ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ГИДРОЦИКЛОННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ЖИДКИХ КОМПОНЕНТОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ВЕЛИЧИНАМИ ПЛОТНОСТИ ОТ СМЕСИ ТЕКУЧИХ СРЕД Российский патент 1997 года по МПК B04C5/81 

Изобретение относится к разделению смесей жидкость/жидкость, более конкретно (но не исключительно) к отделению нефти от нефтесодержащей воды или воды от нефти, когда эти жидкости подвергаются обработке, например, на производственной площадке нефтяной скважины или на любой перерабатывающей установке, где нефть и вода обрабатываются в виде смеси.

В ходе типичной операции по добыче нефти количество полученной воды возрастает по мере старения месторождения. При некоторых, если не при большинстве операций, большая часть объема полученных текучих сред может представить собой воду. Следовательно, при таких операциях имеется большое количество воды, которую надо удалять или обрабатывать иным образом каким-либо способом. Это обычно дорогостоящий процесс, т. е. операция удаления добытой воды. Ограничения по размеру и весу для разделительного оборудования ограничивают имеющиеся возможности выбора. Кроме того, на плавучих морских платформах движение платформы может отрицательно повлиять на характеристики некоторых традиционных типов разделительного оборудования. Не последней важности является проблема отделения нефти от воды до такой степени, чтобы воду можно было сбрасывать в море или в водный бассейн при соответствии требованиям окружающей среды.

В целях решения некоторых из проблем, связанных с вышеописанным обстоятельствами, для решения этих задач разделения нефти и воды использовались гидроциклонные сепараторы. Однако традиционно гидроциклоны использовались для разделения смесей, таких как жидкости/твердые вещества и газы/твердые вещества и поэтому к проблемам, связанным с разделением жидкости/жидкости, не обращались. В частности, разделение нефти и воды дополнительно осложняет решение вопроса в том, что разделение связано со значительными интервалами скоростей сдвига, что создает дополнительный аспект осложнения для разделения жидкость/жидкость. Природа смеси нефть/вода состоит в том, что жидкая дисперсия, которая представляет собой комплексную дисперсию, и применение гидроциклона для разделения двух несмешивающихся жидкостей в одно время считалось невозможным. Жидкая дисперсия внутри непрерывной жидкой фазы ставит проблемы разделения перед специалистом в данной области такие, как малая разностная плотность между жидкими фазами и чувствительность жидкой дисперсии к усилиям сдвига. Обычно разностная плотность (удельный вес) бывает меньше порядка на 0,2 и вызывает сложности при отделении дисперсии от однородной фазы. Большинство используемых на сегодняшний день гидроциклонов предназначены для удаления более плотной дисперсии из однородной фазы и выполняют это путем создания завихрения внутри корпуса гидроциклона, что побуждает более плотную дисперсию перемещаться радиально наружу к стенкам, оставляя лишенную дисперсию однородную фазу вблизи оси гидроциклона. Напротив, почти все нефти являются менее плотными, чем вода, и поэтому, когда загрязненную нефтью воду пропускают через гидроциклон, радиальное ускорение завихрения побуждает капельки нефти (дисперсная фаза) перемещаться к оси гидроциклона в центре завихрения, оставляя не содержащую нефти воду (однородная фаза) вблизи у стенок гидроциклона. Это, следовательно, налагает различные реакции связи на конструкцию гидроциклона. В то же время, при более плотной дисперсии наибольшая часть однородной фазы удаляется через измеритель завихрения в стенке со стороны выше по потоку гидроциклона в виде перелива. Разделенная дисперсия выходит из циклона с небольшой частью однородной фазы из граничного со стенкой слоя, в виде течения под поверхностью. Когда дисперсия представляет собой наименее плотную фазу, течение под поверхностью становится наибольшей пропорцией от общего протока (90 95), в то время как перелив (удаление дисперсии от оси гидроциклона) в значительной степени снижен. Также наиболее плотная дисперсия после достижения стенки гидроциклона удерживается там в относительно стабильном граничном слое у стенки, но наименее плотная дисперсия, которая образует столб вдоль оси гидроциклона, не имеет такой реакции связи и основывается полностью на благоприятной внутренней структуре потока в отношении ее стабильности и удаления из гидроциклона без дополнительного разрушения. Так как разность плотности относительно мала при дисперсии нефти в воде, а конструкция гидроциклона должна создавать области очень быстрого вращения для усиления разделения; однако в то же время также предотвращать разрыв нефтяных капель в областях высокого сдвига. Имея в виду эти ограничения, конструкция эффективного гидроциклона для разделения нефтесодержащей воды, хотя возможно поверхностно подобная случаю гидроциклона для более плотной дисперсии, существенно различна в своих требованиях, приводя к относительно различающейся геометрии.

