Изобретение относится к технике разделения смеси жидкостей и частиц твердых материалов, в частности, к центробежным сепараторам, имеющим вход для подвода подлежащей разделению смеси компонентов и три выхода для отвода, соответственно, разделенных легкого и тяжелого жидких компонентов, и частиц твердого материала.
Известен центробежный сепаратор такого типа для отделения частиц твердого материала и воды от нефти, включающий ротор, полость которого образует сепарационную камеру, имеющую вход для смеси нефти, воды и тяжелых твердых материалов и три выхода, а именно: центральный выход для сепарированной нефти, периодически открывающийся выход на периферии ротора для сепарированных твердых частиц, и третий выход для сепарированной воды, размещенный радиально между двумя другими выходами, канал в роторе для протекания жидкости из третьего выхода сепарационной камеры в центральную камеру, соединенный со средством для выпуска жидкости из центральной камеры из ротора, и устройство для детектирования, когда граничный слой, образованный в сепарационной камере между сепарированной нефтью и водой, перемещается радиально внутрь до заданного уровня радиально внутри третьего выхода, при этом средство для выпуска жидкости из центральной камеры соединено с детектирующим устройством и предназначено начать выпуск сепарированной воды из сепарационной камеры через третий выход (1).
В этом известном центробежном сепараторе воспринимают момент, когда граничный слой между тяжелым и легким жидким компонентами переместится в роторе радиально внутрь до заданного уровня - несколько радиально внутрь от отверстия канала в сепарационной камере, после чего открывают выход тяжелого жидкого компонента. С этого момента отделенный тяжелый жидкий компонент получает возможность выходить из ротора через канал в роторе, причем граничный слой в роторе между разделенными жидкими компонентами все-таки остается на заданном уровне. Через некоторое время открывают расположенные на периферии ротора выпускные отверстия для выгрузки твердых частиц, отделенных от смеси жидких компонентов, подаваемой в ротор, при этом граничный слой перемещается в роторе в направлении радиально наружу за отверстие канала в сепарационной камере. Одновременно закрывают клапан, установленный на выходе для тяжелого жидкого компонента, после чего описанную процедуру повторяют.
Описанный выше центробежный сепаратор был разработан для применения на судах для очистки жидкого топлива от воды и твердых частиц. При разработке этого сепаратора предполагалось, что подлежащие очистке жидкие топлива могли иметь значительно изменяющееся содержание воды, но имели бы, по существу, одну и ту же плотность.
Однако вследствие изменения методов очистки сырой нефти плотность жидких топлив для приведения в движение судов в некоторых местах значительно увеличилась. Поэтому значительно уменьшилась разница в плотности между топливом и отделяемой от него водой. И если в 1970 г. плотность жидких топлив была примерно 0,935 кг/м3 при температуре около 98оС (нормальная температура разделения), то в 1980 г. она часто составляла примерно 0,960, тогда как плотность воды при соответствующей температуре равна примерно 0,965 кг/м3. Кроме того, в последнее время плотность жидкого топлива в разных портах, где суда производят заправку, стала очень разной. Она колеблется в пределах между 0,935 кг/м3 и 0,960 кг/м3. Была замечена также разница в вязкости жидкого топлива, что еще более усложняет проблему очистки жидких топлив разных сортов посредством центробежного сепаратора.
При использовании известного центробежного сепаратора предусмотрены средства для поддержания граничного слоя между разделенными жидкими компонентами, т. е. топливом и водой, в течение большего или меньшего периода времени на заданном уровне в роторе. Если эти средства состоят из неподвижных переточных отверстий для выпуска из ротора соответственно нефтетоплива и воды, то предполагается неизменная плотность соответственно топлива и воды для поддержания заданного уровня граничного слоя. Следовательно, в случае изменения плотности топлива, подлежащего отделению, неподвижные переточные выпускные отверстия для указанной цели не годятся. С другой стороны, в случае поддержания граничного слоя на заданном радиальном уровне в роторе путем восприятия разности давлений в выпускном трубопроводе и последующего управления клапаном, размещенным в этом выпускном трубопроводе, необходимо, чтобы используемое воспринимающее, управляющее и клапанное оборудование было достаточно чувствительным к появлению перемещений граничного слоя в роторе. Но такую чувствительность оборудования трудно обеспечить в случаях, когда разница в плотности между топливом и водой очень мала, что делает практически невозможным в таких случаях надежное поддержание граничного слоя между топливом и водой на заданном уровне.
