RU2818428C1 - Центробежно-вихревая термодинамическая установка сепарационной очистки газообразных продуктов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к сепарационным аппаратам и установкам для разделения газожидкостных потоков, поступающих под напором давления, определяемым условиями технологической установки. Центробежно-вихревая термодинамическая установка включает центробежно-вихревой сепаратор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус 1, входные 2, 3, 4, 5 и выходные патрубки 6, 7, двухпоточный ввод-поток I, поток II, сепарационную камеру 8 с завихрителями 9, цилиндрическую вставку 10, размещенную в нижней половине внутреннего корпуса сепаратора в секциях (А), (В) и (С), образующую со стенками корпуса кольцевой канал 11 для отвода отсепарированной жидкости. Рядом с сепаратором вертикально размещена вихревая труба 12 в секциях (С) и (G), с получением холодного - III и горячего - IV газообразных потоков, выводимых посредством патрубков 4, 5, с установленными на них вентилями регулировки 13, 14. Ввод газожидкостного потока в сепаратор осуществлен раздельно трехпоточными тангенциальным нижним 2 и двумя аксиальными верхними 4, 5 патрубками, которые расположены на разных высотных отметках корпуса. Ввод потока посредством патрубка 2 с установленными на нем вентилями регулировки 15, 16 осуществлен в циклонное устройство, размещенное в секции (В). Ввод аксиальных холодного и горячего потоков, выходящих из вихревой трубы, осуществлен посредством патрубков, размещенных в секциях (G) и (Е). На кромке нижнего конуса вертикально закреплена вплотную обрамляющая его лента 18, причем диаметры нижнего 17, с обрамляющей лентой, и верхнего конусов меньше внутреннего диаметра цилиндрической вставки и образуют с ней кольцевые каналы 21 и 23. На верхнем конусе установлено дно 22, на котором размещена сепарационная камера, вход в которую осуществлен по кольцевому каналу 23. В центре диска имеется отверстие 27а, в котором размещен рабочий цилиндроконический патрубок 28, в средней цилиндрической части которого установлен кольцевой патрубок 29 с верхними сквозными отверстиями 30, а на конической части цилиндроконического патрубка размещены горизонтально параллельные пластины 31 с равными промежуточными расстояниями. Верхнее основание конуса перекрыто решетчатой перегородкой 32. В центре перегородки имеется отверстие 33 с диаметром, равным внутреннему диаметру конической части патрубка и вплотную примыкающим к решетчатой перегородке, а сверху нее размещен обрамляющий цилиндроконический купол 34, состоящий из нижнего цилиндра и совмещенного с ним конуса с открытым выходом 36 сверху. В верхней части полости конуса размещен наконечник 39 с патрубком 40 и 7 для вывода отсепарированного газа - поток V, и установленного на патрубке запорно-регулирующего вентиля 41, выходящего за пределы корпуса сепаратора. В нижней кубовой части - вывод отсепарированной жидкости - поток VI, установлен патрубок 6 с запорно-регулирующим вентилем 42. Слой теплоизоляции представляет собой перлит или жидкий керамический слой теплоизоляционного покрытия КОРУНД. Изобретение обеспечивает сепарацию напорного потока газожидкостной смеси с использованием термодинамических условий работы центробежно-вихревого сепаратора с эффективным выделением основной крупнокапельной жидкой фазы и мелкодисперсной взвеси и отведением жидкой фазы без вторичного уноса. 4 ил.

Description

Изобретение относится к сепарационным аппаратам и установкам для разделения газожидкостных потоков, поступающих под напором давления, определяемом условиями технологической установки, например давления газа, поступающего из магистрального газопровода, скважины месторождения или ГРС системы в сепаратор. В частности, на ГРС производится снижение давления газа приводит к соответствующему его охлаждению. Это может приводить к образовыванию гидратов и к охлаждению оборудования станции.

Наиболее распространено использование магистрального природного газа, т.к. состав его регламентирован, Однако в силу протяженности транспортировки по трубопроводам часто возникает необходимость его очистки и стабилизации состава. Особенно это относится к составу газа, добываемого из скважины.

Компонентный состав пластового природного или другого газа точно не известен, но обычно его состав определяется от бутанов или гексана включительно, а все остальные компоненты объединяются в группу (фракцию) пентан или гептан плюс высококипящие. Определение равновесного разделения на газовую и жидкую фазы легких смесей, состоящих в основном из парафиновых углеводородов.

Фазовое превращение многокомпонентной смеси описывается системой уравнений фазовых концентраций, позволяющей рассчитывать разделение исходной системы на газовую и жидкую фазы и компонентный состава фаз в условиях термодинамического равновесия. Расчет выхода конденсата на каждой ступени сепарации в зависимости от параметров давления и температуры.

