EA023358B1 - Сепаратор - Google Patents

Abstract

Сепаратор (2) для разделения многофазной смеси, содержащий камеру (7) высокого давления, установленную на опоре для вращения в корпусе (4), содержащем газ, который может поддерживаться при повышенной температуре или при повышенном давлении. Множество крыльчаток (28) расположено в камере (7) высокого давления. Камера (7) высокого давления имеет вход (20), выход (22) для первой фазы и множество выходов (24) для второй фазы, расположенных радиально снаружи от выхода (22) для первой фазы относительно оси сепаратора. Предусмотрен также регулятор в виде активируемых давлением форсунок (48), который предназначен для регулирования потока, проходящего через выходы (24) для второй фазы. Во время работы смесь твердой фазы и жидкости подается в камеру (7) высокого давления, при этом камера (7) высокого давления вращается в газовой среде, что заставляет твердую фазу скапливаться вблизи выходов (24) для второй фазы. Активируемые давлением форсунки (48) многократно открываются и закрываются для вывода накопленной твердой фазы.

Description

Настоящее изобретение относится к сепараторуи, и в частности, хотя и не исключительно, к барабанному сепаратору, предназначенному для разделения фаз многофазной смеси.

Предшествующий уровень техники

Хорошо известны центробежные сепараторы для разделения многофазных смесей на составляющие их фазы.

Существующие центробежные сепараторы часто основаны на периодическом процессе разделения. Это предусматривает разделение фаз смеси в различных областях сепаратора. После окончания разделения сепаратор останавливается, при этом каждую фазу можно удалить из сепаратора. Периодический процесс часто является нежелательным, поскольку он включает периодическое прерывание процесса сепарации.

Альтернативно этому каждую фазу можно непрерывно выводить из сепаратора через отдельные выходы. Однако при таких способах необходимо постоянно контролировать скорость вывода каждой фазы, чтобы обеспечить сохранение эффективности процесса сепарации. Кроме того, в процессе сепарации могут накапливаться твердые частицы и эмульсии, которые заполняют сепаратор и забивают ротор.

Термин фаза в контексте данного описания может относиться к особому состоянию вещества, например, указывая, что вещество является твердым, жидким или газообразным. Термин фаза может также использоваться для того, чтобы различать различные вещества, например, несмешивающиеся жидкости или отличать твердые фазы от жидкостей.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению обеспечен сепаратор для разделения многофазной смеси, содержащий камеру высокого давления, которая определяет ось сепаратора, опорную часть для опоры камеры высокого давления с целью вращения вокруг оси сепаратора по меньшей мере одну крыльчатку, расположенную внутри камеры высокого давления и соединенную для вращения с камерой высокого давления, и регулятор потока, при этом камера высокого давления имеет вход, выход для первой фазы и множество выходов для второй фазы, которые расположены радиально снаружи от выхода для первой фазы относительно оси сепаратора, а регулятор потока предназначен для регулирования потока, проходящего через выходы для второй фазы.

Регулятор потока может содержать множество активируемых давлением форсунок, расположенных, соответственно, у выходов для второй фазы.

Каждая активируемая давлением форсунка может содержать обратный клапан для предотвращения прохождения потока в камеру высокого давления. Обратный клапан может содержать смещающее устройство, которое обеспечивает смещение обратного клапана в закрытую позицию.

Активируемые давлением форсунки могут быть установлены на радиальной наружной стенке камеры высокого давления.

В камере высокого давления рядом с соответствующими выходами для второй фазы может быть размещено множество сборников. Сборники могут содержать воронки, которые сужаются наружу в радиальном направлении к соответствующим выходам для второй фазы.

Сепаратор может также содержать регулятор давления для регулирования давления в камере высокого давления. Регулятор давления может содержать контроллер потока для управления потоком, проходящим через выход для первой фазы.

Сепаратор может содержать множество крыльчаток. Эти крыльчатки могут представлять собой плоские круглые диски, которые расположены на оси сепаратора и которые проходят радиально в наружном направлении от оси сепаратора. Альтернативно этому крыльчатки могут иметь диски конусной формы, которые расположены на оси сепаратора и которые проходят радиально в наружном направлении от оси сепаратора.

Каждый диск может иметь ряд отверстий, расположенных по окружности вокруг оси сепаратора, при этом отверстия соседних дисков имеют угловое смещение относительно друг друга. Указанные отверстия могут представлять собой перфорацию.

Разделительные ребра могут быть предусмотрены между соседними дисками, при этом разделительные ребра могут быть расположены относительно отверстий таким образом, чтобы они образовывали ступенчатые и/или взаимно соединяющиеся проточные каналы от входа камеры высокого давления до выхода для первой фазы.

По меньшей мере один выход для эмульсии может быть расположен радиально снаружи от выхода для первой фазы и радиально внутри от выходов для второй фазы. Указанный или каждый такой выход для эмульсии может содержать трубу, которая проходит радиально в наружном направлении относительно оси сепаратора, при этом указанная или каждая такая труба имеет гидравлическое соединение с каналом вывода эмульсии, который проходит вдоль сепаратора и выходит через торцевую сторону сепаратора для удаления эмульсии из сепаратора.

Сепаратор может также содержать роторный вал, снабженный распылительными форсунками для подачи жидкости внутрь камеры высокого давления. Распылительные форсунки могут быть установлены таким образом, чтобы они были направлены к выходам для второй фазы.

- 1 023358

Сепаратор может также содержать выход для третьей фазы, расположенный радиально снаружи от выхода для первой фазы и радиально внутри от выходов для второй фазы.

Кроме того, сепаратор может содержать герметичный корпус, в котором установлена камера высокого давления с возможностью вращения. В нижней части корпуса может быть предусмотрен сборник, из которого выводится вторая фаза.

