УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ ИЗ ГАЗОПАРОВОЙ СМЕСИ И СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПЕНЫ В ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК B04C3/06 

Изобретение относится к циклону, предназначенному главным образом для выделения жидкости из смеси газ/пар, основанного на понижении давления отработанной варочной жидкости в связи с изготовлением пульпы.

Циклоны используют главным образом для выделения жидкой фазы из фазы пар/газ. В настоящее время в соответствующих отраслях промышленности используют циклоны, конструкция которых специально учитывает рабочие условия, в которых будут эксплуатировать такие циклоны. Подобная тенденция в конечном итоге привела к практике изготовления циклонов небольшими партиями, что несомненно было связано с относительно высокой себестоимостью их изготовления и эксплуатации. Более того, известные в настоящее время циклоны в большинстве случаев сконструированы таким образом, что исключается вероятность их адаптации к различным рабочим условиям (если, конечно, не затратить на это большие материальные и людские средства); конечным результатом чего является ситуация, при которой циклоны довольно часто в случае применения технологического процесса приходится использовать в рабочих условиях, которые не являются оптимальными.

Известно устройство для выделения жидкости из газопаровой смеси, включающее корпус с входным патрубком, нижним выпускным трубопроводом для жидкости и верхним выпускным трубопроводом для пара и газа, при этом подводящий трубопровод со средством, обеспечивающим понижение давления, соединен с входным патрубком [1]
В известном устройстве вышеупомянутая проблема существует уже в течение довольно длительного периода и для ее положительного решения существует ряд предложений. Общим для всех предложенных решений этой проблемы является идея компенсирования колебаний потока во впускном устройстве самого циклона посредством (в случае небольшого потока) уменьшения площади сечения потока во впускном устройстве циклона с таким расчетом, чтобы скорость потока во впускном устройстве удерживалась почти на постоянном уровне, чтобы добиться оптимальной сепарации, и посредством (в случае большого потока) увеличения площади сечения потока во впускном устройстве циклона. Однако, в случае с жидкостями, имеющими тенденцию образовывать пену, предложенное решение проблемы связано с возникновением нежелательных последующих эффектов, поскольку регулирование потока неизбежно вызовет изменение в характере потока жидкости и образование перепада давления, которое в свою очередь из-за образования пара и т.д. неизбежно приводит к возникновению неравномерного характера потока жидкости в связи с наличием оттока жидкости внутри циклона, что в конечном итоге обуславливает образование пены. Образование пены является крайне нежелательным из-за того, что оно нарушает стабильные условия потока внутри циклона, и, следовательно, ухудшает оптимальные рабочие условия.

Известен способ предотвращения образования пены в жидкости, выходящей из циклона, заключающийся в том, что жидкость перед входом ее в циклон направляют через впускное устройство [2]
Целью настоящего изобретения является создание циклона, который, по меньшей мере, в главном устраняет упомянутые выше проблемы и с помощью которого становится возможным гибким образом адаптировать впускное устройство к наиболее распространенным рабочим условиям, чтобы в конечном итоге можно было оптимизировать скорость оттока внутри циклона, и конструирование впускного устройства с таким расчетом, чтобы оно противодействовало образованию пены.

Поставленная цель достигается с помощью впускного устройства, которое содержит заменяемую вставную трубку с по существу постоянной площадью поперечного сечения и длина которой обычно превышает 1 м. По предпочтительному варианту изобретения длина упомянутой вставной трубки превышает 2 м. Уже было доказано, что если длина вставной трубки колеблется между 1,5 и 3, 5 м, то это особенно положительно сказывается на понижении давления отработанной варочной жидкости, выходящей из автоклава, при производстве пульпы.

С помощью комплекта вставных трубок с различными площадями поперечного сечения, другими словами, с различными диаметрами, существует возможность выбирать такую вставную трубку, которая будет иметь диаметр, наилучшим образом отвечающий требованиям соответствующих рабочих условий, благодаря чему достигается оптимальная скорость входящего в циклон потока жидкости. Более того, благодаря определенной длине вставной трубки, допустим чуть более одного метра, есть возможность уменьшить интенсивность образования пены в связи с выходом потока жидкости из этой трубки внутри самого циклона, причем за счет использования центробежной силы в данном случае можно "разрушить" всю образованную в результате регулирования входящей в циклон жидкости пену. Это происходит потому, что в данном случае для смеси жидкость/газ образуется достаточно длинная "дистанция восстановления", чтобы можно было повторно образовать равномерный характер потока после падения давления, которое было вызвано каким-то устройством, установленными непосредственно перед впуском в вставленную трубку. Как правило, в качестве устройства выступает регулирующий клапан, с помощью которого регулируется скорость потока жидкости в циклон. Именно этот регулирующий клапан вызывает падение давления, что и вызывает возникновения турбулентности и неравномерного характера потока. Падение давления могут вызвать и другие факторы, например, неравномерности в соединениях. В настоящем изобретении очень важным фактором является то, что последняя часть впускного устройства циклона сконструирована так, что она противодействовала образованию падения давления.