При этом природный газ газовых месторождений в пластовых условиях насыщен водяными парами. В газоконденсатных месторождениях в газе содержатся также пары конденсата, которые при пластовых условиях находятся в насыщенном и иногда в ненасыщенном состояниях.

Поэтому указанные особенности необходимо учитывать в разрабатываемых конструкциях сепарационных аппаратов для разделения газожидкостных систем на составляющие фазы, которые и осуществляются в сепараторах.

Процессы разделения в сепараторах определяются параметрами давления и температурой, причем по условиям, выдвигаемым технологией, например низкотемпературной сепарации низкомолекулярных углеводородных газовых систем, к которым относится, например, природный газ в основном, состоящий из метана, фр. С₂, С₃ и другие, которые относятся к неоднородным гетерогенным газожидкостным смесям, которые разделяют на составляющие фазы в сепарационных аппаратах, в которых отклонение давления от давления максимальной конденсации в сторону ее уменьшения приводит к резкому снижению выхода конденсата даже при снижении температуры сепарации.

Так, в многоступенчатых сепараторах осуществляется периодическое расширение или сужение при изменении проходного сечения, что приводит к возможным промежуточным охлаждением газового потока температура сепарации снижается и повышается выход конденсата. Это возможно благодаря конструктивным и технологическим особенностям сепарационного аппарата, что следует учитывать при повышении производительности и эффективности сепарационного аппарата. Скорость движения газа и время пребывания его в сепараторах определяется эффективностью сепарационного аппарата.

При этом параметры давления сепарации определяется ретроградными явлениями, т.е. природой самого газообразного продукта, воздействовать на которые невозможно. Температура сепарации на входе и выходе из сепарационного аппарата определяется заданными условиями.

Но в данной разработке конструкций сепараторов используются центробежно-вихревые устройства с возможностью регулирования термодинамических параметров температуры и давления, что позволит избежать нежелательных процессов гидратообразования путем регулирования и достижения оптимальных параметров сепарационного процесса.

Аналогом заявленного технического решения является центробежно-вихревой сепаратор по патенту RU 2320395 С2 B01D 45/12(2006.01) от 26.02.2006 [1]. Сепаратор содержит вертикальный корпус, крышку, входной, выходной, сливные патрубки, дефлектор, установленный по ходу вращения газожидкостного потока; плоское и ложное днища с центральными отверстиями и полый цилиндр, вмонтированный в них; вертикальный сепарационный пакет, состоящий из плоских пластин с изогнутыми в противоположные стороны входными и выходными кромками, образующими в зоне нахлестки сепарационные щели.

Изобретение предназначено для осаждения и выделения из газожидкостного потока пленочной, капельной, мелкодисперсной взвеси. Однако имеются недостатки.

Исходная газожидкостная смесь, подводится в аппарат через входной патрубок 5, смещенный по горизонтали относительно осевой линии корпуса позволяет создать скользящий удар о поверхность дефлектора 6, установленного по ходу вращения потока, допускает в результате удара газожидкостной смеси, приведет к дроблению наиболее укрупненных капель жидкости и образованию мелкодисперсной смеси, которая проникнет внутрь сепарационного пакета, что приведет к уносу с газовым вихрем в выходной патрубок уже отсепарированного газа, что недопустимо.

Также, при этом создается множество зон завихрения, порождающих турбулентность, в результате чего снижается эффективность сепарации, производительность и повышаются гидродинамические потери.

Известен вихревой очиститель газа RU 1060206 B01D 45/12 от 15.12.1983 [2], содержащий корпус с входным и выходным осевыми патрубками, сливную камеру, завихрители и экранирующую вставку, расположенную коаксиально между патрубками и корпусом, при этом он снабжен перегородкой, укрепленной на выходном патрубке и образующей со стенками корпуса канал, сообщающий полость корпуса со сливной камерой, а экранирующая вставка выполнена в виде расширяющегося по ходу газа усеченного корпуса с криволинейной боковой поверхностью, большее основание которого переходит в кольцевой желоб, сообщенный трубками со сливной камерой.

Цель достигается тем, что вихревой очиститель газа путем очистки от жидких или твердых взвешенных частиц по входному патрубку 2 поступает в кольцевой канал 18, проходит завихритель 5, формирующий основной вихрь, и направляется в рабочую трубу 6. В рабочей трубе частота вращения потока нарастает пропорционально уменьшению радиуса и соответственно возрастают центробежные силы, действующие на частицы. Под действием этих центробежных сил сразу после прохождения завихрителя очищаемый газ начинает расслаиваться на более и менее насыщенные частицами слои. Чем ближе к периферии вихревого потока находятся слои газа, тем больше они насыщены взвешенными частицами, оттесненными туда центробежными силами.

