Устройство для отделения жидкости от потока среды, содержащего капельки жидкости
Изобретение относится к устройству для отделения жидкости от потока среды. Среда - это газ или вторая жидкость, плотность которой меньше плотности отделяемой жидкости. Устройство (1) содержит отделительные структуры (2) от потока (5) среды, содержащего капельки жидкости и направляемого в противоток сепарированной жидкости. Сепарированная жидкость стекает по поверхностям отделительных структур (2), которые образуют, по меньшей мере, две ступени (21, 22) и каждая из которых имеет впускную поверхность (20а) для впуска потока среды (5), расположенную ниже соответствующей выпускной поверхности (20b). На выпускной поверхности (20а) первой ступени (21) предусмотрен сборник (3) для жидкости (41), стекающей со ступени обратно. На выпускной поверхности второй ступени (22) также предусмотрен сборник (3) для жидкости (42), стекающей со второй ступени (22) обратно. Каждый сборник (3) через сборный канал (32) подключен к коллектору (4). Сборник (3) состоит из множества сборных элементов (31). Сборные элементы представляют собой расположенные параллельно сборные желоба, между которыми предусмотрены пропускные отверстия или зазоры для прямого впуска потока среды в отделительную структуру. Технический результат: упрощение отделения капель жидкости от потока среды за счет их коалесценции, упрощение конструкции устройства, создание компактной системы. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к устройству или аппарату для отделения жидкости от потока среды, содержащего капельки жидкости, в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения, а также к способу осуществления этого отделения капелек. Среда - это газ или вторая жидкость, плотность которой меньше плотности отделяемой жидкости.
В нефтяной и газовой промышленности при обработке смесей из двух или более фаз, содержащих в газообразной фазе дискретную фазу в виде капелек воды, часто необходимо разделение фаз. В применяемых для этого сепараторах способы разделения осуществляются с использованием силы тяготения и/или инерции в виде центробежных сил. В обоих видах способа поток газа, содержащий капельки жидкости, т.е. поток среды, подаeтся на отделительную поверхность, на которой отделение осуществляется, с одной стороны, путeм простого изменения направления потока или, с другой стороны, с помощью индуцирования вихревого потока.
В основном, существуют два фактора воздействия на эффективность сепараторов. С одной стороны, воздействие оказывает величина капель: чем меньше капли в двухфазном потоке, тем сложнее отправить их из потока среды на отделительные поверхности; дело в том, что достаточно сильное отклонение инерция вызывает лишь у более крупных капель. Вторым существенным воздействием на эффективность из-за большой скорости потока среды является последующее отделение капель от жидкостной плeнки, покрывающей отделительные поверхности. Толщина жидкостной плeнки на поверхности отделительной структуры, с одной стороны, оказывает влияние на свободную поверхность для протекания потока среды. С другой стороны, устойчивость плeнки с увеличением толщины убывает: образование волн на жидкостной плeнке может привести к отрыву капель.
Увеличение количества жидкости или потока среды ведeт к затоплению сепаратора, заставляя его тем самым работать на предельной мощности. Эффективность процесса отделения вблизи предельной мощности резко падает. Поскольку мощность ограничивается толщиной плeнки на отделительной поверхности и скоростью среды, толщину плeнки предпочтительно уменьшать, а мощность отделительного устройства тем самым увеличивать.
Из патента США US-А-4744806 известна отделительная структура, с помощью которой капельки жидкости могут отделяться от потока среды. Эта отделительная структура в направлении, поперечном направлению потока, является неоднородной: в основных зонах с большей плотностью отделительной структуры сепарации подвергается, преимущественно, жидкость, в то время как в дополнительных зонах с меньшей плотностью, расположенных между основными зонами, сепарированная и поступившая в эти дополнительные зоны жидкость стекает в противоток потоку среды. Дренаж посредством дополнительных зон способствует уменьшению толщины плeнки в основных зонах, благодаря чему их пропускная способность повышается.
Задачей изобретения является создание еще одного устройства, с помощью которого жидкость можно отделять от потока среды, содержащего капельки жидкости. Эта задача решается с помощью устройства, приведeнного в пункте 1 формулы изобретения и представляющего собой многоступенчатый каплеотделитель.
Устройство служит для отделения жидкости с помощью отделительных структур от потока среды, содержащего капельки жидкости и направляемого в противоток сепарированной жидкости. Сепарированная жидкость стекает по поверхностям отделительных структур. Отделительные структуры образуют по меньшей мере две ступени. Каждая отделительная ступень имеет впускную поверхность для впуска потока среды, которая расположена ниже соответствующей выпускной поверхности. При наличии множества ступеней для каждой впускной поверхности предусмотрен сборник для жидкости, стекающей со ступени обратно. Сборники через сборный канал подключены к коллектору.