Гидроциклоны начали находить коммерческое признание на рынке нефти/воды из-за возросшего внимания к загрязнению окружающей среды. В целях возврата полученной воды в океан в ходе операций добычи в открытом море, стало обязательным снижение остаточной нефти в воде обычно до менее, чем 40 частей на миллион. Имеются гидроциклоны, иногда называемые "нефтеудалительными". В некоторых из эти смесей вода может быть в дисперсной фазе и в однородной нефтяной фазе (патенты США NN 4721565, 4749490).

Приемка промышленностью этого изделия выросла, поэтому возникла необходимость в повышении эффективности этого устройства при разделении фаз. В ходе операций по удалению нефти просматриваются необходимость уменьшения процентного содержания нефти в нефтесодержащей воде, которую разделяют для ее возвращения в океан.

В целях удовлетворения все возрастающим строгим требованиям законодательств по окружающей среде и решения проблем разделения, неразрешимых с помощью имеющихся в настоящее время на рынке изделий, становится все более важно разрабатывать разделительную технику такого типа, которая обеспечит более эффективное разделение для удовлетворения критериев, которые, например, в нефтяной промышленности имеют тенденцию к снижению по отношению к вышеуказанному типичному стандарту в 40 частей на миллион нефти в воде, которая должна быть возвращена в океан в ходе операции бурения в море.

В конструкции гидроциклонов жидкость/жидкость считалось важным создать очень мягкие переходные потоки по длине гидроциклона в попытке поддержания заданной центробежной силы на заданную длину циклона с минимумом потерь на трение и разрывов потока. В попытке улучшить эффективность разделения, было решено провести эксперимент с простым устройством удлинения разделительной камеры для того, чтобы сообщить дополнительное время нахождения с тем, чтобы менее крупные капельки, которые менее плавучи, могли в действительности иметь больше времени для достижения центрального столба с целью их удаления. Предшествующие попытки обычно вращались вокруг способа, при котором обеспечивался бы мягкий переход от входного потока до максимального ускорения, с сохранением этого ускорения на определенную длину, а затем с добавлением по необходимости времени пребывания. Сопоставление здесь таково, что дополнительное время нахождения создает значительное дополнительное падение давления, которое в прошлом, как полагали, было неоправданным из-за дополнительных увеличений эффективности, которая должна быть получена. Другой аспект необходимости быстрых переходов между ускорениями в циклоне заключался в том, что при увеличении скорости текучей среды или углового момента быстрым образом, будут иметь место перпендикулярные напряжения, созданные в потоке текучей среды, и поэтому капельки дисперсной фазы будут труднее поддаваться удалению. Отмечается, что в конструкции входного устройства вы обычно пытаетесь увеличить скорость на входе в циклон до той только точки, в которой напряжения сдвига становятся чрезмерными и разрешение капель становится значительным. Значительное разрушение означает, что капельки срезаются до такой степени, что они не могут быть эффективно удалены в циклоне, поэтому в целях решения имеющихся проблем имеется в основном два выхода. Один касается влияния срезания капельки из-за ускорения, что является главной заботой, а второй должен рассматривать эффект увеличения потери давления в гидроциклоне. Потеря давления является вредной по отношению к подаваемым давлениям для приведения циклона в действие, которые могут потребовать увеличения, и поэтому вводимая энергия должна быть увеличена.