Затем, очищаемый газ поступает в камеру 11, куда с вторичным вихрем сливаются периферийные загрязненные слои основного потока с выделением взвесей. В результате совместного взаимодействия вторичного вихря и движения взвешенных частиц и движения газа по стрелке 19 осуществляется разделение газа от взвесей. При этом не выделенные частицы газа со временем коагулируют и сепарируются. Отсепарированные частицы выводятся через кольцевой канал 17 и попадают в камеру 16, а затем отсепарированный газ основного вихря попадает в патрубок 8 и поступает потребителю.

Недостатки: очень сложная конструкция упорядочения движения вторичного вихревого потока и система его очисткой от взвешенных частиц и пути их отвода, причем сложность в практическом изготовлении геометрических профилей сепарируемых конструктивных элементов.

Прототипом заявляемого изобретения является центробежно-вихревой сепаратор по патенту РФ: RU 2760690 B01D 45/12 (2021. 08), от 30.03.2021 [3]. Сепаратор содержит вертикальный цилиндрический корпус, входной и выходные патрубки, цилиндрическую вставку, образующую со стенками корпуса кольцевой канал для отвода отсепарированной жидкости, причем ввод газожидкостного потока осуществлен раздельно двухпоточными тангенциальными нижним и верхним патрубками, которые расположены на разных высотных отметках корпуса.

Ввод потока посредством нижнего тангенциального патрубка осуществлен в сепарационную камеру через кольцевой канал и завихритель с щелевыми тангенциальными прорезями. Сепарационная камера снизу закрыта дном, а сверху - диском, в центре которого размещен рабочий патрубок с коническим выходным отверстием-диафрагмой, а в месте установки диска на границе стыковки с цилиндрической вставкой имеются сквозные отверстия. На выходе отверстия-диафрагмы рабочего патрубка установлена коническая направляющая, над которой установлено циклонное устройство, состоящее из нижнего и верхнего конусов, примыкающих основаниями к циклонному патрубку. При этом верхний конус равен внутреннему диаметру цилиндрической вставки и примыкает к ней вплотную, а нижний конус меньше внутреннего диаметра цилиндрической вставки и образуете ней кольцевой зазор. На циклонном патрубке имеются сквозные тангенциальные прорези.

В верхней секции размещен соосно вертикальный сепарационный отбойник, представляющий соединенных между собой цилиндр, нижнего и верхнего конусов. При этом нижний конус состыкован с верхним конусом циклонного патрубка, на цилиндрическом патрубке имеются вертикальные сквозные прорези, а на наружной поверхности цилиндрического патрубка, расположены винтообразно тарелки с диаметрами меньшими, по сравнению с внутренним диаметром цилиндрической вставки, образуя зазор между краями винтообразных тарелок и цилиндрической вставкой.

Сепарационный отбойник сверху закрыт конической образующей, имеющей отверстие в центре, а на некотором расстоянии с параллельным зазором центральная область над отверстием закрыта конусом, перекрывающим это отверстие. В верхней зоне сепаратора размещен патрубок с коническим наконечником, выходящим из корпуса сепаратора и размещенного на патрубке запорно-регулирующего вентиля. В нижней зоне корпуса сепаратора установлен патрубок, выходящий за пределы корпуса с установкой на патрубке запорно-регулирующего вентиля для вывода отсепарированной жидкости.

Способ работы центробежно-вихревого сепаратора заключается в том, что газожидкостная смесь двумя потоками (поток I и II) под давлением подводится в вертикальный цилиндрический корпус сепаратора 1. Двухпоточный подвод осуществлен тангенциально нижним патрубком 2 и верхним патрубком 4,которые расположены на разных высотных отметках корпуса. Подвод потока нижнего тангенциального патрубка 2 с запорным вентилем 3 осуществлен ввод в сепарационную камеру 8 через кольцевой канал 9 и завихрители 10 со щелевыми тангенциальными прорезями 11.

В результате, закрученный в циклонном устройстве газожидкостной поток газа, за счет центробежных сил, разделяется на два вращающихся потока на осевой и периферийный, а потому - из периферийного, выделяется отсепарированная жидкость, которая стекает в кольцевую щель 20 по стенке цилиндрической вставки вниз, накапливается на поверхности диска 13, а затем стекает через отверстия (14а) в кольцевое пространство 7, с последующим поступлением в кубовый сборник 34.

