Каплеотделитель - RU2568479C2
Код документа: RU2568479C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к каплеотделителю для отделения капелек из содержащего капельки газа.
Каплеотделитель согласно ЕР 1930059 А1 содержит проточный канал, который предназначен для направления через него содержащего капельки газа и прохождения этого содержащего капельки газа вдоль основного направления потока. Отделительный элемент расположен по существу кольцеобразно вокруг проточного канала и имеет внутреннюю боковую поверхность, которая имеет по существу диаметр проточного канала и отверстия для входа содержащего капельки газа в отделительный элемент. Отделительный элемент проходит по меньшей мере по части проточного канала. Он содержит решетчатую структуру. Создающая завихрение часть устройства расположена направляющей поверхностью в проточном канале, с помощью которой содержащий капельки газ приводится во вращательное движение, и капельки под действием центробежной силы направляются к отделительному элементу. С помощью направляющей поверхности обеспечивается возможность отклонения по меньшей мере части содержащего капельки газа с основного направления потока в направлении отверстий.
Кроме того, из представляющего уровень техники GB 1557307 известен трехступенчатый колоннообразный каплеотделитель. В первую ступень подается смесь из жидкости и газа, с помощью отклоняющих элементов превращается в тангенциальный поток, с целью отделения больших капель в первой ступени на стенке корпуса каплеотделителя. В отстойнике колоннообразного каплеотделителя находится коллекторный резервуар для отделенной от газа жидкости. Первая, самая нижняя ступень отделена от второй, средней ступени с помощью горизонтальной поперечной стенки, в которую вставлена труба, которая образует для содержащего капельки газа соединение со второй ступенью, а также с третьей ступенью. Во второй ступени труба содержит отверстие, через которое содержащий капельки газ входит в камеру второй ступени. Во второй ступени происходит отделение жидкости на внутренней стенке трубы и в направляемом через отверстие газовом потоке, который в камере второй ступени может переводиться в тангенциальный поток и через байпасный трубопровод направляется в третью, самую верхнюю ступень. Самая верхняя ступень содержит два каплеотделителя, которые расположены друг над другом. В нижний из обоих каплеотделителей входит газ из трубы.
Каплеотделитель состоит из параллельных, круглых пластин. В этих пластинах над кольцеобразным пространством просверлены отверстия. В эти отверстия введено множество стержней, которые имеют различные поперечные сечения и выполнены в качестве препятствий. Стержни могут быть выполнены в виде уголковых элементов, полос или цилиндров. Газ проходит вдоль пластин наружу и мимо уголковых элементов. На уголковых элементах задерживается жидкость и образует пленку на их поверхности. Эта жидкость стекает через отверстия.
Когда, как в GB 1557307, предусмотрена лишь одна донная пластина и одна крышка, и газ проходит вверх, то поток не проходит равномерно через весь каплеотделитель. Для достижения равномерного прохождения потока необходимо предусматривать несколько горизонтальных промежуточных пластин. На этих промежуточных пластинах скапливается жидкость и стекает через отверстия в промежуточных пластинах. Однако она при этом снова увлекается проходящим под промежуточной пластиной газовым потоком, так что необходимо включать по меньшей мере один второй каплеотделитель. В соответствии с этим в каплеотделителе согласно GB 1557307 в третьей ступени расположены друг над другом два каплеотделителя одинаковой конструкции.
Задачей изобретения является создание каплеотделителя, с помощью которого обеспечивается возможность улучшенного отделения, в частности, небольших капелек.
Каплеотделитель согласно изобретению содержит проточный канал, который предназначен для направления через него содержащего капельки газа и прохождения потока этого содержащего капельки газа вдоль основного направления потока, при этом вокруг проточного канала расположен по существу кольцеобразно отделительный элемент, который предназначен для прохождения направленного от проточного канала кольцевого потока, при этом отделительный элемент имеет донный элемент и закрывающий элемент, а также один или несколько соединительных элементов, которые расположены между донным элементом и закрывающим элементом так, что донный элемент и закрывающий элемент расположены на расстоянии друг от друга, которое задано соединительными элементами. Соединительный элемент имеет стенной элемент, который предназначен для направления вдоль него в виде пленки капель содержащего капельки газа в направлении донного элемента, при этом стенной элемент имеет среднюю ширину больше 1 мм. Для облегчения образования пленки средняя ширина может составлять больше 2 мм. Для жидкостей, для которых требуется большая поверхность для образования пленки, может быть предусмотрена ширина больше 3 мм. Для улучшения отделения маленьких капелек каплеотделитель содержит отделительный элемент, который содержит кольцевой элемент. Кольцевой элемент расположен по существу кольцеобразно вокруг проточного канала и имеет внутреннюю боковую поверхность, которая имеет по существу диаметр проточного канала. Кроме того, предусмотрены два проходных отверстия для входа содержащего капельки газа в кольцевой элемент. Этот кольцевой элемент имеет решетчатую структуру, которая окружает проточный канал. Решетчатая структура является проницаемой для содержащего капельки газа. Самые малые капельки осаждаются на решетчатой структуре и сливаются в более крупные капли. Эти капли отделяются уже в решетчатой структуре или могут снова увлекаться газовым потоком для отделения на отделительной поверхности расположенных выше по потоку соединительных элементов. Поэтому с помощью этого особенно предпочтительного варианта выполнения достигается почти полное отделение капелек из газа с широким распределением величины капелек. Кольцевой элемент может содержать первый и второй слой, при этом первый слой расположен смежно со вторым слоем. Один из первого или второго слоев может иметь волнистую структуру, при этом соответствующий другой слой не имеет такой же волнистой структуры.
Такой соединительный элемент может быть также образован из одного единственного непрерывного профиля.
