ОТСТОЙНИК ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОЙ СИСТЕМЫ ГАЗ (ПАР)-ЖИДКОСТЬ Российский патент 2016 года по МПК B01D45/08 

Изобретение предназначено для разделения неоднородных систем газ-жидкость типа «пена» и «туман» на газовую (паровую) и жидкую фазы и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, газовой, нефтехимической, химической, пищевой и других отраслях промышленности для разделения газожидкостных смесей, например, при разделении продуктов охлаждения дистиллята ректификационной колонны, разделяющей углеводороды, в отстойном аппарате на газовую (паровую) и жидкую фазы.

Известна конструкция сепаратора неоднородных систем газ (пар)-жидкость, включающая емкость со штуцерами ввода исходной неоднородной смеси и вывода раздельно газовой (паровой) и жидкой фаз (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1970. С. 650). Недостатком конструкции является большая металлоемкость из-за необходимости обеспечения длительного времени разделения неоднородной системы под действием гравитационной силы и низкое качество разделения, связанное с тем, что мелкие капли жидкости в газовой фазе и пузырьки газа в жидкой фазе не успевают соответственно осадиться или всплыть за ограниченное время пребывания неоднородной системы в аппарате.

Известен сепаратор для разделения текучей смеси веществ различной плотности, таких как газ и жидкость, который включает кожух, роторный узел, отверстие для пропускания потока текучей среды, выступ, выступающий вверх от кожуха и окружающий отверстие, и патрубок, причем патрубок может соединяться с выступом так, что внутренняя поверхность патрубка сочетается с изогнутой поверхностью выступа для получения изогнутой поверхности для пути потока (Газоочистной сепаратор: пат. 2522834 Рос. Федерация. №2012106222/03; заявл. 10.07.09; опубл. 20.07.14).

Недостатками данного изобретения являются:

значительная энергоемкость аппарата для создания центробежной силы, необходимая для вращения ротора, представляющего собой вал, сопряженный с пакетом тарелок;

низкая эффективность разделения системы газ-жидкость типа «туман» при капельном распределении жидкой фазы в сплошной газовой фазе, поскольку изогнутой поверхности выступа недостаточно для закручивания потока «тумана», а раскручивание его за счет сил трения при вращении тарелок ротора в кожухе не позволяет развить большого числа оборотов с получением заметной центробежной силы.

Известен также газоотделитель, включающий корпус со штуцерами для ввода и вывода газожидкостной смеси и барботер, отличающийся тем, что корпус газоотделителя размещен горизонтально, снабжен штуцером отбора жидкости в нижней части и штуцером отбора газа в верхней части, причем штуцера отбора жидкости и газа соединены со штуцером вывода газожидкостной смеси, верхняя образующая которого расположена не ниже верхней образующей корпуса газоотделителя, а барботер размещен в горизонтальной плоскости, проходящей через нижнюю сторону вписанного в поперечное сечение корпуса квадрата, и выполнен в виде системы труб (Газоотделитель: пат. 2035197 Рос. Федерация. №5003948/26; заявл. 02.08.91; опубл. 20.05.95).

Недостатками данного изобретения являются:

отвод разделившихся газовой и жидкой фаз по одному общему трубопроводу, что приведет, по крайней мере, к частичному повторному смешению газовой и жидкой фаз и, как следствие, к снижению эффективности разделения фаз в аппарате в целом;

подача газа в барботер под уровень жидкой фазы в корпусе приведет к снижению эффективности отделения газовой дисперсной фазы от сплошной жидкой фазы, поскольку скорость свободного всплывания одиночных газовых пузырей при низкой концентрации газовой фазы в неоднородной системе значительно выше и соответственно эффективность разделения выше, чем при стесненном всплывании совокупности пузырьков, возникающем при дополнительном барботаже газа в газоотделителе, увеличивающем концентрацию газовой фазы в неоднородной системе.