Недостатки:

Ввод газожидкостного потока осуществлен раздельно двухпоточными тангенциальными нижним и верхним патрубками, которые расположены на разных высотных отметках корпуса, причем ввод основного потока осуществлен в сепарационную камеру с завихрителями, а верхнего потока - в циклонное устройство.

Однако более целесообразно основной поток газожидкостной смеси вначале направить в циклонном устройстве на первую ступени сепарации, так как это позволит отделять основное количество крупно капельной взвеси на умеренных скоростях, а на 2-й ступени - в сепарационной камере с завихрителями, работающие при более высоких скоростях, отделить мелкодисперсную взвесь.

При этом некоторые компоненты газожидкостной смеси содержат углеводородные компоненты, которые возможно выделить только с использованием термодинамических процессов, т. е. изменения параметров температуры и давления, например использования вихревой трубы, генерирующей горячий и холодные потоки.

Но, в этом случае необходимо создание изотермических условий, например используя эффективные виды теплоизоляции.

Приведенные недостатки были устранены в предлагаемом изобретении -многоступенчатый центробежно-вихревой сепаратор, в котором решены следующие задачи:

- на первой ступени предусмотрено циклонное устройство, в котором осуществлено отделение основного количества жидкой фазы в поле центробежных сил, с помощью которых образуются приосевой и периферийный, в котором концентрируются наиболее крупнокапельная взвесь;

- после циклонного устройства размещена сепарационная камера с завихрителями, а в центре камеры размещен цилиндроконический патрубок, по которому проходит закрученный поток для последующей сепарации;

- окончательная сепарация осуществлена в тангенциально- осевом завихрителе, предназначенный для последующей сепарации остаточного количества мелкодисперсной взвеси жидкой фазы.

Кроме того, для обеспечения термодинамических условий работы центробежно-вихревого сепаратора рядом с сепаратором вертикально размещена вихревая труба с получением холодного и горячего газообразных потоков и вводом в сепаратор раздельно трех поточными тангенциальным нижним и двумя аксиальными верхними патрубками, которые расположены на разных отметках корпуса.

Также использована тепловая изоляция.

Техническое решение по центробежно-вихревой термодинамической установке:

На фиг. 1 представлен схематический разрез общего вида установки, на фиг. 2 представлено сечение сепаратора в разрезе «А-А», на фиг. 3 представлено сечение сепаратора в разрезе «В-В», на фиг. 4 представлен общий вид вихревой сепарационной трубы.

Центробежно-вихревая установка разделена на следующие секции: А - секция отсепарированной жидкости; В - секция циклонного устройства; С - секция сепарационной камеры и вихревой трубы; G - секция ввода холодного потока; Е - секция ввода горячего потока; Z - секция вывода отсепарированного газа низкого давления.

Технологические потоки (фиг. 1 и фиг. 4): I - ввод исходного потока газа посредством тангенциального патрубка; II - отвод для ввода части исходного потока I в вихревую трубу; III - ввод холодного потока; IV - ввод горячего потока; V - вывод отсепарированного газа; VI - вывод отсепарированной жидкости; VII - ввод охлаждающей жидкости; VIII - вывод охлаждающей жидкости.

Элементы конструкции центробежно-вихревой термодинамической установки: 1 корпус центробежно-вихревого сепаратора; 2, 3, 4 и 5 - входные патрубки; 6, 7 - выходные патрубки; 8 - сепарационная камера; 9 - завихрители с щелевыми тангенциальными прорезями 9а; 10 - цилиндрическая вставка; 11 - кольцевой канал: 12 - вихревая труба; 13, 14, 15, 16 - вентили точной регулировки; 17 - нижний конус; 18 - обрамляющая лента; 19 - верхний конус; 20 - циклонный патрубок; 21 - кольцевой канал; 22 - дно; 23 - кольцевой канал; 24 - направляющие рассекатели; 25 - коническая направляющая; 26 - кольцевой канал; 27 - диск; 27а - отверстие в центре диска; 28 - рабочий цилиндроконический патрубок; 29 - кольцевой патрубок с верхними сквозными отверстиями; 29а - крепежные распорки кольцевого патрубка; 30 - отверстия в кольцевом патрубке; 31 - параллельные пластины; 32 - решетчатая перегородка; 33 - отверстие в решетчатой перегородке; 34 - цилиндроконический купол; 35 - конус цилиндроконического купола; 36 - открытый выход; 37 - тангенциально-осевой завихритель с лопастями; 38 - крепление лопастей по образующей большого диаметра; 39 - наконечник; 40 - патрубок; 41 - вентиль точной регулировки; 42 - запорно-регулирующий вентиль; 43 - теплоизоляционный слой в герметичной рубашке; 44 - горячий конец вихревой трубы (ВТ); 45 - сепарационная камера горячего конца ВТ; 46 - клапан горячего конца ВТ; 47 - регулировочный вентиль; 48 - сливные отверстия в решетчатой перегородке; 49 - кубовый сборник жидкости; 50 - отсепарированная жидкость, накапливаемая на диске 27; 51 - отверстия в диске для слива в кольцевой канал 11; 52 - сопловой ввод; 53 - диафрагма; 54 - патрубок вывода холодного потока; 55 - камера сепарации горячего потока; 56 - конический участок горячего конца ВТ; 57 - цилиндрическая вставка; 58 - шток с конусом; 59 - камера; 60 - шток; 61 - регулируемый зазор; 62 - полость для сбора отсепарированной жидкости; 63 -сливной патрубок.64 - патрубок вывода горячего потока.

