RU2349370C2

RU2349370C2 - Separator

Info

Publication number: RU2349370C2
Application number: RU2006107858/15A
Authority: RU
Inventors: Алексей Васильевич Лихачев (RU); Алексей Васильевич Лихачев; Валерий Леонидович Гулев (RU); Валерий Леонидович Гулев; Александр Николаевич Липко (RU); Александр Николаевич Липко; Иль Леонидович Коновалов (RU); Илья Леонидович Коновалов; Алексей Валентинович Ушенин (RU); Алексей Валентинович Ушенин; Александр Георгиевич Дылюк (RU); Александр Георгиевич Дылюк; Тать на Алексеевна Лихачева (RU); Татьяна Алексеевна Лихачева
Original assignee: ОАО "НПО "Промавтоматика"
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2009-03-20
Also published as: RU2006107858A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention is designed for gases cleaning. Separator comprises vertical body, horizontal partition, inlet, outlet, drain nozzles, separation packet comprising vertical plates, deflector having inlet nozzle, which is coaxially located in inlet nozzle of separator with radial gap of 2-5 mm and passes through chord plate fixed on separator internal surface under lower surface of partition, creating through segment channel with internal surface of body that leads to separator lower part.

EFFECT: higher efficiency of separation.

5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам очистки газа от жидкостей и твердых частиц с использованием центробежных сил, возникающих при раскручивании газового потока, и может быть использовано в газодобывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.The invention relates to a device for cleaning gas from liquids and solid particles using centrifugal forces arising from the unwinding of the gas stream, and can be used in gas production, petrochemical and other industries.

Из общетехнической литературы известны центробежные сепараторы [1], см. рис.61, стр.146.Centrifugal separators are known from the general technical literature [1], see Fig. 61, p. 146.

Сепаратор содержит вертикальный цилиндрический корпус с входным, расположенным в нижней его части, патрубком, выходным и сливным, расположенными соответственно в верхнем и нижнем днищах корпуса. Корпус разделен перегородкой, в которой расположены прямоточные центробежные сепарационные элементы. Поток в сепараторе подается снизу вверх.The separator contains a vertical cylindrical body with an inlet located in its lower part, a pipe, outlet and drain located respectively in the upper and lower bottoms of the housing. The housing is divided by a partition in which direct-flow centrifugal separation elements are located. The flow in the separator is fed from the bottom up.

Недостатком таких сепараторов является то, что сепараторы имеют большие размеры и массу.The disadvantage of such separators is that the separators are large and large.

Нижнее размещение входного патрубка исключает его работу в «пробковом» режиме.The lower placement of the inlet pipe excludes its operation in the "plug" mode.

Известен сепаратор (авт.св. 1066629, В01D 45/12, 1984), содержащий вертикальный цилиндрический корпус, разделенный на камеры горизонтальными перегородками с осевыми отверстиями, внутри которых установлены сепарационные элементы, выполненные в виде криволинейных лопаток, установленных по многозаходной спирали Архимеда, работающих на скручивание и раскручивание потока, при этом выходные концы лопаток расположены наклонно к образующей поверхности усеченного конуса под острым углом к направлению вращения потока, а основания элементов, работающих на скручивание потока, снабжены сборными конусами и гидрозатворными трубками. На нижней перегородке смонтирован диффузор, на верхней - конфузор с кольцевым каплеотбойником, имеющие наклонные перфорации. Тангенциальный вводной патрубок снабжен направляющим дефлектором. В нижней части корпуса установлен патрубок для вывода отсепарированной жидкости, в верхней части - выходной (для удаления очищенного газового потока).Known separator (autosw. 1066629, B01D 45/12, 1984), containing a vertical cylindrical body, divided into chambers by horizontal partitions with axial holes, inside of which there are separation elements made in the form of curved blades mounted on an Archimedes multi-helix working twisting and untwisting the flow, while the output ends of the blades are inclined to the generatrix of the surface of the truncated cone at an acute angle to the direction of rotation of the flow, and the base of the elements working and flow twisting, provided with cone gidrozatvornymi precast tubes. A diffuser is mounted on the lower partition, on the top - a confuser with an annular droplet eliminator, having inclined perforations. The tangential inlet is equipped with a guide baffle. A nozzle is installed in the lower part of the housing for withdrawing the separated liquid, and in the upper part, an outlet (for removing the purified gas stream).