Зависимые пункты 2-6 касаются предпочтительных выполнений устройства согласно изобретению. Пункт 7 относится к аппарату, который содержит это устройство, т.е. к многоступенчатому каплеотделителю. Способ эксплуатации устройства является предметом пунктов 8-10 формулы изобретения.
Ниже изобретение поясняется на основе чертежей.
Фиг.1 изображает многоступенчатый каплеотделитель согласно изобретению,
фиг.2 - пример сборника жидкости, вид снизу,
фиг.3 - разрез сборника на фиг.2,
фиг.4 - аппарат, содержащий другую форму выполнения многоступенчатого каплеотделителя согласно изобретению.
Многоступенчатый каплеотделитель, изображeнный на фиг.1, представляет собой устройство 1 для отделения жидкости от потока 5 среды, содержащего капельки жидкости. Этот поток 5 среды, который, как правило, представляет собой поток газа, канализируется отделительными структурами 2, в которых сепарированная жидкость протекает по поверхностям отделительной структуры 2 в противоположном направлении. Поверхности смачиваются сепарируемой жидкостью. Отделительные структуры 2 образуют в приведeнном примере три ступени 21, 22 и 23. Каждая отделительная структура 2 имеет впускную поверхность 20а для впуска потока 5 среды, которая располагается ниже соответствующей выпускной поверхности 20b. У впускных поверхностей 20а предусмотрены сборники 3 для жидкости, стекающей из отделительной структуры 2 обратно. Каждый сборник 3, содержащий сборные элементы 31, через сборный канал 32 подключeн коллектору 4, расположенному за пределами отделительной структуры 2. Потоки 41, 42 и 43 жидкости из ступеней 21, 22 и 23 впадают в коллектор 4, где они сливаются в один поток 44 жидкости. В многоступенчатом каплеотделителе 1 из влажного потока 5 среды, с одной стороны, образуется сухой поток 5′ среды, а с другой - поток 44 сепарированной жидкости.
Если ступеней несколько, то у некоторых из них сборники 3 могут отсутствовать. При отсутствии сборника 3 сепарированная жидкость течeт дальше на следующую ступень вверх по течению потока 5 среды. Если эта последующая ступень имеет достаточную eмкость для сепарированной жидкости, то работоспособность устройства 1 согласно изобретению не очень страдает от дополнительной нагрузки за счeт ступени, расположенной ниже по течению потока. Правда, поскольку большая eмкость для сепарированной жидкости, как правило, приводит к снижению отделительной способности, предпочтительно, чтобы сборниками 3 были оборудованы все ступени.
Отделительная способность нелинейно зависит от количества жидкости, пропущенной через отделительную структуру. Так, например, частично затопленная отделительная структура 2 обладает лучшей отделительной способностью, в частности, в отношении очень мелких капелек жидкости. (Затопление - это рабочая точка, при которой происходит заметный отрыв капель в направлении следующей ступени, а в отделительном элементе имеет место увеличение объемного содержания (holdup) жидкости). В таком случае отсутствие сборника 3, способствующее затоплению, может быть полезным. Полезность или бесполезность сборника 3 зависит от выбора отделительной структуры и от спектра размеров капель в потоке 5 среды.
Отделительные структуры 2 состоят, например, из множества отделительных элементов и/или пачки слоeв, сотканных или связанных из проволоки, в частности из металлической проволоки. В другой форме выполнения устройства 1 согласно изобретению, по меньшей мере, одна ступень содержит упорядоченную упаковку, образующую, например, структуру перекрeстных каналов. Эта упаковка состоит, по меньшей мере, из одной пачки слоeв гофрированной или зигзагообразно сложенной плeнки. Слои располагаются вертикально и образуют наклонные проточные каналы. Проточные каналы соседних слоeв пересекаются и открыты друг для друга.
Отделительные структуры 2, как правило, имеют различные удельные поверхности (или плотности). В частности, удельная поверхность в направлении течения потока 5 среды, преимущественно, увеличивается.
Сборник 3 состоит из множества сборных элементов 31. Различают два предпочтительных типа сборников 3.
Первый тип изображeн на фиг.1. Сборные элементы 31 представляют собой параллельно расположенные сборные желоба, между которыми предусмотрены зазоры для прямого прохождения потока 5 среды в отделительную структуру 2. Непосредственно над впускной поверхностью 20а образуется матрица потоков, благодаря которой сепарированная жидкость оттесняется в «подветренные» зоны («leeseitig»), расположенные за сборными элементами 31, где жидкость может стекать в сборные элементы 31 без препятствий со стороны потока среды.