Настоящим изобретением решается задача по повышению эффективности разделения путем создания центробежного сепаратора, в котором имеется возможность перемещения радиально наружу и внутрь граничного слоя, образованного в сепарационной камере.
В основном эта задача решается таким образом, что между каналом в роторе и центральной камерой имеется дополнительное соединение, которое расположено на таком расстоянии от оси ротора по радиусу, что когда граничный слой достигает заданного уровня в сепарационной камере, вес столба жидкости, расположенного между входным концом канала в роторе и центральным выходом для сепарированной нефти, значительно больше, чем вес столба жидкости, расположенного от входного конца канала в роторе до дополнительного соединения, а также имеется управляющий блок для прекращения выпуска сепарированной воды через средство для выпуска жидкости из центральной камеры, когда определенное количество сепарированной воды вытекло из сепарационной камеры через третий выход.
Выполнение такого дополнительного соединения на радиальном уровне достаточно далеко от оси ротора, через которое может вытекать отделенная вода из канала в роторе в центральную камеру и затем в средство выпуска, даже при прекращении ее вытекания из канала в роторе вокруг фланца, позволяет перемещаться граничному слою в сепарационной камере радиально наружу на значительное расстояние.
Наличие управляющего блока для прекращения выпуска сепарированной воды через средство для выпуска жидкости из центральной камеры, когда определенное количество сепарированной воды вытекло из сепарационной камеры через третий выход, обеспечивает прекращение выпуска жидкости из центральной камеры вместе с сепарированной нефтью.
В предпочтительном варианте изобретения средство для выпуска жидкости из центральной камеры содержит стационарный выпускной элемент, например, парный диск, который установлен в центральной камере и имеет выпускной канал, проходящий из центральной камеры и далее из ротора до места для приема сепарированной воды, причем в выпускном канале установлен клапан и управляющий блок размещен вблизи этого клапана.
В соответствии с настоящим изобретением в центробежном сепараторе имеется отдельное соединение между сепарационной камерой и каналом в роторе, выполненное между концами канала в роторе, при этом отдельное соединение имеет меньшую пропускную способность, чем сам канал в роторе.
Благодаря такому отдельному соединению значительно улучшается действие описанного устройства, например, при очистке жидкого топлива от воды. Так, во-первых, обеспечивается то, что при перемещении граничного слоя между топливом и водой в роторе в направлении радиально внутрь за входное отверстие канала в сепарационной камере отделенная вода будет вытеснять часть топлива, находящуюся в канале, обратно в сепарационную камеру через упомянутое сообщение и тем самым предотвращается загрязнение этим топливом воды, выходящей из сепаратора после открытия клапана.
Во-вторых, когда клапан, установленный в выпускном канале, вновь закрывает после выпуска некоторого количества воды, стационарный выпускной элемент, расположенный в центральной камере, через короткий промежуток времени будет погружен не в воду, а в топливо, вращающееся с той же скоростью, что и ротор. Это происходит потому, что после прекращения течения воды через канал в роторе топливо потечет и этот канал через упомянутое сообщение и поменяется местом с водой, находящейся в центральной камере. Это предотвращает обусловленное тепловыделением испарение оставшейся в центральной камере воды и заполнение ее парами пространства вокруг ротора. Если бы вода имела возможность такого испарения, то через некоторое время ее так много бы испарилось, что граничный слой в роторе переместился бы в направлении радиально наружу до уровня входного отверстия канала в сепарационной камере. При этом частицы топлива потекли бы в канал и через него в центральную камеру, откуда они уносились бы парами кипящей воды. Образующийся в результате этого туман, состоящий из воды и топлива, заполнил бы все пространство вокруг центробежного сепаратора. Такой нежелательный эффект был отмечен до того, как было предусмотрено отдельное соединение между сепарационной камерой и каналом в роторе. При наличии топлива в центральной камере соответствующая проблема испарения будет отсутствовать, поскольку топливо имеет более высокую точку кипения, чем вода.
