RU2596740C2 - Способ снижения давления текучих сред и устройство, пригодное для этой цели - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу и устройству снижения давления. Устройство и способ снижения давления текучей среды, содержащей жидкую фазу, газовую фазу и твердую фазу, включающий пропускание текучей среды, давление которой нужно снизить, последовательно через множество стадий, соединенных друг с другом последовательно посредством первых нижних соединительных вставок, при этом на каждой стадии имеется пара вертикальных каналов, соединенных друг с другом в верхней части посредством вторых верхних соединительных вставок, при этом текучая среда движется снизу вверх в первом канале каждой стадии и сверху вниз во втором канале каждой стадии, причем в первом канале каждой стадии часть энергии давления текучей среды преобразуют в гравитационный потенциал, причем во втором канале часть гравитационного потенциала преобразуют в тепловую энергию, причем при объемном соотношении между газовой фазой и жидкой фазой выше чем 0,01 газовую фазу отводят из потока. Технический результата - снижение давления определенной текучей среды. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу снижения давления текучих сред и устройству, пригодному для этой цели.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу снижения давления текучих сред (жидкостей или жидких смесей, содержащих газовую фазу), которые могут переносить твердые частицы или агломераты. Настоящее изобретение также относится к устройству и соответствующим способам использования.

Устройство для реализации данного способа, объект настоящего изобретения, может быть эффективно использовано для снижения давления текучих сред, которые содержат твердые частицы или которые содержат материал, который может изменяться под действием трения или чрезмерного напряжения сдвига; или для снижения давления опасных текучих сред или текучих сред, с которыми работают в высоконадежных процессах, где вмешательство для технического обслуживания и возможность аварий должно быть сведено к минимуму; или для снижения давления текучих сред, которые по технологическим причинам или из-за особенностей продукта двигаются медленно.

В частности, устройство, являющееся объектом настоящего изобретения, эффективно в случае, когда транспортируемая текучая среда содержит твердую фазу, которая может периодически приобретать очень большие размеры, например, агрегаты, размер которых сравним с диаметром транспортного трубопровода.

Такие агрегаты могут образовываться, например, из обрезков термопластичных полимеров. Полимер в расплавленном состоянии обычно пропускают через множество отверстий в головке экструдера. При помощи непрерывно вращающихся набора ножей, лезвие которых соответствует поверхности головки, осуществляют гранулирование.

Гранулы, полученные таким способом, охлаждают и отводят посредством терморегулирующей текучей среды. Известны различные методики гранулирования, например, как описано в следующих патентах и патентных заявках: WO 03/106544; WO 03/053650; WO 2007/087001; WO 2007/089497. Более конкретно, устройство настоящего изобретения может быть применено в сочетании с оборудованием подводной резки или резки с водяным орошением, как описано в патенте WO 03/053650.

В данных вариантах применения транспортируемая текучая среда состоит из терморегулирующей текучей среды, обычно воды, и гранулированного термопластичного полимера.

Примерами термопластичных полимеров, к которым может быть применено настоящее изобретение, являются виниловые и винилароматические полимеры, необязательно вспенивающиеся. Более конкретно, настоящее изобретение может быть применено для снижения давления текучей среды, образующейся при гранулировании полистирола, вспенивающегося полистирола и их сплавов.

Устройство настоящего изобретения не ограничивается конкретными диапазонами давления. Давление на входе устройства, обычно, равно давлению текучей среды, выходящей из гранулятора, тогда как давление на выходе равно атмосферному. На самом деле, на выходе обычно находится устройство, предназначенное для отделения терморегулирующей текучей среды, возможно, устройство для просеивания и распределения продукта по размерам или сушилка. Все эти устройства обычно работают при атмосферном давлении.

Еще более конкретно, давление на входе, обычно, лежит в диапазоне от 100 кПа изб. до 2 МПа изб. (1 и 20 бар изб.), тогда как давление на выходе равно атмосферному или немного выше. В настоящем описании и прилагаемой формуле изобретения указываемое давление соответствует относительному давлению (изб.).

Хотя рабочая температура не ограничена конкретными значениями, вообще, это температура транспортируемой жидкости. В описанных выше вариантах применения температура, как правило, лежит в диапазоне от 0 до 100°С.

Уровень техники

В устройствах снижения давления эффект снижения давления достигается, обычно, посредством трения, то есть преобразования механической энергии текучей среды в тепловую энергию. Пластинчатый и регулировочный клапаны составляют часть этой категории устройств. Вообще, к этой категории принадлежат устройства, которые, уменьшая площадь поперечного сечения потока текучей среды, увеличивают ее скорость и, следовательно, силу трения (например, WO 2010/080037); или устройства, которые, увеличивая контакт текучей среды, давление которой нужно снизить, с поверхностью (например, путем введения решетки), вызывают увеличение падения давления вследствие трения (см., например, WO 2007/126863).

Такие устройства непригодны, если в текучей среде могут присутствовать твердые агломераты или другие каучукоподобные или даже липкие материалы, которые могут некоторым образом преграждать поперечное сечение вблизи горловины.

В снижающих давление устройствах второй категории предусматривается использование движущихся элементов, которые преобразуют энергию давления в механическую энергию самих элементов. К этой категории относятся турбины или насосы с реверсивным потоком, в которых текучая среда выступает в роли рабочей жидкости, и механическая работа, совершаемая таким образом, трансформируется в электроэнергию или используется повторно для сжатия или перекачивания другой текучей среды или просто рассеивается как тепловая энергия (см., например, патентную заявку США 2009/108480). К этой категории принадлежат устройства, в которых для снижения давления текучей среды затрачивается энергия, например центробежные насосы с реверсивным потоком, то есть со всасыванием на стороне пониженного давления и нагнетанием на стороне, где давление требуется снизить (см., например, WO 2007/131613).

