Устройство для сепарации газожидкостной смеси
DEVICE FOR SEPARATION OF GAS-LIQUID MIXTURE

Изобретение относится к области очистки газа от примесей, преимущественно от различного рода жидких сред, и может быть использовано для подготовки газа в газовой, газодобывающей, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.
Известны сепарационные элементы для очистки газа с использованием центробежных сил, включающие полый корпус с тангенциальными щелями в нижней части для ввода газожидкостного потока и снабженный в верхней части отбойным устройством для вывода газа и отсепарированной жидкости (А.с. СССР №982743, Сепарационный элемент газожидкостного сепаратора, МПК B01D 45/12, 1982). Недостатком такого сепарационного элемента является его высокое гидравлическое сопротивление, обусловленное малым рабочим сечением тангенциальных щелей, а также недостаточно высокая осевая скорость газового потока, что ограничивает рабочий диапазон нагрузок.
Наиболее близким аналогом является сепарационное устройство «Сепараторной ванны», патент РФ 2342182, МПК B01D 45/12, 2008, которая устанавливается горизонтально в вертикальной колонне и содержит горизонтальные верхнюю стенку и нижнюю - опорное полотно, ограничивающие находящееся между ними внутреннее пространство; сепарационная ванна содержит средство для впуска текучей среды в ее внутреннее пространство; средство для удаления жидкости из внутреннего пространства; средство для удаления газа из внутреннего пространства; находящееся во внутреннем пространстве по меньшей мере одно устройство сепарации текучей среды на первичный газ и содержащуюся в нем жидкую текучую среду, при этом устройство сепарации содержит вертикальный трубчатый канал - патрубок, закрепленный на опорном полотне; на нижнем конце патрубка расположен вход для текучей среды, сообщающийся со средством впуска текучей среды, на верхнем конце патрубка расположен выход первичного газа, выходной канал которого проходит к выходному отверстию газа в верхней части; закручивающее средство - завихритель, размещенное в канале между входом текучей среды и выходом газа.
Недостатком описанного сепарационного устройства является высокое гидравлическое сопротивление потоку текучей среды, снижающее удельную производительность сепарационного устройства и интенсивность сепарации. Одной из причин этого является то, что место крепления патрубка к опорному полотну, как это показано на чертежах патента РФ 2342182, выполнено с острой кромкой, что ведет к вихреобразованию при входе очищаемого потока в патрубок и резкому сужению его сечения, вследствие чего в зоне расположения завихрителя патрубка создается большое гидравлическое сопротивление для входного потока. Кроме того, при подаче текучей среды с большой скоростью в нижнюю часть патрубка на его завихритель поток текучей среды встречает большое сопротивление поверхности плоских лопастей завихрителя, что ведет к снижению производительности процесса. Лобовое сопротивление, создаваемое лопастями завихрителя потоку текучей среды, ведет к бесполезным тратам энергии потока. Основная часть ее затрачивается не на совершение полезного действия - придание вращательного движения газожидкостному входному потоку, а на преодоление препятствия, создаваемого лопастями завихрителя.
Задачей настоящего изобретения является повышение производительности устройства для сепарации, интенсивности сепарации газа за счет более полного рационального использования энергии потока.
Техническим результатом является устранение острой кромки на входе в сепарирующее устройство и уменьшение гидравлического сопротивления потоку очищаемого газа за счет более плавного сужения потока при входе его в патрубок и путем предварительного, до подачи на завихритель патрубка, его закручивания и уменьшения ударной нагрузки на плоскости лопастей завихрителя контактного патрубка.
Задача решается и технический результат реализуется конструкцией устройства для сепарации газожидкостной смеси, включающего вертикальный трубчатый канал - патрубок, на нижнем конце которого расположен вход для очищаемой среды, на верхнем конце - выход газа, а также статический лопастный завихритель, установленный в патрубке соосно с ним между входом очищаемой среды и выходом газа, и средство для удаления жидкости.