Недостатком известного устройства является сложность конструкции, большие габариты, применение диффузора и конфузора с кольцевым каплеотбойником ограничивает диапазон нагрузок по газовой и жидкой фазам, т.к. их увеличение приводит к частичному уносу жидкостной пленки между наклонной просечкой при транспортировке ее в выходное отверстие. Работа аппарата в «пробковом» режиме исключена, т.к. входной патрубок расположен в нижней части корпуса, газожидкостная смесь направляется снизу вверх, что в конечном счете приведет к перегрузке сливных устройств и, как следствие, захлебыванию сепаратора.A disadvantage of the known device is the design complexity, large dimensions, the use of a diffuser and a confuser with an annular droplet eliminator limits the range of loads in the gas and liquid phases, because their increase leads to a partial ablation of the liquid film between the inclined notch during transportation to the outlet. The operation of the device in the "plug" mode is excluded, because the inlet pipe is located in the lower part of the housing, the gas-liquid mixture is sent from the bottom up, which ultimately will lead to overloading of the drain devices and, as a result, to choking the separator.

Более близким техническим решением к предлагаемому (прототип) является сепаратор (патент RU 2244584), содержащий вертикальный цилиндрический корпус, горизонтальную перегородку, входной, выходной, сливной патрубки, дефлектор, вертикальный сепарационный пакет, состоящий из вертикальных плоских изогнутых сепарационных пластин, при этом изогнутые концы пластин направлены в разные стороны касательно к наружному и внутреннему диаметрам сепарационного пакета. Осевая линия входного патрубка по горизонтали смещена относительно осевой линии корпуса аппарата на ¹/₂ диаметра корпуса. Дефлектор, установленный по ходу вращения газожидкостного потока, имеет максимально допустимое сечение, причем по ходу потока он сужается по горизонтали и возрастает по высоте, сохраняя при этом площадь поперечного сечения, в конце верхней суженной части дефлектора установлена дугообразная пластина, нисходящая по ходу газожидкостного потока и направленная по отношению к горизонтали под углом 15-30°. По ходу вращения газожидкостного потока с зазором к внутренней стороне корпуса установлена изогнутая пластина, которая своим нижним концом заходит под нижнюю крышку дефлектора.A closer technical solution to the proposed (prototype) is a separator (patent RU 2244584), containing a vertical cylindrical body, horizontal partition, inlet, outlet, drain pipe, deflector, vertical separation package, consisting of vertical flat curved separation plates, with curved ends the plates are directed in different directions with respect to the outer and inner diameters of the separation bag. The center line of the inlet pipe horizontally offset with respect to the axial line of the cabinet _{^1/2 of} the body diameter. The deflector installed in the direction of rotation of the gas-liquid stream has the maximum allowable cross-section, and in the direction of the stream it narrows horizontally and increases in height, while maintaining the cross-sectional area, an arcuate plate is installed at the end of the upper narrowed part of the deflector, which descends along the gas-liquid flow and directed relative to the horizontal at an angle of 15-30 °. In the direction of rotation of the gas-liquid flow with a gap to the inner side of the housing, a curved plate is installed, which with its lower end extends under the lower cover of the deflector.

Недостатки известного устройства следующие.The disadvantages of the known device are as follows.

Сложность конструкции дефлектора.The complexity of the design of the deflector.

Большая длина дефлектора почти 180° по дуге создает большие потери на трение потока и снижает тангенциальную скорость потока V_τ, которая создает поле центробежных ускорений во вращающемся потоке и определяет эффективность разделения потока с частицами различной плотности.A large deflector length of almost 180 ° along the arc creates large friction losses of the flow and reduces the tangential flow velocity V _τ , which creates a centrifugal acceleration field in the rotating flow and determines the efficiency of separation of the flow with particles of different densities.

Большая длина дефлектора постоянного сечения ограничивает производительность аппарата и диапазон работы. При малых расходах эффективность будет низкой.The large length of the constant section baffle limits the performance of the device and the range of operation. At low costs, efficiency will be low.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности сепарации, увеличение производительности, расширение диапазона работы, снижение потерь давления.The technical result of the invention is to increase the separation efficiency, increase productivity, expand the range of work, reduce pressure loss.

Для достижения названного технического результата сепаратор содержит вертикальный цилиндрический корпус, горизонтальную перегородку, входной, выходной, сливной патрубки, дефлектор, вертикальный сепарационный пакет, состоящий из вертикальных пластин.To achieve the named technical result, the separator comprises a vertical cylindrical body, a horizontal partition, an inlet, an outlet, a drain pipe, a deflector, a vertical separation package consisting of vertical plates.

