Сопло, инерционный сепаратор и способ сверхзвукового отделения компонента - RU2229922C2

Описание

Область техники

Данное изобретение относится к соплу сужающейся-расширяющейся формы для создания дисперсного потока с сверхзвуковой скоростью, к расположенному на нем инерционному сепаратору и к способу сверхзвукового отделения компонента в газовом потоке. В частности, изобретение относится к отделению одного или более компонентов из указанного потока путем конденсации выбранных компонентов и их последующего отделения.

Уровень техники

Разделение может применяться в различных промышленных установках, таких как используемых в нефтяной и газовой промышленности, в химической промышленности, в лакокрасочной промышленности и в различных других областях промышленности. Разделение можно использовать в различных промышленных процессах, таких как, например, удаление диоксида углерода из топочного газа, кондиционирование воздуха (удаление воды) и сушка природного газа перед его распределением по сети газопроводов. Множество способов и устройств существует для отделения компонентов от газов или других текучих сред. Примеры обычных сепараторных устройств включают дистилляционные колонны, фильтры и мембраны, центрифуги, отстойные резервуары, электростатические осадители, сушки, охладители, циклоны, сепараторы с вихревой трубой и адсорберы. Однако с этими известными устройствами связаны недостатки и/или проблемы, которые делают их нежелательными для определенных применений. Дополнительно к этому, в уровне техники описаны инерционные сепараторы, снабженные сверхзвуковым соплом.

JP-A-02017921 относится к разделению газовой смеси с использованием сверхзвукового потока. Устройство включает в себя вихревую форсунку, расположенную по потоку выше сверхзвукового сопла. Затем вихревой поток флюида проходит через аксиально симметричное расширяющееся сопло для образования мелких частиц. Вихревая форсунка имеет протяженное расстояние по направлению оси, создавая большое падение давления. Для отделения одного компонента из трехкомпонентного газового потока необходимо сначала обеспечить большое завихрение выше по потоку с помощью вихревой форсунки и поэтому в систему необходимо подавать значительное количество энергии.

US-A-3559373 относится к сверхзвуковому сепаратору, включающему вход для газа высокого давления, имеющую прямоугольное сечение горловину и U-образный канал с прямоугольным поперечным сечением. Канал имеет наружную изогнутую проницаемую стенку. Газовый поток подается на газовый вход с дозвуковыми скоростями. Газ уплотняется при проходе через горловину и расширяется в канал, увеличивая скорость до сверхзвуковой скорости. Расширение потока в сверхзвуковой зоне приводит к соединению капель, и большие капли проходят через наружную проницаемую стенку и собираются в камере. Разделительная сила, т.е. сила, необходимая для выделения различных фаз из протекающего потока, зависит от радиуса закругления канала. Однако радиус закругления канала необходимо ограничивать для предотвращения нормальных ударных волн. Поэтому форма устройства, описанного в US-A-3559373, исключает силу, доступную для отделения капель жидкости из протекающего потока. Кроме того, капли жидкости не собираются поперек зоны канала.

ЕР-А-0496128 относится к способу и устройству для отделения газа из газовой смеси. Устройство включает в себя цилиндр, который сужается к соплу и затем расширяется в зону вихря. Газ входит через входное отверстие цилиндра с дозвуковой скоростью и проходит через сужающуюся часть сопла. Поток расширяется из сужающейся части в расширяющуюся часть цилиндра с сверхзвуковой скоростью. Пара дельтовидных пластин сообщает вихревое движение сверхзвуковому потоку. Комбинация из сверхзвуковых скоростей и вихревого движения способствует конденсации и отделению конденсирующегося компонента от газовых компонентов протекающего потока. Выходная труба расположена по центру цилиндра для обеспечения выхода газовых компонентов протекающего потока с сверхзвуковой скоростью. Жидкие компоненты продолжают движение через вторую сужающуюся часть, которая понижает скорость до дозвуковой, и через вентилятор, и окончательно выходят из цилиндра через второй выход.

В международной заявке WO 99/01194 описан аналогичный способ и соответствующее устройство для удаления выбранного газового компонента из потока текучей среды, содержащего множество газовых компонентов. Это устройство снабжено возбудителем ударного потока по потоку ниже коллекторной зоны для уменьшения осевой скорости потока до дозвуковой скорости. Применение ударной волны таким образом приводит к более эффективному разделению образовавшихся частиц.

