RU2133136C1

RU2133136C1 - Centrifugal separator

Info

Publication number: RU2133136C1
Application number: RU98105648A
Authority: RU
Inventors: В.А. Толстов
Original assignee: Дочернее акционерное общество "Центральное конструкторское бюро нефтеаппаратуры" РАО "ГАЗПРОМ"
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 1999-07-20

Abstract

FIELD: centrifugal separators for gas cleaning from liquid impurities with use of centrifugal forces developed in swirling of gas flow; may be used in gas, petrochemical and other industries. SUBSTANCE: separator has cylindrical body accommodating cylindrical swirl chamber with gas inlet and outlet pipes, and liquid discharge unit. Swirl chamber form together with separator body a receiver of separated liquid. Installed at inlet of swirl chamber is fairing connected with central body of vane swirler whose ends of inclined vanes are installed with clearance relative to swirl chamber walls. Vane swirler is made with diameter of central body not exceeding 0.5 of fairing diameter partially overlapping the inlet edges of inclined vanes. Clearance between external edges of swirler vanes and wall of swirl chamber equals 0.01-0.001 inner diameter of swirl chamber. Fairing diameter equals 0.4-0.6 inner diameter of swirl chamber. EFFECT: higher separating efficiency and productivity, extended range of operation, reduced overall dimensions and weight characteristics. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам очистки газа от жидкостных примесей с использованием центробежных сил возникающих при закручивании газового потока, и может быть использовано в газовой, нефтехимической и других отраслях промышленности. The invention relates to a device for cleaning gas from liquid impurities using centrifugal forces arising from the twisting of the gas stream, and can be used in gas, petrochemical and other industries.

Известен газожидкостный сепаратор (авт. св. N 856501 от 30.01.79, МКИ B 01 D 45/12), включающий цилиндрический корпус с осевым вводом и выводом газожидкостного потока и размещенным внутри него обтекателем, лопастным завихрителем и отверстиями для отвода отсепарированной жидкости. Known gas-liquid separator (ed. St. N 856501 from 30.01.79, MKI B 01 D 45/12), comprising a cylindrical body with axial inlet and outlet of the gas-liquid flow and a cowl located inside it, a blade swirler and openings for removing the separated liquid.

Недостатком этого устройства является низкая эффективность обусловленная уносом жидкости из аппарата, возрастающим с повышением скорости газа, и большая длина сепаратора. Ограничение скорости газа в сепараторе обусловлено диспергированием жидкости с поверхности и лопаток и стенок вихревой камеры и выносом капель в полость корпуса сепаратора. Диспергирование капель жидкости в вихревой камере происходит ввиду больших скоростей, обусловленных размерами центрального тела завихрителя, равного по диаметру обтекателю, установленному на входе вихревой камеры. Отделение диспергированных в вихревой камере капель требует увеличения длины корпуса сепаратора, при этом наиболее мелкие капли сепаратором не отделяются, что и снижает его эффективность. При повышении скорости газа степень диспергирования капель в вихревой камере увеличивается, образуются более мелкие капли, что приводит к еще большему снижению эффективности. Скорость газа в сепараторе ограничивается еще и тем, что унос жидкости происходит в результате срыва капель с пленки жидкости, которая формируется после завихрителя в виде жгутов. The disadvantage of this device is the low efficiency due to the entrainment of fluid from the apparatus, increasing with increasing gas velocity, and the large length of the separator. The gas velocity in the separator is limited due to the dispersion of liquid from the surface of both the blades and the walls of the vortex chamber and the removal of droplets into the cavity of the separator body. The dispersion of liquid droplets in the vortex chamber occurs due to the high velocities due to the size of the central body of the swirler, which is equal in diameter to the cowl mounted at the inlet of the vortex chamber. The separation of droplets dispersed in a vortex chamber requires an increase in the length of the separator body, while the smallest droplets do not separate by the separator, which reduces its effectiveness. With increasing gas velocity, the degree of dispersion of droplets in the vortex chamber increases, smaller droplets form, which leads to an even greater decrease in efficiency. The gas velocity in the separator is also limited by the fact that the entrainment of liquid occurs as a result of dropping drops from the liquid film, which is formed after the swirl in the form of bundles.