У второго типа сборника 3, изображeнного на фиг.2 и 3, каждый сборный элемент 31 имеет, по меньшей мере, одну сборную поверхность 34 и сборный жeлоб 35, ведущий в сборный канал. Следует иметь в виду, что на фиг.2 сборник 3 изображeн снизу со стороны поступления потока 5 среды. Сборник 3 имеет пропускные отверстия 36 или зазоры для потока 5 среды, распределeнные по впускной поверхности 20а соответствующей отделительной структуры 2. Прямому прохождению потока 5 среды через сборные элементы 31 целиком или частично, по меньшей мере, на 50 % препятствует отклоняющий плоскостной элемент 33 соседнего сборного элемента. На фиг.2 прямое прохождение возможно только в узкой полосе 37. Так же, как и в случае сборника 3 на фиг.1, прямое прохождение без отрицательных последствий могло бы быть и большим, чем на фиг.2.
Сборник 3 за счет отклонений потока 5 среды, помимо функции сбора, выполняет функцию отделения. Это относится к обоим вышеописанным типам сборников, в частности к первому типу. У второго типа в качестве отделительного средства могут выступать дополнительные структурные элементы, расположенные на сборных поверхностях 34 или между ними и оказывающие воздействие на поток.
Фиг.4 изображает аппарат 1*, представляющий собой очередную форму выполнения устройства 1 согласно изобретению и содержащий, по меньшей мере, одну дополнительную ступень 6, причeм дополнительная ступень 6 имеет другой принцип действия. Аппарат 1* содержит также впускную ступень 25, на которой могут устанавливаться отделительные структуры и сборники жидкости согласно изобретению. Однако впускная ступень 25 может иметь также другие внутренние системы, например коагулятор (Coalescer) для воздействия на спектр размеров капель, содержащихся в потоке 5 среды. Аппарат 1* имеет конструкцию, симметричную относительно центральной оси симметрии. Каплеотделитель 1, в свою очередь, содержит три ступени 21, 22 и 23, которые, однако, в этом случае образованы кольцеобразными отделительными структурами 2 и сборниками 3. Само собой разумеется, что количество ступеней может быть также равно 2 или быть больше 3.
Потоки обрабатываемой среды обозначаются стрелками 50, 50′, 50′′ и 51. После прохождения каплеотделителя 1 поток 50′ среды, всe ещe содержащий остатки жидкости, с помощью лопастей 60 направляется по радиусу к центру (стрелка 50′′) и при этом переходит в вихревой поток 51. Вихревой поток 51 через отверстие в дне 61 отделительной ступени 6 переходит в область, в которой остатки жидкости благодаря сформированной соответствующим образом структуре и использованию центробежных сил продолжают сокращаться. Центробежную сепарацию такого рода - как в приведeнном примере - предпочтительно следует предусматривать в качестве завершающей стадии.
В способе эксплуатации многоступенчатого каплеотделителя 1 согласно изобретению сепарирование может производиться, например, на первой ступени, по меньшей мере, при частично затопленной отделительной структуре. При таком подходе непрерывная фаза, образуемая сепарированной жидкостью, обтекается потоком 5 среды как дискретная фаза в виде пузырьков. Таким образом, небольшие капельки могут осаждаться на поверхности отдельных пузырьков.
Поток среды может быть рассчитан таким образом, чтобы на ступенях с большим содержанием жидкости падение давления достигало величины, вызывающей затопление.
В особом случае применения способа согласно изобретению может возникнуть необходимость, чтобы между влажным потоком 5 среды, содержащим сепарируемую жидкость, и сухим потоком 5′ среды, не содержащим сепарируемой жидкости, разность давлений была не слишком большой. В этом случае, например, с аппаратом 1* можно поступить следующим образом: в аппарате 1* измеряется полное падение давления сухого потока среды в функции от его объeмного потока. Затем аппарат 1* эксплуатируется с влажным потоком среды, для которого падение давления не превышает удвоенного значения соответствующего падения давления сухого потока среды или какого-либо другого заданного значения. При превышении заданного значения влажный поток 5 среды сокращается таким образом, чтобы указанное условие выполнялось.
В устройстве 1 согласно изобретению, представляющем собой систему отделительных структур, последовательно установленных в направлении потока, толщина жидкостной плeнки на поверхностях отделительных структур уменьшается за счeт отведения жидкости в промежутке между ступенями. Повторное отделение капель, наступающее по достижении определeнной толщины жидкостной плeнки, происходит лишь при больших потоках жидкости или газа. Кроме того, достигается гидравлическая развязка, поскольку сепарированной жидкости не приходится больше проходить всех ступеней, находившихся ранее на пути газового потока.
Преимущество, полученное благодаря устройству 1 согласно изобретению, заключается в контроле жидкостной плeнки на отделительных поверхностях за счeт выбора подходящей плотности (удельной поверхности) отделительной структуры в сочетании с отдельным сбором и отведением жидкости. Можно также целенаправленно добиваться коалесценции, например, за счeт отказа от отведения жидкости на какой-либо ступени, так чтобы после этой развязки капельная сепарация смогла произойти на следующей ступени.