Также, в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения, дополнительное соединение между каналом в роторе и центральной камерой выполнено в форме, по крайней мере, одного калиброванного отверстия такого размера, что оно ограничивает поток жидкости между каналом в роторе и центральной камерой. Это обеспечивает возможность заранее определить как необходимый период времени для удержания клапана открытым, такой, чтобы в конце периода граничный слой между разделенными жидкими компонентами переместился в направлении радиально наружу до заданного второго уровня, так и количество жидкости, протекающее через упомянутое соединение.
На чертеже представлен центробежный сепаратор, выполненный в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Показанный на чертеже центробежный сепаратор содержит ротор, имеющий нижнюю часть 1 и верхнюю часть 2, которые скреплены друг с другом стопорным кольцом 3. Ротор установлен на приводном валу 4, имеющем центральный канал 5 для подвода подлежащей разделению смеси в ротор. Снабженный захватывающими элементами 6 разделитель 7 направляет смесь в сепарационную камеру 8, в которой размещен набор конических тарелок 9. Твердые частицы, отделенные от смеси, поданной в ротор, накапливаются в зоне 10 сепарационной камеры 8. Для периодической выгрузки отделенных твердых частиц во время работы центробежного сепаратора ротор снабжен множеством периферийных отверстий 11. Для открытия и закрытия этих отверстий предусмотрена клапанная тарелка 12, образующая дно сепарационной камеры 8. Клапанная тарелка 12 может быть приведена в действие известным образом посредством жидкости, подаваемой к нижней ее стороне через подводящее устройство 13. При подаче жидкости в камеру 14 между нижней частью 1 ротора и клапанной тарелкой 12 последняя занимает верхнее положение, в котором она прижата к верхней части 2 ротора. Через несколько суженных отверстий 15 в нижней части 1 ротора жидкость вытекает из камеры 14. При прекращении подачи жидкости в камеру 14 находящаяся в камере 14 жидкость выходит через отверстие 15 и давление жидкости в сепарационной камере 8 отжимает клапанную тарелку 12 вниз, в результате чего отверстия 11 открываются.
При возобновлении подачи жидкости в камеру 14 клапанная тарелка 12 вновь отжимается вверх, в результате чего отверстия 11 закрываются.
Легкий жидкий компонент, отделенный от смеси, поданной в ротор, выходит из сепарационной камеры 8 через центральное переточное отверстие 16 и попадает в камеру 17. Посредством сдвоенного диска 18, размещенного в этой камере, отделенный жидкий компонент перекачивают дальше через выпускной трубопровод 19.
От радиально наружной части сепарационной камеры 8 ротора проходит внутрь, в направлении к центру ротора, канал 20, ведущий в центральную камеру 21. В центральной камере 21 размещен парный диск 22 для откачивания жидкости через трубопровод 23, являющийся, таким образом, продолжением канала 20.
Между каналом 20 в роторе и центральной камерой 21 имеется дополнительное соединение, выполненное в форме, по крайней мере, одного калиброванного отверстия 24 такого размера, что оно ограничивает поток жидкости между каналом 20 и центральной камерой (помимо уже имеющегося соединения канала 20 и центральной камеры вокруг внутренней кромки кольцевого фланца 25). Протекающая по каналу 20 жидкость проходит на своем пути в камеру 21 через одно или несколько небольших калиброванных отверстий 24 в кольцевом фланце, действующем как порог.
Между вышеупомянутым каналом 20 и сепарационной камерой 8 проходит коническая перегородка 26, в которой имеется отдельное соединение между сепарационной камерой 8 и каналом 20, выполненное в виде одного или нескольких небольших отверстий 27. Пропускная способность этого отверстия или всех отверстий вместе значительно меньше, чем пропускная способность канала 20.
