RU2674203C2 - Inertial separator - Google Patents

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to devices for separating liquid and solid particles contained in a gas-liquid mixture under the action of inertia forces, and can be used in oil, gas, machine building, food, chemical industries, as well as in agriculture. Inertial separator comprises a body, a rotor inside the body, rotatable about a horizontal axis, inside the rotor, along its lateral surface, a flexible, endless belt made of a porous material is embedded. In the upper part of the rotor between its inner surface and the outer surface of the belt, a pressure roller, forming an inverted camber section in the belt, is installed. Along the belt under its oncoming branch of the inverted camber section there is a chute, a branch pipe, one end of which is connected to the rotor cavity, and the other end of which is connected to a traction fan. Inside the belt along its lateral surface, under the belt branch running off the roller, a feed tube with a slit directed to the belt is installed along the path of its movement. Under the feed tube there is a curvilinear shield, facing its convexity to the inner surface of the belt so that the gap between the belt and the shield narrows to the bottom of the shield.

EFFECT: increased efficiency of the separator.

1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к устройствам, отделяющим жидкие и твердые частицы, содержащиеся в газожидкостной смеси, под действием сил инерций и может найти применение в нефтяной, газовой, машиностроительной, пищевой, химической промышленностях, а также в сельском хозяйстве.The present invention relates to devices that separate liquid and solid particles contained in a gas-liquid mixture under the action of inertia forces and can find application in the oil, gas, machine-building, food, chemical industries, as well as in agriculture.

Известно устройство для центробежной очистки газа от взвешенных в газе частиц, содержащее корпус внутри которого расположены ротор, выполненный в виде спирали из перфорированной ленты, центробежное колесо с отверстиями для выхода крупных частиц, входными и выходными патрубки (авт.св. СССР №841652, B01D 45/14, опубликованное 30.06.1981).A device is known for centrifugal purification of gas from particles suspended in gas, containing a housing inside of which a rotor is arranged made in the form of a spiral of perforated tape, a centrifugal wheel with holes for the exit of large particles, inlet and outlet pipes (ed. St. USSR No. 841652, B01D 45/14, published on 06/30/1981).

К недостаткам устройства следует отнести недостаточно высокую его производительность, связанную с тем, что крупные (твердые) частицы газожидкостной смеси смачиваются влагой из конденсата и становятся более липкими, липкие частицы, оседая в кольцевом сборнике центробежного колеса, скапливаются и забивают отверстия в колесе и препятствуют их прохождению. Кроме того, через перфорированную ленту проходят мелкие частицы, образующие пленку жидкости, в том числе и осадок, который забивает поры ленты. Указанные выше недостатки требуют остановки устройства на очистку отверстий (регенерацию) и способствуют снижению производительности устройства.The disadvantages of the device include its insufficiently high performance, due to the fact that large (solid) particles of the gas-liquid mixture are wetted by moisture from the condensate and become more sticky, sticky particles settle in the ring collector of the centrifugal wheel, accumulate and clog the holes in the wheel and prevent them the passage. In addition, small particles pass through the perforated tape to form a liquid film, including a precipitate that clogs the pores of the tape. The above disadvantages require stopping the device for cleaning holes (regeneration) and contribute to reducing the performance of the device.

Известен центробежный пылеуловитель (патент РФ №2257255, B01D 45/14, опубликованный 22,01.2005), содержащий корпус, внутри которого установлен с возможностью вращения ротор, корпус и ротор выполнены в виде цилиндрических стаканов, вставленных один в другой, к корпусу с его открытой стороны присоединен кольцевой входной коллектор с установленным в его центре отводным патрубком, сообщающимся одним концом с полостью ротора, а другим присоединен к тяговому вентилятору, в обечайке ротора выполнены сквозные продольные пазы трапецеидальной формы (отверстия), меньшие основания которых являются хордами наружной окружности обечайки.Known centrifugal dust collector (RF patent No. 2257255, B01D 45/14, published January 22, 2005), comprising a housing inside which a rotor is mounted for rotation, the housing and the rotor are made in the form of cylindrical glasses inserted one into the other, to the housing with its open the side is connected to an annular inlet manifold with a branch pipe installed in its center, communicating at one end with the rotor cavity, and the other connected to a traction fan, through the trapezoidal longitudinal grooves (holes I), smaller bases of which are chords of the outer circumference of the sleeve.