Отличия предложенного контактного устройства от прототипа заключаются в следующем.
В нижней своей части, на своем входе патрубок снабжен расположенным соосно с ним сужающимся вниз по потоку конфузором, закрепленном на опорном полотне со стороны, противоположной расположению патрубка, под полотном. Образующая конфузора выполнена прямолинейной, обусловливая его конусную форму, или криволинейной, выпуклой по отношению к входному потоку формы. Диаметр верхней части конфузора в пределах технологического допуска совпадает с диаметром контактного патрубка. Вариант исполнения конфузора с криволинейной формой профиля является более предпочтительным. При этом касательная к конечной кромке конфузора совпадает с образующей входной части патрубка или ей параллельна в пределах технологического допуска. Такая форма конфузора и взаимное расположение его относительно патрубка позволяют исключить линию отрыва потока в месте контакта конфузора с патрубком, плавно изменить диаметр входного потока с фактического до диаметра патрубка, снизить гидравлическое сопротивление входного участка патрубка сепарационного устройства по сравнению с конструкцией без конфузора. Диаметр нижней, входной части конфузора больше диаметра его верхней части, и его величина ограничивается только расстоянием между соседними сепарационными устройствами на опорном полотне. При конической форме боковой поверхности конфузора должно выполняться условие совпадения диаметра верхней кромки конфузора с входом (нижней кромкой) сепарационного патрубка, т.е. условие сопряжения конфузора и патрубка.
Наличие конфузора описанной конструкции позволяет обеспечить плавное сужение очищаемого потока до диаметра патрубка, снизить гидравлическое сопротивление входного участка устройства.
Другим отличием предлагаемой конструкции является то, что в конфузоре установлен завихритель для придания предварительного вращательного движения очищаемому потоку еще до его поступления в патрубок сепарационного элемента. Каждая лопасть завихрителя конфузора представляет собой изогнутую пластину. Касательная плоскость к нижней кромке лопасти конфузора перпендикулярна входному сечению конфузора. Касательная плоскость к верхней кромке лопасти конфузора имеет угол наклона по отношению к оси конфузора, не более угла наклона касательной плоскости к нижней кромке лопасти завихрителя патрубка. Предварительное закручивание очищаемого потока, обусловленное наличием завихрителя конфузора и изгибом его лопастей, позволяют направить поток под углом к оси патрубка сепарационного устройства и тем самым снизить лобовое сопротивление его лопастей потоку.
Таким образом, в предлагаемой конструкции сепарационного устройства достигается снижение двух составляющих гидравлического сопротивления: сопротивление входного участка патрубка за счет наличия конфузора и обеспечения плавного сужения потока; лобового сопротивления лопастей завихрителя за счет дополнительного закручивания потока лопастями завихрителя конфузора.
На фигуре 1 представлено сечение устройства для сепарации. Пунктиром изображен вариант исполнения конфузора конической формы с прямолинейной образующей. На фиг. 2 изображено поперечное сечение лопасти завихрителя конфузора. На фиг. 3 изображены графики гидравлического сопротивления устройства для сепарации газожидкостной смеси в зависимости от скорости входного потока для вариантов по прототипу и по изобретению, с конфузором.
Патрубок 1 вертикально жестко установлен на опорное полотно 2 с отверстием в полотне для подачи очищаемого потока снизу. Патрубок 1 выполнен с проходными отверстиями - снизу для подачи очищаемого потока, сверху для выхода газа. В верхней части патрубка установлено средство для удаления жидкости в виде съемника 3, образующего кольцевой канал для исхода пленочной жидкости. Съем жидкости может быть реализован другой конструкцией, например, выполнением прорезей в цилиндрической вертикальной стенке патрубка. В нижней части патрубка 1 соосно ему установлен статический многолопастный завихритель 4, его вход соединен с выходом конфузора 5. Лопасти завихрителя 4 расположены в нижней части патрубка 1, их оптимальное количество составляет от трех до двенадцати.
