RU2545277C1 - Method for separation of inhomogeneous mixtures in centrifugal field - Google Patents

Method for separation of inhomogeneous mixtures in centrifugal field Download PDF

Info

Publication number
RU2545277C1
RU2545277C1 RU2014101360/05A RU2014101360A RU2545277C1 RU 2545277 C1 RU2545277 C1 RU 2545277C1 RU 2014101360/05 A RU2014101360/05 A RU 2014101360/05A RU 2014101360 A RU2014101360 A RU 2014101360A RU 2545277 C1 RU2545277 C1 RU 2545277C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
flow
heavy phase
continuous light
phase
light phase
Prior art date
Application number
RU2014101360/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Роман Борисович Филиппов
Original Assignee
Роман Борисович Филиппов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Роман Борисович Филиппов filed Critical Роман Борисович Филиппов
Priority to RU2014101360/05A priority Critical patent/RU2545277C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2545277C1 publication Critical patent/RU2545277C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: oil and gas industry.SUBSTANCE: method for the separation of inhomogeneous mixtures in a centrifugal field includes spinning of a mixture flow with the formation of progressive rotation for the main flow of a continuous light phase within the whole process, deposition of a disperse heavy phase under effect of the centrifugal field with the formation of a heavy phase layer at the periphery of the spinned flow, off-take of the heavy phase layer with the secondary flow of the continuous light phase with the formation of an off-take flow(s). Thereafter the repeated deposition of the heavy phase is performed under effect of a gravitational field and off-take of the secondary flow of the continuous light phase to the main flow of the continuous light phase. Besides, at the periphery of the spinned flow multiple off-take flows are created; each of these flows is restricted by the limitation of an input cross-section width up to the value not exceeding 1% of the radius of the spinned flow periphery. At that the off-take flows are oriented outwards under an angle not exceeding 45° from the direction of the spinned flow. Then the off-take flows are reduced up to the rate of the heavy phase gravitational settling by smooth extension with an increased deviation in the radial direction from the centre of the spinned flow. At that the progressive rotation of the main flow of the light phase within the whole process is not deviated in the radial direction to the centre of rotation.EFFECT: reduced hydraulic friction and reduced primary and secondary drifts of the heavy phase.7 dwg, 4 tbl, 2 ex

Description

Техническое решение разработано для применения в газовой и нефтяной промышленности и может быть использовано в других отраслях промышленности в процессах разделения неоднородных смесей в центробежном поле.The technical solution was developed for use in the gas and oil industries and can be used in other industries in the separation of heterogeneous mixtures in a centrifugal field.

Известен способ разделения неоднородных смесей в центробежном поле, реализуемый в устройстве циклон обратнопоточного типа (В. Страус. Промышленная очистка газов, издательство "Химия", 1981 г., стр.258-261; А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии, издательство "Химия", 1971 г., стр.237-238, 241-243), - аналог, в котором производят закрутку потока смеси с формированием вращательно-поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы на всем протяжении процесса, осаждение дисперсной тяжелой фазы под воздействием центробежного поля с формированием слоя тяжелой фазы на периферии закрученного потока, отведение слоя тяжелой фазы с вторичным потоком сплошной легкой фазы с формированием отводного потока, повторное осаждение тяжелой фазы под воздействием гравитационного поля, отведение вторичного потока сплошной легкой фазы в основной поток сплошной легкой фазы.A known method of separating inhomogeneous mixtures in a centrifugal field, implemented in the device cyclone reverse flow type (V. Straus. Industrial gas purification, publishing house "Chemistry", 1981, pp. 258-261; A. G. Kasatkin. The main processes and apparatuses of chemical Technologies, Khimiya Publishing House, 1971, pp. 237-238, 241-243), - an analogue in which the mixture flow is swirled with the formation of rotational-translational motion of the main flow of the continuous light phase throughout the process, the precipitation of heavy dispersed centrifugal phases th field to form the heavy phase layer in the periphery of the swirling flow, allocating the heavy phase layer with a continuous flow of secondary light phase with the formation of the slip stream, reprecipitation heavy phase under the influence of the gravitational field, the drainage of the secondary flow a continuous light phase in the main flow of the continuous light phase.

Недостатками этого способа являются:The disadvantages of this method are:

- увеличение энергозатрат процесса при повышении гидравлического сопротивления вследствие изменения направления поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы на обратное с поворотом в радиальном направлении к центру вращени, против действия центробежного поля;- increased energy consumption of the process with increasing hydraulic resistance due to a change in the direction of translational motion of the main stream of the continuous light phase to the opposite with a rotation in the radial direction to the center of rotation, against the action of the centrifugal field;

- снижение эффективности разделения на максимальных скоростях вследствие усиления вихрей при смене направления поступательного движения сплошной легкой фазы, что приводит к срыву слоя тяжелой фазы на всей длине периферии закрученного потока, его диспергирование и унос с основным потоком (первичный унос);- reduction of separation efficiency at maximum speeds due to vortex amplification when changing the direction of translational motion of the continuous light phase, which leads to the breakdown of the heavy phase layer along the entire length of the periphery of the swirling flow, its dispersion and ablation with the main flow (primary ablation);

- снижение эффективности разделения вследствие значительного объема, отводимого со слоем тяжелой фазы вторичного потока сплошной фазы, до 10% и последующий его возврат в основной поток вдоль оси отводного потока со скоростью, достаточной для подхвата и уноса тяжелой фазы из отводного потока (вторичный унос).- a decrease in separation efficiency due to the significant volume discharged with the heavy phase layer of the secondary stream of the continuous phase to 10% and its subsequent return to the main stream along the axis of the bypass stream at a speed sufficient to pick up and carry away the heavy phase from the bypass stream (secondary entrainment).