В других устройствах используются движущиеся элементы, предназначенные для механического отделения зоны высокого давления от зоны низкого давления и одновременно перемещающие текучую среду, которая может содержать твердые частицы, из одной зоны в другую. Одним из примеров этой категории являются звездчатые клапаны, а вообще - устройства, в которых во вращение приводятся детали, имеющие пространства или каналы, циклически сообщающиеся с зонами низкого и высокого давления (см., например, JP 2007/268406).

Поскольку в этих устройствах имеются движущиеся элементы, они подвержены износу и обладают низкой надежностью. Кроме того, максимальный размер частиц переносимой твердой фазы намного меньше, чем размер трубопровода, а обычно высокая скорость сдвига препятствует их использованию в присутствии чувствительных текучих сред.

В описанных выше устройствах, особенно в устройствах, основанных на трении текучей среды, таких как регулировочные клапаны, достигаемое падение давления в большой степени зависит от расхода текучей среды, давление которой нужно снизить. Это ограничивает диапазон применения и может вызвать нестабильность работы в случае существенных колебаний расхода на входе.

К третьей категории относятся одноколонные барометрические устройства, включающие вертикальную трубу, по которой текучая среда, давление которой нужно снизить, также возможно содержащая газовую фазу, движется вверх, и энергия давления преобразуется в гравитационный потенциал, и устройство для последующего рассеивания этого потенциала, например, с использованием нисходящего канала, в котором устанавливается струйное течение. Для достижения такого эффекта, обычно, достаточно использовать трубу с довольно большим сечением и применить сифон, соединенный с атмосферой, в начале нисходящего канала, чтобы газовая фаза в нисходящем канале, имеющая, по существу, атмосферное давление, образовывала непрерывную фазу.

Даже если эти устройства также можно применить в случае использования текучих сред, содержащих твердые частицы, они, как правило, особенно низкоэффективны, когда требуется существенно снизить давление. Сила тяжести в реальности ограничена 9,8 м/с², а технологической жидкостью обычно является вода. Следовательно, высота трубы, необходимой для обеспечения 10 бар (1 МПа) относительного давления, будет превышать 100 метров. Тогда чрезвычайное значение приобретает опорное сооружение, которое может оказаться недопустимым из-за наличия других ограничений, например, порчи пейзажа или воздействия на окружающую среду.

Кроме того, использование этих устройств, для снижения давления текучих сред, содержащих и жидкую фазу, и газовую фазу, обычно ограничено из-за проблем нестабильности, возникающей вследствие временных колебаний падения давления на самом устройстве. Такая нестабильность может отрицательно сказаться на работе оборудования, находящегося в технологическом потоке до указанного устройства, например, такого как описанные выше грануляторы для термопластичных полимеров.

Наконец, использование этих устройств не позволяет регулировать падение давления, так как эта величина, как отмечалось ранее, связана, по существу, только с гидростатическим давлением. Следовательно, невозможно по необходимости динамически изменять величину падения давления.

Сущность изобретения

Устройство, объект настоящего изобретения, лучше описанное в прилагаемой формуле изобретения, составляющей неотъемлемую часть настоящего описания, позволяет снизить давление определенной текучей среды (например, воды), возможно, также содержащей газовую фазу и твердые частицы, без уменьшения площади поперечного сечения, без использования подвижных элементов и без ограничений, свойственных ранее описанным устройствам.

Снижение давления достигается путем пропускания текучей среды, давление которой нужно снизить, последовательно через множество стадий, соединенных друг с другом последовательно и связанных посредством первых соединительных вставок, или нижних сочленений, например U-образных, при этом на каждой стадии имеется пара вертикальных каналов, соединенных друг с другом посредством вторых соединительных вставок, или верхних сочленений, например U-образных, первый канал восходящий, второй канал нисходящий. Нижняя соединительная вставка этих стадий расположена между нисходящим каналом одной пары и восходящим каналом ближайшей последующей пары по ходу текучей среды.

Часть энергии давления текучей среды преобразуется в гравитационный потенциал в первом канале каждой стадии; гравитационный потенциал преобразуется в тепловую энергию во втором канале, чтобы предотвратить повторное преобразование в энергию давления.

В отличие от многих устройств известного уровня техники, в устройстве настоящего изобретения снижение давления из-за трения текучей среды с самим устройством, вообще, пренебрежимо мало.

В устройстве настоящего изобретения указанное выше преобразование энергии обычно достигается благодаря использованию первого канала, расположенного вертикально, в котором текучая среда проходит снизу вверх, и второго канала, имеющего, предпочтительно, больший диаметр по сравнению с первым каналом, в котором текучая среда проходит сверху вниз. Эти стадии можно повторять до тех пор, пока не будет достигнуто заданное давление. Введение или отведение газа (например, воздуха или азота) можно осуществлять между первым и вторым каналом на каждой стадии с тем, чтобы получать заданное давление в устойчивом режиме.

В частности, если текучая среда, давление которой нужно снизить, не содержит газ, он может быть введен. Такое введение может быть осуществлено в любой точке до второго канала первой стадии. Такое введение выгодно проводить между первым и вторым каналами первой стадии. Количество вводимого газа, вообще, регулируют так, чтобы отношение объемного расхода газа, измеренное при давлении на входе, к жидкости составляло менее 2.