Недостатком известного пылеуловителя является низкая производительность, связанная с тем, что его конструкция не обеспечивает очистку отверстий в пазах обечайки от частиц, не способных пройти через эти отверстия и впоследствии застрявших в них. В процессе работы отверстия забиваются застрявшими частицами, эти частицы препятствуют прохождению через них другим частицам, что приводит к необходимости остановки сепаратора на очистку его отверстий (регенерацию), что в целом снижает производительность сепаратора. Кроме того, консольное расположение опор вала ротора создает большие нагрузки на вал, в том числе и изгибающий момент, особенно, когда скорости вращения ротора высокие (до 200 м/с). Наличие зазоров в подшипниках и неуравновешенность вращающихся частей ротора (на практике нельзя достичь абсолютной уравновешенности) вызывает дисбаланс вала ротора и приводит к его поломке. По этим причинам снижается производительность и надежность работы пылеулавливателя.A disadvantage of the known dust collector is low productivity, due to the fact that its design does not provide for cleaning the holes in the grooves of the shell from particles that are unable to pass through these holes and subsequently stuck in them. During operation, the holes are clogged by stuck particles, these particles prevent other particles from passing through them, which leads to the necessity of stopping the separator to clean its holes (regeneration), which generally reduces the performance of the separator. In addition, the cantilever arrangement of the rotor shaft supports creates large loads on the shaft, including the bending moment, especially when the rotor speeds are high (up to 200 m / s). The presence of gaps in the bearings and the imbalance of the rotating parts of the rotor (in practice it is impossible to achieve absolute balance) causes an imbalance in the rotor shaft and leads to its breakdown. For these reasons, the performance and reliability of the dust collector are reduced.

Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и принятый за прототип является инерционный фильтрующий сепаратор, содержащий корпус, расположенный в нем перфорированный ротор, внутрь ротора вдоль его боковой поверхности вложена бесконечная гибкая лента, изготовленная из фильтровального (пористого) материала, в верхней части ротора между его внутренней и наружной поверхностью ленты установлен нажимной валик, создающий в ленте прогиб (участок с обратной кривизной), вдоль ленты под участком с обратной кривизной установлен желоб (патент П.М. РФ 147793, В04В 3/08, опубликованный 20.11.2014).The closest to the claimed object by technical nature and adopted as a prototype is an inertial filter separator containing a housing, a perforated rotor located inside it, an endless flexible tape made of filter (porous) material embedded in the rotor along its lateral surface, in the upper part of the rotor a pressure roller is installed on its inner and outer surface of the tape, creating a deflection in the tape (section with reverse curvature), installed along the tape under the section with reverse curvature n trench (patent P.M. RF 147793, B04B 3/08, published November 20, 2014).

Недостатком инерционного фильтрующего сепаратора является низкая эффективность работы при очистке газожидкостной смеси, включающей жидкости, твердые частицы и газ, так как сепаратором возможно отделение фракций твердых частиц из жидкостей, а его использование при очистке газожидкостной смеси мало эффективна в виду того, что из смеси нельзя отделить фракции газа.A disadvantage of the inertial filter separator is the low efficiency when cleaning a gas-liquid mixture, including liquids, solids and gas, since the separator can separate fractions of solid particles from liquids, and its use in cleaning a gas-liquid mixture is not very effective, since it cannot be separated from the mixture gas fractions.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы инерционного сепаратора при разделении газожидкостной смеси на фракции.The objective of the proposed technical solution is to increase the efficiency of the inertial separator when dividing the gas-liquid mixture into fractions.

Техническим результатом предлагаемой конструкции является разделение газожидкостной смеси на твердые, жидкие и газообразные фракции под действием сил инерций, возникающих при движении газожидкостной смеси по поверхностям ленты и криволинейного щитка.The technical result of the proposed design is the separation of the gas-liquid mixture into solid, liquid and gaseous fractions under the action of inertia forces that occur when the gas-liquid mixture moves along the surfaces of the tape and the curved shield.