Известен способ разделения неоднородных смесей в центробежном поле, реализуемый в устройстве циклон прямоточного типа (Страус В. Промышленная очистка газов, издательство "Химия", 1981 г., стр.251-255; А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии, издательство "Химия", 1971 г., стр.243-244; АС СССР №1409312), - прототип, в котором производят закрутку потока смеси с формированием вращательно-поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы на всем протяжении процесса, осаждение дисперсной тяжелой фазы под воздействием центробежного поля с формированием слоя тяжелой фазы на периферии закрученного потока, отведение слоя тяжелой фазы с вторичным потоком сплошной легкой фазы с формированием отводного потока, повторное осаждение тяжелой фазы под воздействием гравитационного поля, отведение вторичного потока сплошной легкой фазы в основной поток сплошной легкой фазы, в котором при той же последовательности действий отсутствует изменение направления поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы на обратное с поворотом в радиальном направлении к центру вращения, против действия центробежного поля и отсутствует возврат вторичного потока сплошной легкой фазы вдоль оси отводного потока.A known method of separating inhomogeneous mixtures in a centrifugal field, implemented in the device is a direct-flow type cyclone (Straus V. Industrial gas purification, Chemistry publishing house, 1981, pp. 251-255; A. Kasatkin. The main processes and apparatuses of chemical technology , publishing house "Chemistry", 1971, pp. 243-244; AS USSR No. 1409312), - a prototype in which the flow of the mixture is twisted with the formation of rotational-translational motion of the main flow of a continuous light phase throughout the process, precipitation is heavy dispersed phase under the influence of cent a reliable field with the formation of a heavy phase layer at the periphery of the swirling flow, the removal of a heavy phase layer with a secondary stream of a continuous light phase with the formation of a bypass stream, reprecipitation of a heavy phase under the influence of a gravitational field, the removal of a secondary stream of a continuous light phase into the main stream of a continuous light phase, in which, for the same sequence of actions, there is no change in the direction of translational motion of the main stream of the continuous light phase to the opposite direction with rotation in the radial direction SRI to the center of rotation, against the action of the centrifugal field and there is no return flow of the secondary continuous light phase along the axis of the slip stream.

Однако в данном способе полностью не устранены недостатки предыдущего способа разделения:However, in this method, the disadvantages of the previous separation method are not completely eliminated:

- увеличение энергозатрат процесса при повышении гидравлического сопротивления вследствие изменения направления поступательного движения основного потока сплошной фазы с огибанием отводного потока кольцевой формы в радиальном направлении к центру вращения, против действия центробежного поля;- an increase in the energy consumption of the process with an increase in hydraulic resistance due to a change in the direction of translational motion of the main flow of the continuous phase with the envelope of the outlet flow of a circular shape in the radial direction to the center of rotation, against the action of the centrifugal field;

- снижение эффективности разделения на максимальных скоростях вследствие усиления вихрей при огибании основным потоком сплошной легкой фазы отводного потока кольцевой формы, что приводит к срыву слоя тяжелой фазы с поверхности проточной части в зоне перед отводным потоком, ее диспергирование и унос с основным потоком (первичный унос);- decrease in separation efficiency at maximum speeds due to vortex amplification when the main stream flows around the continuous light phase of the annular discharge flow, which leads to the breakdown of the heavy phase layer from the surface of the flow part in the zone in front of the discharge flow, its dispersion and ablation with the main flow (primary ablation) ;

- снижение эффективности разделения вследствие значительного объема отводимого со слоем тяжелой фазы вторичного потока сплошной легкой фазы, до 10% и последующий его возврат в основной поток со скоростью, достаточной для подхвата и уноса тяжелой фазы из зоны гравитационного осаждения (вторичный унос).- reduction of separation efficiency due to a significant volume of the secondary stream of the continuous light phase removed with the layer of the heavy phase to 10% and its subsequent return to the main stream at a speed sufficient to pick up and carry away the heavy phase from the gravitational deposition zone (secondary ablation).

Технический результат заключается в снижении гидравлического сопротивления и снижении первичного и вторичного уносов тяжелой фазы.The technical result consists in reducing the hydraulic resistance and reducing the primary and secondary ablation of the heavy phase.

Технический результат достигается тем, что в способе разделения неоднородных смесей, включающем закрутку потока смеси с формированием вращательно-поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы на всем протяжении процесса, осаждение дисперсной тяжелой фазы под воздействием центробежного поля с формированием слоя тяжелой фазы на периферии закрученного потока, отведение слоя тяжелой фазы с вторичным потоком сплошной легкой фазы с формированием отводного(ых) потока(ов), повторное осаждение тяжелой фазы под воздействием гравитационного поля, отведение вторичного потока сплошной легкой фазы в основной поток сплошной легкой фазы, на всей периферии закрученного потока формируют многочисленные отводные потоки, каждый из которых дросселируют путем ограничения ширины входного сечения до величины, не превышающей 1% от радиуса периферии закрученного потока, при этом их направляют наружу под углом, не превышающим 45° от направления закрученного потока, затем редуцируют до скорости гравитационного осаждения тяжелой фазы путем плавного расширения с увеличивающимся отклонением в радиальном направлении от центра вращения закрученного потока, при этом поступательное движение основного потока сплошной легкой фазы на всем протяжении процесса не отклоняют в радиальном направлении к центру вращения.The technical result is achieved by the fact that in the method for separating inhomogeneous mixtures, including swirling the flow of the mixture with the formation of rotational-translational motion of the main flow of the continuous light phase throughout the process, the precipitation of the dispersed heavy phase under the influence of a centrifugal field with the formation of a layer of the heavy phase at the periphery of the swirling stream, abstraction of a layer of a heavy phase with a secondary stream of a continuous light phase with the formation of the bypass stream (s), re-deposition of the heavy phase under the influence of gravitational field, the diversion of the secondary stream of a continuous light phase into the main stream of a continuous light phase, numerous exhaust flows are formed on the entire periphery of the swirling stream, each of which is throttled by restricting the width of the inlet section to a value not exceeding 1% of the radius of the periphery of the swirling stream, while they are directed outward at an angle not exceeding 45 ° from the direction of the swirling flow, then they are reduced to the rate of gravitational deposition of the heavy phase by smooth expansion with increasing msya deviation in the radial direction from the center of rotation of the swirling flow, thus the translational motion of the main flow continuous light phase throughout the process does not deflect in a radial direction toward the center of rotation.