Выпускной трубопровод 19 для отделенного легкого жидкого компонента проходит через детектирующее устройство 28, содержащее средства для непрерывного анализа потока, проходящего через трубопровод 19. Эти средства предназначены воспринимать начало появления в легком жидком компоненте частиц тяжелого жидкого компонента, которые не были отделены в роторе. Определенное содержание такого тяжелого компонента в легком компоненте означает, что граничный слой между разделенными жидкими компонентами в сепарационной камере 8 переместился радиально внутрь до определенного уровня. Этот уровень показан на чертеже штрих-пунктирной линией 29. Другой штрих-пунктирной линией 30 показан второй уровень, находящийся радиально снаружи от уровня штрих-пунктирной линии 29, но радиально внутри от отверстия канала 20 в сепарационной камере 8.
Вышеупомянутое устройство 28 может, например, содержать электрический конденсатор, между электродами которого пропускают проходящий через трубопровод поток или часть этого потока. Указанным образом может быть воспринято изменение диэлектрической постоянной протекающей жидкости.
В выпускном трубопроводе 23 для тяжелого жидкого компонента размещен запорный клапан 31, который обычно закрыт, но может быть открыт на период времени заданной длительности.
Посредством сигнальных линий 32 и 33 детектирующее устройство 28 и клапан 31 соответственно соединены с управляющим блоком 34. Этот управляющий блок 34 содержит средство управления выдержкой времени, предназначенное в ответ на полученный от детектирующего устройства 28 сигнал нахождения граничного слоя в роторе на уровне штрих-пунктирной линии 29 посылать к клапану 31 сигнал на его открытие для прохождения через трубопровод 23 потока в течение заданного периода времени, в результате чего упомянутый граничный слой переместится в направлении радиально наружу до уровня штрих-пунктирной линии 30.
Центробежный сепаратор работает следующим образом.
После подачи так называемой рабочей жидкости в камеру 14 в роторе и доведения тем самым клапанной тарелки 12 до упора в часть 2 ротора в сепарационную камеру 8 подают смесь, состоящую из двух жидких компонентов и твердых частиц. В этот момент клапан 31 закрыт.
Через некоторое время работы в радиально наружной части сепарационной камеры образуется граничный слой между отделенным легким жидким компонентом и отделенным тяжелым жидким компонентом. В этот момент канал 20 и камера 21 заполнены легким жидким компонентом. Поскольку клапан 31 в выпускном трубопроводе 23 закрыт, парный диск 22 не может откачивать легкий жидкий компонент из камеры 21. В это же время отделенный легкий жидкий компонент непрерывно поступает через переточное отверстие 16 в камеру 17, откуда он посредством сдвоенного диска 18 откачивается дальше через трубопровод 19 и детектирующее устройство 28.
При отделении тяжелого жидкого компонента в сепарационной камере 8 граничный слой перемещается в направлении радиально внутрь. Когда граничный слой минует отверстие канала 20 в сепарационной камере 8 и продолжает движение в направлении радиально внутрь, происходит вытеснение легкого жидкого компонента, находящегося в наиболее отдаленной в радиальном направлении наружу части канала 20. В результате этого возникает поток легкого жидкого компонента через отверстие 27 из канала 20 в сепарационную камеру 8.
После того как граничный слой достигает уровня штрих-пунктирной линии 29, находящегося вблизи от радиально наружных кромок разделительных конических тарелок 9, легкий жидкий компонент, текущий через промежутки между тарелками 9 и выходящий из ротора по трубопроводу 19, начинает уносить с собой частицы тяжелого жидкого компонента. Это немедленно воспринимает детектирующее устройство 28, которое подает сигнал к управляющему блоку 34, когда содержание тяжелого жидкого компонента в проходящем через трубопровод 19 потоке достигает определенного значения.
