УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗА Российский патент 2002 года по МПК B01D45/00 B04C3/00 

Изобретение относится к аппаратам, предназначенным для очистки газового потока от содержащихся в нем твердых и жидких примесей, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например нефтяной, химической, энергетической, газовой, пищевой и др.

Известно устройство для очистки газа, содержащее последовательно соединенные первую и вторую секции, рабочие и съемные элементы которых встроены в цилиндрический корпус с поперечными перегородками, разделяющими последовательно по потоку очищаемого газа полость первой и второй секций, отвод очищенного газа, причем вторая секция представляет собой отделитель прямоточно-центробежного типа, состоящий из сепарационных труб, а вход очищаемого газа в первую секцию осуществлен с торца корпуса (см. авт. св. 1521503, кл. В 04 С 3/04, 1989).

Основным недостатком известного устройства является снижение его эффективности при значительном увеличении нагрузки.

Указанный недостаток в значительной степени устранен в известном устройстве для очистки газа (см. патент РФ 2157275, кл. 7 В 01 D 45/00, В 04 С 3/04, 1999), в основном, за счет того, что вторая секция снабжена каналом перепуска газа, сообщающим ее междутрубную полость с выходом очищенного газа и выполненным в виде инжектора, у которого вход инжектирующего газа сообщен с верхней частью полости первой секции, а вход инжектируемого газа сообщен с верхней частью полости второй секции.

Наиболее серьезными недостатками известного устройства являются следующие. В ситуации, когда в очищаемом газе содержится преимущественно сухая твердая примесь (пыль), и, в особенности при так называемом залповом ее выбросе содержание пыли в инжектирующем и в инжектируемом газах может оказаться значительным и превышающим допустимый уровень. Например, при очистке природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) указанный залповый выброс пыли может происходить ежедневно при включении наиболее мощного потребителя газа. (Здесь и далее при оценке характеристик предлагаемого устройства, как пример его использования, будут иметься в виду именно устройства очистки природного газа, поступающего на вход ГРС из газопровода высокого давления.) Применение разобщающих бункеры первой и второй секций клапанов в виде обратных, как показала практика, не оправдало себя ввиду потери их герметичности в процессе эксплуатации, что приводило к существенному снижению эффективности очистки газа и надежности устройства в целом. Отсутствие подогревателя в нижней части бункеров сбора уловленных примесей при эксплуатации устройства в холодное время может привести к замерзанию примесей, что недопустимо. При необходимости замены сепарационной трубы как элемента, в наибольшей степени подверженного эрозионному износу, необходим полный демонтаж устройства, что весьма затруднительно, в особенности если устройство имеет значительные габариты и массу. Это потребует значительных затрат - средств и времени - на последующие сборку и монтаж.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности, технологичность конструкции, удобство эксплуатации и ремонтопригодность при сохранении высокой эффективности очистки газа в широком диапазоне нагрузок.

Задача решается за счет того, что каналом перепуска газа снабжена каждая сепарационная труба, при этом перепуск газа из междутрубной полости обратно на вход в трубу осуществлен через сквозные отверстия в стенке трубы в зону пониженного давления на выходе из завихрителя, в зазоре, образованном кольцевым обтекателем и внутренней стенкой трубы, на выходе которой размещен патрубок отвода очищенного газа, имеющий тот же диаметр, что и труба, и образующий с ее концом захватывающую кольцевую щель для вывода улавливаемой примеси, причем щель охватывается перфорированным концом патрубка, а внутренние кромки трубы и патрубка отвода газа выполнены под острым углом к направлению потока, при этом площади проходных сечений кольцевой щели и сквозных отверстий в стенке трубы равны между собой и составляют величину, равную 5-10% от площади поперечного сечения трубы, а минимальный поперечный размер щели должен быть не менее 2,5-3,0 максимальных диаметров твердых частиц, поступающих из первой секции во вторую.