Формирование многочисленных отводных потоков на всей периферии закрученного потока, их дросселирование путем ограничения ширины входного сечения до величины, не превышающей 1% от радиуса периферии закрученного потока, при этом направление их наружу под углом, не превышающим 45° от направления закрученного потока, затем их редуцирование до скорости гравитационного осаждения тяжелой фазы путем плавного расширения с увеличивающимся отклонением в радиальном направлении от центра вращения закрученного потока позволило повысить эффективность разделения при снижении вторичного уноса за счет ограничения объема вторичного потока сплошной легкой фазы, поступающего в отводные потоки, при расширении которого его скорость уменьшается до скорости гравитационного осаждения тяжелой фазы, и позволило снизить гидравлическое сопротивление за счет незначительного отклонения отводных потоков от направления закрученного потока с последующим увеличивающимся отклонением в радиальном направлении для уменьшения длины отводного потока.The formation of numerous by-pass flows on the entire periphery of the swirling flow, their throttling by limiting the width of the inlet section to a value not exceeding 1% of the radius of the periphery of the swirling flow, while their direction outward at an angle not exceeding 45 ° from the direction of the swirling flow, then their reduction up to the rate of gravitational deposition of the heavy phase by smooth expansion with increasing deviation in the radial direction from the center of rotation of the swirling flow, it was possible to increase the effective separation during reduction of secondary entrainment due to the limitation of the volume of the secondary stream of the continuous light phase entering the by-pass flows, during the expansion of which its speed decreases to the rate of gravitational deposition of the heavy phase, and allowed to reduce the hydraulic resistance due to a slight deviation of the by-pass flows from the direction of the swirling flow with subsequent increasing deviation in the radial direction to reduce the length of the bypass stream.

Отсутствие отклонения поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы в радиальном направлении к центру вращения на всем протяжении процесса позволило повысить эффективность разделения, при снижении первичного уноса, за счет исключения образования интенсивных вихрей, приводящих к срыву и подхвату тяжелой фазы с поверхности проточной части.The absence of a deviation of the translational motion of the main flow of the continuous light phase in the radial direction to the center of rotation throughout the process allowed to increase the separation efficiency, while reducing the primary ablation, by eliminating the formation of intense vortices, leading to the disruption and pickup of the heavy phase from the surface of the flow part.

Движение сформированного основного потока сплошной фазы в процессе разделения без изменения его направления позволило снизить гидравлическое сопротивление.The movement of the formed main flow of the continuous phase in the separation process without changing its direction allowed to reduce the hydraulic resistance.

Автору известны способы или устройства, реализующие способы разделения неоднородных смесей в центробежном поле, в которых отводные потоки на периферии закрученного потока формируются пористой структурой или просечно-вытяжной сеткой, но эти способы не обеспечивают заявленного технического результата.The author knows methods or devices that implement methods for separating inhomogeneous mixtures in a centrifugal field, in which the outlet flows at the periphery of the swirl flow are formed by a porous structure or expanded metal mesh, but these methods do not provide the claimed technical result.

Автору не известны способы разделения неоднородных смесей в центробежном поле, в которых бы технический результат достигался подобным образом.The author does not know how to separate inhomogeneous mixtures in a centrifugal field, in which the technical result would be achieved in a similar way.

Реализация способа поясняется чертежами:The implementation of the method is illustrated by drawings:

- Фиг.1 - схема разделения неоднородных смесей в центробежном поле;- Figure 1 - separation scheme of heterogeneous mixtures in a centrifugal field;

- Фиг.2 - схема элементарного участка отводного потока;- Figure 2 is a diagram of an elementary section of the bypass stream;

- Фиг.3 - схема продольных прямых отводных потоков;- Figure 3 is a diagram of the longitudinal direct by-pass flows;

- Фиг.4 - схема продольных круговых отводных потоков;- Figure 4 is a diagram of a longitudinal circular bypass flows;

- Фиг.5 - схема продольных спиральных отводных потоков;- Figure 5 is a diagram of a longitudinal spiral bypass flows;

- Фиг.6 - зависимость падения давления от расхода воздуха при испытании без подачи воды;- Fig.6 - dependence of the pressure drop on the air flow during the test without water supply;

- фиг.7 - поле векторов гидродинамического расчета.- Fig.7 - field of vectors of hydrodynamic calculation.

На фиг.1 представлены: вход потока смеси 1; вращательно-поступательное движение основного потока сплошной легкой фазы 2; направление центробежного осаждения дисперсной тяжелой фазы 3; слой тяжелой фазы 4; периферия закрученного потока 5; отводные потоки 6; элементарный участок 7 отводного потока 6; направление гравитационного осаждения тяжелой фазы 9; зона сбора тяжелой фазы 10; вторичный поток сплошной легкой фазы 11; выход сплошной легкой фазы 12.Figure 1 presents: inlet flow of the mixture 1; rotational-translational motion of the main stream of continuous light phase 2; the direction of centrifugal deposition of the dispersed heavy phase 3; heavy phase layer 4; the periphery of the swirling flow 5; branch flows 6; elementary section 7 of the discharge stream 6; direction of gravitational deposition of the heavy phase 9; heavy phase collection zone 10; secondary stream of continuous light phase 11; continuous light phase yield 12.

На фиг.2 дополнительно представлены: входное сечение 13 элементарного участка 7 отводного потока 6; проекция 18 элементарного участка 7 на поверхность продольного сечения закрученного потока; проекция 19 элементарного участка 7 на поверхность поперечного сечения закрученного потока; ширина входного сечения h; вектор осевой составляющей движения потока Va; вектор тангенциальной составляющей движения потока Vτ; вектор радиальной составляющей движения потока Vr; вектор движения закрученного потока около периферии потока Vзп; вектор движения отводного потока во входном сечении Vоп; угол α между направлениями закрученного и отводного потоков.Figure 2 additionally presents: the input section 13 of the elementary section 7 of the discharge stream 6; the projection 18 of the elementary section 7 on the surface of the longitudinal section of the swirling stream; the projection 19 of the elementary section 7 on the surface of the cross section of the swirling stream; input section width h; the vector of the axial component of the flow motion V a ; the vector of the tangential component of the flow motion V τ ; the vector of the radial component of the flow motion V r ; the motion vector of the swirling stream near the periphery of the stream V sn ; motion vector of the discharge flow in the inlet section V op ; angle α between the directions of swirling and by-pass flows.