Другая проблема, которую пришлось встретить разработчикам гидроциклонов вода/нефть, состояла в "повторном увеличении". Когда нефть перемещается к середине, она может быть повторно увлечена в воду в граничном слое, который существует вблизи от сердцевины.

Как полагают, это особенно справедливо, если скорость завихрения мала. Однако при увеличении скорости вы также подвергаетесь опасности увеличения сдвига. Таким образом, в то время как меньшие диаметры и более крутые конусности могли бы увеличить скорость завихрения, они также увеличили бы опасность среза более крупных капелек.

Еще одно явление, которое происходит при крутой конусности, состоит в рециркуляции. Вихревые потоки на впускном участке стремятся к образованию, когда вы уменьшаете большой объем на малый на малом расстоянии. Сужение создает вектор потока к впускному отверстию, что создает аксиально направленное завихрение. Рециркуляция в эвольвенте приводит к образованию твердых веществ на входном торцевом участке вблизи от наружной стенки, где она встречается с концом входного отверстия, что, в свою очередь, вызывает эрозию камеры.

Таким образом, несмотря на кажущиеся вредные явления, приписываемые уменьшению диаметра гидроциклона, как указано выше, заявители тем не менее сделали попытку преодоления очевидных проблем с целью разработки гидроциклона с более высокой эффективностью (патент США N 4683061). Это решение было частично мотивировано достижением, которое было сделано предшествующей работой с более крупными размерами капель, и теперь заявители вновь искали распределение размеров капель и более внимательно отмечали, что распределения почти всегда содержали участок с меньшими размерами капелек, с которыми в конечном счете надо иметь дело.

Задача изобретения создание нового и усовершенствованного гидроциклона для разделения жидких компонентов смеси и, в частности, нефтяной и водной фаз из жидкой смеси, в котором номинальный диаметр гидроциклона, или диаметр сужения, как он здесь называется, находится в пределах от 8 до 28 мм. Усовершенствованный гидроциклон должен быть способен работать при низких приводных давлениях и при этом еще обеспечивать удовлетворительную эффективность разделения, несмотря на малый диаметр, при этом минимальная объемная производительность может быть не выше, чем примерно 50 баррелей (79.490 л) в день, на единичный блок циклона. Такой усовершенствованный сепаратор будет эффективным для работы с малыми размерами капелек и будет обладать большей эффективностью, чем сепаратор с циклонами большего номинального диаметра, при подобных условиях процесса. Соотношения площади к объему, используемые в удлиненной части разделительной камеры в таком гидроциклоне, будут находиться в диапазоне значений, которые создают необычно высокую эффективность.

Краткое описание чертежей:
фиг. 1 схематичное изображение одного из двух альтернативных геометрических форм для разделительных камер в гидроциклоне;
фиг. 2 вторая альтернативная геометрическая форма камеры;
фиг. 3 графическое изображение скоростей протока против давления дельта между впуском и выпуском для различных номинальных размеров гидроциклонов;
фиг. 4 графическое изображение давления на входе против эффективности для стандартного и для гидроциклона с малым номинальным диаметром;
фиг. 5 графическое изображение разности давлений на входе/выходе против повышения эффективности для различных номинальных размеров гидроциклонов.

фиг. 6 графическое изображение номинального диаметра гидроциклона против соотношения площади к объему против повышения эффективности;
фиг. 7 график, на котором показана нормализованная кривая, изображающая распределение капель по размеру в дисперсной фазе смеси нефть-вода.

Описание предпочтительных вариантов осуществления.

Согласно фиг. 1 и 2, гидроциклон показан в двух слегка отличающихся конфигурациях, вначале он имеет удлиненную разделительную камеру 1, начинающуюся на более широком конце 2 и заканчивающуюся в корпусе, образованном объемом вращения, до противоположного меньшего конца, образующегося выпускное отверстие нижнего истечения 3. Как показано, выпускное отверстие 4 по принципу перелива расположено в стенке более широкого конца 2. Впускное отверстие 5 на большем конце 2 или вблизи него обеспечивает наличие средств ввода для текучих смесей внутрь разделительной камеры. Впускной диаметр Di представляет собой средний диаметр, при котором поток входит в циклон через одного или более впускных отверстий, и он, таким образом, в два раза превышает минимальное расстояние тангенциальной составляющей центральной линии на входе от оси циклона. Плоскость впуска определяется как плоскость, перпендикулярная к оси циклона в среднем аксиальном положении впускных отверстий, в результате чего ввод углового момента текучих сред в гидроциклоне равномерно распределен относительно нее.

