Результат интеллектуальной деятельности: СЕПАРАТОР ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Изобретение относится к области добычи природного газа и может быть использовано для его очистки от механических примесей и капельной жидкости в процессе подготовки к утилизации или транспортировке.

Известен сепаратор для очистки газа, который предназначен для удаления мелкодисперстных и аэрозольных жидких и твердых частиц из газового потока в поле центробежных сил [1]. Указанный сепаратор имеет цилиндрический корпус с горизонтальной крышкой, а также входным, выходным и сливным патрубками с присоединительными местами для установки трубопроводной и запорно-регулирующей арматуры. Внутри корпуса размещены дефлектор и вертикальный сепарационный пакет, состоящий из плоских изогнутых и дугообразных пластин. Входной патрубок в совокупности с дефлектором формирует тангенциальный ввод внутрь корпуса газожидкостной смеси, направляемой на очистку. В верхней внутренней части сепарационного пакета в отверстии крышки установлена кольцевая карман-ловушка, которая обеспечивает накопление конденсата, отделяемого от газа и сообщена с выходным патрубком.

Основным недостатком известного сепаратора является отсутствие фильтрующего элемента, что не позволяет эффективно очищать газовый поток от мелкодисперсных капель и частиц механических примесей при нестабильном расходе газового потока. Другой недостаток заключается в сложности конструкции вертикального сепарационного пакета, который состоит из большого количества элементов сложной пространственной формы, выполненных с криволинейной наружной поверхностью.

Известен сепаратор, предназначенный для осаждения полидисперстных жидких частиц из газового потока в центробежном поле [2]. Этот сепаратор состоит из вертикального цилиндрического корпуса, разделенного на камеры горизонтальными перегородками с осевыми отверстиями, на которых герметично установлены конфузор и диффузор, имеющие наклонные перфорационные каналы. Сепаратор выполнен с крышкой, днищем, тангенциальным входным, выходным и сливным патрубками с присоединительными местами для установки трубопроводной и запорно-регулирующей арматуры. Внутри корпуса размещен сепарационный элемент, который выполнен в виде криволинейных лопаток, установленных по многозаходной спирали Архимеда.

К недостатками известного сепаратора следует отнести отсутствие фильтрующего элемента, что не позволяет осуществлять качественную очистку газового потока от мелкодисперстных частиц в случае нестабильного расхода газового потока, сложность конструкции, а также значительные габаритные размеры изделия по высоте из-за наличия многоярусного сепарационного узла.

Известен также сепаратор для очистки низконапорного природного газа, добываемого из метаноугольной скважины [3]. Указанный сепаратор состоит из цилиндрического корпуса с тангенциальным входным патрубком, крышкой и днищем. В крышке и в днище выполнены осевые каналы с присоединительными местами для установки трубопроводной и запорно-регулирующей арматуры. Внутри корпуса соосно и последовательно по его высоте в направлении сверху вниз размещены связанные между собой кожух, воронка и дренажная труба. В корпусе также установлены завихритель в виде направляющего аппарата с лопатками и каркас с фильтрующим элементом, выполненным в виде полого цилиндра. Фильтрующий элемент расположен на наружной боковой поверхности каркаса. В кольцевом пространстве между наружной поверхностью кожуха и внутренней поверхностью корпуса, с возможностью взаимодействия с ними, установлен направляющий элемент, выполненный в виде цилиндрической спирали. Направление навивки этой спирали совпадает с направлением движения газового потока внутри корпуса. Известный сепаратор может быть рассмотрен в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Недостатки известного сепаратора - недостаточная эффективность работы, особенно при небольших величинах избыточного давления газа на входе, а также сложность изготовления из-за использования в конструкции завихрителя в виде направляющего аппарата с лопатками сложной пространственной формы.

Задачей настоящего изобретения является создание надежного в работе и удобного в эксплуатации сепаратора, способного эффективно очищать природный газ от содержащихся в нем частиц механических примесей и капельной жидкости.

