Устройство для сепарации газожидкостной смеси

Изобретение относится к области очистки газа от примесей, преимущественно от различного рода жидких сред, и может быть использовано для подготовки газа в газовой, газодобывающей, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.

Известны сепарационные элементы для очистки газа с использованием центробежных сил, включающие полый корпус с тангенциальными щелями в нижней части для ввода газожидкостного потока и снабженный в верхней части отбойным устройством для вывода газа и отсепарированной жидкости (А.с. СССР №982743, Сепарационный элемент газожидкостного сепаратора, МПК B01D 45/12, 1982). Недостатком такого сепарационного элемента является его высокое гидравлическое сопротивление, обусловленное малым рабочим сечением тангенциальных щелей, а также недостаточно высокая осевая скорость газового потока, что ограничивает рабочий диапазон нагрузок.

Наиболее близким аналогом является сепарационное устройство «Сепараторной ванны», патент РФ 2342182, МПК B01D 45/12, 2008, которая устанавливается горизонтально в вертикальной колонне и содержит горизонтальные верхнюю стенку и нижнюю - опорное полотно, ограничивающие находящееся между ними внутреннее пространство; сепарационная ванна содержит средство для впуска текучей среды в ее внутреннее пространство; средство для удаления жидкости из внутреннего пространства; средство для удаления газа из внутреннего пространства; находящееся во внутреннем пространстве по меньшей мере одно устройство сепарации текучей среды на первичный газ и содержащуюся в нем жидкую текучую среду, при этом устройство сепарации содержит вертикальный трубчатый канал - патрубок, закрепленный на опорном полотне; на нижнем конце патрубка расположен вход для текучей среды, сообщающийся со средством впуска текучей среды, на верхнем конце патрубка расположен выход первичного газа, выходной канал которого проходит к выходному отверстию газа в верхней части; закручивающее средство - завихритель, размещенное в канале между входом текучей среды и выходом газа.

Недостатком описанного сепарационного устройства является высокое гидравлическое сопротивление потоку текучей среды, снижающее удельную производительность сепарационного устройства и интенсивность сепарации. Причиной этого является выполнение места крепления патрубка к опорному полотну с острой кромкой, как это показано на чертежах патента РФ 2342182, что ведет к вихреобразованию при входе очищаемого потока в патрубок и резкому сужению его сечения, вследствие чего в зоне расположения завихрителя патрубка создается большое гидравлическое сопротивление для входного потока.

Задачей настоящего изобретения является снижение гидравлического сопротивления устройства для сепарации, повышение интенсивности сепарации газа за счет более полного рационального использования энергии потока.

Техническим результатом является исключение отрыва потока в месте контакта патрубка с опорным полотном путем устранения острой кромки на входе патрубка плавным сужением очищаемого потока до его входного диаметра.

Задача решается, и технический результат реализуется конструкцией устройства для сепарации газожидкостной смеси, включающего вертикальный трубчатый канал - патрубок, на нижнем конце которого расположен вход для очищаемой среды, на верхнем конце - выход газа, а также статический лопастный завихритель, установленный в патрубке соосно с ним между входом очищаемой среды и выходом газа, и средство для удаления жидкости.

Отличия предложенного контактного устройства от прототипа заключаются в следующем.

В нижней своей части, на своем входе патрубок снабжен расположенным соосно с ним сужающимся вниз по потоку конфузором, закрепленном на опорном полотне со стороны, противоположной расположению патрубка, под полотном. Образующая конфузора выполнена прямолинейной, обусловливая его конусную форму, или криволинейной, выпуклой по отношению к входному потоку формы. Диаметр верхней части конфузора в пределах технологического допуска совпадает с диаметром контактного патрубка. Вариант исполнения конфузора с криволинейной формой профиля является более предпочтительным. При этом касательная к конечной кромке конфузора совпадает с образующей входной части патрубка или ей параллельна в пределах технологического допуска. Такая форма конфузора и взаимное расположение его относительно патрубка позволяют плавно изменить диаметр входного потока с фактического до диаметра патрубка, исключить линию отрыва потока в месте контакта конфузора с патрубком и тем самым снизить гидравлическое сопротивление входного участка патрубка сепарационного устройства по сравнению с конструкцией без конфузора. Диаметр нижней, входной части конфузора больше диаметра его верхней части, и его величина ограничивается только расстоянием между соседними сепарационными устройствами на опорном полотне. При конической форме боковой поверхности конфузора должно выполняться условие совпадения диаметра верхней кромки конфузора с входом (нижней кромкой) сепарационного патрубка, т.е. условие сопряжения конфузора и патрубка.