Сигнал от детектирующего устройства 28 приводит в действие механизм выдержки времени в управляющем блоке 34, причем одновременно поступает сигнал к клапану 31, который в результате этого открывается для пропускания потока через трубопровод 23. При этом вступает в работу парный диск 22, обеспечивая откачивание жидкости из камеры 21. Вначале эта жидкость представляет собой легкий жидкий компонент, находящийся в камере 21 и в той части канала 20, которая расположена наиболее близко к оси ротора, но после откачивания этого ограниченного количества легкого жидкого компонента, потечет из сепарационной камеры 8 через канал 20, отверстие 24 и камеру 21 и далее через выпускной трубопровод 23 наружу тяжелый жидкий компонент. В результате этого граничный слой между разделенными жидкими компонентами в сепарационной камере будет перемещаться в направлении наружу.
При этом необходимо, чтобы граничный слой, образованный в сепарационной камере, имел возможность перемещаться на значительное расстояние наружу, когда тяжелый жидкий компонент выводится из центральной камеры 21. Такое перемещение возможно в том случае, когда соединение между каналом 20 и центральной камерой 21, т. е. отверстия 24, размещается на радиальном уровне достаточно далеко от оси ротора, т. е. на таком расстоянии от оси ротора по радиусу, что когда клапан 31 открывается, вес столба жидкости, расположенного между входным концом канала 20 в сепарационной камере 8 и центральным выходом для сепарированного легкого компонента, которым является центральное переточное отверстие 16, значительно больше, чем вес столба жидкости, расположенного от входного конца канала 20 до отверстий 24. Тогда, при открытии клапана 31, тяжелый жидкий компонент будет выталкиваться через канал 20 из ротора через центральную камеру 21, и такое выталкивание будет продолжаться, пока не будет достигнуто равновесие между двумя вышеупомянутыми столбами жидкости, которое будет иметь место при расположении граничного слоя на уровне штрих-пунктирной линии 30.
Через заданный период времени после приведения в действие механизма выдержки времени в управляющем блоке 34 клапан 31 опять закрывают, в результате чего вытекание тяжелого жидкого компонента из сепарационной камеры прекращается. Заданный период времени рассчитывают с учетом, помимо всего прочего, проходного сечения отверстия 24 так, чтобы граничный слой в сепарационной камере 8 при закрытии клапана 31 находился на уровне штрих-пунктирной линии 30.
Как только клапан 31 закроется и поток тяжелого жидкого компонента через канал 20 прекратится, начинается выравнивание давлений с обеих сторон конической перегородки 26. При этом тяжелый жидкий компонент, находящийся в канале 20, течет в направлении радиально наружу через отверстие канала 20 в сепарационную камеру 8, а легкий жидкий компонент течет из сепарационной камеры 8 через отверстие 27 в канал 20. Граничный слой между легким и тяжелым жидкими компонентами в канале 20 устанавливается, по существу, на том же уровне, что и существующий граничный слой в сепарационной камере 8, т. е. на уровне штрих-пунктирной линии 30.
Операцию разделения затем продолжают до тех пор, пока граничный слой не переместится опять в направлении радиально внутрь до уровня штрих-пунктирной линии 29, после чего вышеописанную процедуру повторяют. Это может быть осуществлено несколько раз, прежде чем наступит время открывать периферийные выпускные отверстия 11 ротора для выгрузки отделенных в сепарационной камере твердых частиц. Открытие периферийных отверстий 11 может быть вызвано сигналом либо от таймера, либо от специального средства для восприятия количества твердых частиц, накопившихся в сепарационной камере 8.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения таймер выполнен с возможностью взаимодействия с управляющим блоком 34 следующим образом. Если детектирующее устройство 28 сигнализирует о заданном содержании тяжелого жидкого компонента в жидкости, протекающей через трубопровод 19, в пределах заданного периода времени, например, 15 мин, после последнего открытия периферийных выпускных отверстий 11, то открывают клапан 31 для выпуска тяжелого жидкого компонента через трубопровод 23. После же истечения упомянутого заданного периода времени, как только детектирующее устройство 28 обнаружит заданное содержание тяжелого жидкого компонента в жидкости, протекающей по трубопроводу 19, открывают периферийные выпускные отверстия 11.
