ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР Российский патент 1999 года по МПК B01D45/12 B04C3/00 

Изобретение относится к устройствам очистки газа от жидкостных примесей с использованием центробежных сил возникающих при закручивании газового потока, и может быть использовано в газовой, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известен газожидкостный сепаратор (авт. св. N 856501 от 30.01.79, МКИ B 01 D 45/12), включающий цилиндрический корпус с осевым вводом и выводом газожидкостного потока и размещенным внутри него обтекателем, лопастным завихрителем и отверстиями для отвода отсепарированной жидкости.

Недостатком этого устройства является низкая эффективность обусловленная уносом жидкости из аппарата, возрастающим с повышением скорости газа, и большая длина сепаратора. Ограничение скорости газа в сепараторе обусловлено диспергированием жидкости с поверхности и лопаток и стенок вихревой камеры и выносом капель в полость корпуса сепаратора. Диспергирование капель жидкости в вихревой камере происходит ввиду больших скоростей, обусловленных размерами центрального тела завихрителя, равного по диаметру обтекателю, установленному на входе вихревой камеры. Отделение диспергированных в вихревой камере капель требует увеличения длины корпуса сепаратора, при этом наиболее мелкие капли сепаратором не отделяются, что и снижает его эффективность. При повышении скорости газа степень диспергирования капель в вихревой камере увеличивается, образуются более мелкие капли, что приводит к еще большему снижению эффективности. Скорость газа в сепараторе ограничивается еще и тем, что унос жидкости происходит в результате срыва капель с пленки жидкости, которая формируется после завихрителя в виде жгутов.

Известен также вихревой тепломасообменный аппарат (авт. св. N 910744, МКИ B 01 D 3/30, 1981), в трубах, закрепленных внутри корпуса, установлены осевые завихрители, выполненные из наклонных лопастей, концы которых расположены на расстоянии от стенки трубы. Такая конструкция обеспечивает возможность жидкости, поступающей внутрь трубы, под воздействием вращающегося газового потока растекаться по поверхности труб и совершать нисходящее спиральное движение, интенсифицируя массообмен между жидкостью и газом.

Недостатком этого устройства является отсутствие обтекателя на входе в трубу, а также не регламентированный размер зазора между внешними кромками лопастей и стенками вихревой камеры, что требует монтажа дополнительных диафрагм с лопастями, направленными в противоположную сторону, и увеличения количества завихрителей. Это приводит к увеличению длинны устройства, а наличие не регламентированного зазора приводит к возможному снижению интенсивности крутки газа, что в свою очередь снижает эффективность сепарации.

Известен центробежный сепаратор (авт.св. N 1191116, МКИ B 01 D 45/12), (прототип), содержащий корпус, установленную внутри него цилиндрическую вихревую камеру с осевым вводом и выводом газа, образующую с корпусом сборник отделенной жидкости, установленный на входе в камеру завихритель, включающий каплевидный полый обтекатель, соединенный патрубком со сборником отделенной жидкости. На большем диаметре обтекателя укреплены наклонные лопатки. Сепаратор снабжен ловушкой жидкости, установленной концентрично хвостовой части обтекателя и соединенной со сборником жидкости, а на поверхности обтекателя выполнены продольные канавки на лобовой части и винтовые на его хвостовой части.

К недостаткам этого устройства следует отнести недостатки присущие газожидкостному сепаратору (авт. св. N 856501), а именно равенство диаметров обтекателя и центрального тела и отсутствие зазора между наружными кромками лопастей завихрителя и стенками вихревой камеры, а также сложная конструкция завихрителя и наличие ловушки в осевой зоне, соединенной со сборником жидкости. Наличие ловушки в осевой зоне и устройства для отвода жидкости со стенок вихревой камеры, снижают эффективность за счет необходимости отвода жидкости в пленочном состоянии с поверхности каплевидной части обтекателя. Это приводит к необходимости снижения скорости газа для предотвращения срыва пленки с поверхности обтекателя. Кроме того, скорость газа ограничивается ввиду соединения полости сборника жидкости одновременно с осевой и пристенной зонами сепаратора, так как при большем давлении в полости сборника жидкости происходит циркуляция газа в осевую полость сепаратора, которая будет препятствовать отводу жидкости с поверхности хвостовой части обтекателя.

Цель изобретения - повышение эффективности, производительности, расширения диапазона работы и уменьшения габаритно-массовых характеристик за счет интенсификации отделения жидкости в виде пленки и снижения вторичного уноса.