В этих источниках описаны различные сверхзвуковые инерционные сепараторы, однако без подробного описания используемого сопла.

Конструкции сопел, подходящих для инерционных сепараторов, имеют формы, отличные от тех, которые используют в реактивных двигателях, ракетных двигателях малой тяги и т.д. В обоих используются сужающиеся-расширяющиеся сопла (сопла Лаваля), которые приводят к тому, что в средней части имеется минимальный диаметр, называемый "горловиной сопла". Однако расширяющаяся часть сопел, используемых в качестве ускоряющего устройства, может быть просто конически расширяющейся частью (см. Perry, "Справочник инженера-химика", стр.5-32). Форма расширяющейся части для получения сверхзвукового эмульсионного потока (т.е. двухфазного потока, содержащего жидкие/твердые частицы конденсированных компонентов, присутствующих в виде мелких частиц, транспортируемых с газовой фазой) должна быть специальной формой; методы конструирования приведены в монографии Liepman и Roshko "Элементы газодинамики", Wiley, Нью-Йорк, 1957, стр.284, содержание которой включено в качестве ссылки.

Патент US №5261242 относится к способу и устройству для отделения твердых частиц или сжиженного вещества от несущей их текучей среды с использованием инерционного сепаратора и, при необходимости, выше от него по потоку сопловой системы, главной задачей которой является преобразование текучей среды, несущей вещество, подлежащее выделению, в быстрый поток, обеспечивающий отделение вещества в результате инерционного эффекта. Согласно этому патенту следует применять сужающееся-расширяющееся сопло, имеющее специальный профиль (показанный на фиг.2 патента). Указано, что сопло является полезным в области рекуперации энергии, промышленной сушки, сушки текучей среды, несущей сжижаемые вещества, и понижения точки росы газов, в технологии очистки газов и разделении аэрозолей и разделении газов. В соответствии с этим в патенте описано сопло сужающегося-расширяющегося типа, имеющее канал, содержащий в направлении потока текучей среды перед и за горловинной частью соответственно сужающуюся и расширяющуюся часть канала, и в котором указанный канал сопла имеет профиль вблизи указанной горловинной части перед и за ней, выполненный с обеспечением, по существу, постоянных давления и скорости потока в указанной зоне на оси канала сопла.

Однако остается неясным, какую форму и размеры должно иметь это сопло для обеспечения эффективности разделения, равной по меньшей мере 15% (минимальная эффективность отделения, например, для кондиционирования воздуха), предпочтительно равной по меньшей мере 50% (минимальная эффективность отделения, например, для обработки природного газа) и/или для обеспечения получения отделяемых частиц с диаметром, например, от 0,1 до 2,5 микрон.

В SU-A-1768242 и SU-A-1722540 также раскрыты инерционные сепараторы без обращения внимания на влияние геометрии сопла на рост частиц и производительность сепаратора.

Имеется необходимость в способе и устройстве, которые устраняют недостатки и несоответствия известных способов разделения для создания и наращивания частиц до легко разделяемого размера с помощью ограниченного количества внешней энергии, вращающихся частей и понижения давления.

Сущность изобретения

Данное изобретение представляет сопло сужающейся-расширяющейся формы для создания эмульсионного потока с сверхзвуковой скоростью, содержащее:

- горловину, имеющую характеристический диаметр D*;

- вход, имеющий характеристический диаметр D1, расположенный на расстоянии L1 по потоку выше горловины сопла; и

- выход, имеющий характеристический диаметр D2, расположенный на расстоянии L2 по потоку ниже горловины сопла, при этом отношение L2/(D2-D*) больше 50, однако меньше 220.