После очередного закрытия периферийных выпускных отверстий 11 вышеописанную процедуру повторяют от начала операции разделения.
Далее, движениями открытия и закрытия клапана 31 можно управлять любым подходящим образом, например, руководствуясь восприятием различных местонахождений граничного слоя путем использования способа восприятия, описанного в (1). Кроме того, соединение в виде отверстия 27 между каналом и сепарационной камерой может быть выполнено любым другим подходящим образом, например, отверстие 27 может находиться в наиболее близкой к оси ротора радиально внутренней части конической перегородки 26.
В качестве альтернативы калиброванному отверстию 24 во фланце 25 может служить, например, калиброванное дроссельное отверстие в трубопроводе 23 или клапане 31.
В случае очистки, например, топлива от воды может случиться, что на пути топлива к центробежному сепаратору или в сепаратор будет образовываться эмульсия воды и топлива. Это приведет к образованию в сепарационной камере слоя эмульсии большей или меньшей радиальной толщины, который и будет составлять вышеупомянутый граничный слой между разделенными топливом и водой.
В традиционно работающих центробежных сепараторах было трудно удалять такую эмульсию из сепарационной камеры во время работы сепаратора. Все больше и больше эмульсии накапливалось в сепарационной камере, причем во время работы ротора она изменяла свою консистенцию и становилась все более и более плотной. В результате относительно плотная эмульсия загрязняла своими частицами чистое топливо, выходящее из ротора, и/или переливалась через край центральной выпускной камеры ротора для отделенной воды (поскольку эмульсия была легче, чем отделенная вода) и загрязняла наружную сторону центробежного ротора.
Воспринимая диэлектрическую постоянную жидкости, протекающей по выпускному трубопроводу 19, можно на очень ранней стадии заметить, что вода в виде эмульсии воды в топливе начинает течь по трубопроводу 19, уже до того, как эмульсия изменит свою консистенцию (диэлектрическая постоянная минерального топлива составляет 2-4, тогда как диэлектрическая постоянная воды - 80). Таким образом, можно посредством детектирующего устройства 28 определять местоположение крайней внутренней в радиальном направлении части эмульсионного слоя, образовавшегося в сепарационной камере, и после этого выпускать через клапан 31 не только отделенную воду, но и эмульсию. Так что настоящее изобретение позволяет решить проблему эмульсии, широко известную в области очистки тяжелого дизельного топлива посредством традиционного центробежного сепаратора. (56) Патент Швеции N 348121, кл. B 04 B 11/04, 1972.
Изобретение относится к технике разделения смеси жидкостей и частиц твердых материалов, в частности к центробежным сепараторам, имеющим вход для подвода подлежащей разделению смеси компонентов и три выхода отвода для соответственно разделенных легкого и тяжелого жидких компонентов, и частиц твердого материала. С целью повышения эффективности разделения за счет создания возможности перемещения радиально наружу и внутрь граничного слоя, образованного в сепарационной камере, в центробежном сепараторе между каналом 20 в роторе и центральной камерой 21 имеется дополнительное соединение в виде отверстия 24, выполненное в форме по крайней мере одного калиброванного отверстия, которое расположено на таком расстоянии от оси ротора, что когда граничный слой достигает заданного уровня в сепарационной камере 8, вес столба жидкости, расположенного между входным концом канала 20 и центральным выходом для сепарированной нефти, значительно больше, чем вес столба жидкости, расположенного от входного конца канала 20 до дополнительного соединения, а также имеется управляющий блок 34 для прекращения выпуска сепарированной воды через средство для выпуска жидкости из центральной камеры 21, когда определенное количество сепарированной воды вытекало из центральной камеры. Отдельное соединение в виде отверстия 27 между сепарационной камерой 8 и каналом 20, выполненное между концами канала 20 и имеющее меньшую пропускную способность, чем сам канал 20, позволяет предотвратить загрязнение воды нефтью и устранить парообразование в сепараторе. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.
