УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ ПОТОКА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2023 года по МПК F25J3/00 B01D53/24 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно: к устройствам для сепарации многокомпонентной среды, в том числе - природного пластового газа, и может быть использовано для отделения жидкой фракции углеводородных газов - пропана и бутана и более тяжелых углеводородов С₅₊ от общего потока природного газа.

Известно устройство для сепарации многокомпонентной среды, которое включает форкамеру с установленным в ней средством закручивания потока среды, соединенный с форкамерой сопловой канал для сепарации и узел отбора капель и/или твердых частиц, канал сепарации, содержащий конфузорный, диффузорный и расположенный между ними цилиндрический участки, причем цилиндрический участок имеет длину образующей больше чем 0,1D, где D - диаметр цилиндрического участка, при этом диффузорный участок выполнен с кольцевым уступом в виде ступени, плоскость которой расположена перпендикулярно оси канала для снижения уровня пульсации в потоке и, как следствие, увеличения эффективности сепарации и уменьшения потерь полного давления потока среды. (Патент РФ №2538992 С1, 2015, заявка 2013146614/06 от 18.10.2013, МПК: F25J 3/00).

Многокомпонентный поток газа поступает в форкамеру с установленным в ней средством закручивания потока, после чего поток закручивается и поступает в конфузорный (сужающийся) участок и, далее, в критическое сечение - цилиндрический участок постоянного сечения, в котором происходит резкое увеличение скорости потока, после чего в диффузоре происходит расширение газа и выделение жидкой фракции примесей в виде капель в пристеночный слой, а за счет кольцевого уступа, торцевая плоскость которого перпендикулярна оси канала, стабилизируется положение зоны скачка уплотнения и зоны отрыва потока. Отсепарированный поток газа поступает в центральный диффузор-сборник, а жидкая фракция в узел отбора на периферии соплового канала сепарации.

Недостатками данной конструкции является отсутствие возможности обеспечения работы сепаратора в условиях изменяющихся технологических режимов эксплуатации при разработке месторождения, в том числе, связанных с падением пластового давления и расхода газа, отсутствие скоростного потока жидкости в узле отбора жидкой фракции, который обеспечивает гарантированный быстрый сброс жидкости в сборный коллектор, низкая эффективность закручивания потока, а также значительные пульсации потока на сверхзвуковой скорости, вызванные наличием прямых скачков уплотнения.

Известно устройство для сепарации компонентов потока многокомпонентной среды, содержащее корпус с подводящим и отводящим патрубками и выполненным в нем профилированным каналом подачи потока. Канал включает в себя конфузорный, диффузорный и, расположенный между ними, цилиндрический участки. В конфузорном участке профилированного канала подачи потока установлено средство закручивания потока среды в виде конического шнека, при этом внутри указанного устройства закручивания установлено с возможностью осевого перемещения в цилиндрическое сечение упомянутого канала и обратно профилированное центральное тело, выполненное в виде цилиндра с профилированной конической выходной частью, причем поверхность конической выходной части эквидистантна поверхности указанного конфузорного участка канала. В отводящем патрубке, в выходной части участка диффузорного канала с кольцевым зазором между внутренней поверхностью диффузорного канала и внутренней поверхностью отводящего патрубка с образованием кольцевой полости, установлен полый конус, причем упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц и полостью, образованной входным участком, предпочтительно, цилиндрическим (патент RU 2731448 С1, 2020, заявка: №2020107561 от 20.02.2020, МПК: F25J 3/00, F15D 1/02, СПК: F25J 3/00, F15D 1/025 - прототип).