На фиг.3, 4, 5, 7 дополнительно представлена периферия продольного отводного потока 17.Figure 3, 4, 5, 7 additionally presents the periphery of the longitudinal bypass stream 17.

На фиг.6 представлены: пунктирная линия - предлагаемый способ, сплошная линия - аналог.Figure 6 presents: the dashed line is the proposed method, the solid line is the analogue.

Способ разделения неоднородных смесей в центробежном поле осуществляют следующим образом.The method of separation of heterogeneous mixtures in a centrifugal field is as follows.

На входе в процесс поток неоднородной смеси 1 (фиг.1) закручивают с формированием вращательно-поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы 2 на всем протяжении процесса. Неоднородная смесь состоит из основного потока сплошной легкой фазы и дисперсной тяжелой фазы. Под воздействием центробежного поля производят осаждение дисперсной тяжелой фазы 3 и формируют концентрированный слой тяжелой фазы 4 на периферии закрученного потока 5. Скорость закрутки выбирается исходя из требуемого качества разделения и соответствующей минимальной массе частиц дисперсной фазы. В случае жидкой тяжелой фазы сформированный слой представляет собой жидкостную пленку. По мере продвижения основной поток сплошной легкой фазы 2 очищается от дисперсной тяжелой фазы. Энергия движения основного потока сплошной фазы 2 передается слою тяжелой фазы 4, который имеет то же направление вращательно-поступательного движения, но меньшую скорость.At the entrance to the process, the flow of the heterogeneous mixture 1 (Fig. 1) is twisted with the formation of rotational-translational motion of the main flow of the continuous light phase 2 throughout the process. An inhomogeneous mixture consists of a main stream of a continuous light phase and a dispersed heavy phase. Under the influence of a centrifugal field, the dispersed heavy phase 3 is precipitated and a concentrated layer of the heavy phase 4 is formed on the periphery of the swirling flow 5. The spin speed is selected based on the required separation quality and the corresponding minimum particle mass of the dispersed phase. In the case of a liquid heavy phase, the formed layer is a liquid film. As you move the main stream of the continuous light phase 2 is purified from the dispersed heavy phase. The motion energy of the main stream of the continuous phase 2 is transferred to the layer of the heavy phase 4, which has the same direction of rotational-translational motion, but a lower speed.

Под воздействием центробежного поля слой тяжелой фазы 4 отводят, формируя на всей периферии закрученного потока 5 многочисленные отводные потоки 6. Отводные потоки состоят из тяжелой фазы и из вторичного потока сплошной легкой фазы.Under the influence of a centrifugal field, the layer of the heavy phase 4 is withdrawn, forming on the entire periphery of the swirling stream 5 numerous bypass streams 6. The bypass streams consist of a heavy phase and a secondary stream of a continuous light phase.

Так как отводные потоки могут иметь различную форму, при обобщении описания их свойств удобно рассмотреть элементарный участок 7 (фиг.2) отводного потока. Свойства элементарных участков идентичны для всех элементарных участков с одинаковыми размерами. Рассматриваемый элементарный участок имеет квадратную форму входного сечения 13. Форма элементарного участка не ограничена представленной. Вектор движения отводного потока Vоп на входе элементарного участка направляют наружу закрученного потока 2 под углом α, не превышающим 45°, к вектору движения закрученного потока Vзп около периферии, непосредственно перед отводом. Вектор Vзп является результирующим векторов осевой Va и тангенциальной Vτ составляющих, а вектор Vоп является результирующим векторов осевой Va, тангенциальной Vτ и радиальной Vr составляющих движения потока. Условно векторы Vоп и Vзп изображены исходящими из одной точки, а векторы Vзп, Vа и Vτ лежат в плоскости входного сечения 13.Since the bypass flows can have a different shape, when summarizing the description of their properties, it is convenient to consider the elementary section 7 (figure 2) of the bypass stream. The properties of the elementary sections are identical for all elementary sections with the same dimensions. The elementary section in question has a square inlet section 13. The shape of the elementary section is not limited to the one presented. The motion vector of the outlet flow V op at the input of the elementary section is directed outside the swirling flow 2 at an angle α not exceeding 45 ° to the motion vector of the swirling flow V z near the periphery, immediately before the outlet. Vector V zp is the resulting vectors of the axial V a and tangential V τ components, and the vector V op is the resulting vectors of the axial V a , tangential V τ and radial V r components of the flow motion. Conventionally, the vectors V op and V zp are depicted emanating from one point, and the vectors V zp , V a and V τ lie in the plane of the input section 13.

Точечные отводные потоки формируют из одиночных элементарных участков 7, а продольные отводные потоки формируют из множества элементарных участков, объединенных вдоль линий на периферии закрученного потока 5. При расположении элементарных участков вдоль образующих, окружностей или спиральных линий на периферии закрученного потока формируют продольные прямые (фиг.3), продольные кольцевые (фиг.4) или продольные спиральные отводные потоки соответственно (фиг.5). Наибольший эффект получают при формировании спиральных отводных потоков 6 с расположением продольных кромок входных сечений этих потоков поперек, перпендикулярно траектории движения закрученного потока.Point outflows are formed from single elementary sections 7, and longitudinal outflows are formed from a plurality of elementary sections combined along lines on the periphery of swirling flow 5. When elementary sections are located along generatrices, circles or spiral lines on the periphery of swirling flow, longitudinal straight lines are formed (Fig. 3), longitudinal annular (figure 4) or longitudinal spiral by-pass flows, respectively (figure 5). The greatest effect is obtained during the formation of spiral branch flows 6 with the longitudinal edges of the input sections of these flows located transversely, perpendicular to the trajectory of the swirling stream.