Известен также фильтр-сепаратор, включающий корпус со штуцерами ввода газожидкостной смеси, вывода газа, отделенной жидкости и примесей, с установленными в нем фильтр-коалесцирующими секциями, выполненными из пористых элементов, и секции сепарации, при этом пористые элементы выполнены из ориентированных к вертикали объемных, пористых незамкнутых между собой по ходу подачи газожидкостной смеси пластин, внешние поверхности фильтр-коалесцирующих секций снабжены с одной стороны решетками наддува потока газожидкостной смеси, с другой - решетками отбора газа, а секция сепарации выполнена из перфорированных незамкнутых между собой по ходу подачи газожидкостной смеси пластин, поверхности которых снабжены ориентированными к вертикали пористыми жгутами, смещенными относительно друг друга и пористых жгутов смежной пластины (Фильтр-сепаратор: пат. 2480267 Рос. Федерация. №2011146503/02; заявл. 17.11.11; опубл. 27.04.13).

Недостатками данного изобретения являются:

аппарат имеет повышенную металлоемкость из-за большого объема зоны сбора жидкой фазы, представляющей собой самостоятельный дополнительный аппарат;

аппарат применяется только для разделения неоднородных систем типа «туман» с низким содержанием капельной жидкой фазы, при котором объем аппарата свободен от жидкой фазы;

установка секции сепарации после фильтр-коалесцирующих секций практически бесполезна, так как в секции сепарации возможно осаждение только относительно крупных капель жидкой фазы, которых после фильтр-коалесцирующих секций просто не должно оставаться в потоке газа;

установка фильтр-коалесцирующих секций, выполненных из вертикальных пористых пластин, малоэффективна, поскольку капли жидкой фазы, находящиеся в потоке газа, легко проходят сквозь поры перегородки при достаточном перепаде давления на перегородке;

практически невозможно разделять в аппарате неоднородную систему с низкой концентрацией газовых пузырьков в жидкости, так как весь разделяемый поток будет проходить через аппарат практически без разделения на фазы из-за практической соосности штуцеров ввода неоднородной системы и вывода газа, поскольку через этот штуцер с газом отводятся излишки жидкой фазы.

При создании изобретения ставилась задача разработки универсальной конструкции отстойника для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость как в форме «пены», так и в форме «тумана», при этом из неоднородной системы типа «пены» необходимо извлечь диспергированную газовую фазу, а из неоднородной системы типа «тумана» - отделить диспергированную жидкую фазу.

Поставленная задача решается за счет того, что в отстойнике для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость, включающем горизонтальный цилиндрический корпус с днищами, секцию сепарации, штуцер ввода неоднородной системы и штуцера вывода газовой и жидкой фаз, под штуцером ввода неоднородной системы расположен сопряженный с горизонтальным цилиндрическим корпусом перфорированный цилиндрический отбойник с коническими пластинами, по обе стороны которого расположены секции сепарации в виде пакета регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, образующие в нормальном сечении емкости вертикальную цилиндрическую стенку, сопряженную с горизонтальным цилиндрическим корпусом емкости, или параллельную с осью горизонтального цилиндрического корпуса емкости горизонтальную прямоугольную стенку, сопряженную с двух параллельных оси торцов с горизонтальным цилиндрическим корпусом емкости и с двух перпендикулярных оси торцов с дополнительными сегментными пластинами, также сопряженными с горизонтальным цилиндрическим корпусом, а в нижней части горизонтального цилиндрического корпуса расположены перфорированные сегментные перегородки, причем смежные гофрированные проницаемые пластины стенки контактируют между собой вершинами гофров. Для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость в отстойнике используют пакеты регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, в которых формируется большая поверхность разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость (зеркало осветления неоднородной системы), обеспечивающая высокую производительность отстойника, причем при разделении неоднородная система типа «пена» продавливается сквозь вертикальную цилиндрическую стенку, составленную из пакетов регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, разрушаясь при этом и выделяя газовую (паровую) фазу в форме объединяющихся и постепенно увеличивающихся в размерах, газовых (паровых) пузырей, которые, лопаясь, формируют непрерывную газовую (паровую) фазу. При разделении неоднородная система типа «туман» легко проходит сквозь горизонтальную стенку, составленную из пакетов регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, при этом неоднородная система типа «туман» проходит слой насадки в вертикальном направлении по синусоидальной траектории за счет несоосности отверстий гофрированных проницаемых пластин и за счет этого в потоке возникает центробежная сила, отбрасывающая капли жидкости на поверхность гофрированных проницаемых пластин, по которым капли стекают в нижнюю часть горизонтального цилиндрического корпуса отстойника, а очищенная газовая (паровая) фаза отводится из верхней части горизонтального цилиндрического корпуса через штуцер вывода газовой фазы. Наличие на входе неоднородной системы в отстойник перфорированного цилиндрического отбойника с коническими пластинами позволяет обеспечить первичное грубое разделение неоднородной системы газ (пар)-жидкость, отделяя сразу наиболее крупные капли из неоднородной системы типа «туман» или схлопывая крупные газовые (паровые) пузыри, что уменьшает нагрузку на секцию сепарации.

