Прямоточно-центробежный вихревой сепаратор для разделения газожидкостных потоков
DIRECT-FLOW CENTRIFUGAL VORTEX SEPARATOR FOR SEPARATING GAS-LIQUID FLOWS

Изобретение относится к сепарационным аппаратам для разделения газожидкостных потоков в технологических процессах газоразделения в производствах нефтеперерабатывающей, нефтехимической и газовой промышленности. От работы сепарационных аппаратов во многом зависит эффективность производства, совершенствование технологических процессов и современных конструкций аппаратов и оборудования.
Аналогом заявленного технического решения является малогабаритный высокоэффективный сепаратор «СЦВ-5» по патенту РФ: RU 2221625 C1 B01D 45/12 от 04.01.2004 [1], в котором используется сепарационный пакет, для улавливания мелкодисперсных жидких и твердых частиц из газового потока в поле центробежных сил.
Для улучшения эффективности сепарации и увеличения производительности по жидкой и газовой фазам предложен сепаратор, 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 и дугообразных изогнутых 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. Эти пластины направлены под углом 30° к горизонтали, которые собирают и транспортируют пленочную жидкость с внутренней поверхности дугообразной пластины в зону щелевого канала.
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.
Известны аналогичные изобретению [1], его модификации: патент RU 96784 U1 B01D 45/12 от 15.03.2015 [2], а также патент RU 2320395 С2 B01D 45/12 от 26.02.2006 [3].
К недостаткам данных устройств относятся:
- наличие дугообразных и изогнутых пластин, размещенных по всей высоте аппарата, занимает большую часть объема сепаратора, что снижает эффективность и рабочий объем для прохождения сепарируемого газа, особенно, если газожидкостная смесь содержит значительную часть жидкой фазы и абразивных примесей. Это может привести к отложениям на дугообразных изогнутых пластинах, что вызовет трудоемкости по очистке отложений на профильных пластинах;
- подача исходного потока разделяемой газожидкостной смеси размещена верхней части сепаратора, а сам процесс сепарации осуществляется по схеме сверху-вниз и газ совершает протяженный путь, для сепарационного процесса, что увеличивает потерю напора, т.е. сопротивление и естественно значительный перепад давления, а это снижает эффективность разделения сепаратора.
Прототипом заявляемого изобретения является «низкотемпературный сепаратор» по патенту РФ: RU 424582 B01D 45/12 от 07.12.71 [4].
Сущность данного устройства состоит в том, что низкотемпературный сепаратор, включающий последовательно установленные сепарационные камеры с завихрителями и газоотводящими патрубками. Для повышения степени осушки газа, в верхней части первой сепарационной камеры установлены перегородка в виде усеченного конуса. Над усеченным конусом расположен завихритель с конусообразным дном последующей сепарационной камеры. Также в последующей сепарационной камере в верней части, установлен сепарирующий колпачок, примыкающий к меньшему основанию усеченного конуса. В каждой сепарационной камере установлен завихритель с тангенциальными щелями, газоотводящий патрубок, концентрично которому размещен сепарирующий колпачок. Для отвода жидкости.
Работа сепаратора состоит в подаче газа под давлением через открытую задвижку и патрубок в нижнюю камеру через щелевые отверстия завихрителя во внутрь сепарационной камеры. Благодаря тангенциальному вводу, поток газа закручивается и движется по спирали. В поле центробежных сил частицы жидкости отбрасываются на периферию к стенке, коагулируются и двигаются вверх по стенке патрубка, а затем в виде пленки через кольцевые зазоры между газоотводящим патрубком и колпачком сливаются в камеру хранения отсепарированной жидкости.
Очищенный поток газа в нижней сепарационной камере направляется, в вышерасположенную камеру. Благодаря плавному расширению перегородки в виде усеченного конуса, а также конусообразному дну верхнего завихрителя при входе потока в камеру не образуется застойных зон, а также отсутствуют зоны барботажа выделенной жидкости, а, значит, ликвидируется опасность образования гидратов. Размеры щелевых тангенциальных отверстий верхнего завихрителя, включая диаметр верхнего патрубка, а также размеры выходного патрубка и задвижки выбраны таким образом, что расход газа за первой сепарационной камерой обеспечивает увеличение объема его в камере в 1,4-2,5 раза по сравнению с объемом на входе.