В нижней части бункеров, при необходимости, может быть размещен подогреватель в виде рекуперативного теплообменника с использованием, например, горячего потока очищенного газа на выходе из вихревой трубы Ранка-Хилша с последующим сбросом использованного горячего потока, после смешения его с холодным в утилизирующем эжекторе, в магистраль пониженного давления, при этом располагаемая степень расширения газа в вихревой трубе должна быть не менее двух.

Выходы из клапанов сброса накопленных в бункерах примесей объединены эжекторным узлом, выполненным в виде трубки отвода примесей из бункера первой секции, соосно установленной относительно цилиндрической смесительной камеры, на входе которой перпендикулярно ее оси присоединена трубка отвода примесей из бункера второй секции, при этом открытие сбросных клапанов должно производиться последовательно, начиная с первого, а закрытие - в обратном порядке.

Вход очищаемого газа в первую секцию осуществлен с торца корпуса через отражатель, выполненный в виде крутоизогнутого отвода, обращенного своим выходом вниз, в сторону входа в бункер сбора улавливаемых примесей.

Выход очищенного газа выполнен в виде бокового отвода за перегородкой второй секции, за которым установлена соосная с корпусом технологическая заглушка с возможностью извлечения сепарационной трубы как элемента, в наибольшей степени подверженного эрозионному износу.

При выполнении завихрителя в виде тангециального направляющего аппарата соосно сепарационной трубе установлен конус с основанием, примыкающим к началу выхода закрученного потока очищаемого газа, при этом основные размеры конуса должны соответствовать размерам зоны обратных токов, определяемой в значительной степени безразмерным интегральным параметром крутки, а расстояние от выхода очищаемого газа из завихрителя до кольцевой щели не должно быть менее протяженности упомянутой зоны обратных токов.

При выполнении перечисленной совокупности признаков устройства при увеличении нагрузки и пылесодержания в газе, в основном за счет замены прямой эжекторной откачки газа из междутрубной полости второй ступени на выход очищенного газа, минуя сепарационную трубу линией рециркуляции, в общем случае, части загрязненного газа из междутрубной полости обратно на вход в сепарационную трубу за счет эжектирования газа с использованием кинетической энергии закрученного в завихрителе очищаемого газа, исключено превышение содержания примесей в очищенном газа сверх установленного уровня.

На фиг. 1-4 представлено предлагаемое устройство в виде продольного разреза с сечением А - А и выносными элементами I и II.

Устройство содержит последовательно соединенные первую 1 и вторую 2 секции, рабочие и съемные элементы которых встроены в наружный цилиндрический корпус 3 с поперечными перегородками 4 и 5, разделяющими последовательно по потоку очищаемого газа полости первой 1 и второй 2 секций. Причем вход в первую 1 секцию, представляющую собой фазовый отделитель инерционно-гравитационного типа, осуществлен с торца корпуса 3 через отражатель 6.

Вторая 2 секция представляет собой отделитель прямоточно-центробежного типа, состоящий по крайней мере из одной сепарационной трубы 7 с завихрителем 8 на входе, каналом отвода улавливаемых примесей на выходе и каналом перепуска газа из междутрубной полости 9. Полости первой 1 и второй 2 секций с нижней стороны корпуса сообщены с бункерами 10 и 11, на выходе которых установлены сбросные клапаны 12 и 13 соответственно. При этом каналом перепуска газа снабжена каждая сепарационная труба 7 таким образом, что перепуск газа из междутрубной полости 9 обратно на вход в трубу 7 осуществлен через сквозные отверстия 14 в стенке трубы 7 в зону пониженного давления на выходе из завихрителя 8, в зазоре 15, образованном кольцевым обтекателем 16 и внутренней стенкой трубы 7. На выходе трубы 7 размещены патрубок 17 отвода очищенного газа, имеющий тот же диаметр, что и труба 7, и образующий с ее концом захватывающую кольцевую щель 18 для вывода улавливаемой примеси, причем щель 18 охватывается перфорированным концом патрубка, а внутренние кромки трубы 7 и патрубка 17 выполнены под острым углом к направлению потока. При этом площади проходных сечений щели 18 и отверстий 14 равны между собой и составляют величину, равную 5-10% от площади поперечного сечения трубы 7, а минимальный поперечный размер щели 18 должен быть не менее 2,5-3,0 максимальных диаметров твердых частиц, поступающих из первой секции во вторую. (Указанное соотношение 2,5-3,0 рекомендовано, например, в работе Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки. Л.: Машиностроение, 1988, с.80 для предотвращения засорения труб при гидротранспортировании твердых материалов).