Специальное средство может быть предусмотрено для ввода текучей среды под давлением между корпусом и камерой высокого давления. Текучая среда может представлять собой газ.

Сепаратор может содержать регулятор давления для регулирования давления между корпусом и камерой высокого давления.

Настоящее изобретение обеспечивает также способ разделения смеси, содержащей первую фазу и вторую фазу, при помощи сепаратора для разделения многофазной смеси, содержащего камеру высокого давления, которая определяет ось сепаратора, опорную часть для опоры камеры высокого давления с целью вращения вокруг оси сепаратора, по меньшей мере одну крыльчатку, расположенную внутри камеры высокого давления и соединенную для вращения с камерой высокого давления, и регулятор потока, при этом камера высокого давления имеет вход, выход для первой фазы и множество выходов для второй фазы, расположенных радиально снаружи от выхода для первой фазы относительно оси сепаратора, а регулятор потока обеспечивает управление потоком, проходящим через выходы для второй фазы, и при этом указанный способ включает следующие операции:

(а) создание положительной разности давлений у выходов для второй фазы для того, чтобы предотвратить прохождение потока через выходы для второй фазы;

(б) вращение камеры высокого давления таким образом, чтобы вторая фаза накапливалась вблизи выходов для второй фазы;

(в) создание отрицательной разности давлений у выходов для второй фазы для того, чтобы обеспечить прохождение потока через выходы для второй фазы.

Операция (а) может содержать этап ограничения или предотвращения прохождения потока через выход для первой фазы для того, чтобы увеличить давление в камере высокого давления.

Операция (а) может содержать увеличение внешнего давления на камеру высокого давления. Внешнее давление может быть достаточным, чтобы противодействовать внутреннему давлению в камере высокого давления и центробежной силе, действующей на камеру высокого давления.

Операции (а)-(в) можно повторять для удаления скопившейся второй фазы через выходы для второй фазы.

Перечень фигур чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения и более четкого пояснения возможности его осуществления в приведенном ниже описании в качестве примеров используются ссылки на прилагаемые чертежи, на которых представлены:

фиг. 1 - вид в перспективе сепаратора;

фиг. 2 - вид в разрезе в перспективе сепаратора с фиг. 1;

фиг. 3 - увеличенный вид в разрезе в перспективе торцевой части сепаратора с фиг. 1;

фиг. 4 - увеличенный вид в разрезе торцевой части сепаратора с фиг. 1, противоположной концевой части с фиг. 3.

фиг. 5 - частичный разрез в перспективе части ротора сепаратора с фиг. 2;

фиг. 6 - вид в радиальном разрезе части ротора с фиг. 2;

фиг. 7 - увеличенный частичный вид в разрезе области VI с фиг. 6;

фиг. 8 - вид в перспективе части ротора, показанного на фиг. 2, с валом и крыльчатками;

фиг. 9 - другой вид в перспективе части ротора, показанного на фиг. 2, с барабаном;

фиг. 10 - частичный вид в перспективе ротора согласно одному варианту осуществления изобретения в области сборника;

фиг. 11- вид в разрезе в перспективе другого варианта осуществления сепаратора;

фиг. 12 - увеличенный вид в разрезе в перспективе концевой части сепаратора с фиг. 11;

фиг. 13 - увеличенный вид в разрезе концевой части сепаратора с фиг. 11, противоположной концевой части с фиг. 12;

фиг. 14 - вид в радиальном разрезе части ротора с фиг. 11 и фиг. 15 - вид в перспективе части ротора, показанного на фиг. 11, с валом и крыльчатками. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 1 и 2 показан сепаратор 2, содержащий наружный корпус 4, который поддерживает ротор 6 для вращения внутри корпуса. Наружный корпус 4 содержит цилиндрическую часть 8, которая закрыта с торцевых сторон входным фланцем 10 и выходным фланцем 12.

Ротор 6 содержит камеру высокого давления в виде цилиндрического барабана 7, который установлен на валу 14. Вал 14 опирается на подшипники 18 в соответствующих фланцах 10, 12 для обеспечения вращения вокруг оси 16 сепаратора. Барабан 6 имеет вход 20 барабана, выход 22 для первой фазы, множество выходов 24 для второй фазы и выход 26 для третьей фазы.

Как показано на фиг. 3, вход 20 барабана содержит четыре дугообразных отверстия, расположен- 2 023358 ных на расстоянии друг от друга по окружности вокруг оси 16.

Выход 22 для первой фазы находится в торцевой части барабана 7, противоположной входу 20 барабана. Выход 22 для первой фазы содержит кольцевое отверстие, которое проходит по окружности вокруг оси 16. Выходы 24 для второй фазы проходят через радиальную наружную стенку барабана 7. Выходы 24 для второй фазы расположены по окружности на расстоянии друг от друга в осевом направлении. Выход 26 для третьей фазы расположен рядом с выходом 22 для первой фазы и содержит множество отверстий, расположенных вокруг оси 16. Выход 26 для третьей фазы расположен коаксиально с выходом 22 для первой фазы, но удален радиально в наружном направлении от выхода 22 для первой фазы и радиально во внутреннем направлении от выходов 24 для второй фазы.

Набор дисков 28 (вариант осуществления, показанный на чертежах, содержит восемнадцать дисков 28) установлен вдоль вала 14. Диски 28 расположены перпендикулярно оси 16 сепаратора и прикреплены к валу 14. Таким образом, диски 28 для вращения соединяются с барабаном 7.