Основное направление потока ориентировано параллельно средней оси проточного канала. Когда стенные элементы расположены параллельно этой средней оси, то направление основного потока параллельно стенному элементу и проходит в направлении от донного элемента к закрывающему элементу. Это основное направление потока не соответствует, как правило, имеющимся локально в окружении стенного элемента условиям течения. В частности, донный элемент и закрывающий элемент могут образовывать крышку, так что через донный элемент и закрывающий элемент не проходит поток содержащего капельки газа.
Ширина стенного элемента определена в плоскости, нормальной к направлению основного потока. Поскольку ширина стенного элемента вдоль его длины, т.е. расстояние между донным элементом и закрывающим элементом может быть переменным, то в этом случае задается средняя ширина. Эта средняя ширина задана в качестве среднеарифметического значения всех значений ширины, которые имеет стенной элемент вдоль своей длины.
В последующем принимается, что содержащий капельки газ проходит к стенному элементу по существу радиально. То есть направление потока смещено относительно основного направления потока на угол от 85°С до 95°С, предпочтительно на 90°С и относительно проточного канала с ориентацией радиально наружу. Этот поток называется радиальным потоком. То есть радиальный поток проходит по существу звездообразно, исходя от средней оси проточного канала. Лучи этого звездообразного радиального потока попадают на отделительную поверхность стенного элемента, поэтому отделительная поверхность стенного элемента лежит на его наветренной стороне.
Ширина стенного элемента задана линией сечения, которая получается при пересечении поверхности, нормальной к основному направлению потока, со стенным элементом на его наветренной стороне.
Для определения средней ширины предусмотрены по меньшей мере две нормальные поверхности на 1 см длины стенного элемента на одинаковом расстоянии друг от друга между донным элементом и закрывающим элементом. Длина линии сечения определяется для каждой из нормальных плоскостей и образуется арифметическое среднее значение. Это арифметическое среднее значение задает среднюю ширину стенного элемента.
Между каждыми двумя соседними стенными элементами находится отверстие для содержащего капельки газа. Стенные элементы являются соседними, когда их продольные оси расположены на общей окружности. Продольная ось стенного элемента проходит через среднюю точку линии сечения. Сумма всех отверстий относительно длины окружности задает коэффициент пустот, который может составлять от 20% до 80%.
Предпочтительно средняя ширина стенного элемента меньше внутреннего диаметра (S) проточного канала.
Донные элементы и закрывающие элементы не должны примыкать непосредственно к отделительной поверхности соединительного элемента. Соединительный элемент содержит согласно одному предпочтительному примеру выполнения трубный стенной элемент, вдоль которого капли содержащего капельки газа могут направляться в направлении донной пластины. Трубный стенной элемент имеет максимальный диаметр (D), который меньше внутреннего диаметра (S) проточного канала.
В частности, соединительный элемент имеет продольную ось, которая ориентирована по существу по нормали к донному элементу и закрывающему элементу. Однако продольная ось может быть также наклонена под углом к донному и/или закрывающему элементу, при этом угол составляет до 60°С, предпочтительно до 45°С, особенно предпочтительно до 30°С к нормали донного элемента.
Может быть предусмотрено множество соединительных элементов, при этом каждый из соединительных элементов имеет стенной элемент, который содержит отделительную поверхность.
В частности, стенной элемент может быть выполнен в виде трубного стенного элемента. Трубные стенные элементы предпочтительно расположены между донными элементами и закрывающими элементами так, что их продольные оси лежат на замкнутой кривой, которая проходит вокруг проточного канала. Трубные стенные элементы образуют по меньшей мере один ряд, при этом трубные стенные элементы одного ряда расположены вокруг проточного канала, в котором каждые два соседних элемента расположены по существу на одинаковом расстоянии. Каждый из этих трубных стенных элементов имеет продольную ось. Если соединить точки пересечения продольных осей одного ряда с проходящей по расположенной на стороне газа поверхности донного элемента или закрывающего элемента плоскостью, то образуется кривая, которая проходит вокруг проточного канала, т.е. замкнутая кривая. Таким образом, замкнутая кривая является проходящим кольцеобразно путем без начальной точки или конечной точки.
В частности, в каплеотделителе согласно одному из указанных выше примеров выполнения между донным элементом и закрывающим элементом расположено множество соединительных элементов так, что их продольные оси расположены на окружности. Продольные оси соединительных элементов образуют по меньшей мере одну первую и одну вторую окружность вокруг проточного канала, при этом первая окружность расположена концентрично второй окружности. Таким образом, особенно предпочтительная система для отделения получается, когда соединительные элементы в направлении кольцевого потока расположены друг за другом в несколько рядов. Это обеспечивает, в частности, возможность улучшенного отделения более широкого спектра капель. Продольные оси соединительных элементов первой окружности могут быть смещены в окружном направлении по меньшей мере частично относительно продольных осей соединительных элементов второй окружности. За счет этого можно отклонять газовый поток на трубных стенных элементах. По меньшей мере часть капелек не может следовать этому отклонению, так что капельки скапливаются на отделительной поверхности трубных стенных элементов и тем самым выделяются из газового потока.
Продольные оси каждых двух соседних соединительных элементов могут быть расположены на расстоянии (А) друг от друга, которое больше диаметра (D) трубного стенного элемента.
Согласно одному предпочтительному примеру выполнения диаметр (D) трубного стенного элемента лежит в диапазоне от 2 до 20 мм, предпочтительно от 5 до 15 мм. Когда трубный стенной элемент является не цилиндрическим, то диаметр определяется как диаметр цилиндрического трубного стенного элемента с одинаковой боковой поверхностью.
Предпочтительно ширина и высота соединительных элементов образуют отделительную поверхность, которая имеет по меньшей мере один плоский участок.