В приведенном выше определении и во всем описании горловина является частью сопла, имеющей наименьшую площадь потока (dD/dx=О, где dD является последовательным изменением характеристического диаметра, a dx обозначает последовательное изменение положения вдоль осевой координаты); вход является плоскостью вхождения дозвукового потока в сопло, где оно начинает сужаться (dD/dx<0), и выход является плоскостью выхода сверхзвукового потока из сопла, где оно заканчивает расширяться (dD/dx>0). Аналогичным образом, выражение "характеристический" используется в указанном выше определении и во всем описании для определения диаметра, независимо от формы (круглой, прямоугольной и т.д.) поперечного сечения. Характеристический диаметр равен четырем площадям поперечного сечения, поделенным на периметр.

Изобретение касается также создания инерционного сепаратора для сверхзвукового отделения компонента в основном, газового потока, содержащего описанное выше сопло, и сепарационную часть ниже по потоку от него, имеющую по меньшей мере один выход для отделенного компонента, и по меньшей мере один выход для остального газового потока.

Понятие "в основном, газовый поток" в указанном выше определении и во всем описании обозначает поток, который может иметь небольшое количество жидкого или твердого содержимого, например газовый поток, содержащий 0-10 мас.% жидкого и/или твердого содержимого.

Наконец, изобретение относится также к созданию способа сверхзвукового отделения одного или более компонентов, преимущественно газового потока, дополнительно содержащего несущий газ с использованием инерционного сепаратора, указанного выше.

Краткое описание изобретения

Использование сопла, описанного выше, приводит к образованию частиц отделяемого размера. Эти частицы образуются путем конденсации (и в некоторых случаях путем отвердевания) одного или более компонентов из преимущественно газового потока за счет понижения температуры вследствие почти изентропного расширения (понятие "изентропное" обозначает "с равной или постоянной энтропией относительно пространства или времени").

Таким образом, изобретение основывается на семействе сверхзвуковых сопел с заданными отношениями длина/диаметр с учетом того, что эффективность инерционного сепаратора зависит от диаметра частиц и диаметра инерционного сепаратора. Подходящие сопла имеют отношение длина/диаметр 5015%, имеют отношение длина/диаметр L2/D* меньше 300.

Поперечное сечение сопла может иметь любую форму, такую как круглую, прямоугольную или более сложную. С точки зрения изготовления первые две формы являются предпочтительными.

Сопла, согласно данному изобретению, можно использовать в инерционных сепараторах, имеющих изогнутую сепарационную часть (как описано, например, в GB-A-1103130; US-A-4292050; US-A-5261242 или US-A-3894851, содержание которых включено в качестве ссылки) и в инерционных сепараторах, которые основываются на центробежном разделительном действии (JP-A-02017921; ЕР-А-0496128 или WO 99/011994, содержание которых включено в качестве ссылки). В соответствии с этим, инерционный сепаратор, согласно данному изобретению, содержит сопло, указанное выше, и сепарационную часть ниже по потоку от него, имеющую по меньшей мере один выход для компонента или каждого компонента, подлежащего отделению, и по меньшей мере один выход для остального газового потока.

Предпочтительными сепараторами являются сепараторы, основанные на центробежном разделительном действии. В таких сепараторах жидкие или твердые частицы дрейфуют к наружной радиальной части потока за счет вихревого движения этого потока (вихревого потока). Эти инерционные сепараторы предпочтительно имеют возбудитель вихря выше по потоку от разделительной части и ниже по потоку от сопла, в части сепаратора, называемого каналом. Однако возможно также расположение возбудителя вихря перед соплом (дозвуковым) или даже в сопле (дозвуковым или трансзвуковым). Особенно предпочтительными являются инерционные сепараторы, описанные в ЕР-А-0496128 и WO 99/01194, в которых возбудитель вихря содержит одно или более дельтаобразных элементов, выступающих радиально внутрь из внутренней стенки инерционного сепаратора, передняя кромка и плоскость которых составляет с осевой координатой инерционного сепаратора угол атаки не больше 10°. Следует понимать, что вихрь может быть создан с помощью различных других методов, таких как, например, изменение геометрии канала или включение стенок, имеющих изгибы или зубцы; использование закручивающей катушки в качестве канала; использование закручивающей катушки, расположенной внутри канала; использование не осесимметричного канала; использование изогнутого канала с пористой стенкой; использование спирального витка для создания вихревого потока перед входом в сопло; или использование тангенциальной вихревой трубы. Дополнительно к этому, можно использовать крылья различной геометрии для возбуждения вихря в сверхзвуковом канале, такие как крылья с искаженной огибающей, изогнутое крыло или крылышки. Другие примеры создания вихря включают создание вихря по потоку выше сопла (в дозвуковой зоне) с помощью, например, крыла, статорного колеса или тангенциального входа. Вихрь может быть образован в канале также с помощью подводимой извне закручивающей силы, такой как, например, вращающаяся труба или стержень (т.е. за счет эффекта Магнуса). Дополнительно к этому, можно использовать местное нагревание и/или охлаждение сверхзвукового канала для создания вихря (т.е. распределения энтропии и энтальпии).