При объемном соотношении газа и жидкости более 0,01 может быть полезным отводить из основного потока некоторое количество газа или, во всяком случае, обогащенной газом фазы относительно количества газа, присутствующего в основном потоке. Расход указанного отводимого потока можно с успехом регулировать при помощи регулировочных клапанов.

В частности, когда в основном потоке присутствует некоторое количество газовой фазы в объемном отношении к количеству жидкой фазы более 0,01, падение давления, создаваемое устройством, может испытывать сильные временные колебания.

В таких условиях использование указанного отведения потока, обогащенного газом, из основного потока неожиданно способствует устранению этих колебаний, таким образом, стабилизируя падение давления, создаваемое устройством.

Отношение площадей поперечного сечения нисходящего канала к восходящему каналу, вообще, меньше 30, более предпочтительно, меньше 10, еще более предпочтительно, меньше 5.

Поперечное сечение каждого канала может иметь любую форму, например, канал может иметь круглое эллиптическое или многоугольное сечение, например, квадратное или треугольное.

Количество пар каналов, вообще, лежит в диапазоне от 2 до 500; более предпочтительно, от 2 до 50; еще более предпочтительно, от 2 до 10.

Полученное таким образом устройство снижения давления может быть с успехом использовано для снижения давления жидкости или смешанных газо-жидкостных текучих сред, содержащих твердые частицы. Эти твердые частицы могут время от времени достигать значительных размеров (например, агломераты и агрегаты), то есть таких, что поперечное сечение устройств, обычно используемых для снижения давления (таких как клапаны или, в более общем смысле, каналы с уменьшенной площадью поперечного сечения), блокируется. В качестве альтернативы, устройство настоящего изобретения может быть использовано для текучих сред, содержащих материал, который может изменяться под действием чрезмерного трения или напряжения сдвига, типичных для пластинчатых устройств; или для опасных текучих сред или текучих сред, с которыми работают в высоконадежных процессах, где вмешательство для технического обслуживания и возможность аварий должны быть сведены к минимуму.

Более конкретно, устройство настоящего изобретения может быть применено в технологическом потоке после грануляторов для термопластичных полимеров, если давление в камере гранулирования необходимо поддерживать равным давлению больше атмосферного. Текучая среда, выходящая из таких грануляторов, как правило, состоит из технологической текучей среды, обычно содержащей жидкую фазу (воду), твердой фазы, содержащей гранулы полимера, и, необязательно, газовой фазы. Эта текучая среда время от времени также может содержать, особенно в пусковой период, твердые агломераты полимера.

Из грануляторов для термопластичных полимеров особенно большое значение имеют грануляторы подводной резки (такие как подводные грануляторы), в которых резку полимера осуществляют в среде технологической жидкости, обычно воды. Другим типом грануляторов, особенно хорошо подходящим для данного варианта применения, являются грануляторы с водяным орошением, например, такие как устройство, описанное в патенте US 7320585.

Из термопластичных полимеров особенно большое значение имеют ароматические алкениловые полимеры, такие как полистирол и его сплавы, например, стирол-акрилонитрил (SAN), акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), полистирол-полиэтиленовые сплавы. Эти полимеры, необязательно, могут содержать вспенивающие добавки, например, смеси изо- и нормального пентана, для придания свойства вспениваемости в присутствии надлежащего источника тепла. Из вспениваемых полимеров особенно большое значение имеет вспениваемый полистирол.

По сравнению с аналогичными ранее описанными устройствами, такими как одноколонные барометрические устройства, устройство настоящего изобретения неожиданно оказалось в значительной степени способным поддерживать падение давления без временных колебаний.

Кроме того, также по сравнению с описанными выше одноколонными барометрическими устройствами, устройство настоящего изобретения позволяет динамически изменять величину снижения давления. Следовательно, возможно установить желаемую величину снижения давления, вероятно, переменную во времени, без модификации самого устройства или перерывов в его работе.

Такое регулирование осуществляется путем открывания отводящих клапанов фазы, обогащенной газом, в режиме обратной связи относительно давления самой текучей среды или, предпочтительно, относительно разности давлений между верхним и нижним концами нисходящего канала.

Таким образом, вообще, возможно задать величину падения давления для стадий, следующих за первой стадией, в диапазоне от 20% до 80% гидростатического давления, возможного на каждой стадии.

Кроме того, устройство настоящего изобретения неожиданно оказалось в значительной степени нечувствительным к изменениям расхода текучей среды на входе. Это, вкупе с возможностью динамического изменения величины падения давления, делает устройство настоящего изобретения особенно гибким и, следовательно, пригодным для указанных выше вариантов применения.

Подробное описание изобретения

Устройство для осуществления данного способа, являющееся объектом настоящего изобретения, позволяет снижать давление определенной текучей среды, поддерживая разность давлений в значительной степени постоянной и в значительной степени независимой от расхода текучей среды.

Снижение давления достигается путем пропускания текучей среды, давление которой нужно снизить, последовательно через множество пар стадий. На первой стадии каждой пары часть энергии давления текучей среды преобразуется в гравитационный потенциал; на второй стадии гравитационный потенциал преобразуется в тепловую энергию, чтобы предотвратить его обратное преобразование в энергию давления.