Поставленная цель достигается тем, что в центробежном сепараторе содержащем цилиндрический корпус, установленную внутри него цилиндрическую вихревую камеру с осевым вводом и выводом газа и узлом вывода жидкости, образующую с корпусом сборник отдельной жидкости, и установленный на входе в вихревую камеру обтекатель, соединенный с центральным телом лопастного завихрителя, концы наклонных лопастей которого установлены с зазором относительно стенок вихревой камеры, лопастной завихритель выполнен с диаметром центрального тела, не превышающим 0,5 диаметра обтекателя, частично перекрывающего входные кромки наклонных лопастей. Зазор между наружными кромками лопастей завихрителя и стенкой вихревой камеры равен 0,01 - 0,001 внутреннего диаметра вихревой камеры. Диаметр обтекателя равен 0,4 - 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры.

В сравнении с известными техническими решениями выполнение предлагаемого центробежного сепаратора с диаметром центрального тела завихрителя, не превышающим 0,5 диаметра обтекателя, который частично перекрывает входные кромки наклонных лопастей, с зазором между наружными кромками лопастей завихрителя и стенками вихревой камеры, равным 0,01 - 0,001 внутреннего диаметра вихревой камеры, и диаметром обтекателя, равным 0,4 - 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры, позволило повысить эффективность, производительность, расширить диапазон работы и уменьшить габаритно-массовые характеристики за счет интенсификации отделения жидкости в виде пленки и снижения вторичного уноса.

Заявителю не известно из существующего уровня техники центробежного сепаратора, в котором выполнение и установка завихрителя подобным образом позволило при больших скоростях газа отделить жидкость в виде пленки и снизить при этом вторичный унос, и тем самым повысить эффективность, производительность, расширить диапазон работы и уменьшить габаритно-массовые характеристики.

На фиг. 1 изображен центробежный сепаратор, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 и фиг. 3; на фиг. 3 - сепаратор мультиэлементного типа.

Центробежный сепаратор включает цилиндрический корпус 1, вихревую камеру 2 с осевым вводом газа, в которой соосно со стороны входа газа установлен обтекатель 3 соединенный с завихрителем 4, состоящим из центрального тела 5 с наклонными лопастями 3, диаметр которого равен 0,4 - 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры 2. Диаметр центрального тела 5 завихрителя 4 не превышает 0,5 диаметра обтекателя 3. Зазор 8 между наружными кромками 9 лопастей 6 завихрителя 4 и стенкой камеры 2 равен 0,01 - 0,001 внутреннего диаметра вихревой камеры. Вихревая камера 2 снабжена узлом вывода жидкости 10.

Выполнение центрального тела 5 завихрителя с диаметром, не превышающим 0,5 диаметра обтекателя 3, позволяет снизить скорость газа в зоне расположения лопастей 6 за счет увеличения проходного сечения и тем самым значительно уменьшить срыв и унос капель жидкости с поверхности лопастей 6 завихрителя 4, что повышает эффективность сепарации, рабочие скорости и диапазон работы.

Выполнение обтекателя 3 с диаметром, равным 0,4 - 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры 2, обусловлено необходимостью повышения скорости газа на входе в вихревую камеру нужную для образования на поверхности обтекателя пленки жидкости, образуемой за счет осаждения на его поверхности крупных капель жидкости из газожидкостного потока за счет сил инерции. При выполнении обтекателя меньше 0,4 внутреннего диаметра вихревой камеры снижается эффективность сепарации и скорость газа, а при выполнении его с диаметром, большим 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры, увеличивается гидравлическое сопротивление, что требует больших энергозатрат.

Наличие зазора 8 между наружными кромками 9 лопастей 6 завихрителя 4 и стенкой камеры 2, равного 0,01 - 0,001 внутреннего диаметра вихревой камеры обеспечивает возможность формирования на стенке вихревой камеры равномерной пленки жидкости малой толщины, с которой не происходит вторичного уноса жидкости при больших скоростях сепарируемого газа. При выполнении зазора меньше 0,001 внутреннего диаметра вихревой камеры на стенке вихревой камеры образуются жгуты жидкости, с которых увеличивается вторичный унос жидкости, а при увеличении зазора больше 0,01 внутреннего диаметра вихревой камеры снижается эффективность сепарации за счет прохождения значительного количества газа, не участвующего в процессе центробежной сепарации, в этот зазор.

