Устройство очистки газа

Изобретение относится к газовой промышленности и другим областям энергомашиностроения, в технологических циклах которых возникает необходимость очистки газа от механических примесей и сконденсированной жидкости. Например, в установках комплексной подготовки газа на промыслах, в газораспределительных и компрессорных станциях, в нефтяной и химической промышленностях и других отраслях энергомашиностроения с целью удаления из газовых потоков механических частиц, капель воды, масла и прочих примесей. Устройство может функционировать в широком диапазоне рабочих давлений и температур, определяемых характеристиками материалов, используемых в конструкции.

Известна группа сепараторов (патенты РФ №2188062, №2221625, №2244584, №2346727) для очистки газа от мелкодисперсных жидкостей и твердых частиц в поле центробежных сил, содержащие вертикальный цилиндрический корпус, входной и выходной патрубки, дефлектор, горизонтальную перегородку с центральным отверстием, сепарационный пакет, состоящий из вертикальных изогнутых пластин, которые в зоне нахлестки образуют щелевые каналы. Недостатком указанных устройств является сложная и малоэффективная конструкция ввода газожидкостной смеси в пространство вокруг сепарационного пакета. При выходе из дефлектора газожидкостная смесь, расширяясь, в сторону сепарационного пакета, увлекает за собой жидкость и механические примеси, прижатые центробежной силой к внутренней стенке корпуса. Это увеличивает нагрузку на сепарационный пакет и снижает качество сепарации.

Известно устройство для очистки природного газа от жидкости, (патент РФ №2201278, МПК B01D 45/12, B01D 46/24, опубл. 2002.11.20), включающее фильтрующий элемент на перфорированном каркасе, установленный внутри коаксиального кожуха, открытого в нижней части, а в верхней части имеющего завихритель, при этом установлено не менее двух кожухов и полость для сбора жидкости. Внутри фильтрующего элемента дополнительно коаксиально установлены кожух с завихрителем в верхней части и второй фильтрующий элемент на перфорированном каркасе, в верхней части которого установлен патрубок очищенного газа, при этом кольцевая полость в нижней части между каркасом первого и кожухом второго фильтрующих элементов заглушена кольцом. Завихритель первого кожуха снабжен кольцом, образующим щель в верхней части. Неочищенный газ попадает после завихрителя в полость с фильтрующим элементом и тем самым ухудшаются условия его работы и снижается ресурс. Наличие каркаса-подложки, на котором располагается фильтрующий элемент, уменьшает его эффективную (рабочую) поверхность и увеличивает гидравлическое сопротивление.

Известно устройство для очистки транспортируемого газа, наиболее близкое к заявляемому и принятое за прототип (патент РФ №2676640, МПК B01D 50/00, опубликовано 09.01.2019, бюл. №1), включающее вертикальный корпус, горизонтальную перегородку с центральным отверстием, расположенные в корпусе коаксиально ему и друг другу с образованием кольцевых каналов кожух и фильтрующий элемент, выполненные в виде двух стаканов донышком вниз, патрубки подвода газа и отвода очищенного газа, расположенные с противоположных сторон на цилиндрической поверхности корпуса, дефлектор, патрубок отвода жидкости и механических примесей, расположенный в нижней части корпуса, при этом полость внутри фильтрующего элемента сообщена с патрубком отвода очищенного газа, устройство дополнительно снабжено вторым фильтрующим элементом из винтовой пружины, верхний конец которой жестко закреплен на горизонтальной перегородке, а нижний прикреплен к донышку кожуха. Наличие в данном устройстве дополнительного фильтрующего элемента приводит к повышению гидравлического сопротивления устройства, а неуправляемый сбор дисперсной фазы и жидкости со стенок вертикального корпуса в патрубок отвода жидкости и механических примесей снижает качество сепарации.

Технической проблемой на решение которой направлено предлагаемое изобретение является создание устройства очистки транспортируемого газа повышенной эффективности с высоким ресурсом работы.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение заключается в повышении качества очистки газа, повышении надежности устройства и, следовательно, в увеличении ресурса его работы.

