ВИХРЕВОЙ СЕПАРАТОР Российский патент 2005 года по МПК B01D19/00 

Изобретение относится к области подготовки попутного газа, в частности, для его осушки.

Известен вихревой сепаратор на основе вихревой трубы, содержащий протяженный сопловой ввод, камеру закрутки, выходы горячего и холодного потоков и осерадиальный диффузор для вывода конденсата. Сепаратор предназначен для конденсации тяжелых фракций газа в протяженном сопле и для последующего вывода конденсата через осерадиальный диффузор. (А.Н.Чернов, Е.М.Брещенко, Г.Н.Бобровников. Исследование процесса компонентного разделения углеводородных газовых смесей в вихревой трубе. Сборник “Вихревой эффект и его промышленное применение”. Материалы 3-й научно-технической конференции. Куйбышев, 1981 г., стр.177-180).

В данном сепараторе достигается почти равновесная конденсация тяжелых фракций газа в сопле благодаря его протяженности. Однако сепаратор имеет низкую сепарирующую способность вследствие неоптимальной конструкции осерадиального диффузора для вывода конденсата.

Наиболее близким к заявляемому объекту является вихревой сепаратор, содержащий тангенциальный завихритель, камеру закрутки, в которой выполнена коническая ловушка конденсата, конический выходной диффузор и тангенциальный вывод жидкости (конденсата) из ловушки. (К.Б.Немира, А.В.Мартынов, Испытание вихревого сепаратора. Сборник “Вихревой эффект и его промышленное применение”. Материалы 3-й научно-технической конференции. Куйбышев, 1981 г., стр.180-183).

Этот сепаратор достаточно хорошо отделяет выделенный в сопле конденсат благодаря наличию ловушки. Недостатком его является недостаточная степень конденсации тяжелых фракций газа. Кроме того, сепаратор непригоден для использования в качестве осушителя газа от паров воды при невысоких входных давлениях (3... 7 бар). При указанных давлениях на входе в вихревую трубу охлаждение газа за счет эффекта Джоуля-Томсона незначительно, а охлаждение газа и конденсата паров воды при адиабатическом расширении в сопле недостаточно для глубокой осушки газа.

Изобретение направлено на увеличение степени конденсации паров за счет повышения степени расширения газа и обеспечения предварительного охлаждения.

Это достигается тем, что в вихревом сепараторе, включающем протяженный сопловой ввод, камеру закрутки, коническую ловушку конденсата и выходной диффузор, соосно с камерой закрутки расположена теплообменная труба для предварительного охлаждения газа и конденсации паров, при этом в качестве диффузора сепаратор содержит радиальный диффузор, а коническая ловушка расположена непосредственно у соплового ввода.

В сепараторе может быть установлен дополнительный диффузор, расположенный симметрично первому относительно соплового ввода.

На чертеже изображен предлагаемый вихревой сепаратор в двухконтурном исполнении.

Вихревой сепаратор включает протяженный тангенциальный сопловой ввод 1, камеры закрутки 2, конические ловушки 3 конденсата, расположенные непосредственно у соплового ввода, камеры 4 для отвода конденсата, радиальные диффузоры 5 с выходными щелями, теплообменную трубу 6, расположенную по оси вихревых камер и соединенную с сопловым вводом 1.

Вихревой сепаратор с радиально-щелевым диффузором представляет собой самовакуумирующуюся вихревую трубу, в которой достигается высокая степень расширения газа (в 20... 40 раз) при невысоком давлении на входе и глубокое охлаждение приосевой зоны вихря. В теплообменной трубе, проходящей вдоль оси самовакуумирующейся вихревой трубы, происходит предварительное охлаждение газа с частичной конденсацией паров воды и/или тяжелых фракций углеводородов. Оптимальная длина самовакуумирующейся вихревой трубы с одним диффузором ограничена 4-мя калибрами. Для увеличения длины зоны предварительного охлаждения вихревая труба содержит два диффузора и один сопловой ввод. (Общая длина составит 8 калибров). Такая вихревая труба имеет наибольшую среди всех типов вихревых труб степень охлаждения приосевых слоев (до -150° С) и коэффициент теплообмена к телу, помещенному на оси порядка 450 Вт/м²·^{к. (А.П.Меркулов. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969 г.).}

Конические ловушки конденсата расположены непосредственно у соплового ввода для исключения испарения конденсата в горячих периферийных слоях вихря.

Сепаратор работает следующим образом.

Газ под давлением подают в теплообменную трубу 6, где происходит охлаждение газа и конденсация части паров воды и тяжелых фракций газа. При использовании сепаратора в качестве осушителя в теплообменной трубе конденсируется около 10% паров воды, образовавшиеся капельки служат центрами конденсации основной доли паров при последующем расширении газа в протяженном сопловом вводе 1. После теплообменной трубы и соплового ввода газ поступает в камеры 2 закрутки, где происходят процессы центробежного отделения конденсата от газа и разделение газа на два потока - приосевой холодный и периферийный горячий. Сразу после ввода газа в камеры закрутки капли конденсата попадают в ловушки 3, расположенные у соплового ввода для исключения испарения капель в горячем периферийном потоке газа. Из ловушек конденсат поступает в камеры 4 отбора и выводится из сепаратора. Внутренние холодные слои вихревого потока охлаждают теплообменную трубу 6, затем поступают в радиальные диффузоры 5 с выходными щелями, где смешиваются с горячими периферийными слоями и тормозятся. При торможении в радиальных диффузорах происходит повышение давления по сравнению с давлением внутри камер закрутки 2. Тем самым создаются условия самовакуумирования вихревой трубы, усиливающие закрутку газа, и охлаждение приосевого вихревого потока. После смешения горячего и холодного потоков из диффузора выходит газ с температурой выше первоначальной за счет выделенной в сепараторе теплоты конденсации.

Использование предлагаемого вихревого сепаратора позволит по сравнению с прототипом увеличить эффект охлаждения газа и конденсации паров за счет использования в качестве вихревого сепаратора самовакуумирующейся вихревой трубы, по оси которой установлена теплообменная труба, в которой предварительно охлаждается газ и конденсируется часть паров. Сепаратор с двумя диффузорами увеличит по сравнению с сепаратором с одним диффузором длину зоны охлаждения в два раза и соответственно повысит степень конденсации.

Изобретение относится к области подготовки попутного газа, в частности, для его осушки. Вихревой сепаратор содержит протяженный сопловой ввод, камеру закрутки, коническую ловушку конденсата, расположенную непосредственно у соплового ввода, и выходной радиальный диффузор. По оси сепаратора соосно с камерой закрутки расположена теплообменная труба для предварительного охлаждения газа и конденсации паров. В сепараторе может быть установлен дополнительный диффузор симметрично первому. В сепараторе достигается высокая степень конденсации паров за счет обеспечения предварительного охлаждения газа и повышения степени расширения его. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вихревой сепаратор, включающий протяженный сопловой ввод, камеру закрутки, коническую ловушку конденсата и выходной диффузор, отличающийся тем, что по оси сепаратора соосно с камерой закрутки расположена теплообменная труба для предварительного охлаждения газа и конденсации паров, при этом в качестве диффузора сепаратор содержит радиальный диффузор, а коническая ловушка расположена непосредственно у соплового ввода.2. Вихревой сепаратор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным диффузором, установленным симметрично первому относительно соплового ввода.