Заявляемый сепаратор отличается от прототипа тем, что дефлектор имеет патрубок, коаксиально входящий во входной патрубок сепаратора с радиальным зазором 2-5 мм, прикрепленный по периметру к хордовой пластине, закрепленной на внутренней поверхности корпуса сепаратора под нижней поверхностью перегородки, образуя с поверхностью корпуса проходной сегментный канал. Дефлектор выполнен в форме конфузора и имеет переменную площадь сечения по ходу движения потока и минимальную величину на выходе, причем площадь выходного сечения дефлектора по крайней мере равна ¹/₂ площади сечения входного патрубка. Дефлектор имеет регулируемую величину выходного сечения, для чего вертикальная пластина дефлектора выполнена поворотной относительно вертикальной оси в месте соединения с хордовой пластиной. Вертикальная поворотная пластина дефлектора подпружинена в сторону уменьшения сечения дефлектора. Хордовая пластина опущена вниз до нижнего уровня пластин сепарационного пакета.The inventive separator differs from the prototype in that the deflector has a nozzle that coaxially enters the inlet of the separator with a radial clearance of 2-5 mm, attached around the perimeter to a chordal plate mounted on the inner surface of the separator housing under the lower surface of the partition, forming a passage segment channel. The deflector is configured in the form of a converging tube and has a variable cross-sectional area along the flow path and the minimum value at the outlet, wherein the outlet section of the deflector area of at least equal to ^_half the cross sectional area of the inlet pipe. The deflector has an adjustable output section, for which the vertical deflector plate is made rotatable relative to the vertical axis at the junction with the chord plate. The vertical rotary plate of the deflector is spring-loaded in the direction of decreasing the cross-section of the deflector. The chord plate is lowered down to the lower level of the plates of the separation package.

Повышение эффективности сепарации достигается тем, что дефлектор имеет патрубок, коаксиально размещенный во входном патрубке сепаратора с радиальным зазором 2-5 мм, и проходит через хордовую пластину, закрепленную на внутренней поверхности сепаратора под нижней поверхностью перегородки, образуя с внутренней поверхностью корпуса проходной сегментный канал в нижнюю часть сепаратора. Поток сепарируемой среды «несет» жидкую фазу в горизонтальном трубопроводе по внутренней поверхности трубы и соответственно входного патрубка в дисперсно-кольцевом режиме, наиболее характерном режиме для трубопроводов нефтегазопереработки. При входе в сепаратор дисперсно-пленочная, дисперсно-капельная жидкостная фаза потока попадает в зазор между патрубком дефлектора и внутренней поверхностью входного патрубка. На хордовой пластине дисперсно-пленочная, дисперсно-капельная жидкостная фаза потока тормозится и уходит вниз по хордовому каналу, т.е. обеспечивается «отсос» пограничного слоя потока, несущего основную часть жидкой фазы, внутрь сепаратора. Т.к. давление внутри сепаратора меньше давления на входе, по крайней мере, без учета потерь на трение, на величинуImproving the separation efficiency is achieved by the fact that the deflector has a pipe coaxially located in the inlet pipe of the separator with a radial clearance of 2-5 mm, and passes through a chord plate fixed on the inner surface of the separator under the lower surface of the partition, forming a passage segment channel in the housing bottom of the separator. The flow of the separated medium “carries” the liquid phase in the horizontal pipeline along the inner surface of the pipe and, accordingly, the inlet pipe in the dispersed-ring mode, the most characteristic mode for oil and gas processing pipelines. At the entrance to the separator, the dispersed-film, dispersed-droplet liquid phase of the stream falls into the gap between the deflector pipe and the inner surface of the inlet pipe. On the chordal plate, the dispersed-film, dispersed-droplet liquid phase of the flow is inhibited and goes down the chord channel, i.e. “suction” of the boundary layer of the flow carrying the bulk of the liquid phase into the separator is ensured. Because the pressure inside the separator is less than the inlet pressure, at least without taking into account friction losses, by