Известен также вихревой тепломасообменный аппарат (авт. св. N 910744, МКИ B 01 D 3/30, 1981), в трубах, закрепленных внутри корпуса, установлены осевые завихрители, выполненные из наклонных лопастей, концы которых расположены на расстоянии от стенки трубы. Такая конструкция обеспечивает возможность жидкости, поступающей внутрь трубы, под воздействием вращающегося газового потока растекаться по поверхности труб и совершать нисходящее спиральное движение, интенсифицируя массообмен между жидкостью и газом. Also known is a vortex heat and mass transfer apparatus (ed. St. N 910744, MKI B 01 D 3/30, 1981), in pipes fixed inside the housing, axial swirls are installed made of inclined blades, the ends of which are located at a distance from the pipe wall. This design makes it possible for the liquid entering the pipe, under the influence of a rotating gas flow to spread over the surface of the pipe and make a downward spiral motion, intensifying the mass transfer between the liquid and gas.

Недостатком этого устройства является отсутствие обтекателя на входе в трубу, а также не регламентированный размер зазора между внешними кромками лопастей и стенками вихревой камеры, что требует монтажа дополнительных диафрагм с лопастями, направленными в противоположную сторону, и увеличения количества завихрителей. Это приводит к увеличению длинны устройства, а наличие не регламентированного зазора приводит к возможному снижению интенсивности крутки газа, что в свою очередь снижает эффективность сепарации. The disadvantage of this device is the lack of a fairing at the entrance to the pipe, as well as the unregulated size of the gap between the outer edges of the blades and the walls of the vortex chamber, which requires the installation of additional diaphragms with blades directed in the opposite direction and an increase in the number of swirls. This leads to an increase in the length of the device, and the presence of an unregulated gap leads to a possible decrease in the intensity of twisting of the gas, which in turn reduces the separation efficiency.

Известен центробежный сепаратор (авт.св. N 1191116, МКИ B 01 D 45/12), (прототип), содержащий корпус, установленную внутри него цилиндрическую вихревую камеру с осевым вводом и выводом газа, образующую с корпусом сборник отделенной жидкости, установленный на входе в камеру завихритель, включающий каплевидный полый обтекатель, соединенный патрубком со сборником отделенной жидкости. На большем диаметре обтекателя укреплены наклонные лопатки. Сепаратор снабжен ловушкой жидкости, установленной концентрично хвостовой части обтекателя и соединенной со сборником жидкости, а на поверхности обтекателя выполнены продольные канавки на лобовой части и винтовые на его хвостовой части. Known centrifugal separator (autosw. N 1191116, MKI B 01 D 45/12), (prototype), comprising a housing, a cylindrical vortex chamber installed therein with an axial inlet and a gas outlet, forming a separated liquid collector installed at the inlet with the housing into the chamber a swirler including a drop-shaped hollow cowl connected by a pipe to a collector of separated liquid. On the larger diameter of the fairing, inclined vanes are strengthened. The separator is equipped with a fluid trap mounted concentrically to the tail of the fairing and connected to the fluid collector, and longitudinal grooves are made on the surface of the fairing on the frontal part and screw on its tail part.