Необходимо отметить, что профиль объема вращения, образующегося разделительную камеру, может принимать бесконечное разнообразие форм, при этом только две такие конфигурации приведены на фиг.1 и 2. Фиг. 1 состоит из отдельных участков, включающих впускной участок 6, представленный в виде цилиндрической камеры, за которой следует слева направо первый конический участок 7 с крутой конусностью, за которым далее следует второй конический участок 8 с менее крутой конусностью. Переход между первым и вторым конусообразными участками представлен участком-горловиной 9, который также представлен в виде D_т в целях обозначения. Эта горловина D_т также называется теоретическим номинальным диаметром гидроциклона и является важной ссылкой для изложения реализованных здесь идей, которые обеспечивают получение высоких характеристик по эффективности. Необходимо также помнить, что это просто является теоретической ссылкой и где имеет место примерно максимальная тангенциальная скорость или завихрение. В действительности может быть, что такую точку будет трудно определить с точностью. Следовательно, в данном случае цель заключается в использовании концепции для передачи содержащейся здесь информации и дать достаточную уверенность для испрашивания защиты данного изобретения. Концевой участок разделительной камеры в верхней конфигурации на фиг. 1 показан как цилиндрический или практически цилиндрический параллельный участок 10.

Разделительная камера (фиг. 2) не показывает отдельных участков, но тем не менее такие участки представлены по крайней мере функционально на фиг.1. Например, там, где входное отверстие 5 входит в разделительную камеру, имеется функционально впускной участок, соответствующий впускному участку 6 на фиг. 1 и т.д. При этом остальные соответствующие участки изображены по всей длине всей разделительной камеры, по мере ее продолжения в виде непрерывной кривой до выпускного отверстия с нижним истечением 3. Диаметр горловины D_т, который также называют как номинальный диаметр, определяется несколькими различными путями, как будет описано ниже, но функционально горловина это то приблизительное место, где жидкости, протекающие через разделительную камеру, практически достигли своего максимального ускорения и тангенциальной скорости. В стандартной геометрии, которая развилась в уровне техники гидроциклона жидкость/жидкость, d₂ обычно представляет собой обозначенную ссылку для этого номинального диаметра, в данном случае обозначенного D_т. Иногда d₂ определяют как находящийся там, где диаметр корпуса составляет 0,5 d. В случае одиночного изогнутого входного отверстия, Di обычно превышает D_I, но в случае тангенциального входа с прямым поворотом Di может быть меньше, чем D_I. В данной заявке Di обозначает функциональное место, где смесь входит в гидроциклоне и, следовательно, оно описывает то, что происходит динамически. Поэтому в данной заявке D_т описывается со ссылкой на D_i обычно как имеющее место при > 0,5 D_i или равное 0,6 D_i.

Выше, в предпосылках создания изобретения, было сказано о том, что некоторое изменение в концептуальном мышлении приводит теперь к применению меньшего диаметра горловины, что представляет собой важный аспект настоящего изобретения. Большой объем экспериментальной работы был недавно проделан для идентификации этих параметров, включая оптимальные номинальные диаметры, что обеспечивает повышение эффективности разделения. Было обнаружено, что эффективность обычно увеличивается по мере уменьшения диаметра. Когда диаметр уменьшается, также имеет место сопровождающее увеличение падения давления через установку, предполагающее постоянную пропускную способность или же уменьшение пропускной способности, предполагающее постоянное входное давление.