где ρ_n - плотность потока на входе; V_τ - скорость потока, скорость на выходе из дефлектора; V_вх - скорость потока во входном патрубке сепаратора. Повышение эффективности сепарации и снижение потерь напора достигается тем, что дефлектор имеет минимальную длину дуги, охватываемую углом меньше 90°, и имеет переменное поперечное сечение, обеспечивая получение заданной тангенциальной составляющей скорости потока Vτ при минимальных потерях напора на трение. Изменением выходного сечения дефлектора достигается необходимая скорость потока, обеспечивающая эффективное поле центробежных сил, величина которых пропорциональна Vτ², при изменяющемся расходе потока через сепаратор. Этим достигается эффективная сепарация при различных расходах сепарируемого потока, расширяется диапазон работы. Для ситуаций «пробкового» режима движения потока, когда все сечение трубопровода заполнено жидкостью, короткий, с изменяющимся сечением дефлектор также обеспечивает минимальные потери давления на сепараторе.where ρ _n is the flux density at the inlet; V _τ is the flow velocity, the velocity at the outlet of the deflector; V _in - flow rate in the inlet of the separator. An increase in separation efficiency and a reduction in pressure losses is achieved by the fact that the deflector has a minimum arc length, covered by an angle of less than 90 °, and has a variable cross section, providing a given tangential component of the flow velocity Vτ with minimal pressure loss due to friction. By changing the outlet cross section of the deflector, the necessary flow rate is achieved, which ensures an effective field of centrifugal forces, the magnitude of which is proportional to Vτ ² , with a varying flow rate through the separator. This achieves efficient separation at different costs of the separated stream, expanding the range of work. For situations of “cork” flow regime, when the entire cross-section of the pipeline is filled with liquid, a short deflector with a variable cross-section also provides minimal pressure loss on the separator.

Предлагаемое изобретение изображено на чертежах, где на фиг.1 изображен сепаратор в поперечном сечении, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.The present invention is shown in the drawings, in which Fig. 1 shows a separator in cross section, Fig. 2 is a section AA in Fig. 1.

Сепаратор состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с входным патрубком 2, выходным патрубком 3, сливным патрубком 4, горизонтальной перегородки 5, сепарационного пакета 6, дефлектора 7 с патрубком 8, хордовой пластины 9, вертикальной пластины дефлектора 10 с механизмом привода 11 оси поворота пластины 12. Хордовая пластина 9 соединена с горизонтальной перегородкой 5 и внутренней поверхностью корпуса 1, образуя сегментный канал. На хордовой пластине 9 по периметру проходного отверстия в пластине закреплен патрубок 8 коаксиально входному патрубку 2 корпуса сепаратора с кольцевым зазором, образующим с сегментным каналом единый проходной канал. Дефлектор 7 образован горизонтальной перегородкой 5 и вертикальной пластиной 10. Вертикальная пластина 10 выполнена поворотной относительно вертикальной оси в месте соединения с хордовой пластиной. Поворот вертикальной пластины осуществляется, например, кулачковым валом 11, проходящим через верхнюю крышку (днище) корпуса сепаратора и горизонтальную перегородку (в соответствии с пунктом 3 формулы). Вертикальная пластина подпружинена в сторону уменьшения сечения дефлектора, например, торсионным валом, являющимся одновременно вертикальной осью пластины (в соответствии с пунктом 4 формулы).The separator consists of a vertical cylindrical body 1 with an inlet pipe 2, an outlet pipe 3, a drain pipe 4, a horizontal partition 5, a separation bag 6, a deflector 7 with a pipe 8, a chord plate 9, a vertical deflector plate 10 with a drive mechanism 11 of the axis of rotation of the plate 12 The chord plate 9 is connected to the horizontal partition 5 and the inner surface of the housing 1, forming a segmented channel. On the chordal plate 9 along the perimeter of the through-hole in the plate, a pipe 8 is fixed coaxially with the inlet pipe 2 of the separator body with an annular gap forming a single passage channel with the segment channel. The deflector 7 is formed by a horizontal partition 5 and a vertical plate 10. The vertical plate 10 is made rotatable relative to the vertical axis at the junction with the chord plate. The rotation of the vertical plate is carried out, for example, by a cam shaft 11 passing through the upper cover (bottom) of the separator body and the horizontal partition (in accordance with paragraph 3 of the formula). The vertical plate is spring-loaded in the direction of decreasing the cross section of the deflector, for example, by a torsion shaft, which is also the vertical axis of the plate (in accordance with paragraph 4 of the formula).

Сепаратор работает следующим образом.The separator works as follows.

Газожидкостный поток подводится в сепаратор через входной патрубок 2, расположенный в верхней части корпуса 1. Газожидкостный поток в горизонтальном входном патрубке 2 при относительном объемном содержании жидкой фазы до 5% движется в дисперсно-кольцевом режиме, когда жидкая фаза распределена по всей внутренней поверхности трубы. При меньшем содержании жидкой фазы, что соответствует реальным процессам газодобычи (0,25% и меньше), жидкая фаза движется в дисперсно-пленочном или дисперсно-капельном режиме по поверхности трубы в пограничном слое. На входе в сепаратор пограничный слой с жидкой фазой попадает в зазор между патрубком 8 и внутренней поверхностью входного патрубка 2, тормозится поверхностью хордовой пластины 9 и стекает по сегментному каналу вниз сепаратора. А т.к. давление в сепараторе меньше давления в потоке на входе, по крайней мере, на величину ΔР, то создаются условия для отсоса пограничного слоя потока с поверхности входного патрубка 2. Таким образом, большая часть жидкой фазы отбивается на входе. Мелкодисперсная фаза жидкости, находящаяся в центральных слоях потока, разгоняется в дефлекторе 7 до Vτ, двигаясь по внутренней поверхности корпуса сепаратора 1, где реализуется центробежное поле потока. На частицы жидкие или твердые действуют центробежные силы, равные