Технический результат достигается тем, что в устройстве очистки транспортируемого газа, включающем вертикальный корпус, расположенные в корпусе коаксиально ему и друг другу обечайку и фильтрующий элемент с образованием внешнего и внутреннего кольцевых каналов, сообщающихся между собой в нижней части, патрубки подвода газа и отвода очищенного газа, расположенные тангенциально в верхней части с противоположных сторон корпуса, патрубок отвода жидкости и механических примесей, расположен в нижней части, при этом полость внутри фильтрующего элемента сообщена с патрубком отвода очищенного газа, новым является то, что, к нижнему профилированному днищу корпуса прикреплен сборник, сообщенный с патрубком отвода жидкости и механических примесей, внутри сборника расположен шток, жестко связанный с тарелью, нижняя поверхность которой и днище корпуса образуют щелевой канал, при этом шток и связанная с ним тарель установлены с возможностью перемещения в осевом направлении относительно профилированного днища, при этом полость сборника соединена перепускной магистралью с патрубком отвода очищенного газа, в полости сборника установлен датчик уровня, в перепускной магистрали установлены фильтр, жиклер и вентили, патрубок подвода соединен с патрубком отвода очищенного газа пневматической магистралью, в которой установлены датчик перепада давлений и вентили.

Фильтрующий элемент, представляет собой несущую конструкцию из пористого металла с высокой газовой проницаемостью

Герметичность полости сборника относительно внешней среды при перемещении штока обеспечивается уплотнением, фиксируемым в корпусе сборника прижимным фланцем.

Фильтрующий элемент может иметь коническую, цилиндрическую или иную форму.

На фиг. 1 представлено продольное сечение устройства очистки транспортируемого газа. На фиг. 2 сечение А-А фиг. 1.

Здесь: 1 - корпус; 2 - патрубок подвода газа; 3 - патрубок отвода очищенного газа; 4 - обечайка; 5 - фильтрующий элемент; 6 - днище профилированное, 7 - сборник жидкости и механических примесей; 8 - фланец сальника; 9 - шток; 10 - тарель; 11 - прокладка; 12 - проставка; 13 - крышка; 14 - фланец; 15 - канал внешний; 16 - канал внутренний; 17 - канал щелевой; 18 - датчик уровня; 19 - магистраль перепускная; 20 фильтр; 21 - жиклер; 22 - кольцо контровочное, 23 датчик перепада давлений; 24 - магистраль пневматическая, 25 - полость сборника, 26 - патрубок отвода жидкости и механических примесей.

Устройство очистки транспортируемого газа включает корпус 1, к верхней части которого тангенциально приварен патрубок подводпа газа 2. На корпусе 1 с помощью фланца 14 установлена проставка 12 с патрубком отвода очищенного газа 3 и крышкой 13. В проставке 3 установлен фильтрующий элемент 5 и зафиксирован кольцом контровочным 22 с прокладкой 11. Фильтрующий элемент 5 может иметь коническую или иной форму, например, цилиндрическую и представляет собой несущую конструкцию из пористого металла (алюминия, никеля, меди и прочее) с высокой газовой проницаемостью, что обеспечивает незначительное гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента. К проставке 12 приварена обечайка 4. Корпус 1, обечайка 4 и фильтрующий элемент 5, расположенные коаксиально друг другу и образуют внешний 15 и внутренний 16 кольцевые каналы, сообщающиеся между собой в нижней части корпуса 1.. Нижняя часть корпуса 1 соединена с профилированным днищем 6, к которому прикреплен сборник 7. Внутри сборника 7 расположен шток 9, который жестко связан с тарелью 10. Поверхности тарели 10 и днища 6 образуют щелевой канал 17. Шток 9 и связанная с ним тарель 10 имеют возможность перемещаться в осевом направлении относительно профилированного днища 6, что позволяет изменять ширину щелевого канала 17. Сборник 7 содержит полость 25, внутри которой установлен датчик уровня 18. Герметичность полости 25 относительно внешней среды при перемещении штока 9 обеспечивается уплотнением (на фиг. 1 не показано), фиксируемым в корпусе сборника 7 фланцем 8. Сборник 7 имеет патрубок отвода жидкости и механических примесей 26. Полость 25 сборника 7 соединена магистралью перепускной 19 с каналом патрубка отвода очищенного газа 3. В магистрали перепускной 19 последовательно установлены вентиль ВЗ, фильтр 20 и вентиль В4 и жиклер 21. Патрубок подвода 2 соединен с патрубком отвода очищенного газа 3 пневматической магистралью 24, в которой последовательно установлены вентиль В1, датчик перепада давлений 23, вентиль В2.