К недостаткам устройства-прототипа относятся следующие:
- на первой ступени сепарации использована конструкция прямоточно-центробежного патрубка, который обладают ограниченной производительностью. Повышение производительности, при условии достижения высокой степени улавливания, для прямоточно-центробежных патрубков ограничено диаметром патрубка не более 50 мм, в связи с чем, целесообразно на входе использовать другой тип завихрителя;
- в устройстве использован многоступенчатый отвод отсепарированной жидкости на внешние патрубки, которые необходимо размещать в различных высотных отметках конструкции сепаратора, что не технологично.
Поэтому наиболее целесообразно сбор отсепарированной жидкости осуществлять в одном сборнике, а вывод из него осуществлять посредством одного патрубка.
Указанные недостатки были учтены в предлагаемом изобретении, которые рассмотрим более подробно. Основными целями являлись:
- осуществить более эффективное двухступенчатое завихрение входящего напорного газожидкостного потока и движения его по спирали с плавными межступенчатыми переходами, с одновременным отводом сепарируемой жидкой фазы. При движении завихренного потока по спирали, целесообразно проводить одновременно с коагуляцией образования капельной взвеси, ускоренный ее отвод, не допуская вторичного уноса;
- на первой ступени сепарации целесообразна установка сепарационной камеры со щелевыми тангенциальными прорезями и патрубком тангенциального ввода в эту камеру напорного исходного потока газа;
- отвод отсепарированной жидкости осуществлен, по мере ее выделения в сепарационных устройствах, без контакта с сепарируемым потоком газа, а накопление отсепарированной жидкости организовано в общем сборнике в кубовой части сепаратора.
Технический результат и сущность прямоточно-центробежного вихревого сепаратора, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, входной и выходные патрубки, последовательно установленные камеры с завихрителями. При этом, в корпусе соосно размещена внутренняя цилиндрическая вставка меньшего диаметра по отношению к корпусу и меньшей длины корпуса, между корпусом и вставкой образовано кольцевое пространство для отвода отсепарированной жидкости. В нижней части внутреннего пространства вставки размещена соосно цилиндрическая сепарационная камера с завихрителями со щелевыми тангенциальными прорезями, ввод в которую осуществлен посредством тангенциального патрубка, выходящего за пределы корпуса. Сепарационная камера снизу закрыта дном, а сверху - диском, в центре которого размещен рабочий патрубок с коническим выходным отверстием - диафрагмой в свободное пространство цилиндрической вставки, при этом проходное сечение рабочего патрубка меньше внутреннего сечения сепарационной камеры. Средняя часть вставки разделена разъемом для отвода отсепарированной жидкости. В месте разъема имеется конический переходник, соединяющий нижнюю часть вставки и нижнее основание цилиндроконического диффузора, цилиндрическая часть которого меньшего диаметра, по отношению к диаметру вставки, а между ними образовано кольцевое пространство, для отвода отсепарированной жидкости из верхней части сепаратора. Верхнее отверстие конической части цилиндроконического диффузора соединено с остроконечными тангенциальными направляющими сепарационного патрубка, в верхней части которого с зазором размещен примыкающий к нему обрамляющий отбойный колпачок. На нижней кромке колпачка закреплен конический направляющий щиток, установленный в зазоре между верхним концом внутренней цилиндрической вставки и, вплотную соединенный с поверхностью колпачка, также в верхней части пространство между концом внутренней цилиндрической вставки и поверхностью патрубка с остроконечными тангенциальными направляющими закрыто конической заслонкой. В средней части у нижнего основания цилиндроконического диффузора и внутренней цилиндрической образующей, имеется кольцевой зазор для выхода отсепарированной жидкости из верхнего завихрителя сепарационного устройства в кольцевое пространство между внутренней поверхностью корпуса и цилиндрической образующей вставки. Также имеются отверстия во внутренней вставке, размещенные по периметру над диском нижнего завихрителя, в кубовой части корпуса размещен сборник отсепарированной жидкости. Вывод отсепарированной жидкости из кубового сборника осуществляют посредством патрубка и размещенного на нем запорного вентиля, а вывод отсепарированного газа осуществляют посредством патрубка, размещенного в верхней части корпуса сепаратора и вентиля, размещенного на патрубке. Техническое решение для разделения газожидкостных потоков представлено на фигуре 1, а прямоточно-центробежного вихревого сепаратора на фигуре 2 представлено сечение в разрезе «А-А» корпуса в месте ввода тангенциального патрубка.
Технологические потоки (фигура 1 и фигура 2): I - ввод исходного потока напорного газа; II - вывод отсепарированной жидкости; III - вывод отсепарированного газа.