Техническая сущность центробежно-вихревой термодинамической установки заключается в том, что установка включает центробежно-вихревой сепаратор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус 1, входные 2, 3, 4, 5 и выходные патрубка 6, 7 двухпоточный ввод - поток I, поток II, сепарационную камеру 8 с завихрителями 9, цилиндрическую вставку 10, которая размещена в нижней половине внутреннего корпуса сепаратора в секциях (А), (В) и (С), образующую со стенками корпуса кольцевой канал 11 для отвода отсепарированной жидкости.

При этом для обеспечения термодинамических условий работы центробежно-вихревого сепаратора, рядом с сепаратором вертикально размещена вихревая труба 12 в секциях (С) и (G), с получением холодного - III и горячего - IV газообразных потоков, выводимых посредством патрубков 4,5, с установленными на них вентилей точной регулировки 13, 14, при этом ввод газожидкостного потока в сепаратор осуществлен раздельно трех поточными тангенциальным нижним 2 и двумя аксиальными верхними 4, 5 патрубками, которые расположены на разных высотных отметках корпуса.

Причем ввод потока посредством нижнего тангенциального патрубка 2 с установленными на нем вентилями точной регулировки 15, 16 осуществлен в циклонное устройство, размещенное в секции (В), а ввод аксиальных холодного и горячего потоков, выходящих из вихревой трубы посредством патрубков, размещенных в секциях (G) и (Е), а циклонное устройство, состоящее из нижнего 17 и верхнего 19 конусов, примыкающих к циклонному патрубку 20, при этом на кромке нижнего конуса вертикально закреплена вплотную, обрамляющая его лента 18, причем диаметры нижнего 17, с обрамляющей лентой и верхнего конусов меньше внутреннего диаметра цилиндрической вставки и образуют с ней кольцевые каналы 21 и 23.

Причем на верхнем конусе - сверху установлено дно 22, на котором размещена сепарационная камера, вход в которую осуществлен по кольцевому каналу 23, равному разности диаметров внешнего периметра цилиндрической образующей сепарационной камеры, с размещенной на ее входе направляющими рассекателями 24 потока на входе в завихрители 9 с щелевыми тангенциальными прорезями 9а и внутренним диаметром цилиндрической вставки.

А продлением этого кольцевого канала 23 является канал, образованный конической направляющей 25, размещенной параллельно верхнему конусу, причем верхний край конической направляющей вплотную закреплен на внутренней стенке цилиндрической вставки на уровне по горизонту с нижней кромкой дна, а нижний конец конической направляющей по длине не доходит до цилиндрического патрубка циклонного устройства, образуя кольцевой канал 26 входа потока из циклонного устройства в сепарационную камеру, а сверху сепарационная камера закрыта диском 27, с диаметром, равным внутреннему диаметру цилиндрической вставки, а в центре диска имеется отверстие 27а, в котором размещен рабочий цилиндроконический патрубок 28, в средней цилиндрической части которого установлен кольцевой патрубок 29 с верхними сквозными отверстиями 30, а на конической части цилиндроконического патрубка размещены горизонтально параллельные пластины 31 с равными промежуточными расстояниями, закрепленные на конической поверхности.

При этом верхнее основание конуса перекрыто решетчатой перегородкой 32 с диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса сепаратора и вплотную закреплена к нему, а в центре перегородки имеется отверстие 33 с диаметром, равным внутреннему диаметру конической части патрубка и вплотную примыкающему к решетчатой перегородке, а сверху нее размещен обрамляющий цилиндроконический купол 34, состоящий из нижнего цилиндра и совмещенного с ним конуса с открытым выходом 36 сверху.

При этом на решетчатой перегородке размещен тангенциально-осевой завихритель 37, состоящего из лопастей, симметрично установленных по конической образующей с углом наклона лопастей к осевой, закрепленных по образующей окружности 38 большего диаметра.