При выполнении завихрителя 8 в виде тангенциального направляющего аппарата, представляющего собой тангенциально фрезерованные пазы 19 в стенке трубы 7, соосно трубе 7 установлен конус 20 с основанием 21, примыкающим к началу выхода закрученного потока очищаемого газа из завихрителя 8. При этом основные размеры конуса должны соответствовать размерам зоны обратных токов (ЗОТ), определяемой в значительной степени безразмерным интегральным параметром крутки (см. например, Сборник задач по теории горения / Под редакцией В. В. Померанцева. Л.: Энергоатомиздат, 1983, с.16-19). Причем расстояние от выхода очищаемого газа из завихрителя 8 до кольцевой щели 18 не должно быть менее протяженности упомянутой ЗОТ. "Замещение" ЗОТ конусом 20, во-первых, уменьшает гидропотери при втекании закрученного потока очищаемого газа в трубу 7, компенсируя дополнительные потери, связанные с разгоном потока при поджатии его кольцевым обтекателем 16. Во-вторых, отсутствие ЗОТ исключает вероятность укрупнения в ней мелких частиц и последующую возможность засорения ими кольцевой щели 18, тем самым сохраняя эффективность очистки газа в широком диапазоне нагрузок. Для исключения обмерзания уловленных примесей в холодное время года в нижней части бункеров 10 и 11 размещен подогреватель 22 в виде рекуперативного теплообменника с использованием, например, горячего потока очищенного в устройстве газа на выходе из вихревой трубы Ранка-Хилша с последующим сбросом "использованного" в теплообменнике горячего потока, после смешения его с холодным в утилизирующем эжекторе 23, в магистраль пониженного давления, например, ГРС. При этом для обеспечения достаточной эффективности подогревателя 22 располагаемая степень расширения газа в вихревой трубе должна быть не менее двух. На чертеже представлен вариант использования одного подогревателя, общего для обоих бункеров, для чего полости бункеров 10 и 11 разобщены между собой перегородкой 24 и одним из ребер 25 подогревателя 22. Чтобы не было сбоя в работе устройства при сбросе накопленных в бункерах примесей, выходы из клапанов 12 и 13 объединены эжекторным узлом 26, выполненным в виде трубки 27 отвода примесей из бункера 10, соосно установленной относительно цилиндрической смесительной камеры 28, на входе которой перпендикулярно ее оси присоединена трубка 29 отвода примесей из бункера 11, при этом открытие указанных клапанов должно производиться последовательно, начиная с первого, а закрытие - в обратном порядке. Следует отметить, что вход очищаемого газа в первую 1 секцию осуществлен с торца корпуса 3 через отражатель 6, выполненный в виде крутоизогнутого отвода, обращенного своим выходом 30 в сторону входа в бункер 10, что благоприятно в условиях "залпового" выброса примесей, который может произойти при включении наиболее мощного потребителя газа.

Немаловажно и то, что выход очищенного газа из устройства выполнен в виде бокового отвода 31, за перегородкой 5 второй 2 секции, за которым установлена соосная с корпусом 3 технологическая заглушка 32 с возможностью быстрого извлечения трубы 7 как элемента, в наибольшей степени подверженного эрозионному износу. Кроме того, такое выполнение отвода позволяет существенно увеличить возможные варианты размещения агрегатов, например размещаемых за устройством регуляторов давления ГРС, что можно отметить как весьма положительное качество предлагаемого устройства очистки газа.