В частности, отделительная поверхность может содержать по меньшей мере один канал и/или одно отверстие для отвода жидкости, так что жидкость может выходить из каплеотделителя экранированно от газового потока. Канал может быть выполнен, в частности, в виде трубочки, которая для отвода жидкости расположена на наружной стороне донного элемента.
Согласно одному альтернативному примеру выполнения отделительная поверхность имеет по меньшей мере один изогнутый участок. Изогнутый участок может быть выполнен в виде трубного стенного элемента. Трубный стенной элемент может содержать первый трубный стенной элемент, который имеет первый диаметр (D1), а также второй трубный стенной элемент, который имеет второй диаметр (D2). Первый диаметр (D1) первого трубного стенного элемента (3) может отличаться от второго диаметра (D2) второго трубного стенного элемента (13).
Диаметр (D) первого трубного стенного элемента может отличаться от диаметра второго трубного стенного элемента. За счет этого можно изменять степень отклонения газового потока, что особенно предпочтительно, когда используются содержащие капельки газы с широким распределением величины капель.
Согласно другому примеру выполнения трубный стенной элемент может содержать проницаемую для газа структуру. Проницаемая для газа структура может содержать, например, перфорацию, войлочную структуру, пористое тело, ткань или плетение. Однако проницаемая для газа структура всегда выполнена так, что возможно стекание без помех отделяемой жидкости. В частности, проницаемая для газа структура служит для образования и сохранения пленки жидкости.
Отделительная поверхность трубного стенного элемента предпочтительно выполнена так, что обеспечивается смачивание жидкостью отделительной поверхности.
Соединительный элемент может содержать нижний элемент и/или верхний элемент, с помощью которого обеспечивается возможность крепления соединительного элемента на донном элементе и/или закрывающем элементе.
Согласно особенно предпочтительному примеру выполнения отделительная поверхность является непроницаемой для текучей среды. В частности, на отделительной поверхности образуется пленка жидкости, которая стекает вдоль соединительного элемента в направлении донного элемента.
На донном элементе может быть предусмотрен коллекторный элемент для отделяемой на отделительной поверхности жидкости.
Предпочтительно соединительные элементы имеют отделительную поверхность, которая непроницаема для текучей среды. То есть отделительная поверхность должна быть непроницаемой, в частности, для отделяемой жидкости, так что на отделительной поверхности образуется сплошная пленка жидкости. Согласно одному особенно предпочтительному примеру выполнения отделительная поверхность не имеет проломов или перфорации.
Каплеотделитель может также содержать несколько расположенных друг над другом отделительных элементов.
Согласно другому предпочтительному примеру выполнения отделительный элемент может быть выполнен в виде целого конструктивного элемента. Это обеспечивает возможность изготовления отделительного элемента способом литья, в частности способом литья под давлением.
Каплеотделитель согласно одному из указанных выше примеров выполнения можно применять, в частности, для отделения конденсата из природного газа. Этот конденсат может содержать конденсированные фракции из природного газа, т.е. содержать, в частности, длинноцепочечные углеводороды.
Ниже приводятся пояснения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - каплеотделитель согласно первому примеру выполнения изобретения;
фиг.2а - элемент решетчатой структуры согласно уровню техники, на виде сверху;
фиг.2b - элемент решетчатой структуры согласно уровню техники, на виде сбоку;
фиг.2с - соединительный элемент, согласно фиг.1 на виде сверху;
фиг.2d - соединительный элемент согласно фиг.1, на виде сбоку;
фиг.3 - конструкция каплеотделителя со стенными элементами согласно фиг.2с и 2d;
фиг.4 - конструкция каплеотделителя согласно второму примеру выполнения;
фиг.5а - деталь соединительного элемента согласно показанным на фиг.3 или 4 примерам выполнения;
фиг.5b - вариант выполнения соединительного элемента;
фиг.6 - сравнение качества отделения каплеотделителя согласно уровню техники с показанным на фиг.1 каплеотделителем согласно изобретению;
фиг.7а - конструкция каплеотделителя согласно третьему примеру выполнения;
фиг.7b - каплеотделитель согласно фиг.7а, на виде сверху;
фиг.8 - каплеотделитель, содержащий различные варианты соединительных элементов;
фиг.9а - первый вариант выполнения соединительных элементов для каплеотделителя согласно фиг.8, на виде сверху;
фиг.9b - первый вариант выполнения соединительных элементов для каплеотделителя согласно фиг.8, на виде сбоку;
фиг.9с - второй вариант выполнения соединительных элементов для каплеотделителя согласно фиг.8, на виде сверху;
фиг.9d - второй вариант выполнения соединительных элементов для каплеотделителя согласно фиг.8, на виде сбоку;
фиг.9e - третий вариант выполнения соединительных элементов для каплеотделителя согласно фиг.8, на виде сверху;
фиг.9f - третий вариант выполнения соединительных элементов для каплеотделителя согласно фиг.8, на виде сбоку;
фиг.9g - четвертый вариант выполнения соединительных элементов для каплеотделителя согласно фиг.8, на виде сверху;
фиг.9h - четвертый вариант выполнения соединительных элементов для каплеотделителя согласно фиг.8, на виде сбоку;
фиг.9i - пятый вариант выполнения соединительных элементов для каплеотделителя согласно фиг.8, на виде сверху;
фиг.9j - пятый вариант выполнения соединительных элементов для каплеотделителя согласно фиг.8, на виде сбоку;
фиг.10 - система для отделения содержащего капельки газа, которая содержит несколько каплеотделителей, согласно изобретению.