Далее со ссылкой на прилагаемые чертежи описаны некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, которые не следует рассматривать как ограничивающие объем настоящего способа/устройства и которые не следует считать ограниченными тем техническим решением, которое приведено на чертежах, так как они могут быть применены в любом общем случае.

На фиг. 1 представлен первый вариант осуществления (далее именуемый «М1») устройства настоящего изобретения. Устройство первого варианта осуществления применимо, когда текучая среда, давление которой нужно снизить, не содержит газовой фазы, или объемное отношение расхода газовой фазы и жидкости, измеренное при давлении на входе, меньше 2, предпочтительно, меньше 0,5, еще более предпочтительно, меньше 0,2. Как показано на фиг. 1, устройство настоящего изобретения включает входное отверстие (31) текучей среды высокого давления, соединенное со множеством пар каналов, расположенных вертикально и соединенных последовательно (12, 13, 14, 15, 16, … 17, 18, 19). В первом канале каждой пары (12, 14, 16, … 18) текучая среда проходит снизу вверх, тогда как во втором канале (13, 15, … 17, 19) текучая среда проходит сверху вниз. Пары каналов могут повторяться до тех пор, пока не будет обеспечено заданное давление. Необязательно, газообразную текучую среду (33) подают между первым и вторым каналом первой стадии с расходом, возможно, регулируемым клапаном (23). Кроме того, на первой и/или второй стадии и/или стадии, следующей за указанными, в промежуточном положении между каналами каждой стадии часть указанной газообразной текучей среды (34), если она есть, может быть отведена, возможно, путем регулирования ее расхода посредством регулировочного клапана (25).

В предпочтительном варианте этой первой конфигурации восходящие каналы (12, 14, 16, … 18) могут иметь меньшую площадь поперечного сечения для текучей среды, чем нисходящие каналы (13, 15, … 17, 19). Вообще, отношение площади нисходящего канала к площади восходящего канала меньше 30, более предпочтительно, меньше 10, еще более предпочтительно, меньше 5. В частном случае сечение восходящего канала может быть равно сечению нисходящего канала. Напротив, соединительные элементы (22, 24), обычно конической формы, вставлены после каждого из каналов (восходящего или нисходящего).

Образующая канала может иметь любую форму. Труба, например, может быть спирально-витой или установленной под углом к вертикали. Труба является, предпочтительно, вертикальной.

Вдоль канала его сечение может меняться, например иметь место сужения или расширения. Это может быть выгодным, в основном, для сохранения большего сечения в криволинейных частях, чтобы облегчить прохождения возможных твердых агломератов.

Соединение (26) между восходящим и нисходящим каналами и (27) между нисходящим и восходящим каналами может представлять собой дугообразную трубу, предпочтительно, изогнутую с большим радиусом, чтобы избежать блокировки изгибов возможными агломератами большого размера.

Подача газа (33) может быть осуществлена с использованием источника с более высоким давлением, например, путем подачи компрессором. Дозирование газа может быть осуществлено, например, при помощи ротаметра или регулировочных клапанов, осуществляющих регулирование в обратной связи с расходомером газа, например, массметром или измерителем перепада давления через калиброванное отверстие (дифференциальный датчик давления).

Отводимый газ (34) также может содержать часть жидкой фазы и, возможно, твердой фазы, унесенной от входа (31). Отводимый поток (34) также, возможно, может иметь такой же состав, что и поступающая текучая среда (31), и сохранять такие же соотношения между массами жидкости, газа и, возможно, твердой фазы.

Количество пар каналов (стадия 12-13; стадия 14-15; и т.д.), вообще, лежит в диапазоне от 2 до 500; предпочтительно, от 2 до 50; еще более предпочтительно, от 2 до 10.

Количество пар каналов также может быть определено на основе того, какое падение давления требуется получить. Более конкретно, единичная результативность одной пары каналов может быть определена как гидростатическое давление восходящего канала (следовательно, равное произведению ускорения свободного падения на плотность жидкости или жидкости плюс твердой фазы, умноженное на разность (в кавычках) между верхом и низом восходящего канала). В соответствии с этим критерием, необходимое количество восходящих каналов представляет собой соотношение между падением давления, которое нужно получить, и единичной результативностью, деленное на результативность. Результативность, обычно, составляет от 0,2 до 1,1.

Неожиданно оказалось возможным изменять результативность путем изменения расхода отводимой текучей среды (34), например, путем регулирования степени открытия клапана (25) на линии отбора или клапана (23) на линии подачи газа. Следовательно, в отличие от гидростатических колонн, падение давления для которых задается, по существу, высотой столба текучей среды, в устройстве настоящего изобретения эти средства управления позволяют регулировать получаемое падение давления.

Если подаваемая текучая среда (31) содержит газовую фазу, отведение обогащенной газом фазы (34) может иметь решающее значения для предотвращения нестабильности потока, создающей сильные колебания падения давления, достигаемого данным устройством.

Является выгодным управлять клапаном (25) на линии отбора в обратной связи с сигналом или уровнем давления. Возможно, например, управлять каждым клапаном (25) на линии отбора в обратной связи с разностью давления, регистрируемой для текучей среды между началом и концом нисходящего канала непосредственно следующего за указанной точкой отведения газа.

Надлежащее регулирование с обратной связью посредством клапанов (25) на линии отбора, вообще, делает поток более стабильным, исключая указанные выше колебания, в частности, когда поток на входе (31) характеризуется колебаниями расхода или состава.

Восходящий и нисходящий каналы могут иметь разную длину, в частности, если удобно, чтобы устройство, расположенное до подачи текучей среды (31), находилось не на той же высоте, что и устройство, подсоединенное после выведения текучей среды (32).