Устройство работает следующим образом. Транспортируемый газ, содержащий различного рода дисперсные включения (твердые и жидкие), подается тангенциально через входной патрубок 2 в кольцевую полость внешнего канала 15 и закручивается. В закрученном потоке, вследствие действия массовых сил, дисперсные включения дрейфуют к внутренней стенке корпуса 1 и концентрируются, преимущественно, в тонком пограничном слое. Включения, сконцентрированные в пристенном слое, движутся далее по внутренней поверхности профилированного днища 6 с разворотом потока и через щелевой канал 17 попадают в полость 25 сборника 7. Разворот потока поверхностью днища 6 увеличивает концентрацию частиц в пристенном слое. Моделирование условий сепарации частиц в закрученном дисперсном потоке, выполненное в работе (Баянов И.М., Гортышов Ю.Ф., Тонконог В.Г., Тонконог М.И. Моделирование динамики двухфазного потока в сепараторе. Вестник КГТУ им. Туполева. 2013, №4, 34-42 с.), показало, что в пристенном слое толщиной 1…3 мм сосредотачивается 90…98% процентов от общего числа частиц размером более 10 мкм. Для достижения такого эффекта достаточно, чтобы поток совершил порядка 1,5…2-х оборотов. Это условие обеспечивается при относительной длине канала (l/d)>2, где 1-канала, d-внешний диаметр канала 15. Частицы размером от 10 до 5 мкм сосредотачиваются в пристенном (пограничном) слое толщиной более 3 мм, а частицы размером менее 5 мкм сепарируются неудовлетворительно.

С целью более полного выделения частиц из газового потока, в зависимости от толщины слоя, в котором они сосредоточены, ширина щелевого канала 17 регулируется путем перемещения тарели 10 относительно профилированного днища 6. Для увеличения вероятности попадания частиц в щелевой канал 17 и снижения сопротивления движению дисперсной среды в щелевом канале 17 полость 25 сборника 7 соединена магистралью перепускной 19 с патрубком выхода 3, что создает % зону пониженного давления в полости 25 по сравнению с давлением газового потока во входном участке щелевого канала 17 и, следовательно, снижает сопротивление движению отсепарированной части потока в щелевом канале, способствует поступлению его в полость сборника 7 и, таким образом, повышает качество сепарации и следовательно качество очистки транспортируемого газа. Для исключения попадания дисперсных частиц из полости 25 в патрубок выхода очищенного газа 3 по магистрали 19 в ней установлен фильтр 20. С целью задания или ограничения расхода газа по магистрали 19 в ней установлены жиклер 21 и регулирующие вентили» В₃ и В₄. Заполнение сборника 7 жидкими и твердыми дисперсными включениями, выделенными из газового потока контролируется датчиком уровня 18, по сигналу которого происходит удаление отсепарированной фракции по магистрали 25.

Поскольку в щелевой канал попадают преимущественно крупные частицы (дисперсные включения), то в газовом потоке остаются мелкие частицы (размером 10 мкм и менее). С целью более полного очищения газа от мелких дисперсных включений газовый поток, прошедший предварительную сепарацию, разворачивается тарелью 10 и поступает в полость канала внутреннего 16. Из внутренней полости газ проходит через фильтрующий элемент 5, в котором осуществляется тонкая очистка газа. Очищенный газ направляется через патрубок выхода очищенного газа 3 потребителю.

Фильтрующий элемент 5 может иметь коническую или иную форму, например, цилиндрическую и представляет собой несущую конструкцию из пористого металла (алюминия, никеля, меди и прочее) с высокой газовой проницаемостью, что обеспечивает незначительное гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента 5. Размеры пор фильтрующего элемента 5 определяют предельный размер дисперсных включений в газовом потоке, поступающем потребителю. Так как в процессе работы фильтрующий элемент 5 засоряется, то его гидравлическое сопротивление будет возрастать. Необходимость замены фильтрующего элемента определяется по показаниям датчика перепада давлений 23, установленном в магистрали 24, которая соединяет патрубок входа 1 с патрубком выхода 3. Фильтрующий элемент 5 легко извлекается из устройства через крышку 13 и может восстанавливаться путем его промывки или продувки, что позволяет продлить его ресурс.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить качество очистки транспортируемого газа, надежно в эксплуатации и, следовательно, обладает повышенным ресурсом работы.