На фиг.1 показан каплеотделитель 10, содержащий проточный канал 5, через который направляется содержащий капельки газ вдоль основного направления 6 потока. Основное направление потока в проточном канале 5 может быть параллельным продольной оси 4 проточного канала 5. Продольная ось 4 проточного канала 5 проходит в направлении оси z изображенной в нижнем левом углу фиг.1 системы координат.
Отделительный элемент 8 расположен по существу кольцеобразно вокруг проточного канала 5. Отделительный элемент 8 имеет донный элемент, выполненный здесь в виде донной пластины 11, и закрывающий элемент, выполненный здесь в виде закрывающей пластины 12, а также множество соединительных элементов 1, которые расположены между донной пластиной 11 и закрывающей пластиной 12. Донная пластина 11 и закрывающая пластина 12 расположены на расстоянии друг от друга, которое задано соединительными элементами 1.
Донная пластина 11 и/или закрывающая пластина 12 имеют отверстие, которое соответствует диаметру проточного канала 5. На фиг.1 видно лишь отверстие 36 в закрывающей пластине 12. Когда на донной или закрывающей пластине не предусмотрено отверстие, подаваемый в осевом направлении через проточный канал 5 содержащий капельки газ отклоняется радиально в направлении отделительного элемента 8. Таким образом, радиальный поток через отделительный элемент проходит радиально от проточного канала 5 в направлении наружной боковой поверхности, которая расположена между наружными кромками донной пластины 11 и закрывающей пластины 12.
Может быть предусмотрена создающая завихрение часть устройства, описание которой приведено в ЕР 1930059 А1, с помощью которой содержащий капельки газ направляется в направлении отделительного элемента 8. Это показано в примере выполнения на фиг.10. С помощью создающей завихрение части устройства обеспечивается изменение направления потока содержащего капельки газа, так что поток уже получает радиальную составляющую скорости. За счет этой радиальной составляющей содержащий капельки газ отклоняется в направлении отделительного элемента 8 и выходит затем по существу в радиальном направлении из отделительного элемента 8. Создающая завихрение часть устройства может быть использована предпочтительно для предварительного отделения, т.е. часть капелек уже отделяется перед входом газа в проточный канал 5.
Кроме того, на фиг.1 показан кольцевой элемент 17, который расположен между проточным каналом 5 и соединительным элементом 1. Кольцевой элемент 17 выполнен в соответствии с ЕР 1930059 А1, и его более точное описание будет приведено ниже.
Соединительный элемент 1 имеет продольную ось 24, которая ориентирована по существу нормально к донной пластине 11 и закрывающей пластине 12. Соединительный элемент 1 удерживается в донной пластине 11 с помощью не видимого нижнего элемента и в закрывающей пластине 12 - с помощью верхнего элемента 15. В качестве удерживающего соединения может быть предусмотрено, например, защелкивающееся соединение или винтовое соединение.
Наружный диаметр отделительного элемента 8 составляет в большинстве случаев меньше 400 мм. Диаметр (D) трубного стенного элемента составляет предпочтительно 2-20 мм, в частности 5-15 мм. Диаметры трубных стенных элементов, которые установлены на одной и той же донной пластине, могут изменяться. Соединительные элементы 1 предпочтительно расположены так, что их продольные оси 24 лежат на окружности, средняя точка которой лежит на продольной оси 4. Продольные оси 24 соседних на окружности соединительных элементов имеют расстояние А друг от друга. Сумма расстояний (А) вдоль такой окружности больше суммы диаметров соединительных элементов, так что между трубными стенными элементами остается промежуток, через который может проходить содержащий капельки газ.
Радиальные расстояния между соседними рядами также выбраны так, что радиальные расстояния (R) между двумя соседними окружностями больше суммы радиусов двух расположенных на этих соседних окружностях соединительных элементов. Также радиальные расстояния (R) между соседними рядами соединительных элементов 1 могут быть различными, как показано на фиг.3. Когда диаметр соединительного элемента изменяется, то необходимо применять средний диаметр.
Кроме того, как показано на фиг.1, отделительный элемент 8 содержит также кольцевой элемент 17. Этот кольцевой элемент 17 может принимать каждую из форм, описание которых приведено в ЕР 1930059 А1. Кольцевой элемент 17 является по существу кольцеобразным и имеет внутреннюю боковую поверхность, которая по существу имеет диаметр проточного канала 5, и проходные отверстия для входа содержащего капельки газа в кольцевой элемент, которые не изображены на фигуре.
Кольцевой элемент 17 проходит по меньшей мере по части длины проточного канала 5. Он содержит решетчатую структуру 9. Проходные отверстия могут быть промежуточными пространствами между элементами решетки решетчатой структуры.
Эта решетчатая структура 9 может быть образована, например, с помощью проволочной сетки. В качестве альтернативного решения можно использовать также плетение или ткань. Решетчатая структура может быть выполнена также в виде войлока, т.е. из беспорядочно расположенных относительно друг друга структурных элементов, например проволоки или нитей. Решетчатая структура расположена в один или несколько слоев. Каждый из этих слоев образует кольцевой элемент, который окружает проточный канал.
Такой кольцеобразный элемент предпочтительно имеет по меньшей мере ту же высоту, что и отделительная поверхность трубного стенного элемента.
В качестве альтернативного решения или дополнительно к решетчатой структуре 9 можно применять насыпные наполнительные тела, например кольца Диксона или спиральные кольца.
Слой, который образован с помощью кольцеобразного элемента, может иметь волнистость. За счет волнистости можно располагать соседние слои на расстоянии друг от друга. В частности, соседние слои могут быть волнистыми и не волнистыми. Под волнистостью следует понимать структуру, которая может иметь волнообразную, зигзагообразную или снабженную выпуклостями и впадинами поверхность. Волны могут быть расположены так, что гребни волн ориентированы параллельно продольной оси 4. Возможно также, что гребни волн образуют с продольной осью угол, который может быть равен до 70°, предпочтительно до 60°, особенно предпочтительно до 45°.