На фиг. 2 представлен другой вариант осуществления (далее именуемый «М2») устройства настоящего изобретения. Эта конфигурация может быть применена, когда текучая среда, давление которой нужно снизить, содержит газовую фазу. Кроме того, эта конфигурация может быть применена, когда объемное отношение расхода газовой фазы и расхода жидкой фазы, измеренных при входном давлении, больше 0,05, предпочтительно, больше 0,15, еще более предпочтительно, больше 0,3.

Конфигурация «М2» отличается от конфигурации «М1» тем, что отведение газа (34) осуществляют также и на первой стадии в соединительном элементе между восходящим и нисходящим каналами. Указанное отведение может быть реализовано так же, как описано в отношении варианта осуществления «М1».

Конфигурации «М1» и «М2» могут быть объединены, так как и отведение, и подача газа производятся в одном и том же устройстве. Таким образом, возможно снижать давление потоков текучей жидкости, содержащих или не содержащих газовую фазу, в одном и том же устройстве.

Чтобы предотвратить блокирование отводного трубопровода твердым материалом, содержащимся в отводимом газе, и, в частности, регулировочных устройств (25), у входного отверстия отводного трубопровода может быть помещен фильтрующий элемент, предотвращающий прохождение твердых частиц крупнее определенного размера.

Для предотвращения закупоривания самого фильтрующего элемента может оказаться целесообразным либо размещать фильтрующий элемент внутри канала (26), чтобы сама технологическая текучая среда очищала фильтр; либо проводить промывку фильтра, предпочтительно, той же самой технологической жидкостью, чтобы он оставался чистым. Такая промывка может быть непрерывной или периодической, и может осуществляться как с рабочей стороны, то есть прямоточно относительно направления фильтрации, либо в противотоке.

Фильтрующий элемент может быть изготовлен в соответствии с известным уровнем техники. Пригодные фильтрующие элементы состоят, например, из металлических сеток с достаточно мелкими ячейками для того, чтобы предотвратить закупоривание следующего за фильтром оборудования, например, не больше, чем половина минимальной площади поперечного сечения. Напротив, сетки со слишком маленькими ячейками создают большое падение давления и возможность закупоривания самого фильтра твердыми частицами, присутствующими в технологической текучей среде.

Газы, полученные при отведении, могут быть отделены от текучей среды, например, с целью повторного использования, или выпущены в атмосферу, или снова введены в технологическую текучую среду.

Изъятие газа может быть осуществлено непосредственно или через сепаратор, размещенный перед началом нисходящего канала.

Сепаратор может представлять собой любое устройство, пригодное, по меньшей мере, для частичного отделения жидкой фазы от газовой фазы. К не имеющим ограничительного характера примерам сепараторов известного уровня техники относятся: резервуары с мешалкой и без, горизонтальные каналы (то есть перпендикулярные силе тяжести) или наклонные относительно вертикали каналы, циклоны, центрифуги.

Сепаратор состоит, по меньшей мере, из двух смежных основных элементов, первого элемента, площадь поперечного сечения текучей среды в котором увеличена, по меньшей мере, на 50% относительно площади поперечного сечения первого канала данной стадии, и второго элемента, площадь поперечного сечения текучей среды в котором возвращается к площади второго канала данной стадии, и, возможно, промежуточного элемента, который соединяет первый и второй элементы, при этом указанное отведение текучей среды осуществляют посредством сопла, расположенного на наружной стенке сепаратора.

Вообще, каждое устройство, в котором скорость потока текучей среды в направлении действия силы тяжести меньше, чем скорость восходящего движения газовой фазы в направлении, противоположном направлению действия силы тяжести (определяется как гидростатический напор), является сепаратором, пригодным для указанной цели.

В сепараторе другого типа в качестве альтернативы силе тяжести или совместно с ней используют центробежную силу с целью отделения жидкой текучей среды от газовой фазы. Центробежную силу может порождать сама текучая среда, например, находясь в спиральном движении; одним из примеров такого устройства является циклон. В качестве альтернативы, центробежная сила может быть приложена внешним источником; одним из примеров такого устройства является центрифуга.

На фиг. 3 представлен вариант осуществления изобретения «М3», в котором использованы указанные устройства отделения. Как показано на фиг. 3, устройство настоящего изобретения включает входное отверстие (31) текучей среды высокого давления, соединенное, как и в уже описанных вариантах осуществления изобретения, со множеством пар каналов, расположенных вертикально и соединенных последовательно. В первом канале каждой пары текучая среда проходит снизу вверх, тогда как во втором канале текучая среда движется сверху вниз. Пары, образующие стадию, могут повторяться столько раз, сколько нужно для достижения заданного давления. Необязательно, между первым и вторым каналом первой стадии подают газообразную текучую среду (33) с расходом, возможно, регулируемым клапаном (23). Указанное устройство (40) разделения фаз может быть помещено между первым и вторым каналами каждой пары. Часть газовой фазы, возможно, регулируемую клапаном (25), затем отводят (34), после чего обрабатывают, как описано выше.

Результативность устройства настоящего изобретения также можно регулировать путем изменения расхода подаваемой газовой фазы (31).

Нет необходимости размещать сепаратор в каждой паре каналов.

Далее приведены некоторые не имеющие ограничительного характера примеры настоящего изобретения, поясняющие ранее описанные варианты его осуществления.