К недостаткам этого устройства следует отнести недостатки присущие газожидкостному сепаратору (авт. св. N 856501), а именно равенство диаметров обтекателя и центрального тела и отсутствие зазора между наружными кромками лопастей завихрителя и стенками вихревой камеры, а также сложная конструкция завихрителя и наличие ловушки в осевой зоне, соединенной со сборником жидкости. Наличие ловушки в осевой зоне и устройства для отвода жидкости со стенок вихревой камеры, снижают эффективность за счет необходимости отвода жидкости в пленочном состоянии с поверхности каплевидной части обтекателя. Это приводит к необходимости снижения скорости газа для предотвращения срыва пленки с поверхности обтекателя. Кроме того, скорость газа ограничивается ввиду соединения полости сборника жидкости одновременно с осевой и пристенной зонами сепаратора, так как при большем давлении в полости сборника жидкости происходит циркуляция газа в осевую полость сепаратора, которая будет препятствовать отводу жидкости с поверхности хвостовой части обтекателя. The disadvantages of this device include the inherent disadvantages of a gas-liquid separator (ed. St. N 856501), namely the equality of the diameters of the fairing and the central body and the absence of a gap between the outer edges of the swirl blades and the walls of the swirl chamber, as well as the complex design of the swirl and the presence of a trap in the axial zone connected to the fluid collector. The presence of a trap in the axial zone and a device for draining fluid from the walls of the vortex chamber, reduce efficiency due to the need to drain fluid in a film state from the surface of the drop-shaped part of the fairing. This leads to the need to reduce the gas velocity to prevent the film from tearing off the surface of the fairing. In addition, the gas velocity is limited due to the connection of the cavity of the liquid collector simultaneously with the axial and wall zones of the separator, since at a higher pressure in the cavity of the liquid collector, gas circulates into the axial cavity of the separator, which will prevent the liquid from being drained from the surface of the tail part of the fairing.

Цель изобретения - повышение эффективности, производительности, расширения диапазона работы и уменьшения габаритно-массовых характеристик за счет интенсификации отделения жидкости в виде пленки и снижения вторичного уноса. The purpose of the invention is to increase efficiency, productivity, expand the operating range and reduce overall mass characteristics due to the intensification of the separation of liquid in the form of a film and reduce secondary entrainment.

Поставленная цель достигается тем, что в центробежном сепараторе содержащем цилиндрический корпус, установленную внутри него цилиндрическую вихревую камеру с осевым вводом и выводом газа и узлом вывода жидкости, образующую с корпусом сборник отдельной жидкости, и установленный на входе в вихревую камеру обтекатель, соединенный с центральным телом лопастного завихрителя, концы наклонных лопастей которого установлены с зазором относительно стенок вихревой камеры, лопастной завихритель выполнен с диаметром центрального тела, не превышающим 0,5 диаметра обтекателя, частично перекрывающего входные кромки наклонных лопастей. Зазор между наружными кромками лопастей завихрителя и стенкой вихревой камеры равен 0,01 - 0,001 внутреннего диаметра вихревой камеры. Диаметр обтекателя равен 0,4 - 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры. This goal is achieved by the fact that in a centrifugal separator containing a cylindrical body, a cylindrical vortex chamber installed inside it with an axial gas inlet and outlet and a liquid outlet assembly, forming a separate liquid collector with the body, and a cowl mounted at the inlet of the vortex chamber connected to the central body the blade swirl, the ends of the inclined blades of which are installed with a gap relative to the walls of the vortex chamber, the blade swirl is made with a diameter of the Central body, not exceeding 0.5 diameter of the fairing, partially overlapping the input edges of the inclined blades. The gap between the outer edges of the swirl blades and the wall of the vortex chamber is 0.01 - 0.001 of the inner diameter of the vortex chamber. The diameter of the fairing is 0.4 - 0.6 of the inner diameter of the vortex chamber.

В сравнении с известными техническими решениями выполнение предлагаемого центробежного сепаратора с диаметром центрального тела завихрителя, не превышающим 0,5 диаметра обтекателя, который частично перекрывает входные кромки наклонных лопастей, с зазором между наружными кромками лопастей завихрителя и стенками вихревой камеры, равным 0,01 - 0,001 внутреннего диаметра вихревой камеры, и диаметром обтекателя, равным 0,4 - 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры, позволило повысить эффективность, производительность, расширить диапазон работы и уменьшить габаритно-массовые характеристики за счет интенсификации отделения жидкости в виде пленки и снижения вторичного уноса. Compared with the known technical solutions, the implementation of the proposed centrifugal separator with a diameter of the central body of the swirl, not exceeding 0.5 of the diameter of the fairing, which partially overlaps the input edges of the inclined blades, with a gap between the outer edges of the swirl blades and the walls of the swirl chamber, is equal to 0.01 - 0.001 the inner diameter of the vortex chamber, and a fairing diameter of 0.4 - 0.6, the inner diameter of the vortex chamber, increased efficiency, productivity, expand the range of work reduce the dimensions and weight characteristics due to intensification of the liquid separation in the form of a film and reduce re-entrainment.