Предпочтительной областью практического применения изобретения являются "мгновенное испарение" черной щелочи или, другими словами, уменьшение давления жидкой среды в находящемся под давлением автоклаве при производстве сульфатной целлюлозы. Поскольку в данной ситуации давление и температура, как правило, будут относительно высокими (примерно 4-5 бар и 150-180^oC соответственно), то понижение давления (мгновенное испарение) должно обычно происходить в несколько этапов и именно поэтому рекомендуется использовать несколько последовательно соединенных циклонов. По предпочтительному варианту изобретения возможно использовать как минимум два циклона, которые по изобретению сконструированы с возможностью последовательного соединения друг с другом, а для достижения по существу одинаковой скорости впуска жидкости в каждый циклон возможно использовать различные вставные трубки.

По изобретению также очень важно, чтобы циклоны были сконструированы таким образом, чтобы конечное разделение жидкой фазы и газовой фазы внутри циклона происходило как можно более эффективно; в некоторых случаях именно этап разделения фаз доставляет много хлопот, в частности, в связи с высокими скоростями впуска жидкости. Именно поэтому устройство по изобретению снабжено также специальными приспособлениями (кольцевой выступ на выпускном отверстии для газа или препятствующая завихрению пластина, чтобы исключить вероятность вытекания жидкости из циклона вместе с потоком газа. Более того, циклон по изобретению сконструирован с таким расчетом, чтобы в его конструкции не было ничего лишнего, в частности, совсем необязательны фасонные детали и части, которые лишь удорожают его стоимость, так что фактор себестоимости изготовления циклона был очень важен для изобретателя.

На фиг. 1 представлен частично срезанный по оси вид предпочтительного варианта предлагаемого циклона; на фиг. 2 поперечный разрез показанного на фиг. 1 циклона, вид сверху вдоль линии 1-1; на фиг. 3 альтернативный вариант установки вставной трубки; на фиг. 4 перспективный вид циклона.

На фиг. 1 показан предпочтительный вариант циклона с корпусом 1, у которого стенки выполнены в форме цилиндра, а нижний и верхний торцы выполнены в виде чашеобразных элементов. В соответствии с действующими стандартами подобная конструкция предназначена для аппаратов высокого давления или автоклавов. С помощью вставной трубки 2, которая соединяется с подводящим трубопроводом 3, в конце которого установлен регулирующий клапан 4, можно оптимальным образом регулировать скорость входящего в циклон 1 потока среды. Выделенный внутри циклона 1 газ выводится из него через выпускной трубопровод 5, который расположен в верхнем чашеобразном элементе, а жидкость выводится из циклона через нижний выпускной трубопровод 6. Входное отверстие вставной трубки установлено таким образом, чтобы оно было открыто в точке выше нижнего конца выпускного трубопровода 5 для газа, чтобы исключить вероятность случайного попадания (в результате разбрызгивания) жидкости непосредственно во впускное отверстие. Более того, трубопровод 5 снабжен кольцевым выступом 7, чтобы исключить случайного попадания капель жидкости, которые могут находиться и перемещаться вдоль внешней стороны трубопровода 5, непосредственно во входное отверстие. Чтобы дополнительно подстраховать и полностью исключить вероятность попадания жидкости, которая сопровождает поток газа, во входное отверстие, используют приспособление 8 из двух препятствующих завихрению пластин, которые устанавливают на опорах 9 непосредственно над нижней или донной частью внутри циклона. Нижняя пластина имеет внешнюю кольцеобразную часть, сверху и перед которой установлена однородная круглая пластина. Благодаря наличию препятствующего завихрению приспособления 8 собирающаяся в нижней части циклона жидкость не может удаляться отсюда силой вихря, который образуется в центральных частях циклона. Более того, на фиг. 1 ясно видно, что циклон снабжен смотровым отверстием 10, элементом соединения трубок для измерения состояний устройств 11, соединительным элементом для предохранительного клапана, а сам циклон установлен и закреплен на ножках-опорах 12.