А в верхней части полости конуса размещен наконечник 39 с патрубком 40 и 7 для вывода отсепарированного газа - поток V и установленного на патрубке запорно-регулирующего вентиля, 41 выходящего за пределы корпуса сепаратора а в нижней кубовой части - вывода отсепарированной жидкости - поток VI установлен патрубок 6, выходящий за пределы корпуса сепаратора с установкой на патрубке запорно-регулирующего вентиля 42, причем ввод газожидкостного потока осуществляется посредством тангенциального патрубка 2 поток -1, причем поверхность сепаратора имеет теплоизоляционный слой, который заключен в герметичную рубашку 43 в которой слой теплоизоляции представляет собой, например, перлит или жидкий керамический слой теплоизоляционного покрытия КОРУНД.

Способ работы центробежно-вихревой термодинамической установки заключается в том, что газожидкостная смесь - поток I под давлением подводится в вертикальный цилиндрический корпус сепаратора 1, посредством двухпоточного ввода потока I и потока II. Причем, для обеспечения термодинамических условий работы, на потоке II рядом с сепаратором установлена вихревая труба с получением холодного - III и горячего - IV потоков, которые подаются посредством патрубков на разных высотных отметках.

Таким образом, ввод газожидкостного потока в сепаратор осуществлен раздельно посредством трех поточными тангенциальным нижним и двумя аксиальными верхними патрубками, причем ввод потока посредством нижнего тангенциального патрубка осуществлен в циклонное устройство, размещенное в секции (В), а ввод аксиальных холодного и горячего потоков, выходящих из вихревой трубы посредством патрубков, размещенных в секциях (G) и (Е), при этом цилиндрическая вставка, предназначенная для сбора отсепарированной жидкости в кубовой части 17 сепаратора 1 размещена в нижней половине внутреннего корпуса сепаратора в секциях (А), (В) и (С),

При этом сепарация напорного исходного газожидкостного потока осуществляется последовательно, закрученного сначала в циклонном устройстве в секции В, затем путем дальнейшей закрутки разделяемого потока в сепарационной камере с щелевыми тангенциальными прорезями в секции С, затем, после прохода в охлаждаемом за счет распыляемого в кольцевом патрубке и прохода охлаждаемого цилиндроконического кольцевого патрубка 28 и окончательной сепарации в тангенциально-осевом завихрителе с лопастями 37 из полости затем выделение и сбор и вывод отсепарированной жидкости отсепарированной из полости цилиндроконического купола и ее сбора в кубовой сборник жидкости 49 - и последующего ее вывода за пределы корпуса сепаратора - поток VI. А из верхней части корпуса выводится отсепарированный газ - поток V за пределы сепаратора.

По сравнению с известными изобретениями, заявленная - центробежно-вихревая термодинамическая установка имеет следующие преимущества:

- на 1-й ступени - циклонное устройство, за счет тангенциального ввода позволяющее выделить основное количество жидкой фазы, выделяемой из вращающегося периферийного потока, содержащей наиболее крупнокапельную взвесь, отводимую в кольцевой канал 21, а стержневой приосевой поток направить на дальнейшее разделение, направив его в канал 26;

- на 2-й ступени - сепарационная камера 9 с щелевыми тангенциальными прорезями, которая позволяет закручивание потока до более высоких скоростей;

- на 3-й ступени направление вращающийся газовый поток из сепарационной камеры в рабочий цилиндроконический патрубок 28, в котором осуществлено охлаждение распыленным холодным потоком ВТ проходящим в конической полости патрубка 28 и образование конденсированных капелек в проходящем потоке;

- на 4-й ступени - поступление охлажденного вращающегося потока в тангенциально осевой лопастной завихритель, который позволяет осуществить выделение мелкодисперсной капельной взвеси и ее отделение и вывод с периферийных участков в секции Е, капельной взвеси на диске 27, слив через периферийные отверстия 51 и сбор в кубовом сборнике 17.

Дополнительно к изложенным преимуществам можно отнести и целесообразность использования термодинамического эффекта с использованием вихревой трубы, генерирующей тепло или холод посредством получения горячего и холодного потоков, необходимых для осуществления процессов конденсации или испарения в зависимости от технологических задач.

В частности, после отделения наиболее крупнокапельной взвеси в циклонном устройстве, осуществить конденсацию из поступающего потока мелкодисперсной взвеси из закрученного до более высоких тангенциальных скоростей в сепарационной камере, а затем и в тангенциально-осевом завихрителе 37.

При этом, в секциях Е и G в диапазоне нагрева - охлаждения, за счет холодного и горячего потоков (-/+) 20°С, в частности в секции нагрева - Е, а охлаждения - в секции G.