Технический результат достигается тем, что сепаратор для очистки природного газа, состоящий из цилиндрического корпуса с тангенциально расположенным входным патрубком, крышки с осевым каналом и днища с дренажным патрубком, соосно установленных внутри корпуса кожуха и фильтрующего элемента в виде полого цилиндра, а также основной цилиндрической спирали, направление навивки которой совпадает с направлением перемещения газового потока внутри корпуса, соосно размещенной в кольцевом пространстве, образованном наружной поверхностью кожуха и внутренней поверхностью корпуса, с возможностью взаимодействия с последней, снабжен выходным патрубком, дополнительной цилиндрической спиралью, соосно установленными внутри корпуса центратором, конусной втулкой, опорной шайбой и стяжной шпилькой с гайками, при этом внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса выполнена ступенчатой по его высоте, причем внутренний диаметр нижней части корпуса превышает внутренний диаметр верхней части, причем входной патрубок присоединен к верхней части корпуса, а выходной патрубок и кожух - соответственно к наружной и внутренней сторонам крышки, соосно выполненному в ней осевому каналу, причем основная цилиндрическая спираль и кожух установлены в верхней части корпуса, при этом конусная втулка присоединена к нижней части кожуха, а центратор выполнен в виде двух колец, концентрично расположенных в одной плоскости и соединенных между собой с помощью радиальных перемычек, размещенных по окружности колец, причем центратор установлен внутри конусной втулки и жестко связан с ней, при этом фильтрующий элемент установлен с возможностью взаимодействия своим верхним торцем с конусной втулкой, а нижним - с опорной шайбой, причем центратор и опорная шайба связаны между собой с помощью стяжной шпильки и гаек, при этом дополнительная цилиндрическая спираль размещена в кольцевом пространстве, образованном наружной поверхностью фильтрующего элемента и внутренней поверхностью нижней части корпуса, с возможностью взаимодействия с последней, причем направления навивки основной и дополнительной цилиндрических спиралей совпадают между собой, а шаги навивки указанных спиралей выбираются с учетом того, что площадь проходного сечения между смежными витками основной цилиндрической спирали должна быть меньше или равна площади поперечного сечения входного патрубка в месте его присоединения к корпусу, но при этом больше площади проходного сечения между смежными витками дополнительной цилиндрической спирали.

Совокупность указанных существенных признаков находится в причинно-следственной связи с техническим результатом.

В конкретном примере выполнения сепаратора витки основной и дополнительной цилиндрических спиралей в поперечном сечении могут иметь форму круга, эллипса или параллелограмма.

Существенные признаки, которые характеризуют конкретное исполнение сепаратора, способствуют достижению указанного технического результата.

Конструкция сепаратора для очистки природного газа поясняется с помощью чертежей, где: на фиг.1 приведен продольный разрез сепаратора для очистки природного газа; на фиг.2 - сечение A-A на фиг.1.

Сепаратор для очистки природного газа состоит из цилиндрического корпуса 1 с входным патрубком 2, крышки 3 с осевым каналом, а также днища 4, оборудованного дренажным патрубком 5.

В дополнение к дренажному патрубку 5, в нижней части днища 4 выполнен сквозной канал, предназначенный для аварийного удаления конденсата (т.е. смеси жидкости и частиц механических примесей), который перекрыт съемной сливной пробкой 6.

Внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса 1 выполнена ступенчатой по его высоте, при этом внутренний диаметр нижней части корпуса 1 превышает внутренний диаметр его верхней части. Входной патрубок 2 присоединен к верхней части корпуса 1 тангенциально. Проходное сечение входного патрубка 2, в месте его присоединения к корпусу 1, имеет форму эллипса, площадь которого равна S₁.

К наружной и внутренней сторонам крышки 3, соосно выполненному в ней осевому каналу, прикреплены соответственно выходной патрубок 7 и кожух 8. К нижней части кожуха 8 соосно присоединена конусная втулка 9.

Входной 2 и выходной 7 патрубки имеют присоединительные фланцы 10 для установки трубопроводной и запорно-регулирующей арматуры.

В верхней части корпуса 1 соосно размещены основная цилиндрическая спираль 11 и кожух 8. Основная цилиндрическая спираль 11 установлена в кольцевом пространстве, образованном внутренней поверхностью верхней части корпуса 1 и наружной поверхностью кожуха 8, между крышкой 3 и конусной втулкой 9. Основная спираль 11 имеет возможность взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса 1, а также крышкой 3 и конусной втулкой 9.

В нижней части корпуса 1 соосно размещены центратор 12, фильтрующий элемент 13 и опорная шайба 14. Центратор 12 и опорная шайба 14 соединены между собой с помощью стяжной шпильки 15 с гайками 16.

Центратор 12 соосно установлен внутри конусной втулки 9 и жестко связан с ней. Он выполнен в виде двух колец, концентрично расположенных в одной плоскости и соединенных между собой с помощью радиальных перемычек, которые размещены по окружности указанных колец.

Фильтрующий элемент 13 имеет форму полого цилиндра, верхний и нижний торцы которого имеют возможность взаимодействия соответственно с конусной втулкой 8 и с опорной шайбой 14. Фильтрующий элемент 13 может быть выполнен из различных материалов, которые обладают достаточно развитой внутренней поверхностью (например, из материала на основе пористого фторопласта).