, и отбрасывают их к внутренней поверхности сепаратора, по которой они скатываются вниз сепаратора и далее в выходной патрубок 3. По мере понижения Vτ потока поток приобретает радиальную составляющую к центру, проходя через сепарационный пакет 6. На поверхности пластин сепарационного пакета 6 мелкодисперсная влага коалесцирует и под действием гравитационных сил стекает вниз сепаратора.The gas-liquid flow is fed into the separator through the inlet pipe 2 located in the upper part of the housing 1. The gas-liquid stream in the horizontal inlet pipe 2 with a relative volumetric content of the liquid phase of up to 5% moves in a dispersed-ring mode when the liquid phase is distributed over the entire inner surface of the pipe. With a lower content of the liquid phase, which corresponds to real gas production processes (0.25% or less), the liquid phase moves in the dispersion-film or dispersion-droplet mode along the surface of the pipe in the boundary layer. At the entrance to the separator, the boundary layer with the liquid phase falls into the gap between the pipe 8 and the inner surface of the inlet pipe 2, is inhibited by the surface of the chordal plate 9 and flows down the separator along the segmented channel. And since the pressure in the separator is less than the pressure in the inlet stream by at least ΔР, conditions are created for the suction of the boundary layer of the stream from the surface of the inlet pipe 2. Thus, most of the liquid phase is beaten off at the inlet. The finely dispersed phase of the liquid located in the central layers of the flow accelerates in the deflector 7 to Vτ, moving along the inner surface of the separator housing 1, where the centrifugal flow field is realized. Liquid or solid particles are subject to centrifugal forces equal to

, and they are discarded to the inner surface of the separator, along which they slide down the separator and further to the outlet pipe 3. As the flow Vτ decreases, the flow acquires a radial component to the center passing through the separation bag 6. On the surface of the plates of the separation bag 6, finely dispersed moisture coalesces and under the influence of gravitational forces flows down the separator.

Входной патрубок 8 с хордовой пластиной и дефлектором для опытного образца сепаратора с диаметром входного патрубка сепаратора dy=100 мм представлен на фотографии (фиг.3).The inlet pipe 8 with a chord plate and a deflector for a prototype separator with a diameter of the inlet pipe of the separator dy = 100 mm is shown in the photograph (Fig. 3).

На фотографии изображен патрубок 8 с дефлектором 7 и хордовой пластиной 9, который вставляется в корпус сепаратора в его входной патрубок 2 (фиг.1) и центрируется накладками под горизонтальную перегородку 5 (фиг.1).The photograph shows a pipe 8 with a deflector 7 and a chord plate 9, which is inserted into the separator housing in its inlet pipe 2 (Fig. 1) and is centered by overlays under the horizontal partition 5 (Fig. 1).

Источники информацииInformation sources

1. Л.M.Мильштейн и др. Нефтегазопромысловая сепарационная техника: Справочное пособие. Москва, Недра, 1991.1. L. M. Milshtein and others. Oil and gas separation technology: a reference guide. Moscow, Nedra, 1991.

Claims

1. The separator containing a vertical cylindrical body, a horizontal partition, inlet, outlet, drain pipe, deflector, vertical separation package consisting of vertical plates, characterized in that the deflector has a pipe coaxially entering the inlet pipe of the separator with a radial clearance of 2-5 mm, attached around the perimeter to a chord plate fixed on the inner surface of the separator body under the lower surface of the partition, forming a passage segment channel with the surface of the body.

2. The separator according to claim 1, characterized in that the deflector is made in the form of a confuser and has a variable cross-sectional area in the direction of flow and a minimum output, and the area of the output cross-section of the deflector is at least 1/2 of the cross-sectional area of the inlet pipe .

3. The separator according to claims 1 and 2, characterized in that the deflector has an adjustable output section, for which the vertical deflector plate is rotatable relative to the vertical axis at the junction with the chord plate.

4. The separator according to claim 3, characterized in that the vertical rotary plate of the deflector is spring-loaded in the direction of decreasing the cross-section of the deflector.

5. The separator according to claims 1, 2, 4, characterized in that the chordal plate is lowered down to the lower level of the plates of the separation package.