МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОНИЧЕСКИЙ СЕПАРАТОР С ЗАКРУТКОЙ ПОТОКА
MULTISTAGE CONE SEPARATOR WITH FLOW SPINNING

Изобретение может быть использовано в нефтегазовой промышленности, а также в других областях науки и техники, где имеется необходимость разделять совместно текущие жидкость и газ.
Данное изобретение является развитием патента №2304015 «Способ выделения жидкости из газожидкостного потока в трубопроводе и многоступенчатое устройство для его осуществления» и преследует цель увеличить его эффективность. В дальнейшем в описании патент №2304015 будет называться сепаратором-аналогом.
Существо процесса в сепараторе-аналоге заключается в следующем. Газожидкостный поток, попадая в сужающийся канал (далее конфузор), разгоняется в нем, вследствие инерционности линии тока капель отстают от линий тока газа и частично выпадают на стенку конфузора, образуя жидкую пленку. В конце конфузора эта пленка отбирается через кольцевой зазор. Газожидкостный поток уже с меньшей концентрацией жидкости поступает в специальный диффузор, где его скорость доводится до необходимой. Из диффузора газожидкостный поток попадает в следующую ступень, аналогичную по конструкции предыдущей, если она только не является последней. Если ступень сепаратора является последней, то газожидкостный поток попадает в эжектор, который отсасывает газ из емкости для сбора жидкости. В эту емкость частично вместе с жидкостью попадает и газ.
Следует отметить, что многоступенчатый конический сепаратор состоит из нескольких аналогичных по конструкции ступеней, в которых могут отличаться только величины зазоров для отбора жидкой пленки. Предварительные оценки показывают, что для эффективной работы конического сепаратора достаточно иметь три его ступени. Закрутка потока в сепараторе-аналоге не предусмотрена.
С целью увеличения коэффициента сепарации каждой ступени предлагаемого многоступенчатого конического сепаратора, а следовательно, и всего сепаратора в целом, предлагается произвести закрутку газожидкостного потока как на входе в первую ступень сепаратора, так и на входе в каждую последующую его ступень. При закрутке газожидкостного потока на капли его ядра будут действовать центробежные силы, которые будут способствовать выносу капель на стенки конфузора, что и приведет к увеличению коэффициента сепарации.
В дальнейшем при описании способа и конструкции многоступенчатого конического сепаратора с закруткой потока будем пользоваться приложенным к описанию чертежом.
На входе в первую ступень сепаратора, состоящего из ряда аналогичных ступеней, установлен завихритель 2, представляющий собой венец спрофилированных лопаток (сечение А-А) и создающий закрутку потока на входе в сепаратор. За завихрителем 2 установлен конфузор 3 первой ступени сепаратора, который с одной стороны крепится фланцами к завихрителю 2, а другим концом к отборнику пленки 5.
Цилиндрическая втулка 4, укрепленная в заднем фланце отборника пленки 5, образует кольцевой зазор совместно с кольцевой проточкой на конфузоре. Через этот зазор и отбирается собранная на поверхности конфузора жидкость.
За отборником пленки устанавливается двойной диффузор, состоящий из трех частей: переднего диффузора 6, узла центрального тела 7 и заднего диффузора 8. Передний диффузор образуется наружным коническим корпусом и конусом узла центрального тела 25. Задний диффузор образуется цилиндрическим наружным корпусом и также конусом узла центрального тела. Конус узла центрального тела 25 крепится к наружному корпусу с помощью венца спрофилированных лопаток (сечение В-В) 26, который также образует завихритель и дает закрутку потоку на входе в следующую ступень.
За первой ступенью устанавливается вторая ступень, и если она не последняя, то ее конструкция такая же, как конструкция первой ступени. Если это ступень последняя, то далее поток попадает по магистрали 16 через емкость 19 и по магистрали 21, с установленным на ней краном 22, в эжектор 12, а из него в отводящий трубопровод 11.