Элементы конструкции прямоточно-центробежного сепаратора: 1- корпус сепаратора; 2 - входной тангенциальный патрубок; 3 - запорный вентиль; 4 - цилиндрическая вставка; 5 - сепарационная вихревая камера; 6 - дно сепарационной камеры; 7 - диск; 8 - завихритель; 9 - щелевые тангенциальные прорези; 10 - рабочий патрубок; 11 - кольцевой канал для подвода очищаемого газа; 12 - выходное отверстие-диафрагма рабочего патрубка;13 - внутренне пространство вставки 4; 14 - кольцевое пространство для вывода отсепарированной жидкости;15 - цилиндроконический диффузор; 16 - отверстия для вывода отсепарированной жидкости; 17 - внутреннее пространство цилиндроконического диффузора; 18 - конический переходник; 19 - кольцевой канал для прохода отсепарированной жидкости; 20 - верхняя часть цилиндрической вставки 4; 21 - остроконечные тангенциальные направляющие сепарационного патрубка; 22 - конус цилиндроконического диффузора; 23 - щиток на конце конической направляющей; 24 - зазор для прохода отсепарированной жидкости; 25 - коническая перегородка; 26 - канал для прохода отсепарированной жидкости; 27 - канал для отвода жидкости из верхней зоны сепаратора в кольцевое пространство; 28 - коническая направляющая сепарационного патрубка; 29 - сепарационный патрубок; 30 - отбойный колпачок; 31 - внутреннее пространство между патрубком 29 и отбойным колпачком 30; 32- проемы в остроконечных тангенциальных направляющих; 33 - конический наконечник выходного патрубка; 34 - патрубок вывода отсепарированной жидкости; 35 - запорный вентиль. 36 - кубовый сборник отсепарированной жидкости; 37 патрубок вывода отсепарированной жидкости; 38 - запорный вентиль. Техническая сущность прямоточно-центробежного сепаратора заключается в том, что в вертикальном цилиндрическом корпусе 1,содержащем входной 2 и выходные патрубки 34 и 37 завихрители 8 и 21. При этом, в корпусе 1 соосно размещена внутренняя цилиндрическая вставка 4 меньшего диаметра и меньшей длины корпуса 1, между корпусом и вставкой образовано кольцевое пространство 14 для отвода отсепарированной жидкости. В нижней части внутреннего пространства вставки 4, размещена соосно сепарационная вихревая камера 5 с завихрителем 8, со щелевыми тангенциальными прорезями 9. Ввод в сепарационную камеру осуществлен, посредством тангенциального патрубка 2, выходящего за пределы корпуса 1, причем сепарационная камера снизу закрыта дном 6, а сверху-диском 7, в центре диска размещен рабочий патрубок 10.
Средняя часть вставки 4 выполнена с разъемом 19, с делением вставки на верхнюю 20 и нижнюю 4 части равного диаметра. На границе разъема 19, во внутреннем пространстве верхней части вставки 20 размещен цилиндроконический диффузор 15, состоящий из цилиндрической 15 и конической 22 образующих, причем, цилиндрическая образующая 15 имеет меньший диаметр, по отношению к диаметру вставки 20, с которой образовано кольцевое пространство 26, параллельное с кольцевым пространством 14, которые соединены между собой конической вставкой 18 и проемом 19.
На верхнем выходе конуса 22 цилиндроконического диффузора 15 установлен сепарационный патрубок 29, нижним основанием которого являются остроконечные тангенциальные направляющие 21, вершины которых состыкованы с периметром основания конуса 22.
Сверху сепарационного патрубка 29, соосно установлен с зазором, обрамляющий патрубок, отбойный колпачок 30, на внешней кромке которого закреплена коническая направляющая 28 со щитком 23, образующим зазор 27 между корпусом 1 и щитком.
Также, между верхним концом внутренней цилиндрической вставкой 20 и конической направляющей 25, вплотную примыкающей с поверхностью колпачка в средней части остроконечных тангенциальных направляющих 21, образующими зазор 26 между корпусом 1 и верхней частью цилиндроконической вставки 20, а также имеется зазор 26, образуемый между верхней частью цилиндрической вставки 20 и цилиндроконическим диффузором 15, причем, посредством зазоров осуществляют отвод отсепарированной жидкости в кольцевые пространства 14 и 19, а также отверстия 16 во внутренней вставки 4, размещенные по периметру над диском 7 нижнего завихрителя 9, в кубовый сборник отсепарированной жидкости 35 посредством патрубка 37 и размещенного на нем запорного вентиля 38, а вывод отсепарированного газа осуществляют, посредством патрубка 34, размещенного в верхней части корпуса сепаратора и запорного вентиля 35, размещенного на патрубке.