На фиг. 3 графически показано, что происходит с производительностью против давления, при использовании трех гидроциклов с разными размерами, выполненных с геометрией, подобной изображенной на фиг. 1. Выбрав любую точку постоянной разности давлений между входным и выходным давлением, скажем, например, 50 фунтов на кв. дюйм, т. е. 3,5 кг/см², видно, что для гидроциклона с номинальным диаметром 19 мм проток составляет примерно 10 галлонов (1589,8 л) в минуту, в то время как при том же самом дельта Р расход составляет примерно 29 галлонов (4610,4 л) в минуту для гидроциклона 35 мм. Это, конечно, иллюстрирует недостаток малых расходов с установкой меньшего диаметра, если требуется работать с более значительными расходами, что должно бы потребовать увеличение числа отдельных разделительных камер. С другой стороны, на фиг.4 видно, что для заданного входного давления гидроциклон в 12 мм проявляет существенное улучшение эффективности по отношению к установке на 35 мм. Опыты, которые были бы использованы для получения этих данных, имели параллельные проточные трубопроводы, выполненные так, что полученная текучая среда из скважины разделялась по двум проточным трубопроводам одновременно для разделения в обеих разных разделительных камерах, т.е. 35 мм и 12 мм по размеру. Это давало идентичные условия для всех свойств жидкости, включая распределение размера капель, плотность, температуру и т.д.

В то время, как является очевидным, что использование меньшего диаметра будет увеличивать давление при заданном расходе внутри гидроциклона, также ожидается, что увеличение давления увеличит вероятность напряжений сдвига, прилагаемым к капелькам, образующим дисперсную фазу. Выше, при рассмотрении параметров конструкции гидроциклонаровали, внимание сосредотачивали на законе Стокса, в котором частично говорится о том, что разделение является функцией размера капельки и что меньшие капельки значительно труднее отделить, чем более крупные капельки. Таким образом, гидроциклоны не удалят с эффективностью меньшие капельки в пределах определенного диапазона. Кроме того, полагали, что циклоны меньшего диаметра и с более крутыми углами конусности в разделительной камере подходили для срезания капелек внутри циклона, образуя в результате меньшие капельки, которые было бы трудно удалить, поэтому разработчики не стали использовать преимущество того, что циклоны меньшего диаметра эффективно удаляют меньшие размеры капелек. Это потому, что влияние сдвига в циклоне менее вредно, когда вы работает с меньшими капельками, которые уже срезаны, если так говорить, поэтому срезание в циклоне, вызванное конструктивными параметрами, будет иметь тенденцию к повреждению в большей степени более крупных капелек, то есть именно более крупные капельки и срезаются в циклоне. Однако до тех пор, пока мы не срезаем ниже, (скажем, 6 мкм, к которым будут приспособлены установки меньшего диаметра), до тех пор нас не касается тот факт, что как меньшие диаметры горловины, так и более быстрый переход к меньшему D горловины будут равным образом вызывать срезание более крупных капелек, так как эти срезанные капли не будут удалены более эффективно. Это также смягчает относительно информации о проблемах сдвига, если рассматривать повторное увлечение и рециркуляцию. С учетом вышеизложенного теперь признано, что гидроциклон может иметь такую конфигурацию, чтобы быстро ускорить смесь для вывода более крупных капелек и вновь быстро ускорить оставшуюся смесь без дополнительного срезания того, что осталось, или без срезания того, что остается, скажем ниже от 6 до 8 мкм. При меньших диаметрах гидроциклон имеет меньший объем и оставшиеся капельки будут иметь лучший шанс контролировать друг с другом, в результате чего они слипаются, и таким образом больше способности для отделения благодаря центробежному процессу гидроциклона. Благодаря наличию меньшего диаметра вы также физически уменьшаете расстояние, которое капелька должна преодолеть до достижения центрального сердечника и, таким образом, также сокращается время, которое ей надо для достижения сердечника. Эти характеристики приводят к увеличению диапазона капелек, которые удаляются из смеси, и повышают эффективность разделения. Если мы затем добавим большее время пребывания для поддержания этой динамики, дополнительно возрастает шанс на слияние и, таким образом, на отделение.