Для отделения конденсированных частиц капли должны достичь стенки трубы, т.е. они должны пройти в радиальном направлении половину внутреннего диаметра канала вихревого разделительного устройства. Однако, если образованные в сверхзвуковом сопле капли слишком малы, то они не способны достичь стенки, а вместо этого достигают точки равновесия между центробежной силой вихря и направленных внутрь увлекающих сил, присутствующих в канале.

Было установлено, что скорость охлаждения (dT/dt) может изменяться от около - 100000 К/с до около - 1000 К/с, предпочтительно от около - 50000 К/с до около - 2500 К/с для получения отделяемых частиц, имеющих размер от около 0,1 мкм до около 2,5 мкм, предпочтительно от около 0,5 мкм до около 1,0 мкм. Например, было установлено следующее соотношение между скоростью охлаждения и размером частиц для смеси окружающего воздуха с водой:

Скорость охлаждения Средний диаметр

капель

50000 К/с 0,2 мкм

40000 К/с 0,5 мкм

20000 К/с 1,0 мкм

Было также установлено, что можно задавать сверхзвуковые сопла в виде величины отношения скорости охлаждения (dT/dt в К/с) к D2 (в мм). Таким образом, были установлены хорошие результаты для сопел, в которых произведение двух логарифмов log (D2)·log (dT/dt) находится в диапазоне от 3 до 50, более предпочтительно в диапазоне от 3 до 30, предпочтительно в диапазоне от 3 до 15. Скорость охлаждения можно определить экспериментально или задавать путем изменения геометрии сопла.

В идеальном случае, инерционный сепаратор снабжен генератором ударной волны, например, диффузором (т.е. соплом сужающейся/расширяющейся формы) по потоку ниже сопла. Генератор ударной волны может быть расположен по потоку выше или ниже разделительной части.

Было установлено, что эффективность разделения значительно повышается, если собирание частиц в коллекторной зоне осуществляется после ударной волны, т.е. в дозвуковом потоке, а не в сверхзвуковом потоке. Ударная волна рассеивает существенное количество кинетической энергии потока и тем самым сильно уменьшает осевую составляющую скорости текучей среды, в то время как тангенциальная составляющая (обусловленная генератором вихря) остается, по существу, неизменной. В результате плотность частиц в радиально внешней части коллекторной зоны значительно выше, чем в других местах канала, где поток является сверхзвуковым. Считается, что этот эффект обусловлен сильно уменьшенной осевой скоростью флюида и тем самым ослабленной тенденцией частиц к увлечению центральным "сердечником" потока, где текучая среда протекает с более высокой осевой скоростью, чем вблизи стенок канала. Таким образом, в режиме дозвукового потока центробежным силам, действующим на конденсированные частицы, не в сильной степени противодействует увлекающее воздействие центрального "сердечника" потока, так что частицы могут агломерировать в радиально внешней части коллекторной зоны, из которой они извлекаются.

В предпочтительном устройстве ударная волна создается посредством пропускания потока текучей среды через диффузор. Хотя можно использовать любой диффузор, подходящим диффузором является сверхзвуковой диффузор. В предпочтительном варианте выполнения коллекторная зона расположена смежно с выпускным концом диффузора.

Дополнительно к этому, ударная волна может быть образована с помощью других средств, таких как, например, расположение стержня, конуса, вентилятора или т.п. внутри канала для создания препятствия потоку и тем самым ударной волны.