Пример А1

На фиг. 4 и 5 показан пример сепаратора, предназначенного для использования в варианте осуществления «М3», описанном выше.

Поток, поступающий из соединительного элемента (26, фиг. 3), подают в телескопическую трубу (66) посредством фланца (61), откуда текучая среда поступает в сепаратор (65).

Сепаратор (65) состоит из отрезка трубы диаметром (D2), который намного больше, чем диаметр (D1) входной трубы (66). Отношение между D2 и D1, вообще, составляет, по меньшей мере, 1,2. Отношение между D2 и D1, предпочтительно, лежит в диапазоне от 1,5 до 10; еще более предпочтительно, отношение D2 к D1 лежит в диапазоне от 2 до 5.

Высота истечения (Н2), обычно, меньше, чем высота цилиндрической части (H1) сепаратора, чтобы отделение газовой фазы было максимальным. Дегазированная таким образом текучая среда поступает в нисходящий канал (13, фиг. 3) через фланец (62). Углы (А1) и (А2) для соединения дегазатора с телескопической трубой (66) и нисходящим каналом (62) могут иметь любую величину от 0 до 90. Более предпочтительно, (А1) и (А2) должны быть больше 10 и меньше 80.

Обогащенную газовой фазой текучую среду отводят через отверстие (63), расположенное в верхней части дегазатора. Необязательно, но возможно предусмотреть дополнительное отверстие (64) для введения чистой текучей среды сепаратора (65) или для введения газа с заданным расходом. Последнее может быть полезно, например, для предотвращения переполнения дегазатора на стадии пуска или при отклонениях параметров процесса.

Внутри дегазатора, необязательно, могут быть размещены сопла для очистки его внутренних стенок. В качестве очищающей жидкости может быть с успехом использована та же жидкость, что и в жидкой фазе, подаваемой через (61).

Телескопическая труба (66), необязательно, может заканчиваться элементом, гидродинамически усиливающим отделение газа, например изгибом (67), который расположен так, что выходящая текучая среда направляется тангенциально на стенки сепаратора (65), как показано на фиг. 5.

Пример А2

Со ссылкой на описанные выше варианты осуществления изобретения, поток (34), обогащенный газовой фазой, может быть отведен из верней части восходящих каналов (12, 14, 16, … 18) и нисходящих каналов (13, 15, … 17, 19) или из соединительного элемента (26). В качестве альтернативы, указанный поток может быть отведен из сепаратора (40), подсоединенного между двумя каналами, как показано в варианте осуществления «М3», описанном выше.

Фильтрование может быть полезным для предотвращения закупоривания или нарушения нормальной работы расположенного далее оборудования, такого как, например, клапаны (25), которые могут быть установлены с целью регулирования и контроля выходящего потока, негазообразными компонентами указанного потока, обогащенного газовой фазой.

Фильтрующий элемент может быть преимущественно расположен внутри или на стенке сепаратора или упомянутых выше элементов. В качестве альтернативы, он может быть установлен по ходу выходящего потока среды, обогащенной газовой фазой. В последнем случае, указанный фильтрующий элемент, предпочтительно, располагают ближе к началу канала и, следовательно, вблизи от устройства, из которого указанный поток текучей среды отводится.

На фиг. 6 показан пример того, как указанный фильтрующий элемент может быть исполнен.

Поток (63), обогащенный газовой фазой, проходит сквозь фильтр (74), расположенный в канале (78), по которому указанный поток (63) текучей среды выводят из устройства или канала (65).

Фильтр может быть реализован как «сэндвич» между отверстием (72) устройства или канала (65) и отводным каналом (78). В таком варианте фильтр закрепляется путем смыкания фланца (71) и контрфланца (72). Для обеспечения герметизации возможно использование прокладок в соответствии с известным уровнем техники.

Для предотвращения блокирования фильтра (74) агломератами или другой твердой фазой может быть целесообразным использование промывки струей жидкости (69). Промывочная жидкость (69) может быть подана через инжектор (73), соединенный посредством надлежащего соединительного элемента (75) с трубопроводом промывочной жидкости, который затем ориентируют при помощи надлежащего элемента (76) относительно фильтрующего элемента (74), например, в направлении, противоположном направлению движения потока (63), обогащенного газовой фазой.

Эффективно использование сопла (77), которое преобразует энергию давления промывочной жидкости в кинетическую энергию. Таким образом, облегчается очистка фильтра (74).

Элемент (73) также может представлять собой прослойку между фланцами (71) и (72) и может быть установлен до или после фильтрующего элемента (74).

На фиг. 7 показан пример варианта осуществления фильтрующего элемента. Он образован стальной кольцевой пластиной (74), к которой приварено 4 ножки, например стальных стержня (75), надлежащим образом зафиксированных на кольцевой пластине (например, путем сварки).

Фильтр образует прослойку между двумя фланцами. Прокладки, которые установлены по обеим сторонам кольцевой пластины, обеспечивают герметизацию после затягивания болтов на фланцах.

Некоторые наглядные примеры практического осуществления ранее описанных вариантов приведены далее.

Пример 1

Создано устройство для снижения давления текучей среды в соответствии с описанным выше вариантом осуществления «М2».

Текучая среда (31) на входе в устройство снижения давления состоит из смеси воды, подаваемой с расходом 7 т/ч, и воздуха, подаваемого с расходом 1500 л (н.у.)/ч.