Заявителю не известно из существующего уровня техники центробежного сепаратора, в котором выполнение и установка завихрителя подобным образом позволило при больших скоростях газа отделить жидкость в виде пленки и снизить при этом вторичный унос, и тем самым повысить эффективность, производительность, расширить диапазон работы и уменьшить габаритно-массовые характеристики. The applicant is not aware of the current prior art centrifugal separator, in which the implementation and installation of the swirler in a similar way allowed to separate the liquid in the form of a film at high gas speeds and reduce secondary ablation, and thereby increase efficiency, productivity, expand the operating range and reduce overall mass characteristics.

На фиг. 1 изображен центробежный сепаратор, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 и фиг. 3; на фиг. 3 - сепаратор мультиэлементного типа. In FIG. 1 shows a centrifugal separator, a General view; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1 and FIG. 3; in FIG. 3 - multi-element type separator.

Центробежный сепаратор включает цилиндрический корпус 1, вихревую камеру 2 с осевым вводом газа, в которой соосно со стороны входа газа установлен обтекатель 3 соединенный с завихрителем 4, состоящим из центрального тела 5 с наклонными лопастями 3, диаметр которого равен 0,4 - 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры 2. Диаметр центрального тела 5 завихрителя 4 не превышает 0,5 диаметра обтекателя 3. Зазор 8 между наружными кромками 9 лопастей 6 завихрителя 4 и стенкой камеры 2 равен 0,01 - 0,001 внутреннего диаметра вихревой камеры. Вихревая камера 2 снабжена узлом вывода жидкости 10. The centrifugal separator includes a cylindrical body 1, a vortex chamber 2 with an axial gas inlet, in which a cowl 3 is mounted coaxially from the gas inlet side, connected to a swirler 4, consisting of a central body 5 with inclined blades 3, the diameter of which is 0.4 - 0.6 the inner diameter of the vortex chamber 2. The diameter of the central body 5 of the swirl 4 does not exceed 0.5 of the diameter of the fairing 3. The gap 8 between the outer edges 9 of the blades 6 of the swirl 4 and the wall of the chamber 2 is 0.01 - 0.001 of the inner diameter of the swirl chamber. The vortex chamber 2 is equipped with a fluid outlet 10.

Выполнение центрального тела 5 завихрителя с диаметром, не превышающим 0,5 диаметра обтекателя 3, позволяет снизить скорость газа в зоне расположения лопастей 6 за счет увеличения проходного сечения и тем самым значительно уменьшить срыв и унос капель жидкости с поверхности лопастей 6 завихрителя 4, что повышает эффективность сепарации, рабочие скорости и диапазон работы. The implementation of the Central body 5 of the swirl with a diameter not exceeding 0.5 of the diameter of the fairing 3, allows to reduce the gas velocity in the area of the blades 6 by increasing the flow area and thereby significantly reduce the stall and entrainment of liquid droplets from the surface of the blades 6 of the swirl 4, which increases separation efficiency, operating speeds and range of operation.