Целесообразно, чтобы гофрированные проницаемые пластины имели угол наклона гофра к горизонтали 40-60 градусов, что позволит обеспечить устойчивый пленочный поток жидкой фазы по их поверхности при разделении как неоднородной системы типа «пена», так и неоднородной системы типа «туман» при одновременном увеличении пути и времени пребывания пленки на гофрированной проницаемой пластине и соответственно в пакете гофрированных проницаемых пластин в 1,15-1,4 раза больше, чем при вертикальном расположении гофрированных проницаемых пластин. Полезно, чтобы гофрированные проницаемые пластины были выполнены из экспанзированной пластины толщиной 0,1-0,5 мм с образованием ромбовидных ячеек-отверстий с размером 3-8 мм и толщиной ребра 0,5-2,0 мм, что повышает технологичность изготовления гофрированных проницаемых пластин, снижает металлоемкость конструкции отстойника, а ромбовидность отверстий в гофрированных проницаемых пластинах способствует интенсивному разрыву стекающей пленки в вершинах острых углов ромбовидных отверстий и дополнительному увеличению ее поверхности по сравнению с обычной перфорацией в виде круглых отверстий.

Целесообразно также, чтобы гофры смежных гофрированных проницаемых пластин были смещены на 90 градусов и контактировали между собой вершинами гофров, образуя полости размером в 3-5 раз больше, чем ребро ромбовидных ячеек-отверстий гофрированных проницаемых пластин, в которых из формируемого потока газовой (паровой) фазы при разделении неоднородной системы газ (пар)-жидкость типа «пена» осаждаются капли жидкой фазы, выносимые из жидкой пленки, при разделении неоднородной системы типа «пена» интенсифицируется осаждение капель за счет уменьшения скорости потока газовой (паровой) фазы, а при разделении неоднородной системы газ (пар)-жидкость типа «туман» возрастает качество неоднородной системы типа «туман», поскольку из-за уменьшения скорости потока успевают в такой полости осесть более мелкие капли.

Полезно также, чтобы гофрированные проницаемые пластины фиксировались между собой в пакете при помощи точечной электросварки или сшивались спицами с заглушенными торцами, что обеспечивает с одной стороны простоту сборки пакета, а с другой - его конструктивную прочность.

Целесообразно, чтобы перфорированные сегментные перегородки в нижней части отстойника постепенно увеличивались по высоте по мере приближения к днищам и выходили за пределы сплошного слоя жидкой фазы, что позволяет им одновременно функционировать в качестве отбойников капель жидкой фазы при разделении неоднородной системы газ (пар)-жидкость типа «туман», так как, стекая на перегородку, поток неоднородной системы типа «туман» отбивается вверх, а капли жидкой фазы по инерции попадают на перфорированную сегментную перегородку, теряют кинетическую энергию и сползают по перфорированной сегментной перегородке на дно отстойника.

Целесообразно также, чтобы перфорированный цилиндрический отбойник с коническими пластинами имел пластины S-образного профиля, что позволяет менять траекторию движения неоднородной системы газ (пар)-жидкость между пластинами и за счет этого отбивать часть жидкой фазы от газовой (паровой) фазы. Если в перфорированном цилиндрическом отбойнике с коническими пластинами установить в отверстиях перфорации тангенциальные завихрители, то за счет закрутки потока неоднородной системы газ (пар)-жидкость в поле возникающих центробежных сил ускоряется, по крайней мере, частичное разложение неоднородной системы газ (пар)-жидкость типа «пена» на фазы или извлечение наиболее крупных капель из неоднородной системы газ (пар)-жидкость типа «туман».