Ширину h входного сечения 13 элементарного участка отводного потока ограничивают до величины, не превышающей 1% от радиуса периферии закрученного потока 5, для ограничения объема вторичного потока сплошной легкой фазы, поступающего в отводные потоки. Предпочтительное значение ширины h в несколько раз меньше средней толщины слоя тяжелой фазы 4. Таким образом, осуществляют постепенный отвод слоя тяжелой фазы с минимальным количеством легкой фазы вторичного потока. В случае твердой тяжелой фазы ширина h не может превышать максимальный размер дисперсных частиц. В случае жидкой тяжелой фазы, на участках периферии 5 закрученного потока полностью покрытых жидкостной пленкой (слой тяжелой фазы 4) входных сечений отводных потоков 6, вторичный поток легкой фазы в отводные потоки не поступает.The width h of the inlet section 13 of the elementary section of the bypass stream is limited to a value not exceeding 1% of the radius of the periphery of the swirling stream 5 to limit the volume of the secondary stream of the continuous light phase entering the bypass streams. The preferred value of the width h is several times smaller than the average thickness of the layer of the heavy phase 4. Thus, carry out the gradual removal of the layer of the heavy phase with a minimum amount of light phase of the secondary stream. In the case of a solid heavy phase, the width h cannot exceed the maximum size of the dispersed particles. In the case of a liquid heavy phase, at sections of the periphery 5 of the swirling flow completely covered by a liquid film (heavy phase layer 4) of the inlet cross sections of the branch flows 6, the secondary stream of the light phase does not enter the branch flows.

По мере продвижения основного потока сплошной легкой фазы 2 слой тяжелой фазы 4 отводят постепенно, уменьшая его толщину. После полного удаления слоя тяжелой фазы, в отводные потоки направляют только вторичный поток сплошной легкой фазы на протяжении поверхности периферии закрученного потока, определенного с учетом колебаний количества дисперсной фазы в смеси.As the main flow of the continuous light phase 2 advances, the layer of heavy phase 4 is withdrawn gradually, decreasing its thickness. After the heavy phase layer is completely removed, only the secondary stream of the continuous light phase is directed into the bypass flows along the periphery of the swirling stream, determined taking into account fluctuations in the amount of the dispersed phase in the mixture.

По ходу движения отводной поток плавно расширяют и замедляют до скорости гравитационного осаждения тяжелой фазы с увеличивающимся отклонением в радиальном направлении от центра вращения закрученного потока для обеспечения большего угла расширения, уменьшения длины отводного потока и более равномерного распределения скоростей в выходном сечении. Указанное радиальное направление наглядно показано на проекциях элементарного участка 6 (фиг.2) на поверхность продольного 18 и поперечного 19 сечений закрученного потока.In the direction of travel, the by-pass flow gradually expands and slows down to the gravitational deposition rate of the heavy phase with increasing deviation in the radial direction from the center of rotation of the swirling flow to provide a larger expansion angle, reduce the length of the by-pass flow and a more uniform distribution of velocities in the output section. The specified radial direction is clearly shown on the projections of the elementary section 6 (figure 2) on the surface of the longitudinal 18 and transverse 19 cross-sections of the swirling flow.

Движения продольных отводных потоков различной формы можно рассмотреть с составляющими движения во входном сечении 13 (фиг.2) - Vа, Vτ и Vr. Увеличение радиальной составляющей движения Vr происходит в прямых отводных потоках (фиг.3, 7) за счет уменьшения тангенциальной составляющей движения Vτ, в кольцевых отводных потоках (фиг.4) за счет уменьшения осевой составляющей движения Vа, а в спиральных отводных потоках (фиг.5) за счет уменьшения тангенциальной Vτ и осевой Va составляющих движения.The movement of the longitudinal by-pass flows of various shapes can be considered with the components of the movement in the input section 13 (figure 2) - V a , V τ and V r . The increase in the radial component of the movement V r occurs in direct by-pass flows (Figs. 3, 7) due to a decrease in the tangential component of the motion V τ , in the ring by-pass flows (Fig. 4) due to a decrease in the axial component of the motion V a , and in spiral by-pass flows (Fig. 5) by reducing the tangential V τ and axial V a components of motion.

На выходе из отводных потоков 6, под действием гравитационного поля производят осаждение тяжелой фазы 9 (фиг.1) и ее сбор в зоне 10. Скорость гравитационного осаждения выбирается исходя из требуемого качества разделения и соответствующей минимальной массе частиц дисперсной фазы. В случае жидкой тяжелой фазы жидкостную пленку (слой тяжелой фазы 14) направляют по периферии закрученного основного потока 5, переходящей в периферию 17 отводного потока (фиг.7), и затем по ней в зону сбора тяжелой фазы 10.At the exit of the bypass flows 6, under the influence of the gravitational field, the heavy phase 9 is precipitated (FIG. 1) and collected in zone 10. The gravitational deposition rate is selected based on the required separation quality and the corresponding minimum particle mass of the dispersed phase. In the case of a liquid heavy phase, the liquid film (heavy phase layer 14) is directed along the periphery of the swirling main stream 5, passing to the periphery 17 of the bypass stream (Fig.7), and then through it to the collection zone of the heavy phase 10.

Вторичный поток сплошной легкой фазы 11, выходящий из отводных потоков, направляют в основной поток сплошной легкой фазы 2 к выходу очищенного потока сплошной легкой фазы 12. Направление вторичного потока из зоны гравитационного осаждения тяжелой фазы 9 не ограничивается представленным на фигуре 1 - вторичный поток может быть направлен на рециркуляцию на вход смеси 1 или в любую точку потока, вне рассматриваемого процесса, с меньшим давлением.The secondary stream of the continuous light phase 11 exiting the by-pass streams is directed to the main stream of the continuous light phase 2 to the outlet of the purified stream of the continuous light phase 12. The direction of the secondary stream from the gravitational deposition zone of the heavy phase 9 is not limited to that shown in Figure 1 — the secondary stream can be directed to recirculation to the inlet of the mixture 1 or to any point in the stream, outside the process under consideration, with less pressure.

На всем протяжении процесса поступательное движение закрученного основного потока сплошной легкой фазы не отклоняют в радиальном направлении к центру вращения, что позволяет сохранить минимально возможное падение давления в процессе разделения, таким образом, обеспечивают отсутствие образования крупных вихрей на периферии закрученного потока. Основной поток сплошной легкой фазы может иметь незначительную по величине радиальную составляющую направления движения, но при этом исключают ее резкое изменение в направлении центра вращения, присутствующее в аналогах.Throughout the process, the translational movement of the swirling main flow of the continuous light phase is not radially deflected to the center of rotation, which allows you to maintain the lowest possible pressure drop during the separation process, thus ensuring that no large eddies form on the periphery of the swirling flow. The main flow of the continuous light phase may have a small radial component of the direction of motion, but its sharp change in the direction of the center of rotation, which is present in the analogues, is excluded.