Конечная часть инерционного сепаратора по потоку ниже канала содержит разделительную часть. Хотя предпочтительно использовать инерционный сепаратор, снабженный генератором вихря, и поэтому также снабженной коллекторной трубой для собирания конденсированного вещества из газового потока (см.ЕР-А-0496128 и WO 99/01194), следует понимать, что изобретение не ограничено этим. Например, конденсированный отделенный компонент можно собирать путем удаления конденсированного компонента с статической стенки путем протекания конденсированного компонента через щели или перфорацию, образованные в стенке сепаратора; путем удаления жидкого слоя и приграничного слоя с помощью пористых стенок (т.е. за счет уменьшения повышения температуры торможения); с помощью капиллярной силы для поглощения жидкости с использованием микропористых материалов; путем удаления приграничного слоя с помощью циркуляции растворителя; путем растворения/абсорбции через мембраны; путем удаления с вращающейся стенки, такой как, например, вращающийся барабан со щелями/перфорацией, пористым материалом, или с помощью инерционных сепараторов (т.е. турбулентных инерционных сепараторов, инерционных сепараторов с фильтрами или конусом).

Инерционный сепаратор, описанный выше, можно использовать для тех же целей, что и инерционные сепараторы, описанные в источниках, приведенных в данном описании. Он особенно пригоден для обработки природного газа.

Понятие "природный газ", используемое в этом описании, относится в целом к газу, добываемому из подземных накоплений, имеющих сильно изменяющийся состав. Кроме углеводородов природный газ обычно включает воду, азот, диоксид углерода и иногда небольшое количество сероводорода. Основным углеводородом в природном газе является метан, наиболее легкий и кипящий при наиболее низкой температуре элемент предельных углеводородов. Другими составляющими являются этан, пропан, бутан, пентан, гексан, гептан и т.д. Легкие составляющие, например, С₂-С₄-углеводороды, находятся в газовой фазе при атмосферных температуре и давлении. Тяжелые составляющие находятся в жидкой фазе при атмосферных температуре и давлении и в газовой фазе при повышенных температурах во время добычи из-под земли. Природный газ, содержащий такие тяжелые составляющие, известен как "влажный газ".

Природный газ, не содержащий или содержащий лишь малую долю тяжелых жидких углеводородов, известен как "сухой газ".

Ниже изобретение поясняется с помощью следующих примеров. Следует понимать, что соотношения, иллюстрированные для смеси воздух-вода, также справедливы для других газовых смесей. Данное изобретение не ограничено частными примерами, приведенными ниже.

Пример 1

Ниже приводится описание примера выполнения канала для отделения водяного пара от воздуха в условиях окружающей среды. Устройство можно использовать для удаления водяного пара из воздуха в центральных установках кондиционирования воздуха или отработанного воздуха из сушильных камер. Обычно необходимо отделить 15-30% водяного пара для обеспечения желаемой влажности. Скорость потока воздуха при таком применении обычно составляет от около 10000 до более 100000 м³/ч.

В устройстве воздух сжимается до 1,4 бар с помощью нагнетательного вентилятора и затем охлаждается до 25-30°С, где воздух близок к насыщению водой (относительная влажность RV=90%). Затем воздух подают в устройство, согласно данному изобретению, где жидкую воду отделяют с небольшим количеством проскакивающего воздуха, выходящего вместе с потоком жидкой воды.

Устройство согласно данному изобретению имеет трубчатый канал для потока, хотя аналогичные результаты могут быть получены для канала с прямоугольным или несимметричным поперечным сечением. Условия на входе устройства приведены ниже.

1. Удельный массовый расход 1, 2 кг/с

2. Входное давление 140 кПа (1400 мбар (а))

3. Входная температура 25°С

4. Входная влажность 90%

Устройство обеспечивает конденсацию водяного пара, в результате чего создается поток, содержащий большое число водных капель, обычно 10¹³/м³. Конечные давление и температура составляют - 28°С и 68 кПа (680 мбар (а)), в результате чего обеспечивается пренебрежительно малая фракция водяного пара.

Диаметр горловины сопла составляет около 70 мм. Входной диаметр равен 300 мм. Выходной диаметр сопла равен 80 мм для получения условий сверхзвукового потока с типичным числом Маха М=1,15. Результирующие длины (L1 и L2) сопла составляют:

L1: 700 мм: от входа сопла до горловины сопла,

L2: 800 мм: от горловины сопла до выхода сопла.