Поставленный технический результат в инерционном сепараторе, состоящем из корпуса, ротора, установленного внутри корпуса с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, бесконечной гибкой пористой лентой вложенной вовнутрь ротора вдоль его боковой поверхности и нажимным валиком, создающим прогиб в ленте, желоба, установленного под прогибом, достигается тем, что внутри ленты вдоль ее боковой поверхности под сбегающей с валика ветви ленты по ходу ее движения установлен питающий патрубок со щелью, направленной к ленте, а под патрубком установлен щиток криволинейной формы, обращенный своей выпуклостью к внутренней поверхности ленты, зазор между лентой и щитком сужается к нижней части щитка.The technical result is achieved in an inertial separator consisting of a housing, a rotor mounted inside the housing with the possibility of rotation around a horizontal axis, an endless flexible porous tape nested inside the rotor along its side surface and a pressure roller creating a deflection in the tape, the gutter installed under the deflection is achieved the fact that inside the tape along its lateral surface under the branch of the tape that runs down from the roller along the course of its movement, a supply pipe with a slit directed to the tape is installed, and under the pipe a flap of curved shape is installed, facing with its convexity to the inner surface of the tape, the gap between the tape and the flap narrows to the bottom of the flap.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема инерционного сепаратора; на фиг. 2 изображена схема движения газа в осевом направлении ротора.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a schematic diagram of an inertial separator; in FIG. 2 shows a diagram of the movement of gas in the axial direction of the rotor.

Предлагаемый сепаратор содержит корпус 1, внутри которого установлен решетчатый барабан 2 (ротор) на опорных катках 3, вовнутрь ротора вложена гибкая бесконечная пористая лента 4. В верхней части ротора между его внутренней поверхностью и наружной поверхностью ленты установлен нажимной валик 5, создающий прогиб в ленте 4. Желоб 6,установлен под набегающей на нажимной валик 5 ветвью ленты 4 (по ходу ее движения), а под ее сбегающей ветвью установлен питающий патрубок 7 со щелью 8, направленной к ленте. Внутри ленты под патрубком 7 установлен щиток 9 криволинейной формы, обращенный своей выпуклостью к наружной поверхности ленты с сужающимся к нижней части щитка зазором. С торцов щиток 9 закрыт боковинами 10, боковины с внутренней поверхностью ротора образуют герметичное соединение 11, выполненное известными в технике устройствами (манжетой, щеткой, набивкой и т.п.). Отводной патрубок 12 (фиг. 2) сообщается одним концом с пространством, созданным наружными поверхностями желоба 6 и щитка 9 и внутренней поверхностью ленты 4, а другим концом присоединен к тяговому вентилятору (на фигурах вентилятор не показан).The proposed separator comprises a housing 1, inside which a lattice drum 2 (rotor) is mounted on the track rollers 3, a flexible endless porous tape 4 is inserted inside the rotor. A pressure roller 5 is installed in the upper part of the rotor between its inner surface and the outer surface of the tape, creating a deflection in the tape 4. The groove 6 is installed under the branch of the tape 4 running along the pressure roller 5 (in the direction of its movement), and under its runaway branch there is a supply pipe 7 with a slot 8 directed to the tape. Inside the tape under the pipe 7 is installed a flap 9 of a curved shape, convex with its bulge to the outer surface of the tape with a gap tapering to the bottom of the flap. From the ends, the shield 9 is closed by the sidewalls 10, the sidewalls with the inner surface of the rotor form a tight connection 11 made by devices known in the art (cuff, brush, packing, etc.). The outlet pipe 12 (Fig. 2) communicates at one end with the space created by the outer surfaces of the groove 6 and the shield 9 and the inner surface of the tape 4, and the other end is connected to the traction fan (the fan is not shown in the figures).