В то время как признано, что меньший диаметр и/или гидроциклон с более крутой конусностью наиболее правильно будут создавать дополнительное срезание более крупных капелек, этот недостаток оказывается перевешиваемым с помощью того факта, что гидроциклон с меньшим диаметром также будет отделять меньший размер капелек, и, таким образом, средний удаленный размер капелек уменьшается с номинальным размером гидроциклона. Следовательно, объем удаленных капелек увеличивается в меньших номинальных размерах и эффективность, благодаря этому, возрастает. Из данных следует, что гидроциклоны, имеющие номинальный диаметр от 8 до 28, будут эффективно удалять капельки в диапазоне от 4 до 10 мкм. Таким образом, в то время, как срезание капелек может происходить как результат меньшего размера и более крутых конусностей, этот эффект компенсируется возрастанием части смеси, которая удаляется. Для заданного набора условий выпускное отверстие с вытеканием снизу будет иметь компоненты дисперсной фазы, присутствующие в форме капелек, которые не выделялись в разделительной камере. При корпусе с диаметром меньшего номинального размера распределение капелек по размерам в этих остающихся капельках на выходе с вытеканием снизу будет иметь средний размер, который меньше, чем диапазон от 4 до 8 мкм, в то время, как гидроциклон больше, чем 28 мм, при тех же самых условиях будет иметь распределение на выпуске, которое выше. Эта часть смеси, которая представлена этой разностью в среднем размере капелек, буде определяющей в улучшении эффективности разделения. Это взаимоотношение показано графически на фиг. 7, на которой распределение капелек на нормализованном входе смеси обозначено площадью под кривой на этой фигуре. В целях иллюстрации смесь имеет дисперсную фазу в 1000 частей на миллион нефти в однородной фазе воды, причем эти 1000 частей на миллион дисперсной фазы представлены площадью под кривой. Средний размер капельки D₅₀ дисперсной фазы в этом иллюстрированном примере составляет 20 мкм. Если гидроциклон с номинальным диаметром 35 мм удаляет эти капельки при заданном наборе условий (температура, рН и т.д.), по отношению к капелькам, имеющим средний размер 8 мм, а эта часть дисперсной фазы выше 8 мкм составляет 80 распределения, D₈₀, когда эффективность гидроциклона составляет 80% и концентрация капелек в выпускном отверстии с нижним вытеканием будет составлять 0,2 х 100 частей на миллион или 200 частей на миллион. Гидроциклон с номинальным диаметром 20 мм мог бы, однако, удалить капельки размером до пример 5 мкм при тех же самых условиях, т. е. до среднего размера 6 мкм, что составляет 90 от распределения, D₉₀. Следовательно, КПД этого последнего гидроциклона составит 90 и 1000 частей на миллион х 0,1 100 частей на миллион, в результате чего обеспечивается увеличение эффективности на 10% В ранних данных показывается, что при нормальных рабочих условиях месторождения вышеуказанные иллюстративные примеры отображают усовершенствование, которое можно ожидать при установках с меньшим номинальным диаметром. Это, конечно, предварительно предполагает, что смесь содержит значительную часть меньших капелек, в результате чего это преимущество будет действовать.

На фиг. 5 представлено сравнение для корпусов разделительных камер с разными размерами, в отношении повышения эффективности в процентах по сравнению с корпусом в 35 мм при изменении дельта Р на входе/выходе. Эти данные были взяты, как описано ранее, когда установка с малым диаметром работала в линии с параллельным потоком с блоком 35 мм. Смесь содержала средний размер частиц дисперсной фазы в диапазоне 12 14 мкм; температура смеси составляла 112^oF (44,4^o C. Интересно отметить на фиг.5, что одна из верхних линий, помеченная 15 мм ASAD, имеет корпус, подобный нижней линии, обозначенной просто 15 мм, за исключением того, что корпус гидроциклона, обозначенный верхней линией, имеет вытянутый параллельный участок, добавленный к корпусу для обеспечения большего времени нахождения для текучих сред в разделительной камере, и, следовательно, имеет более высокую эффективность.