Проточный канал 5 может иметь отверстие 36 как в донном элементе, так и в закрывающем элементе. Одно из этих отверстий может быть также закрыто в рабочем состоянии, так что поток отклоняется, а именно в радиальном направлении, т.е. в направлении продольной оси 4 в направлении трубных стенных элементов 3, т.е. в радиальном направлении.
Несколько отделительных элементов 8 могут быть расположены друг над другом, например несколько отделительных элементов могут образовывать штабель, как указано также в ЕР 1930059 А1 и показано на фиг.10. Когда каплеотделитель состоит из нескольких расположенных друг над другом отделительных элементов 8, то за исключением лежащего дальше всех вниз по потоку отделительного элемента имеется как отверстие 37 (см. фиг.3, 7а) в донном элементе 11, так и отверстие 36 в закрывающем элементе 12.
На фиг.2а и 2b показано отделение вдоль одного элемента решетчатой структуры 9, которая известна также из уровня техники. На фиг.2а показана на виде сверху часть решетчатой структуры, на фиг.2b показана на виде сбоку часть решетчатой структуры 9. Кольцевой элемент 17 на фиг.1 выполнен из такой решетчатой структуры 9, которая выполнена, например, в виде проволочной сетки. Она обеспечивает оседание капелек 18. Маленькие капельки могут сливаться, т.е. по меньшей мере две маленькие капельки образуют более крупную каплю 19, которая отделяется. Такие капли 19 перемещаются под действием силы тяжести в направлении донной пластины, как показано на фиг.2b.
Отделение происходит безупречно так долго, пока скорость остается ниже критического значения скорости. Выше этого критического значения скорости капля 19 снова захватывается газовым потоком и снова увлекается газовым потоком. То есть эффективность отделения сильно уменьшается, что показано на фиг.6.
Поэтому каплеотделитель 10 согласно изобретению содержит соединительные элементы 1, описание которых приводится ниже. На фиг.2с показан на виде сверху разрез соединительного элемента 1, который находится на фиг.1 снаружи кольцевого элемента 17. Соединительный элемент 1 выполнен здесь в виде трубного стенного элемента 3. Капельки содержащего капельки газа, которые набегают на соединительный элемент 1, попадают на поверхность трубного стенного элемента 3. Капельки распределяются по его поверхности, в частности, когда поверхность выполнена из материала, которая имеет хорошую смачиваемость для жидкости. Капельки содержащего капельки газа направляются вдоль трубного стенного элемента 3 в направлении донной пластины отделительного элемента (см. фиг.1) в виде пленки жидкости.
Трубный стенной элемент 3 имеет отделительную поверхность, которая соответствует всей наружной боковой поверхности. Таким образом, согласно этому примеру выполнения отделительная поверхность проходит по всей окружности трубного стенного элемента 3. Цилиндрическая форма трубного стенного элемента 3 способствует отделению капелек на всей боковой поверхности. Поток проходит вокруг трубного стенного элемента 3, как показано стрелками из двойной линии.
Поскольку трубный стенной элемент в этом примере выполнения не имеет кромок, то отрыв потока и связанное с ним завихрение менее выражено, хотя поток отклоняется вокруг трубного стенного элемента. То есть капельки отклоняются вместе с газовым потоком, чтобы обтекать трубный стенной элемент. Однако на основании удельного веса капелек следует ожидать, что капельки не отклоняются или в любом случае отклоняются частично. Из этого следует, что капельки ударяются в стенку трубного стенного элемента и образуют там пленку жидкости. Эта пленка жидкости проходит по меньшей мере по части боковой поверхности трубного стенного элемента. Таким образом, эта пленка жидкости по меньшей мере частично покрывает отделительную поверхность.
На фиг.3 показан разрез отделительного элемента 8, который содержит несколько соединительных элементов 1, которые расположены между донным элементом, который выполнен в виде донной пластины 11, и закрывающим элементом, который выполнен в виде закрывающей пластины 12. Соединительные элементы содержат трубные стенные элементы 3, которые соответствуют показанному на фиг.2с или 2d типу. Донная пластина 11 содержит отверстие 36, через которое содержащий капельки газ входит в каплеотделитель 10. Закрывающая пластина 12 может также иметь отверстие 36, в частности, когда несколько отделительных элементов 8 расположены друг над другом, как показано на фиг.10.
Соединительный элемент образован из трубного стенного элемента 3, а также нижнего элемента 14 и верхнего элемента 15. Нижний элемент 14 соединен с донной пластиной 11, а верхний элемент 15 соединен с закрывающей пластиной 12. Соединение может быть выполнено, как показано в этом примере выполнения, в виде вставного соединения. Каждый из соединительных элементов имеет продольную ось 24, 25, 26.
Таким образом, способ изготовления отделительного элемента согласно фиг.3 содержит стадии изготовления соединительных элементов, а также крепления соединительных элементов в донной пластине, при этом, в частности, соединительные элементы вставляются в соответствующие отверстия донной пластины. Затем с верхними элементами соединительных элементов соединяется закрывающая пластина. Закрывающая пластина содержит отверстия для приема верхних элементов. Верхние элементы вводятся в отверстия закрывающей пластины. При необходимости верхние элементы могут быть соединены с соответствующей донной пластиной или закрывающей пластиной с помощью клеевого соединения или сварного соединения.
Соединительные элементы могут иметь различные диаметры (D). Кроме того, радиальное расстояние (R) между продольными осями 24, 25 может отличаться от радиального расстояния (R) между продольными осями 25, 26 соответствующих соседних рядов соединительных элементов.