Затопление нижней ступени в интересах получения как можно более компактной системы можно предусмотреть в качестве целесообразной меры, если элементы отделительного устройства, расположенные ниже по течению потока 5 среды, обеспечивают эффективность сепарации. Перекрытие сечения для среды пузырьковым слоем, образующимся в результате затопления, часто даeт положительный эффект, поскольку капельки жидкости коалесценируют на поверхности жидкости. При этом формирование капель в результате отрыва от жидкостной плeнки обычно подчиняется другому механизму, нежели формирование капелек, попадающих в устройство 1 с потоком 5 среды. Капли, возникающие при отрыве, могут быть значительно крупнее капелек, и поэтому их проще отделить на следующей ступени.
1. Устройство (1) для отделения жидкости с помощью отделительных структур (2) от потока (5) среды, содержащего капельки жидкости и направляемого в противоток сепарированной жидкости, причем сепарированная жидкость стекает по поверхностям отделительных структур (2), которые образуют, по меньшей мере, две ступени (21, 22) и каждая из которых имеет впускную поверхность (20а) для впуска потока среды (5), расположенную ниже соответствующей выпускной поверхности (20b), отличающееся тем, что предусмотрена первая ступень (21), на впускной поверхности (20а) которой предусмотрен сборник (3) для жидкости (41), стекающей со ступени (21) обратно, а также вторая ступень (22), на впускной поверхности которой предусмотрен сборник (3) для жидкости (42), стекающей со второй ступени (22) обратно, и каждый сборник (3) через сборный канал (32) подключен к коллектору (4), причем сборник (3) состоит из множества сборных элементов (31), причем сборные элементы (31) представляют собой расположенные параллельно сборные желоба (35), между которыми предусмотрены пропускные отверстия или зазоры (36) для прямого впуска потока среды в отделительную структуру (2).
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая отделительная структура (2) состоит из множества отделительных элементов и/или пачки слоев, сотканных или связанных из проволоки, в частности из металлической проволоки.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна ступень содержит упорядоченную упаковку, причем эта упаковка образует, в частности, структуру перекрестных каналов с пачкой слоев гофрированной или зигзагообразно сложенной пленки, образующей в вертикально ориентированных слоях наклонные проточные каналы, причем проточные каналы соседних слоев пересекаются открыто.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отделительные структуры (2) имеют различные удельные поверхности, причем, в частности, удельная поверхность в направлении течения потока (50) среды увеличивается.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый сборный элемент (31) содержит, по меньшей мере, одну сборную поверхность (34) и сборный желоб (35), ведущий в сборный канал (32), причем сборник (3) имеет пропускные отверстия или зазоры (36) для потока среды, распределенные по впускной поверхности (20а) соответствующей отделительной структуры, и прямое прохождение потока (5) среды перекрыто отклоняющими плоскостными элементами (33) соседних сборных элементов (31) полностью или, по меньшей мере, на 50%.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что сборник (3) за счет отклонений потока (5) среды помимо функции сбора выполняет функцию отделения.
7. Аппарат (1*) для отделения жидкости с помощью отделительных структур (2) от потока (5) среды, содержащего капельки жидкости, отличающийся тем, что содержит устройство (1), выполненное по любому из пп.1-6, причем на одном участке поток (50) среды переходит в вихревой поток (51), так что под действием центробежных сил происходит отделение жидкости в соответственно сформированной структуре, причем такого рода центробежная сепарация предпочтительно предусмотрена на завершающей стадии.
8. Способ эксплуатации многоступенчатого каплеотделителя, отличающийся тем, что многоступенчатый каплеотделитель представляет собой устройство (1) по любому из пп.1-6 или аппарат (1*) по п.7, причем жидкость, сепарированную, по меньшей мере, на одной или предпочтительно на всех ступенях (21, 22, 23), улавливают сборниками (3) и из них направляют в коллектор (4).
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что, по меньшей мере, на одной ступени (21) сепарацию осуществляют с помощью, по меньшей мере, частично затопленной отделительной структуры (2), причем непрерывную фазу, образованную сепарированной жидкостью, обтекает поток среды в качестве дискретной фазы в виде пузырьков.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что поток среды рассчитывают таким образом, чтобы на ступенях с большим содержанием жидкости падение давления достигало величины, вызывающей затопление.
11. Способ по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что в аппарате (1*) измеряется полное падение давления сухого потока среды в функции от его объемного потока, затем аппарат (1*) эксплуатируется с влажным потоком (5) среды, для которого падение давления не превышает удвоенного значения соответствующего падения давления сухого потока среды.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что при превышении заданного значения влажный поток (5) среды сокращают таким образом, чтобы падение давления не превышало удвоенного значения соответствующего падения давления сухого потока среды.