Газожидкостная смесь через питающий патрубок 7 из сети подается в сепаратор по стрелке А, а оттуда к щели 8, и по стрелке В поступает на внутреннюю поверхность вращающейся ленты 4 и увлекается ею в круговое движение. Угловая скорость ω ленты 4, или ротора 2, выбирается из условия эффективной работы инерционного сепаратора, которая достигается при показателе кинематического режима k его работы (число Фруда) намного больше единицы (k=ω²⋅R/g>>>1, где ω - угловая скорость ротора, равная угловой скорости частиц слоя; R - радиус ротора; g - ускорение силы тяжести). В момент подачи газожидкостной смеси ее скорость меньше скорости ленты, в зазоре между лентой 4 и щитком 9, смесь движется лентой в сторону сужающего к нижней части щитка зазору, в результате, смесь уплотняется, скорость движения смеси под щитком увеличивается и приближается к скорости ленты. С увеличением скорости слоя смеси и его уплотнения в щитке усиливаются действия сил инерций и давления, поэтому частицы твердых тел и жидкостей. имеющие большую плотность и массу в сравнении с газами при движении в щитке, сильнее прижимаются к поверхности вращающейся ленты, чем газы. Частицы жидкостей и твердых тел, как более тяжелые, располагаются и движутся по внутренней поверхности ленты, а газы, как легкие, между наружной поверхностью щитка и лентой. На частицы твердых тел и жидкостей, находящихся на поверхности ленты, кроме сил инерций и давления действуют еще силы трения и сцепления, зависящие от этих сил. Под действием сил трения и сцепления частицы твердых тел и жидкостей удерживаются на поверхности ленты и поднимают ее вверх к участку с обратной кривизной, приобретая уже скорость, равную скорости ленте. Жидкие частицы, находящиеся на поверхности ленты, под действием сил инерций и давления проходят через поры ленты 4 по стрелке С и попадают между корпусом 1 и ротором 2, оседают в корпусе и выводятся по стрелке G. (фиг. 1) Частицы, не прошедшие через поры ленты и застрявшие в них, на участке, где лента имеет обратную кривизну, силами инерций и тяжести отделяются от поверхности ленты, поры при этом очищаются и поступают в желоб 6 по стрелке D (фигура 1) далее выводятся из сепаратора по стрелке F (фиг. 2). При выходе из щитка 6 газы движутся по инерции внутри ленты в направлении ее вращения. Обладая меньшими инерционными свойствами, чем частицы твердых тел и жидкостей, газы значительно быстрее уменьшают свою скорость, поэтому газы не могут подняться лентой вверх вместе с этими частицы, далее, отрываясь от поверхности ленты, движутся независимо от нее по траектории, показанной стрелкой Е (фиг. 1), выводятся из сепаратора воздушным потоком тягового вентилятора в осевом направлении ротора по стрелке E. (фиг. 2). Скорость воздушного потока, создаваемого вентилятором в осевом направлении ротора, должна быть меньше предельной скорости витания твердых частиц, находящихся на поверхности ленты, чтобы исключить их сдувание с поверхности ленты и обратного попадания в уже очищенный газ. Для устранения утечек газа желоб 6 герметично соединен со щитком 9, а по торцам желоба 9 установлены боковины 10, по периферии боковин 10 в местах касания с внутренней поверхность ротора установлены уплотнения 11, создающие также герметичное соединение щитка с ротором и лентой. Уплотнения 11 могут быть выполнены известными в технике устройствами (манжетой, щеткой, набивкой и т.