Способ работы прямоточно-центробежного сепаратора заключается в том, что газожидкостная смесь (поток I) под давлением подводится в вертикальный цилиндрический корпус сепаратора 1 через входной тангенциальный патрубок 2 с запорным вентилем 3 в сепарационную камеру, через щелевые тангенциальные прорези 9 завихрителя 8, размещенную в корпусе цилиндрической вставки 4.
В результате чего, поток газа закручивается и движется по спирали в сепарационной камере 5 и выходит закрученным через выходное отверстие 12 рабочего патрубка 10, поступая во внутреннее пространство вставки 4 и цилиндроконического диффузора 15. Во вставке и диффузоре, в поле центробежных сил частицы жидкости отбрасываются к периферийной области - к внутренней стенке и, в процессе коагуляции, в виде пленочной жидкости стекают по внутренней поверхности вставки цилиндроконического дефлектора вниз. Жидкость накапливается на горизонтальной поверхности диска 7, а затем, через отверстия 8 стекает в кольцевое пространство 14 и далее, в кубовый сборник 35 отсепарированной жидкости.
Отсепарированный от основной жидкости, закрученный и движущийся вверх по спирали газовый поток поступает в конусную часть 22 цилиндроконического диффузора 15, а затем, проходя через остроконечные тангенциальные направляющие, поступает в сепарационный патрубок 29, в котором получает дополнительную закрутку потока. В результате тангенциальных направляющих и стесненных условий, из-за уменьшенного сечения патрубка 29, происходит увеличение крутки и дополнительная коагуляция мелкодисперсной влаги, которая не смогла выделиться на начальной стадии завихрения в сепарационной камере 5.
Таким образом, благодаря двум, последовательно установленным завихрителям 5 и 29, с различными условиями завихрения (скоростями), осуществляется эффективная сепарация газожидкостного потока, с последовательным выводом в кольцевые пространства 26 и 14, отсепарированной жидкости следующими тремя путями:
- первый - осуществляется на входном участке, при проходе через остроконечные тангенциальные направляющие, во время закрутки потока отсепарированные взвеси отделяются из периферийных участков и выводятся через проемы 32, которые осуществляют через канал 26,
- второй - по внутренней поверхности сепарационного патрубка 29, в котором закрученный поток поднимается по внутреннему пространству 31, а отсепарированную взвесь выводят через канал 26 по конической направляющей 28,
- третий - вывод остаточной взвеси осуществляют при выводе отсепарированного газа из сепарационного патрубка 29 и при входе в выходной патрубок 34 с коническим наконечником 33, при этом взвесь, накапливаемую на конической направляющей 28, выводят через канал 27 в кольцевое пространство 14, а затем в кубовый сборник 36 (поток III).
Отсепарированный газ выводят посредством патрубка 34 и запорного вентиля 35, а отсепарированную жидкость выводят посредством патрубка 37 и запорного вентиля 38 (поток II).
По сравнению с известными изобретениями, заявленный - прямоточно-центробежный вихревой сепаратор имеет следующие преимущества:
- подвод исходного газожидкостного потока осуществляют посредством тангенциального патрубка, установленного на входе в сепарационную вихревую камеру с завихрителем со щелевыми тангенциальными прорезями;
- движение закрученного потока, осуществляемого последовательно, сначала в первом завихрителе сопровождается последовательным удалением отсепарированной жидкости и ее отводом, а затем завихрение во втором сепарационном завихрителе - патрубке с остроконечными тангенциальными направляющими, позволившим сепарацию более мелкодисперсной взвеси и ее отвода в кольцевые пространства 14 и 26;
- наличие кольцевых пространств для отвода отсепарированной влаги, которые размещены автономно по всей высоте вертикального сепаратора, которые позволяют отвод отсепарированной влаги осуществлять по месту ее сепарации, без контакта с сепарируемым газом, а потому не допуская возможности вторичного уноса, а отвод отсепарированной влаги из сепаратора осуществлен из одного патрубка 37 (поток II).
Предложенное техническое решение - использование последовательное двухступенчатого завихрения газового потока с применением патрубка тангенциального ввода и сепарационных завихрителей с эффективным отводом отсепарированной влаги в изолированные кольцевые пространства по всей высоте сепаратора, не допускающие вторичного уноса являются новым конструктивным решением для центробежных сепараторов, а 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 по К-22
1. Патент RU 2221625 C1 B01D 45/12 от 04.01.2004.
2. Патент RU 96784 U1 B01D 45/12 от 15.03.2015.
3. Патент RU 2320395 С2 B01D 45/12 от 26.02.2006.
4. SU 424582 B01D 45/12 от 07.12.71 - прототип.