Наличие конфузора описанной конструкции позволяет обеспечить плавное сужение очищаемого потока до диаметра патрубка, снизить гидравлическое сопротивление входного участка устройства.

Таким образом, в предлагаемой конструкции сепарационного устройства достигается снижение одной из составляющих гидравлического сопротивления, а именно сопротивления входного участка патрубка за счет наличия конфузора и его формы, обеспечение плавного сужения потока.

На фигуре 1 представлено сечение устройства для сепарации. Пунктиром изображен вариант исполнения конфузора конической формы с прямолинейной образующей. На фиг.2 изображены графики гидравлического сопротивления устройства для сепарации газожидкостной смеси в зависимости от скорости входного потока для вариантов по прототипу и по изобретению, с конфузором.

Патрубок 1 вертикально жестко установлен на опорное полотно 2 с отверстием в полотне для подачи очищаемого потока снизу. Патрубок 1 выполнен с проходными отверстиями - снизу для подачи очищаемого потока, сверху для выхода газа. В верхней части патрубка установлено средство для удаления жидкости в виде съемника 3, образующего кольцевой канал для исхода пленочной жидкости. Съем жидкости может быть реализован другой конструкцией, например, выполнением прорезей в цилиндрической вертикальной стенке патрубка. В нижней части патрубка 1 соосно ему установлен статический многолопастный завихритель 4, его вход соединен с выходом конфузора 5. Лопасти завихрителя 4 расположены в нижней части патрубка 1, их оптимальное количество составляет от трех до двенадцати. Конфузор 5 - устройство плавной подачи текучей среды закреплен на опорном полотне 2 со стороны, обратной стороне закрепления на нем патрубка 1.

Устройство работает следующим образом.

Газожидкостный поток поступает снизу в конфузор 5 устройства сепарации. Благодаря наличию и конструкции конфузора 5 при совпадении касательной к конечной кромке конфузора с образующей входной части патрубка устраняется линия отрыва потока в месте контакта конфузора с патрубком, обеспечивается плавное сужение очищаемого потока до диаметра патрубка, снижение гидравлического сопротивления входного сечения устройства. Далее сформированный таким образом поток, суженный до диаметра патрубка 1, попадает непосредственно на его завихритель 4. Поток огибает плоскости лопастей завихрителя 4 патрубка 1, который придает вращательное движение потоку, требуемое для создания центробежных сил. В результате этого вращательного движения потока и действия центробежных сил капли жидкости, обладая более высокими по сравнению с газовым потоком инерционными показателями, концентрируются у внутренней стенки патрубка 1. Движение газожидкостного потока в патрубке 1 выше завихрителя 4 приводит к сепарации дисперсных частиц. Частицы жидкости с примесями коалесцируют и в виде жидкостной пленки по внутренней поверхности патрубка 1 поднимаются вверх до съемника жидкости 3, где попадают в кольцевой канал истечения жидкости. По инерции жидкость стекает по наружной поверхности патрубка 1, скапливается на опорном полотне 2 и далее через сливной патрубок, выполненный на опорном полотне 2 (не показано), удаляется. Освобожденный от жидкости газ продолжает свое движение вверх, ниже по потоку завихрителя 4, и выходит из патрубка 1 через его верхнюю часть.

Используя формулы расчетов коэффициента сопротивления потока в соответствии со справочником И.Э. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М: Машиностроение, 1992 г., с. 165, коэффициенты сопротивления потоку С, для прототипа и для изобретения будут:

ζп=0,5(1-F₀/F₁)^3/4+ζ_тр для входного участка без конфузора;

ζи=ζ'(1-F₀/F₁)^3/4+ζ_тр для входного участка с конфузором.

Как видно из формул, разница для них составляет 0,5 и ζ'; из диаграммы 3-4 с. 26 указанного справочника видно, что значения ζ' (кривая б) составляют от 0 до 0,2; из этого следует, что коэффициент сопротивления для сепаратора с конфузором всегда меньше.

Экспериментальные данные, полученные авторами, подтверждают этот вывод. Как видно из графика фиг. 2, гидравлическое сопротивление устройства сепарации с конфузором в соответствии с изобретением для любых скоростей входного потока текучей среды меньше гидравлического сопротивления устройства сепарации без конфузора.