Как показано на фиг. 2, 6 и 8, каждый диск 28 имеет множество радиальных щелевидных прорезей 30, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга вокруг оси 16 сепаратора. В показанном варианте осуществления каждый диск 28 имеет двадцать прорезей 30. Диски 28 расположены таким образом, чтобы прорези 30 соседних дисков 28 имели угловое смещение вокруг оси 16 относительно друг друга, а прорези 30 чередующихся дисков 28 не имели углового смещения. Ребра 32 расположены между соседними дисками 28 и примыкают к ним. Ребра 32 проходят в осевом и радиальном направлениях. Каждое ребро 32 выровнено относительно соответствующей прорези 30 переднего диска, т. е. диска, расположенного ближе к входу 20 барабана, и разделяет пополам прорезь 30 в продольном направлении. Таким образом прорези 30 и ребра 32 образуют ряд ступенчатых и взаимно соединяющихся проточных каналов, расположенных в шахматном порядке в направлении продольной оси барабана 7. Каждое ребро 32 имеет профилированные кромки 34, которые входят в соответствующие канавки 35, выполненные в дисках 24 на концах прорезей 30.

Как показано на фиг. 2, около выходов 22 для первой и третьей фазы предусмотрена круглая отбивная решетка 29. Радиальный внутренний контур отбивной решетки 29 смещен от наружной поверхности вала 14. Кольцевая пластина 31 проходит от радиального внутреннего контура отбивной решетки 29 до торцевой стенки барабана 7, образуя, таким образом, кольцевой проточный канал между отбивной решеткой 29 и выходом 22 для первой фазы.

Как показано на фиг. 2, 5, 6 и 7, сборники в виде пирамидообразных воронок 36 установлены внутри радиальной наружной стенки барабана 7. Воронки 36 расположены радиально снаружи от дисков 28 и ребер 32. Каждая воронка 36 сужается радиально в наружном направлении к соответствующему выходу 24 для второй фазы.

Воронки 36 выполнены из конструкции, содержащей гофрированную пластину 38 и множество раструбов 40. Гофрированная пластина 38 проходит изнутри вдоль наружной стенки барабана 7, таким образом, гофры 42 гофрированной пластины 38 расположены параллельно оси 16 сепаратора. Гофрированная пластина 38 в показанном варианте осуществления имеет восемь гофр 42, и поэтому, как видно на фиг. 6, в поперечном сечении она имеет форму восьмиконечной звезды. Раструб 40 расположен вдоль каждой гофры 42 на радиальной внутренней стороне гофрированной пластины 38. Каждый раструб 40 гофрирован в продольном направлении и имеет шесть гофр 44. Профили раструбов 40 соответствуют профилю гофр 42, вдоль которых они расположены. Гофрированная пластина 38 и раструбы 40 совместно образуют в сумме сорок восемь воронок 36. Каждая воронка 36 имеет две противоположные стороны, образованные противоположными сторонами одной из гофр 42 гофрированной пластины, и двумя противоположными сторонами одной из гофр 44 соответствующего раструба 40. В показанном варианте осуществления радиальные внутренние кромки каждой воронки 36 совпадают с радиальными внутренними кромками соседней воронки 36. Благодаря этому, конструкция воронок внутри барабана 7 обеспечивает наклонные поверхности над большой частью внутренней области ротора 6.

Каждая воронка 36 имеет отверстие 46 в устье воронки 36, которое совмещается с соответствующим выходом 24 для второй фазы. Обратный клапан 48 расположен в каждом из выходов 24 для второй фазы для того, чтобы управлять потоком, проходящим через соответствующие выходы 24.

На фиг. 7 показан увеличенный вид в разрезе вершины одной из воронок 36 и соответствующее сечение цилиндрической стенки барабана 7 в области выхода 24 для второй фазы и обратного клапана 48. Обратный клапан 48 содержит цилиндрический корпус 50, имеющий резьбу на наружной поверхности. Корпус 50 завинчивается в резьбовое отверстие 68 в наружной стенке барабана 7. Отверстие 68 имеет сужающуюся часть 52, которая сообщается с выходом 24 для второй фазы. Корпус 50 имеет центральное отверстие 54, которое проходит в продольном направлении. Отверстие 54 имеет резьбовой участок 56 на конце, противоположном сужающейся части 52 отверстия 68. Множество проточных каналов 58 проходят по периферии вокруг центрального отверстия 54. Проточные каналы 58 проходят вдоль корпуса 50 и обеспечивают гидравлическое соединение между выходом 24 для второй фазы и наружной областью, расположенной между корпусом 4 сепаратора и барабаном 7. Пружина 66 расположена в отверстии 54 и упирается в регулировочный винт 64. Пружина 66 смещает шарик 60 в сужающуюся часть 52 для того, чтобы закрывать выход 24 для второй фазы.

- 3 023358

Когда клапан 48 закрыт, шарик 60 прилегает к периферии выхода 24 для второй фазы и удерживается в контакте с периферией выхода 24 для второй фазы пружиной 66. Перемещение шарика 60, преодолевающее действие пружины 66, создает путь из выхода 24 для второй фазы вокруг шарика 60 и через проточные каналы 58, открывая, таким образом, клапан 48.

Как показано на фиг. 2, 3 и 4, вал 14 содержит трубчатую часть 70, в каждый конец которой частично вставлены сплошные концевые части 72, 74. При этом трубчатая часть 70 образует удлиненную полость между сплошными концевыми частями 72, 74. Сплошные концевые части 72, 74 опираются на подшипники 18. Подшипники 18 расположены в соответствующих гнездах, образованных торцевыми стенками фланцев 10, 12. Механические уплотнения 19 герметизируют вал 14 в корпусе 4 и образуют разделительные зоны между механическими уплотнениями 19 и подшипниками 18, которые предотвращают загрязнение текучей среды подшипниками 18. Механические уплотнения 19 представляют собой двойные механические уплотнения, содержащие смазку, которая находится при более высоком давлении, чем давление среды между механическими уплотнениями 19, чтобы предотвратить проникновение твердых частиц. Подшипники 18 открыты для действия атмосферы, чтобы предотвратить возникновение повышенного давления у подшипников 18 во время работы сепаратора 2. Для приведения в движение вала 14 предусмотрен двигатель (не показан).