п.), которые обеспечат надежное герметичное соединение боковин щитка с внутренней поверхностью ротора.The gas-liquid mixture through the supply pipe 7 from the network is fed into the separator in the direction of arrow A, and from there to the slot 8, and in direction of arrow B, it enters the inner surface of the rotating tape 4 and is carried away by it in a circular motion. The angular velocity ω of the tape 4, or rotor 2, is selected from the condition for the effective operation of the inertial separator, which is achieved when the kinematic mode k of its operation (Froude number) is much greater than unity (k = ω ² ⋅R / g >>> 1, where ω is the angular velocity of the rotor equal to the angular velocity of the particles of the layer; R is the radius of the rotor; g is the acceleration of gravity). At the moment of supplying the gas-liquid mixture, its speed is less than the speed of the tape, in the gap between the tape 4 and the shield 9, the mixture moves with the tape towards the gap narrowing towards the bottom of the shield, as a result, the mixture is compacted, the speed of the mixture under the shield increases and approaches the speed of the tape. With an increase in the speed of the mixture layer and its compaction in the shield, the action of inertial forces and pressure intensifies, therefore, particles of solids and liquids. having a higher density and mass in comparison with gases when moving in the shield, they are more strongly pressed to the surface of the rotating tape than gases. Particles of liquids and solids, as heavier, are located and move along the inner surface of the tape, and gases, as light, between the outer surface of the shield and the tape. Particles of solids and liquids located on the surface of the tape, in addition to inertial forces and pressure, are also affected by friction and adhesion forces, which depend on these forces. Under the action of friction and adhesion forces, particles of solids and liquids are held on the surface of the tape and lift it up to the section with inverse curvature, acquiring a speed equal to the speed of the tape. Liquid particles located on the surface of the tape, under the influence of inertia and pressure, pass through the pores of the tape 4 in the direction of arrow C and fall between the body 1 and rotor 2, settle in the body and are discharged in the direction of G. (Fig. 1) Particles that did not pass through the pores of the tape and stuck in them, in the area where the tape has an inverse curvature, are separated by the forces of inertia and gravity from the surface of the tape, the pores are cleaned and enter the groove 6 along arrow D (figure 1) and then removed from the separator in the direction of arrow F (Fig. . 2). When leaving the shield 6, the gases move by inertia inside the tape in the direction of its rotation. Having less inertial properties than particles of solids and liquids, gases decrease their speed much faster, therefore, gases cannot rise upward together with these particles, further, tearing themselves away from the surface of the tape, move independently along it along the trajectory shown by arrow E (Fig. . 1) are removed from the separator by the air flow of the traction fan in the axial direction of the rotor in the direction of arrow E. (Fig. 2). The speed of the air flow created by the fan in the axial direction of the rotor should be less than the limiting velocity of the solids located on the surface of the tape to prevent them from blowing off the surface of the tape and returning to the already purified gas. To eliminate gas leaks, the chute 6 is hermetically connected to the shield 9, and sidewalls 10 are installed at the ends of the chute 9, seals 11 are installed on the periphery of the sidewalls 10 at the points of contact with the inner surface of the rotor, which also create a tight connection between the shield and the rotor and the tape. Seals 11 can be made by devices known in the art (cuff, brush, packing, etc.), which will provide a reliable tight connection of the sidewalls of the shield with the inner surface of the rotor.