Конструкции отстойника для разделения неоднородных систем газ (пар)-жидкость с вертикальным расположением цилиндрических стенок и горизонтальным расположением прямоугольных стенок представлены соответственно на фигурах 1, 2 и содержат следующие элементы:

1 - горизонтальный цилиндрический корпус отстойника;

2 - штуцер ввода неоднородной системы;

3 - штуцер вывода газовой фазы;

4 - штуцер вывода жидкой фазы;

5 - перфорированный цилиндрический отбойник;

6 - вертикальная цилиндрическая стенка;

7 - горизонтальная прямоугольная стенка;

8 - дополнительные сегментные пластины;

9 - перфорированные сегментные перегородки.

Согласно фигуре 1, на которой сплошными стрелками показан ход газовой фазы, пунктирными стрелками - ход жидкой фазы, поток неоднородной системы газ (пар)-жидкость типа «пена» через штуцер ввода неоднородной системы 2 направляется в горизонтальный цилиндрический корпус отстойника 1 и поступает в перфорированный цилиндрический отбойник 5 с коническими пластинами, которые могут иметь в отверстиях перфорации тангенциальные завихрители. В перфорированном цилиндрическом отбойнике 5 происходит частичное разрушение неоднородной системы типа «пена» за счет того, что часть газовых (паровых) пузырей сливается между собой с одновременным утолщением пленки жидкой фазы, формирующей сплошную среду неоднородной системы типа «пена». Далее поток направляется в секции сепарации, расположенные по обе стороны от перфорированного цилиндрического отбойника 5. Секции сепарации представляют собой пакеты регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, образующие в горизонтальном цилиндрическом корпусе аппарата вертикальные цилиндрические стенки 6. Частично сконцентрированная неоднородная система типа «пена» проходит слой насадки в горизонтальном направлении, разрушая свою структуру, при этом формирующаяся газовая (паровая) фаза движется по синусоидальной траектории из-за несоосности отверстий гофрированных проницаемых пластин. Таким образом, в потоке возникает центробежная сила, отбрасывающая капли на поверхность гофрированных проницаемых пластин, по которым капли стекают в нижнюю часть горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1. Фрагменты жидкой пленки от разрушенной оболочки газовых (паровых) пузырей за счет сил поверхностного натяжения на границе фаз жидкость-газ образуют на поверхности гофрированных проницаемых пластин капли, также стекающие по гофрированным проницаемым пластинам в нижнюю часть горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1. Жидкая фаза далее собирается в нижней части горизонтального цилиндрического корпуса аппарата и выводится через штуцер вывода жидкой фазы 4. Очищенная газовая (паровая) фаза выводится из горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1 через штуцера вывода газовой фазы 3.

Согласно фигуре 2 поток неоднородной системы газ (пар)-жидкость типа «туман» через штуцер ввода неоднородной системы 2 направляется в горизонтальный цилиндрический корпус отстойника 1. Далее поток поступает в перфорированный цилиндрический отбойник 5 с коническими пластинами, которые могут иметь в отверстиях перфорации тангенциальные завихрители. В перфорированном цилиндрическом отбойнике 5 за счет изменения направления движения неоднородной системы газ (пар)-жидкость типа «туман» и (или) ее вращения происходит отделение наиболее крупных капель жидкости, стекающих вниз на дно горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1 за счет гравитационных сил. Из перфорированного цилиндрического отбойника поток неоднородной системы газ (пар)-жидкость типа «туман» направляется в секции сепарации, которые расположены по обе стороны от перфорированного цилиндрического отбойника 5. Секции сепарации, обеспечивающие разделение газовой и жидкой фаз, представляют собой пакеты регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, образующие в горизонтальном цилиндрическом корпусе аппарата горизонтальные прямоугольные стенки 7, сопряженные с двух параллельных оси торцов с горизонтальным цилиндрическим корпусом отстойника 1 и с двух перпендикулярных оси торцов с дополнительными сегментными пластинами 8, также сопряженными с горизонтальным цилиндрическим корпусом отстойника 1. Выделившаяся газовая фаза отводится через штуцера вывода газовой фазы 3, расположенные в верхней части горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1. Жидкая фаза стекает через отверстия в гофрированных проницаемых пластинах и, пройдя через перфорированные сегментные перегородки 9 в нижней части горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1, которые постепенно увеличиваются по высоте по мере приближения к днищам и выходят за пределы сплошного слоя жидкой фазы, выводится через штуцер вывода жидкой фазы 4. Перфорированные сегментные перегородки 9 одновременно функционируют в качестве отбойников капель жидкой фазы при разделении неоднородной системы газ (пар)-жидкость типа «туман», так как, стекая на перфорированную сегментную перегородку, поток неоднородной системы типа «туман» отбивается вверх, а капли жидкой фазы по инерции попадают на перфорированную сегментную перегородку, таким образом, теряют кинетическую энергию и сползают по перфорированной сегментной перегородке 9 на дно отстойника, и в качестве успокоителей потока жидкой фазы на дне горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает решение поставленной задачи - разработки универсальной конструкции отстойника для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость как типа «пена», так и типа «туман».

