязненной фазы от газового потока, движущегося в противоположном направлении, что может привести к увеличению вторичного уноса, от которого зависит эффективность сепарации.
Задачей изобретения является повышение эффективности улавливания из двухфазных потоков мелкодисперсных частиц.
Повышение эффективности процесса сепарации достигается за счет уменьшения количества мелкодисперсных капель, уносимых в выхлопной патрубок для отвода газа за счет их коалесценции в результате столкновения струй газожидкостного потока, выходящего из цилиндрических вставок с завихрителями, закрепленными на перегородке. Выходящие из смежных цилиндрических вставок газожидкостные струи попарно сталкиваются друг с другом, образуя результирующие струи, направленные к центру, где происходит их столкновение. В результате столкновения струй образуются области с высокими энергиями турбулентных пульсаций. При этом в силу малости размеров капель жидкости, находящихся в этих струях, эти капли не разрушаются, а при столкновении образуют капли более крупных размеров.
Эффективное разделение потока также обеспечивается дополнительной закруткой газового потока с мелкодисперсной капельной жидкостью с помощью завихрительного элемента в осевом патрубке и дальнейшим прижатием слоев газа с повышенным содержанием жидких капель к внутренним стенкам осевого патрубка под действием центробежной силы, отводом отсепарированной жидкости через зазор между осевым патрубком и выхлопным патрубком в верхнюю часть корпуса, а также отводом части отсепарированной на внутренней поверхности осевого патрубка жидкости через тангенциальные щели, выполненные в осевом патрубке и направленные против хода вращения газожидкостного потока, на внешнюю поверхность осевого патрубка, по перегородке в зазор и далее в патрубок для удаления дисперсной фазы.
Указанная задача достигается тем, в центробежном возвратно-прямоточном сепараторе для разделения двухфазного потока, преимущественно газожидкостного, содержащем корпус с тангенциальным входным патрубком, выхлопным патрубком для отвода газа в его верхней части и патрубком для удаления дисперсной фазы, а также перегородкой с осевым патрубком, установленной с кольцевым зазором со стенками корпуса, согласно изобретению осевой патрубок в месте соединения его с перегородкой снабжен завихрительным элементом, выше которого в осевом патрубке выполнены расположенные тангенциально щели, направленные против хода вращения газожидкостного потока, выхлопной патрубок снабжен в нижней части цилиндрическим отсекателем, размещенным над верхней частью осевого патрубка, при этом выхлопной и осевой патрубки установлены соосно с зазором, а перегородка выполнена в виде полого усеченного конуса с отверстиями в его стенке, снабженными полыми цилиндрическими вставками с завихрителями, причем цилиндрические вставки закреплены внутри конуса попарно под углом друг к другу и к его поверхности.
Схематично на фиг.1 изображен центробежный возвратно-прямоточный сепаратор, на фиг.2 и 3 - разрезы по А-А и Б-Б.
Центробежный возвратно-прямоточный сепаратор содержит корпус 1, в верхней части которого размещен тангенциальный входной патрубок для ввода газожидкостного потока 2, выхлопной патрубок в его верхней части для отвода газа 3 и патрубок для удаления дисперсной фазы 4. В корпусе 1 установлена перегородка 5 с осевым патрубком 6, установленная с кольцевым зазором 7 к стенкам корпуса. Осевой патрубок 6 в месте соединения его с перегородкой 5 снабжен завихрительным элементом 8, выше которого в осевом патрубке 6 выполнены расположенные тангенциально щели 9, направленные против хода вращения газожидкостного потока внутри осевого патрубка. Выхлопной патрубок 3 снабжен в нижней части цилиндрическим отсекателем 10, размещенным над верхней частью осевого патрубка. Выхлопной патрубок 3 и осевой патрубок 6 установлены соосно с зазором 11. Перегородка 5 выполнена в виде полого усеченного конуса с отверстиями в его стенке, снабженными полыми цилиндрическими вставками 12 с завихрителями 13. На фиг.1 для большей информативности условно показаны завихрители 13, расположенные внутри цилиндрических вставок 12. Цилиндрические вставки 12 закреплены внутри конуса 5 попарно под углом друг к другу и к его поверхности таким образом, чтобы выходящие из смежных цилиндрических вставок газожидкостные струи попарно сталкивались друг с другом, образуя результирующие струи, направленные к центру, где происходит их столкновение.