По предпочтительному варианту изобретения вставная трубка 2 выполнена заменяемой, поэтому она разделена на две части переднюю и заднюю, причем в задней части 4 установлен регулирующий клапан 4. Передний фланец 13, который неподвижно закреплен на передней половине вставной трубки, соединен с помощью соответствующих болтов с фланцем 14 на соединительном элементе 15 циклона 1. После этого задний коней вставной трубки вместе с ее задним фланцем 16 также с помощью болтов можно соединить с клапаном 4 и с передним фланцем 17 клапана и, наконец задний фланец 18 клапана также с помощью болтов можно соединить с торцевым фланцем 19 подводящего трубопровода.

На фиг. 3 показан альтернативный вариант вставной трубки по изобретению. Этот альтернативный вариант содержит вставную трубку 2, которая не требует обязательного ее разделения, чтобы иметь возможность установить ее в циклоне, но в которой передний фланец 13 фактически установлен с наклоном, чтобы можно было правильно и надежно смонтировать вставную трубку 2. Благодаря этому фланец 14 на циклоне 1 установлен таким образом, чтобы он образовывал угол с фактическим удлинением вставной трубки 2, когда последняя находится в своем окончательно установленном состоянии. Задний фланец 16 вставной трубки установлен точно также, как и в ранее описанном варианте изобретения; этот фланец предназначен для непосредственного соединения в клапане 4 и именно поэтому в данном случае клапан 4 не следует демонтировать. Когда наступает момент установки вставной трубки 2, то прежде всего необходимо будет направить передний конец этой трубки в отверстие соединительного элемента и ввести его в циклон 1, а затем протолкнуть его настолько, чтобы фланец 13 вошел в непосредственное контактирование с фланцем 14 соединительного элемента. После этого вставную трубку 2 можно сместить параллельно вдоль фланца 14 соединительного элемента до ее правильной позиции, т.е. чтобы задний фланец 16 трубки находился напротив и опирался на клапан 4.

На фиг. 4 показан перспективный вид циклона с частичным вырывом по настоящему изобретению, причем маршрут выведения показан стрелкой с пометкой буквой "А", а маршрут выведения выделенного газа показан стрелой "В"; выделенный газ выводится из циклона из верхней его части.

Как отмечалось выше, во многих случаях рекомендуется использовать несколько соединенных последовательно циклонов, чтобы иметь возможность понизить давление до или почти до атмосферного и тем самым добиться описываемой ниже ситуации, которая относится к процессу отвода черного щелока из автоклава непрерывного действия и производительностью 900 тонн/день.

С помощью трех последовательно соединенных циклонов со вставными трубками различных диаметров становится возможным ступенчатое понижение давления, причем в данном случае скорость впуска образующих пульпу компонентов будет практически одинаковой для каждого циклона. Диаметр и рабочая длина трубки отвода пара будут также одинаковыми для всех циклонов в трехступенчатой системе. По описываемому варианту изобретения внутренний диаметр циклона будет равен 2 м, а его рабочая высота также равна 2 м. На первой стадии или ступени этой системы диаметр впускной трубки равен 200 мм. В данном варианте при давлении кипящей жидкости примерно 4-5 бар относительно легко и просто достигается скорость впуска примерно 40 м/сек, которая является оптимальной для циклона описываемой конструкции. Чтобы добиться эффективного использования центробежной силы для "разрушения пены" в циклонах указанных габаритов (диаметр более одного метра), скорость на впуске должна превышать 30 м/сек. На второй стадии, несмотря на выделение газа, также достигается соответствующая скорость на впуске, но в том случае, если диаметр выбранной вставной трубки равен 400 мм и удается добиться понижения давления примерно на 2 бара. Для доведения понижения давления (в третьем циклоне) примерно до атмосферного (т.е. до61 1,3 бара) необходимо будет использовать вставную трубку диаметром примерно 450 мм, ибо только в этом случае можно будет добиться также и необходимой скорости на впуске (40 м/сек).