Работа двухступенчатого конического сепаратора осуществляется следующим образом. Газожидкостный поток из подводящего трубопровода 1 подается в завихритель 2, где поток получает закрутку. Далее газожидкостный поток попадает в конфузор 3, в котором жидкость частично выпадает на стенки канала. В конце конфузора выполнена цилиндрическая проточка, поверхность которой вместе с наружной поверхностью втулки 4 отборника пленки образуют зазор, через который жидкость отбирается с поверхности конфузора. Из полости отборника пленки 5 жидкость с включениями газа по магистрали отбора 13, с установленным на ней регулирующим краном 14, попадает в емкость для ее сбора 19. Регулирующий кран 14 необходим, с помощью его можно установить такое гидравлическое сопротивление магистрали отбора 13, что количество отбираемой жидкости будет максимальным, а расход попутного газа минимальным.
Другая часть газожидкостного потока, пройдя диффузоры 6 и 8 и получив закрутку в завихрителе 26, попадает на вход конфузора 9 второй ступени. Выпавшая на стенку конфузора 9 жидкость отбирается отборником пленки 10 и также по магистрали 16 через регулирующий кран 15 подается в емкость для ее сбора 19.
Установка на магистралях отбора 13 и 16 регулирующих кранов 14 и 15 необходима, т.к. с помощью их можно установить максимальный расход отбираемой жидкости при минимальном расходе попутного газа. Отбираемая со стенок конфузора жидкость носит волнистый характер и в гребнях волн может находиться до 50% газа. Кроме того, около пленки образуется плотный капельный слой, который с целью повышения коэффициента сепарации желательно отобрать, а вместе с ним отберется и часть газа.
В рассматриваемом случае конический сепаратор двухступенчатый, и на выходе из отборника пленки второй ступени газожидкостный поток попадает в емкость для отбора жидкости 19, а из нее по магистрали отбора 21 через регулирующий кран 22 отсасывается эжектором. В принципе, избыточный газ из емкости 19 можно откачивать эксгаустером.
Из емкости 19 конденсат или какая-либо другая жидкость через регулировочный кран 23 и насос 24 подаются к потребителю.
Для стабильной работы сепаратора необходимо, чтобы уровень жидкости в емкости 19 поддерживался постоянным. Для этого в емкости 19 устанавливается потенциометрический датчик 18, который связан с управляюще-измерительным блоком (УИБ) 27. В случае уменьшения или увеличения расхода жидкости сигнал с потенциометрического датчика поступает на УИБ, а с него или на регулировочный кран 23 или на насос 24, которые или уменьшают или увеличивают расход жидкости. Расход жидкости можно также регулировать с помощью сигналов, поступающих с емкостных датчиков 17, укрепленных на емкости 19 и связанных с УИБ.
Кран 22 на магистрали отбора 21 первоначально полностью открыт, затем он прикрывается до тех пор, пока потенциометрический датчик не подаст сигнал на нормальное положение уровня жидкости в баке. Это делается для того, чтобы в емкость 19 не закачивался излишний газ.
Аналогичным образом и для той же цели работают краны 14 и 15 на магистралях 13 и 16. Все электроприводы кранов 14, 15, 22 и 23 связаны с УИБ. На схеме эти связи не указаны.
Прозрачная градуированная трубка 20, соединенная с емкостью 19, как показано на чертеже, позволяет контролировать уровень жидкости в ней, а также эта градуированная трубка может быть использована для тарировки как поплавкового датчика 17, так и емкостных датчиков 18. Кроме того, с помощью прозрачной градуированной трубки всеми операциями на стенде можно управлять вручную.
Многоступенчатый конический сепаратор и сепаратор-аналог имеют общие положительные качества: они могут работать при больших концентрациях жидкости вплоть до сохранения дисперсно-кольцевого режима течения, имеют малые радиальные размеры, сравнимые с габаритами подводящего трубопровода, а следовательно, малую металлоемкость, они могут работать при малых давлениях газа, для работы с ними не требуется большого помещения.
Здесь был рассмотрен двухступенчатый конический сепаратор, однако его конструкция такова, что перед первой ступенью сепаратора можно установить одну или две новые ступени. Новые ступени можно установить и перед второй ступенью сепаратора. Установление дополнительных ступеней сепаратора, естественно, приведет к повышению коэффициента сепарации всего многоступенчатого конического сепаратора и с закруткой потока и без нее.
Вместе с тем надо иметь в виду, что с ростом числа ступеней многоступенчатого конического сепаратора будет расти и его гидравлическое сопротивление.