Недостатками известного устройства являются негативное воздействие введения профилированного центрального тела в цилиндрический участок канала на расчетный режим работы устройства для сепарации, создание дополнительного сопротивления по ходу предварительно закрученного потока и последующее снижение эффективности разделения многокомпонентной среды посредством введения линии рециркуляции непосредственно в цилиндрический участок соплового канала, невысокая эффективность закрутки потока, а также значительные пульсации потока на сверхзвуковой скорости, вызванные наличием прямых скачков уплотнения.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание устройства для сепарации потока многокомпонентной среды, в котором закрутка потока осуществляется с большей эффективностью и при работе которого нет необходимости во введении профилированного центрального тела в сопловой аппарат, отсутствуют дополнительные сопротивления потоку многокомпонентной среды, а также значительные пульсации потока на сверхзвуковых скоростях, оказывающие негативное влияние на расчетный режим работы устройства для сепарации.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве для сепарации потока многокомпонентной среды, содержащем полый корпус с подводящим патрубком потока многокомпонентной среды и отводящими патрубками очищенной среды и конденсата, с выполненным в нем профилированным каналом подачи потока с конфузорным, диффузорным и расположенным между ними цилиндрическим участками, устройство закручивания потока среды, выполненное в виде конического шнека, установленного в конфузорной части канала, узел отбора капель и/или твердых частиц с емкостью сбора конденсата, согласно изобретению, патрубок подвода потока многокомпонентной среды расположен тангенциально по отношению к коническому шнеку, при этом конический шнек выполнен трехзаходным с переменным шагом навивки лопаток, причем шаг навивки уменьшается от входной части к выходной, в коническом шнеке выполнен канал, полость которого связана с полостью емкости сбора конденсата и открывается во внутреннюю полость цилиндрического участка профилированного канала подачи потока, при этом конфузорный участок упомянутого канала выполнен, по крайней мере, двухступенчатым, причем внутренняя поверхность первой ступени конфузорного участка эквидистантна наружной поверхности конического шнека, при этом вторая ступень конфузорного участка выполнена в виде перехода со скруглением участков цилиндрических поверхностей большего диаметра в цилиндрические поверхности меньшего диаметра, причем канал меньшего диаметра разделен, по меньшей мере, на два цилиндрических участка разных диаметров, причем от цилиндрического участка с меньшим диаметром выполнен плавный переход к цилиндрическому участку с большим диаметром, при этом узел отбора капель и/или твердых частиц содержит профилированную втулку, имеющую, как минимум, две наружные цилиндрические поверхности разного диаметра и установленную своей поверхностью меньшего диаметра с кольцевым и осевым зазорами в выходной части упомянутого цилиндрического канала, причем во входной части втулки выполнена внутренняя фаска, а в выходной части цилиндрического участка указанного канала выполнена наружная фаска, образующая с внутренней фаской упомянутой втулки кольцевой профилированный зазор в виде полого усеченного конуса, сообщающегося с указанным осевым зазором, причем полости упомянутых зазоров открываются в полость отводящего патрубка, при этом внутренняя полость упомянутой втулки содержит, по меньшей мере, последовательно расположенные цилиндрический, диффузорный и цилиндрический участки и соединена с выходным каналом, выполненным в виде полого тела, преимущественно, вращения, содержащего внутренние диффузорные и цилиндрические участки и установленном в полом корпусе, при этом на наружной поверхности профилированной втулки выполнен отбойник капель, расположенный перед входом в патрубок отвода конденсата.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 показан продольный разрез заявленного устройства; на фиг. 2 - выносной элемент А - разрез корпуса в части конического шнека; на фиг. 3 - выносной элемент Б - разрез корпуса в части соединения профилированной втулки и выходной части цилиндрического участка канала; на фиг. 4 - вид слева устройства для сепарации потока многокомпонентной среды; на фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7 - результаты численного моделирования внутренней полости предложенного устройства для сепарации потока многокомпонентной среды.

Предложенное устройство для сепарации потока многокомпонентной среды содержит полый корпус 1 с патрубком подвода 2 потока многокомпонентной среды и патрубками отвода очищенной среды 3 и конденсата 4, с выполненным в нем профилированным каналом подачи потока с конфузорным 5, диффузорным 6 и расположенными между ними, по меньшей мере, двумя цилиндрическими 7 участками, между которыми выполнен плавный переход 8 от цилиндрического участка с меньшим диаметром к цилиндрическому диаметру с большим диаметром с целью снижения пульсаций и стабилизации потока. Устройство закручивания потока среды выполнено в виде конического шнека 9, установленного в конфузорной части канала. Корпус содержит узел 10 отбора капель и/или твердых частиц с емкостью сбора конденсата (не показана). Патрубок подвода 2 потока многокомпонентной среды расположен тангенциально по отношению к коническому шнеку 9. Конический шнек 9 выполнен трехзаходным с переменным шагом навивки лопаток, причем шаг навивки уменьшается от входной части к выходной. В коническом шнеке 9 выполнен канал 11, полость которого связана с полостью емкости сбора конденсата и открывается во внутреннюю полость цилиндрических участков 7 профилированного канала подачи потока. Конфузорный участок 5 упомянутого канала выполнен, по крайней мере, двухступенчатым, причем внутренняя поверхность первой ступени конфузорного участка эквидистантна наружной поверхности конического шнека 9, при этом вторая ступень конфузорного участка 5 выполнена в виде перехода со скруглением участков цилиндрических поверхностей большего диаметра в цилиндрические поверхности меньшего диаметра, причем канал меньшего диаметра содержит упомянутый цилиндрический участок, что позволяет обеспечить равномерное закручивание потока с высокой периферийной пристеночной плотностью.