Согласно другому примеру выполнения соединительный элемент 1 может содержать несколько проницаемых для газа структур 2, из которых на фиг.4 показаны некоторые варианты выполнения. Эти проницаемые для газа структуры могут быть образованы, например, с помощью проволочной сетки. В качестве альтернативного решения можно использовать плетение или ткань. Проницаемая для газа структура 2 может быть выполнена из беспорядочно расположенных относительно друг друга элементов, как это имеет место, например, в войлочной структуре. Кроме того, проницаемая для газа структура может содержать пористую гильзу. Различные проницаемые для газа структуры можно комбинировать друг с другом.
Проницаемые для газа структуры 2 могут содержать также несколько слоев с различной проницаемостью, т.е. с различно большой долей отверстий. Кроме того, между отдельными слоями проницаемых для газа структур может быть предусмотрено расстояние, так что может происходить слияние капелек. Капельки перемещаются в виде струйки в направлении коллекторного элемента 16, который может быть расположен на донной пластине или под донной пластиной в виде своего рода улавливающей ванны.
На фиг.5а показана деталь соединительного элемента согласно показанному на фиг.1 примеру выполнения. Соединительный элемент 1 содержит согласно показанному на фиг.5 примеру выполнения трубный стенной элемент 3, который выполнен так, что капельки содержащего капельки газа могут направляться вдоль трубного стенного элемента 3 в направлении показанной на фиг.1 донной пластины 11. Трубный стенной элемент 3 содержит отделительную поверхность. Кроме того, соединительный элемент 1 имеет нижний элемент 14 и верхний элемент 15, которые расположены на первом конце и на втором конце трубного стенного элемента 3.
Трубный стенной элемент 3 предпочтительно имеет максимальный диаметр (D), который меньше внутреннего диаметра (S) проточного канала 5 (см. фиг.3 или 4).
На фиг.5b показан вариант выполнения соединительного элемента 3. Соединительный элемент 3 является ротационно-симметричным вокруг своей продольной оси 24, однако его диаметр не является постоянным. Соединительный элемент имеет, как и в предыдущем примере выполнения, нижний элемент 14 и верхний элемент 15, которые служат для соединения с донной пластиной, соответственно, закрывающей пластиной. Диаметр непрерывно увеличивается от нижнего элемента до средней зоны продольного размера, а затем снова непрерывно уменьшается. Этот вариант выполнения является примером стенного элемента с изменяемым диаметром. Естественно, что возможны любые вариации диаметра в зависимости от того, как должен распределяться газовый поток по отделительной поверхности.
На фиг.6 показано сравнение качества отделения каплеотделителя согласно уровню техники и показанного на фиг. 1 каплеотделителя, согласно изобретению, при этом на оси х нанесено значения лямбда в качестве меры производительности отделителя. Ось y показывает эффективность отделения в %.
Обозначенная позицией 21 кривая показывает коэффициент отделения содержащего капельки газа, в данном случае диэтиленгликоля. Использовался каплеотделитель согласно фиг.1. Этот каплеотделитель состоит из части слияния, которая выполнена в соответствии с ЕР 1930059 А1, и части для удаления воды, которая содержит соединительные элементы 1 согласно фиг.1, 3 или 5. Измерения проводились на отделительном элементе 8, который имеет диаметр проточного канала 85 мм. Проточный канал 5 окружен кольцевым элементом 17, который образует часть слияния. К кольцевому элементу примыкают несколько рядов соединительных элементов 1, как показано также на фиг.1. Наружный диаметр кольцевого элемента составляет при испытании 142 мм. Решетчатые структуры 9 части слияния состоят из стали и выполнены из металлической ткани, которая имеет несколько слоев с волнистым намотанным с цилиндрической формой профилем, а также несколько слоев с цилиндрическим профилем.
Структуры части для удаления воды могут состоять из пластмассы или металла в зависимости от температуры и химического состава газового потока и возможного взаимодействия с полимером. Внутренний диаметр части для удаления воды составляет для испытаний 142 мм, а наружный диаметр 260 мм. Использовалось 6 рядов соединительных элементов, при этом диаметр окружности (K), на которой лежат продольные оси соединительных элементов, диаметры (D) соединительных элементов в каждой окружности приведены в следующей таблице:
На оси х на фиг.6 отложено так называемое значение лямбда относительно боковой поверхности каплеотделителя. Значение лямбда называется также фактором Судерса-Брауна. С помощью фактора Судерса-Брауна определяется максимальная скорость в резервуарах разделения жидкости и газа:
V = лямбда((ρL-ρV)/ρV)1/2,
где V - максимально допустимая скорость газа в м/с,
ρL - плотность жидкости,
ρV - плотность газа.
Лямбда = 0,107 м/с, когда резервуар содержит плетеный отделитель (mesh pad), который работает в противотоке.
Обозначенная позицией 22 кривая показывает коэффициент отделения содержащего капельки диэтиленгликоля окружающего воздуха при применении каплеотделителя согласно уровню техники, такого как, например, известного из ЕР 1930059 А1. Сравнение производительности отделительного элемента согласно фиг.1 и отделительного элемента согласно фиг.1 показывает на 40% более высокую производительность.
При испытаниях было установлено, что качество отделения сильно зависит от системы материалов. В частности, значение имеет хорошая смачиваемость поверхностей соединительных элементов. При хорошей смачиваемости лучше происходит осаждение и слияние жидкости, то есть можно эксплуатировать каплеотделитель с более высокой производительностью, т.е. с повышенной скоростью газа.
На фиг.7а показан вариант выполнения, в котором отделительный элемент 8 выполнен в виде единого целого. Донный элемент 11, закрывающий элемент 12 и соединительные элементы 1, которые как на фиг.3 содержат трубные стенные элементы 3, 13, состоят из одной единственной части. Содержащий капельки газ проходит как в предыдущих примерах выполнения через проточный канал 5 во внутреннее пространство отделительного элемента.