Дополнительная цилиндрическая спираль 17 соосно размещена между конусной втулкой 9 и днищем 4 в кольцевом пространстве, образованном внутренней поверхностью нижней части корпуса 1 и наружной поверхностью фильтрующего элемента 13. Дополнительная спираль 17 имеет возможность взаимодействия с внутренней поверхностью нижней части корпуса 1, а также с кольцевым выступом, который выполнен на внутренней поверхности нижней части корпуса 1.

Направления навивки основной 11 и дополнительной 17 цилиндрических спиралей совпадают с направлением движения газового потока, поступающего через входной патрубок 2 внутрь корпуса 1, при этом витки указанных спиралей могут иметь в поперечном сечении форму круга, эллипса или параллелограмма.

Величины шагов навивки основной 11 и дополнительной 17 цилиндрических спиралей выбираются таким образом, чтобы площадь проходного сечения (S₂) между смежными витками основной цилиндрической спирали 11 была меньше или равна площади поперечного сечения (S₁) входного патрубка 2 в месте его присоединения к корпусу 1, но, одновременно с этим, больше площади проходного сечения (S₃) между смежными витками дополнительной цилиндрической спирали 17.

При этом следует принимать во внимание, что площадь проходного сечения (S₂) между смежными витками основной цилиндрической спирали 11 ограничивается наружными поверхностями ее смежных витков и кожуха 8, а также внутренней поверхностью верхней части корпуса 1. Площадь же проходного сечения (S₃) между смежными витками дополнительной цилиндрической спирали 17 ограничивается наружными поверхностями ее смежных витков и фильтрующего элемента 13, а также внутренней поверхностью нижней части корпуса 1.

Таким образом, в процессе разработки конструкции сепаратора для очистки природного газа в обязательном порядке должно выполняться соотношение:

S₁>S₂>S₃, где:

S₁ - площадь проходного сечения входного патрубка 2 в месте его присоединения к корпусу 1;

S₂ - площадь проходного сечения между смежными витками основной цилиндрической спирали 11;

S₃ - площадь проходного сечения между смежными витками дополнительной цилиндрической спирали 17.

Сепаратор для очистки природного газа работает следующим образом.

Поток влажного и загрязненного газа через тангенциально расположенный входной патрубок 2 направляется внутрь корпуса 1. При поступлении газового потока из входного патрубка 2 в верхнюю часть корпуса 1 скорость его движения либо увеличивается (при S₁>S₂), либо остается без изменения (при S₁=S₂). Внутри корпуса 1 поток газа закручивается по спиральному кольцевому пространству, образованному наружными поверхностями кожуха 8 и смежных витков основной цилиндрической спирали 11, а также внутренней поверхностью верхней части корпуса 1, и направляется в нижнюю часть корпуса 1. В процессе перемещения по спиральному кольцевому пространству происходит стабилизация нисходящего газового потока как по скорости, так и по направлению движения.

Далее поток газа поступает в расширенную нижнюю часть корпуса 1, где начинает двигаться по спиральному кольцевому пространству, образованному наружными поверхностями фильтрующего элемента 13 и смежных витков дополнительной цилиндрической спирали 17, а также внутренней поверхностью корпуса 1. Скорость движения потока газа увеличивается (поскольку S₂>S₃), влияние центробежных сил возрастает, что способствует эффективному освобождению потока газа от основной части находящихся в нем во взвешенном состоянии частиц механических примесей и капельной жидкости. Отделенный от газа конденсат (т.е. смесь жидкости и частиц механических примесей), стекает по стенкам корпуса 1 и скапливается внутри днища 4, откуда через дренажный патрубок 5 направляется в накопительную емкость (на чертежах не показана).

Далее поток газа проходит через фильтрующий элемент 13, с помощью которого он окончательно освобождается от капельной жидкости и частиц механических примесей. После этого очищенный газ направляется в выходной патрубок 7.

В случае необходимости, принудительное удаление конденсата из корпуса 1 может быть осуществлено с помощью съемной сливной пробки 6.

Использование изобретения позволяет эффективно и надежно осуществлять очистку добытого природного газа от содержащихся в нем частиц механических примесей и капельной жидкости.

Источники информации:

1. RU 2221625 C1, опубл. 20.01.2004 г.

2. SU 1066629 A, опубл. 15.01.1984 г.

3. RU 2287682 C1, опубл. 20.11.2006 г.