Узел отбора капель влаги и/или твердых частиц содержит профилированную втулку, имеющую, как минимум, две наружные цилиндрические поверхности разного диаметра и установленную своей поверхностью меньшего диаметра 12 с кольцевым и осевым зазорами в выходной части 13 упомянутого цилиндрического канала. Во входной части втулки выполнена внутренняя фаска, а в выходной части цилиндрического участка указанного канала выполнена наружная фаска, образующая с внутренней фаской упомянутой втулки кольцевой профилированный зазор 14 в виде полого усеченного конуса, сообщающегося с указанным осевым зазором. Полости упомянутых зазоров открываются в полость отводящего патрубка. Внутренняя полость упомянутой втулки состоит из, по меньшей мере, последовательно расположенных цилиндрического, диффузорного и цилиндрического участков. Внутренняя полость упомянутой втулки соединена с выходным каналом 15, выполненным внутри полого тела 16, преимущественно, вращения, содержащего внутренние диффузорные и цилиндрические участки и установленном в полом корпусе. На наружной поверхности упомянутой профилированной втулки выполнен отбойник капель 17, расположенный перед входом в патрубок отвода конденсата 4.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Предложенное устройство устанавливается в линию подачи многокомпонентной среды для ее сепарации. Сепарируемая многокомпонентная среда через подводящий патрубок 2, расположенный тангенциально по отношению к коническому шнеку 9, попадает внутрь полого корпуса 1 на конический шнек 9. Проходя через конический шнек 9, многокомпонентная среда закручивается, при этом частицы жидкости в виде капель и/или твердые частицы, находящиеся в многокомпонентной среде, отбрасываются на периферийную часть потока. За счет того, что конический шнек 9 выполнен с переменным шагом, причем шаг навивки лопаток уменьшается от входной части шнека к его выходной части, происходит ускорение потока многокомпонентной среды. Далее поток многокомпонентной среды поступает в цилиндрические части 7 канала, где происходит дальнейшее увеличение его скорости до значения, выше скорости звука в данной среде.

Ускоренный поток попадает на узел отбора капель и/или твердых частиц содержащий профилированную втулку, имеющую, как минимум, две наружные цилиндрические поверхности разного диаметра и установленную своей поверхностью меньшего диаметра 12 с кольцевым и осевым зазорами в выходной части 13 упомянутого цилиндрического канала. Во входной части втулки выполнена внутренняя фаска, а в выходной части цилиндрического участка указанного канала выполнена наружная фаска, образующая с внутренней фаской упомянутой втулки кольцевой профилированный зазор 14 в виде полого усеченного конуса, сообщающегося с указанным осевым зазором. Полости упомянутых зазоров открываются в полость отводящего патрубка. Центральная часть потока многокомпонентной среды, не содержащая капель и/или твердых частиц, поступает в полость втулки и направляется дальше к выходному каналу 15, где за счет наличия нескольких расширений канала в виде последовательно расположенных диффузоров, происходит плавное снижение скорости очищенного потока, снижение пульсаций и его стабилизация за счет системы косых скачков уплотнения. Затем очищенный поток отводится для дальнейшего использования в отводящий патрубок очищенной среды 3. Периферийная часть потока многокомпонентной среды, содержащая капли и/или твердые частицы, попадает в осевой и кольцевой профилированные зазоры, выполненные между выходной частью канала и втулкой, замедляется, и содержащиеся в ней капли и/или твердые частицы стекают или выпадают в полость корпуса и удаляются через отводящий патрубок 4 конденсата. Капли жидкости и/или твердые частицы, не потерявшие свою кинетическую энергию после прохождения диффузора, попадают на отбойник капель 17, затормаживаются, затем стекают вниз по отбойнику, попадают в отводящий патрубок 4 конденсата и выводятся из внутренней поплести корпуса 1 для дальнейшего использования.

Наличие в коническом шнеке 9 канала 11, полость которого связана с полостью емкости сбора конденсата и открывается во внутреннюю полость цилиндрического участка профилированного канала подачи потока, позволяет осуществлять рециркуляцию части газа, отобранного через отводящий патрубок конденсата 4, с целью повышения эффективности процесса сепарации.

Пример практического выполнения. Заявителем и авторами выполнено численное моделирование режимов работы предложенного устройства для сепарации потока многокомпонентной среды в программе ANSYS CFX. Результаты расчетов полностью подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.