Соединительные элементы 1 на фиг.7b расположены между донной пластиной 11 и закрывающей пластиной 12 так, что их продольные оси 24 лежат на замкнутой кривой 7, которая проходит вокруг проточного канала 5. В данном примере выполнения эта кривая 7 является окружностью. Как показано на фиг.1 или же фиг.7b, предусмотрено несколько окружностей 7, 27, 47, общая средняя точка которых лежит на продольной оси 4 проточного канала 5.
На каждой из этих окружностей лежат средние точки продольных осей 24, 25, 26 соединительных элементов 1. Соединительные элементы имеют цилиндрическую форму. На фиг.1 соседние в одном ряду соединительные элементы не соприкасаются, так что между двумя соседними соединительными элементами остается зазор. То есть продольные оси каждых двух соседних соединительных элементов 1 в одном и том же ряду расположены на расстоянии (А) друг от друга, которое больше суммы радиусов обоих смежных трубных стенных элементов 3.
Способ изготовления отделительного элемента согласно фиг.7а или фиг.7b предпочтительно является способом литья, например способом литья под давлением. С точки зрения технологии литья под давлением может быть также предпочтительным изготавливать донный элемент 11 или закрывающий элемент 12 по отдельности, поскольку в зависимости от количества и расположения соединительных элементов может быть затруднено изготовление промежуточных пространств 31, 32, через которые в рабочем состоянии направляется содержащий капельки газ.
На фиг.8 показан каплеотделитель, который содержит различные типы соединительных элементов. Ниже приводится более точное описание каждого из этих соединительных элементов со ссылками на фиг.9а-9j. Варианты выполнения можно любым образом комбинировать друг с другом.
На фиг.9а показан на виде сверху первый вариант выполнения соединительных элементов для каплеотделителя согласно фиг.8. Соединительные элементы 30 выполнены в виде стенных элементов, которые имеют по существу прямоугольную поверхность поперечного сечения. Высота стенных элементов соответствует по меньшей мере расстоянию между донной пластиной и закрывающей пластиной. Стенные элементы имеют ширину, которая согласно фиг.9а по существу является постоянной. Также толщина стенных элементов является по существу постоянной. Естественно, что ширина может также изменяться относительно высоты стенного элемента.
Согласно одному особенно простому в изготовлении варианту выполнения стенные элементы являются частью металлического листа, из которого вырезаны промежуточные пространства. Промежуточные пространства образуют проходные отверстия для содержащего капельки газа. Содержащий капельки газ попадает на внутреннюю сторону соединительного элемента 30 вдоль его ширины. Капельки осаждаются на отделительной поверхности 33, которая проходит вдоль ширины по высоте стенного элемента, и образуют пленку жидкости на этой отделительной поверхности. Пленка жидкости стекает вдоль отделительной поверхности в направлении донной пластины 11 (см. фиг.8).
Соединительные элементы 30 могут быть расположены как на фиг.7b на концентричных окружностях. Ширина отдельных соединительных элементов может быть различной, также расстояния между каждыми двумя соседними соединительными элементами могут быть различными.
На фиг.9с и фиг.9d показан второй вариант выполнения соединительных элементов. Каждый из соединительных элементов имеет зигзагообразный профиль в форме W.
Наветренная сторона образована нижней частью W. То есть образованы два проточных канала 34, 35. Между обоими проточными каналами 34, 35 образован открытый канал 38. В этом открытом канале может собираться отделенная на отделительной поверхности 33 жидкость и направляться в направлении донного элемента.
На фиг.9d показан также альтернативный вариант выполнения соединительного элемента 30 в виде соединительного элемента 40. Он отличается от соединительного элемента 30 тем, что он имеет выполненное в виде окна отверстие 41. Через это отверстие 41 может проходить газ, а также может направляться жидкость на подветренную сторону соединительного элемента 40.
На фиг.9е и фиг.9f показан третий возможный вариант выполнения соединительных элементов. Соединительные элементы 30, 40 на фиг.9е или фиг.9f отличаются от соединительных элементов на фиг.9d и фиг.9е лишь тем, что наружные плечи W укорочены и верхняя сторона укороченного W образует наветренную сторону соединительных элементов. Таким образом, отделительная поверхность 33 ограничена парой открытых каналов 38, 39. В этих открытых каналах может собираться жидкость и максимально без помех стекать из газового потока.
На фиг.9f соединительный элемент 40 снова содержит имеющее вид окна отверстие 41, в частности, для направления жидкости с наветренной стороны на подветренную сторону соединительного элемента.
Показанные на фиг.9g и фиг.9h соединительные элементы отличаются от показанных на фиг.9e и 9f лишь тем, что поперечное сечение имеет форму v. В этом случае отделительная поверхность 33 не содержит открытого канала.
На фиг.9i и 9j показан вариант выполнения, в котором поперечное сечение соединительных элементов 30, 40 выполнено U-образным. На фиг.9j дополнительно показано, что соединительный элемент 40 имеет выполненное в виде окна отверстие 41.
Соединительный элемент по любому из указанных выше примеров выполнения может состоять из металла, керамики или же из пластмассы или содержать комбинацию этих материалов.