Расположение в пространстве оси вращения закрученного потока не ограничено представленным на фигуре 1 примером с направлением движения основного потока снизу вверх. При иной ориентации оси, корректируют расположение зоны сбора тяжелой фазы 10 и отвод вторичного потока 11. Форма периферии закрученного потока не ограничена цилиндрической формой, представленной на фигуре 1, и может быть с прямолинейными или криволинейными образующими.The location in space of the axis of rotation of the swirling flow is not limited to the example shown in figure 1 with the direction of movement of the main stream from the bottom up. With a different orientation of the axis, the location of the collection zone of the heavy phase 10 and the removal of the secondary stream 11 are corrected. The shape of the periphery of the swirling flow is not limited to the cylindrical shape shown in Figure 1, and can be with straight or curved generators.

Пример 1Example 1

Предлагаемый способ разделения сформировался в процессе работы по совершенствованию способа, реализуемого в устройстве типа центробежный сепарационный элемент (АС СССР №1409312) - аналог, применяемом в газовой промышленности несколько десятилетий.The proposed separation method was formed in the process of improving the method implemented in a device such as a centrifugal separation element (USSR AS No. 1409312) - an analogue used in the gas industry for several decades.

Для проведения сравнительных испытаний предлагаемого способа и аналога взяты устройства с одинаковыми завихрителями и с геометрическими параметрами проточной части (периферии закрученного потока): внутренний диаметр 100 мм, высота 300 мм.To carry out comparative tests of the proposed method and analogue, devices with identical swirlers and with geometric parameters of the flow part (periphery of the swirling flow) were taken: inner diameter 100 mm, height 300 mm.

Геометрические параметры отводных потоков предлагаемого способа: количество - 6 шт., равномерно распределенные по цилиндрической поверхности проточной части; форма отводных потоков соответствует варианту прямых продольных отводных потоков (фиг.3); ширина входного сечения отводного потока - 0,5 мм.The geometric parameters of the bypass flows of the proposed method: quantity - 6 pcs., Evenly distributed over the cylindrical surface of the flowing part; the shape of the by-pass flows corresponds to a variant of the direct longitudinal by-pass flows (Fig. 3); the width of the inlet section of the outlet flow is 0.5 mm.

Технологические параметры опытной работы: сплошная среда - воздух; дисперсная среда - вода; давление на выходе - атмосферное; температура +30°С.Technological parameters of the pilot work: continuous medium - air; dispersed medium - water; outlet pressure - atmospheric; temperature + 30 ° С.

Зависимость падения давления в процессе от расхода воздуха при испытании без подачи воды представлена на фиг.6, где пунктирной линией показан предлагаемый способ, а сплошной линией - аналог.The dependence of the pressure drop in the process on air flow during the test without water supply is shown in Fig.6, where the dashed line shows the proposed method, and the solid line is the analogue.

Падение давления предлагаемого способа по сравнению с аналогом меньше на 12-33%.The pressure drop of the proposed method compared with the analogue is less by 12-33%.

Испытания устройства, реализующего предлагаемый способ, и аналога с подачей воды производили последовательно с расходами воздуха, близкими к 4, 6, 8, 10, 12 м3/мин. Испытания с подачей воды проводились с многократным превышением обычного содержания жидкости в газе для типовых процессов применения прямоточно-центробежных элементов, для определения максимально возможных концентраций воды. При каждом расходе воздуха, расход воды увеличивался постепенно от нуля до максимального Qmax, который определяется либо началом фонтанирования из выходного сечения основного потока, с выбросом около 600 г/мин воды, либо, при отсутствии фонтанирования, является максимально возможным расходом воды на опытном стенде 1,0-1,4 м3/час.Tests of the device that implements the proposed method, and the analogue with the water supply was carried out sequentially with air flow rates close to 4, 6, 8, 10, 12 m 3 / min. Tests with water supply were carried out with a multiple exceeding the usual liquid content in the gas for typical processes of using direct-flow centrifugal elements to determine the maximum possible water concentrations. At each air flow rate, the water flow rate increased gradually from zero to the maximum Q max , which is determined either by the start of flowing from the outlet cross section of the main stream, with the release of about 600 g / min of water, or, in the absence of flowing, is the maximum possible water flow at the test bench 1.0-1.4 m 3 / hour.

Таблица 1Table 1 Унос воды с воздухом при максимальных расходах воды Qmax предлагаемого способаThe ablation of water with air at the maximum flow rate Q max of the proposed method Интервал расхода воздуха, м3/минInterval of air consumption, m 3 / min Qmax, м3/часQ max , m 3 / hour Унос водыWater entrainment 4-64-6 1,21,2 Не более 0,05%No more than 0,05% 6-106-10 1,41.4 Не более 1%No more than 1% 10-1210-12 1,41.4 Не более 3%No more than 3%

Таблица 2table 2 Унос воды с воздухом при максимальных расходах воды Qmax аналогаWater entrainment with air at maximum water flow rates Q max analogue Интервал расхода воздуха, м3/минInterval of air consumption, m 3 / min Qmax, м3/часQ max , m 3 / hour Унос водыWater entrainment 4-64-6 0,60.6 Более 10%
Накопление воды в нижней зоне проточной части, периодические фонтанные выбросы
More than 10%
Accumulation of water in the lower zone of the flowing part, periodic fountain emissions
6-106-10 0,40.4 Более 10%
Постоянное фонтанирование
More than 10%
Constant gushing
10- 1210-12 1,01,0 Туман в высокоскоростном потоке, пульсирующие мелкодисперсные выбросыHigh-speed fog, pulsating fine emissions