При анализе большого объема данных, полученных в ходе этих испытаний, была продумана основная мысль или подоплека для различных вышеописанных явлений. В то время, как абсолютное объяснение, вероятно, невозможно, подходящее объяснение было установлено выше по отношению к более длительному времени нахождения, более коротким расстоянием для прохождения капель, поведению небольших капелек в условиях значительного сдвига и т.д. Однако в последующем анализе оказалось, что не известное до настоящего времени взаимоотношение существовало, и оно в значительной степени влияет на рассматриваемую проблему, которая представляет собой соотношение площади к объему разделительной камеры после того, как будет достигнутого место в форме корпуса, где происходит максимальное ускорение. Это место, как мы полагаем, находится примерно там в конфигурациях стандартного типа, как приведено на фиг. 1, где находится D_т, т.е. находится там, где уклон изменяется от крутого уклона до более тонкого или более мягкого уклона, или же это может представлять собой конусность или эквивалентную кривую. Далее показано, как это соотношение A/V может быть рассчитано для заданной конфигурации

Для составляющих с круглыми пересекающими секциями
(1)
или аналогично
, (2)
где х расстояние вдоль центральной линии составляющей;
r_c(х) радиус как функция аксиального расстояния для составляющей с
с номер составляющей 1,2,3,
i вход;
o выход.

Функция r_c(x) является совершенно общей и принимает формы, какие следуют ниже, но не ограничена нижеследующим
(1) Для цилиндрической составляющей
r_c(x) K
где К обозначает постоянный радиус;
(2) Для конического участка

таким образом, r_c(x) = r_i- xsinθ
где θ обозначает полуугол конуса;
(3) Для квадратично изогнутого составного элемента
r_c(x)=r_i+βx+αx²,
где β и α обозначают постоянные, описывающие кривизну составляющей.

В целях подсчета соотношения A/V общей конфигурации корпуса (фиг. 1) просто интегрируется площадь и объем каждого участка корпуса, взятого в отдельности. Для цели предлагаемого изобретения имеет значение именно соотношение площади к объему того участка L_e разделительной камеры, который начинается в L_т и вытянут до выпускного отверстия с нижним истечением.

Таким образом, для конфигурации, показанной на фиг. 1 и 2, вначале необходимо рассчитать площадь и объем этого участка, находящегося от D_т до пунктирной линии 12. Затем вы должны бы подсчитать площадь и объем этого участка 10, проходящего от пунктирной линии 12 до выпускного отверстия 3, который в этом случае показан, как цилиндрический составной элемент. Этот последний участок, конечно, должен иметь постоянный радиус и не требовал бы интегрирования, а площадь, например, должна была бы быть просто подсчитана, как 2πτx, при этом х обозначает аксиальную длину рассматриваемого составляющего участка. Объем в этом же самом цилиндрическом участке должен бы быть рассчитан как πτ²x. Этой процедуре следуют затем до тех пор, пока не будут подсчитаны площадь и объем всех участков, представляющих интерес. Необходимо отметить, что этот участок L_e является функциональным участком камеры, и так как имеется много конфигураций камер, которые могут быть разработаны, необходимо понять эту идею в ее функциональном смысле. Начало участка L_e там, где предполагается, что имеет место максимальная скорость и максимальное ускорение текучей среды. Это не абсолютное место с практической точки зрения, по крайней мере, в отношении возможности определения его точного местоположения. Если бы камера была прямым конусом от начала до конца, т.е. усеченным конусом, имеющим простой угол конусности, этот D_т должен бы быть описан как находящийся на входном отверстии в камеру, а L_e должно было бы начинаться в D_i вблизи от концевой стенки 2. Что касается выпускного отверстия с нижним истечением или конца L_e, оно находится там, где заканчивается процесс разделения, а именно на месте выпускного отверстия.

Если бы пришлось добавить отходящий участок некоторой длины к концу разделительной камеры, возможно, что радиальное ускорение или завихрение в камере уменьшится, и таким образом прекратится разделение, вызванное центробежными силами. Это функционально должен бы быть конец разделительной камеры и конечной точкой расстояния L_e. Там, где D_т было определено как находящееся в какой-либо определенной точке, это для целей его определенности, как, например, при составлении формулы данного изобретения. Более функциональным путем для установления D_т является его установление в пределах определенного диапазона, в который он попадает. Другой путь описания D_т заключается в месте, где уклон камеры достигнет определенной величины.