Шероховатость стенок выбрана небольшой, например 1 мкм, для уменьшения потерь на трение. В зависимости от применения можно использовать любой жесткий материал для выполнения сопла с учетом указанных выше параметров конструкции.

Инерционный сепаратор также включает отделительную часть, содержащую слегка коническую вихревую трубу и ниже по потоку от нее - диффузор.

В вихревой трубе установлен крылоподобный, вызывающий завихрение элемент. На кромке этого крыла создается вихрь на верхней стороне (стороне низкого давления) и сбрасывается с плоскости предпочтительно на задней кромке. Хорда крыла присоединена к внутренней стенке вихревой трубы. Входной диаметр вихревой трубы равен 80 мм, который линейно увеличивается по длине хорды крыла до 84 мм, после чего он остается постоянным. Длина от верхней точки крыла до задней кромки составляет около 300 мм, также как длина от задней кромки крыла до диффузора.

Размах крыла на задней кромке составляет около 60 мм при угле атаки хорды крыла относительно оси трубы 8°. Угол стреловидности передней кромки составляет 87° и угол стреловидности задней кромки составляет около 40°. Кромки крыла выполнены острыми с углом при вершине менее 3°. Поверхность крыла является плоской, а профиль - экстремально узким вследствие небольшой толщины, обычно 4 мм у основания. В результате циркуляция или общая завихренность составляют приблизительно 16 м²/c.

В дренажной части жидкости удаляются из вихревой трубы. Дренажная часть не является четко определенным устройством, а является составной частью вихревой трубы, образованной с помощью щелей, пористых материалов, отверстий в стенках вихревой трубы; или же является составной частью диффузора, образованной с помощью вихревого вкладыша (коаксиального канала). В этом случае используется вихревой вкладыш, расположенный центрально в канале после ударной волны, которая создавалась непосредственно после вихревой трубы в первой части диффузора.

Выходной диаметр диффузора составляет 90 мм, а входной диаметр вихревого вкладыша - 85 мм. Половина угла расхождения диффузора равна 4°. Выходной диаметр вихревого вкладыша в данном случае составляет 300 мм, а его длина - 1500 мм.

Производительность устройства измерялась с помощью двух датчиков влажности, расположенных на входе воздуха и на выходе сухого воздуха, с коррекцией измерениями температуры и давления. Типичная величина фракций воды на входе составляла 18-20 г водяного пара на 1 кг сухого воздуха. Типичная величина фракций воды на выходе составляла 13-15 г водяного пара на 1 кг сухого воздуха. Это означает, что эффективность отделения составляет около 25%.

Примеры 2-4

Были проведены испытания сопел с различными размерами для удаления тяжелых углеводородов из потока природного газа. Результаты, вместе с результатами примера 1, приведены в таблице.

Следует иметь в виду, что при практической реализации изобретения возможны различные альтернативные варианты выполнения изобретения, помимо указанных выше. Например, хотя работа устройства, согласно изобретению, описана применительно к отделению конденсированного жидкого компонента из газового потока, данное изобретение можно также применять для отделения жидких компонентов из потока жидкости, отделения газовых компонентов из газового потока и отделения твердых частиц из жидкого или газового потоков. Аналогичным образом, процессы, указанные выше, являются примерами многих процессов, которые можно использовать.

Реферат

Изобретение предназначено для отделения компонентов из потока. Инерционный сепаратор включает сопло сужающейся-расширяющейся формы для создания эмульсионного потока с сверхзвуковой скоростью, содержащее горловину, имеющую характеристический диаметр D*; вход, имеющий характеристический диаметр D1, расположенный на расстоянии L1 по потоку выше горловины сопла, и выход, имеющий характеристический диаметр D2, расположенный на расстоянии L2 по потоку ниже горловины сопла, при этом отношение L2/(D2–D*) больше 50, однако меньше 220; а также сепарационную часть, расположенную по потоку ниже сопла и имеющую по меньшей мере один выход для компонента, который отделен, и по меньшей мере один выход для остального газового потока. Изобретение обеспечивает высокую эффективность разделения. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 1 табл.

Формула