Предлагаемый способ по показателям максимального содержания дисперсной фазы на входе и уноса дисперсной фазы на выходе существенно превосходит аналог. При этом у предлагаемого способа отсутствуют следующие значительные недостатки аналога: накопление тяжелой фазы в нижней зоне проточной части при пониженных скоростях потока с периодическими выбросами, так как в новом способе отбор тяжелой фазы производится по всей поверхности проточной части; образование более мелкой дисперсной фазы и тумана при повышенных скоростях потока, так как в новом способе отсутствуют препятствия, резко меняющие поступательное движение основного потока, что ведет к образованию интенсивных вихрей и колебаниям потока. Отсутствие указанных недостатков расширяет диапазон нормальной работы нового способа.The proposed method in terms of the maximum content of the dispersed phase at the inlet and entrainment of the dispersed phase at the outlet significantly exceeds the analogue. Moreover, the proposed method does not have the following significant disadvantages of the analogue: the accumulation of the heavy phase in the lower zone of the flow part at reduced flow rates with periodic emissions, since in the new method the selection of the heavy phase is performed over the entire surface of the flow part; the formation of a finer dispersed phase and fog at higher flow rates, since the new method does not have obstacles that dramatically change the translational motion of the main flow, which leads to the formation of intense vortices and flow oscillations. The absence of these disadvantages expands the range of normal operation of the new method.

Пример 2Example 2

Для оценки влияния поперечного размера входного сечения отводного потока предлагаемого способа, выполнено компьютерное моделирование в специализированной компьютерной программе для гидродинамических расчетов.To assess the influence of the transverse size of the input section of the outlet flow of the proposed method, computer simulation was performed in a specialized computer program for hydrodynamic calculations.

Для проведения расчета принята модель с геометрическими параметрами проточной части, одинаковыми с параметрами испытанных устройств: внутренний диаметр 100 мм, высота 300 мм.To carry out the calculation, a model was adopted with the geometric parameters of the flow part that are identical with the parameters of the tested devices: inner diameter 100 mm, height 300 mm.

Геометрические параметры отводного потока предлагаемого способа: длина занимаемого отводным потоком сектора на окружности поперечного сечения проточной части предполагает размещение 36 шт. таких отводных потоков на всем периметре указанной окружности; форма отводных потоков соответствует варианту прямых продольных отводных потоков (фиг.3); ширина входного сечения отводного потока выполнена в 5-ти вариантах - 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0 мм.The geometric parameters of the bypass stream of the proposed method: the length of the sector occupied by the bypass stream on the circumference of the cross section of the flowing part involves the placement of 36 pcs. such by-pass flows along the entire perimeter of the specified circle; the shape of the by-pass flows corresponds to a variant of the direct longitudinal by-pass flows (Fig. 3); the width of the inlet section of the discharge flow is made in 5 versions - 0.25; 0.5; 1.0; 2.0; 4.0 mm.

Технологические параметры расчета: среда - воздух; давление на выходе - атмосферное; температура +30°С.Technological parameters of the calculation: medium - air; outlet pressure - atmospheric; temperature + 30 ° С.

На фиг.7 представлено поле векторов гидродинамического расчета. Размеры стрелок векторов пропорциональны величинам скоростей в поперечном сечении устройства. В отводном потоке скорость заметно меньше скорости закрученного потока на периферии.Figure 7 presents the field of vectors of hydrodynamic calculation. The sizes of the arrows of the vectors are proportional to the velocities in the cross section of the device. In the bypass stream, the speed is noticeably lower than the speed of the swirling stream at the periphery.

Численные результаты гидродинамического расчета следующие.The numerical results of the hydrodynamic calculation are as follows.

Таблица 3Table 3 Падение скорости отводного потока при скорости основного потока на периферии проточной части 7,3 м/сThe drop in the velocity of the discharge flow at the speed of the main flow at the periphery of the flow part of 7.3 m / s Параметры отводного потокаOutflow Parameters Поперечный размер входного сечения отводного потокаThe cross-sectional size of the inlet section of the outlet flow 4,00 мм4.00 mm 2,00 мм2.00 mm 1,00 мм1.00 mm 0,50 мм0.50 mm 0,25 мм0.25 mm Скорость на выходе из отводного потока, м/сThe speed at the outlet of the bypass stream, m / s 5,975.97 4,604.60 2,362,36 0,830.83 0,220.22 Падение скоростиSpeed drop 18%eighteen% 38%38% 68%68% 89%89% 97%97% Падение давления, ПаPressure drop, Pa 13,713.7 24,024.0 34,634.6 37,037.0 38,538.5

Таблица 4Table 4 Падение скорости отводного потока при скорости основного потока на периферии проточной части 15,1 м/сThe drop in the velocity of the discharge flow at a velocity of the main flow at the periphery of the flowing part of 15.1 m / s Параметры отводного потокаOutflow Parameters Поперечный размер входного сечения отводного потокаThe cross-sectional size of the inlet section of the outlet flow 4,00 мм4.00 mm 2,00 мм2.00 mm 1,00 мм1.00 mm 0,50 мм0.50 mm 0.25 мм0.25 mm Скорость на выходе из отводного потока, м/сThe speed at the outlet of the bypass stream, m / s 12,8712.87 9,849.84 5,305.30 2,052.05 0,940.94 Падение скоростиSpeed drop 13%13% 34%34% 49%49% 86%86% 94%94% Падение давления, ПаPressure drop, Pa 46,046.0 93,693.6 140,5140.5 153,0153.0 152,5152.5

Наблюдается существенное падение скорости отводного потока при ширине входного сечения менее 1% от радиуса цилиндрической поверхности проточной части (периферия закрученного потока). Скорость потока снижается до скорости гравитационного осаждения тяжелой фазы.A significant drop in the velocity of the discharge flow is observed when the inlet section is less than 1% of the radius of the cylindrical surface of the flow part (the periphery of the swirling flow). The flow rate decreases to the rate of gravitational deposition of the heavy phase.