Таким образом, в секции G производят охлаждение закрученного газожидкостного потока, проходящего из сепарационной камеры 8 по цилиндроконическому патрубку 28, который охлаждается подачей холодного потока ВТ в распыляемый посредством подачи в кольцевой патрубок-29 распылитель, подаваемый «радиатор» на конусе цилиндроконического патрубка, в результате чего образованная жидко капельная взвесь с верхней секции Е в сливные отверстия решетчатой перегородки из под купола 35, оседающая на его внутренние стенки и вне его периферии проходящая через решетчатую перегородку собирается на диске 27 и сливается в отверстия 51, а затем по кольцевому каналу 11 поступает в кубовый сборник 17 жидкой фазы.

В результате можно сделать общий вывод:

- в секциях В и С осуществлено выделение и отвод основного количества жидкой фазы - крупнокапельной взвеси и ее отвод;

- в секциях С, G и Е осуществлено образование и сепарация мелкодисперсной жидкой фазы, ее сбор и вывод в кубовой сборник.

- в каждом из 4-х ступеней сепарационных устройстве осуществляются комплекс процессов: тангенциальный ввод потока, его закрутка, разделение на составляющие фазы газ и жидкость, отделение и вывод жидкой фазы и газа.

Дополнительные пояснения по практической реализации технического результата изобретения термодинамической установки сепарационной очистки.

В данном изобретении для реализации термодинамических условий работы установки может использоваться вихревая труба в качестве вихревого охладителя или нагревателя из известных конструкций ВТ, которые прошли экспериментальную проверку или находятся в промышленной эксплуатации в криогенных установках сжижения природного или попутного нефтяного газа. В частности, могут быть использованы конструкции двухпоточных или трехгодичных, так называемых сепарационных вихревых труб.

Примером конструкции вихревой трубы, которая может быть использована в изобретении центробежно-вихревая термодинамическая установка сепарационной очистки - вихревая сепарационная труба (А. с. №853313 от 16.10.79 г. Автор Косенков В.Н. и др.). Общий вид ВТ приведен на фиг. 4. Более подробная информация: Автореферат к. т. н. Косенкова В.Н. Разделение газожидкостных потоков в центробежных сепарационных аппаратах, А.Н., 1988 г.

Реализацией данной конструкции конической вихревой трубы является установка ее рядом с центробежно-вихревым сепаратором, что позволит, благодаря наличию в вихревой трубе камеры энергетического разделения и устройства для регулирования массового соотношения горячего и холодного потоков и возможность одновременного регулирования количества отсепарированной жидкой фазы, выделяемой из периферийной части горячего потока осуществить совместно с горячим потоком подачи в сепаратор для последующего разделения на составляющие фазы.

Данная конструкция была исследована на опытно-экспериментальной установке низкотемпературного блока (НТБ), на которой была показана высокая эффективность. В схеме НТБ на первой стадии предусматривалась сепарация в трехступенчатом центробежном сепараторе. Начальные условия для исследований: t=-91°С и Р=2,1 МПа. НТБ исследовали при нагрузках 128,135 и 146 нм³/ч.

В исследуемом диапазоне вихревой трубы μ=0,5-0,9, при этом максимальная степень извлечения (сепарации) жидкой фазы повышалась с ростом расширения Р=Р₀/P₁ в пределах от 3 до 5, т. е. в исследованном интервале давлений 3<Р<5, что соответствовало оптимальному диапазону массовой доли отбора жидкой фазы.

В качестве тепловой изоляции корпуса сепаратора 1 может быть использована сверхтонкая теплоизоляция КОРУНД - является жидким многокомпонентным материалом, сертифицирован в системе ГАЗПРОМСВЕТ для применения на объектах концерна ОАО «ГАЗПРОМ». Температура эксплуатации от -60 до +260°С. Эффективно снижает теплопотери и повышает антикоррозионную защиту. Предохраняет от образования конденсата, предотвращает температурные деформации металлических конструкций, легко ремонтируется и восстанавливается. Экологически безопасен, нетоксичен, не содержат вредных летучих соединений.

Предложенное техническое решение предусматривает полный цикл технологических и конструктивных процессов и аппаратурного решения, включающего 4-ступенчатую сепарацию напорного потока газожидкостной смеси с использованием термодинамических условий работы центробежно-вихревого сепаратора с эффективным выделением основной крупнокапельной жидкой фазы и мелкодисперсной взвеси и отведением жидкой фазы без вторичного уноса позволит реализовать предлагаемую установку с целью поставленной технической цели, следовательно, соответствует критерию «новизна».