Использование предложенного технического решения позволит создать устройство для сепарации потока многокомпонентной среды, в котором закрутка потока осуществляется с высокой эффективностью, сепарация проходит без введения профилированного центрального тела в сопловой аппарат, отсутствуют дополнительные сопротивления потоку многокомпонентной среды, прямые скачки уплотнения, а также значительные пульсации потока на сверхзвуковых скоростях, оказывающие негативное влияние на расчетный режим работы устройства для сепарации.

Изобретение относится к криогенной технике, а именно: к устройствам для сепарации многокомпонентной среды. Патрубок подвода потока многокомпонентной среды расположен тангенциально по отношению к коническому шнеку, который выполнен трехзаходным с переменным шагом навивки лопаток, шаг которых уменьшается от входной части к выходной. В шнеке выполнен канал, полость которого связана с полостью емкости сбора конденсата и открывается во внутреннюю полость цилиндрического участка. Конфузорный участок канала выполнен, по крайней мере, двухступенчатым. Внутренняя поверхность первой ступени эквидистантна наружной поверхности конического шнека. Вторая ступень выполнена в виде перехода со скруглением участков цилиндрических поверхностей большего диаметра в цилиндрические поверхности меньшего диаметра. Канал меньшего диаметра разделен, по меньшей мере, на два цилиндрических участка разных диаметров. Узел отбора капель и/или твердых частиц содержит профилированную втулку, имеющую, как минимум, две наружные цилиндрические поверхности разного диаметра. Внутренняя полость втулки содержит, по меньшей мере, последовательно расположенные цилиндрический, диффузорный и цилиндрический участки и соединена с выходным каналом, выполненным в виде полого тела, преимущественно, вращения, содержащего внутренние диффузорные и цилиндрические участки и установленного в полом корпусе. На наружной поверхности профилированной втулки выполнен отбойник капель, расположенный перед входом в патрубок отвода конденсата. Техническим результатом является повышение эффективности закрутки потока и снижение пульсаций потока на сверхзвуковых скоростях. 7 ил.

Устройство для сепарации потока многокомпонентной среды, содержащее полый корпус с подводящим патрубком потока многокомпонентной среды и отводящими патрубками очищенной среды и конденсата, с выполненным в нем профилированным каналом подачи потока с конфузорным, диффузорным и расположенным между ними цилиндрическим участками, устройство закручивания потока среды, выполненное в виде конического шнека, установленного в конфузорной части канала, узел отбора капель и/или твердых частиц с емкостью сбора конденсата, отличающееся тем, что патрубок подвода потока многокомпонентной среды расположен тангенциально по отношению к коническому шнеку, при этом конический шнек выполнен трехзаходным с переменным шагом навивки лопаток, причем шаг навивки уменьшается от входной части к выходной, в коническом шнеке выполнен канал, полость которого связана с полостью емкости сбора конденсата и открывается во внутреннюю полость цилиндрического участка профилированного канала подачи потока, при этом конфузорный участок упомянутого канала выполнен, по крайней мере, двухступенчатым, причем внутренняя поверхность первой ступени конфузорного участка эквидистантна наружной поверхности конического шнека, при этом вторая ступень конфузорного участка выполнена в виде перехода со скруглением участков цилиндрических поверхностей большего диаметра в цилиндрические поверхности меньшего диаметра, причем канал меньшего диаметра разделен, по меньшей мере, на два цилиндрических участка разных диаметров, причем от цилиндрического участка с меньшим диаметром выполнен плавный переход к цилиндрическому участку с большим диаметром, при этом узел отбора капель и/или твердых частиц содержит профилированную втулку, имеющую, как минимум, две наружные цилиндрические поверхности разного диаметра и установленную своей поверхностью меньшего диаметра с кольцевым и осевым зазорами в выходной части упомянутого цилиндрического канала, причем во входной части втулки выполнена внутренняя фаска, а в выходной части цилиндрического участка указанного канала выполнена наружная фаска, образующая с внутренней фаской упомянутой втулки кольцевой профилированный зазор в виде полого усеченного конуса, сообщающегося с указанным осевым зазором, причем полости упомянутых зазоров открываются в полость отводящего патрубка, при этом внутренняя полость упомянутой втулки содержит, по меньшей мере, последовательно расположенные цилиндрический, диффузорный и цилиндрический участки и соединена с выходным каналом, выполненным в виде полого тела, преимущественно, вращения, содержащего внутренние диффузорные и цилиндрические участки и установленного в полом корпусе, при этом на наружной поверхности профилированной втулки выполнен отбойник капель, расположенный перед входом в патрубок отвода конденсата.