На фиг.10 показана система для отделения капелек из содержащего капельки газа, содержащая проточный канал 5, через который содержащий капельки газ направляется вдоль основного направления 6 потока. В проточном канале 5 предусмотрена создающая завихрение часть 51 устройства, с помощью которой содержащий капельки газ направляется в направлении одного из отделительных элементов 8. С помощью создающей завихрение части 51 устройства потоку сообщается изменение направления, за счет чего скорость частиц газа и жидкости получает радиальную составляющую. За счет этой радиальной составляющей газовый поток отклоняется в направлении внутренней боковой поверхности 52, которая окружает проточный канал 5. Затем газовый поток проходит через предусмотренные во внутренней боковой поверхности отверстия 53 по существу в радиальном направлении в соответствующий отделительный элемент 8. При этом часть капелек жидкости может уже за счет радиальной составляющей действующей на капельки силы попадать на внутреннюю боковую поверхность и осаждаться там.
Каждый из отделительных элементов 8 расположен по существу кольцеобразно вокруг проточного канала 5 и проходит по меньшей мере по части длины проточного канала 5. На фиг.10, например, четыре отделительных элемента 8 расположены друг над другом. Отделительный элемент содержит несколько решетчатых структур 9, а также снаружи их один или несколько соединительных элементов 1 согласно одному из указанных выше примеров выполнения.
Для расположения решетчатых структур 9 в отделительном элементе 8 хорошо зарекомендовал себя ряд вариантов выполнения. Отделительный элемент согласно фиг.10 содержит попеременно цилиндрические структуры 56 и волнистые структуры 57. Цилиндрические структуры 56 расположены параллельно основному направлению 6 потока. Между двумя соседними цилиндрическими структурами 56 расположена соответствующая волнистая структура 57.
Предпочтительно волнистые структуры 57 расположены так, что может образовываться наклон, так что могут стекать сливающиеся друг с другом на решетчатых структурах капельки.
Количество расположенных штабелем друг над другом отделительных элементов определяется загрузкой, а также распределением величины капелек в газе на входе в систему. При очень широком распределении с сильно отличающейся друг от друга величиной капелек, а также большой загрузке жидкостью требуется большая конструктивная высота для каждого отдельного отделительного элемента 8 или штабель из нескольких расположенных друг над другом отделительных элементов 8. В этом случае большие капли отделяются с помощью отделительного элемента 8, который расположен в непосредственной близости от создающей завихрение части 51 устройства, в то время как небольшие, легкие капельки проходят вместе с газовым потоком большие расстояния, так что они отделяются лишь в более удаленных отделительных элементах 8.
Отделительные элементы 8 с решетчатыми структурами 9 различного типа можно комбинировать с различными расположениями соединительных элементов. Решетчатые структуры различаются, например, величиной проходных отверстий, так что по аналогии со структурой сита или фильтра в каплеотделителе можно комбинировать структуры различной пропускающей способности. Для этого можно использовать, например, ткани различной плотности. Соединительные элементы можно комбинировать в любой комбинации с решетчатыми структурами, с согласованием коэффициента пустот с соответствующей задачей отделения. В качестве альтернативного решения можно также чередовать отделительные элементы без решетчатых структур с отделительными элементами, которые содержат решетчатые структуры.
Создающая завихрение часть 51 устройства расположена внутри проточного канала 5 и содержит несколько направляющих поверхностей 61, с помощью которых по меньшей мере часть газа отклоняется от основного направления 6 потока в направлении отделительных элементов 8. Направляющие поверхности 61 создающей завихрение части 51 устройства расположены внутри части 62 трубы по потоку выше внутренней боковой поверхности 52 вокруг ориентированной в основном направлении 6 потока центральной оси 60.
Согласно показанному на фиг.10 примеру выполнения направляющие поверхности 61 закреплены на штанге 63, которая расположена вдоль центральной оси 60. Направляющие поверхности 61 образуют с плоскостью, которая ориентирована нормально к основному направлению 6 потока, угол 64 наклона, который больше 20° и меньше 70°, предпочтительно лежит между 45° и 65º. Угол наклона направляющей поверхности 61 может быть также изменяемым. Например, угол 64 наклона может быть меньше в ближней к центральной оси зоне части 62 трубы, т.е. направляющие поверхности 61 расположены более плоско, чем в ближней к стенке зоне части 62 трубы.
Дополнительно к создающей завихрение части устройства в проточном канале 5 могут быть предусмотрены другие отклоняющие элементы 70. В частности, вокруг центральной оси 60 системы могут быть расположены дискообразные отклоняющие элементы 70, которые служат для улучшения направления потока.
Реферат
Изобретение относится к каплеотделителю для отделения капелек из содержащего капельки газа. Каплеотделитель (10) содержит проточный канал (5), который предназначен для направления через него содержащего капельки газа и прохождения потока этого содержащего капельки газа вдоль основного направления потока, при этом вокруг проточного канала (5) расположен по существу кольцеобразно отделительный элемент (8), который предназначен для прохождения направленного от проточного канала (5) кольцевого потока. Отделительный элемент (8) имеет донный элемент (11) и закрывающий элемент (12), а также множество соединительных элементов (1), которые расположены между донным элементом (11) и закрывающим элементом (12) так, что донный элемент (11) и закрывающий элемент (12) расположены на расстоянии друг от друга, которое задано соединительными элементами (1). Соединительный элемент (1) содержит стенной элемент (3), который предназначен для направления вдоль него в виде пленки капелек содержащего капельки газа в направлении донного элемента (11), при этом стенной элемент (3) имеет отделительную поверхность, которая имеет среднюю ширину больше 1 мм. Отделительный элемент (8) содержит кольцевой элемент (17), который расположен по существу кольцеобразно вокруг проточного канала (5) и имеет внутреннюю боковую поверхность, которая имеет по существу диаметр проточного канала (5), и предусмотрены проходные отверстия для входа содержащего капельки газа в кольцевой элемент. Техническим результатом изобретения является создание каплеотделителя, с помощью которого обеспечивается возможность улучшенного отделения, в частности, небольших капелек. 2 н. и 13 з.п. ф-