Первая пара каналов представляет собой следующее. Восходящий канал (12) образован стальной трубой с номинальным диаметром 3 дюйма (внутренний диаметр согласно каталогу 77,83 мм), длиной 3000 мм, установленной вертикально. Отрезок (22) меняющегося сечения состоит из выпускаемого серийно сужения от 3 дюймов (7,62 см) до 4 дюймов (10,16 см) (номинальные величины). Дугообразный соединительный элемент (2 6) состоит из двух стандартных дугообразных деталей, изгибающихся под углом 90°, между которыми помещен прямой горизонтальный отрезок длиной 2 00 мм, и то, и другое в сечении 4 дюйма (10,16 см), в нем имеется отверстие, соединенное с шаровым клапаном (25). Другой конец шарового клапана открыт в атмосферу. Нисходящий канал (13) имеет номинальный диаметр 4 дюйма (10,16 см) (внутренний диаметр, согласно каталогу, 102,3 мм) и длину также 3000 мм. Отрезок (24) меняющегося сечения также образован выпускаемым серийно сужением от 3 дюймов (7,62 см) до 4 дюймов (10,16 см). Дугообразный соединительный элемент (27) состоит из двух дугообразных деталей, изгибающихся под углом 90, с прямым горизонтальным отрезком длиной 200 мм между ними, и то, и другое номинальным диаметром 3 дюйма (7,62 см).

Эта схема повторяется еще три раза, образуя 4 последовательных пары восходящих/нисходящих каналов. Поток, выходящий из последнего канала, льется сверху в резервуар, находящийся при атмосферном давлении.

В этом примере клапан (25) на линии отбора фазы, обогащенной газом, закрыт.

Давление, измеряемое манометром в потоке текучей среды на входе в устройство (31) снижения давления, равно 1,05 бар изб. (эквивалентно 105 кПа изб.). Это давление остается стабильным. Манометр, расположенный на выходе последнего канала, показывает атмосферное давление.

Сравнительный пример 1

То же устройство, что и в примере 1, повернуто на 90° так, что каналы (12, 13, …) больше не являются вертикальными (то есть, совпадающими с осью земного притяжения).

Текучая среда (31) на входе в устройство снижения давления состоит из смеси воды и воздуха в той же пропорции и с теми же расходами, что и в Примере 1.

Давление, измеряемое манометром, расположенным в текучей среде на входе в устройство (31) снижения давления, в среднем, равно давлению, которое ниже минимального порога и, следовательно, меньше 0,15 бар изб. (эквивалентно 15 кПа изб.). Манометр, расположенный на выходе последнего канала, показывает атмосферное давление.

Пример 2

Используется то же устройство, что и в Примере 1, в которое поступает текучая среда (31), состоящая из 19,5 т/ч воды и 10500 л(н.у.)/ч воздуха. Давление, измеряемое манометром, расположенным на входе в устройство, не постоянно и изменяется за период менее минуты от 0,5 до 0,9 бар изб. Клапан (25) на линии отбора фазы, обогащенной газом, открыт. Давление, измеряемое манометром, теперь постоянно и равно 0,8 бар изб.

Пример 3

Создано устройство для снижения давления текучей среды в соответствии с описанным выше вариантом осуществления «М3».

В нем использовано три пары каналов. Первый восходящий канал (12) имеет диаметр 150 мм, длину 25 метров и расположен вертикально. Дугообразный соединительный элемент (26) состоит из четырех стандартных деталей, изгибающихся под углом 45, с прямым горизонтальным отрезком длиной 300 мм между ними. Введение газа (33) осуществляется посредством сопла в сепаратор.

Сепаратор изготовлен в соответствии с вариантом, описанным в Примере А1. Выходящий поток газа фильтруют при помощи устройства, соответствующего Примеру А2, используя в качестве промывочной жидкости воду под давлением.

Второй восходящий канал имеет высоту 30 метров, третий восходящий канал имеет высоту 35 метров. Нисходящие каналы образованы трубами диаметром 400 мм. Выходящая текучая среда (32) имеет атмосферное давление.

В устройство снижения давления подают поток воды, азот под давлением и гранулы вспениваемого полистирола, получаемые путем гранулирования расплава вспениваемого полимера, как описано в патенте US 7320585.

Подают воду с расходом в диапазоне от 10000 до 150000 кг/ч; азот с расходом в диапазоне от 0 м³ (н.у.)/ч до 200 м³ (н.у.)/ч; от 1000 до 10000 кг/ч гранул вспениваемого полистирола со средним диаметром в диапазоне от 0,7 до 2,0 мм и агломератов со средним размером менее 100 мм.

Пример 4

В устройство, соответствующее Примеру 3, подают поток воды 60000 кг/ч и 12 м³ (н.у.)/ч азота.

Регулирующий клапан (23) подачи газа и клапан (25) отбора фазы, обогащенной газом, закрыты.

Давление, измеряемое на входе в устройство, стабильно и равно 7,3 бар (730 кПа). Пример 5

В устройство, соответствующее Примеру 3, подают поток воды 60000 кг/ч и 50 м³ (н.у.)/ч азота.

Регулирующий клапан (23) подачи газа закрыт. На первой и второй стадиях клапаны (25) отбора фазы, обогащенной газом, регулируют в обратной связи с разностью давления, регистрируемой между сепаратором (40) той же стадии и последующей стадии. Клапан (25) отбора фазы, обогащенной газом, сепаратора (40) первой стадии, следовательно, функционирует в обратной связи с разностью давлений, регистрируемой между сепаратором первой стадии и сепаратором второй стадии, тогда как клапан отбора сепаратора второй стадии функционирует в обратной связи с разностью давлений, регистрируемой между сепаратором второй стадии и сепаратором третьей стадии. Клапан (25), расположенный в сепараторе третьей стадии, наоборот, полностью открыт.