Суть изобретения не ограничивается описанными выше предпочтительными вариантами и допускаются различные изменения и модификации в пределах объема пунктов формулы изобретения. Всем специалистам в данной области совершенно ясно, что, например, вместо чашеобразных торцевых элементов можно использовать конусообразные торцевые элементы циклона. Более того, во многих конкретных ситуациях более предпочтительными может оказаться использование не строго цилиндрической формы циклона, а какой-то конкретной конической формы. Чтобы облегчить процедуру установки вставной трубки, ее можно разделить на переднюю и заднюю части с прямоустановленными фланцами (не под углом), что дает возможность производить замену без необходимости удаления клапана. И, наконец, следует иметь в виду, что длина вставной трубки означает ту часть вставной трубки, которая активно выполняет функции повторного образования равномерного давления (например, после регулирующего клапана) и которая обычно является последней частью вставной трубки.

Более того, для специалистов в данной области совершенно очевидно, что является предпочтительным, чтобы последняя часть вставной трубки имела внутреннюю поверхность, которая будет абсолютно ровной и плоской в направлении потока, чтобы исключить вероятность появления турбулентности/падения давления. Для этих специалистов также ясно, что циклон по изобретению можно использовать и во многих других ситуациях, а не только в тех, которые были описаны выше в качестве примера, например, для выделения газовых пузырьков из не находящейся под давлением жидкости, для выделения жидкости из работающих под давлением диффузоров и т.д.

Использование: устройство для выделения жидкости из смеси газ/пар, принцип работы которого основан на понижении давления отработанной варочной жидкости в связи с изготовлением пульпы. Сущность: циклон содержит корпус, подводящий трубопровод с клапаном, нижний выпускной трубопровод для жидкости и верхний выпускной трубопровод для пара и газа. Подводящий трубопровод соединяется с заменяемой вставной трубкой, длина которой превышает 1 м, предпочтительно 2 м, т.е. в диапазоне между 2,5 и 3,5 м. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для выделения жидкости из газопаровой смеси, включающее корпус с входным патрубком, нижним выпускным трубопроводом для жидкости и верхним выпускным трубопроводом для пара и газа, при этом подводящий трубопровод со средством, обеспечивающим понижение давления, соединен с входным патрубком, отличающееся тем, что входной патрубок снабжен впускным устройством, выполненным в виде заменяемой вставной трубки постоянного поперечного сечения длиной более 1 м. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина заменяемой вставной трубки составляет 2 м. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина заменяемой вставной трубки составляет 2,5 3,5 м. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен практически цилиндрическим. 5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что торцы корпуса, по меньшей мере один, выполнен в виде чашеобразного элемента. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство, обеспечивающее понижение давления в подводящем трубопроводе, выполнено в виде клапана. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной патрубок расположен в верхней части корпуса циклона, а входное отверстие впускного устройства размещено над нижней кромкой верхнего выпускного трубопровода. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что верхний выпускной трубопровод снабжен кольцевым выступом, скошенным слегка на конус и размещенным на его внешней поверхности в непосредственной близости от нижней кромки, при этом выступ расположен над входным отверстием впускного устройства. 9. Устройство по пп.1 8, отличающееся тем, что оно снабжено установленной практически горизонтально круглой пластиной, расположенной непосредственно над нижним чашеобразным элементом, при этом периферийная часть пластины установлена с зазором к внутренней стенке корпуса, составляющим по меньшей мере 20 мм. 10. Устройство по пп.1 9, отличающееся тем, что корпус выполнен с внешним диаметром более 1 м, в интервале 1,5 2,5 м, при этом высота корпуса превышает его диаметр предпочтительно в 1,5 2,0 раза, а диаметр каждого выпускного трубопровода превышает 0,3 м. 11. Устройство по пп.1 10, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно установленным за основным и ниже последнего дополнительным циклоном, впускное устройство которого соединено с выпускным трубопроводом основного циклона, при этом впускное устройство выполнено с площадью поперечного сечения, обеспечивающей постоянство скорости потока внутри каждого циклона. 12. Устройство по пп.1 11, отличающееся тем, что вставная трубка разделена по меньшей мере на две заменяемые части. 13. Способ предотвращения образования пены в жидкости, выходящей из циклона, заключающийся в том, что жидкость перед вводом ее в циклон направляют через впускное устройство, отличающийся тем, что последняя часть впускного устройства имеет постоянную площадь поперечного сечения для обеспечения возможности достижения оптимальной скорости потока выше 30 м/с и длину свыше 1 м, при этом внутренняя поверхность впускного устройства свободна от элементов, вызывающих падение давления.