На фиг. 6 показан график соотношений площади к объему относительно диаметров горловины для различных конфигураций гидроциклонов. Процент приблизительного улучшения по сравнению с гидроциклоном в 35 мм показан с правой стороны шкалы. Улучшение в процентах также будет функцией от распределения капелек, температуры, плотности, рН, межповерхностного натяжения и т.д. Низшая кривая дана для такого корпуса (фиг. 1) с L_e, начинающимся в D_т и с отсутствием параллельного продолжения. Параллельное продолжение представляет собой тот участок разделительной камеры, который является цилиндрическим или практически цилиндрическим и проходит от пунктирной линии 12 до выпускного отверстия 3 с нижним истечением. Таким образом, нижняя кривая с фиг. 6 представлена корпусом, имеющим L_e, которое заканчивается в точке 12, как показано на фиг. 1 и 2. Средняя кривая с фиг. 6 (сплошная линия) изображает гидроциклон, подобный стандартной геометрии с фиг. 1, имея угол альфа конусности 0,75 градуса для конического участка 9, как показано в точке 13. Эта установка также имеет параллельный удлинительный участок 10 с D_т20. Верхняя кривая (фиг. 6) изображает корпус гидроциклона, имеющий угол конусности в 3^o и параллельное удлинение на 100 D_т. Из представленных на фиг.6 данных видно, что соотношение площади к объему для гидроциклонов, имеющих диаметр горловины от 8 до 28 мм, обычно попадает внутрь диапазона 0,19 0,9. Однако могут быть случаи применения для нефти, которые в данном случае не рассматриваются, или случаи использования в других отраслях промышленности, где меньшие установки были бы практичными, и поэтому нижние пределы данных, приведенные в данном случае, не ограничивают используемые идеи в данном описании для любого конкретного минимального размера.

Следовательно, после изображения и описании конкретных вариантов выполнения по предлагаемому изобретению становиться совершенно очевидным, что изменения и модификации могут быть выполнены без выхода за рамки данного изобретения в его более широких аспектах, и поэтому целью прилагаемой формулы изобретения является охват всех таких изменений и модификаций, как попадающих в рамки объема изобретения.

Высокоэффективный гидроциклон малого диаметра для разделения жидких компонентов смеси. Эффективный участок разделения L_e разделительной камеры гидроциклона начинается на горловине 9 малого диаметра Д_т, где ускорение и скорость смеси перестают увеличиваться. Этот эффективный участок L_e заканчивается на выпускном отверстии с нижним истечением 3 из разделительной камеры 1 и имеет такое соотношение суммы площадей участков на длине L_e камеры к сумме объемов этих участков, которое попадает в определенные пределы для усиления, таким образом, эффективности разделения смеси, в частности отделения капелек малого диаметра, диспергированных в ней. 3 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Высокоэффективный гидроциклонный аппарат для отделения жидких компонентов с различными величинами плотности от смеси текучих сред, в которой один из компонентов представляет собой дисперсную фазу жидких капелек в однородной жидкой фазе, при этом гидроциклонный аппарат включает разделительную камеру со средством для впуска текучей смеси на одном конце разделительной камеры, аксиально расположенное на одном конце разделительной камеры выпускное отверстие для вывода менее плотного компонента из текучей смеси, выпускное отверстие нижнего истечения на конце разделительной камеры, противоположном относительно средств впуска, разделительная камера имеет первый участок с относительно крутой конусностью и связанный с ним второй конусный участок с переходом-горловиной между первым и вторым участками, имеющими диаметр D_т, удлиненный участок с эффективной длиной L_e, участок для впуска с диаметром D_i, при этом D_т=0,5 D_i, отличающийся тем, что соотношение суммы площадей внутренних поверхностей (А) всех участков на длине L_e камеры, начинающейся на горловине D_т, к сумме объемов (V) этих участков составляет 0,21-0,9 мм^- 1. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что L_e составляет от 27,2 до 120 D_т. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что D_т составляет от 8 до 30 мм. 4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что L_т < (2,18 6,7) D_i, где L_т расстояние от широкого конца разделительной камеры до горловины.