Изобретение предназначено для разделения неоднородных систем газ-жидкость на газовую и жидкую фазы и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, газовой, нефтехимической, химической, пищевой и других отраслях промышленности. Отстойник включает горизонтальный цилиндрический корпус с днищами, штуцер ввода неоднородной системы и штуцера вывода газовой и жидкой фаз. Под штуцером ввода неоднородной системы расположен сопряженный с горизонтальным цилиндрическим корпусом перфорированный цилиндрический отбойник с коническими пластинами, по обе стороны от которого расположены секции сепарации в виде пакета регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин. Секции сепарации образуют в горизонтальном цилиндрическом корпусе емкости вертикальную цилиндрическую стенку или параллельную с осью горизонтального цилиндрического корпуса емкости горизонтальную прямоугольную стенку, сопряженную с двух параллельных оси торцов с горизонтальным цилиндрическим корпусом емкости и с двух перпендикулярных оси торцов с дополнительными сегментными пластинами. В нижней части горизонтального цилиндрического корпуса расположены перфорированные сегментные перегородки. Технический результат: эффективность разделения газ-жидкость, снижение металлоемкости, универсальность конструкции. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Отстойник для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость, включающий горизонтальный цилиндрический корпус с днищами, секцию сепарации, штуцер ввода неоднородной системы и штуцера вывода газовой и жидкой фаз, отличающийся тем, что под штуцером ввода неоднородной системы расположен сопряженный с горизонтальным цилиндрическим корпусом перфорированный цилиндрический отбойник с коническими пластинами, по обе стороны которого расположены секции сепарации в виде пакета регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, образующие в нормальном сечении емкости вертикальную цилиндрическую стенку, сопряженную с горизонтальным цилиндрическим корпусом емкости, или параллельную с осью горизонтального цилиндрического корпуса емкости горизонтальную прямоугольную стенку, сопряженную с двух параллельных оси торцов с горизонтальным цилиндрическим корпусом емкости и с двух перпендикулярных оси торцов с дополнительными сегментными пластинами, также сопряженными с горизонтальным цилиндрическим корпусом, а в нижней части горизонтального цилиндрического корпуса расположены перфорированные сегментные перегородки, причем смежные гофрированные проницаемые пластины стенки контактируют между собой вершинами гофров.

2. Отстойник для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость по п. 1, отличающийся тем, что гофрированные проницаемые пластины имеют угол наклона гофра к горизонтали 40-60 градусов.

3. Отстойник для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость по п. 1, отличающийся тем, что гофрированные проницаемые пластины выполняют из экспанзированной пластины толщиной 0,1-0,5 мм с образованием ромбовидных ячеек-отверстий с размером 3-8 мм и толщиной ребра 0,5-2,0 мм.

4. Отстойник для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость по п. 1, отличающийся тем, что гофры смежных гофрированных проницаемых пластин смещены на 90 градусов и контактируют между собой вершинами гофров, образуя полости размером в 3-5 раз больше, чем ребро ромбовидных ячеек-отверстий гофрированных проницаемых пластин.

5. Отстойник для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость по п. 1, отличающийся тем, что гофрированные проницаемые пластины фиксируются между собой в пакете при помощи точечной электросварки или сшиваются спицами с заглушенными торцами.

6. Отстойник для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость по п. 1, отличающийся тем, что перфорированные сегментные перегородки в нижней части постепенно увеличиваются по высоте по мере приближения к днищам и выходят за пределы сплошного слоя жидкой фазы.

7. Отстойник для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость по п. 1, отличающийся тем, что перфорированный цилиндрический отбойник с коническими пластинами имеет пластины S-образного профиля.

8. Отстойник для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость по п. 1, отличающийся тем, что перфорированный цилиндрический отбойник с коническими пластинами имеет в отверстиях перфорации тангенциальные завихрители.