Claims (1)

Способ разделения неоднородных смесей, включающий закрутку потока смеси с формированием вращательно-поступательного движения основного потока сплошной легкой фазы на всем протяжении процесса, осаждение дисперсной тяжелой фазы под воздействием центробежного поля с формированием слоя тяжелой фазы на периферии закрученного потока, отведение слоя тяжелой фазы с вторичным потоком сплошной легкой фазы с формированием отводного(ых) потока(ов), повторное осаждение тяжелой фазы под воздействием гравитационного поля, отведение вторичного потока сплошной легкой фазы в основной поток сплошной легкой фазы, отличающийся тем, что на всей периферии закрученного потока формируют многочисленные отводные потоки, каждый из которых дросселируют путем ограничения ширины входного сечения до величины, не превышающей 1% от радиуса периферии закрученного потока, при этом их направляют наружу под углом, не превышающим 45° от направления закрученного потока, затем редуцируют до скорости гравитационного осаждения тяжелой фазы путем плавного расширения с увеличивающимся отклонением в радиальном направлении от центра вращения закрученного потока, при этом поступательное движение основного потока сплошной легкой фазы на всем протяжении процесса не отклоняют в радиальном направлении к центру вращения. A method for separating inhomogeneous mixtures, including swirling the mixture flow with the formation of rotational-translational motion of the main flow of the continuous light phase throughout the process, the precipitation of the dispersed heavy phase under the influence of a centrifugal field with the formation of a heavy phase layer at the periphery of the swirling flow, removal of the heavy phase layer with the secondary flow continuous light phase with the formation of the diversion flow (s), reprecipitation of the heavy phase under the influence of the gravitational field, secondary discharge flow of a continuous light phase into the main stream of a continuous light phase, characterized in that on the entire periphery of the swirl flow, numerous bypass flows are formed, each of which is throttled by limiting the width of the input section to a value not exceeding 1% of the radius of the periphery of the swirl flow, while directed outward at an angle not exceeding 45 ° from the direction of the swirling flow, then reduced to the rate of gravitational deposition of the heavy phase by smooth expansion with increasing deviation in rad nom direction from the center of rotation of the swirling flow, thus the translational motion of the main flow continuous light phase throughout the process does not deflect in a radial direction toward the center of rotation.
RU2014101360/05A 2014-01-17 2014-01-17 Method for separation of inhomogeneous mixtures in centrifugal field RU2545277C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014101360/05A RU2545277C1 (en) 2014-01-17 2014-01-17 Method for separation of inhomogeneous mixtures in centrifugal field

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014101360/05A RU2545277C1 (en) 2014-01-17 2014-01-17 Method for separation of inhomogeneous mixtures in centrifugal field

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2545277C1 true RU2545277C1 (en) 2015-03-27

Family

ID=53383243

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014101360/05A RU2545277C1 (en) 2014-01-17 2014-01-17 Method for separation of inhomogeneous mixtures in centrifugal field

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2545277C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1544202A (en) * 1975-05-23 1979-04-11 Lucas Industries Ltd Filter
SU980849A1 (en) * 1981-03-20 1982-12-15 За витель .: I ,...J Method of separating dispersed phase from gas flow
SU1409312A1 (en) * 1986-07-03 1988-07-15 Центральное конструкторское бюро нефтеаппаратуры Centrifugal separating element
US5221299A (en) * 1992-10-27 1993-06-22 The Conair Group, Inc. Loading apparatus
US5224976A (en) * 1989-06-06 1993-07-06 N.V. Nederlandse Gasunie Device for separating liquids and/or solids from a high-pressure gas stream
RU58380U1 (en) * 2006-02-07 2006-11-27 Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской Академии наук VORTEX GAS-DYNAMIC SEPARATOR
RU73801U1 (en) * 2007-12-20 2008-06-10 Сергей Анатольевич Рогожкин SEPARATOR GAS-LIQUID VERTICAL VORTEX TYPE

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1544202A (en) * 1975-05-23 1979-04-11 Lucas Industries Ltd Filter
SU980849A1 (en) * 1981-03-20 1982-12-15 За витель .: I ,...J Method of separating dispersed phase from gas flow
SU1409312A1 (en) * 1986-07-03 1988-07-15 Центральное конструкторское бюро нефтеаппаратуры Centrifugal separating element
US5224976A (en) * 1989-06-06 1993-07-06 N.V. Nederlandse Gasunie Device for separating liquids and/or solids from a high-pressure gas stream
US5221299A (en) * 1992-10-27 1993-06-22 The Conair Group, Inc. Loading apparatus
RU58380U1 (en) * 2006-02-07 2006-11-27 Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской Академии наук VORTEX GAS-DYNAMIC SEPARATOR
RU73801U1 (en) * 2007-12-20 2008-06-10 Сергей Анатольевич Рогожкин SEPARATOR GAS-LIQUID VERTICAL VORTEX TYPE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3199268A (en) Particle-from-gas separators
Wang et al. Numerical study of the gas–liquid–solid flow in hydrocyclones with different configuration of vortex finder
FI89561C (en) FOERFARANDE FOER RENING AV EN GASSTROEM SOM INNEHAOLLER PARTIKLAR OCH EN GASRENINGSANORDNING ELLER PARTIKELTILLVARATAGNINGSANORDNING I FORM AV ETT VIRVELROER
US2338779A (en) Grading or separation of particles of solids, liquids, or gases
CN109621562A (en) A kind of multiple swirl gas-liquid separator
US3358844A (en) Device for increasing the total amount of separation of a vortex separator
CN108786285A (en) A kind of gas-liquid separation device
CN102343310A (en) Shunting core pipe and single-pipe cyclone separator with same
RU2664985C1 (en) Method and device for purification of air-dust flow
US4279627A (en) Fine particle separation apparatus
RU191344U1 (en) Cyclone and immersion pipe for gas separation
RU176513U1 (en) DUST CATCHER CLASSIFIER
RU2545277C1 (en) Method for separation of inhomogeneous mixtures in centrifugal field
RU195513U1 (en) "Dust Collector Classifier"
ITMI20102239A1 (en) DYNAMIC, CYCLONIC, AXIAL AND VARIABLE FLOW SEPARATOR
US20200164388A1 (en) Uniflow cyclone separator
JP6533522B2 (en) Cyclone-type powder classifier
US3348683A (en) Method of separating particles in liquid suspension in a hydrocyclone for separatingarticles in liquid suspension
AU2016351053A1 (en) Cyclone system
RU2552440C2 (en) Straight-flow cyclone
RU2624111C1 (en) Venturi scrubber with finely divided irrigation
RU199707U1 (en) Dust collector-classifier
US3019856A (en) Dust collector
CN104524825A (en) Efficient cyclone separation device and method
US9861913B2 (en) Centrifugal separator