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков заявленного Изобретения центробежно-вихревой термодинамической установки не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил известных технологий данных установок, что т соответствию критерию «изобретательский уровень».

Конструктивная реализация заявленного изобретения с указанной совокупностью признаков не представляют никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».

Источники информации

1. RU 2320395 С2 B01D 45/12(2006.01) от 26.02.2006.

2. RU 1060206 B01D 45/12 от 15.12.1983.

3. RU 2760690 B01D 45/12 (2021. 08), от 30.03.2021 - прототип.

Claims (1)

1. Центробежно-вихревая термодинамическая установка сепарационной очистки газообразных продуктов, включающая центробежно-вихревой сепаратор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, входные и выходные патрубки, двухпоточный ввод, сепарационную камеру с завихрителями, цилиндрическую вставку, образующую со стенками корпуса кольцевой канал для отвода отсепарированной жидкости, отличающаяся тем, что для обеспечения термодинамических условий работы центробежно-вихревого сепаратора, рядом с сепаратором вертикально размещена вихревая труба в секциях (С) и (G), с получением холодного и горячего газообразных потоков, выводимых посредством патрубков, при этом ввод газожидкостного потока в сепаратор осуществлен раздельно трехпоточными тангенциальным нижним и двумя аксиальными верхними патрубками, которые расположены на разных высотных отметках корпуса, причем ввод потока посредством нижнего тангенциального патрубка осуществлен в циклонное устройство, размещенное в секции (В), а ввод аксиальных холодного и горячего потоков, выходящих из вихревой трубы посредством патрубков, размещенных в секциях (G) и (Е), при этом цилиндрическая вставка размещена в нижней половине внутреннего корпуса сепаратора в секциях (А), (В) и (С), а циклонное устройство, состоящее из нижнего и верхнего конусов, примыкающих к циклонному патрубку, при этом на кромке нижнего конуса вертикально закреплена вплотную обрамляющая его лента, причем диаметры нижнего, с обрамляющей лентой, и верхнего конусов меньше внутреннего диаметра цилиндрической вставки и образуют с ней кольцевые каналы, причем на верхнем конусе сверху установлено дно, на котором размещена сепарационная камера, вход в которую осуществлен по кольцевому каналу, равному разности диаметров внешнего периметра цилиндрической образующей сепарационной камеры, с размещенными на ее входе направляющими рассекателями потока на входе в завихрители с щелевыми тангенциальными прорезями и внутренним диаметром цилиндрической вставки, а продлением этого кольцевого канала является канал, образованный конической направляющей, размещенной параллельно верхнему конусу, причем верхний край конической направляющей вплотную закреплен на внутренней стенке цилиндрической вставки на уровне по горизонту с нижней кромкой дна, а нижний конец конической направляющей по длине не доходит до цилиндрического патрубка циклонного устройства, образуя кольцевой канал для входа потока из циклонного устройства в сепарационную камеру, а сверху сепарационная камера закрыта диском, с диаметром, равным внутреннему диаметру цилиндрической вставки, а в центре диска имеется отверстие, в котором размещен рабочий цилиндроконический патрубок, в средней цилиндрической части которого установлен кольцевой патрубок с верхними сквозными отверстиями, а на конической части цилиндроконического патрубка размещены горизонтально параллельные пластины с равными промежуточными расстояниями и закреплены на конической поверхности, при этом верхнее основание конуса перекрыто решетчатой перегородкой с диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса сепаратора, и вплотную закреплена к нему, а в центре перегородки имеется отверстие с диаметром, равным внутреннему диаметру конической части патрубка и вплотную примыкающему к решетчатой перегородке, а сверху нее размещен обрамляющий цилиндроконический купол, состоящий из нижнего цилиндра и совмещенного с ним конуса с открытым выходом сверху, при этом на решетчатой перегородке размещен тангенциально-осевой завихритель, состоящий из лопастей, симметрично установленных по конической образующей с углом наклона лопастей к осевой, закрепленных по образующей окружности большего диаметра, а в верхней части полости конуса размещен наконечник с патрубком для вывода отсепарированного газа и установленного на патрубке запорно-регулирующего вентиля, выходящего за пределы корпуса сепаратора, а в нижней кубовой части вывода отсепарированной жидкости установлен патрубок, выходящий за пределы корпуса сепаратора, с установкой на патрубке запорно-регулирующего вентиля для вывода отсепарированной жидкости, причем ввод газожидкостного потока осуществляется посредством тангенциального патрубка и вентиля, причем поверхность сепаратора имеет теплоизоляционный слой, который заключен в герметичную рубашку, в которой слой теплоизоляции представляет собой, например, перлит или жидкий керамический слой теплоизоляционного покрытия «КОРУНД».

Images