Эмульсионные трубки 76 выступают в радиальном направлении из сплошной концевой части 74 у выходного фланца 12 в область, которая расположена радиально снаружи от выхода 22 для первой фазы и радиально внутри от наружной периферии отбивной решетки 29. Эмульсионные трубки 76 имеют гидравлическое соединение с выходным каналом 78. Выходной канал 78 содержит трубу, которая проходит в осевом направлении вдоль вала 14 и выходит через сплошную концевую часть 72 и входной фланец 10.

Цилиндрическая часть 8 корпуса 4 имеет фланцы 80, 82 на обоих концах, которые приварены к корпусу и присоединены к соответствующим фланцам 10, 12 при помощи крепежных элементов, в частности, болтов или шпилек.

Наружный корпус 4 образует камеру, в которой расположен барабан 7. Сборник 84, расположенный в стенке цилиндрической части 8, проходит радиально вниз от днища сепаратора 2. В дне сборника 84 предусмотрено отверстие 86 для выхода твердых частиц. Кроме того, предусмотрены регулятор потока твердой фазы (не показан) для управления потоком твердых частиц, проходящим из сборника 84 через отверстие 86, и регулятор уровня (не показан) для управления уровнем текучей среды в сборнике 84.

Входной фланец 10, показанный на фиг. 2 и 3, содержит входную камеру 88, расположенную рядом с входом 20 барабана. Входная камера 88 имеет гидравлическое соединение с внутренней частью барабана 7 через вход 20 барабана. Уплотнение 90, например, лабиринтное уплотнение, расположено вокруг периферии входа 20 барабана между входным фланцем 10 и барабаном 7, обеспечивая, таким образом, герметичное отделение входной камеры 88 и внутренней части барабана 7 от камеры, образованной наружным корпусом 4. Входная камера 88 имеет входное отверстие 92, которое расположено тангенциально относительно оси 16 сепаратора.

Выходной фланец 12, показанный на фиг. 2 и 4, содержит камеру 94 выхода для первой фазы, расположенную рядом с выходом 22 для первой фазы, и камеру 96 выхода для третьей фазы, расположенную рядом с выходом 26 для третьей фазы. Барабан 7 имеет гидравлическое соединение с камерами 94, 96 выхода для первой и третьей фазы через соответствующие выходы 22, 26 для первой и третьей фазы.

Камера 94 выхода для первой фазы имеет часть 98 меньшего диаметра, расположенную рядом с выходом 22 для первой фазы, и часть 100 большего диаметра, удаленную от выхода 22 для первой фазы в осевом направлении. Труба 102 для выхода первой фазы проходит радиально вниз от нижней области части 100 большего диаметра. Труба 102 для выхода первой фазы расположена перпендикулярно оси 16 сепаратора.

Труба 104 для выхода газа проходит вверх из области, соседней в осевом направлении с частью 100 большего диаметра камеры 94 выхода для первой фазы. В области трубы 104 для выхода газа между валом 14 и выходным фланцем 12 расположено патронное уплотнение. При этом образуется проточный канал, который проходит через патронное уплотнение, между частью 100 большего диаметра и трубой 104 для выхода газа.

Камера 96 выхода для третьей фазы является кольцеобразной и окружает часть 98 меньшего диаметра камеры 94 выхода для первой фазы. У выхода 26 для третьей фазы между барабаном 7 и камерой 96 выхода для третьей фазы расположена перегородка 106. Перегородка 106 выполнена как единое целое с радиальной внутренней стенкой камеры 96 выхода для третьей фазы и проходит радиально снаружи относительно оси 16 сепаратора. Труба 108 выхода для третьей фазы (показана на фиг. 1 и контурными линиями на фиг. 4) выступает радиально снаружи из камеры 96 выхода для третьей фазы. Труба 108 выхода для третьей фазы расположена перпендикулярно оси 16 сепаратора и трубе 102 для выхода первой фазы.

Первое кольцевое уплотнение 110 расположено между барабаном 7 и выходным фланцем 12 по периферии выхода 22 для первой фазы, герметично отделяя, таким образом, камеру 94 выхода для первой фазы от камеры, образованной наружным корпусом 4, а также от камеры 96 выхода для третьей фазы. Второе уплотнение 112 расположено между барабаном 7 и выходным фланцем 12 по наружной перифе- 4 023358 рии выхода 26 для третьей фазы. Второе уплотнение 112 также является кольцевым и расположено соосно с первым уплотнением 110 радиально снаружи от него. При этом второе уплотнение 112 герметично отделяет камеру 96 выхода для третьей фазы от камеры, образованной наружным корпусом 4. Уплотнения 110, 112 позволяют вращать барабан 7 относительно фланцев 10, 12. В описываемом варианте осуществления уплотнения 110, 112 представляют собой лабиринтные уплотнения.

Каналы 114, 116 и 118 выполнены в стенках входного фланца 10 и выходного фланца 12 для подачи уплотняющей текучей среды в соответствующие лабиринтные уплотнения 90, 110 и 112. Уплотняющая текучая среда может представлять собой, например, нагнетаемые масло, воду или газ.

В наружном корпусе 4 предусмотрен редукционный клапан (не показан).

Кроме того, предусмотрены средства (не показаны) для независимого управления обратным давлением на выходе 22 для первой фазы и выходе 26 для третьей фазы. Они могут представлять собой, например, регуляторы потока.

Во время работы приточная смесь, содержащая две несмешивающиеся жидкости, в частности, масло и воду, твердые частицы, в частности, песок, и газ, подается через входное отверстие 92 во входную камеру 88. Тангенциальное расположение входного отверстия 92 способствует циркуляции приточной смеси во входной камере 88 перед поступлением через вход 20 барабана в барабан 7, который вращается с большой скоростью валом 14, имеющим привод от двигателя. Ротор 6 может вращаться, например, со скоростью не менее 1750 об/мин и не более 10000 об/мин.

Приточная смесь от входа 20 барабана через прорези 30 в дисках 28 проходит к выходам 26, 28 для первой и третьей фазы. Когда смесь перемещается вдоль барабана 7, вращающиеся диски 28 прикладывают к смеси сдвигающие усилия (например, создавая тягу для ламинарного потока), что ускоряет и поддерживает вращение потока. Ребра 32 помогают обеспечить и поддерживать вращение смеси синхронно с вращением ротора 6. Высокоскоростное вращение смеси приводит к появлению центробежной силы, которая заставляет более плотные компоненты, т.е., воду и песок, радиально перемещаться в наружном направлении, что в свою очередь, радиально перемещает масло и газ во внутреннем направлении. Таким образом, когда смесь перемещается вдоль барабана 7, она разделяется на стратифицированные слои отдельных компонентов или фаз. Проточные каналы, расположенные в шахматном порядке, предотвращают прямое прохождение потока от входа 20 барабана непосредственно к выходам 26, 28 для первой и третьей фазы. Сдерживание потока увеличивает время пребывания смеси в барабане 7, при этом масло и вода исходной смеси, по существу, разделяются при подходе к выходам 26, 28 для первой и третьей фазы. При этом между водой и маслом образуется граница раздела. Радиальную позицию границы раздела можно регулировать, например, изменяя скорости потоков через выходы 26, 28 для первой и третьей фазы, однако, следует понимать, что для этой цели могут быть использованы альтернативные способы. Вода протекает по наружной периферии отбивной решетки 29 к выходу 26 для третьей фазы. Позиция границы раздела регулируется таким образом, чтобы она оставалась радиально снаружи от выхода 22 для первой фазы и радиально внутри от наружной периферии отбивной решетки 29. Благодаря этому, предотвращается отвод отделенного масла через выход 26 для третьей фазы, а вместо этого, оно проходит по каналу, образованному кольцевой пластиной 31, к выходу 22 для первой фазы. На границе раздела масла и воды и/или на границе раздела воды и твердых частиц образуется эмульсия или дисперсионный слой.

Центробежные силы заставляют твердые частицы оседать в потоке, который, по существу, перемещает их радиально в наружном направлении к воронкам 36.

Процесс сепарации содержит две стадии: стадия накопления и стадия удаления. Во время стадии накопления давление в наружном корпусе 4 возрастает до величины, которая может быть по меньшей мере равной давлению внутри вращающегося барабана 7. Давление у выходов 24 для второй фазы во время стадии накопления представляет собой положительную разность давлений. Давление в наружном корпусе, создаваемое нагрузкой пружины обратных клапанов 48, является достаточным, чтобы удерживать обратные клапаны 48 закрытыми и противодействовать давлению, которое вращающаяся текучая среда оказывает на внутреннюю поверхность барабана 7. Давление в наружном корпусе 4 создается в результате введения текучей среды, предпочтительно - газа, в частности, азота, в наружный корпус 4. Давление в наружном корпусе 4 можно поддерживать, например, на уровне 220 фунтов на квадратный дюйм (примерно 1500 кПа). Введенный газ имеет низкую вязкость по сравнению с приточной смесью. Окружая барабан 7 текучей средой с низкой вязкостью, можно уменьшить тормозящее действие на барабан 7 в стадии накопления. Кроме того, влияние пограничных слоев, вихревых потоков и сил трения также уменьшается. Крутящий момент и, следовательно, сила, необходимая для вращения ротора 6, уменьшается, улучшая, таким образом, эффективность работы. Повышенное давление в наружном корпусе 4 создает внешнее давление, действующее на барабан 7, и, соответственно, силу, действующую радиально во внутреннем направлении на наружную стенку барабана 7. Эта сила, действующая радиально во внутреннем направлении, частично уравновешивает центробежную силу, действующую на барабан 7 и, таким образом, уменьшает радиальную нагрузку на барабан 7 для конкретной рабочей скорости вращения ротора 6. Поэтому ротор 6 может вращаться со скоростями, превышающими обычные скорости вращения, связанные с конструктивными ограничениями, которые накладывает материал ротора 6. Уве- 5 023358 личение скорости вращения улучшает разделение смеси, например, за счет уменьшения времени разделения или повышения качества разделенных фаз.

Во время стадии накопления, масло и вода выводятся из барабана 7 через выходы 26, 28 для первой и третьей фазы, соответственно, в камеры 84, 86 выходов для первой и третьей фазы. Масло выходит из сепаратора 2 по трубе 102 для выхода первой фазы. Вода выходит из сепаратора 2 через трубу 108 выхода для третьей фазы. Твердые частицы, захваченные потоком, перемещаются радиально в наружном направлении и накапливаются в виде шлама или налипающего осадка в воронках 36. Наклонные поверхности воронок 36 предотвращают накапливание твердой фазы на всех участках кроме устья воронок 36.

Стадия удаления начинается после накопления в воронках 36 требуемого количества твердых частиц или истечения установленного периода времени. Один или оба выхода 22, 26 для первой и третьей фазы ограничиваются или закрываются при поддержании повышенного давления наружного корпуса 4. Это вызывает появление обратного давления в барабане 7. Обратное давление увеличивается до тех пор, пока оно не начнет превышать давление в наружном корпусе 4 и не будет достаточным, чтобы преодолеть создаваемое пружиной смещение обратных клапанов 48, чтобы заставить открыться клапаны 48. Альтернативно этому клапаны могут быть открыты за счет введения в барабан 7 газа под более высоким давлением. При этом давление у выходов 24 для второй фазы будет представлять собой отрицательную разность давлений. Повышенное обратное давление выталкивает накопившуюся твердую фазу из барабана 7 через выходы 24 для второй фазы в область, расположенную между ротором 6 и наружным корпусом 4. При этом следует понимать, что твердую фазу можно смыть через выходы 24 для второй фазы путем подачи соответствующего количества воды в радиальную наружную область барабана 7, где находится твердая фаза. Вытолкнутая твердая фаза собирается в сборнике 84, откуда она выводится через отверстие 86 для выхода твердой фазы, непрерывно под управлением регулятора потока твердой фазы или отдельными порциями. В сборнике 84 поддерживается минимальный уровень жидкости, чтобы создать пробку с целью сохранения давления в корпусе 4 и предотвращения утечки газа.

Эмульсионный слой, который образуется на границе раздела масла и воды, непрерывно или периодически отбирается через эмульсионные трубки 76 и выводится из сепаратора 2 по выходному каналу 78. Радиальную позицию эмульсионного слоя можно регулировать, изменяя давление у выходов 26, 28 для первой и третьей фазы. Так, например, повышение обратного давления у выхода 22 для первой фазы приводит к увеличению количества/глубины масла, содержащегося в барабане 7, относительно количества воды, таким образом, эмульсионный слой смещается радиально в наружном направлении. Управлением перемещением эмульсионного слоя можно осуществлять при помощи таймера, установленного в программируемом логическом контроллере.

Эмульсионный слой может образовываться на границе раздела воды и песка. Эмульсионный слой содержит очень мелкие частицы (т. е., частицы песка), покрытые толстой пленкой масла, а затем пленкой воды, таким образом, покрытая частица имеет нейтральную плавучесть в воде и поэтому остается на границе раздела воды и песка. Образование эмульсионного слоя можно определить по изменению разности давлений или по изменению равновесия ротора 6. Такой эмульсионный слой можно вытеснить через выходы 24 для второй фазы во время стадии удаления.

Газ накапливается в части 100 большего диаметра камеры 94 выхода для первой фазы, в области, прилегающей к валу 14. Этот газ протекает вокруг патронного уплотнения и выходит из фланца 12 по трубе 104 для выхода газа. Благодаря этому, сепаратор 2 постоянно дегазируется.

При этом следует понимать, что открытие клапанов 48 и удаление твердой фазы из барабана 7 можно также обеспечить при помощи уменьшения давления в наружном корпусе 4 или изменения усилия смещения, действующего на шарики 60 клапанов 48 во время работы, или при помощи увеличения скорости вращения барабана 7. Можно также использовать комбинации этих способов или другие средства, пригодные для открытия клапанов.

Следует также понимать, что положительная разность давлений, образующаяся во время стадии накопления, может относиться к вариантам осуществления, в которых разность давлений в области между корпусом 4 и барабаном 7 меньше или равна давлению в барабане 7, при условии, что смещение клапана является достаточным для закрытия клапана 48.

Давление в наружном корпусе 4 во время стадии накопления можно поддерживать на уровне не менее 150 фунтов на квадратный дюйм (примерно 1000 кПа) и не более 600 фунтов на квадратный дюйм. Возможны варианты осуществления, в которых давление в наружном корпусе 4 поддерживается равным, соответственно, 150 фунтам на квадратный дюйм (примерно 1000 кПа), 300 фунтам на квадратный дюйм (примерно 2000 кПа) и 600 фунтам на квадратный дюйм (примерно 4100 кПа).

Скорость потока через сепаратор 2 может составлять не менее 100 галлонов США в минуту (примерно 18.9 литра в секунду) и не более 1000 галлонов США в минуту (63.1 литра в секунду).

Во время работы может поддерживаться повышенная температура текучей среды в наружном корпусе 4. Так, например, текучая среда может быть более горячей, чем приточная смесь.

Показанные диски 28 являются плоскими круглыми дисками, однако, следует понимать, что они могут иметь и другую форму, например, коническую форму. Проточные каналы могут быть выполнены, например, в виде перфорации в дисках 28.

- 6 023358

Трубы 102, 108 для выхода первой и третьей фазы могут быть расположены тангенциально относительно оси 16 сепаратора.

Очевидно, что может быть использован один комплект воронок 36, расположенных по окружности.

На фиг. 10 показан вариант осуществления, в котором перегородка 120 проходит в средней части каждой воронки 36 в направлении, параллельном оси 16 сепаратора. Перегородка 120 имеет радиальную внутреннюю кромку, расположенную рядом с сужающимся концом соответствующей воронки 36, и радиальную наружную кромку, которая находится на расстоянии от выхода 24 для второй фазы.

Один вариант осуществления настоящего изобретения содержит ротор с распылительными форсунками высокого давления, которые расположены вдоль вала и ориентированы для распыления очистительной текучей среды радиально в наружном направлении к воронкам. Распылительные форсунки сообщаются с каналом вывода эмульсии. Если сепаратор не используется, или после стадии удаления, моющую текучую среду можно подавать через выходной канал и распылять через форсунки изнутри воронок для того, чтобы очищать воронки. Альтернативная функция распылительных форсунок заключается в том, чтобы вводить раствор для разбавления приточной смеси в барабан в процессе сепарации или разрыхлять уплотненную твердую фазу и суспендировать ее перед выходом.

Другой вариант осуществления изобретения показан на фиг. 11-16. Ниже описаны его основные отличия от варианта осуществления, показанного на фигурах 1-10.

Диски 28 установлены на расстоянии друг от друга в осевом направлении, таким образом, два соседних диска 28 и соответствующие ребра 32 расположены рядом с каждой воронкой 36.

Каждый диск 28 имеет канавки 122, проходящие вдоль внутренней периферийной кромки диска 28 рядом с валом 14. Между каждой канавкой 122 и радиальной наружной поверхностью вала 14 образуется отверстие 124. В процессе работы газ, который мигрирует в область, примыкающую к валу 14, проходит через отверстия 124 к выходу 22 для первой фазы.