Выполнение обтекателя 3 с диаметром, равным 0,4 - 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры 2, обусловлено необходимостью повышения скорости газа на входе в вихревую камеру нужную для образования на поверхности обтекателя пленки жидкости, образуемой за счет осаждения на его поверхности крупных капель жидкости из газожидкостного потока за счет сил инерции. При выполнении обтекателя меньше 0,4 внутреннего диаметра вихревой камеры снижается эффективность сепарации и скорость газа, а при выполнении его с диаметром, большим 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры, увеличивается гидравлическое сопротивление, что требует больших энергозатрат. The implementation of the fairing 3 with a diameter equal to 0.4 - 0.6 of the inner diameter of the vortex chamber 2 is due to the need to increase the gas velocity at the inlet of the vortex chamber necessary for the formation on the surface of the fairing of a film of liquid formed by the deposition of large drops of liquid from gas-liquid flow due to inertia forces. When the fairing is less than 0.4 of the inner diameter of the vortex chamber, the separation efficiency and gas velocity are reduced, and when it is run with a diameter greater than 0.6 of the inner diameter of the vortex chamber, the hydraulic resistance increases, which requires large energy costs.

Наличие зазора 8 между наружными кромками 9 лопастей 6 завихрителя 4 и стенкой камеры 2, равного 0,01 - 0,001 внутреннего диаметра вихревой камеры обеспечивает возможность формирования на стенке вихревой камеры равномерной пленки жидкости малой толщины, с которой не происходит вторичного уноса жидкости при больших скоростях сепарируемого газа. При выполнении зазора меньше 0,001 внутреннего диаметра вихревой камеры на стенке вихревой камеры образуются жгуты жидкости, с которых увеличивается вторичный унос жидкости, а при увеличении зазора больше 0,01 внутреннего диаметра вихревой камеры снижается эффективность сепарации за счет прохождения значительного количества газа, не участвующего в процессе центробежной сепарации, в этот зазор. The presence of a gap 8 between the outer edges of the 9 blades 6 of the swirl 4 and the wall of the chamber 2, equal to 0.01 - 0.001 of the inner diameter of the vortex chamber, makes it possible to form a uniform liquid film of small thickness on the wall of the vortex chamber, with which there is no secondary entrainment of the liquid at high speeds of the separated gas. When the gap is less than 0.001 of the inner diameter of the vortex chamber, liquid bundles are formed on the wall of the vortex chamber, from which the secondary ablation of the liquid increases, and when the gap increases more than 0.01 of the inner diameter of the vortex chamber, the separation efficiency decreases due to the passage of a significant amount of gas that is not involved in the process centrifugal separation in this gap.

Указанные размеры подтверждены стендовыми исследованиями экспериментальных образцов и приняты при проектировании элементов. Исследования в условиях, близких к рабочим, при давлении до 4,0 МПа на среде и природный газ - конденсат, показали:
- увеличение рабочей скорости на 20 - 25%,
- расширение диапазона работы в 1,15 раза,
- существенное повышение эффективности сепарации с уменьшением уноса при сопоставимых скоростях более чем в 2,0 раза.The indicated dimensions are confirmed by bench studies of experimental samples and adopted in the design of elements. Studies in conditions close to working, at a pressure of up to 4.0 MPa on the medium and natural gas - condensate, showed:
- increase in operating speed by 20 - 25%,
- extension of the range of work by 1.15 times,
- a significant increase in separation efficiency with a decrease in ablation at comparable speeds of more than 2.0 times.

Центробежный сепаратор работает следующим образом. Centrifugal separator operates as follows.