Как показала практика, объем бункера первой секции должен превышать объем бункера второй секции как минимум в полтора раза без увеличения габарита по высоте и при сохранении эксплуатационной надежности в условиях вибрации и транспортных перегрузок. В этом смысле предлагаемая жесткая конструкция представляется неплохим решением, тем более что в конструктивной схеме максимально использованы стандартные корпусные детали, как-то: трубы, тройники, отводы, что существенно повышает технологичность конструкции устройства в целом.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Газ, содержащий примесь в виде твердых и жидких частиц, поступает в первую 1 секцию корпуса 3 через отражатель 6, попутно взаимодействуя с его вогнутой поверхностью, изменяет направление движения на 90^o к его первоначальному осевому направлению. При этом наиболее крупные взвешенные твердые и жидкие частицы под действием сил тяжести и инерции поступают в бункер 10. А газ, содержащий преимущественно мелкие частицы после подъема в горизонтальную часть корпуса 3, поступает на вход в завихритель 8 сепарационной трубы 7. В результате движения по такой траектории осуществляется суммарный разворот потока практически на 360^o, в результате чего продолжается процесс сепарации наиболее крупных частиц с их последующим удалением в бункер 10. Пройдя завихритель 8 и приобретя крутку, в трубе 7 под действием центробежных сил происходит практически полное разделение фаз очищаемого газа. Большая часть очищенной газовой фазы, которая движется в приосевой зоне трубы 7, выходит из нее через открытый конец патрубка 17. Взвешенная фаза, движущаяся спиральным потоком по периферии трубы 7, захватывается кольцевой щелью 18 и затем под действием сил тяжести и инерции попадает на вход бункера 11. А незначительная часть газового потока, попавшая через щель 18 и перфорацию патрубка 17 в междутрубную полость 9, отсасывается через отверстия 14 в зону пониженного давления в зазоре 15 и далее, соединяясь с основным потоком закрученного очищаемого газа, образует поток рециркуляции, чем ликвидируется возрастание подпора в междутрубной полости 9 второй 2 секции без дополнительного элемента - эжектора, используемого в известном устройстве. Дополнительный подпор упомянутой полости второй секции, возможный при утрате негерметичности обратных клапанов известного устройства, исключен, так как упомянутые полости разобщены между собой сбросными клапанами 12 и 13 и перегородкой 25, а наличие подогревателя 26 в полости бункеров 10 и 11 исключает опасность замерзания в них уловленных примесей.

Таким образом, при выполнении вышеприведенной совокупности признаков устройства достигается главная цель предлагаемого изобретения: повышение надежности, технологичность конструкции, удобство эксплуатации и ремонтопригодность при сохранении высокой эффективности очистки газа в широком диапазоне нагрузок.