Устройство работает следующим образом. Газожидкостный поток поступает в аппарат через тангенциально расположенный к корпусу 1 патрубок 2. Двигаясь вниз вдоль корпуса 1 под действием центробежной силы, крупные капли осаждаются на внутренней поверхности корпуса 1 и стекают вниз через кольцевой зазор 7. Газожидкостный поток проходит через цилиндрические вставки 12, закручивается завихрителями 13 и в виде струй попадает в нижнюю часть корпуса 1. Выходящие из смежных цилиндрических вставок 12 с завихрителями 13 струи попарно сталкиваются друг с другом, образуя результирующие струи, направленные к центру, где происходит их столкновение. В результате столкновения струй образуются области с высокими энергиями турбулентных пульсаций. При этом в силу малости размеров капель жидкости, находящихся в этих струях, эти капли не разрушаются, а при столкновении образуют капли более крупных размеров. Крупные капли выпадают из общего потока и осаждаются на дно корпуса 1, а более мелкие капли с потоком газа устремляются вверх и попадают в осевой патрубок 6 с завихрительным элементом 8, где под действием центробежной силы слои газа с повышенным содержанием жидких капель прижимаются к внутренним стенкам осевого патрубка 6, поднимаются вверх и через зазор 11 между осевым патрубком 6 и выхлопным патрубком 3 удаляются в верхнюю часть корпуса 1. Очищенный газовый поток через выхлопной патрубок 3 удаляется из корпуса 1. Установленный над осевым патрубком 6 цилиндрический отсекатель 10 препятствует газовому потоку, движущемуся между осевым патрубком 6 и корпусом 1, попадать в зазор 11 и, кроме того, создает эжекционный эффект для основного потока, вытягивающий слои газа с повышенным содержанием капель жидкости в верхнюю часть корпуса 1. Отсепарированная жидкость стекает из корпуса 1 через патрубок для удаления дисперсной фазы 4.
Эффективность аппарата дополнительно увеличивается за счет наличия тангенциально расположенных щелей 9 в осевом патрубке 6, направленных против хода вращения газожидкостного потока, которые позволяют отводить часть отсепарированной на внутренней поверхности осевого патрубка 6 жидкости на его внешнюю поверхность, которая затем стекает по перегородке 5 в зазор 7, далее в нижнюю часть корпуса 1 и удаляется через патрубок для удаления дисперсной фазы 4.
Снабжение осевого патрубка 6 завихрительным элементом 8 в месте соединения его с перегородкой 5 создает закрутку газа с повышенным содержанием мелких капель, которые под действием центробежной силы прижимаются к внутренним стенкам осевого патрубка 6, поднимаются вверх и удаляются в верхнюю часть корпуса 1 через зазор 11 между осевым патрубком 6 и выхлопным патрубком 3.
Установка цилиндрического отсекателя 10 препятствует основному газовому потоку, движущемуся между осевым патрубком 6 и корпусом 1, попадать в зазор 11 и создает эжекционный эффект для основного потока, вытягивающий слои газа с повышенным содержанием капель жидкости в верхнюю часть корпуса 1.
Установка цилиндрических вставок 12 с завихрителями 13 позволяет выходящим из смежных цилиндрических вставок газожидкостным струям попарно сталкиваться друг с другом, образуя результирующие струи, направленные к центру, где происходит их столкновение. В результате образуются области с высокими энергиями турбулентных пульсаций. При этом в силу малости размеров капель жидкости, находящихся в этих струях, эти капли не разрушаются, а при столкновении образуют капли более крупных размеров.
Предлагаемая конструкция центробежного возвратно-прямоточного сепаратора позволяет расширить сферу применения центробежных сепараторов, повысить эффективность разделения двухфазных потоков до 95%, она проста в изготовлении и может быть получена при реконструкции известных сепараторов согласно изобретению путем выполнения перегородки в виде полого конуса, с закрепленными на ее внутренней поверхности цилиндрическими вставками с завихрителями, снабжения завихрительным элементом осевого патрубка и выполнения тангенциально расположенных щелей в его стенке, направленных против хода вращения газожидкостного потока внутри осевого патрубка, а также установки цилиндрического отсекателя, позволяющих повысить эффективность разделения двухфазного потока.