Распылительные форсунки 126, например, распылительные форсунки высокого давления, проходят радиально в наружном направлении от вала 14. Распылительные форсунки 126 расположены на расстоянии друг от друга и по окружности вдоль вала 14. Количество распылительных форсунок 126 равно количеству воронок 36, при этом распылительные форсунки 126 расположены таким образом, чтобы каждая распылительная форсунка 126 проходила к устью соответствующей воронки 36 и к соответствующему выходу 24 для второй фазы.

Распылительные форсунки 126 сообщаются с внутренним пространством трубчатой части 70 вала

14. В обеих сплошных концевых частях 72, 74 вала 14 предусмотрены отверстия 128. Указанные отверстия 128 проходят вдоль оси 16 сепаратора и заканчиваются на противоположных концах вала 14. На тех участках, где трубчатая часть 70 перекрывает сплошные концевые части 72, 74, распылительные форсунки 126 непосредственно сообщаются с отверстиями 128 посредством каналов, которые предусмотрены в сплошных концевых частях 72, 74 и проходят перпендикулярно отверстиям 128.

Во время работы текучую среду, которая находится под высоким давлением, можно подавать через распылительные форсунки 126. Текучая среда используется для выполнения двух функций: очистка воронок 36 и области, окружающей выходы 24 для второй фазы, и разжижение уплотненной твердой фазы для получения суспензии перед удалением твердой фазы через выходы 24 для второй фазы. Если содержание твердой фазы в потоке является низким, сепаратор может работать в течение более длительного периода времени между стадиями удаления, чтобы обеспечить накопление твердой фазы. Однако в этом случае, твердая фаза, накопившаяся у внутренней поверхности воронки 36 под действием центробежных сил, более вероятно будет уплотненной. Уплотненная твердая фаза может уменьшать эффективность стадии удаления. Поэтому разжижение твердой фазы перед ее удалением повышает эффективность процесса удаления.

Количество ребер 32 превышает количество распылительных форсунок 126. В данном варианте осуществления используется двенадцать ребер 32 и восемь распылительных форсунок 126. Ребра 32 и форсунки 126 расположены таким образом, что они имеют угловое смещение относительно друг друга вокруг оси 16 сепаратора.

Как показано на фиг. 11 и 15, вспомогательные лопасти 130 расположены между отбивной решеткой 29 и торцевой стенкой барабана 7. Вспомогательные лопасти 130 прикреплены к отбивной решетке 29 для вращения вместе с ней. Вспомогательные лопасти 130 проходят радиально наружу от кольцевой пластины 31 к наружной периферии отбивной решетки 29. Все вспомогательные лопасти 130 имеют сквозные отверстия. Во время работы вспомогательные лопасти 130 поддерживают вращение потока и, таким образом, препятствуют образованию завихрения в области между отбивной решеткой 29 и выходом 26 для третьей фазы. Отверстия во вспомогательных лопастях 130 позволяют воде проходить через вспомогательные лопасти 130 во время работы сепаратора 2, и, благодаря этому, уровни воды, измеренные относительно оси 16 в радиальном направлении сепаратора 2, в областях между вспомогательными лопастями 130 остаются равными. Таким образом, предотвращается дисбаланс ротора вследствие неравномерного распределения воды вокруг роторного вала 14, в частности, во время запуска и остановки сепаратора 2.

Как показано на фиг. 13, часть 98 меньшего диаметра камеры 94 выхода для первой фазы снабжена

- 7 023358 статорными ребрами 132. Статорные ребра 132 проходят в осевом направлении вдоль радиальной внутренней поверхности части 98 меньшего диаметра. Высота каждого статорного ребра 132 увеличивается в направлении, противоположном выходу 22 для первой фазы. Статорные ребра 132 неподвижно закреплены относительно камеры 94 выхода для первой фазы.

Камера 96 выхода для третьей фазы снабжена статорными ребрами 134. Статорные ребра 34 проходят в осевом направлении вдоль радиальной наружной поверхности камеры 96 выхода для третьей фазы. Статорные ребра 134 проходят от выхода 26 для третьей фазы до середины камеры 96 выхода для третьей фазы. Статорные ребра 134 сужаются по длине и установлены таким образом, что их высота относительно наружной поверхности камеры 96 выхода для третьей фазы увеличивается в направлении, противоположном выходу 26 для третьей фазы. Статорные ребра 134 неподвижно закреплены относительно камеры 96 выхода для третьей фазы.

Во время работы статорные ребра 132, 134 прекращают вращение потока в соответствующих камерах 94, 96 выхода.

При этом следует понимать, что распылительные форсунки 122 могут представлять собой такие же распылительные форсунки, как описаны для сепаратора со ссылками на фиг. 1-10, или модифицированные распылительные форсунки.

Соответствующие конструкции канавок 122 в дисках 28, размещение ребер 32, вспомогательные лопасти 130 и/или сужающиеся ребра 132/134, описанные для второго варианта осуществления, могут быть использованы отдельно или в виде их комбинаций в других или описанных вариантах осуществления.

Еще один вариант осуществления сепаратора используется для отделения водорослей в процессе обработки сточных вод или обратной промывки. В таком варианте осуществления приточная среда представляет собой двухфазную смесь, содержащую водоросли, которые захвачены жидкостью. В этом варианте осуществления в сепараторе не обязательно требуется наличие выхода для третьей фазы.

Во время работы водоросли накапливаются в воронках в виде осадка или концентрата. При этом может возникать центробежная сила, достаточная для разрыва водорослевых клеток, когда они прижимаются к внутренней поверхности воронок. Однако водоросли могут разрываться до или после процесса сепарации. Накопившиеся водоросли выводятся через выход для второй фазы, а остальная фракция приточной смеси выводится через выход для первой фазы. Скорость потока можно регулировать в зависимости от плотности водорослей. Так, например, требуемая плотность может составлять 60 000 частей на миллион, или, например, 6% твердой фазы по объему.