Указанные размеры подтверждены стендовыми исследованиями экспериментальных образцов и приняты при проектировании элементов. Исследования в условиях, близких к рабочим, при давлении до 4,0 МПа на среде и природный газ - конденсат, показали:
- увеличение рабочей скорости на 20 - 25%,
- расширение диапазона работы в 1,15 раза,
- существенное повышение эффективности сепарации с уменьшением уноса при сопоставимых скоростях более чем в 2,0 раза.

Центробежный сепаратор работает следующим образом.

Газожидкостный поток поступает в корпус 1 и попадает в вихревую камеру 2 на обтекатель 3 и входные кромки 7 лопастей завихрителя 4. В зоне расположения обтекателя 3 сечение для похода газа плавно уменьшается, что достигается выполнением обтекателя с диаметром, равным 0,4 - 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры, приводя к увеличению скорости газа. Наиболее крупные капли жидкости за счет сил инерции высаживаются на поверхности обтекателя 3 и в виде пленки транспортируются к лопастям 6 завихрителя 4. За счет высоких скоростей на входе, на пленку, образующуюся на лопастях завихрителя, высаживаются и более мелкие капли. После обтекателя в зоне расположения лопастей 6 завихрителя 4 поток газожидкостной смеси перераспределяется, так как скорость газа снижается за счет увеличения походного сечения. Это достигается тем, что диаметр центрального тела 5 завихрителя 4 не превышает 0,5 диаметра обтекателя 3. Это позволило значительно уменьшить и унос капель жидкости с поверхности лопастей 6 завихрителя 4.

Пленка жидкости под действием центробежного сепарирующего поля по поверхности лопастей транспортируется к их наружным кромкам и через зазор 8 между наружными кромками 9 лопастей 6 и стенкой вихревой камеры 2 равномерным тонким слоем перетекает на стенку вихревой камеры и под действием все тех же центробежных сил транспортируется по поверхности корпуса. Не успевшие отделиться в завихрителе 4 капли под действием центробежных сил переносятся к стенке вихревой камеры и высаживаются на ней. Жидкость отводится с внутренней стенки вихревой камеры 2 с помощью узла вывода жидкости 10.

Таким образом, предлагаемый центробежный сепаратор прост в изготовлении и производит сепарацию с максимальным использованием энергии центробежных полей, что позволяет интенсифицировать отделение жидкости в виде пленки и снизить вторичный унос, и тем самым повысить эффективность, производительность, расширить диапазон работы и улучшить габаритно-массовые характеристики всего устройствао

Центробежный сепаратор предназначен для очистки газа от жидкостных примесей с использованием центробежных сил, возникающих при закручивании газового потока, может быть использован в газовой, нефтехимической и других отраслях промышленности. Сепаратор содержит цилиндрический корпус, установленную внутри него цилиндрическую вихревую камеру с осевым вводом и выводом газа и узлом вывода жидкости, образующую с корпусом сборник отделенной жидкости, и установленный на входе в вихревую камеру обтекатель, соединенный с центральным телом лопастного завихрителя, концы наклонных лопастей которого установлены с зазором относительно стенок вихревой камеры, при этом лопастной завихритель выполнен с диаметром центрального тела, не превышающим 0,5 диаметра обтекателя, частично перекрывающего входные кромки наклонных лопастей, зазор между наружными кромками лопастей завихрителя и стенкой вихревой камеры равен 0,01 - 0,001 внутреннего диаметра вихревой камеры, а диаметр обтекателя равен 0,4 - 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры. Сепаратор обеспечивает высокую эффективность очистки, производительность, расширяет диапазон работы, уменьшает габаритно-массовые характеристики. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Центробежный сепаратор, содержащий цилиндрический корпус, установленную внутри него цилиндрическую вихревую камеру с осевым вводом и выводом газа и узлом вывода жидкости, образующую с корпусом сборник отделенной жидкости, и установленный на входе в вихревую камеру обтекатель, соединенный с центральным телом лопастного завихрителя, концы наклонных лопастей которого установлены с зазором относительно стенок вихревой камеры, отличающийся тем, что лопастной завихритель выполнен с диаметром центрального тела, не превышающим 0,5 диаметра обтекателя, частично перекрывающего входные кромки наклонных лопастей. 2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что зазор между наружными кромками лопастей завихрителя и стенкой вихревой камеры равен 0,01 - 0,001 внутреннего диаметра вихревой камеры. 3. Сепаратор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что диаметр обтекателя равен 0.4 - 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры.