ЦИКЛОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ МУЛЬТИЦИКЛОНА Российский патент 2022 года по МПК B01D45/12 B01D45/02 B01D45/04 

Изобретение относится к области очистки газа с использованием гравитационных, инерционных и центробежных сил, а именно, к мультициклонам, (именуемым также батарейными циклонами), и предназначено для компрессорных станций магистральных газопроводов.

Мультициклон представляет собой инерционный пылеулавливающий аппарат, включающий множество параллельно включенных циклонных элементов, объединенных в одном корпусе и имеющих общий подвод и отвод газов, а также сборный бункер. См. Кропп Л.Д., Бронштейн А.Ш. Эксплуатация батарейных циклонов. - Москва; Ленинград: Энергия, 1964. - стр. 28-32, 62-71.

Циклонный элемент мультициклона включает корпус с цилиндрической и сужающейся частями, направляющий аппарат и выхлопную трубу. Длины цилиндрической и сужающейся частей корпуса по существу одинаковы. Сужающаяся часть корпуса выполнена в виде конической оболочки с центральным отводным отверстием. Направляющий аппарат винтового или розеточного типа установлен в цилиндрической части корпуса между стенками корпуса и выхлопной трубы. Детали циклонного элемента выполнены из листовой стали и соединены сварными швами.

Известный циклонный элемент не приспособлен к отделению жидкости, поступающей в мультициклон с газом и оседающей на внутренних стенках корпуса в виде ползучих слоев. Сползая по внутренним коническим стенкам сужающейся части корпуса, жидкость попадает в зону пониженного давления и всасывается восходящим потоком газа. Сползая по внешним стенкам выхлопной трубы «… Слои жидкости подтекают к отверстию выхлопной трубы, откуда они легко увлекаются газом. Степень ползучести зависит от свойств жидкости - ее поверхностного натяжения и вязкости, так, например, масло увлекается быстрее, чем вода.». См. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. - М.: Химия, 1981. - стр. 291-295.

Кроме того, в сужающейся конической части корпуса наблюдается проскок частиц пыли и жидкости из нисходящего потока газа в восходящий. На частицу действует сила сопротивления закрученного потока газа, несущая частицу по нисходящей траектории в виде сужающейся спирали, и центробежная сила, направляющая частицу к конической стенке. Движение частицы сопровождается встречными ударами о коническую стенку и отскоками частиц к оси конуса. Вблизи отводного отверстия, радиальные составляющие сил сопротивления потока и удара могут оказаться достаточными для преодоления центробежной силы и проскока частицы в восходящий поток газа. Явление проскока частиц в восходящий поток ограничивает эффективность очистки.

Известен циклонный элемент, отлитый из высококачественного чугуна. См. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. - М.: Химия, 1981. - стр. 291-295. Цельнолитой циклонный элемент содержит цилиндрическую часть, сужающуюся часть, направляющий аппарат и выхлопную трубу. Длина сужающейся части, по меньшей мере, вдвое меньше длины цилиндрической части. Сужающаяся часть выполнена в виде параболической оболочки вращения с центральным отводным отверстием. Профиль стенок сужающейся части сопрягается с профилем стенок цилиндрической части. Направляющий аппарат розеточного типа выполнен между цилиндрическими стенками корпуса и выхлопной трубы.

В удлиненной цилиндрической части цельнолитого циклонного элемента слои осажденной жидкости сползают в сужающуюся часть вне зоны пониженного давления. Сила сопротивления закрученного потока газа несет частицу пыли по нисходящей траектории в виде цилиндрической спирали. Центробежная сила, направляет частицы жидкости и пыли к стенке циклона. Частицы пыли и жидкости концентрируются в пристеночном слое потока газа. Сила касательных ударов о цилиндрическую стенку недостаточна для проскока частиц в восходящий поток газа. В короткой сужающейся части направление газового потока меняется на противоположное, а сконцентрированные в пристеночном слое цилиндрической части пыль и жидкость под действием гравитационных, инерционных и центробежных сил удаляются через центральное отверстие. Описанный циклонный элемент обеспечивает лучшую очистку газа относительно первого аналога, но сохраняет подтекание осевшей жидкости к отверстию выходной трубы и проскок частиц пыли из нисходящего потока газа в восходящий, ввиду высокой скорости пристеночного слоя газа.

Наиболее близок к предлагаемому техническому решению, принятый за прототип, циклонный элемент мультициклона ANDERSON Multi-Cyclone Separator (AMCS) компании Clark-Reliance Corporation. См. бюллетень «AN-DERSON™. A Division Of The Clark-Reliance Corporation. AMCS Series Multi-Cyclone Separator. Section: A100. Bulletin: A100.45. Date: 3/1/98. Supersedes: 3/79., а также контент на сайте компании: URL: https://www.crfiltrationsolu-tions.com/anderson-separators-gas-applications (дата обращения: 31.01.2022).

Циклонный элемент AMCS состоит из литого корпуса и выхлопной трубы. Литой корпус и выхлопная труба соединены сварным швом. Литой корпус содержит цилиндрическую часть, сужающуюся частью и направляющий аппарат. Длина сужающейся части, по меньшей мере, вдвое меньше длины цилиндрической части. Сужающаяся часть литого корпуса выполнена в виде полусферической оболочки с центральным отводным отверстием. Профиль стенок сужающейся части сопрягается с профилем стенок цилиндрической части. Направляющий аппарат выполнен в виде двух полу-улиток, охватывающих выхлопную трубу снизу. Входы полу-улиток расположены параллельно оси выхлопной трубы и направлены в противоположные стороны.

Расположение входов полу-улиток исключает стекание осевшей на выхлопной трубе жидкости во внутреннюю полость циклонного элемента. В удлиненной цилиндрической части корпуса циклонного элемента слои осажденной жидкости сползают в сужающуюся часть вне зоны пониженного давления. Сила сопротивления закрученного потока газа несет частицу пыли по нисходящей траектории в виде цилиндрической спирали. Центробежная сила, направляет частицы жидкости и пыли к стенке циклона. Частицы пыли и жидкости концентрируются в пристеночном слое потока газа. Силы касательных ударов о цилиндрическую стенку недостаточно для проскока частиц пыли в восходящий поток газа. В короткой сужающейся части направление газового потока меняется на противоположное, а сконцентрированные в пристеночном слое цилиндрической части пыль и жидкость под действием гравитационных, инерционных и центробежных сил удаляются через центральное отверстие.

По данным производителя циклонные элементы мультициклона AMCS удаляют 100% жидких и твердых частиц размером 8,0 мкм и более, и более и 99% всех частиц размером 5-8 мкм при заданных изготовителем параметрах давления и расхода газа. Однако, изменение параметров давления и расхода газа приводит к снижению эффективности очистки как у прототипа, так и у всех рассмотренных выше аналогов. Как следствие, на частичных режимах эксплуатации мультициклона эффективность очистки газа в циклонном элементе снижается.

Циклонные элементы и их корпуса с сужающейся частью в виде параболической или полусферической оболочки выполняются литыми и характеризуются большей массой, материалоемкостью и трудоемкостью производства относительно аналогов с конической сужающейся частью, изготовленных из листового материала.

Задачи, решаемые изобретением:

- сократить массу, материалоемкость и трудоемкость циклонного элемента;

- повысить эффективность очистки газа при изменении параметров давления и расхода газа.

Технический результат от использования изобретения:

- сокращение расхода ресурсов в производстве циклонных элементов.

- повышение надежности газоперекачивающего оборудования компрессорных станций.

Изобретение реализуют в нескольких исполнениях.

1-е исполнение.

Циклонный элемент мультициклона включает корпус с цилиндрической и сужающейся частями, направляющий аппарат и выхлопную трубу. Длина сужающейся части, по меньшей мере, вдвое меньше длины цилиндрической части. Сужающаяся часть выполнена в виде оболочки вращения с дугообразным профилем стенок и центральным отводным отверстием. Профиль стенок сужающейся части сопрягается с профилем стенок цилиндрической части. Направляющий аппарат выполнен в виде двух полу-улиток, входы которых расположены параллельно оси выхлопной трубы и направлены в противоположные стороны. Направляющий аппарат охватывает выхлопную трубу и закреплен на корпусе.

Для решения поставленной задачи длина сужающейся части корпуса связана с параметрами очищаемого потока газа, внутренним диаметром цилиндрической части корпуса и наружным диаметром выхлопной трубы в виде соотношения:

где: «*» - индекс линейных размеров, выраженных в долях внутреннего диаметра цилиндрической части корпуса (см. размер В на фиг. 1), - длина сужающейся части корпуса; - наружный диаметр выхлопной трубы; d и d* - диаметр частицы пыли в мм и долях внутреннего диаметра цилиндрической части корпуса; μ - динамическая вязкость газа, Па⋅сек.; ρ - плотность частицы пыли, кг/м³; и_t - тангенциальная скорость частицы пыли, принятая равной скорости потока газа на входе в цилиндрическую часть корпуса, м/сек.

Выражение в скобках содержит параметры очищаемого потока газа и для каждого месторождения имеет свое значение.

Безразмерные линейные величины с индексом «*» позволяют использовать соотношение (1) и создавать геометрически подобные циклонные элементы для различных расходов газа. Обоснование соотношения (1) представлено в описании примера осуществления изобретения.

Исполнение 1 обеспечивает сокращения массы, материалоемкости и трудоемкости циклонных элементов за счет применения для корпуса и выхлопной трубы заготовок из стандартного трубного проката. Длина сужающейся части, удовлетворяющей соотношению (1), исключает влияние дискретности стандартных размеров труб на эффективность очистки газа.

2-е исполнение.

Циклонный элемент мультициклона в исполнении 1, отличающийся тем, что профиль внутренней стенки сужающейся части корпуса выполнен дугой окружности, радиус которой по существу определен соотношением:

где: - радиус дуги окружности профиля; α - угол начала скатывания отделенных частиц жидкости под собственной тяжестью по стенкам сужающейся части, см. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М., «Химия», 1974. 416 с. С. 97-100.

Исполнение 2 обеспечивает скатывание частиц жидкости с внутренней стенки сужающейся части под собственной тяжестью и достаточную вогнутость внутренней стенки для исключения попадания частиц пыли и жидкости в восходящий поток. Исполнение повышает эффективность очистки газа на частичных режимах эксплуатации мультициклона.

3-е исполнение.

Циклонный элемент мультициклона в исполнении 2, отличающийся тем, что профиль внутренней стенки сужающейся части выполнен дугой окружности, радиус которой по существу определен соотношениями:

при:

Исполнение 3 обеспечивает технологическую возможность бездефектного изготовления цельноштампованного корпуса циклонного элемента в обжимном штампе из одной трубной заготовки. См. Ковка и штамповка: Справочник: В 4 т.Т. 4. Листовая штамповка / Под ред. А.Д. Матвеева; Ред. совет: Е.И. Семенов (пред) и др. - М.: Машиностроение, 1985-1987. - 544 с. Исполнение снижает массу материалоемкость и трудоемкость циклонного элемента.

4-е исполнение.

Циклонный элемент мультициклона в одном из исполнений 1, 2, 3, отличающийся тем, что сужающаяся часть корпуса выполнена с кольцевой ступенью вокруг центрального отводного отверстия.

Кольцевая ступень увеличивает площадь сечения потока газа, что приводит к местному падению скорости пристеночного слоя и радиальной составляющей силы сопротивления потока. Падение скорости уже насыщенного пылью и жидкостью пристеночного слоя исключает проскок частиц в восходящий поток очищенного газа. Осевая составляющая силы сопротивления нисходящего потока, центробежные силы, силы инерции и гравитации прижимают теряющие скорость частицы к поверхности ступени и отводят в центральное отверстие. Исполнение повышает эффективность очистки газа.

5-е исполнение.

Циклонный элемент мультициклона в одном из исполнений 1, 2, 3, 4 отличающийся тем, что полу-улитки направляющего аппарата выполнены в виде изогнутых цилиндрических оболочек, закрепленных между двумя овальными фланцами, цилиндрические оболочки и фланцы выполнены из листового материала и соединены сварными швами.

Исполнение 5 обеспечивает сокращения массы, материалоемкости и трудоемкости циклонных элементов за счет формообразования деталей из листового материала, применения программируемой лазерной резки и гибочного оборудования.

На фиг. 1 представлен общий вид предпочтительной конструкции циклонного элемента, на фиг. 2 - геометрические параметры соотношения (1), на фиг. 3 - выносной элемент А на фиг. 1 с указанием сил, действующих на отделяемую частицу пыли, и ее скорости.

Соотношение (1) получено из анализа движения частицы пыли в сужающейся части циклонного элемента.

На частицу пыли действует сила гравитации, сила сопротивления закрученного потока газа, несущая частицу по нисходящей траектории в виде сужающейся спирали, и центробежная сила

Радиальная составляющая силы сопротивления потока газа определяется по формуле Стокса:

где: F_S - сила сопротивления потока газа, Н; и_R - радиальная скорость потока газа в сужающейся части циклонного элемента, м/сек.

Центробежная сила:

где: F_c - центробежная сила, Н.

Радиальная скорость потока газа определяется из условия равенства расходов газа на входе в цилиндрическую часть корпуса циклонного элемента и в цилиндрическом сечении сужающейся части диаметром D_e и длиной L_e:

где: Q_c - расход газа на входе в цилиндрическую часть корпуса, м³/сек. Q_S - расход газа в цилиндрическом сечении диаметром D_e и длиной L_e, м³/сек.

Из (7)-(9) следует:

Для предотвращения попадания частицы пыли в восходящий поток газа, на окружности входа в сужающийся поток диаметром D_e, центробежная сила должна быть больше силы сопротивления потока газа:

Из (5), (6), (10), (11) установлена связь геометрических параметров циклонного элемента и параметров очищаемого газа:

После представления линейных размеров левой части (12) в долях внутреннего диаметра цилиндрической части корпуса (делением числителя и знаменателя левой части на D), связь геометрических параметров циклонного элемента и параметров очищаемого газа получена в обобщающем безразмерном виде:

Из (13) следует соотношение (1) для длины сужающейся части.

Предпочтительная конструкция циклонного элемента мультициклона включает признаки всех описанных исполнений. Циклонный элемент мультициклона включает цельноштампованный корпус 1 с цилиндрической 2 и сужающейся 3 частями, направляющий аппарат 4 и выхлопную трубу 5. Корпус 1, направляющий аппарат 4 и выхлопная труба 5 соединены сварными швами. Полу-улитки направляющего аппарата выполнены в виде изогнутых цилиндрических оболочек 6, закрепленных между двумя овальными фланцами 7. Цилиндрические оболочки и фланцы выполнены из листового материала и соединены сварными швами. Входы 8 полу-улиток направляющего аппарата параллельны оси выхлопной трубы и направлены в противоположные стороны. Направляющий аппарат 4 охватывает выхлопную трубу 5 и закреплен на цилиндрической части корпуса 1.

Длина сужающейся части 2 корпуса, по меньшей мере, вдвое меньше длины его цилиндрической части 1. Сужающаяся часть корпуса выполнена в виде оболочки вращения с центральным отводным отверстием и дугообразным профилем стенок. Профиль стенок сужающейся части сопрягается с профилем стенок цилиндрической части.

Длина сужающейся части циклонного элемента определена соотношением (1). Профиль внутренней стенки сужающейся части выполнен дугой окружности, радиус которой определен соотношениями (2), (3), (4).

Цельноштампованный корпус 5 выполнен из одной трубной заготовки в обжимном штампе. Корпус 5 выполнен из стандартной трубы с внутренним диаметром!), а выхлопная труба из стандартной трубы с наружным диаметром D_e. Длина L_e сужающейся части исключает влияние дискретности размеров стандартных труб на эффективность очистки газа.

Сужающаяся часть циклонного элемента выполнена с кольцевой ступенью 9 вокруг центрального отводного отверстия.

Циклонный элемент мультициклона работает следующим образом.

Очищаемый газ поступает через входы 8 двух полу-улиток направляющего аппарата 4 и двумя закрученными потоками направляется в цилиндрическую часть 2 корпуса 1.

В удлиненной цилиндрической части корпуса слои осажденной жидкости сползают в сужающуюся часть вне зоны пониженного давления. Сила сопротивления закрученного потока газа несет частицу пыли по нисходящей траектории в виде цилиндрической спирали. Центробежная сила, направляет частицы пыли и жидкости к стенке циклона. Частицы пыли и жидкости концентрируются в пристеночном слое потока газа. Силы касательных ударов о цилиндрическую стенку недостаточно для проскока частиц в восходящий поток газа.

В короткой сужающейся части 3 корпуса 1 направление газового потока меняется - поток становится восходящим. Кольцевая ступень 9 увеличивает площадь сечения потока газа, что приводит к местному падению скорости пристеночного слоя и радиальной составляющей силы сопротивления потока. Падение скорости уже насыщенного пылью и жидкостью пристеночного слоя исключает проскок частиц в восходящий поток очищенного газа. Осевая составляющая силы сопротивления нисходящего потока, центробежные силы, силы инерции и гравитации прижимают теряющие скорость частицы к поверхности ступени и отводят в центральное отверстие.

Изобретение позволяет производить циклонные элементы из стандартных труб и листового материала с применением высокопроизводительных технологических процессов штамповки, программируемой лазерной резки и гибочного оборудования.

От аналогов изделие отличается меньшей массой, меньшей материалоемкостью, меньшей трудоемкостью производства и лучшей эффективностью очистки газ.

Производство предлагаемого циклонного элемента реализовано в условиях металлообрабатывающего завода.

Промышленная применимость изобретения подтверждена испытаниями опытного образца мультициклона с комплектом предлагаемых циклонных элементов.

Изобретение касается циклонного элемента мультициклона. Циклонный элемент мультициклона включает цельноштампованный корпус 1 с цилиндрической 2 и сужающейся 3 частями, направляющий аппарат 4 и выхлопную трубу 5. Длина сужающейся части 2, по меньшей мере, вдвое меньше длины цилиндрической части 1. Сужающаяся часть корпуса выполнена в виде оболочки вращения с центральным отводным отверстием. Профиль стенок сужающейся части сопрягается с профилем стенок цилиндрической части. Направляющий аппарат 4 выполнен в виде двух полуулиток, входы 6 которых расположены параллельно оси выхлопной трубы и направлены в противоположные стороны. Направляющий аппарат 4 охватывает выхлопную трубу 5 и закреплен на цилиндрической части корпуса 1. Длина сужающейся части корпуса связана с характеристиками очищаемого потока газа, внутренним диаметром цилиндрической части корпуса и наружным диаметром выхлопной трубы соотношением:

где: «*» - индекс линейных размеров, выраженных в долях внутреннего диаметра цилиндрической части корпуса D, - длина сужающейся части корпуса; - наружный диаметр выхлопной трубы; d и d* - диаметр частицы пыли в мм и долях внутреннего диаметра цилиндрической части корпуса; μ - динамическая вязкость газа, Па⋅с; ρ - плотность частицы пыли, кг/м³; и_t - тангенциальная скорость частицы пыли, принятая равной скорости потока газа на входе в цилиндрическую часть корпуса, м/с. Предлагаемые соотношения размеров циклонного элемента обеспечивают снижение массы, материалоемкости и трудоемкости его изготовление из стандартных труб и исключают попадание жидкости и пыли в восходящий поток очищенного газа. Технический результат заключается в сокращении расхода ресурсов при производстве циклонных элементов и в повышении надежности газоперекачивающего оборудования компрессорных станций. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Циклонный элемент мультициклона включает корпус с цилиндрической и сужающейся частями, направляющий аппарат и выхлопную трубу, длина сужающейся части корпуса, по меньшей мере, вдвое меньше длины цилиндрической части, сужающаяся часть корпуса выполнена в виде оболочки вращения с дугообразным профилем стенок и центральным отводным отверстием, профиль стенок сужающейся части сопрягается с профилем стенок цилиндрической части, направляющий аппарат выполнен в виде двух полуулиток, входы которых расположены параллельно оси выхлопной трубы и направлены в противоположные стороны, направляющий аппарат охватывает выхлопную трубу и закреплен на цилиндрической части корпуса, отличающийся тем, что длина сужающейся части корпуса связана с параметрами очищаемого потока газа, внутренним диаметром цилиндрической части корпуса и наружным диаметром выхлопной трубы соотношением

где «*» - индекс линейных размеров, выраженных в долях внутреннего диаметра цилиндрической части корпуса, - длина сужающейся части корпуса; - наружный диаметр выхлопной трубы; d и d^* - диаметр частицы пыли в мм и долях внутреннего диаметра цилиндрической части корпуса; μ - динамическая вязкость газа, Па⋅с; ρ - плотность частицы пыли, кг/м³; u_t - тангенциальная скорость частицы пыли, принятая равной скорости потока газа на входе в цилиндрическую часть корпуса, м/с.

2. Циклонный элемент мультициклона по п. 1, отличающийся тем, что профиль внутренней стенки сужающейся части корпуса выполнен дугой окружности, радиус которой определен соотношением

где - радиус дуги окружности профиля; α - угол начала скатывания отделенных частиц жидкости под собственной тяжестью.

3. Циклонный элемент мультициклона по п. 2, отличающийся тем, что корпус мультициклона выполнен цельноштампованным, причем профиль внутренней стенки сужающейся части корпуса выполнен дугой окружности, радиус которой по существу определен соотношением

при

4. Циклонный элемент мультициклона по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что сужающаяся часть корпуса выполнена с кольцевой ступенью вокруг центрального отверстия.

5. Циклонный элемент мультициклона по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что полуулитки направляющего аппарата выполнены в виде изогнутых цилиндрических оболочек, закрепленных между двумя овальными фланцами, цилиндрические оболочки и фланцы выполнены из листового материала и соединены сварными швами.