Конфузор 5 - устройство плавной подачи текучей среды закреплен на опорном полотне 2 со стороны, обратной стороне закрепления на нем патрубка 1. Внутри конфузора 5 установлены лопасти 6 в виде изогнутых пластин, которые образуют завихритель. Как видно из чертежа фиг. 2, касательная плоскость к нижней кромке лопасти завихрителя конфузора перпендикулярна входному сечению конфузора (угол α), a касательная плоскость к верхней кромке лопасти завихрителя конфузора составляет угол β по отношению к оси конфузора, в частном случае 30° при угле наклона касательной плоскости к нижней кромке лопасти завихрителя 4 патрубка 1 в 60°.
Устройство работает следующим образом.
Газожидкостный поток поступает снизу в конфузор 5 устройства сепарации. С помощью лопастей 6 завихрителя конфузора 5 входному потоку сообщается вращательное движение. Благодаря наличию и конструкции конфузора 5 при совпадении касательной к конечной кромке конфузора с образующей входной части патрубка устраняется линия отрыва потока в месте контакта конфузора с патрубком, обеспечивается плавное сужение очищаемого потока до диаметра патрубка, снижение гидравлического сопротивления входного сечения устройства. Далее сформированный таким образом суженный до диаметра патрубка 1 предварительно закрученный поток попадает в патрубок 1 непосредственно на его завихритель 4. Благодаря своему вращательному движению во входном сечении патрубка поток попадает в межлопастное пространство основного завихрителя 4, имея направление, совпадающее с касательной к плоскостям его лопаток, что значительно уменьшает сопротивление потоку со стороны лопастей завихрителя 4. Поток плавно огибает плоскости лопастей завихрителя 4 патрубка 1, который придает вращательное движение потоку, требуемое для создания центробежных сил. В результате этого вращательного движения потока и действия центробежных сил капли жидкости, обладая более высокими по сравнению с газовым потоком инерционными показателями, концентрируются у внутренней стенки патрубка 1. Движение газожидкостного потока в патрубке 1 выше завихрителя 4 приводит к сепарации дисперсных частиц. Частицы жидкости с примесями коалесцируют и в виде жидкостной пленки по внутренней поверхности патрубка 1 поднимаются вверх до съемника жидкости 3, где попадают в кольцевой канал истечения жидкости. По инерции жидкость стекает по наружной поверхности патрубка 1, скапливается на опорном полотне 2 и далее через сливной патрубок, выполненный на опорном полотне 2 (не показано), удаляется. Освобожденный от жидкости газ продолжает свое движение вверх, ниже по потоку завихрителя 4, и выходит из патрубка 1 через его верхнюю часть. За счет формирования приосевой направленности потока в конфузоре и уменьшения тем самым нагрузки потока на лопасти завихрителя 4 достигается более низкое гидравлическое сопротивление для потока.
Используя формулы расчетов коэффициента сопротивления потока в соответствии со справочником И.Э. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М: Машиностроение, 1992 г., с. 165, коэффициенты сопротивления потоку ζ для прототипа и для изобретения будут:
0
1
тр
3/4
ζп=0,5(1-F/F)+ζ для входного участка без конфузора;
0
1
тр
3/4
ζи=ζ'(1-F/F)+ζ для входного участка с конфузором.
Как видно из формул, разница для них составляет 0,5 и ζ'; из диаграммы 3-4 с. 26 указанного справочника видно, что значения ζ' (кривая б) составляют от 0 до 0,2; из этого следует, что коэффициент сопротивления для сепаратора с конфузором всегда меньше.
Экспериментальные данные, полученные авторами, подтверждают этот вывод. Как видно из чертежа фиг. 3, гидравлическое сопротивление устройства сепарации с конфузором в соответствии с изобретением для любых скоростей входного потока текучей среды меньше гидравлического сопротивления устройства сепарации без конфузора.