Газожидкостный поток поступает в корпус 1 и попадает в вихревую камеру 2 на обтекатель 3 и входные кромки 7 лопастей завихрителя 4. В зоне расположения обтекателя 3 сечение для похода газа плавно уменьшается, что достигается выполнением обтекателя с диаметром, равным 0,4 - 0,6 внутреннего диаметра вихревой камеры, приводя к увеличению скорости газа. Наиболее крупные капли жидкости за счет сил инерции высаживаются на поверхности обтекателя 3 и в виде пленки транспортируются к лопастям 6 завихрителя 4. За счет высоких скоростей на входе, на пленку, образующуюся на лопастях завихрителя, высаживаются и более мелкие капли. После обтекателя в зоне расположения лопастей 6 завихрителя 4 поток газожидкостной смеси перераспределяется, так как скорость газа снижается за счет увеличения походного сечения. Это достигается тем, что диаметр центрального тела 5 завихрителя 4 не превышает 0,5 диаметра обтекателя 3. Это позволило значительно уменьшить и унос капель жидкости с поверхности лопастей 6 завихрителя 4. The gas-liquid flow enters the housing 1 and enters the vortex chamber 2 on the cowl 3 and the inlet edges 7 of the blades of the swirler 4. In the area of the cowl 3, the cross section for gas flow gradually decreases, which is achieved by making a cowl with a diameter of 0.4 - 0.6 the inner diameter of the vortex chamber, leading to an increase in gas velocity. The largest liquid droplets are deposited on the surface of the fairing 3 due to inertia forces and transported in the form of a film to the blades 6 of the swirler 4. Due to the high velocities at the inlet, smaller drops are also deposited on the film formed on the swirl blades. After the fairing in the zone of arrangement of the blades 6 of the swirl 4, the gas-liquid mixture flow is redistributed, since the gas velocity decreases due to an increase in the cross-section. This is achieved by the fact that the diameter of the central body 5 of the swirl 4 does not exceed 0.5 of the diameter of the fairing 3. This significantly reduced the entrainment of liquid droplets from the surface of the blades 6 of the swirl 4.

Пленка жидкости под действием центробежного сепарирующего поля по поверхности лопастей транспортируется к их наружным кромкам и через зазор 8 между наружными кромками 9 лопастей 6 и стенкой вихревой камеры 2 равномерным тонким слоем перетекает на стенку вихревой камеры и под действием все тех же центробежных сил транспортируется по поверхности корпуса. Не успевшие отделиться в завихрителе 4 капли под действием центробежных сил переносятся к стенке вихревой камеры и высаживаются на ней. Жидкость отводится с внутренней стенки вихревой камеры 2 с помощью узла вывода жидкости 10. The liquid film under the action of a centrifugal separating field on the surface of the blades is transported to their outer edges and through the gap 8 between the outer edges 9 of the blades 6 and the wall of the vortex chamber 2 flows uniformly onto the wall of the vortex chamber and under the influence of all the same centrifugal forces is transported along the surface of the housing . 4 drops that did not have time to separate in the swirl under the action of centrifugal forces are transferred to the wall of the vortex chamber and are planted on it. The fluid is discharged from the inner wall of the vortex chamber 2 using the node output fluid 10.

Таким образом, предлагаемый центробежный сепаратор прост в изготовлении и производит сепарацию с максимальным использованием энергии центробежных полей, что позволяет интенсифицировать отделение жидкости в виде пленки и снизить вторичный унос, и тем самым повысить эффективность, производительность, расширить диапазон работы и улучшить габаритно-массовые характеристики всего устройствао Thus, the proposed centrifugal separator is simple to manufacture and performs separation with the maximum use of the energy of the centrifugal fields, which makes it possible to intensify the separation of liquid in the form of a film and reduce secondary ablation, and thereby increase efficiency, productivity, expand the operating range and improve the overall mass characteristics of all device

Claims

1. A centrifugal separator comprising a cylindrical body, a cylindrical vortex chamber installed inside it with an axial gas inlet and outlet, and a liquid outlet assembly, forming a collection of separated liquid with the casing, and a cowl mounted at the inlet of the vortex chamber connected to the central body of the blade swirl, ends the inclined blades of which are installed with a gap relative to the walls of the vortex chamber, characterized in that the blade swirl is made with a diameter of the central body not exceeding 0.5 diameter fairing, partially overlapping the input edges of the inclined blades.

2. The separator according to claim 1, characterized in that the gap between the outer edges of the blades of the swirl and the wall of the vortex chamber is equal to 0.01 - 0.001 of the inner diameter of the vortex chamber.

3. The separator according to claims 1 and 2, characterized in that the diameter of the fairing is 0.4 - 0.6 of the inner diameter of the vortex chamber.