Выполнение щитка криволинейной формы и обращенного своей выпуклостью к поверхности ленты позволяет установить его по отношению к ленте с зазором между щитком и лентой в пределах его сужения к нижней части примерно в пять раз (определено измерением зазоров со схемы фигуры 1). С учетом равенств объемов смеси поступающих Q₁ в щиток и выходящих Q₂ из него в единицу времени, принимаем: Q₁=Q₂=Q, получим: Q=A₁⋅V₁=A₂⋅V₂; A₁=δ₁⋅l, А₂=δ₂⋅l, V₂=V₁⋅A₁/A₂, илиThe execution of the flap curvilinear shape and facing its convexity to the surface of the tape allows you to set it in relation to the tape with a gap between the flap and the tape within its narrowing to the bottom about five times (determined by measuring the gaps from the scheme of figure 1). Given the equality of the volumes of the mixture entering Q ₁ into the shield and leaving Q ₂ from it per unit time, we take: Q ₁ = Q ₂ = Q, we get: Q = A ₁ ⋅ V ₁ = A ₂ ⋅ V ₂ ; A ₁ = δ ₁ ⋅l, A ₂ = δ ₂ ⋅l, V ₂ = V ₁ ⋅ A ₁ / A ₂ , or

где A₁, А₂, V₁, V₂ - площади сечений и скорости слоя внутри щитка на входе и выходе из него, a δ₁ и δ₂ - величины зазоров, соответственно, l - длина щитка в продольном направлении. Из (1) следует, что уменьшение зазоров к нижней части щитка от δ₁ до δ₂, например в пять раз, позволит увеличить скорость слоя при его выходе из щитка V₂ тоже в пять раз, поэтому частицы. находящиеся на поверхности ленты, могут быстрее выровнять свою скорость со скоростью ленты. В результате, усиливается действие сил инерций (центробежных), за счет этого повышается интенсивность прохождения жидкой фракции через поры ленты и повышается производительность сепаратора. Можно также снизить угловую скорость ротора до пределов, когда скорость частиц на ленте будет достаточна для эффективной работы сепаратора, что приведет к снижению энергии потребляемой сепаратором. За участком обратной кривизны, в ее сбегающей с валика ветви, лента поступает в зону подачи исходной смеси полностью восстановленной, поэтому не требуется остановка сепаратора на регенерацию ленты, что также способствует повышению его производительности. Установка ротора на опорных катках позволяет избежать консольного его расположения относительно опор и повысить надежность валов и подшипников сепаратора.where A ₁ , A ₂ , V ₁ , V ₂ are the cross-sectional area and velocity of the layer inside the shield at the entrance and exit from it, a δ ₁ and δ ₂ are the gaps, respectively, l is the length of the shield in the longitudinal direction. From (1) it follows that a decrease in the gaps to the lower part of the shield from δ ₁ to δ ₂ , for example, by a factor of five, will increase the speed of the layer when it leaves the shield V ₂ also by a factor of five, therefore, particles. located on the surface of the tape can quickly align their speed with the speed of the tape. As a result, the action of inertial forces (centrifugal) is enhanced, due to this, the intensity of the passage of the liquid fraction through the pores of the tape increases and the performance of the separator increases. You can also reduce the angular velocity of the rotor to the extent that the speed of the particles on the tape is sufficient for the efficient operation of the separator, which will reduce the energy consumed by the separator. Behind the reverse curvature section, in its branch running off the roller, the tape enters the feed zone of the initial mixture completely restored, therefore, the separator does not need to be stopped to regenerate the tape, which also helps to increase its productivity. The installation of the rotor on the track rollers avoids its cantilever arrangement relative to the supports and improves the reliability of the shafts and bearings of the separator.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет снизить затраты энергии, потребляемые сепаратором, повысить его надежность и производительность, что в целом повышает эффективность работы инерционного сепаратора при разделении газожидкостной смеси на отдельные фракции под действием сил инерций.Thus, the proposed technical solution allows to reduce the energy consumption consumed by the separator, to increase its reliability and performance, which generally increases the efficiency of the inertial separator when dividing a gas-liquid mixture into separate fractions under the action of inertia forces.

Claims (2)

1. Инерционный сепаратор, содержащий корпус, установленный внутри него ротор с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, внутрь ротора вдоль его боковой поверхности вложена гибкая бесконечная лента, изготовленная из пористого материала, в верхней части ротора между его внутренней поверхностью и наружной поверхностью ленты установлен нажимной валик, создающий в ленте участок с обратной кривизной, вдоль ленты под ее набегающей ветвью участка обратной кривизны установлен желоб, отводной патрубок, сообщающийся одним концом с полостью ротора, а другим присоединен к тяговому вентилятору, отличающийся тем, что внутри ленты вдоль ее боковой поверхности под сбегающей с валика ветви ленты по ходу ее движения установлен питающий патрубок со щелью, направленной к ленте, а под патрубком установлен щиток криволинейной формы, обращенный своей выпуклостью к внутренней поверхности ленты так, что зазор между лентой и щитком сужается к нижней части щитка.1. An inertial separator containing a housing, a rotor mounted inside it with the possibility of rotation around a horizontal axis, a flexible endless tape made of porous material embedded inside the rotor along its lateral surface, a pressure roller is installed in the upper part of the rotor between its inner surface and the outer surface of the tape creating a section with reverse curvature in the tape, a groove is installed along the tape under its running branch of the section of reverse curvature, a branch pipe communicating at one end with strips a rotor, and the other is connected to a traction fan, characterized in that inside the tape along its lateral surface under the branch of the tape which runs down from the roller in the direction of its movement, a supply pipe with a slit directed to the tape is installed, and a shield of curvilinear shape, facing its convexity to the inner surface of the tape so that the gap between the tape and the flap narrows to the bottom of the flap. 2. Инерционный сепаратор по п. 1, отличающийся тем, что скорость воздушного потока вентилятора внутри ленты не превышает предельной скорости витания частиц, находящихся внутри ленты.2. The inertial separator according to claim 1, characterized in that the speed of the air flow of the fan inside the tape does not exceed the limiting speed of the particles inside the tape.

Images