После сепарации или концентрирования водоросли могут быть переданы на дальнейшую обработку, например, для производства биотоплива.

Claims (24)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Сепаратор для разделения многофазной смеси содержащий герметичный корпус;

   камеру высокого давления, которая расположена вдоль оси сепаратора и которая установлена с возможностью вращения в указанном герметичном корпусе;

   опорную часть для удержания и вращения камеры высокого давления вокруг оси сепаратора; по меньшей мере одну крыльчатку, расположенную внутри камеры высокого давления и соединенную с ней для вращения, и регулятор потока, при этом камера высокого давления имеет вход, выход для первой фазы и множество выходов для второй фазы, которые расположены радиально снаружи от выхода для первой фазы относительно оси сепаратора, при этом регулятор потока содержит множество обратных клапанов, расположенных соответственно у каждого выхода для второй фазы для управления потоком, проходящим через выходы для второй фазы, причем указанные обратные клапаны выполнены с возможностью приведения их в действие путем регулирования разности давлений между давлением в камере и давлением в герметичном корпусе.
2. 2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что обратный клапан содержит смещающее устройство для смещения обратного клапана в закрытую позицию.
3. 3. Сепаратор по п.1 или п.2, отличающийся тем, что активируемые давлением клапаны предусмотрены в радиальной наружной стенке камеры высокого давления.
4. 4. Сепаратор по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что множество сборников расположено в камере высокого давления рядом с соответствующими выходами для второй фазы.
5. 5. Сепаратор по п.4, отличающийся тем, что сборники содержат воронки, которые сужаются радиально в наружном направлении к соответствующим выходам для второй фазы.
6. 6. Сепаратор по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он содержит также регулятор давления для регулирования давления в камере высокого давления.
7. 7. Сепаратор по п.6, отличающийся тем, что регулятор давления содержит контроллер потока для

   - 8 023358 управления потоком, проходящим через выход для первой фазы.
8. 8. Сепаратор по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он содержит множество крыльчаток.
9. 9. Сепаратор по п.8, отличающийся тем, что крыльчатки представляют собой плоские круглые диски, расположенные на оси сепаратора и проходящие радиально в наружном направлении от оси сепаратора.
10. 10. Сепаратор по п.8, отличающийся тем, что крыльчатки представляют собой диски конической формы, расположенные на оси сепаратора и проходящие радиально в наружном направлении от оси сепаратора.
11. 11. Сепаратор по п.9 или 10, отличающийся тем, что каждый диск содержит группу отверстий, расположенных по окружности вокруг оси сепаратора, при этом отверстия соседних дисков имеют угловое смещение относительно друг друга.
12. 12. Сепаратор по п.11, отличающийся тем, что между соседними дисками проходят разделительные ребра, которые расположены относительно отверстий таким образом, чтобы образовывать ступенчатые и/или взаимосвязанные проточные каналы, проходящие от входа камеры высокого давления к выходу для первой фазы.
13. 13. Сепаратор по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере один выход для эмульсии расположен радиально снаружи от выхода для первой фазы и радиально внутри от выходов для второй фазы.
14. 14. Сепаратор по п.13, отличающийся тем, что указанный или каждый выход для эмульсии содержит трубу, которая проходит радиально в наружном направлении относительно оси сепаратора, при этом указанная или каждая такая труба имеет гидравлическое соединение с каналом вывода эмульсии, который проходит вдоль сепаратора и выходит через торцевую сторону сепаратора для удаления эмульсии из сепаратора.
15. 15. Сепаратор по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он содержит также роторный вал, снабженный распылительными форсунками для подачи текучей среды во внутреннюю часть камеры высокого давления.
16. 16. Сепаратор по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанный сепаратор содержит также выход для третьей фазы, расположенный радиально снаружи от выхода для первой фазы и радиально внутри от выходов для второй фазы.
17. 17. Сепаратор по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что герметичный корпус содержит в нижней части сборник, из которого выводится вторая фаза.
18. 18. Сепаратор по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он содержит также средство для введения текучей среды под давлением между корпусом и камерой высокого давления.
19. 19. Сепаратор по п.18, отличающийся тем, что он содержит также регулятор давления для регулирования давления между корпусом и камерой высокого давления.
20. 20. Способ разделения смеси, содержащей первую фазу и вторую фазу, с использованием сепаратора для разделения многофазной смеси по п.1, включающий следующие операции:

    (а) создание положительной разности давлений у выходов для второй фазы, чтобы при помощи обратных клапанов предотвратить прохождение потока через выходы для второй фазы;

    (б) вращение камеры высокого давления таким образом, чтобы вторая фаза накапливалась вблизи выходов для второй фазы;

    (в) создание отрицательной разности давлений у выходов для второй фазы, чтобы при помощи обратных клапанов обеспечить прохождение потока через выходы для второй фазы.
21. 21. Способ по п.20, отличающийся тем, что операция (а) содержит операцию ограничения или предотвращения прохождения потока через выход для первой фазы, чтобы увеличить давление в камере высокого давления.
22. 22. Способ по п.20 или 21, отличающийся тем, что операция (а) содержит увеличение внешнего давления на камеру высокого давления.
23. 23. Способ по п.22, отличающийся тем, что внешнее давление является достаточным для того, чтобы противодействовать внутреннему давлению в камере высокого давления и центробежной силе, действующей на камеру высокого давления во время работы.
24. 24. Способ по одному из пп.20-23, отличающийся тем, что операции (а)-(в) повторяют для того, чтобы удалить накопившуюся вторую фазу через выходы для второй фазы.