Все эти три клапана (25), указанные выше, соединены с нижним концом нисходящего канала третьей стадии. Разность давления, заданная для регулировочного клапана первой стадии, равна 2,2 бар (220 кПа), тогда как разность давления, установленная на регулировочном клапане второй стадии, равна 2,6 бар (260 кПа). Давление, измеряемое на входе в устройство, стабильно и равно 6,8 бар (680 кПа).

Пример 6

Повторен Пример 5, за исключением того, что разность давления, заданная для регулировочного клапана первой и второй стадии, одинакова и равна 0,7 бар (70 кПа). Давление, измеряемое на входе в устройство, стабильно и равно 3,4 бар (340 кПа). Пример 7

Создано устройство для снижения давления текучей среды в соответствии с описанным выше вариантом осуществления «М2», в котором, однако, нет системы промежуточного отведения текучей среды (34).

Текучая среда (31) на входе в устройство снижения давления состоит из смеси жидкого пентана, подаваемого с расходом 0,8 кг/ч, и азота, подаваемого с расходом 0,04 л (н.у.)/ч азота.

Восходящие каналы образованы трубами с внутренним диаметром 6 мм, длиной 500 мм, расположенными вертикально. Нисходящие каналы образованы трубами с внутренним диаметром 20 мм и длиной 500 мм.

Общее число пар восходящих и нисходящих каналов равно 100. Получаемое падение давления равно 1,8 бар (180 кПа).

Claims (16)

1. Способ снижения давления текучей среды, содержащей жидкую фазу, газовую фазу и твердую фазу, включающий пропускание текучей среды, давление которой нужно снизить, последовательно через множество стадий, соединенных друг с другом последовательно посредством первых нижних соединительных вставок, при этом на каждой стадии имеется пара вертикальных каналов, соединенных друг с другом в верхней части посредством вторых верхних соединительных вставок, при этом текучая среда движется снизу вверх в первом канале каждой стадии и сверху вниз во втором канале каждой стадии, причем в первом канале каждой стадии часть энергии давления текучей среды преобразуют в гравитационный потенциал, причем во втором канале часть гравитационного потенциала преобразуют в тепловую энергию, причем при объемном соотношении между газовой фазой и жидкой фазой выше чем 0,01 газовую фазу отводят из потока.

2. Способ по п. 1, в котором введение или отведение текучей среды, содержащей газовую фазу, осуществляют в регулируемом режиме между первым и вторым каналом каждой стадии.

3. Способ по п. 1, в котором указанное отведение осуществляют в сепараторе фаз, расположенном между первым и вторым каналами данной стадии.

4. Способ по п. 1 или 3, в котором указанное отведение регулируют в обратной связи с разностью давления, измеренной между нижним и верхним концами второго канала той же стадии, на которой осуществляют отведение.

5. Способ по п. 3, в котором указанное отведение регулируют в обратной связи с разностью давления, измеренной между сепаратором той же стадии, на которой осуществляют отведение, и сепаратором последующей стадии.

6. Способ по п. 1, в котором подаваемая текучая среда поступает из гранулятора для термопластичных полимеров.

7. Способ по п. 1, в котором второй канал имеет больший диаметр по сравнению с первым каналом.

8. Способ по п. 1, в котором количество стадий лежит в диапазоне от 2 до 500.

9. Способ по п. 8, в котором количество стадий лежит в диапазоне от 2 до 50.

10. Способ по п. 9, в котором количество стадий лежит в диапазоне от 2 до 10.

11. Устройство снижения давления текучей среды, содержащей жидкую фазу, газовую фазу и твердую фазу, соответствующее способу по любому из предшествующих пунктов, которое включает множество стадий, соединенных последовательно посредством первых нижних соединительных вставок, при этом каждая стадия образована парой вертикальных каналов, соединенных в верхней части посредством вторых соединительных вставок, при этом текучая среда движется снизу вверх в первом канале каждой стадии и сверху вниз во втором канале каждой стадии, причем между первым каналом и вторым каналом каждой стадии расположен сепаратор фаз.

12. Устройство по п. 11, которое дополнительно включает одно или несколько приспособлений для введения газа и/или одно или несколько приспособлений для отведения текучей среды, расположенных между двумя каналами, по меньшей мере, одной стадии.

13. Устройство по п. 12, в котором указанное отведение текучей среды осуществляют в сепараторе, расположенном между первым и вторым каналом каждой стадии.

14. Устройство по п. 13, в котором указанный сепаратор состоит, по меньшей мере, из двух смежных основных элементов, первого элемента, площадь поперечного сечения текучей среды, в котором увеличена, по меньшей мере, на 50% относительно площади поперечного сечения первого канала данной стадии, и второго элемента, площадь поперечного сечения текучей среды в котором возвращается к площади второго канала данной стадии, и, возможно, промежуточного элемента, который соединяет первый и второй элементы, при этом указанное отведение текучей среды осуществляют посредством сопла, расположенного на наружной стенке сепаратора.

15. Устройство по п. 14, в котором текучую среду подают в сепаратор посредством телескопической трубы, по которой текучая среда поступает непосредственно в промежуточный элемент.

16. Устройство по п. 15, в котором текучую среду, выходящую из телескопической трубы, подают в сепаратор в тангенциальном направлении относительно его боковой стенки.

Images