Изобретение предназначено для очистки газового потока от содержащихся в нем твердых и жидких примесей и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например нефтяной, химической, энергетической, газовой, пищевой и др. Устройство состоит из последовательно соединенных первой и второй секций, рабочие и съемные элементы которых встроены в наружный цилиндрический корпус с поперечными перегородками, разделяющими последовательно по потоку очищаемого газа полости первой и второй секций, причем вход в первую секцию, представляющую собой фазовый отделитель инерционно-гравитационного типа, осуществлен с торца корпуса через отражатель, вторая секция - отделитель прямоточно-центробежного типа, состоящий по крайней мере из одной сепарационной трубы с завихрителем на входе, каналом отвода улавливаемых примесей на выходе и каналом перепуска газа из междутрубной полости, при этом полости первой и второй секций с нижней стороны корпуса сообщены с бункерами, на выходе которых установлены сбросные клапаны, при этом каналом перепуска газа снабжена каждая сепарационная труба таким образом, что перепуск газа из междутрубной полости обратно на вход в трубу осуществлен через сквозные отверстия в стенке трубы в зону пониженного давления на выходе из завихрителя, в зазоре, образованном кольцевым обтекателем и внутренней стенкой трубы, на выходе которой размещен патрубок отвода очищенного газа, имеющий тот же диаметр, что и труба, и образующий с ее концом захватывающую кольцевую щель для вывода улавливаемой примеси. Щель охватывается перфорированным концом патрубка, а внутренние кромки трубы и патрубка отвода газа выполнены под острым углом к направлению потока. Площади проходных сечений кольцевой щели и сквозных отверстий в стенке трубы равны между собой и составляют величину, равную 5-10% от площади поперечного сечения трубы, а минимальный поперечный размер щели должен быть не менее 2,5-3,0 максимальных диаметров твердых частиц, поступающих из первой секции во вторую. В устройстве обеспечивается высокая надежность, технологичность, ремонтопригодность при сохранении высокой эффективности очистки газа. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для очистки газа, содержащее последовательно соединенные первую и вторую секции, рабочие и съемные элементы которых встроены в наружный цилиндрический корпус с поперечными перегородками, разделяющими последовательно по потоку очищаемого газа полости первой и второй секций, причем вход в первую секцию, представляющую собой фазовый отделитель инерционно-гравитационного типа, осуществлен с торца корпуса через отражатель, вторая секция представляет собой отделитель прямоточно-центробежного типа, состоящий, по крайней мере, из одной сепарационной трубы с завихрителем на входе, каналом отвода улавливаемых примесей на выходе и каналом перепуска газа из междутрубной полости, при этом полости первой и второй секций с нижней стороны корпуса сообщены с бункерами сбора улавливаемых примесей, на выходе которых установлены сбросные клапаны, отличающееся тем, что каналом перепуска газа снабжена каждая сепарационная труба таким образом, что перепуск газа из междутрубной полости осуществляют обратно на вход в трубу через сквозные отверстия в стенке трубы в зону пониженного давления на выходе из завихрителя, в зазор, образованный кольцевым обтекателем и внутренней стенкой трубы, на выходе которой размещен патрубок отвода очищенного газа, имеющий тот же диаметр, что и труба, и образующий с ее концом захватывающую кольцевую щель для вывода улавливаемой примеси, причем щель охватывается перфорированным концом патрубка, а внутренние кромки трубы и патрубка отвода очищенного газа выполнены под острым углом к направлению потока, при этом площади проходных сечений кольцевой щели и сквозных отверстий в стенке трубы равны между собой и составляют величину, равную 5-10% от площади поперечного сечения трубы, а минимальный поперечный размер щели должен быть не менее 2,5-3,0 максимальных диаметров твердых частиц, поступающих из первой секции во вторую. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при выполнении завихрителя в виде тангенциального направляющего аппарата соосно сепарационной трубе установлен конус с основанием, примыкающим к началу выхода закрученного потока очищаемого газа, при этом основные размеры конуса должны соответствовать размерам зоны обратных токов, определяемой в значительной степени безразмерным интегральным параметром крутки, а расстояние от выхода очищаемого газа из завихрителя до кольцевой щели не должно быть менее протяженности упомянутой зоны обратных токов. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нижней части бункеров размещен подогреватель в виде рекуперативного теплообменника с использованием, например, горячего потока очищенного газа на выходе из вихревой трубы Ранка-Хилша, при этом располагаемая степень расширения газа в вихревой трубе должна быть не менее двух. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходы из клапанов объединены эжекторным узлом, выполненным в виде трубки отвода примесей из бункера первой секции, соосно установленной относительно цилиндрической смесительной камеры, на входе которой перпендикулярно ее оси присоединена трубка отвода примесей из бункера второй секции. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отражатель выполнен в виде крутоизогнутого отвода, обращенного выходом вниз, в сторону входа в бункер сбора улавливаемых примесей. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход очищенного газа выполнен в виде бокового отвода за перегородкой второй секции, за которым установлена соосная с корпусом технологическая заглушка.